擠出機螺桿組合原理與應用

關于擠出機螺桿組合原理與應用第1頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo一、雙螺桿擠出發(fā)展歷程20世紀40年代，Erdmenger發(fā)明了同向完全齒合型雙螺桿擠出機，50年代W&P公司進一步發(fā)展并投向市場；不斷完善并成為聚合物工業(yè)、化學制品工業(yè)以及食品工業(yè)中必不可少的設備。第2頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo2.擠出機設備廠家和螺桿組合定義1.

幾大擠出機設備商，型號

ZSK型--W&P;ZE型-Berstorff;APV--APV（BakerPerkins）

TEX-日本制鋼所;萊斯特里公司[Leistritz]-ZSE型.螺桿組合,就是指擠出機螺桿的結構組成,不同組合以達到不同物料生產(chǎn)需要,螺桿組合能達到

分散/剪切兩種效果,解決物料的混和均勻要求,對生產(chǎn)穩(wěn)定性有重要意義.

第3頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo二、螺桿組合原理和應用的主要內(nèi)容1.螺桿組合的基本結構和各部分特點；2.螺桿組合設計的基本原則；3.嚙合同向雙螺桿擠出過程不同功能段的螺桿構型和整根螺桿的組合設計；4.玻纖增強粒料制備的螺桿構型設計；5.特殊螺桿組合元件應用舉例；6.類別產(chǎn)品現(xiàn)有組合特點和設計思路。第4頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo三、

螺桿組合的基本結構和各部分特點

1.擠出機螺桿分兩大部分,就是芯軸和螺紋套;2.螺紋元件--輸送元件和剪切元件第5頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo3.螺紋套元件分類和特點3.1輸送元件種類從導程

和元件長度

來分，96/9672/7256/5672/3256/2872/36L56/28L；3.2剪切元件就是通常說的捏合塊,由單個的剪切塊捏合在一起,片數(shù)不定,一般5/7片;

900/5/56300/7/72450/5/36600/5/56

3.3輸送元件輸送機理；3.4剪切元件剪切機理；3.5正反元件差異；第6頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo4.擠出機型的機械設計參數(shù)

任意同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機的幾何參數(shù)限定為3個:1.嚙合處間隙；2.內(nèi)外直徑比（OD/ID）；3.比扭矩（功率/容積比，即用扭矩/中心距的三次方（M/a3）表示）。

★一根螺桿的螺紋頂部處在與之配合的另一根螺桿螺紋根部和側(cè)面之間

第7頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo四、螺桿組合設計的基本原則同向雙螺桿的特點是:①轉(zhuǎn)速較高并且在嚙合區(qū)(兩螺桿在橫截面圖中的重疊部分)不同位置處有較接近的相對運動速度,所以可以產(chǎn)生強烈、均勻的剪切;②幾何形狀決定了其縱向流道必定開放,使兩螺桿之間產(chǎn)生物料交換。交換時,原處于一根螺桿螺槽底部的物料將運動到另一根螺桿螺槽的頂部。縱向流道的開放還使橫向流道開放成為可能,來實現(xiàn)同一螺桿相鄰螺槽間物料的交換。這使同向雙螺桿具有較好的分布混合能力,螺桿組合是雙螺桿擠出工藝制定的關鍵。同向雙螺桿擠出以混煉為主,螺桿組合要考慮到主輔料性能與形狀、加料順序與位置、排氣口位置、機筒溫度設置等等。。第8頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo4.1混合的兩個定義1.分散混合

固態(tài)物料、聚合物凝膠以及液滴等粒子尺寸減小的過程；指將少組分細化,如將無機填料粉碎及將玻纖絲切短等,它取決于剪切應力(或剪切速率);2.分布/分配混合

改變各組分在混合體系中的空間位置的過程；分布混合與物料粘度無關，與單位能量輸入也無關指減少少組分在多組分中分布的非均勻性,它則取決于剪切應變剪切應變很難求得,用周向流量和軸向回流量來衡量分布混合效果第9頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo4.2典型螺桿組合圖例第10頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo4.3捏合段的設計原則

