單雙螺桿擠出機結(jié)構(gòu)特點和工作原理的差異

1、單、雙螺桿擠出機結(jié)構(gòu)特點和工作原理的差異擠出成型工藝是聚合物加工領(lǐng)域中生產(chǎn)品種最多、變化最多、生產(chǎn)率高、適應(yīng)性強、用途廣泛、產(chǎn)量所占比重最大的成型加工方法。擠出成型是使高聚物的熔體（或粘性流體）在擠出機螺桿的擠壓作用下通過一定外形的口模成型，制品為具有恒定斷面外形的連續(xù)型材。 擠出成型工藝適合于所有的高分子材料。幾乎能成型所有的熱塑性塑料，也可用于熱固性塑料，但僅限于酚醛等少數(shù)幾種熱固性塑料。塑料擠出的制品有管材、板材、棒材、片材、薄膜、單 絲、線纜包覆層、各種異型材以及塑料與其它材料的復(fù)合物等。目前約的熱塑性塑料制品是通過擠出成型的。此外擠出工藝也常用于塑料的著色、混煉、塑化、造粒及塑料的共

2、混改性等，以擠出成型為基礎(chǔ)，配合吹脹、拉伸等技術(shù)，又發(fā)展為擠出一吹塑成型和擠出拉幅成型制造中空吹塑和雙軸拉伸薄膜等制品。可見擠出成型是聚合物成型中最重要的方法。 擠出設(shè)備有螺桿擠出機和柱塞式擠出機兩大類，前者為連續(xù)式擠出，后者為間歇式擠出，主要用于高粘度的物料成型，如聚四氟乙烯、超高分子量聚乙烯。螺桿擠出機可分為單螺桿擠出機和多螺桿擠出機。單螺桿擠出機是生產(chǎn)上最基本的擠出機。多螺桿擠出機中雙螺桿擠出機近年來發(fā)展最快，其應(yīng)用日漸廣泛。目前，在塑料門窗型材的加工中，雙螺桿擠出機已成為主要生產(chǎn)設(shè)備，單螺桿擠出機將被逐步淘汰。但在其它聚合物的擠出加工中，單螺桿擠出機仍占主導(dǎo)地位。二者有各自的特點： 單

3、螺桿擠出機： 結(jié)構(gòu)簡單，價格低。 適合聚合物的塑化擠出，適合顆粒料的擠出加工。對聚合物的剪切降解小，但物料在擠出機中停留時間長。 操縱輕易，工藝控制簡單。雙螺桿擠出機： 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高。 具有很好的混煉塑化能力，物料在擠出機中停留時間短，適合粉料加工。 產(chǎn)量大，擠出速度快，單位產(chǎn)量耗能低。 在塑料門窗型材生產(chǎn)中，采用雙螺桿擠出機與單螺桿擠出機的生產(chǎn)工藝為 見頁下）： 可以看出，單螺桿擠出機適合粒料加工，使用的原料是經(jīng)造粒后的顆粒或經(jīng)粉碎的顆粒料。雙螺桿擠出機適合粉料加工，可以直接使用混合好的料，減少了造粒的工序，但多了廢物的磨粉工序。近幾年，國產(chǎn)雙螺桿擠出機的質(zhì)量已基本達(dá)到進(jìn)口雙螺桿擠出機的

4、水平，價格僅為進(jìn)口機的。由于雙螺桿擠出機的產(chǎn)量大，擠出速度快，一般可達(dá)到米分鐘，適合塑料門窗型材的大規(guī)模生產(chǎn)。而單螺桿擠出機一般只用作小型輔助型材生產(chǎn)，擠出速度僅為米分鐘，很多的型材加工廠已淘汰了單螺桿擠出機，改用雙螺桿擠出機一模多腔生產(chǎn)小型輔助型材。 擠出機的基本工作原理是將聚合物熔化壓實，以恒壓、恒溫、恒速推向模具，通過模具形成產(chǎn)品熔融狀態(tài)的型坯。但單螺桿擠出機與雙螺桿擠出機結(jié)構(gòu)不同，工作原理不同，其控制的工藝條件也不相同。 單螺桿擠出機 結(jié)構(gòu)特點 單螺桿擠出機是由傳動系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)、加熱和冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾部分組成（另外還有一些輔助設(shè)備）。其中擠出系統(tǒng)是擠出成型的關(guān)鍵部位，對擠出的成

