变头变径变深组合理论及其应用

变头变径变深组合理论及其应用

0组合挤出系统的基本原理在塑料加工领域，双螺杆挤出机具有多种特点，占有很大的应用市场。双螺杆挤出机可分为啮合型和非啮合型,又可分为同向旋转型和异向旋转型。在诸多双螺杆挤出机种类中,同向旋转啮合型双螺杆挤出机具有优良的混合效果、极强的操作灵活性,其产品性能的均一性好、产量高、能耗低、设备自动化程度高,主要用于聚合物原料的各种改性加工如共混改性、增强改性和填充改性等。反应挤出在这种挤出机上的应用范围也在不断扩大。意大利LMP公司最早于1935年就研制出商业化同向双螺杆挤出机,而1978年M.L.Booy首先将同向旋转双螺杆挤出机发展为紧密啮合型同向双螺杆挤出机,使其具有自清洁功能和更好的混合效果,一方面可以有效地防止聚合物原料和各种添加剂、填充剂在挤出机内部的滞留和分解,另一方面具有自清洁功能的捏合盘元件大大改善了这种挤出机的混合功能,这两点正是这种挤出机的特点和优势,是其在聚合物加工领域得到广泛应用的主要原因。由于各种元件在相同中心距、相同螺纹头数的条件下具有相同截面形状,啮合型同向双螺杆挤出机的各种螺杆元件可以根据物料特性、加工工艺、加工制品要求任意组合而不影响其功能,这种积木式组合挤出系统的特点使之具有很大的灵活性。该种挤出机常见螺杆元件包括:不同导程正向螺纹元件、不同导程反向螺纹元件、不同宽度不同错列角捏合盘元件及其它混炼元件,这些元件通常具有相同的螺纹头数,相同的中心距和相同的螺杆外径。上述元件由于具有相同的截面形状而可以任意在轴向进行组合,使之具有很大的灵活性,但是这也会引出其存在的不足之处。根据螺杆元件螺纹头数不同,可以将其分为单头螺杆、双头螺杆、多头螺杆(从实用角度上说,通常为三头螺杆);根据螺槽深度不同,可以分为浅槽深螺杆、中等槽深螺杆和深槽深螺杆,如图1和2所示。各种螺纹头数螺杆具有各自在各种特性上的优缺点,而各种槽深螺杆也具有不同优缺点,具体反映在螺杆元件的挤出特性、混合特性和功耗特性几个方面。在具体物料加工过程中,由于不同挤出阶段对螺杆元件的要求不同,单一槽深单一头数螺杆元件就难以很好地发挥出各自的优点。要想解决这一问题,我们首先分析一下各种螺杆元件的基本特性,包括挤出特性、混合特性和功耗特性。1螺纹几何参数分析通过分析具体各种螺杆元件在挤出特性、混合特性和功耗特性各个方面的优缺点,在螺杆组合时就可以有针对性地根据具体加工物料和具体加工工艺要求充分发挥利用其优点达到挤出混合过程的最终要求。本文将着重分析螺纹头数和槽深对各种特性的影响。为了分析方便,定义:k=ho/Rs式中k——无量纲槽深ho——最大螺槽深度Rs——螺杆外径对于每种螺杆元件,由于其具有同一的螺杆横截面形状,其几何参数是统一的,下面我们分析不同螺纹头数和不同槽深条件下,螺杆元件的自由体积百分比:γ=VF/Vb式中VF——流道体积Vb——“∞”型孔体积Vb反映了挤出机可能的输送能力的大小,高自由体积百分比意味着可能的输送能力大。螺杆扭矩承载能力百分比:λ=(MT/Cl3)/(MT/Cl3)max式中MT/Cl3——螺杆扭矩等级参数MT/Cl3反映了螺杆元件可承受的最大剪切强度,是表征啮合同向双螺杆挤出机混炼能力的一个主要参数,高扭矩等级参数意味着设备在当量工作空间内具有较强的做功能力,不同螺纹头数和不同槽深条件下,这两个参数如图3所示。图中可以看出三头螺纹有较高的扭矩等级参数百分比,但是其自由体积百分比受到限制,其可能的输送量受到限制,而单头螺纹的自由体积百分比可以较大,但是其螺杆的扭矩等级百分比则相对较小,其混合承载能力受到一定的限制。