1.凹槽內(nèi)物料承受的平均剪切速率

減小螺棱間隙及增大螺紋頭數(shù)都可提高平均剪切速率,亦即可增強單塊捏合塊的混煉能力。

2.捏合塊間的錯列角

是決定捏合段工作性能的一個關鍵參數(shù)

3.注意捏合段的壓力須與和它相連的正、反向螺紋段中的壓力相匹配；各自的軸向流量和軸向壓力梯度的關系曲線

第11頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo五、嚙合同向雙螺桿擠出過程不同功能段的螺桿構型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型與它相適應,以完成不同的功能。

第12頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo5.1加料段和固體輸送段的螺桿構型

1.加料段

一般采用大導程、正向螺紋輸送元件加大螺槽深度的非標準螺紋元件

2.固體輸送段把物料輸送,同時松散的粉狀低松密度物料壓實或提高粒狀物料在螺槽中的充滿度,以促進物料在下游的熔融塑化

第13頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo5.2熔融塑化段的螺桿構型

1.評價用于熔融塑化段局部螺桿構型的好壞的標準應當是它能將機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。2.熔融塑化給定聚合物的最佳螺桿局部構型取決于物料的比熱、熔點、熔體粘度及聚合物在固體狀態(tài)時粒子的大小。

第14頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo5.2用于熔融的局部構型第15頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo5.3Berstorff用于熔融的局部螺桿構型

第16頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo5.4擠出熔融過程影響因素

物料及螺桿的幾何尺寸確定1.———沿螺槽方向的壓力梯度2.———機筒溫度3.———固體顆粒在螺槽內(nèi)的充滿度,它亦可以用來計算所研究的控制體中的固體顆粒的個數(shù)4.———固體顆粒的初始溫度5.———螺桿溫度6.———機筒的拖曳速度(與螺桿速度有相同的意義)沿螺槽方向的分量第17頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo5.5排氣區(qū)和用于熔體輸送的螺桿局部構型

1.上游的螺桿上應設置密封元件,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,應使物料在螺槽中充滿度較低,并與大氣或真空泵相通，（可采用多頭小導程螺紋元件）2.熔體對螺桿的充滿長度取決于物料的粘度、螺桿導程、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程和螺紋頭數(shù)（返料）第18頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo5.6混合段的螺桿構型

嚙合同向雙螺桿擠出機的混合功能最重要,因而混合段的螺桿構型設計具有非常重要的意義

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

第19頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo六、整體螺桿組合設計

根據(jù)經(jīng)驗＋理論＋實驗相結合的方法進行設計整體螺桿組合設計

螺桿示例：第20頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo6.1整體螺桿設計前的考慮點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進行混合時物料中各組分的形態(tài)、性能和配比。因為不同聚合物、不同添加組分及其配比對擠出過程、螺桿構型、運轉(zhuǎn)條件的要求是不同的。

2.對各種螺桿(及機筒)元件及各功能區(qū)的局部螺桿構型、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。

第21頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo6.1整體螺桿設計前的考慮點4.擠出過程主要是實現(xiàn)分布性混合,則應使物料在螺桿中流動時能不斷重新取向,使其與剪切方向成45。適當松弛提高前面降低的粘度5.擠出過程主要是實現(xiàn)分散性混合,則螺桿構型的設計與分布混合就有所不同。分散混合的關鍵變量是應力,只有能提供大的剪應力,才能使結塊和液滴破裂,這就要在螺桿(機筒)中設置高剪切區(qū),而且要使物料多次通過這些高剪切區(qū)。

第22頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo6.2附分布分散混合典型示例高填充PP典型應用

第23頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo6.3用于玻纖增強產(chǎn)品的螺桿構型設計