5、型質(zhì)量和產(chǎn)量起重要作用。擠出系統(tǒng)主要包括加料裝置、料筒、螺桿、機頭和口模等幾個部分（如圖所示）。下面僅就擠出系統(tǒng)討論擠出機的基本結(jié)構(gòu)及作用。PVC樹脂 稱量計量高速混合冷卻混合雙螺桿擠出機擠出各種助劑 冷卻定型 單螺桿擠出機造粒單螺桿擠出機擠出牽引切割包裝型材產(chǎn)品 廢物粉碎與造粒料混合單螺桿擠出機擠出 磨粉與混合的粉料混合雙螺桿擠出機擠出 、加料裝置 擠出成型的供料一般采用粒狀料。加料裝置是保證向擠出機料筒連續(xù)供料的裝置，外形如漏斗，有圓錐形和方錐形，亦稱料斗。其底部與料筒連接處是加料孔，該處有截斷裝置，可以調(diào)整和截斷料流。在加料孔的四周有冷卻夾套，用以防止料筒高溫向料斗傳熱，避免料斗內(nèi)塑料升

6、溫發(fā)粘，引起加料不均和料流受阻情況發(fā)生。料斗的側(cè)面有玻璃視孔及標(biāo)定計量裝置。有些料斗還有防止塑料從空氣中吸收水分的預(yù)熱干燥真空減壓裝置，以及帶有能克服粉狀塑料產(chǎn)生“架橋”現(xiàn)象的攪拌器和能夠定時定量自動加料的裝置。 、料筒 料筒又叫機筒，是一個受熱受壓的金屬圓筒。物料的塑化和壓縮都是在料筒中進(jìn)行的。擠出成型時的工作溫度一般在，料筒內(nèi)壓可達(dá)。在料筒的外面設(shè)有加熱和冷卻裝置。加熱一般分三至四段，常用電阻或電感加熱器，也有采用遠(yuǎn)紅外線加熱的。冷卻的目的是防止塑料的過熱或停車時須對塑料快速冷卻以免塑料的降解。冷卻一般用風(fēng)冷或水冷。料筒須承受高壓，要求具有足夠的強度和剛度，內(nèi)壁光滑。料筒一般用耐磨、耐腐塑

7、料摩擦使塑料過熱，同時讓螺桿表面溫度略低于料筒，防止物料粘附其上，利于物料的輸送。螺桿用止推軸承懸支在料筒的中心，與料筒中心線吻合，不應(yīng)有明顯的偏差。螺桿與料筒的間隙很小，使塑料受到強大的剪切作用而塑化并推動向前。螺桿由電動機通過減速機構(gòu)傳動，轉(zhuǎn)速一般為，要求是無級變速。 （）螺桿的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù) 螺桿的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)有直徑、長徑比、壓縮比、螺槽深度、螺旋角、螺桿與料筒的間隙等（見圖）其中長徑比（）對螺桿的工作特性有重大的影響。一般擠出機長徑比為，但近年來發(fā)展的擠出機有達(dá)的，甚至更大。大，能改善塑料的溫度分布，能使混合更均勻，還可減少擠出時的逆流和漏流，進(jìn)步擠出機的生產(chǎn)能力。過小，對塑料的混合和塑

8、化都不利。因此，對于硬塑料、粉狀塑料要求塑化時間長，應(yīng)選較大的。 大的螺桿適應(yīng)性強，可用于多種塑料的擠出。但太大，熱敏性塑料會因受熱時間太長而出現(xiàn)分解，同時增加螺桿的自重，使制造和安裝都困難，也會增大擠出機的功率消耗。目前，以居多。 （）螺桿的壓縮比 螺桿的壓縮比是指螺桿加料段第一個螺槽的容積與均化段最后一個螺槽的容積之比，它表示塑料通過螺桿的全過程被壓縮的程度。越大，塑料受到擠壓的作用也就越大，排除物料中空氣的能力就大。但太大，螺桿本身的機械強度下降。一般壓縮比在之間。壓縮比的大小取決于擠出塑料的種類和形態(tài)，如粉狀塑料的相對密度小，夾帶空氣多，其壓縮比應(yīng)大于粒狀塑料。另外擠出薄壁狀制品時，壓