每种螺杆元件的工作特性(挤出特性、混合特性和功耗特性)与多种参数有关,主要与螺杆几何参数、物性参数、工艺参数等有关,螺杆几何参数包括螺纹头数、中心距、螺杆外径、螺纹导程、螺杆与机筒间隙、螺杆与螺杆间隙;物性参数包括物性流动参数如幂律指数、稠度;工艺参数包括螺杆转速、加料量和温度设定等,这里将讨论螺纹头数和螺槽深度对各种工作特性的影响。1.1头螺钉流道设置正向螺纹元件无量纲槽深对流量影响如图4所示,螺纹头数对流量影响如图5所示。图中可以看出,正向螺纹元件存在一个最佳槽深k*,对应最大流量,但是此k*是与其它各种参数密切相关的。通常情况下,螺槽深度在0～k*范围内,这意味着加大槽深有利于提高流量。螺纹头数对流量影响显而易见,单头螺纹流量大于多头螺纹元件,也就是说,单头螺纹元件输送特性较好。正向螺杆元件无量纲槽深对混合能力(平均剪切强度)的影响如图6所示,螺纹头数对平均混合能力影响如图7所示。图中可以看出,螺槽越深,平均剪切强度越低,平均混合能力就越弱。多头螺纹的平均混合能力较单头螺纹弱,这是由于相同槽深条件下,多头螺纹的自由体积百分比比单头螺纹大,虽然其提供的剪切应力和应变较大,其总体平均剪切相对较小。而更为重要的原因是单头螺纹螺棱与机筒接触面积大,其小间隙内产生的剪切较大,而该部分空间对物料实际有效混合贡献甚微。从挤出过程有效性分析,多头螺纹元件流道内即螺槽内的平均剪切强度较单头螺纹元件高。正向螺纹元件无量纲槽深对功耗特性(螺杆扭矩)的影响如图8所示,螺纹头数对功耗特性的影响如图9所示。随着槽深加大,物料受平均剪切强度较小,螺杆扭矩小,而对于单头螺纹来说其螺杆与机筒接触面大,间隙内剪切较大,该部分空间消耗较大部分功率,造成螺杆扭矩上升。1.2最佳k#预测槽深的确定反向螺纹元件中无量纲槽深和螺纹头数对挤出特性、混合特性和功耗特性的影响分别如图10、11、12、13、14、15所示。从图中可以看出,反向螺纹元件无量纲槽深对流量的影响也呈抛物线型曲线关系,对应一定的压力差参数、工艺参数和物料特性,存在一个最佳k*无量纲槽深,在此槽深条件下,既可以起一定的阻力元件作用,又可以使产量达到最大化,而与正向螺纹元件特性相反,多头螺纹元件的挤出特性明显优于单头和双头元件。无量纲槽深的增大使物料承受平均剪切应力和应变减小,混合能力下降,而螺纹头数对反向螺纹元件中平均剪切应力影响较小,其特性类似于正向螺纹元件。无量纲槽深对螺杆混合特性即对螺杆扭矩影响与平均剪切相仿,螺纹头数对扭矩影响则可以看出多头螺纹螺杆扭矩要小于单头螺纹和双头螺纹。1.3螺钉特性分析捏合盘元件在螺杆元件中主要起混合作用,混合作用的大小取决于捏合盘的排列方向(正向排列、中性排列和反向排列)、错列角度和捏合盘片的宽度大小。在聚合物加工过程中混合作用可分为分散性混合和分布性混合两种,捏合盘元件对两种混合过程有不同程度的作用,分布性混合主要取决于捏合盘的螺纹头数、错列角和捏合盘片宽度,分散性混合主要取决于捏合盘片单片的几何参数包括中心距、外径、螺纹头数和间隙大小。本文主要讨论螺杆槽深和螺纹头数对设备混合性能的影响特性。由同向双螺杆挤出机螺杆几何学原理可以看出,整根螺杆可以被认为具有一定截面形状的轴连续或不连续、以一定错列角度扭转变形而成的,连续扭转形成螺纹元件,非连续扭转就成为捏合盘元件,两种元件的差别仅在于螺旋角度不同,螺纹元件和单片捏合盘元件在诸多特性上有相似之处,尤其是混合特性和扭矩功耗特性。