1.一般說來,制品中的玻纖平均長度在0.1～1.0mm之間為好,這既能保證良好的制品性能,又使纖維具有良好的分散性。

2.玻纖分散性好壞的標志是:玻纖以單絲而不是以原紗存在于制品中;制品任意單位體積內(nèi)的玻纖含量大致相等;制品中玻纖長度分布范圍大致相同

3.影響分散性的因素有:合適的玻纖(合適的單絲直徑及支數(shù))及浸潤劑;玻纖含量,粒料中玻纖含量越大,制品中玻纖分散性越差;合理的造粒工藝和設備以及合理的注射工藝。

4.最佳構型取決于基體聚合物特性、玻纖類型、相容劑和玻纖加入量,同時與玻纖的加入及加入位置和操作條件的選擇密切相關。用于玻纖增強的螺桿構型設計,除了遵循同向雙螺桿一般構型設計時如何實現(xiàn)固體輸送、熔融、熔體輸送和建壓、排氣的螺桿局部構型設計的原則外,應重點考慮玻纖的加入和玻纖與聚合物熔體的混合。

第24頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo6.3.1玻纖加入口上游和入口處的螺桿構型

1.上游進行固體輸送和熔融塑化,對與聚合物一起加入的其它助劑進行混合。

2.玻纖加入口處應為大導程,使聚合物熔體到達此處時為半充滿狀態(tài),以留出空間容納加入的玻纖。3.經(jīng)驗規(guī)則：玻纖口前必須熔好，保證性能的前提。

第25頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo6.3.2玻纖加入口下游螺桿構型

1.兩個任務,第一是把纖維束打開,第二是把纖維切短并把每一根玻纖分布均勻并被熔體潤濕。

2.平均長度取決于聚合物和玻纖的比例,也取決于剪切、混合元件的選擇

3.粘度高的聚合物或加入高填充量玻纖的螺桿構型比低粘度聚合物或加入低百分數(shù)玻纖所用的螺桿構型提供的剪切應柔和一些。4.適于玻纖增強的螺桿元件一般是二頭的,因為它的剪切比較柔和,對玻纖不會造成過度的折斷

6.3.3排氣段和螺桿的最后區(qū)段（均化）第26頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo6.4螺桿構型實例1

1.第27頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo6.5螺桿構型實例2增強PC、PC+油第28頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo七、雙螺桿擠出機特殊螺紋元件的特點和應用1.齒型盤C18

2.176/88LS拉伸塊

3.32/96輸送型齒型盤

4.96/240強輸送元件

5.

R-L斜齒齒型盤

第29頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo7.1、

引言

聚合物共混物的高速增長，大大促進了人們對混合加工設備的開發(fā)利用；目前公認高效、連續(xù)混合加工設備的同向雙螺桿擠出機，螺桿組合逐步成為其應用過程的核心技術，組合設計主要按現(xiàn)代積木組合式原理，首要考慮的是輸送混合元件的合理使用，使其應用的物料沿螺桿擠出方向產(chǎn)生有效更迭，形成較好的幾何流型，物料獲得充分的分散和分布混合。第30頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo隨聚合物共混持續(xù)發(fā)展，原材料的基料，添加劑，填充物發(fā)生變化，本身特點對加工過程的某些方面提出了更特殊的要求，如玻纖增強，潤滑劑，多種熔點物質(zhì)混煉，晶須，易分解材料等等一些特殊原料的引入，對原有螺桿組合的某一方面如剪切、分散、分布作用需加強，或需弱化其中某一作用；原有不同導程輸送元件和不同角度的捏合元件組合起來難以達到這些特殊要求；因此，大大推動了特殊作用的新螺紋元件開發(fā)和應用7.2、發(fā)展動力第31頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo材料對螺桿組合特殊要求

玻纖增強類產(chǎn)品需保證長纖經(jīng)剪切后長度均勻，且分散分布良好；

多種不同表面性質(zhì)的無機填充物需分散良好；

熱敏感材料需低剪切熱，強塑化分散效果的元件

原料中含大量潤滑劑，影響塑化效率

普通輸送元件不能滿足低堆積密度物質(zhì)的輸送；

高熔點物質(zhì)需強塑化效果，集中剪切容易導致扭距增大，增加能耗；第32頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo項目類型特點主要應用齒型盤C18外形為帶齒圓盤，錯開嚙合，齒與軸向平行1.

