螺杆组合培训资料（三）——螺杆方案整体设计

本期我们讨论：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

设计前应弄清以下几个问题:

(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) 必须对各种螺杆(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。在不少情况下,为了达到规定的混合目标,并不总是把参与混合的聚合物及添加物一起由(第)一个加料口加到挤出机中,有时要根据物料的加料特性、输送、熔融和混合特性、混合物中各组分应达到的最终混合状态,在挤出过程的不同阶段,在螺杆轴线方向不同位置将聚合物或添加剂分开按一定比例分数加到挤压系统中,这就涉及需要设置几个加料口,是否需要侧加料口和液体添加剂注入口的问题,而这对机筒元件的选择和整根螺杆的构型设计会有很大影响。显然,在这些后续加料口上游应设置密封元件,而在对着加料口的螺杆上设置大导程、物料不能充满的螺纹元件,以容纳后加入的组分并使之容易加入。对于热或剪切敏感的添加剂,应在基体聚合物已在高剪切区彻底熔融后再加入,即在该处设置添加剂加料口,该加料口下游的螺杆构型要能提供低剪切混合。同样,当加入低熔点添加剂时,它如同润滑剂,可能熔融,应在聚合物完全熔融后加入。如果加入的是高粘度液体,应采用几个下游加料口,逐渐分批加入,使之慢慢地与聚合物熔体混合,被聚合物稀释,而每个加料口的下游的螺杆区段的混合强度应逐渐增加,以均化粘度逐渐减小的聚合物熔体和液体添加剂形成的混合物。总体看来,可以加料口为界将整根螺杆分为几段,再对每一段根据其功能进行螺杆构型设计。

（4）如果挤出过程主要是实现分布性混合,则其过程的关键变量是应变,那么螺杆构型除应能提供足够的应变外,还应使物料在螺杆中流动时能不断重新取向(或不断调整其流动方向) ,使其与剪切方向成45.。根据研究和实际经验,为了获得大的应变,并非组合上的剪切元件越多越好,而应在剪切元件之间引入混合元件,以使由剪切元件流出的物料界面无规化,这样可以在增加很少或不增加剪切的情况下获得大的界面增长,从而实现良好的分布混合。另外,用两个或更多个输送元件将混合段隔开,这将会给粘弹物料一个机会,在其进入下一段之前松弛一下,进而恢复它因来自第一段的剪切变稀而减小的粘度,即使其粘度增大,这样混合会更有效,且能量输入最小。

(5) 如果挤出过程主要是实现分散性混合,即使某些组分的粒径减小到所希望的值,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。这是因为物料每通过一次高剪切区,界面与剪切方向不同,可能得到最大的剪切效果。这和物料在开炼机中管通次数越多,分散混合越好一样。高剪切区最好设在物料熔融段,因为在熔融段物体粘度大,施加高剪切后,分散混合最好。

用于玻纤增强粒料制备的啮合同向双螺杆挤出机的螺杆构型

一般说来,制品中的玻纤平均长度在0. 1～1. 0 mm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。

影响玻纤在制品中平均长度的因素很多,如塑料和玻纤的种类,玻纤加入量及其表面处理,还有混合工艺和设备。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。分散性不但影响制品的外观,而且影响制品的性能。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。其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。

　 玻纤加入口上游的螺杆构型

玻纤加入口上游的螺杆构型主要用来对聚合物进行固体输送和熔融塑化,有时还要对与聚合物一起加入的其它助剂(如阻燃剂、颜料、稳定剂) 进行混合。为促进熔融和混合,这一段的螺杆构型除应有正向螺纹元件(减导程) 进行输送外,还应采用捏合块、反向螺纹元件(也为建压) 、齿形盘等混合元件。

玻纤加入口处的螺杆构型

为使玻纤加入,纤维加入处的螺纹元件应为大导程,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。为避免玻纤加入口被聚合物熔体堵死,短切纤维可用反螺纹元件导入,长纤维可用至少一对捏合盘元件导入。

