(完整word版)双螺杆挤出机螺杆局部构型设计
螺杆局部构型设计
根据捏合同向双螺杆挤出过程一般由固体输送、熔融、熔体输送、混合、排气等区段组成，以及同向双螺杆是组合式，即整根螺杆是由完成不同功能的螺杆区段组合而成的特点，因而整根螺杆的组合应包括两方面：一是完成不同局部功能的各种螺杆区段（即局部构型）设计，二是针对整个挤出过程完成的任务，整根螺杆的组合设计。这里先讨论螺杆的局部构型设计。
1.加料段：
此处所指的加料段，是指第一（或主）加料口下方对着的螺杆区段。对这一段的主要要求是能顺利地、多适应性地加入物料，包括能适应各种形状的粒料、低松密度的粉料、含有纤维状添加组分的物料的加入。据此，大螺距、正向螺纹输送元件用在此处可获得最大的加料能力。有资料推荐这一段也可采用加大螺槽深度的螺纹元件，可使其容积输送能力超过一般标准螺纹元件，因而也可获得较大的加料能力。下图表示的为Berstorff公司的加料段螺杆槽深度的变化情况。对于ZE-A系列，在给定的中心距下，果敢外径D 于螺杆的根径d的比值由ZE系列的D/d=1.24加大到1.43，其后来的ZE-R 系列其D/d=1.74，这比ZE型的体积增加了2.3倍。
2.用于压缩物料的螺杆局部结构：
像单螺杆挤出过程一样，在固体输送段要将松散的粉状物料压实或提高粒状料在螺槽中的充满程度。以利于促进物料的熔融、塑化，就要设置能实现这一要求的螺杆局部结构。分段改变螺距，使螺距由大到小，这是当前流
行的组合式双螺杆通常采用的方法。应当指出，加工低松密度的粉状物料，在组合不同导程螺纹元件时一般不会出现什么问题；但若加入的是颗粒料，则相接螺纹元件导程的变化有时会导致挤出机过载，为此在设计相邻导程变化的程度时要考虑到这点
阶跃式导程变化对充满度的影响
3.用于熔融塑化的螺杆局部构型：
熔融塑化给定聚合物的最佳螺杆构型取决于物料的比热容、熔点、熔体粘度以及聚合物在固体状态时粒子的大小。用于熔融、塑化的局部螺杆构型设计的目标是在设定的温度下将固体物料均匀、快速熔融。使物料熔融的热源有两个，一个是由机筒加热器提供的外热，另一个是由螺杆导入的机械能转变的摩擦热、苏醒形变热和剪切热，而后者是主要的。为导入剪切热，在熔融塑化段应设置捏合块、反向螺纹元件、反向密炼机转子式（或大导程）螺纹元件，并将这些元件在预定的螺杆轴向位置与其上游的正向螺纹元件有效的组合起来，具体如下图所示
(a)反向螺纹元件；(b)正向捏合块+反向螺纹元件；(c)正向捏合块；(d)反向非对称大导程螺纹元件。
评价用于塑化熔融的局部螺杆构型好坏，应当是其将机械剪切能转变为热而使物料熔融得最快、最彻底，又不使物料温度升高，即能量利用最好。实验发现，上图(b)所示构型，在螺杆高速运转下，物料熔融的很快，且熔融区的长度很短。但是在该区段及其上游一段区域内物料的温升很高，大大超过原来的设定温度（）和熔融物料所需要的能量，而且熔体压力也很高。这说明这种螺杆构型耗散了过
多的机械能，除使物料熔融外，还使熔体温度大大升高，显然不是最佳。
研究发现，某些聚合物，在二头螺杆元件系统中使用三天捏合块会更好地实现熔融，与相当的二头捏合块相比，这种三头捏合块能提供更有效的能量输入，这是由于其啮合区两螺杆的相互作用和最大、最下剪切速率间较小的差别而使能量更均匀地输入的结果，它对熔融结晶性工程树脂特别有效。而采用标准的二头正向和中性捏合块时，捏合块中的漏流缩短了物料在高剪切区的环流，熔融会不彻底。反向螺纹元件除了前述的缺点外，其所产生的压力梯度对物料粘度的敏感性要大于三头捏合块。所以，三头捏合块可以塑化具有宽粘度范围的聚合物。
