雙螺桿擠出機(jī)螺桿構(gòu)型的組合設(shè)計

0空氣壓擠出過程中整根螺桿組合設(shè)計的認(rèn)識在設(shè)計和應(yīng)用于聯(lián)合雙螺桿擠出機(jī)的設(shè)計和應(yīng)用時，設(shè)計螺釘結(jié)構(gòu)是一個重要而困難的問題，因?yàn)樗c各種因素有關(guān)。例如，加工材料的質(zhì)量和組合的設(shè)計、運(yùn)行條件、螺釘元件的性能和組合。眾所周知,嚙合同向雙螺桿是組合式,它由多種類型和不同數(shù)量的螺桿元件(小積木塊)的不同的然而有序的方式組成,以完成整個擠出過程。仔細(xì)分析,相應(yīng)于物料在擠出過程中的變化,整個擠出過程又由不同的功能段組成,不同功能段的功能由與之相應(yīng)的局部螺桿構(gòu)型來實(shí)現(xiàn)。各種功能段的局部螺桿構(gòu)型是大積木塊,由它們組合而成了整根螺桿。因此,要解決好整根螺桿的組合設(shè)計,除需對各種螺桿元件的性能和構(gòu)造了解得很清楚外,還要對各功能段及其相應(yīng)的局部構(gòu)型以及整根螺桿的組合規(guī)律有深入的認(rèn)識與把握。關(guān)于嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)常用的多種螺桿元件的功能及構(gòu)造人們已較為熟悉,如用于輸送和建壓的不同頭數(shù)和不同導(dǎo)程的正向螺紋元件,用于密封建壓的混合的不同頭數(shù)和導(dǎo)程的反向螺紋元件,用于剪切和混合的捏合塊(不同螺旋方向和錯列角),用于混合的齒形盤元件等,在此不再詳述。本文擬對與不同功能段相應(yīng)的局部螺桿構(gòu)型和整根螺桿的組合設(shè)計運(yùn)行討論。1輸送、熔融、熔體輸送嚙合同向雙螺桿擠出過程一般由加料固體輸送、熔融、熔體輸送、混合、排氣等功能段組成。不同的功能段需要不同的局部螺桿構(gòu)型與它相適應(yīng),以完成不同的功能。1.1密度粉料的添加此處所說的加料段,除了指第一(或)主加料口下方對著的螺桿區(qū)段以外,還包括下游加料口對著的螺桿區(qū)段。對加料段的主要要求是能順利地、多適應(yīng)性的加入各種物料,包括各種形狀的粒料,低松密度粉料,纖維狀的添加物料等。這一段一般采用大導(dǎo)程、正向螺紋輸送元件。在螺槽深度不變的情況下,大導(dǎo)程意味著大的螺槽容積,對第一加料口對著的加料段來說,可以容納和加入大體積的物料,對于下游加料口對著的加料段來說,可以創(chuàng)造由上游輸送來的物料的低充滿度,以容納新加入的物料。大多數(shù)雙螺桿擠出機(jī)都采用與其區(qū)段螺紋元件等深的大導(dǎo)程標(biāo)準(zhǔn)螺紋元件,也有的雙螺桿上采用加大螺槽深度的非標(biāo)準(zhǔn)螺紋元件,以獲得大的加料能力和輸送能力,如Berstorff公司生產(chǎn)的ZE-A型和ZE-R型雙螺桿擠出機(jī)就是這樣。1.2螺紋型鋼設(shè)計固體輸送段的功能就是把加入的固體物料沿螺桿向口模方向輸送,同時在這一輸送過程中將松散的粉狀低松密度物料壓實(shí)或提高粒狀物料在螺槽中的充滿度,以促進(jìn)物料在下游的熔融塑化。這一段的螺桿構(gòu)型應(yīng)當(dāng)是:與加料段螺紋元件相接的螺紋元件應(yīng)采用大導(dǎo)程正向螺紋元件,其后應(yīng)采用使螺槽容積變小的正向螺紋元件,主要是采用由導(dǎo)程分段變小的螺紋元件組成的螺紋區(qū)段,圖1表示出了這種情況。由圖1可以看出,沿輸送方向螺槽的充滿度逐漸變大,物料得到了壓縮、密實(shí)。