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1、工 藝 系 列 培 訓 課 程,2004年培訓,主講：沈紅波 培訓師：李國明、張志強、趙智源、劉杰、雷勇、李寧,擠出機螺桿組合原理與應(yīng)用,工藝系列培訓之四,沈紅波,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 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,3.1 輸送元件種類 從導程 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,由單個的剪切塊捏合在一起,片數(shù)不定,一般

2、5/7片; 900/5/56 300/7/72 450/5/36 600/5/56 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；,Shenhongbo,4.擠出機型的機械設(shè)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,Shenhongbo,四、螺桿組合設(shè)計的基本原則,同向雙螺桿的特點是: 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

3、對運動速度, 所以可以產(chǎn)生強烈、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, 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?？v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(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、機筒溫度設(shè)置等等。。,Shenhongbo,4.1 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

4、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(guān)鍵參數(shù) 3.注意捏合段的壓力須與和它相連的正、反向

5、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,,Shenhongbo,5.2 熔融塑化段的螺桿構(gòu)型,1.評

6、價用于熔融塑化段局部螺桿構(gòu)型的好壞的標準應(yīng)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(gòu)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。,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

7、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,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）,Shenhongbo,5.6 混合段的螺桿構(gòu)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(gòu)型設(shè)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

8、是混合開始的階段,,Shenhongbo,六、整體螺桿組合設(shè)計,根據(jù)經(jīng)驗理論實驗相結(jié)合的方法進行設(shè)計整體螺桿組合設(shè)計 螺桿示例：,,Shenhongbo,6.1 整體螺桿設(shè)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(gòu)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(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。,Shenhongbo,6.1 整體螺桿設(shè)計前的考慮點,4.擠出

9、過程主要是實現(xiàn)分布性混合,則應(yīng)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(gòu)型的設(shè)計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用于玻纖增強產(chǎn)品的螺桿構(gòu)型設(shè)計,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.

10、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(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)。用于玻纖增強的螺桿構(gòu)型設(shè)計,除了遵循同向雙螺桿一般構(gòu)型設(shè)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(gòu)型設(shè)計的原則外,應(yīng)重點考慮玻纖的加入和玻纖與聚合物熔體的混合。,Shenh

11、ongbo,6.3.1玻纖加入口上游和入口處的螺桿構(gòu)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(yīng)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。,Shenhongbo,6.3.2 玻纖加入口下游螺桿構(gòu)型,1.兩個任務(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數(shù)玻纖所用的螺桿構(gòu)型提供的剪切應(yīng)柔和一些。

12、 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）,Shenhongbo,6.4 螺桿構(gòu)型實例1,1.,,,,Shenhongbo,6.5 螺桿構(gòu)型實例2,增強PC、PC+油,,,,Shenhongbo,七、雙螺桿擠出機特殊螺紋元件的特點和應(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，大大促進了人們對混合加工設(shè)備的開發(fā)利用； 目前公認高效、連續(xù)混合加工設(shè)備的

13、同向雙螺桿擠出機，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

14、作用的新螺紋元件開發(fā)和應(yīng)用,7.2、發(fā)展動力,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；,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

15、度，對軸向混合有直接影響，軸向反混能力強；,,,Shenhongbo,2. 齒型盤和螺紋元件的組合,該齒型盤設(shè)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；,Shenhongbo,

16、應(yīng)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(jié)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：,Shenhongbo,,圖2 捏合塊組合 圖3：C18 齒型盤2對,表2：兩種組合結(jié)構(gòu)效果對比,對比圖,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)(螺棱拖曳面和機筒內(nèi)壁之間的楔形區(qū)、嚙合

17、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(shè)計出該元件；這種設(shè)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,Shenhongbo,拉伸塊與同等有限長度捏合塊對比，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,從而有效地推動物料軸向和周向的流動。 拉伸塊元件螺棱

18、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,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

19、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(yīng)用實例：玻纖增強尼龍6,Shenhongbo,結(jié)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(jié)構(gòu)效果對比,Shenhongbo,3. 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,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

20、同的是齒的結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)； 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；,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 實例1 38生產(chǎn)阻燃增強PBT 33 普通合金料 33號組合,Shen

21、hongbo,八、類別產(chǎn)品現(xiàn)有組合特點和設(shè)計思路,考慮因素：運用整體螺桿設(shè)計思路，回顧設(shè)計螺桿提前考慮的幾個問題：物料中各組分的形態(tài)、性能和配比； 對現(xiàn)有產(chǎn)品進行分類；具體考慮：是否有纖維類物質(zhì)；是否有低熔點物質(zhì)；是否有熱敏感物質(zhì)；分散性，團聚可能性；基本物性如何； 1.填充PP類，無機填充； 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,1.薄剪切塊，降低剪切熱有明

22、顯效果；2. 左向剪切塊有利于提高物料停留時間，加強分散；3.輸送元件使用壓縮過程考慮適當松弛；4. 增強產(chǎn)品玻纖口前熔融狀況直接影響玻纖剪切狀況；5. 剪切塊分布相對打散有利于分散；6. 真空口前加左向輸送有利于穩(wěn)定機頭壓力，提高出條穩(wěn)定性；7. 新元件使用 確定螺桿組合進度的幾大方向，PBT黑點黃線條，同時使用重慶興旺玻纖；GFAS出條穩(wěn)定性解決；GFPP電動工具性能穩(wěn)定性和生產(chǎn)穩(wěn)定性；PA6顏色穩(wěn)定，班產(chǎn)；70機班產(chǎn)提高；PA66上75大機；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 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,