螺杆组合培训资料(二)——同向双螺杆螺杆组合设计

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螺杆组合培训资料(二)——同向双螺杆螺杆组合设计

资料回顾:

本期我们讨论:啮合同向双螺杆挤出过程不同功能段的螺杆构型和整根螺杆的组合设计

  同向双螺杆的特点是: ① 转速较高并且在啮合区(两螺杆在横截面图中的重叠部分) 不同位置处有较接近的相对运动速度, 所以可以产生强烈、均匀的剪切; ② 几何形状决定了其纵向流道必定开放, 使两螺杆之间产生物料交换。交换时, 原处于一根螺杆螺槽底部的物料将运动到另一根螺杆螺槽的顶部。纵向流道的开放还使横向流道开放成为可能, 来实现同一螺杆相邻螺槽间物料的交换。这使同向双螺杆具有较好的分布混合能力

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。

3.1 加料段的螺杆构型

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,纤维状的添加低松密度粉料,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ZE2A型和ZE2R 型双螺杆挤出机就是这样。

3.2 固体输送段的螺杆构型

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,沿输送方向螺槽的充满度逐渐变大,物料得到了压缩、密实。

3.3 熔融塑化段的螺杆构型

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,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。

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。

 

图一:熔融段的局部螺杆构型               

图二:Berstorff公司熔融段局部螺杆构型

实验发现,图一中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。

用于熔融的较好螺杆构型是图一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,为图二 (c) 所示。

 

   排气区的螺杆局部构型

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,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。

3.4用于熔体输送的螺杆构型

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,否则会导致排气返料。

3.5 混合段的螺杆构型

混合是螺杆挤出加工的一个重要方面, 对含多种成分的多相混合物系而言, 希望通过混合使分散相颗粒尺寸减小至适当程度并将其均匀分布在连续相中; 即使是对含分散较少的近乎单相的加工对象, 也期望通过混合使它各部分有尽可能接近的应变及温度历程, 提高温度均匀性, 缩小分子量及其分布的差异, 以便防止制品外观质量差、减少内应力和翘曲变形、提高它的机械性能。

因此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。因此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

混合段混合效果的影响因素彼此之间不是完全独立的,如沿螺槽方向的压力梯度d p/ d y ,可以通过螺杆构型来实现对d p/ d y 的调节,同时也可以通过改变操作条件来实现。就提高熔融速率而言,增大沿螺槽方向的压力梯度d p/ d y 对熔融速率的提高最为明显;颗粒层温度Ti 及机筒温度Tb 对熔融速率有一定的影响;加料量(体现在固体颗粒在螺槽中的充满度Fac) 及螺杆转速(体现在机筒拖曳速度沿螺槽方向的分量U) 对熔融速率的影响不大。

(2) 就能量的有效利用率而言,增大固体颗粒在螺槽中的充满度Fac ,可以很大程度地提高能量的有效利用率;而随d p/ d y 的增大,能量的有效利用率明显下降;颗粒层温度Ti 及机筒温度Tb 变化对能量的有效利用率有一定的影响;机筒拖曳速度沿螺槽方向的分量U 对能量的有效利用率的影响不大。

(3) 就熔体温升而言,增大沿螺槽方向的压力梯度d p/ d y ,熔体温度明显升高;而提高机筒温度Tb ,熔体温度在一定范围内变化,并且遵循一定的规律;机筒拖曳速度沿螺槽方向的分量U 的变化对熔体温升有一定的影响;而固体颗粒在螺槽中的充满度Fac及固体颗粒层温度六开彩预测内部Ti 对熔体温升的影响不大,并且熔体最终达到某一确定的温度。

考虑影响聚合物颗粒熔融的各个因素,可以发现它们相互制约,有时相互矛盾。比如,增大沿螺槽方向的压力梯度d p/ d y ,熔融速率将有很大的提高,但是能量的有效利用率却明显下降,同时熔体温度升得较高,对于温度敏感的聚合物,容易导致高温降解;改变机筒温度Tb 可以调节熔体温度,但是机筒温度升高,通过机筒向外散热量增大,浪费能量;增大固体颗粒在螺槽中的充满度Fac ,即增大加料量,可以很大程度地提高能量的有效利用率,但是它受到挤出机功率的限制,并且可能达到溢流加料的状况。如果要达到熔融速率较高、能量的有效利用率较大且熔体的温升可以控制在要求的范围内这样较为理想的挤出状态,则需在理论上进一步明确各个影响因素之间的相互关系,在实际挤出过程中进行优化设计。 

3.7 螺杆内压力变化

螺杆组合的设计必须考虑到组合对螺杆内物料的压力的影响,螺杆内物料的压力分为沿着螺杆螺槽的压力(即向前的压力)与螺杆径向的压力(即与螺杆芯轴垂直方向的压力)

螺杆螺槽方向物料压力对物料在挤出机内物料的更新有很大的影响,生产在较高温度下可能降解或分解的热敏性材料时,必须考虑到螺杆组合导致的螺杆螺槽方向物料压力与物料更新的关系。理想情况下物料在螺杆表面的摩擦力是零,但实际情况下这种摩擦力是不可能忽略的,特别是国产挤出机螺杆,这样某螺杆部位上沿螺杆螺槽方向压力越小,物料在该部位的停留时间越长,停留时间分布越大,物料更新速度越慢,热敏性物料越容易降解。而径向压力影响主要与剪切块的剪切能力有关。这点对于物料的塑料及混炼是很重要的。

螺杆内物料的压力与物料的形态,粘度,螺筒内物料充满度,前后螺杆元件,螺筒直径,螺筒磨损情况,螺杆转速等的影响有关。如果不考虑上述影响,各种螺杆元件在这两方向的压力效果是各不相同的。

在沿螺槽方向的压力产生的效果看,由大到小分别是:正向螺纹元件 >排列角小于90°的剪切块  > 90°的剪切块 >反向剪切块 >反向螺纹元件;薄剪切块 >厚剪切块。如下图中的(图一):

在径向方向的压力产生的效果看,由大到小分别是:90°的剪切块 >排列角小于90°的剪切块 >反向剪切块 >反向螺纹元件 >正向螺纹元件;厚剪切块 >薄剪切块。如下图中的(图二):

 

 

      

图三:不同捏合角时轴向压力挤出特性曲线

螺距、转速、流动速率对螺杆螺槽内轴向压力变化的影响图如下图四、五:

 图四:不同螺距的轴向压力挤出特性曲线   

图 五:不同转速下某螺距元件的轴向压力挤出特性曲线


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