常规单螺杆挤出机用于混合时存在的问题

来源：塑胶五金网发布时间：2013-08-13 10:14:31点击率：

　　【塑胶五金网】常规单螺杆挤出机主要用于挤出成型制品。如果将其用于混合，则其混合能力有限，不能很好地完成聚合物改性中的混合任务。这是因为其挤出过程的机理和螺杆构型等原因造成的。

　　(1) 强制熔体移走下的传导熔融机理限制了其混合能力

　　研究发现，对混合而言，混合在物料塑化熔融时就开始。对于分散混合，其关键变量是剪切 (拉伸) 应力，它等于黏度乘以剪切 (拉伸) 速率。要想得到良好的分散混合，除了要有高的剪切 (拉伸) 速率外，需要物料有较高的黏度。而在常规单螺杆挤出过程中，固体床中物料不能混合，在熔膜和液相中，物料的黏度很低，不能产生高的剪切 (拉伸) 应力，因而不能实现良好的分散混合。对于分布混合，在物料变成熔体后，可以获得一定的应变，而应变是实现分布混合的关键变量。应变等于剪切速率乘时间，如果为获得高的剪切速率而提高螺杆转速，这对分散混合不会有大的改进，而对分布混合有利，但转速的提高，有可能使相变点移向口模，而影响塑化质量。这是相互矛盾的。

　　总之，常规单螺杆挤出过程固液相界限分明地共存于一个螺槽中，强制熔体移走下的传导熔融机理限制了其混合能力，也不是一种有效的熔融机理。

　　(2) 常规单螺杆的结构设计限制了混合能力

　　根据混合理论，获得良好分散混合，需要获得高的剪切 (拉伸) 速率。除了提高螺杆转速外，应在混合器内设置窄间歇区。这种窄间歇应设计成锥形或楔形入口，这样就能产生液体动压，阻止壁面滑移，产生高剪切，并有可能产生拉伸流动，从而有利于把紧密连接在一起的粒子分开，使弱连接的粒子分成更小的粒子，把少组分的液滴拉伸成丝再断裂。混合器的设计还应使所有流体微元有相等机会重复地通过这些窄间隙的高应力区，通过的次数越多，越有利于分散混合。

　　图3-7 挤出工艺关系图

　　对于分布混合而言，混合器除了应能提供高的剪切 (拉伸) 速率，以获得大的 (剪切、拉伸) 应变外，还应能不断地调整流体微元的界面取向，以利于界面增长，利于分布混合。这就要混合器的几何构型能不断地使熔体的流动方向改变，如分流、合并、置换、折叠等。

　　如果用上述原则来分析常规单螺杆挤出过程，可以看出，由常规螺纹构成的常规三段螺杆构型中，没有窄间隙的高剪切区。常规单螺杆的计量段螺槽深度一般为0.02～ 0.06/0.08D，如D=45mm的螺杆，其槽深为3～4mm，对混合而言，这不是窄间隙的高剪切区。有人会问，螺杆与机筒之间的间隙很小，一般等于零点几毫米，应是窄间隙的高剪切区?诚然，是高剪切区，但是通过次数分布函数分析发现，大多数物料并没有通过该间隙，即通过该间隙的物料只是其总量的很少一部分，因而对整个混合贡献不大。另外，物料变成熔体后，其在螺槽中的流动近似螺旋流，对于混合需要的不断改变流体微元的界面取向来说，显然作用是较小的。另外，对于良好的混合而言，不但要在垂直于流动方向的截面内有均匀的横向混合，而且在垂直于流动方向不同截面上有均匀的纵向混合。但常规单螺杆在螺杆末端的径向温差高达10～20℃，说明其横向混合性能较差，其停留时间分布函数较窄，说明纵向混合能力也较差。

　　综上所述，可见常规单螺杆挤出机的混合性能较差，不宜作为混合设备应用。

　　(3) 加料量对充满度及剪切强度的影响

　　常规单螺杆挤出机一般都是采用溢流 (或重力) 加料，加料量不是一个独立的操作变量，加料量随螺杆转速而变化，螺杆转的快，加料量多，螺杆转的慢，加料量少。这就导致在正常挤出过程中 (排气螺杆排气区除外)，沿螺杆各功能段，物料的充满度皆为1，即每段螺槽皆充满。由于物料在螺槽中承受的剪切强度除与螺杆转速有关外，也与充满度有关，故在充满度皆为1的情况下，很难对不同功能段应承受的剪切强度进行调控。另外，在各处螺槽皆充满的情况下，在挤出过程下游再加入其他物料就比较困难，因为在加入处，螺槽的充满度应小于1，即不能充满，留出空间，才能将要加入的物料加入。还有，螺杆构型设计必须考虑下游加料口前后流量的平衡，否则会引起冒料。而在塑料改性 (共混、填充、增强) 中，不同组分的物料在螺槽中呈半饥饿状才能互相发生位移，有较好的混合作用，有时一部分物料必须在挤出过程下游指定位置加入才是。这就是常规单螺杆挤出机不适于进行塑料改性、混合的另一个原因。

　　(4) 螺杆 (机筒) 的整体式限制了常规单螺杆挤出机的适应性

　　用于挤出成型制品的常规单螺杆挤出机的螺杆和机筒一般都是整体式。整体式的螺杆构型一般都是根据一种类型或相近类型的物料的加工特性设计的，按习惯分为： ①渐变型螺杆，它适于加工聚氯乙烯等对剪切和热敏感的物料; ②突变型螺杆，它适于加工结晶型物料，如聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺等; ③通用型螺杆，它以加工聚烯烃物料为主，兼顾其他塑料。对于挤出成型制品来说，这三种螺杆基本还能满足需要。但对聚合物改性来说，只有两三种类型的螺杆是满足不了要求的。因为，对于每一种特定的改性物料和工艺配上一种专用螺杆，才能获得混合效果。如果把螺杆做成整体式来适应这些要求，既不经济，也不可能。故只配备整体螺杆是满足不了塑料改性中千变万化的混合要求的。

　　综上所述，单螺杆挤出机是不宜作为共混改性设备的，即使是通过配备改进后的新型螺杆，在挤出质量、生产量、塑化效果等方面也不尽人意。而将单螺杆挤出机与密炼机、双螺杆挤出机等配套，作为成型造粒设备，还是可以的。

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