為什么沒有適用于所有聚合物的通用螺桿？

文/ 本刊編譯自Plastics Technology（作者Jim Frankland）

時常有人會問：為什么不能有一種可以加工所有聚合物的螺桿設計？因為在很多人看來，塑料都是一樣的。但實際上，不同類型的塑料卻可能有著極為不同的加工性能。

一根單螺桿通常被預制有3個基本功能：固體原料的輸送、熔化、計量或泵送。這些功能都受制于特定聚合物的獨特性能，即它們的熱性能、粘彈性、固體和熔體密度以及摩擦性能等。這些性能變化多端，因此一根通用螺桿根本不可能完全有效地加工所有類型的聚合物。這并不是說有些聚合物不能用特定的螺桿加工,而是說不能達到最佳效率。

比如，可以比較一下擠出中最常見的兩種聚合物HDPE 和HIPS，通過觀察比熱和加工溫度，也就是使聚合物達到加工溫度所需的能量就能有所了解。這種情況下，HDPE 和HIPS 的加工溫度似乎是相似的，但HDPE 的平均比熱是0.55 Btu/lb-°F（約2.3 kJ/kg.K），而HIPS 的平均比熱是0.40 Btu/lb-°F（約1.67 kJ/kg.K），意味著1 lb（1 lb=0.4536 kg）的HDPE要達到所需的加工溫度，所消耗的能量要比 HIPS 高37.5%。

此外，HDPE 是一種結晶材料，意味著它有確定的熔點，而PS 是無定形的，沒有精確的熔點，因此，要克服HDPE 的結晶性，需要額外100 Btu/lb（約232 kJ/kg）的熔化熱。累積起來，HDPE 達到所需的加工溫度，其消耗的能量幾乎要比HIPS 高出50%。

聚合物也可通過它們的粘彈性來界定，即粘度如何隨溫度和剪切速率的變化而變化。這是一個關鍵性能，因為它決定了螺桿轉動所引入的剪切力為加工聚合物增加了多少能量。冪律系數是一個主要與受剪切速率影響的粘度有關的指標，而稠度指數是一個與受溫度影響的粘度有關的指標，這兩個指標決定了熔體粘度隨剪切速率和溫度的增加而發生的變化。在剪切力的作用下，HIPS 的粘度變化要比HDPE高50%。

HDPE 的固體密度大約是PS 的90%，但熔體密度只有PS的77%。通常，HDPE 會打破其有序的結晶結構并隨著熔化的發生而膨脹，這會降低螺桿的產出。為了獲得同樣的產出，用于HDPE 的螺桿，其螺槽深度要比用于HIPS 的深38%。此外，為了適應膨脹，還需要對螺桿的壓縮率和容積進行補償。

如上所述，HIPS 的粘度對剪切速率的反應（冪律系數）要比HDPE 大，因此，如果采用相同的螺桿進行加工，也就是說，用適合HDPE 的較深螺槽來對應HIPS 的單位小時產出，會導致HIPS 的熔化不良或者熔化不完全，這是由于粘度降低較大并因此而導致殘余的HIPS 固體顆粒出現了低剪切熔化。

進料速率決定了螺桿的總產出，它隨著送入材料的物理性能的變化而變化，如顆粒形狀、密度、體積密度、顆粒與顆粒之間的內部摩擦以及聚合物顆粒與擠出機料斗、進料口和機筒等金屬表面之間的外部摩擦。研究表明，PS 對鋼的動態摩擦系數要比HDPE 的高50%，這會影響它的進料速率以及固體顆粒早期在螺槽中的緊實程度，最終影響它的熔化效率。

通過螺桿設計來處理這些聚合物的性能差異，會因為一個差異可能抵消另一個差異而變得更加復雜。比如，雖然HDPE 和PS在各自的性能上并沒有很大的不同，但不難看出，想要設計出一根能同時有效處理這兩種聚合物的螺桿的確很難。想象一下，設計一根螺桿，它也能夠兼容熔點更高的聚合物如PC 或者在加工前就已經得到干燥的聚合物，在這些情況下，存在一些性能上的巨大差異需要去處理。每一個性能的變化都可能影響到對高效、低成本加工的重要要求。因此，需要針對特定的聚合物設計特定的螺桿。

重要的是，一旦利用一種特定聚合物的性能數據而為這種聚合物設計了合理的螺桿，就不必為每一種尺寸而重新設計新的螺桿。只需按比例放大或縮小，就能獲得其他尺寸的螺桿，除非是尺寸變化巨大而足以產生必要的性能。