由螺杆螺纹元件的上述特性分析中可以得出单片捏合盘片元件的各种特性,由于捏合盘片的螺旋角为0,其既不存在正向螺纹的输送能力也没有反向螺纹的反阻力作用,其流量输送能力为0,而无量纲槽深和螺纹头数对捏合盘的平均剪切强度和扭矩功耗特性有相同的影响,如图6和图7所示。分散性混合的关键在于混合设备能够提供的最大剪切强度和最大剪切应变的大小,分散性混合的最终体现是在混合组分的最终粒径大小是否满足物料体系各种强度性能上的要求。在捏合盘元件中,平均剪切强度的大小足以反映出分散性混合能力大小。以上是对分散性混合影响的讨论,而对于分布性混合,螺槽深度的影响则相对较小,起主要作用的是螺纹头数。根据混合理论,分布性混合程度的好坏直接取决于物料流动时料流的分散股数,物料在正向压力作用下不断被分割,各组分在物料空间位置不断置换过程中得到均匀化。在捏合盘片组中每个槽内的物料越过一盘片时被分为双股,如此反复,对于单个盘片组成的捏合盘,其分流能力为:Sn=2n-1式中Sn——分流数n——盘片数对于各种螺纹头数的捏合盘,其总分流数分别为:单头螺纹:Sn=2n-1双头螺纹:Sn=3×2n-1三头螺纹:Sn=5×2n-1显而易见,多头螺纹的分布性混合能力明显优于单双头螺纹。这一点对于强调各组分均化作用的各种作业过程十分重要。除分流作用以外,捏合盘中的回流过程对物料的均化过程也起着很大的作用。上述分布性混合情况对于中性捏合盘尤其典型。2dp1混合段、中低段混合控制板、排气口冒料由上述分析中可以看出,不同螺纹头数元件和不同槽深元件有各自优缺点,如何在上述理论基础之上将不同元件优点加以综合利用并避开其不足之处,以满足挤出过程中不同阶段对螺杆组合要求和不同性质加工物料和配方对挤出螺杆的基本要求,是本文的讨论重点。螺杆组合实际上是将各种不同性能螺杆元件沿螺杆轴向针对不同的挤出功能段进行排列组合。挤出过程是根据各段功能不同,可以划分为下述5个典型区段:固体输送、熔融段、混炼段、排气段和熔体输送段。在固体输送段,由于聚合物原料形式差异和填充剂或添加剂形式差异,通常情况下要求固体输送区有较大的容料空间以适应加料量的调整,防止物料在喂料口堆积产生溢料,螺杆组合应当使固体输送区物料处于部分充满状态,使得在物料熔融前压缩过程中排出的气体顺利排出而不影响固体输送,这要求该段组合有较大的输送能力和自由体积百分比。在熔融段,物料在经历固体输送区输送和压缩后开始熔融,并发生混合,在该段起始位置要求物料承受一定剪切,产生足够剪切热以促进熔融过程;根据可视化实验,物料在非常短的轴向距离内很快熔融,并开始发生混合。在混合段,物料经历熔融过程后已处于融化状态,此过程中物料各组分必须进行均化并细化,要求该段结合有一定的分散性混合和分布性混合能力,但是同时必须防止在该区段内产业过高的剪切热,产生大的温升。在排气段,为使均化后物料中挥发物和水分易于排除,要求该处处于负压状态,该段内螺杆组合要求有大的容料空间使物料处于充满状态。在熔体输送段,物料必须建立起一定的压力,使口模出口处物料有一定的致密度。一般情况下对混合要求较低,并且应当避免物料过剪切。在整个挤出过程中该段与排气段密切相关,如果熔体输送建立压力即正向输送能力不足会引起螺槽充满长度过长,导致排气口冒料。根据上述具体要求,并结合前述各种元件的特性,我们针对一般加工物料体系提出变头变径变深螺杆组合。提出该种组合的主要目的是使同向双螺杆挤出机更适应于各种特性各种形式物料加工;使其更能适应各种不同物料对螺杆组合的具体至各个功能段的要求;使其真正意义上达到高均化质量、高挤出质量和高挤出产量的目的。