同向双螺杆挤出特点及螺杆组合原则

1、61995-2005TsinglutaTongfangOpticalDiscCo.9Ltd.Allrightsresented.专论与综述MonographandReview同向双螺杆挤出特点及螺杆组合原则郭奕崇李庆春闫宝瑞（北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所，北京，100029）衽可视化挤出试验的基础上叙述了同向双螺杆挤出的特点，并将其与单螺杆和异向双螺杆进行了比较,以及对同向双螺杆挤出工艺制定中的关键问题一杆组合进行了探讨。同向双螺杆，螺杆组合61995-2005TsinglutaTongfangOpticalDiscCo.9Ltd.Allrightsresented.61995-200

2、5TsinglutaTongfangOpticalDiscCo.9Ltd.Allrightsresented.螺杆挤出是最常用的聚合物加工方法之一，双螺杆挤出机出现于20世纪30年代。它主要有单螺杆与双螺杆两种形式。根据两根螺杆相对旋转方向的不同，分为同向旋转和异向旋转两大类。60年代又出现了两螺杆轴线不平行的锥形双螺杆挤出机，它属干异向旋转。异向旋转双螺杆挤出机挤出稳定，主要用干管材、型材等对截面尺寸要求高的制品的挤出成型，目前门窗型材的生产大多以异向旋转的锥形双螺杆挤出机作为主机。同向旋转双螺杆挤出机主要用于混料。混料在聚合物加工中占有重要地位、50%以上的聚合物树脂在成为最终制品前都要经

3、过螺杆混料，可见同向双螺杆挤出机的重要性。现在使用的同向双螺杆挤出机的挤压系统绝大多数采用模块结构，各机筒组件、各螺杆元件可以通过变换组合来满足特定混料过程对输送、熔融、混炼、脱挥、均化等方面的特殊要求。本文就同向双螺杆挤出过程的特点及生产中人们十分关心的螺杆组合问题进行探讨。文中的一些观点是在可视化试验观察的基础上提出的，关干可视化双螺杆挤出试验可见参考文献2,3o1同向双螺杆挤出的基本特点1.1双螺杆并非是两根单螺杆的简单组合，双螺杆与机筒之间除具有螺棱间隙以外，还有侧隙、压延间隙和四面体间隙。啮合型双螺杆有全啮合与部分啮合之分，而全啮合型还可再进一步细分为共轨型和非共觇型两类。螺杆几何参

4、数如螺杆直径滋、螺纹头数“，螺棱宽度W、中心距Lc等是互相关联的。因几何参数的不同，双螺杆螺槽流道横向可以开放，也可以不开放。几何复杂性是单、双螺杆最根本的区别之一。1.2同向双螺杆挤出过程中，大多数的螺檳没有充满物料，这种情况可用螺槽充满度来表示：式中：为单位轴向长度上双螺杆螺槽的体积，力为单位轴向长度上螺槽中物料的体积。只有当物料向前运动遇到较大的阻力时，螺槽才可能被物料充满。这种情况大多发生在机头附近、反向螺杆元件上游、捏合元件上游和排气口前等部位。因为这里常常放置反向螺纹元件，让螺槽中充满物料来堵塞排气口与加料口间的通道，使真空排气成为可能。导致非充满的原因有两个：一是双螺杆挤出的正位

5、移机理，二是双螺杆多采用计量加料而不是溢流加料。图1和图2就是同向双螺杆挤出中熔融段螺槽非充满的情况，它们是通过可视化双螺杆挤出机机筒上的视窗拍摄的，图下方的箭头表示物料的运动方向。掬料：HOPEfit料（住左侧亍窗口拍播）图1粒料的熔融图2粉料的熔融1.3如前所述，双螺杆多采用计量加料，这样，加料量成为一个独立的操作变量。加料量不同，螺槽的充满度就不同，物料在挤出过程中的运动形式也不同，这是单螺杆挤出中没有的现象。当充满度较小时，在固体输送段下游处的相邻物料互相粘连形成若干个独立的料团后进入熔融段。在熔融过程中，料团在机筒、螺杆的共同作用下，一边沿螺槽纵向向前滚动，一边熔融。粉料的密度较小，

