同向雙螺桿擠出機(jī)常用螺紋元件及組合方式研究分析

許寒飛 ，李 揚(yáng) ，何 煦 ，李華鋒 ，王 莉 ，鄭 軒 ，張永昌

（1樂凱膠片股份有限公司 河北 保定 071054）

（2河北省新能源膜材料技術(shù)創(chuàng)新中心 河北 保定 071054）

（3保定市新能源膜材料技術(shù)創(chuàng)新中心 河北 保定 071054）

0 引言

在聚合物反應(yīng)共混過程中，單螺桿擠出機(jī)有著關(guān)鍵作用，它具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)加工容易、安全可靠、成本低易操作等特點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用廣泛。但是共混加工技術(shù)發(fā)展越快，對(duì)混煉擠出成型工藝及裝備的要求越來越高。雙螺桿擠出機(jī)從1930年代開始到目前為止，它在不斷改善及發(fā)展，但發(fā)展過程中還存在著一些問題，這些問題仍需深入研究[1]。為了提升擠出機(jī)的混合性能，研究者需要不停優(yōu)化使用在雙螺桿擠出機(jī)上的混合元件，才能適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展的需求。

隨著雙螺桿擠出機(jī)的研究和發(fā)展，尤其是對(duì)輸送剪切原理、物料熔融混煉等的研究中,遇到相當(dāng)多復(fù)雜的問題及困難。同向雙螺桿擠出機(jī)作為多組分或單組分物料成型加工及混合裝備，由于其靈活的輸送與混合性能、良好的脫揮效果與自清潔作用、靈活的螺桿結(jié)構(gòu)、出色的加工性能與卓越的適應(yīng)性等突出優(yōu)點(diǎn),非常受聚合物加工這個(gè)行業(yè)的青睞,目前已廣泛應(yīng)用于一種或多種聚合物的化學(xué)改性、脫揮排氣等場(chǎng)合，并逐漸推廣至混煉擠出等混合過程。但是，因?yàn)槎喾N原因使雙螺桿擠出機(jī)擠出過程的理論研究困難極大，主要原因有螺桿螺紋元件幾何復(fù)雜、螺桿構(gòu)型多變、工藝條件窗口寬、聚合物體系加工特性不同等，至今仍未構(gòu)建起相對(duì)系統(tǒng)的混煉過程模型。這一狀態(tài)不僅制約了聚合物制造的飛速發(fā)展,而且還制約了雙螺桿擠出機(jī)的設(shè)計(jì)及使用水平的進(jìn)步。

1 常用螺紋元件的種類

同向雙螺桿擠出機(jī)的螺紋元件以類似積木的模式拼接裝配在一起，在實(shí)踐的使用場(chǎng)景中可根據(jù)不同技術(shù)要求進(jìn)行改動(dòng)，所以，螺紋元件的組合方式是影響混煉效果的關(guān)鍵因素之一。在實(shí)際生產(chǎn)中的同向雙螺桿擠出機(jī)以滿足混煉需求為主，設(shè)計(jì)螺桿組合的技術(shù)方案時(shí)，需要兼顧原料性能、喂料方式與順序、排氣方式與位置、混煉溫度等多個(gè)因素。而且，因?yàn)樾枰鞜挼奈锪舷到y(tǒng)十分復(fù)雜，所以需根據(jù)技術(shù)要求對(duì)每一個(gè)混煉過程匹配特定的螺桿組合。即便如此，同向雙螺桿擠出機(jī)的螺紋元件組合還是有內(nèi)在原理可參照的。

擠出機(jī)螺桿主要是由多個(gè)螺紋元件構(gòu)成，螺紋元件的主要特性種類包括輸送、剪切及混合等，如圖1所示。一般情況下，根據(jù)螺紋元件不同的結(jié)構(gòu)與特性展開分類。常用螺紋元件的種類有以下幾種，即輸送元件、混合分散元件（齒形盤、捏合塊）、剪切元件等。

在相同的操作條件下,不同的螺紋元件之間作用的區(qū)別主要在于分布混合和輸送能力，如表1所示。

表1 螺紋元件作用區(qū)別Table 1 Differences in the role of threaded elements

1.1 輸送元件

螺紋元件又分為正向輸送螺紋元件和反向輸送螺紋元件，主要區(qū)別是：正向螺紋元件的作用方向與擠出方向一樣，反向則相反[2]。反向作用能夠阻礙物料正向的輸送，主要作用時(shí)延長物料在機(jī)筒中的停留時(shí)間，從而提高填充度和物料壓力，極大促進(jìn)混煉效果。