　玻纤加入口下游的螺杆区段是混合段,它应完成两个任务,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。故该段构型设计应着眼于有利于玻纤长度的变化和均化。长纤维是无头的,有无限长,加入后必须切成一定长度并与熔体混合(被润湿) 。混合段应由剪切元件和分布混合元件组成,它们或者是前捏合盘组成的捏合块,或者是齿形元件。长纤维加入后,被拉入加料口下游的捏合盘元件中切成一定长度。其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。至少要有一组捏合盘元件。粘度高的聚合物或加入高填充量玻纤(40 %或更多) 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。对于短切纤维,不需要象长纤维那样强的剪切,而主要是靠熔体将纤维润湿和分散开来,故混合段可由薄的捏合盘组合块或在螺棱上开槽的螺纹元件或齿形盘元件组成。研究表明,由齿形盘和正向螺纹元件组成的混合段与由正向捏合块和正向螺纹元件组成的混合段相比,前者的玻纤平均长度大且纤维长度分布窄。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。

　 排气段

排气段应位于纤维加入口的下游。为使排气有效,在排气段上游接近排气口处,应设密封性螺杆元件,以防止在真空泵作用下粒子被抽出,如反向螺纹元件或反向捏合块。反向螺纹元件或反向捏合块上游应采用小导程建压正向螺纹元件。排气口对着的排气段的螺杆区段应采用大导程的螺纹元件,使含有玻纤的熔体半充满螺槽,有较大的自由空间, 使物料有表面更新的机会, 以利排气。

　 螺杆的最后区段

螺杆的最后区段主要用于均化和建压。应采用小导程正向螺纹元件以建立挤出压力, 有时也设置齿形盘对物料进行均化。

　 螺杆构型实例

不同厂家用于玻纤增强粒料制备的同向双螺杆挤出机的螺杆构型不尽相同,这里仅中表示出各区段的职能及相应的局部螺杆构型。可以看出,预热和输送段由递减导程的正向螺纹元件组成,而熔融段采用了正向不同厚度的捏合盘组成的捏合块,后接很短一段反螺纹,玻纤加入口对的螺杆区段为大导程正向螺纹元件,排气口和玻纤加入口之间采用了两组由薄捏合盘组成的捏合块(并用小导程正向螺纹元件隔开) ,对纤维进行均化,混合。排气口下游到出料端,皆采用正向螺纹元件,对物料进行计量和建压。下图是一种用于PA66 和玻纤增强的典型螺杆构型，第一加料口、排气口、玻纤加入口对应的螺杆区段皆由大导程螺纹元件组成。

用于粉体填充改性产品的螺杆构型设计

在聚合物的填充改性中要加入固体填料。为了得到预期的填充改性物的性能,所加入的固体填料应当分散到一定的粒径并均匀地分布到聚合物熔体中。作为单个原生粒子,填料的粒径可能很小(微米级、纳米级) ,但作为堆放在一起的原生粒子的集合,由于粒径很小的原生粒子之间存在很大的相互吸引力,故填料并不完全是以单个原生粒子存在,而是生成粒径比单个原生粒子直径大得多的小结块。当将这些以小结块形式存在的填料与聚合物熔体进行混合时,聚合物熔体在流动中必须把这些小结块分散开,形成粒径更小的结块或原生粒子,并均匀地分布到聚合物熔体中,才能得到性能良好的填充聚合物。

因此填充改性过程中最重要的一环就是混合,即把固相结块和液滴分散开来,成为最终粒子或允许的较小的颗粒或液滴,并均匀地分布开来。这一分散、分布混合过程是一个复杂的过程,最终达到的混合状态,与配方设计、操作条件和螺杆构型、机筒配置有关。其中分散混合在粉体填充改性中是最应该注意的。

　粉体填充中粉体的加料一般有两种方法,一种是由(主) 加料口将聚合物和填料及其它组分一起加入;另一种方法是将聚合物和填料及其它组分分别由第一(或主) 加料口和下游加料口加入。

聚合物和填料由一个加料口加入的方法可以利用有利于分散混合的最大螺杆长度,聚合物和填料可承受等强度的高剪切力。但可能出现以下问题,填料会引起螺杆和机筒磨损(因为它们直接与螺杆、机筒表面接触) ;而且细粉状填料会将聚合物颗粒与热机筒表面隔离开来,妨碍热的导入,它们在聚合物颗粒间如同润滑剂,会降低物料间的摩擦,减少摩擦热的产生,从而使物料的熔融速率减低。如果填料加入量很大,它可能与聚合物分离而形成纯填料包(以炭黑最为典型) 。例如将粉状填料和颗粒状聚合物一起加入,填料可能在KB(正向) 捏合块处很大的压力下被压缩,形成所谓二次结块 ,稍后又必须将它们破碎成所希望的小粒径结块(对薄膜或纤维级色母料或稳定剂母料而言,避免原位结块的形成是关键) ;另外,细粉状填料由第一加料口加入时,很容易把空气夹带进去,对挤出过程非常不利。