6、在同样产量的情况下，其体积加料量要比粒料大，螺槽充满度也更大些。由于充满度很大而又没有被压实，物料不再是若干个独立的料团，而成为连续的物料床。根据可视化观察试验，可以大致把不同的运动形式分为两类.即非连续类型和连续类型。当充满度较大，物料呈连续类型时，挤出产量也较大，因此，充满度是人们十分关心的问题。图1和图2显示了不同的充满度，图2中螺槽的充满度更大些。在进行双螺杆挤出理论的研究时，也要注意物料运动的多样性问题，以确定特定条件下物料特定的运动形式，并针对各种形式来分别建模。1.4一般认为，单螺杆挤出是基干摩擦拖曳机理，而双螺杆挤出是基于正位移。正位移是指螺杆输送机中物料在螺杆旋转一周期间，被

7、强制地沿轴向向前推进的一个导程的距离。它仅与几何因素(如螺纹导程)、螺杆转速有关，而与物料和螺杆、机筒间的摩擦无关。实际上正位移要求严格的几何条件。例如在双螺杆挤出中，只有在螺槽流道的横向、纵向都封闭时.正位移才有可能。但对同向双螺杆挤出机来说，这是不可能的。在几个间隙中产生的漏流和反向元件、中性元件的存在使正位移进一步被削弱；另一方面，在双螺杆的非啮合区，物料的运动现象及机理确与单螺杆挤出有相似之处0因此，同向双螺杆挤出过程兼具摩擦拖曳和正位移两种特征。1.5上面提到，单螺杆挤出的机理是摩擦拖曳，这时正常挤出只有在螺槽完全充满，物料被压实后才能进行。在螺杆机筒的摩擦拖曳及机筒内压力的作用下，

8、熔料逐渐在螺棱推进面的前方堆积，形成熔池，使螺槽中熔料与固体物料间界线分明。而同向双螺杆挤出时，摩擦拖曳作用较小，但由于有正位移作用，螺槽未充满时物料也可以向前运动，没有条件形成熔池，熔料与固体料间的位置变换频繁,未熔物料始终散布在熔料中。这种情况可见图Io这是同向双螺杆挤出的熔融与单螺杆挤出最明显的不同。2同向、异向双螺杆挤岀机的区别相对旋转方向的不同使得同向、异向双螺杆几何构型也不同。图3是根据共辘运动关系决定的这两种螺杆的图示。可以看到，它们的横截面形状完全不同。同时，运动关系和几何关系上的差别，也导致了它们挤出特性和应用领域的区别。61995-2005TsinglutaTongfang

9、OpticalDiscCo.9Ltd.Allrightsresented.61995-2005TsinglutaTongfangOpticalDiscCo.9Ltd.Allrightsresented.A-A(a)冋向能转双螺杆B(b)异向炭转双螺杆61995-2005TsinglutaTongfangOpticalDiscCo.9Ltd.Allrightsresented.61995-2005TsinglutaTongfangOpticalDiscCo.9Ltd.Allrightsresented.图3同向、异向双螺杆图示200161995-2005TsinglutaTongfangOpti

10、calDiscCo.9Ltd.Allrightsresented.同向双螺杆的特点是：转速较高并且在啮合区(两螺杆在横截面图中的重叠部分)不同位置处有较接近的相对运动速度，所以可以产生强烈、均匀的剪切；几何形状决定了其纵向流道必定开放，使两螺杆之间产生物料交换。交换时，原处于一根螺杆螺槽底部的物料将运动到另一根螺杆螺槽的顶部。纵向流道的开放还使横向流道开放成为可能，来实现同一螺杆相邻螺槽间物料的交换。这使同向双螺杆具有较好的分布混合能力，因此最适合于混炼操作。而异向双螺杆的几何参数决定了其纵向流道是可以封闭的，物料因此被螺杆强制向前输送，这就是所谓的正位移。这使稳定的成型挤出成为异向双螺杆挤出

11、的主要特点。因此谈到双螺杆,就应该指明旋转方向。表1对单螺杆、异向双螺杆、混炼用同向双螺杆的正位移、稳定挤出和分布混合能力进行了定性比较。单螺杆异向双螺杆同向双螺杆正位移较弱强中稳定挤出中强较弱分布混合能力中较弱强緋气o3螺杆组合原则螺杆组合是双螺杆挤出工艺制定的关键。同向双螺杆挤出以混炼为主，螺杆组合要考虑到主辅料性能与形状、加料顺序与位置、排气口位置、机筒温度设置等等。同时，混料的对象十分庞杂，对每一个特定的混料过程都有合理进行螺杆组合的问题，显然这种组合也是多种多样的，目前的组合设计主要依靠经验。尽管如此，同向双螺杆的螺杆组合还是有其基本规律可循的。以下就是对螺杆组合原则的两点看法。(1

