擠出機(jī)螺桿組合原理與應(yīng)用.ppt

工 藝 系 列 培 訓(xùn) 課 程,2004年培訓(xùn),主講：沈紅波 培訓(xùn)師：李國明、張志強(qiáng)、趙智源、劉杰、雷勇、李寧,擠出機(jī)螺桿組合原理與應(yīng)用,工藝系列培訓(xùn)之四,沈紅波,Shenhongbo,一、雙螺桿擠出發(fā)展歷程,20世紀(jì)40年代，Erdmenger 發(fā)明了同向完全齒合型雙螺桿擠出機(jī)，50年代 W 2.螺紋元件-輸送元件和剪切元件,Shenhongbo,3.螺紋套元件分類和特點(diǎn),3.1 輸送元件種類 從導(dǎo)程 和元件長度 來分 ，96/96 72/72 56/56 72/32 56/28 72/36L 56/28L ； 3.2 剪切元件 就是通常說的捏合塊,由單個(gè)的剪切塊捏合在一起,片數(shù)不定,一般5/7片; 900/5/56 300/7/72 450/5/36 600/5/56 3.3 輸送元件輸送機(jī)理； 3.4 剪切元件剪切機(jī)理； 3.5 正反元件差異；,Shenhongbo,4.擠出機(jī)型的機(jī)械設(shè)計(jì)參數(shù),任意同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)的幾何參數(shù)限定為3個(gè) : 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,Shenhongbo,四、螺桿組合設(shè)計(jì)的基本原則,同向雙螺桿的特點(diǎn)是: 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(duì)運(yùn)動(dòng)速度, 所以可以產(chǎn)生強(qiáng)烈、均勻的剪切; 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(shí), 原處于一根螺桿螺槽底部的物料將運(yùn)動(dòng)到另一根螺桿螺槽的頂部?？v向流道的開放還使橫向流道開放成為可能, 來實(shí)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(guān)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(jī)筒溫度設(shè)置等等。,Shenhongbo,4.1 混合的兩個(gè)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(xì)化, 如將無機(jī)填料粉碎及將玻纖絲切短等, 它取決于剪切應(yīng)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(guān)，與單位能量輸入也無關(guān) 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(yīng)變剪切應(yīng)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,Shenhongbo,4.2 典型螺桿組合圖例,Shenhongbo,4.3 捏合段的設(shè)計(jì)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(qiáng)單塊捏合塊的混煉能力。 2.捏合塊間的錯(cuò)列角 是決定捏合段工作性能的一個(gè)關(guān)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(guān)系曲線,Shenhongbo,五、嚙合同向雙螺桿擠出過程不同功能段的螺桿構(gòu)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(gòu)型與它相適應(yīng),以完成不同的功能。,Shenhongbo,5.1 加料段和固體輸送段的螺桿構(gòu)型,1.加料段 一般采用大導(dǎo)程、正向螺紋輸送元件加大螺槽深度的非標(biāo)準(zhǔn)螺紋元件 2.固體輸送段 把物料輸送,同時(shí)松散 的粉狀低松密度物料壓 實(shí)或提高粒狀物料在螺槽中的充滿度,以促進(jìn)物料在下游的熔融塑化,Shenhongbo,5.2 熔融塑化段的螺桿構(gòu)型,1.評(píng)價(jià)用于熔融塑化段局部螺桿構(gòu)型的好壞的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)是它能將機(jī)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(gòu)型取決于物料的比熱、熔點(diǎn)、熔體粘度及聚合物在固體狀態(tài)時(shí)粒子的大小。,Shenhongbo,5.2 用于熔融的局部構(gòu)型,Shenhongbo,5.3Berstorff 用于熔融的局部螺桿構(gòu)型,Shenhongbo,5.4 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(jī)筒溫度 3.