9、縮比應(yīng)比擠出厚壁制品的大。 （）螺槽深度螺槽深度影響塑料的塑化及擠出效率，較小時，對塑料可產(chǎn)生較高的剪切速率，有利于傳熱和塑化，但擠出生產(chǎn)率降低。因此，熱敏性塑料宜用。大的深槽螺桿宜用熔體粘度低和熱穩(wěn)定性較高的塑料。在實際生產(chǎn)中，根據(jù)工藝需要，螺槽深度往往是變化的，根據(jù)螺桿各段的功能不同，螺槽的深度不同，最通用的是漸變螺桿，如：加料段的螺槽深度是個定值，一般；壓縮段的螺槽深是漸變的，是一個變化值；均化段的螺槽深 是個定值，按經(jīng)驗 。螺旋角是螺紋與螺桿橫截面之間的夾角，隨著的增大，擠出機的生產(chǎn)能力進(jìn)步，但螺桿對塑料的擠壓剪切作用減少。出于機械加工的方便，取，則為。為最常用的螺桿。 （）螺桿與料筒

10、的間隙 螺桿與料筒的間隙，其大小影響擠出機的生產(chǎn)能力和物料的塑化。值大，熱傳導(dǎo)差，剪切速率低，不利于物料的熔融和混合，生產(chǎn)效率也不會高。但小時，熱傳導(dǎo)和剪切率都相應(yīng)進(jìn)步。但過于小，就易引起物料降解。 單螺桿擠出機擠出過程和螺桿各段的功能 由高分子物理學(xué)知道，高聚物存在三種物理狀態(tài)，即玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)，在一定條件下，這三種物理狀態(tài)會發(fā)生互變。固態(tài)塑料由料斗進(jìn)人料筒后，隨著螺桿的旋轉(zhuǎn)向機頭方向前進(jìn)，在此過程中，塑料的物理狀態(tài)在不斷發(fā)生著變化。根據(jù)塑料在擠出機中的三種物理狀態(tài)的變化過程及對螺桿各部位的工作要求，通常將擠出機的螺桿分成加料段（固體輸送區(qū)）、壓縮段（熔融區(qū)）和均化段（熔體輸送區(qū)）三

11、段。對于常規(guī)漸變螺紋的螺桿來說，塑料在擠出機中的擠出過程可以通過螺桿各段的基本職能及塑料在擠出機中的物理狀態(tài)變化過程來描述，見圖。 、加料段 塑料自料斗進(jìn)進(jìn)擠出機的料筒內(nèi)，在螺桿的旋轉(zhuǎn)作用下，由于料筒內(nèi)壁和螺桿表面的摩擦作用向前運動。在該段，螺桿的職能主要是將塑料壓實提供向前輸送的動力，物料仍以固體狀態(tài)存在，固然由于強烈的摩擦熱作用，在接近末端時與料筒內(nèi)壁相接觸的塑料已接近或達(dá)到粘流溫度，固體粒子表面開始發(fā)粘，但熔融仍未開始。這一區(qū)域稱為遲滯區(qū)，是指固體輸送區(qū)結(jié)束到最初開始出現(xiàn)熔融的一為粘流態(tài)。 、均化段 從熔融段進(jìn)人均化段的物料是已全部熔融的粘流體。向前輸送的粘流體在機頭口模阻力下，一部分回