應(yīng)當(dāng)指出,對于低松密度的粉狀物料,將不同導(dǎo)程的螺紋元件組合起來形成對物料致密的螺桿構(gòu)型,一般不會出現(xiàn)什么問題,但如果輸送的是顆粒狀物料,且相應(yīng)機(jī)筒段加熱溫度又比較低,則相接螺紋元件導(dǎo)程的過大過急變化有時會導(dǎo)致機(jī)器過載,故在確定相鄰螺紋元件導(dǎo)程的變化程度時應(yīng)斟酌。1.3局部螺桿型鋼熔融塑化給定聚合物的最佳螺桿局部構(gòu)型取決于物料的比熱、熔點(diǎn)、熔體粘度及聚合物在固體狀態(tài)時粒子的大小。用于熔融、塑化的局部螺桿構(gòu)型設(shè)計的目標(biāo)是在設(shè)定的溫度下將物料均勻、快速地熔融,而又不給物料輸入過多的能量。使物料熔融的熱源有兩個,一個是由機(jī)筒加熱器提供的外熱,另一個是由螺桿導(dǎo)入的剪切熱,后者是主要的。為導(dǎo)入剪切熱,在熔融塑化段應(yīng)設(shè)置捏合塊,反向螺紋元件,反向(正反向)密煉機(jī)轉(zhuǎn)子式(或大導(dǎo)程)非標(biāo)準(zhǔn)螺紋元件(圖2),并將這些元件在預(yù)定的螺桿軸向位置與其上游的正向螺紋元件有效地組合起來,圖3所示。圖4表示出了Berstorff公司生產(chǎn)的雙螺桿擠機(jī)上用于熔融的局部螺桿構(gòu)型。評價用于熔融塑化段局部螺桿構(gòu)型的好壞的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)是它能將機(jī)械剪切能變成熱能而使物料熔融得最快、最徹底,又不使物料溫度升高,即能量利用最合理。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),圖3中b構(gòu)型,在螺桿高速運(yùn)轉(zhuǎn)下,物料熔融得很快,且熔融區(qū)的長度很短。但是在該區(qū)段及其上游一段區(qū)域內(nèi)物料的溫升很高,大大超過原來的設(shè)定溫度和物料熔融所需要的能量,而且熔體壓力也很高。這說明這種螺桿構(gòu)型耗散了過多的機(jī)械能,除使物料熔融外,還使熔體溫度大大升高,顯然這不是最佳。研究發(fā)現(xiàn),對某些聚合物,在二頭螺紋元件系統(tǒng)中使用三頭捏合塊會更好地實(shí)現(xiàn)熔融,與相當(dāng)?shù)亩^捏合塊相比,它能提供更有效的能量輸入。這是由于在三頭捏合塊的嚙合區(qū)兩螺桿的相互作用及最大、最小剪切速率間較小的差別而使能量更均勻地輸入造成的。它對熔融結(jié)晶性工程樹脂特別有效。而采用標(biāo)準(zhǔn)的二頭正向和中性捏合塊時,捏合塊中的漏流縮短了物料在高剪切區(qū)的環(huán)流,熔融會不徹底。反向螺紋元件除了前述的使物料溫度過高的缺點(diǎn)外,其所產(chǎn)生的壓力梯度對物料粘度的敏感性要大于三頭捏合塊。所以三頭捏合塊可以塑化具有寬粘度范圍的聚合物。在對加入物料的配比需要調(diào)節(jié)(調(diào)節(jié)比為1～5)的情況下,仍用同一根螺桿顯然不合理,而重新對螺桿進(jìn)行組合,又必須停機(jī),拆下機(jī)頭,移去下游輔機(jī);重新恢復(fù)機(jī)器正常工作周期長,經(jīng)濟(jì)上不合算(尤其對大型機(jī)),這時可用中間過程調(diào)節(jié)閥(徑向式、軸向式旋轉(zhuǎn)式)調(diào)節(jié)流量和剪切能的輸入,以適應(yīng)不同配比。資料報導(dǎo),用于熔融的較好螺桿構(gòu)型是圖3所示組合有非對稱大導(dǎo)程螺紋元件的螺桿構(gòu)型d,它可以使大部分物料經(jīng)受可控恒定剪切和壓力,故物料溫度不高。為了避免在熔融塑化區(qū)產(chǎn)生過高的溫度梯度,可將剪切元件和正向螺紋輸送元件相間組合,使總能量的輸入以一定的順序在一定的軸向長度內(nèi)分布開來,為圖4(c)所示。