在設(shè)定輸送螺紋元件時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮深度、導(dǎo)程、螺楞厚度及間隙等特性參數(shù)，如圖2所示。其主要作用是輸送物料，機(jī)筒中的物料在輸送螺紋元件部分的局部停留時(shí)間較短。在所有特性參數(shù)中，導(dǎo)程是最關(guān)鍵的因素。螺紋元件導(dǎo)程越大使螺桿擠出量越高，物料停留時(shí)間相對(duì)越短，這樣的作用會(huì)使混煉質(zhì)量降低，如表2所示。

表2 螺紋元件導(dǎo)程作用Table 2 Threaded element lead effect

一般情況下有以下幾種場(chǎng)景，以大導(dǎo)程的螺紋元件為主：以輸送作用為主并且強(qiáng)調(diào)高擠出量的場(chǎng)合；對(duì)熱敏感的物料，需要盡可能地減少物料在機(jī)筒中的停留時(shí)間來降低物料的降解；從組合結(jié)構(gòu)上考慮，一般應(yīng)用在排氣口處，增大物料表面積有利于脫揮排氣[3]。

強(qiáng)調(diào)混合性能時(shí)會(huì)選用中導(dǎo)程的螺紋元件，主要是應(yīng)用于導(dǎo)程逐漸減小的組合上面，起到輸送和增壓作用。

螺桿組合上小導(dǎo)程的螺紋元件主要應(yīng)用于輸送段以及熔融段，達(dá)到增壓并提高熔融的效果，同時(shí)，還能提高混煉程度及擠出系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.2 剪切元件

剪切元件主要指捏合塊，作用是提供較高的剪切力，具有分布與分散混合的能力[4]。主要參數(shù)有頭數(shù)、厚度及錯(cuò)列角。總是成對(duì)或者成串使用，相鄰捏合塊之間有錯(cuò)開的角度，即錯(cuò)列角，擠出機(jī)機(jī)筒中的物料才能進(jìn)行混合交換，多個(gè)相鄰的捏合塊組合在一起就可形成螺旋的角度，隨著螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，促使物料沿螺紋元件軸線方向進(jìn)行混合交換，如圖3所示。

角度，一般常用的參數(shù)有30°、45°、60°及90°，其不同的參數(shù)有著差別的作用和效果。當(dāng)螺紋元件是正向時(shí)，其錯(cuò)列角越大則其輸送能力越低，使物料在機(jī)筒中的停留時(shí)間增長，增強(qiáng)混煉的質(zhì)量，但是螺紋元件之間存在著漏料的問題。混煉質(zhì)量包含分布混合作用和分散混合作用，分布混合作用會(huì)隨著角度增大而增強(qiáng)，研究表明，分散混合作用則表現(xiàn)出不一樣的趨勢(shì)特性，在角度為45°時(shí)最好，其次是30°，最差的是60°；而當(dāng)螺紋元件的角度為反向時(shí)，錯(cuò)列角度越大，聚合物混合效果越差。

厚度，一般有7～19 mm不等，根據(jù)使用需求進(jìn)行定制，與混煉效果關(guān)系密切，隨著厚度增大產(chǎn)生的剪切力也增大，混合效果越不明顯；反之，混合效果越好。對(duì)于分布混合作用與分散混合作用來講，分布混合作用會(huì)隨厚度增大而變小，分散混合作用會(huì)隨厚度增加而增大；隨著厚度的減小，擠出機(jī)機(jī)筒中的物料分配給軸向方向的有效流量隨著增大，同時(shí)，徑向方向的有效流量隨著減小，如表3所示。

表3 錯(cuò)列角與厚度作用的區(qū)別Table 3 Difference between staggered angle and thickness

不管是輸送元件還是剪切元件，都涉及的參數(shù)就是頭數(shù)，主要包含單頭、雙頭、三頭，如圖4所示。

螺紋元件的旋向?yàn)檎驎r(shí)，頭數(shù)越多，則擠出輸送能力越小，產(chǎn)生的扭矩越小，混合能力也越差，但剪切作用會(huì)增強(qiáng)；旋向?yàn)榉聪驎r(shí)，頭數(shù)越多表示擠出輸送能力越大，混合能力越差。

單頭元件：厚度大則能最小化物料泄漏；比雙頭螺桿容量小；輸送效率最大。

雙頭元件：作為同向雙螺桿中輸送元件的常規(guī)元件；比三頭元件剪切力小；用于固體加料、熔體輸送、排氣及熔體輸送。主要用來擠塑，具有受熱均勻即自潔性能好的特性。