12、流被進(jìn)一步混合塑化，一部分被定量定壓地從機頭口模擠出。 從以上單螺桿擠出機的工作原理不丟臉出，塑料在擠出機中塑化，向前擠壓活動，其主要動力來源于加料段的固體輸送，塑化的均勻程度很大程度是由于均化段的結(jié)構(gòu)和機頭模具的阻力所造成的回流。在改善螺桿混煉結(jié)構(gòu)上已經(jīng)有了很多新型的結(jié)構(gòu)，但其往往適合于熱穩(wěn)定性很好的聚合物，卻不適宜樹脂的生產(chǎn)，這就不逐一先容了。 雙螺桿擠出機 隨著聚合物加產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對高分子材料成型和混合工藝提出了越來越多和越來越高的要求，單螺桿擠出機在某些方面就不能滿足這些要求。例如：用單螺桿擠出機進(jìn)行填充改性和加玻璃纖維增強改性等，混合分散效果就不理想。另外，單螺桿擠出機尤其不適合粉狀

13、物料的加工。為了適應(yīng)聚合物加工中混合工藝的要求，特別是硬聚氯乙烯粉料的加工，雙螺桿擠出機自世紀(jì)年代后期在意大利開發(fā)出來以后，經(jīng)過半個多世紀(jì)的精益求精和完善，得到了很大的發(fā)展。在國外，目前雙螺桿擠出機已廣泛應(yīng)用于聚合物加工領(lǐng)域，已占全部擠出機總數(shù)的。硬聚氯乙烯粒料、管材、異型材、板材幾乎都是采用雙螺桿擠出機加工成型的。作為連續(xù)混合機，雙螺桿擠出機已廣泛用來進(jìn)行聚合物共混、填充和增強改性，也有用來進(jìn)行反應(yīng)擠出。近年來，高分子材料共混和反應(yīng)擠出技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步促進(jìn)了雙螺桿擠出機數(shù)目和類型的增加。 雙螺桿擠出機的結(jié)構(gòu)與分類 雙螺桿擠出機由傳動裝置、加料裝置、料筒和螺桿等幾個部分組成，各部件的作用與單螺

14、桿擠出機相似。與單螺桿擠出機區(qū)別之處在于雙螺桿擠出機中有兩根平行的螺桿置于同一的料筒中，如圖所示 轉(zhuǎn)下頁）。 雙螺桿擠出機有很多種不同的形式，主要差別在于螺桿結(jié)構(gòu)的不同。雙螺桿擠出機的螺桿結(jié)構(gòu)要比單螺桿擠出機復(fù)雜得多，這是由于雙螺桿擠出機的螺桿還有諸如旋轉(zhuǎn)方向、嚙合程度等等題目。 常用于型材擠出的雙螺桿擠出機通常是緊密嚙合且異向旋轉(zhuǎn)的螺桿，少數(shù)也有使用同向旋轉(zhuǎn)式雙螺桿擠出的，但一般只能在低速下操縱，約在范圍內(nèi)。而高速嚙合同向旋轉(zhuǎn)式雙螺桿擠出機用于混煉、排氣造?；蜃鳛檫B續(xù)化學(xué)反應(yīng)器使用，這類擠出機最大螺桿速度范圍在。非嚙合型擠出機與嚙合型擠出機的輸送機理大不相同，比較接近于單螺桿擠出機的輸送機理

15、，二者有本質(zhì)上的差別。 雙螺桿擠出機的工作原理雙螺桿擠出機的結(jié)構(gòu)盡管與單螺桿擠出機很相似，但工作原理差異卻很大。在雙螺桿擠出機中，物料由加料裝置（一般為定量加料）加進(jìn)，經(jīng)螺桿作用到達(dá)機頭口模。在這一過程中，物料的運動情況因螺桿的嚙合方式、旋轉(zhuǎn)方向不同而不同。 、非嚙合型雙螺桿擠出系統(tǒng) 物料在非嚙合雙螺桿擠出系統(tǒng)中，除了向機頭方向的運動形式外，還有多種活動方式，見圖。由于兩螺桿不嚙合，它們之間的徑向間隙很大，存在較大的漏流。主要活動方式：、由于兩螺桿的螺棱的相對位置是錯開的，即一根螺桿的推力面的物料壓力大于另一螺桿拖帶面的物料壓力，從而產(chǎn)生了活動。 、物料從壓力較高的螺桿推力面向另一螺桿拖帶面的

