双螺杆挤出机螺杆构型的组合设计

双螺杆挤出机螺杆构型的组合设计

0空气压挤出过程中整根螺杆组合设计的认识在设计和应用于联合双螺杆挤出机的设计和应用时，设计螺钉结构是一个重要而困难的问题，因为它与各种因素有关。例如，加工材料的质量和组合的设计、运行条件、螺钉元件的性能和组合。众所周知,啮合同向双螺杆是组合式,它由多种类型和不同数量的螺杆元件(小积木块)的不同的然而有序的方式组成,以完成整个挤出过程。仔细分析,相应于物料在挤出过程中的变化,整个挤出过程又由不同的功能段组成,不同功能段的功能由与之相应的局部螺杆构型来实现。各种功能段的局部螺杆构型是大积木块,由它们组合而成了整根螺杆。因此,要解决好整根螺杆的组合设计,除需对各种螺杆元件的性能和构造了解得很清楚外,还要对各功能段及其相应的局部构型以及整根螺杆的组合规律有深入的认识与把握。关于啮合同向双螺杆挤出机常用的多种螺杆元件的功能及构造人们已较为熟悉,如用于输送和建压的不同头数和不同导程的正向螺纹元件,用于密封建压的混合的不同头数和导程的反向螺纹元件,用于剪切和混合的捏合块(不同螺旋方向和错列角),用于混合的齿形盘元件等,在此不再详述。本文拟对与不同功能段相应的局部螺杆构型和整根螺杆的组合设计运行讨论。1输送、熔融、熔体输送啮合同向双螺杆挤出过程一般由加料固体输送、熔融、熔体输送、混合、排气等功能段组成。不同的功能段需要不同的局部螺杆构型与它相适应,以完成不同的功能。1.1密度粉料的添加此处所说的加料段,除了指第一(或)主加料口下方对着的螺杆区段以外,还包括下游加料口对着的螺杆区段。对加料段的主要要求是能顺利地、多适应性的加入各种物料,包括各种形状的粒料,低松密度粉料,纤维状的添加物料等。这一段一般采用大导程、正向螺纹输送元件。在螺槽深度不变的情况下,大导程意味着大的螺槽容积,对第一加料口对着的加料段来说,可以容纳和加入大体积的物料,对于下游加料口对着的加料段来说,可以创造由上游输送来的物料的低充满度,以容纳新加入的物料。大多数双螺杆挤出机都采用与其区段螺纹元件等深的大导程标准螺纹元件,也有的双螺杆上采用加大螺槽深度的非标准螺纹元件,以获得大的加料能力和输送能力,如Berstorff公司生产的ZE-A型和ZE-R型双螺杆挤出机就是这样。1.2螺纹型钢设计固体输送段的功能就是把加入的固体物料沿螺杆向口模方向输送,同时在这一输送过程中将松散的粉状低松密度物料压实或提高粒状物料在螺槽中的充满度,以促进物料在下游的熔融塑化。这一段的螺杆构型应当是:与加料段螺纹元件相接的螺纹元件应采用大导程正向螺纹元件,其后应采用使螺槽容积变小的正向螺纹元件,主要是采用由导程分段变小的螺纹元件组成的螺纹区段,图1表示出了这种情况。由图1可以看出,沿输送方向螺槽的充满度逐渐变大,物料得到了压缩、密实。应当指出,对于低松密度的粉状物料,将不同导程的螺纹元件组合起来形成对物料致密的螺杆构型,一般不会出现什么问题,但如果输送的是颗粒状物料,且相应机筒段加热温度又比较低,则相接螺纹元件导程的过大过急变化有时会导致机器过载,故在确定相邻螺纹元件导程的变化程度时应斟酌。1.3局部螺杆型钢熔融塑化给定聚合物的最佳螺杆局部构型取决于物料的比热、熔点、熔体粘度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物料均匀、快速地熔融,而又不给物料输入过多的能量。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剪切热,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(正反向)密炼机转子式(或大导程)非标准螺纹元件(图2),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地组合起来,图3所示。图4表示出了Berstorff公司生产的双螺杆挤机上用于熔融的局部螺杆构型。评价用于熔融塑化段局部螺杆构型的好坏的标准应当是它能将机械剪切能变成热能而使物料熔融得最快、最彻底,又不使物料温度升高,即能量利用最合理。实验发现,图3中b构型,在螺杆高速运转下,物料熔融得很快,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物料熔融所需要的能量,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,显然这不是最佳。研究发现,对某些聚合物,在二头螺纹元件系统中使用三头捏合块会更好地实现熔融,与相当的二头捏合块相比,它能提供更有效的能量输入。这是由于在三头捏合块的啮合区两螺杆的相互作用及最大、最小剪切速率间较小的差别而使能量更均匀地输入造成的。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使物料温度过高的缺点外,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。在对加入物料的配比需要调节(调节比为1～5)的情况下,仍用同一根螺杆显然不合理,而重新对螺杆进行组合,又必须停机,拆下机头,移去下游辅机;重新恢复机器正常工作周期长,经济上不合算(尤其对大型机),这时可用中间过程调节阀(径向式、轴向式旋转式)调节流量和剪切能的输入,以适应不同配比。资料报导,用于熔融的较好螺杆构型是图3所示组合有非对称大导程螺纹元件的螺杆构型d,它可以使大部分物料经受可控恒定剪切和压力,故物料温度不高。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的顺序在一定的轴向长度内分布开来,为图4(c)所示。1.4熔喷法非织造布的高压区啮合同向双螺杆挤出机设有排气区,以便把物料中的湿气、夹带的空气和可挥发的组分除去。