三頭元件：剪切力更高，主要用于熔融、分散和混合。能使選擇物料在機(jī)筒中的壓力及溫度分布更靈活，產(chǎn)生的排氣脫揮效果好，但產(chǎn)量較低。

1.3 混合元件

一般情況下混合元件是指齒形元件(包括直齒和斜齒)，就是螺棱上面開槽的螺紋元件，如圖5所示。溝槽結(jié)構(gòu)的主要作用是連通相鄰的螺槽并促進(jìn)物料相互之間的混合作用，最終達(dá)到熔體均化并促進(jìn)物料縱向混合的效果。但因?yàn)槁堇忾_了槽讓其輸送能力及建壓能力有所降低，但是，這樣也會(huì)使物料在螺槽中的填充度增加，增大了物料停留時(shí)間。

在螺桿上的齒形盤有交錯(cuò)區(qū)和非交錯(cuò)區(qū)，既能促進(jìn)物料分布混合還能對(duì)物料流動(dòng)產(chǎn)生與流動(dòng)方向垂直的剪切力，同時(shí)兼具分布混合作用以及分散混合作用。

另外，因?yàn)辇X形元件之間的間隙很小使其會(huì)產(chǎn)生很高的剪切速率，有利于物料組分間的分散混合作用。如果齒形盤是直盤和直齒，物料主要依靠壓差作用通過齒形元件，但前提是要在上游形成一定的壓力。

如果混合元件是直盤和斜齒結(jié)合的結(jié)構(gòu)，且斜齒傾斜的方向和正螺紋元件的方向一致，則這種混合元件除了上述分布及分散作用外，還具有一定的正向輸送作用。如果斜齒的傾斜方向相反，在此處的反向作用力會(huì)起到一定的建壓作用。對(duì)于直盤齒形元件而言，只有混合元件的齒頂和擠出機(jī)機(jī)筒內(nèi)壁相互擦過，而非交錯(cuò)區(qū)間的機(jī)筒內(nèi)表面沒有被齒擦過。由于材料流動(dòng)速度低，物料可能會(huì)停滯和分解。

混合元件齒的數(shù)量和形狀關(guān)鍵取決于對(duì)混煉的要求。齒的形狀主要起到擾亂物料流動(dòng)的作用，可以加速物料均勻，齒的數(shù)量越多產(chǎn)生的混合作用越明顯，但在實(shí)際使用時(shí)需要及時(shí)關(guān)注是否剪切過度而對(duì)物料分子產(chǎn)生不必要的破壞性。

2 螺紋元件組合方式對(duì)擠出混煉工藝過程的作用研究

2.1 同向雙螺桿擠出機(jī)工藝過程

近些年來，隨著高分子聚合物共混、改性、增韌等混煉加工工藝的發(fā)展以及認(rèn)識(shí)程度的加深，高分子化合物中添加的填料種類和數(shù)量越來越多，對(duì)混煉加工設(shè)備和工藝有了更高的需求。所以在高分子混煉加工技術(shù)范疇中，混煉機(jī)制、配方配比的研究、混煉設(shè)備和過程控制工程技術(shù)的開發(fā)、最佳PID參數(shù)的制定有著密不可分的內(nèi)在聯(lián)系。

一般情況下螺桿分為五段：輸送段、熔融段、混合段、排氣段和均質(zhì)段，如圖6所示。輸送段：以輸送物料為主，同時(shí)需要防止物料溢出喂料口；熔融段：通過傳熱和摩擦剪切使機(jī)筒中的物料完全熔化并均勻。混合段：單組分或者多組分的物料相互交換，最佳狀態(tài)是達(dá)到完全分布和分散混合；排氣段：主要是將水分以及低分子量物質(zhì)等物料體系之外的雜質(zhì)排放脫揮，達(dá)到凈化的目的；均勻化段：主要是輸送和建壓的目的，使擠出機(jī)出口的物料流體致密度增大到一定程度，同時(shí)使混合更充分，最終達(dá)到平穩(wěn)擠出的目的[5]。

分布（分配）混合作用與分散混合作用的區(qū)別。分配混合作用可以使物料重新分割和組合達(dá)到組分充分交換的目的；分散混合作用使組分破碎成微小顆粒或使不相容的兩組分分散相的尺寸達(dá)至期望的范圍，主要通過剪切壓力和拉伸應(yīng)力的方式完成。