16、活動，同時隨著螺桿的旋轉(zhuǎn)，在兩螺桿的間隙處物料不斷受到攪動并被不斷帶走、更新（不論兩螺桿的轉(zhuǎn)向如何），特別是在異向旋轉(zhuǎn)過程中，物料在處受到阻礙，產(chǎn)生了活動。、多種物料的活動形式（包括由于在兩根螺桿的相互作用下產(chǎn)生的各種活動）都增加了對物料的混煉和剪切。但這種雙螺桿沒有自清潔作用，一般僅用于混料，不適合型材的生產(chǎn)。 、嚙合型同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出系統(tǒng) 物料在同向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿擠出系統(tǒng)的全螺紋段的活動情況見圖。由于同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿在嚙合位置的速度方向相反，一根螺桿要把物料拉進(jìn)嚙合間隙，而另一根螺桿要把物料從間隙中推出，結(jié)果使物料從一根螺桿轉(zhuǎn)到另一個螺桿，呈形前進(jìn)，這種速度的改變以及嚙合區(qū)較大的相對速度，非

17、常有利于物料混合和均化，由于嚙合區(qū)間隙很小，嚙合處螺紋和螺槽的速度相反，剪切速度高，有很好自潔作用，即能刮往粘附在螺桿上的任何積料，從而使物料的停留時間很短。這種擠出機主要用于混煉物料和造粒。但由于物料在嚙合區(qū)間所受剪切力很大，所以也不適應(yīng)型材的生產(chǎn)。 、嚙合型異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出系統(tǒng) 嚙合型異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出系統(tǒng)中物料的運動情況見圖。在嚙合型異向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿擠出中，兩根螺桿是對稱的，由于回轉(zhuǎn)方向不同，一根螺桿上物料螺旋前進(jìn)的道路被另一根螺桿的螺棱堵，不能形成“”字型運動。在固體輸送部分，物料是以近似的密閉“”形小室的形態(tài)向前輸送。但為了使物料混合設(shè)計中將一根螺桿的外徑與另一根螺桿的根徑之間留有

18、一定的間隙量，以便使物料能夠通過。物料通過兩螺桿之間的徑向間隙時，受到強烈的剪切、攪拌和壓延作用，因此，物料的塑化比較好，多用于加工制品。由于兩螺桿的徑向間隙比較小，因此，有一定的自潔性能，但自潔性比同向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿要差。 雙螺桿擠出機的主要參數(shù) 、螺桿公稱直徑。螺桿公稱直徑是指螺桿外徑，單位為。對于變直徑（或錐形）螺桿而言，螺桿直徑是一個變值，一般用最小直徑和最大直徑表示如：。雙螺桿的直徑越大，表征機器的加工能力越大。 、螺桿的長徑比。螺桿的長徑比是指螺桿的有效長度與外徑之比。一般整體式雙螺桿擠出機的長徑比是在之間。對于組合式雙螺桿擠出機，長徑比是可變的。從發(fā)展看，長徑比有逐步加大的趨勢。

19、、螺桿的轉(zhuǎn)向。螺桿的轉(zhuǎn)向有同向和異向之分。一般同向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿擠出機多用于混料，異向旋轉(zhuǎn)的擠出機多用于擠出制品。 、螺桿的轉(zhuǎn)速范圍。螺桿的轉(zhuǎn)速范圍是指螺桿的最低轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速 （答應(yīng)值）間的范圍。同向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿擠出機可以高速旋轉(zhuǎn)，異向旋轉(zhuǎn)的擠出機一般轉(zhuǎn)速僅在。 、驅(qū)動功率。驅(qū)動功率是指驅(qū)動螺桿的電動機功率，單位為。 、產(chǎn)量。產(chǎn)量指每小時物料的擠出量，單位為。 雙螺桿擠出機與單螺桿擠出機的差別 物料的傳送方式 在單螺桿擠出機中，物料傳送是拖曳型的。固體輸送段中為摩擦拖曳，熔體輸送段中為粘性拖曳。固體物料的摩擦性能和熔融物料的粘性決定了輸送行為。如有些物料摩擦性能不良，假如不解決喂料題目，則較難