固體顆粒在螺槽內(nèi)的充滿度,它亦可以用來計(jì)算所研究的控制體中的固體顆粒的個(gè)數(shù) 4.固體顆粒的初始溫度 5.螺桿溫度 6.機(jī)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,Shenhongbo,5.5排氣區(qū)和用于熔體輸送的螺桿局部構(gòu)型,1.上游的螺桿上應(yīng)設(shè)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(duì)著的螺桿區(qū)段,應(yīng)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(dǎo)程螺紋元件 ） 2.熔體對(duì)螺桿的充滿長度取決于物料的粘度、螺桿導(dǎo)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(dǎo)程和螺紋頭數(shù) （返料）,Shenhongbo,5.6 混合段的螺桿構(gòu)型,嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)的混合功能最重要,因而混合段的螺桿構(gòu)型設(shè)計(jì)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,Shenhongbo,六、整體螺桿組合設(shè)計(jì),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)理論實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)整體螺桿組合設(shè)計(jì) 螺桿示例：,Shenhongbo,6.1 整體螺桿設(shè)計(jì)前的考慮點(diǎn),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(jī)進(jìn)行混合時(shí)物料中各組分的形態(tài)、性能和配比。因?yàn)椴煌酆衔铩⒉煌砑咏M分及其配比對(duì)擠出過程、螺桿構(gòu)型、運(yùn)轉(zhuǎn)條件的要求是不同的。 2.對(duì)各種螺桿(及機(jī)筒) 元件及各功能區(qū)的局部螺桿構(gòu)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(gè)混合工藝而言,對(duì)加料方式、加料順序有無特殊要求也必須弄清楚。,Shenhongbo,6.1 整體螺桿設(shè)計(jì)前的考慮點(diǎn),4.擠出過程主要是實(shí)現(xiàn)分布性混合,則應(yīng)使物料在螺桿中流動(dòng)時(shí)能不斷重新取向,使其與剪切方向成45。 適當(dāng)松弛提高前面降低的粘度 5.擠出過程主要是實(shí)現(xiàn)分散性混合, 則螺桿構(gòu)型的設(shè)計(jì)與分布混合就有所不同。分散混合的關(guān)鍵變量是應(yīng)力,只有能提供大的剪應(yīng)力,才能使結(jié)塊和液滴破裂,這就要在螺桿(機(jī)筒) 中設(shè)置高剪切區(qū),而且要使物料多次通過這些高剪切區(qū)。,Shenhongbo,6.2 附 分布分散混合典型示例,高填充PP典型應(yīng)用,Shenhongbo,6.3用于玻纖增強(qiáng)產(chǎn)品的螺桿構(gòu)型設(shè)計(jì),1.一般說來,制品中的玻纖平均長度在0. 11. 0 mm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(biāo)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(shè)備以及合理的注射工藝。 4.最佳構(gòu)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(shí)與玻纖的加入及加入位置和操作條件的選擇密切相關(guān)。用于玻纖增強(qiáng)的螺桿構(gòu)型設(shè)計(jì),除了遵循同向雙螺桿一般構(gòu)型設(shè)計(jì)時(shí)如何實(shí)現(xiàn)固體輸送、熔融、熔體輸送和建壓、排氣的螺桿局部構(gòu)型設(shè)計(jì)的原則外,應(yīng)重點(diǎn)考慮玻纖的加入和玻纖與聚合物熔體的混合。,Shenhongbo,6.3.1玻纖加入口上游和入口處的螺桿構(gòu)型,1.上游進(jìn)行固體輸送和熔融塑化, 對(duì)與聚合物一起加入的其它助劑進(jìn)行混合。 2.玻纖加入口處應(yīng)為大導(dǎo)程,使聚合物熔體到達(dá)此處時(shí)為半充滿狀態(tài),以留出空間容納加入的玻纖。 3.經(jīng)驗(yàn)規(guī)則：玻纖口前必須熔好，保證性能的前提。,Shenhongbo,6.3.2 玻纖加入口下游螺桿構(gòu)型,1.兩個(gè)任務(wù),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(gòu)型比低粘度聚合物或加入低百分?jǐn)?shù)玻纖所用的螺桿構(gòu)型提供的剪切應(yīng)柔和一些。 