在排气口上游的螺杆上应设置密封元件,将熔体密封,以建立起高压;在排气区,即与排气口对着的螺杆区段,应使物料在螺槽中充满度较低,并与大气或真空泵相通使熔体密封并建立高压可采用反向螺纹元件、反向捏合块或调压阀。在排气区则应采用大导程螺纹元件(图5),以形成低充满度和薄的熔体层,使物料有可暴露的大自由表面,长的停留时间,以利于排气。也有资料建议在排气区若采用多头小导程螺纹元件,会有利于可暴露自由表面的不断更新,加长物料停留时间,有利于排气。1.5建压螺杆分型熔体输送一般采用正向螺纹元件。但有时在螺杆熔体输送区要采用捏合块或反向螺纹元件,而物料通过这些元件需在其上游建立压力;为使物料通过口模,在螺杆末端的熔体输送段也要建立压力。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的压力建立来自物料对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取决于物料的粘度、螺杆导程、螺杆转数、加料量和口模阻力。影响建压能力的有螺纹导程和螺纹头数。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比较低所致。为使建压带来的温度最低,必须优化建压螺杆构型,以减少背压区(或回溯)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,对流率的某一值的熔体输送段,压力梯度必须达到最大值。应当指出,若熔体输送段的螺杆构型或操作条件选择不当,有可能导致挤出不稳定,如流量波动;排气口下游熔体输送区的充满(回溯)长度(由螺杆末端算起),不仅延伸到排气压,否则会导致排气唱料。1.6分散相颗粒尺寸的变化啮合同向双螺杆挤出机的混合功能最重要,因而混合段的螺杆构型设计具有非常重要的意义(自然,混合的好坏,还与物料的配方和操作条件有关。)过去一般认为混合应当在聚合物变成熔体之后才能真正进行。但近来研究发现,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,从初始毫米级的宏观粒子或粉末很快减少到熔融结束后的几十微米。在初始共混阶段之后,共混物分散相的较大颗粒在剪切作用下,尺寸进一步减小到最终微米级。与熔融段对共混物形态结构的影响相比,熔体输送段对混合的影响小得多。换言之,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其分散相颗粒尺寸变化不大。这就提醒人们,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。因而,应当把熔融段和混合段的螺杆构型统一起来考虑。图6表示出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,而图7为由二头和三头捏合块组成的适于增加熔融混合强度的螺杆构型,图8为用于分布混合和分散混合的由捏合块和螺纹元件组成的螺杆构型。2挤出加料口的设计整体螺杆组合设计是个复杂问题,目前尚无公式可循,一般是根据经验-理论-实验相结合的方法进行设计。设计前应弄清以下几个问题:(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中各组分的形态、性能和配比。因为不同聚合物、不同添加组分及其配比对挤出过程、螺杆构型、运转条件的要求是不同的。(2)必须对各种螺杆(及机筒)元件及各功能区的局部螺杆构型、工作原理和性能及适用场合有较全面而深入的了解。(3)就整个混合工艺而言,对加料方式、加料顺序有无特殊要求也必须弄清楚。在不少情况下,为了达到规定的混合目标,并不总是把参与混合的聚合物及添加物一起由(第)一个加料口加到挤出机中,有时要根据物料的加料特性、输送、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,在螺杆轴线方向不同位置将聚合物或添加剂分开按一定比例分数加到挤压系统中,这就涉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。显然,在这些后续加料口上游应设置密封元件,而在对着加料口的螺杆上设置大导程、物料不能充满的螺纹元件,以容纳后加入的组分并使之容易加入。对于热和/或剪切敏感的添加剂,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能提供低剪切混合。同样,当加入低熔点添加剂时,它如同润滑剂,可能熔融,应在聚合物完全熔融后加入。如果加入的是高粘度液体,应采用几个下游加料口,逐渐分批加入,使之慢慢地与聚合物熔体混合,被聚合物稀释,而每个加料口的下游的螺杆区段的混合强度应逐渐增加,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。总体看来,可以加料口为界将整根螺杆分为几段,再对每一段根据其功能进行螺杆构型设计。(4)如果挤出过程主要是实现分布性混合,则其过程的关键变量是应变,那么螺杆构型除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,为了获得大的应变,并非组合上的剪切元件越多越好,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,用两个或更多个输送元件将混合段隔开,这将会给粘弹物料一个机会,在其进入下一段之前松弛一下,进而恢复它因来自第一段的剪切变稀而减小的粘度,即使其粘度增大,这样混合会更有效,且能量输入最小。(5)如果挤出过程主要是实现分散性混合,即使某些组分的粒径减小到所希望的值,则螺杆构型的设计与分布混合就有所不同分散混合的关键变量是应力,只有能提供大的剪应力,才能使结块和液滴破裂,这就要在螺杆(机筒)中设置高剪切