20、將物料喂進(jìn)單螺桿擠出機。所以顆粒狀的原料適合單螺桿擠出機進(jìn)料。 而在雙螺桿擠出機中，特別是嚙合型雙螺桿擠出機，物料的傳送在某種程度上是正向位移傳送，正向位移的程度取決于一根螺桿的螺棱與另一根螺桿的相對螺槽的接近程度。緊密嚙合異向旋轉(zhuǎn)擠出機的螺桿幾何外形能得到高度的正向位移輸送特性。形成了強制進(jìn)料，粉末狀的物料有利于擠壓進(jìn)料。 表7 雙螺桿擠出機溫度控制1區(qū)/（加料段）2區(qū)/3區(qū)/4區(qū)/法蘭盤/機頭體/口模/螺桿內(nèi)油溫/1701801601601651751651751651751701801751857090 物料的活動速度場 研究職員對物料在單螺桿擠出機中的活動速度分布已描述得相當(dāng)明確，而在

21、雙螺桿擠出機中物料的活動速度分布情況相當(dāng)復(fù)雜且難以描述。很多研究職員只是不考慮嚙合區(qū)的物料活動情況來分析物料的活動速度場，但這些分析結(jié)果與實際情況相差很大，由于雙螺桿擠出機的混合特性和總體行為主要取決于發(fā)生在嚙合區(qū)的漏流，然而嚙合區(qū)中的活動情況相當(dāng)復(fù)雜。雙螺桿擠出機中物料的復(fù)雜流譜，宏觀上表現(xiàn)出單螺桿擠出機無法媲美的優(yōu)點，例如：混合充分，熱傳遞良好，熔融能力大，排氣能力強及對物料溫度控制良好等。 生產(chǎn)工藝控制的差別 由于單螺桿擠出機與雙螺桿擠出機在結(jié)構(gòu)和工作原理上的差別，在型材生產(chǎn)工藝控制上也有很大的差別，具體表現(xiàn)在： 、溫度控制 單螺桿擠出機一般采用溫度逐步升高的控制方法，物料在加料段應(yīng)處于

22、未熔化的固體狀態(tài)以利于達(dá)到固體輸送的能力，假如物料過早熔化會抱在加料段的螺桿上與螺桿同步轉(zhuǎn)動，阻止物料向前移動，形不成固體塞的輸送能力，使擠出機擠不出料，長時間會造成的分解。從加料口到機頭的溫度分布如表所示：加料段熔化段均化段機頭體口模140150160170170180180185180185 雙螺桿擠出機與單螺桿擠出機輸送物料的機理不同，它是采用強制進(jìn)料的方法。物料一進(jìn)進(jìn)擠出機中便在通過兩螺桿之間的徑向間隙時，受到強烈的剪切、攪拌和壓延作用，很快塑化后，進(jìn)進(jìn)排氣段排氣。假如物料得不到很好的塑化，不但加大螺桿擠壓的負(fù)荷，同時進(jìn)進(jìn)排氣段時，粉狀的物料還會隨空氣一同排除，因此雙螺桿擠出機的溫度控制應(yīng)為表所示。 、螺桿轉(zhuǎn)速控制 （）單螺桿擠出機 擠出速度和擠出機的螺桿轉(zhuǎn)速有直接關(guān)系，螺桿轉(zhuǎn)速進(jìn)步，擠出速度加快。當(dāng)然溫度、模具的阻力、螺桿的塑化能力對擠出速度都有影響。單螺桿擠出機擠出型材的螺桿轉(zhuǎn)速應(yīng)在。因物料是直接通過料斗加進(jìn)到螺桿和料筒之間的，進(jìn)料速度與螺桿的轉(zhuǎn)速有直接關(guān)系，同時也與原料外形、密度、表面物理性質(zhì)有關(guān)，粉狀的物料、密度小的物料、物料不光滑、活動阻力大的物料都會使進(jìn)料速度變慢，有時還輕易產(chǎn)生“架橋”阻止進(jìn)料。單螺桿擠出機螺桿的轉(zhuǎn)速直接影響擠出的壓力、物料的塑化程度和轉(zhuǎn)動螺桿電機的負(fù)荷。 綜上所述，單螺桿擠出機的螺桿轉(zhuǎn)速的確定，是根據(jù)物料的進(jìn)料能力、塑化能力、機頭的阻