對長玻纖剪切效率高，利于降低剪切熱；2.

對提高填充粉體分散效果明顯斜齒齒型盤外形為帶齒圓盤，錯開嚙合，齒帶一定斜度與齒型盤C18對比，分散效果明顯，尤其利于玻纖的分散96/240強輸送元件自由容積大，輸送動力方向角度直接沿正軸向高填充類產(chǎn)品提高單位時間進料能力，尤其在低堆積密度類產(chǎn)品，有效避免下料口返料176/88LS拉伸塊“S”型元件，類似正反一對大導程輸送提高塑化效率，在有限螺筒距離內(nèi)完成塑化且能耗比較低，剪切熱低32/96輸送型齒型盤輸送元件螺棱上開槽形成漏流，分散能力強，產(chǎn)生剪切熱低表一：

新螺紋元件類型、特性和應用表第33頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo1.齒型盤C18

圖主要在剪切和分散方面有特殊作用，尤其在玻纖剪切上；齒型盤的加入相當于在沿物料流道上所設置的障礙，影響螺槽通道的暢通程度，對軸向混合有直接影響，軸向反混能力強；

第34頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo2.齒型盤和螺紋元件的組合

該齒型盤設計成直齒型，每齒一面通中心軸，這種齒型盤不具有輸送物料能力，物料通過該元件主要靠兩端壓力差，若將齒加工成斜向，則具備正向或反向輸送能力。齒型盤作用主要在加強物料混合。在非嚙合區(qū)，由于齒片對料流的連續(xù)分割，增加了物料的接觸界面，有利于分布混合；在嚙合區(qū)，由于一根螺桿上的齒盤與另一個螺桿上的齒盤時錯列的，故料流沿軸向被反復切割，分布混合作用比較強烈，在兩片齒之間因間隙較小而使物料流經(jīng)時所受剪切較大，形成一定分散混合作用。增加連續(xù)齒型盤對數(shù)，混合效率將成倍提高；

第35頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo應用實例一：用于生產(chǎn)玻纖增強阻燃PBT

低水分含量玻纖在使用時相對難剪切，但本身水分低有利于與樹脂表面結合，提高力學性能；難剪切表現(xiàn)在使用普通捏合剪切塊，在玻纖口到真空口有限距離內(nèi)，需要剪切元件量大，容易造成剪切熱過高溫度失控和物料分解；齒型盤C18利用其剪切玻纖的高效性能彌補這一不足，對比如下：

第36頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo圖2捏合塊組合圖3：C18齒型盤2對

使用過程現(xiàn)象力學性能結論捏合塊組合出模頭料條有玻纖成團現(xiàn)象，玻纖剪切不好，玻纖口到真空口溫度冷卻水一直在工作，容易溫度超高性能達到材料要求剪切熱高，玻纖剪切不夠C18齒型盤2對出條穩(wěn)定，前段溫度控制比較好彎曲強度，模量等提高10％有限距離玻纖剪切良好，剪切熱低表2：兩種組合結構效果對比