有资料报道，用于熔融的较好螺杆构型是上图(d)所示的组合—有非对称大导程的新型螺杆元件的构型，它可以使大部分物料经受可控恒定的剪切和压力，故物料温升不高。
为了避免在熔融塑化区产生过高的温度梯度，可将剪切元件和正向螺纹输送元件相间组合，使总能量的输入以一定得顺序在一定得轴向长度内分布开来，如为Berstorff公司用于熔融的螺杆构型(c)所示。
4.用于排气的螺杆局部构型
啮合同向双螺杆挤出机都设有排气段，把物料中的湿气、夹带的空气和挥发的组分除去。在排气口的上游，应将熔体密封，使之建立高压。而在排气区，即与排气口对应的区，应使物料在螺槽中的充满度较低，并与大气或真空泵相通。使熔体密封并建立高压的方法可采用反向螺纹元件、反向捏合块或调压阀。在排气区则应该采用大导程螺纹元件如下图（），以形成低充满度和薄的熔体层。使物料有可暴露的大的自由表面，长的停留时间，以利于排气。有资料建议在排气区若采用多个小螺距螺纹元件，会有利于可暴露的自由表面的不断更新，加长停留时间，有利于排气。（）另外，像单螺杆排气挤出机的排气螺杆设计那样，应
保证排气口上游螺杆段的输送能力小于或等于排气口下游螺杆段的输送能力，以建立流量的平衡，使排气口下游熔体充满的回溯长度（）不进入排气区，防止排气口溢料。
5.用于熔体输送的螺杆构型
在同向双螺杆挤出机的螺杆组合中，有时要采用捏合块、反向螺纹元件。物料通过这些元件，需要在其上游建立压力（图）；物料通过机头也需要建立压力。而只有在完全充满物料的螺杆段才能建立压力。因而啮合同向双螺杆挤出机的压力建立能力来自螺槽连续充满的能力。100%的充满度能使轴向有通道的螺杆构型在短距离内建立起压力。而熔体对螺杆的充满长度（前称之为回溯长度）取决于物料的年度、螺杆导程、螺杆转速、加料量和口模阻力。前已述及，建压伴随着温升，这是由于聚合物低的传热系数和螺杆冷却表面与熔体挤出量之比较低所致。为使建压带了的温升最低，必须优化建压螺杆构型，以减少背压区（或回溯区）的长度，使输入物料的能量最小。背压区变短，意味着在预定的压力下，对流率为某一值的熔体挤出段，压力梯度必须达到最大值。
应当指出，若螺杆构型或操作条件选择不当，有可能导致挤出不稳定，如波动；排气口下游熔体输送区的熔体充满段的回溯长度下延伸到排气段时会导致排气口冒料。
6.与多个加料口相适应的螺杆构型
在某些情况下，某些组分要在沿螺杆轴线方向的不同位置加入。这样，除主加料口外，挤出机上还会有其它后续加料口。这时，螺杆构型就应当与所有不同加料口相适应。显然，在后续加料口上游应设置密封螺纹元件，而在对着加料口的螺杆上设置大螺距、物料不能充满的螺纹元件，以容纳加进的组分和使之容易加入。对于热和剪切过敏感的添加剂，应在基体聚合物已在高剪切区彻底熔融后再加入，即在该处设置添加剂加料口，该加料口下游的螺杆构型要设计的能够提