1.4熔噴法非織造布的高壓區(qū)嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)設(shè)有排氣區(qū),以便把物料中的濕氣、夾帶的空氣和可揮發(fā)的組分除去。在排氣口上游的螺桿上應(yīng)設(shè)置密封元件,將熔體密封,以建立起高壓;在排氣區(qū),即與排氣口對著的螺桿區(qū)段,應(yīng)使物料在螺槽中充滿度較低,并與大氣或真空泵相通使熔體密封并建立高壓可采用反向螺紋元件、反向捏合塊或調(diào)壓閥。在排氣區(qū)則應(yīng)采用大導(dǎo)程螺紋元件(圖5),以形成低充滿度和薄的熔體層,使物料有可暴露的大自由表面,長的停留時間,以利于排氣。也有資料建議在排氣區(qū)若采用多頭小導(dǎo)程螺紋元件,會有利于可暴露自由表面的不斷更新,加長物料停留時間,有利于排氣。1.5建壓螺桿分型熔體輸送一般采用正向螺紋元件。但有時在螺桿熔體輸送區(qū)要采用捏合塊或反向螺紋元件,而物料通過這些元件需在其上游建立壓力;為使物料通過口模,在螺桿末端的熔體輸送段也要建立壓力。只有在完全充滿物料的螺桿段才能建立壓力,因而嚙合同向雙螺桿的壓力建立來自物料對螺槽連續(xù)充滿的能力。100%的充滿度能使軸向有通道的螺桿構(gòu)型在短距離內(nèi)建立起壓力。而熔體對螺桿的充滿長度取決于物料的粘度、螺桿導(dǎo)程、螺桿轉(zhuǎn)數(shù)、加料量和口模阻力。影響建壓能力的有螺紋導(dǎo)程和螺紋頭數(shù)。建壓伴隨著溫升,這是由于聚合物低的傳熱系數(shù)和螺桿冷卻表面與熔體擠出量之比比較低所致。為使建壓帶來的溫度最低,必須優(yōu)化建壓螺桿構(gòu)型,以減少背壓區(qū)(或回溯)長度,使輸入物料的能量最小。背壓區(qū)變短,意味著在預(yù)定的壓力下,對流率的某一值的熔體輸送段,壓力梯度必須達(dá)到最大值。應(yīng)當(dāng)指出,若熔體輸送段的螺桿構(gòu)型或操作條件選擇不當(dāng),有可能導(dǎo)致擠出不穩(wěn)定,如流量波動;排氣口下游熔體輸送區(qū)的充滿(回溯)長度(由螺桿末端算起),不僅延伸到排氣壓,否則會導(dǎo)致排氣唱料。1.6分散相顆粒尺寸的變化嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)的混合功能最重要,因而混合段的螺桿構(gòu)型設(shè)計具有非常重要的意義(自然,混合的好壞,還與物料的配方和操作條件有關(guān)。)過去一般認(rèn)為混合應(yīng)當(dāng)在聚合物變成熔體之后才能真正進(jìn)行。但近來研究發(fā)現(xiàn),在雙螺桿的熔融段,聚合物共混物分散相尺寸發(fā)生急劇下降,從初始毫米級的宏觀粒子或粉末很快減少到熔融結(jié)束后的幾十微米。在初始共混階段之后,共混物分散相的較大顆粒在剪切作用下,尺寸進(jìn)一步減小到最終微米級。與熔融段對共混物形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響相比,熔體輸送段對混合的影響小得多。換言之,分散相顆粒尺寸在軟化(對無定型聚合物)階段或熔融階段(對半結(jié)晶聚合物)變化很大,而當(dāng)聚合物完全熔融后其分散相顆粒尺寸變化不大。這就提醒人們,嚙合同向雙螺桿擠出過程的熔融階段也就是混合開始的階段。因而,應(yīng)當(dāng)把熔融段和混合段的螺桿構(gòu)型統(tǒng)一起來考慮。圖6表示出W&P公司雙螺桿組合設(shè)計中,齒形元件和其它元件組成的增加分布混合強(qiáng)度的螺桿構(gòu)型,而圖7為由二頭和三頭捏合塊組成的適于增加熔融混合強(qiáng)度的螺桿構(gòu)型,圖8為用于分布混合和分散混合的由捏合塊和螺紋元件組成的螺桿構(gòu)型。