4.適于玻纖增強(qiáng)的螺桿元件一般是二頭的,因?yàn)樗募羟斜容^柔和,對(duì)玻纖不會(huì)造成過度的折斷 6.3.3 排氣段和螺桿的最后區(qū)段（均化）,Shenhongbo,6.4 螺桿構(gòu)型實(shí)例1,1.,Shenhongbo,6.5 螺桿構(gòu)型實(shí)例2,增強(qiáng)PC、PC+油,Shenhongbo,七、雙螺桿擠出機(jī)特殊螺紋元件的特點(diǎn)和應(yīng)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(qiáng)輸送元件 5. R-L斜齒齒型盤,Shenhongbo,7.1、 引言,聚合物共混物的高速增長，大大促進(jìn)了人們對(duì)混合加工設(shè)備的開發(fā)利用； 目前公認(rèn)高效、連續(xù)混合加工設(shè)備的同向雙螺桿擠出機(jī)，螺桿組合逐步成為其應(yīng)用過程的核心技術(shù)， 組合設(shè)計(jì)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(yīng)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。,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(diǎn)對(duì)加工過程的某些方面提出了更特殊的要求，如玻纖增強(qiáng)，潤滑劑，多種熔點(diǎn)物質(zhì)混煉，晶須，易分解材料等等一些特殊原料的引入，對(duì)原有螺桿組合的某一方面如剪切、分散、分布作用需加強(qiáng)，或需弱化其中某一作用； 原有不同導(dǎo)程輸送元件和不同角度的捏合元件組合起來難以達(dá)到這些特殊要求； 因此，大大推動(dòng)了特殊作用的新螺紋元件開發(fā)和應(yīng)用,7.2、發(fā)展動(dòng)力,Shenhongbo,材料對(duì)螺桿組合特殊要求,玻纖增強(qiáng)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(jī)填充物需分散良好； 熱敏感材料需低剪切熱，強(qiáng)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(diǎn)物質(zhì)需強(qiáng)塑化效果，集中剪切容易導(dǎo)致扭距增大，增加能耗；,Shenhongbo,表一： 新螺紋元件類型、特性和應(yīng)用表,Shenhongbo,1. 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(dāng)于在沿物料流道上所設(shè)置的障礙，影響螺槽通道的暢通程度，對(duì)軸向混合有直接影響，軸向反混能力強(qiáng)；,Shenhongbo,2. 齒型盤和螺紋元件的組合,該齒型盤設(shè)計(jì)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(qiáng)物料混合。 在非嚙合區(qū)，由于齒片對(duì)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(gè)螺桿上的齒盤時(shí)錯(cuò)列的，故料流沿軸向被反復(fù)切割，分布混合作用比較強(qiáng)烈，在兩片齒之間因間隙較小而使物料流經(jīng)時(shí)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(duì)數(shù)，混合效率將成倍提高；,Shenhongbo,應(yīng)用實(shí)例一：用于生產(chǎn)玻纖增強(qiáng)阻燃PBT,低水分含量玻纖在使用時(shí)相對(duì)難剪切，但本身水分低有利于與樹脂表面結(jié)合，提高力學(xué)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(bǔ)這一不足，對(duì)比如下：,Shenhongbo,圖2 捏合塊組合 圖3：C18 齒型盤2對(duì),表2：兩種組合結(jié)構(gòu)效果對(duì)比,對(duì)比圖,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(jī)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(dòng)和螺槽區(qū)內(nèi)物料松弛等概念，設(shè)計(jì)出該元件；這種設(shè)計(jì)加大了螺桿與機(jī)筒之間的間隙,增加了物料在擠出機(jī)流道內(nèi)的周向流動(dòng)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(dòng)過程中通過兩個(gè)楔形區(qū),便受到剪切和拉伸作用;在相對(duì)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,Shenhongbo,拉伸塊與同等有限長度捏合塊對(duì)比，相似的構(gòu)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(diǎn),從而有效地推動(dòng)物料軸向和周向的流動(dòng)。 