2.2 螺桿組合原則

螺桿組合的原則是為了保證混煉擠出的效果，雙螺桿擠出機(jī)螺桿中輸送段的作用主要是把物料輸送至下一階段，因此輸送端的螺紋元件是以螺旋元件為主；而熔融段的作用是以熔融物料并達(dá)到分散混合效果為目的，捏合塊元件及反向螺紋元件產(chǎn)生的剪切作用會(huì)使物料分散混合效果更好，所以在熔融段主要使用的螺紋元件是捏合塊及反向螺紋元件，但兩者的輸送作用較弱，應(yīng)該加入一些正向螺紋元件保證熔融段的輸送作用；混合段則主要是分布混合不相同的物料，混合元件及捏合塊的結(jié)構(gòu)特殊，使其具備良好的分布混合及分散混合作用，其中，混合元件的分布混合作用更勝一籌，兩者是混合段主要使用的螺紋元件[6]。因此優(yōu)化熔融段及混合段的螺桿中螺紋元件組合方式顯得非常重要。

2.3 螺桿組合的特點(diǎn)

（1）在喂料口處應(yīng)該選用大導(dǎo)程的螺紋元件，增大物料的表面積使物料進(jìn)入擠出機(jī)更順暢。

（2）在熔融段為了建立起壓力應(yīng)采用小導(dǎo)程的螺紋元件，從而使物料充分壓縮并融化，主要以錯(cuò)列角為90°及30°的捏合塊搭配組合來平衡壓力和分布混合的效果，另外，需要注意的是要從熔融段中部開始間隔設(shè)置捏合塊。

（3）在混合段主要以剪切分散、充分混合物料粒子為目的，該段螺紋元件的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，而且一般需要結(jié)合實(shí)際的情況來進(jìn)行調(diào)整，很少有一步到位的方案。為了加強(qiáng)剪切作用，該段主要采用錯(cuò)列角為45°和60°的捏合塊配合的方式，同時(shí)需要間隔配置齒形元件、90°捏合塊或其他新型以混合元件作用為主的元件來增強(qiáng)分散效果等。但要注意捏合塊和剪切元件不可以數(shù)量太多、太緊密，以免剪切過度產(chǎn)生副作用。另外，還應(yīng)間隔設(shè)計(jì)少量的螺紋輸送元件以推動(dòng)物料向前輸送[7]。

（4）排氣口一般分為自然排氣口和真空排氣口，在排氣口之前最好是設(shè)置反向元件，可以是反向螺紋元件也可以是反向捏合塊，同時(shí)在排氣口處設(shè)置較大導(dǎo)程的螺紋元件，緊接著在排氣口后再設(shè)置小導(dǎo)程的螺紋元件，這樣組合能夠使物料中的小組分物質(zhì)盡量脫揮。

3 案例分析

以驗(yàn)室中的擠出機(jī)為例進(jìn)行理論分析，這臺(tái)實(shí)驗(yàn)擠出機(jī)型號(hào)為AK26，品牌為科亞裝備，長徑比為52：1，螺桿組合如圖7所示。

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，單根螺桿上面共有61個(gè)元件，其中只涉及了輸送螺紋元件和剪切螺紋元件，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，沒有涉及齒形盤類的混合元件，具體明細(xì)如圖8所示。

由上述組合圖得知，這臺(tái)擠出機(jī)在喂料口處設(shè)置有相對(duì)大導(dǎo)程的螺紋元件保證了物料下行通暢，在熔融段設(shè)置了小導(dǎo)程的螺紋元件以建立起物料熔體的壓力，從而使物料充分的熔融，間隔設(shè)置了錯(cuò)列角為90°及45°的捏合塊以平衡壓力并對(duì)物料進(jìn)行分布混合[8]。在混合段主要以剪切分散、充分混合物料粒子為目的，在該段間隔設(shè)置了錯(cuò)列角為45°及60°的捏合塊，達(dá)到加強(qiáng)剪切的效果，同時(shí)注意了捏合及剪切元件不能排列太緊密，以免剪切過強(qiáng)。另外，還應(yīng)間隔設(shè)計(jì)少量的螺紋輸送元件以推動(dòng)物料向前輸送。

整個(gè)螺桿組合中間隔設(shè)置了反向螺紋元件、反向捏合塊元件、大導(dǎo)程的螺紋元件以及小導(dǎo)程的螺紋元件，既有利于物料分布分散的混合程度，又保證了排氣和物料的填充度[9]。最終，順利實(shí)現(xiàn)混煉擠出。

4 總結(jié)

本文主要針對(duì)同向雙螺桿擠出機(jī)中各段的特點(diǎn)展開了研究并結(jié)合實(shí)例分析驗(yàn)證螺桿組合的原則和特點(diǎn)，捏合塊元件和正向螺紋元件相比，輸送能力相對(duì)較弱，所以此元件處物料的平均停留時(shí)間相對(duì)更長，功率也相對(duì)更大；螺桿組合應(yīng)該在保持不減少物料平均停留時(shí)間的基礎(chǔ)上，保證塑化混煉效果，降低功耗，這樣才能算優(yōu)化后的軸向混煉性能得到了提升。