挤出机螺杆组合原理与应用

ShenHongbo工艺系列培训课程2004年培训主讲：沈红波培训师：李国明、张志强、赵智源、刘杰、雷勇、李宁ShenHongbo挤出机螺杆组合原理与应用工艺系列培训之四沈红波第3页Shenhongbo一、双螺杆挤出发展历程20世纪40年代，Erdmenger发明了同向完全齿合型双螺杆挤出机，50年代W&P公司进一步发展并投向市场；不断完善并成为聚合物工业、化学制品工业以及食品工业中必不可少的设备。第4页Shenhongbo2.挤出机设备厂家和螺杆组合定义1.几大挤出机设备商，型号ZSK型--W&P;ZE型-Berstorff;APV--APV（BakerPerkins）TEX-日本制钢所;莱斯特里公司[Leistritz]-ZSE型.螺杆组合,就是指挤出机螺杆的结构组成,不同组合以达到不同物料生产需要,螺杆组合能达到分散/剪切两种效果,解决物料的混和均匀要求,对生产稳定性有重要意义.第5页Shenhongbo二、螺杆组合原理和应用的主要内容1.螺杆组合的基本结构和各部分特点；2.螺杆组合设计的基本原则；3.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；4.玻纤增强粒料制备的螺杆构型设计；5.特殊螺杆组合元件应用举例；6.类别产品现有组合特点和设计思路。第6页Shenhongbo三、螺杆组合的基本结构和各部分特点1.挤出机螺杆分两大部分,就是芯轴和螺纹套;2.螺纹元件--输送元件和剪切元件第7页Shenhongbo3.螺纹套元件分类和特点3.1输送元件种类从导程和元件长度来分，96/9672/7256/5672/3256/2872/36L56/28L；3.2剪切元件就是通常说的捏合块,由单个的剪切块捏合在一起,片数不定,一般5/7片;900/5/56300/7/72450/5/36600/5/563.3输送元件输送机理；3.4剪切元件剪切机理；3.5正反元件差异；第8页Shenhongbo4.挤出机型的机械设计参数任意同向旋转双螺杆挤出机的几何参数限定为3个:1.啮合处间隙；2.内外直径比（OD/ID）；3.比扭矩（功率/容积比，即用扭矩/中心距的三次方（M/a3）表示）。★一根螺杆的螺纹顶部处在与之配合的另一根螺杆螺纹根部和侧面之间第9页Shenhongbo四、螺杆组合设计的基本原则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,螺杆组合是双螺杆挤出工艺制定的关键。同向双螺杆挤出以混炼为主,螺杆组合要考虑到主辅料性能与形状、加料顺序与位置、排气口位置、机筒温度设置等等。。第10页Shenhongbo4.1混合的两个定义1.分散混合固态物料、聚合物凝胶以及液滴等粒子尺寸减小的过程；指将少组分细化,如将无机填料粉碎及将玻纤丝切短等,它取决于剪切应力(或剪切速率);2.分布/分配混合改变各组分在混合体系中的空间位置的过程；分布混合与物料粘度无关，与单位能量输入也无关指减少少组分在多组分中分布的非均匀性,它则取决于剪切应变剪切应变很难求得,用周向流量和轴向回流量来衡量分布混合效果第11页Shenhongbo4.2典型螺杆组合图例第12页Shenhongbo4.3捏合段的设计原则1.凹槽内物料承受的平均剪切速率减小螺棱间隙及增大螺纹头数都可提高平均剪切速率,亦即可增强单块捏合块的混炼能力。2.捏合块间的错列角是决定捏合段工作性能的一个关键参数3.注意捏合段的压力须与和它相连的正、反向螺纹段中的压力相匹配；各自的轴向流量和轴向压力梯度的关系曲线第13页Shenhongbo五、啮合同向双螺杆挤出过程不同功能段的螺杆构型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。第14页Shenhongbo5.1加料段和固体输送段的螺杆构型1.加料段一般采用大导程、正向螺纹输送元件加大螺槽深度的非标准螺纹元件2.固体输送段把物料输送,同时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第15页Shenhongbo5.2熔融塑化段的螺杆构型1.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。2.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。第16页Shenhongbo5.2用于熔融的局部构型第17页Shenhongbo5.3Berstorff用于熔融的局部螺杆构型第18页Shenhongbo5.4挤出熔融过程影响因素物料及螺杆的几何尺寸确定1.———沿螺槽方向的压力梯度2.———机筒温度3.———固体颗粒在螺槽内的充满度,它亦可以用来计算所研究的控制体中的固体颗粒的个数4.———固体颗粒的初始温度5.———螺杆温度6.———机筒的拖曳速度(与螺杆速度有相同的意义)沿螺槽方向的分量第19页Shenhongbo5.5排气区和用于熔体输送的螺杆局部构型1.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，（可采用多头小导程螺纹元件）2.