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(dòng)要?jiǎng)×乙恍?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(shí),S 型元件的擠出能力要比捏合盤組件要好得多，這是因?yàn)槔靿K前后運(yùn)動(dòng)的壓力差相對(duì)更大一些，有效地推動(dòng)物料向前運(yùn)動(dòng)。,2. 拉伸塊捏合塊對(duì)比,Shenhongbo,玻纖增強(qiáng)尼龍6生產(chǎn)過程為保證其力學(xué)性能，要求尼龍樹脂在玻纖口前基本塑化熔融良好，進(jìn)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(duì)比,圖6：捏合塊模型 圖7：組合拉伸塊模型,應(yīng)用實(shí)例：玻纖增強(qiáng)尼龍6,Shenhongbo,結(jié)果討論：從以上對(duì)比，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，同等條件下拉伸塊運(yùn)轉(zhuǎn)過程剪切熱產(chǎn)生比較低，能耗相對(duì)比較低，單位時(shí)間產(chǎn)量的提高體現(xiàn)了同等喂料量時(shí)主機(jī)扭距不一樣，拉伸塊塑化效率相對(duì)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(jié)構(gòu)效果對(duì)比,Shenhongbo,3. 32/96輸送型齒型盤,4. 96/240強(qiáng)輸送元件,齒型盤3296和輸送元件96240,Shenhongbo,5. R-L斜齒齒型盤,斜齒齒型盤結(jié)構(gòu)基本類似齒型盤C18，不同的是齒的結(jié)構(gòu)，一個(gè)與軸向平行，一個(gè)與軸向成一定角度； 斜向同時(shí)分正反兩種，R-L斜齒齒型盤采用一正一反結(jié)構(gòu)； 右旋齒型盤有一定輸送能力，物料在齒的推動(dòng)下向前流動(dòng)； 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(duì) 比之下，斜齒齒型盤的流道壓力分布要復(fù)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；,Shenhongbo,螺紋元件充滿度影響,自由容積，充滿度小于30,Shenhongbo,螺筒間隙影響,直接影響產(chǎn)量 影響混合效果 影響各種元件固有作用程度 實(shí)例1 38生產(chǎn)阻燃增強(qiáng)PBT 33 普通合金料 33號(hào)組合,Shenhongbo,八、類別產(chǎn)品現(xiàn)有組合特點(diǎn)和設(shè)計(jì)思路,考慮因素：運(yùn)用整體螺桿設(shè)計(jì)思路，回顧設(shè)計(jì)螺桿提前考慮的幾個(gè)問題：物料中各組分的形態(tài)、性能和配比； 對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行分類；具體考慮：是否有纖維類物質(zhì)；是否有低熔點(diǎn)物質(zhì)；是否有熱敏感物質(zhì)；分散性，團(tuán)聚可能性；基本物性如何； 1.填充PP類，無機(jī)填充； 2.八溴防火PP 3.含橡膠類物質(zhì)的填充PP，汽車料等 4.阻燃ABS類；環(huán)氧類； 5.高沖類，阻燃，著色類； 6.合金、PC類、加P30油類 6.增強(qiáng)料，PP/PA/PBT/PC/ABS/PPO/AS、36370,Shenhongbo,8.2 工藝科03年積累螺桿組合經(jīng)驗(yàn),1.薄剪切塊，降低剪切熱有明顯效果；2. 左向剪切塊有利于提高物料停留時(shí)間，加強(qiáng)分散；3.輸送元件使用壓縮過程考慮適當(dāng)松弛；4. 增強(qiáng)產(chǎn)品玻纖口前熔融狀況直接影響玻纖剪切狀況；5. 剪切塊分布相對(duì)打散有利于分散；6. 真空口前加左向輸送有利于穩(wěn)定機(jī)頭壓力，提高出條穩(wěn)定性；7. 新元件使用 確定螺桿組合進(jìn)度的幾大方向，PBT黑點(diǎn)黃線條，同時(shí)使用重慶興旺玻纖；GFAS出條穩(wěn)定性解決；GFPP電動(dòng)工具性能穩(wěn)定性和生產(chǎn)穩(wěn)定性；PA6顏色穩(wěn)定，班產(chǎn)；70機(jī)班產(chǎn)提高；PA66上75大機(jī)；P30油班產(chǎn)提高，阻燃ABS塑化不良；,Shenhongbo,尼龍樹脂和玻纖共混設(shè)備,工 藝 系 列 培 訓(xùn) 課 程 結(jié) 束,2004年12月09日,謝謝大家，祝大家工作愉快,沈紅波,