2擠出加料口的設(shè)計整體螺桿組合設(shè)計是個復(fù)雜問題,目前尚無公式可循,一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)-理論-實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行設(shè)計。設(shè)計前應(yīng)弄清以下幾個問題:(1)混合作業(yè)的目的,最終制品的配方和加入雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行混合時物料中各組分的形態(tài)、性能和配比。因?yàn)椴煌酆衔?、不同添加組分及其配比對擠出過程、螺桿構(gòu)型、運(yùn)轉(zhuǎn)條件的要求是不同的。(2)必須對各種螺桿(及機(jī)筒)元件及各功能區(qū)的局部螺桿構(gòu)型、工作原理和性能及適用場合有較全面而深入的了解。(3)就整個混合工藝而言,對加料方式、加料順序有無特殊要求也必須弄清楚。在不少情況下,為了達(dá)到規(guī)定的混合目標(biāo),并不總是把參與混合的聚合物及添加物一起由(第)一個加料口加到擠出機(jī)中,有時要根據(jù)物料的加料特性、輸送、熔融和混合特性、混合物中各組分應(yīng)達(dá)到的最終混合狀態(tài),在擠出過程的不同階段,在螺桿軸線方向不同位置將聚合物或添加劑分開按一定比例分?jǐn)?shù)加到擠壓系統(tǒng)中,這就涉及需要設(shè)置幾個加料口,是否需要側(cè)加料口和液體添加劑注入口的問題,而這對機(jī)筒元件的選擇和整根螺桿的構(gòu)型設(shè)計會有很大影響。顯然,在這些后續(xù)加料口上游應(yīng)設(shè)置密封元件,而在對著加料口的螺桿上設(shè)置大導(dǎo)程、物料不能充滿的螺紋元件,以容納后加入的組分并使之容易加入。對于熱和/或剪切敏感的添加劑,應(yīng)在基體聚合物已在高剪切區(qū)徹底熔融后再加入,即在該處設(shè)置添加劑加料口,該加料口下游的螺桿構(gòu)型要能提供低剪切混合。同樣,當(dāng)加入低熔點(diǎn)添加劑時,它如同潤滑劑,可能熔融,應(yīng)在聚合物完全熔融后加入。如果加入的是高粘度液體,應(yīng)采用幾個下游加料口,逐漸分批加入,使之慢慢地與聚合物熔體混合,被聚合物稀釋,而每個加料口的下游的螺桿區(qū)段的混合強(qiáng)度應(yīng)逐漸增加,以均化粘度逐漸減小的聚合物熔體和液體添加劑形成的混合物。總體看來,可以加料口為界將整根螺桿分為幾段,再對每一段根據(jù)其功能進(jìn)行螺桿構(gòu)型設(shè)計。(4)如果擠出過程主要是實(shí)現(xiàn)分布性混合,則其過程的關(guān)鍵變量是應(yīng)變,那么螺桿構(gòu)型除應(yīng)能提供足夠的應(yīng)變外,還應(yīng)使物料在螺桿中流動時能不斷重新取向(或不斷調(diào)整其流動方向),使其與剪切方向成45。根據(jù)研究和實(shí)際經(jīng)驗(yàn),為了獲得大的應(yīng)變,并非組合上的剪切元件越多越好,而應(yīng)在剪切元件之間引入混合元件,以使由剪切元件流出的物料界面無規(guī)化,這樣可以在增加很少或不增加剪切的情況下獲得大的界面增長,從而實(shí)現(xiàn)良好的分布混合。另外,用兩個或更多個輸送元件將混合段隔開,這將會給粘彈物料一個機(jī)會,在其進(jìn)入下一段之前松弛一下,進(jìn)而恢復(fù)它因來自第一段的剪切變稀而減小的粘度,即使其粘度增大,這樣混合會更有效,且能量輸入最小。(5)如果擠出過程主要是實(shí)現(xiàn)分散性混合,即使某些組分的粒徑減小到所希望的值,則螺桿構(gòu)型的設(shè)計與分布混合就有所不同分散混合的關(guān)鍵變量是應(yīng)力,只有能提供大的剪應(yīng)力,才能使結(jié)塊和液滴破裂,這就要在螺桿(機(jī)筒)中設(shè)置高剪切