對比圖第37頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo

2.176/88LS拉伸塊

該元件又有稱“S”型元件，如圖4、5，采用了大的螺棱間隙、小螺棱夾角,引入了雙楔形區(qū)(螺棱拖曳面和機筒內(nèi)壁之間的楔形區(qū)、嚙合區(qū)內(nèi)兩螺棱之間的楔形區(qū))內(nèi)的拉伸流動和螺槽區(qū)內(nèi)物料松弛等概念，設計出該元件；這種設計加大了螺桿與機筒之間的間隙,增加了物料在擠出機流道內(nèi)的周向流動和軸向回流,使兩螺桿間和相鄰兩螺槽間的物料產(chǎn)生混合;由于物料在流動過程中通過兩個楔形區(qū),便受到剪切和拉伸作用;在相對低壓區(qū)(松弛區(qū))物料產(chǎn)生松弛,這也有利于混合。

圖4：176/88LS拉伸塊

外形

圖5：176/88LS拉伸塊

端面形狀

第38頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo拉伸塊與同等有限長度捏合塊對比，相似的構型產(chǎn)生了相似的壓力和速度分布。兩種元件都在正反向螺旋相接處產(chǎn)生壓力高點,從而有效地推動物料軸向和周向的流動。拉伸塊元件螺棱前后的壓差比捏合塊元件的壓力差更大,使拉伸塊元件流道內(nèi)的軸向和周向的流動要劇烈一些,使兩螺桿間和相鄰兩螺槽間的物料有更好的混合。捏合塊元件的軸向回混較好,而拉伸塊元件的周向混合則較好，因而拉伸塊元件的分布混合能力要比捏合塊元件更好。在得到相似的混合能力的同時,S型元件的擠出能力要比捏合盤組件要好得多，這是因為拉伸塊前后運動的壓力差相對更大一些，有效地推動物料向前運動。2.拉伸塊捏合塊對比第39頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo玻纖增強尼龍6生產(chǎn)過程為保證其力學性能，要求尼龍樹脂在玻纖口前基本塑化熔融良好，進玻纖后才不至于與未融粒子劇烈作用使玻纖過碎；一般需要在3節(jié)螺筒長度內(nèi)完成壓縮、塑化、初步混合過程；采用兩種方式，捏合塊和拉伸塊對比

圖6：捏合塊模型

圖7：組合拉伸塊模型

應用實例：玻纖增強尼龍6

第40頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo

使用過程現(xiàn)象力學性能單位時間產(chǎn)量捏合塊模型玻纖口取樣塑化良好，生產(chǎn)正常；粗測玻纖口熔融料溫280℃性能正常280KG/h組合拉伸塊模型玻纖口取樣塑化良好，生產(chǎn)正常粗測玻纖口熔融料溫265℃性能檢測數(shù)據(jù)稍高，看不出明顯差異320KG/h結果討論：從以上對比，主要體現(xiàn)在兩個方面，同等條件下拉伸塊運轉(zhuǎn)過程剪切熱產(chǎn)生比較低，能耗相對比較低，單位時間產(chǎn)量的提高體現(xiàn)了同等喂料量時主機扭距不一樣，拉伸塊塑化效率相對高；有利于熱敏感材料的加工，加工成本也顯示出優(yōu)勢來。表3：兩種模型結構效果對比

第41頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo3.32/96輸送型齒型盤

4.96/240強輸送元件

齒型盤3296和輸送元件96240第42頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo

5.R-L斜齒齒型盤斜齒齒型盤結構基本類似齒型盤C18，不同的是齒的結構，一個與軸向平行，一個與軸向成一定角度；斜向同時分正反兩種，R-L斜齒齒型盤采用一正一反結構；右旋齒型盤有一定輸送能力，物料在齒的推動下向前流動；而左旋部分，有部分反向輸送能力，促使物料回流，形成局部物料循環(huán)，具有較好的混合作用；對比之下，斜齒齒型盤的流道壓力分布要復雜，且回流系數(shù)大于C18的回流系數(shù)，損失了較少流量條件下，分布混合性能提高；第43頁，共50頁，2022年，5月20日，22點50分，星期四Shenhongbo螺紋元件充滿度影響自由容積，充滿度小于30％第