在固体输送段,应当选用大直径大槽深大导程单头螺纹元件满足部分充满和大加料量要求;在输送段后部约1/3位置设置中等导程中等槽深双头/三头螺纹元件以满足固体物料压缩要求,并增加固体料和机筒接触面积,增加传热,利于熔融过程。在熔融区段,应当选用一定的中等槽深中等宽度双头/三头的捏合盘元件提供适度剪切产生剪切热,促进熔融,该段的捏合盘选用应确保一定剪切,但同时也应避免过分剪切,该段内不应当选用单头捏合盘元件。在混合段内,根据配混物料分散难易程度和分布难易程度选用相应程度的中等槽深双头/三头螺纹元件和捏合盘元件交替排列组合,避免过分剪切并保证足够剪切深度,满足混合要求。在排气段内,位于排气口后方位置必须排列一组阻力元件如反向螺纹元件或反向排列捏合盘元件,一方面保证物料充分混合,另一方面保证物料在排气口以负压形式通过。反向螺纹元件应当选用双头/三头中等槽深中等导程元件,元件长度视混合要求而定,排气段内螺纹元件应当选用大槽深大导程单头螺纹元件,使物料与负压空间接触面加大,利于排气。熔体输送段内为了同时达到顺利出条和减小功耗的双重要求,应当选用中等槽深中等导程双头螺纹元件,以平衡各制约因素,减小剪切发热,确保实现低温挤出要求,该段组合应当确保足够的建压能力。以上是结合各种元件特性和挤出各功能段的基本要求对螺杆组合进行的分析,在此值得一提的是,啮合同向双螺杆挤出机的特点在于螺杆组合的任意性和多样性,如果选用变头变径变深组合,则势必会限制螺杆组合的自由度和给安装维修带来不便。为了同时考虑到组合的任意性和各功能段的具体要求,同时我们设计了改进型各种螺纹元件适应组合要求。3变头变径变深螺杆组合众所周知,工程塑料以其优良的综合性能正在不断地被广泛应用到各个领域中。工程塑料的种类也正在不断地延伸。但是每种工程塑料都存在其不足之处,这就要求我们对工程塑料进行改性使其综合性能达到我们的最终要求。前已提及,啮合同向双螺杆挤出机在聚合物加工过程改性作业中具有特殊的优点。我们以玻纤增强为例,改性后的物料体系力学综合性能得到大幅度的提高。在增强改性过程中玻纤只有很好地在基体树脂中得到分散和其长度在一定范围内时,才能起到增强的作用:玻纤的长度既不能过长也不能过短。另外,挤出共混过程中必须要设置有排气段,玻纤的入口必须位于基体树脂熔融后的轴向位置处进入挤出机。所有这些要求对其加工设备的螺杆组合均提出了一定的要求。我们在长期的设备制造过程中,总结摸索出了一整套有关工程塑料玻纤增强作业和其他改性作业的丰富经验。在此基础上,我们利用上述螺杆组合的理论又推出了变头变径变深螺杆组合使其在工程塑料加工过程中得以充分发挥其综合性能好的优点。下面是一例SJSH57啮合同向双螺杆挤出机玻纤增强PA的螺杆组合实例。在该螺杆组合中,我们充分利用了三头螺纹元件有效剪切较强的优点,设置了三头螺纹中等槽深捏合盘元件,快速促进熔融过程;在玻纤入口位置处引入大导程的双头螺纹中等槽深螺纹元件,使剪切保持中等程度,既保证了一定的剪切要求和避免过分剪切使得玻纤长度不至于过短,影响制品的力学强度;在引入玻纤的混合过程中,采用了较少的捏合盘混合元件,而且是双头捏合盘;排气段采用大导程的双头螺纹中等槽深螺纹元件,确保有效排气和微弱剪切强度;在熔体输送段内同样采用了双头螺纹中等槽深的各种导程的螺纹元件,给物料体系提供柔和剪切,保证挤出物中玻纤的分散质量和玻纤最终长度,从而提高最终制品的力学性能。该组合图见图16。在塑料加工过程中,经常需要制备色母料。色母料是在某种塑料介质中含有一种或者多种着色剂和其他组分的颜料分散体,颜料的含量通常为10%～20%。色母料制备的关键技术是如何对颜料进行有效的分散,使之在塑料加工过程中呈现为细微、稳定而均匀的1～20μm的