12、)螺纹导程在加料口处应较大，此后逐渐减小。同向双螺杆的螺槽深度不变化，导程逐渐减小使螺槽容积变小，起到对物料的压缩作用；同时,加料口处螺槽容积较大，也可使加料顺畅。但从加料口处到机头处导程还要有其他的一些配置。首先，在排气口前应设有阻力元件，如捏合块或反向螺纹元件，然后在排气口处为大导程螺纹元件，从这里到机头导程再逐渐减小，即以排气口为界，前后两段的导程总体上为从大到小；其次，在有较多捏合块的地方，如混炼段，要间隔一段距离配置螺纹元件以加强输送能力。按此原则组合的螺杆示意于图4(a)中。该图给出了一个示例：假设现有右61995-2005TsinglutaTongfangOpticalDiscC

13、o.9Ltd.Allrightsresented.61995-2005TsinglutaTongfangOpticalDiscCo.9Ltd.Allrightsresented.挤出样气混炼熔融加料与回体输送*18rsjsOjaeoei8uc(a)A第绢捏合块加米芟161995-2005TsinglutaTongfangOpticalDiscCo.9Ltd.Allrightsresented.61995-2005TsinglutaTongfangOpticalDiscCo.9Ltd.Allrightsresented.挤出捉气混炼熔融加料与固体输送(b)图4典型螺杆组合原理61995-2005

14、TsinglutaTongfangOpticalDiscCo.9Ltd.Allrightsresented.61995-2005TsinglutaTongfangOpticalDiscCo.9Ltd.Allrightsresented.1995-2005TsinglutaTongfangOpticalDiscCo.9Lid.Allrightsresented.旋螺纹元件3种，导程分别为64mm、40mm、28mm;左旋螺纹元件1种，导程为28mm。各导程在图中螺杆相应元件的下方标出。例如，2-64表示两个导程为64min的螺纹元件，左旋螺纹元件则加一后缀字母L;KB表示捏合块，图中KB1、KB

15、2分别表示两种不同规格的捏合块。物料熔融所需热量来自外部加热和剪切热，在适当的地方配置捏合块来加强剪切以促进熔融，可取得很好的效果。即将第一组用于促进熔融的捏合块放在熔融区的后部，见图4(b)o此时物料已接近完全熔融.一旦遇到捏合块.将立刻全部熔融。在一定区域内调整捏合块位置，可以控制熔融的结束点。但一定要注意的是，如果该组捏合块过于靠近加料口，则会导致堵料和螺杆所受扭矩増大的后果.这是必须避免的。图4(a)和(b)两图间的箭头所指处是两根螺杆的区别所在。由此可见，图4(b)所示的螺杆应是螺杆组合的基本形式。但需要指出的是，该图仅仅说明了组合原则，并没有考虑特定挤出过程的具体情况。4结语同向双

16、螺杆挤出技术在我国已有数十年的研制开发历史，应用也越来越广泛，但是人们对双螺杆挤出过程的认识仍不够深入，相关的基础研究也滞后干应用。双螺杆较为复杂的运动关系和几何关系造成人们对双螺杆挤出过程定性和定量描述的困难，但对其研究始终没有间断。因此，深入了解双螺杆挤出过程，不断地针对生产实际遇到的问题进行理论分析和总结，逐渐建立起在可靠的试验基础上能够服务于生产的同向双螺杆挤出应用基础理论，具有重要的理论意义和实用意义。5参考文献IDF.汉森.塑料挤出技术.北京：中国轻工业出版社200112朱复华.江顺亮.刘廷华.化工进展，1997.16(1):513朱复华.刘廷华.郭奕崇，等.塑料，1996.25(

17、4):9男，46岁.工学博士，研究室主任，副研究员。主要从事双螺杆挤出过程的研究，已发表学术论文20余篇。:2001-08-01:1Q320.11995-2005TsinglutaTongfangOpticalDiscCo.9Lid.Allrightsresented.1995-2005TsinglutaTongfangOpticalDiscCo.9Lid.Allrightsresented.CharacteristicsofC(rrotatingTyin-screwExtrusionandPrincijieofScrewConfigurationGitoYichong,LiQingchun,YanBaonu(InstituteofHasticsMachinery&Engineering,BeijingUmv*ersityofChemicallechiiolog,Beijing100029AbstractBasedonvisualizedexperimen