采用分开加料可将空气与粉状填料分开,并将空气排出;聚合物熔体与填料混合,填料被熔体润湿;在下游真空排气口处将湿气、挥发组分排出；采用这种二次(或分开) 加料方法,会防止由于压实填料而形成二次结块，大大改善混合质量,提高挤出机效率,减少物料对机筒、螺杆的磨损,降低比能输入,实现挤出过程优化。必须指出,填料的加入位置,最好在聚合物刚刚熔融,具有较高粘度处。若在聚合物熔体粘度已变低的地方加入,则经物料传递的应力太低,不能有效地将结块破碎。

一次加料料的螺杆构型可以分为加料段、熔融段、对空排气段、混合段、真空排气段、均化和建压排料段。加料段、对空排气段、真空排气段均由正向大导程螺纹元件构成;熔融段由捏合盘组成,在其结束处,靠近对空排气口前方采用一段反向螺纹元件;混合段由捏合盘和螺纹元件组成,它可以分为三部分,两端由捏合盘组成,中间由螺纹元件组成,在其靠近真空排气口前,采用一反螺纹元件;均化、建压排料段由螺纹元件和齿形盘组成。

分散混合主要是通过剪应力(和拉伸应力) 起作用,即剪切速率(拉伸速率) 是决定性的变量。剪切速率(拉伸速率) 越高,越有利于分散。剪应力的大小与流场的粘度有关,粘度大,局部应力大,粒子或结块易破裂,而粘度又与工作温度有关,一般说来,温度越高,粘度越低。因此希望在较低的温度下进行分散混合。

分散混合的温度条件最好在非常接近聚合物的软化点(熔点) ,这时熔体的粘度高,而τ=μÛ γ,故利于分散混合。在充分发展的聚合物熔体流场中,增加剪切速率通常并不会使剪应力明显增加,因为幂律流体随着剪切速率的增加粘度是降低的。为了完成有效的分散混合,在熔融过程中,作用以高剪切应力是极为重要的,因为此时聚合物的粘度最高。这就提醒人们,要改变以往认为混合是在熔融之后才能进行的概念,在熔融阶段即可进行混合。下图是公司生产粉体填充PP螺杆组合图。该组合即是使用上述的熔融段粘度高分散好的原理设计的螺杆，熔融段中使用薄剪切块除了提高分布混合之外，还有避免树脂熔融过快，粘度降低的目的。而其中剪切块之间的多用输送块的目的也是让熔体松弛，使粘度回复，提高分散混合的效果。

两次加料———分开加料用的双螺杆构型与一次加料不同,侧加料口对着的螺杆压缩段亦采用大导程正向螺纹元件,以容纳加入的颜料;混合段的前半段可引入齿形元件,且齿形元件与螺纹元件相间安装,其作用是进行分布混合,混合段的后半段与一次加料的螺杆构型类似;其后的真空排气段及均化、建压排料段与一次加料的螺杆构型一样。

相关:粉体中夹带空气排除的方法：

(1) 对简单的已预混过的物料,在它们加入双螺杆之前,使用填塞式加料器将物料压得更密实,以排出夹带的气体;

(2) 在加料口上方尽可能低的位置设置加料装置有可能缓解这个问题,因为这样可以限制填料中夹带的气体量;

(3) 在填料加入口上游或下游设置一排气口,为夹带的气体提供排出通道;

(4) 加入的物料应垂直地在尽可能短的距离内加到螺杆向下旋转的一侧,而避免加到啮合区;

(5) 在螺杆构型设计上应使空气沿螺槽向下游走,到达排气段时排出,而不让它们向加料口回流;此时主下料口至玻纤口（螺筒中段自然排气口）之间的螺杆组合构型应该不用或少用中性捏合块（90度捏合块）及反向螺杆元件；同时尽量减少物料的压缩；以防空气回流。

(6) 采用侧加料装置,这是将填料加到熔体中最普通的方法。侧加料装置的螺杆直径越大,填料流态化的趋势越小。在侧加料口上游可设置一辅助排气口,将气体对空排出,而不带入熔体。这是一种非常有效的方法。

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