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（返料）第20页Shenhongbo5.6混合段的螺杆构型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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第21页Shenhongbo六、整体螺杆组合设计根据经验＋理论＋实验相结合的方法进行设计整体螺杆组合设计螺杆示例：56/5696/9696/9672/7256/5656/5656/5656/5656/5656/5656/5656/5630°/7/7245°/5/56左45°/5/56左90°/5/5656/5672/7272/7290°/5/5645°/5/5672/3656/5656/5656/2896/9672/7256/5645°/5/3645°/5/3656/5672/36左96/9645°/5/3645°/5/36左56/5656/5656/5656/5630°/7/7245°/5/3645°/5/5645°/5/56左56/2856/56第22页Shenhongbo6.1整体螺杆设计前的考虑点1.混合作业的目的,最终制品的配方和加入双螺杆挤出机进行混合时物料中各组分的形态、性能和配比。因为不同聚合物、不同添加组分及其配比对挤出过程、螺杆构型、运转条件的要求是不同的。2.对各种螺杆(及机筒)元件及各功能区的局部螺杆构型、工作原理和性能及适用场合有较全面而深入的了解3.就整个混合工艺而言,对加料方式、加料顺序有无特殊要求也必须弄清楚。第23页Shenhongbo6.1整体螺杆设计前的考虑点4.挤出过程主要是实现分布性混合,则应使物料在螺杆中流动时能不断重新取向,使其与剪切方向成45。适当松弛提高前面降低的粘度5.挤出过程主要是实现分散性混合,则螺杆构型的设计与分布混合就有所不同。分散混合的关键变量是应力,只有能提供大的剪应力,才能使结块和液滴破裂,这就要在螺杆(机筒)中设置高剪切区,而且要使物料多次通过这些高剪切区。第24页Shenhongbo6.2附分布分散混合典型示例高填充PP典型应用第25页Shenhongbo6.3用于玻纤增强产品的螺杆构型设计1.一般说来,制品中的玻纤平均长度在0.1～1.0mm之间为好,这既能保证良好的制品性能,又使纤维具有良好的分散性。2.玻纤分散性好坏的标志是:玻纤以单丝而不是以原纱存在于制品中;制品任意单位体积内的玻纤含量大致相等;制品中玻纤长度分布范围大致相同3.影响分散性的因素有:合适的玻纤(合适的单丝直径及支数)及浸润剂;玻纤含量,粒料中玻纤含量越大,制品中玻纤分散性越差;合理的造粒工艺和设备以及合理的注射工艺。4.最佳构型取决于基体聚合物特性、玻纤类型、相容剂和玻纤加入量,同时与玻纤的加入及加入位置和操作条件的选择密切相关。用于玻纤增强的螺杆构型设计,除了遵循同向双螺杆一般构型设计时如何实现固体输送、熔融、熔体输送和建压、排气的螺杆局部构型设计的原则外,应重点考虑玻纤的加入和玻纤与聚合物熔体的混合。第26页Shenhongbo6.3.1玻纤加入口上游和入口处的螺杆构型1.上游进行固体输送和熔融塑化,对与聚合物一起加入的其它助剂进行混合。2.玻纤加入口处应为大导程,使聚合物熔体到达此处时为半充满状态,以留出空间容纳加入的玻纤。3.经验规则：玻纤口前必须熔好，保证性能的前提。第27页Shenhongbo6.3.2玻纤加入口下游螺杆构型1.两个任务,第一是把纤维束打开,第二是把纤维切短并把每一根玻纤分布均匀并被熔体润湿。2.平均长度取决于聚合物和玻纤的比例,也取决于剪切、混合元件的选择3.粘度高的聚合物或加入高填充量玻纤的螺杆构型比低粘度聚合物或加入低百分数玻纤所用的螺杆构型提供的剪切应柔和一些。4.适于玻纤增强的螺杆元件一般是二头的,因为它的剪切比较柔和,对玻纤不会造成过度的折断6.3.3排气段和螺杆的最后区段（均化）第28页Shenhongbo6.4螺杆构型实例11.56/5696/9696/9672/7256/5656/5656/5656/5656/5656/5656/5656/5630°/7/7245°/5/56左45°/5/56左90°/5/5656/5672/7272/7290°/5/5645°/5/5672/3656/5656/5656/2896/9672/7256/5645°/5/3645°/5/3656/5672/36左96/9645°/5/3645°/5/36左56/5656/5656/5656/5630°/7/7245°/5/3645°/5/5645°/5/56左56/2856/56第29页Shenhongbo6.5螺杆构型实例2增强PC、PC+油56/5696/9696/9672/7272/7256/5656/5656/5656/5656/5656/28左45°/5/56左72/7272/7272/7256/5656/5645°/5/36左56/5632/96齿形盘56/5645°/5/36左96/9696/9672/7256/5656/5656/5656/5656/5656/5645°/5/3630°/7/7245°/5/5645°/5/56左56/5630°/7/7290°/5/5690°/5/5656/5645°/5/36左56/5645°/5/2556/5696/9672/7256/5656/5672/7272/7256/5656/5656/5656/5656/5656/5656/5656/5656/5656/5630°/7/7245°/5/5656/5656/5645°/5/5690°/5/5656/5656/5645°/5/9690°/5/5645°/5/56左56/5656/2890°/5/5645°/5/9672/36左96/9672/7256/5656/5645°/5/5632/96齿型盘56/5656/5672/72第30页Shenhongbo七、双螺杆挤出机特殊螺纹元件的特点和应用1.齿型盘C182.176/88LS拉伸块3.32/96输送型齿型盘4.96/240强输送元件5.R-L斜齿齿型盘