供低剪切的混合。当加入增强填料时，例如加入玻纤，就应在聚合物已熔融后加入，以保护玻纤不致被过分剪断，影响增强效果和过度磨损螺杆。玻纤加入口下游螺杆构型非常重要，它决定了最终纤维长度及其分布。当加入低熔点的添加剂时，应在聚合物完全融熔后加入。如果加入的添加剂是液体，则应当用高压泵打入，此时机筒上加入口最好是单向阀结构，以保证添加剂不返回，螺杆该区段可以充满或不充满物料，但其压力应小于高压泵的压力。当加入高浓度液体时，应采用几个下游加料口，逐渐分布加入，使之慢慢与聚合物熔体混合，将之稀释，而对应每个加料口下游的螺杆元件的混合强度应逐渐增强，以均化粘度逐渐减小的聚合物熔体和液体添加剂形成的混合物。
7.混合段的螺杆构型
啮合同向双螺杆挤出机主要是用来对物料进行改性，混合是最关键的一步。物料的混合除了与螺杆的构型有关外，还与物料的性能、状态及操作条件有关。过去一般认为混合主要是在聚合物变成熔体后才真正的进行。但近来的研究发现，在双螺杆的熔融段，聚合物共混物分散相尺寸发生急剧下降，从初始的毫米级的宏观粒子很快减小到熔融结束后的几十微米。与熔融区对共混形态结构的影响相比，熔体输送区对混合的影响要小得多。换而言之，分散相颗粒尺寸在软化（对无定型聚合物）阶段或熔融阶段（对半结晶聚合物）变化很大，而当聚合物完全熔融后期分散相颗粒尺寸变化不大。这就提醒我们，啮合同向双螺杆挤出过程的熔融阶段也就是混合开始的阶段，这与以往的概念是不同的。为此，就应当把熔融段和混合段的螺杆构型统一起来考虑。下图（）表示 w.p公司双螺杆组合设计中齿形元件和其它元件组成的增加分布混合强度的螺杆构型。图（）为增加混合强度的由捏合块及螺纹元件组成的混合段。
螺杆的整体构型设计：
1.混合作业的目的，最终制品的配方和加入双螺杆挤出机进行混合时物料各组分的形态、性能和配比。从整个工艺来看，对加料的方式、顺序等有无特殊要求必须弄清楚。因为在不少情况下，为了达到规定的混合目标，并不总是把参混的聚合物及其添加剂在一起游第一个加料口加到挤出机中去，有时要根据物料加料特性、输出、熔融和混合特性、混合物中各组分应达到的最终混合状态，在挤出过程的不同阶段，在螺杆轴线的不同位置，将聚合物或添加剂按一定比例份数加到几次系统中，这就涉及及需要设置几个加料口，是否需要侧加料口和液体添加剂注入口的问题，而这对机筒元件的选择和整根螺杆的构型设计会有很大影响。
2.如果挤出过程主要是实现分布混合，如混合理论所述，其关键变量是应变，则螺杆构型应能提供足够的应变外，还应使物料在螺杆中流动时能不断重新取向（或不断调整其流动方向），使其与剪切方向成45°。根据研究和实际经验，在进行螺杆构型设计时，为了获得大的应变，并非剪切元件数量越多越好，而应在剪切元件之间引入混合元件，以使由剪切元件流出的物料界面无规化，这样可以
在增加很少或不增加剪切的情况下获得大的界面增长，从而实现良好的分布混
合。另外，用两个或更多个的输送元件将混合段隔开，这将给系统中粘弹物料一个机会，在其进入下一阶段之前松弛一下，从而恢复它因来自上一段的剪切变稀而减小的年度，使其粘度增大（为实现良好的混合，应保持较高的粘度），这样混合会更有效，且能量输入最小（减少主机电流）。
3.如果挤出过程主要是实现分散混合，即使某些组分的粒径小到所希望的值，则螺杆构型的设计与前面就有所不同。分散混合的关键变量是应力，只有能提供大的剪切力，才能使结块和液滴破裂。这就要在螺杆中设置高剪切区，而且要使物料多次通过这些高剪切区。高剪切区最好设置在物料的熔融阶段。这是因为每通过一次高剪切区，界面与剪切方向不同，可能得到最大的剪切效果，这和物料在开炼机中薄通次数越多，分散混合越好一样，因为在熔融段物料粘度大，故在此时提高剪切，分散效果好。