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双螺杆挤出机的挤出过程详解（二）
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【塑胶五金网】(3) 螺杆元件
根据实现功能的不同，可将螺杆元件分为输送元件 (它由螺纹元件组成，可有不 同的螺纹头数和导程)、剪切元件(主要是捏合盘及其组合)、混合元件 (主要是齿形 元件等)。有些双螺杆挤出机制造厂家还能提供一些附加元件和其他新型元件。
①输送元件 输送元件是螺纹形的，其功能是用来输送物料，包括固态物料、已熔 物料和未熔物料，有的情况下，也输送液态物料。螺槽形状可以是矩形的，近似矩形 的，但目前流行的多是根据相对运动原理生成的特殊形状。
输送元件就其输送物料的方向来分，可分为正向螺纹元件和反向螺纹元件。
正向螺纹元件的输送方向与挤出方向相同，它又分开放型的和封闭型的。纵横向都 开放、且纵向开放较大的正向螺纹元件其特点是螺棱宽度比螺槽宽度窄得多，因而在一 根螺杆的螺棱和另一根螺杆的螺槽间有很大的空隙，通过这些空隙，物料可以交换，故 这种型式的螺纹元件的混合作用，尤其是轴向混合作用非常好。但因漏流大，输送作用 减弱，物料停留时间也加长。封闭型螺纹元件的特点是螺槽宽度和螺棱宽度接近相等， 螺棱宽度要小于螺槽宽度。它主要用于输送物料及需要在较短的轴向距离内克服由于剪 切元件和混合元件所产生的阻力。纵向开放、横向封闭的螺旋状输送元件是根据相对运 动原理生成的，它属于自扫型，是目前 的。它具有较强的输送作用，物料在其中 的停留时间短，自洁性好，若充满熔体，可在短距离内建立压力，但若未充满熔体，则 不会建立压力，其混合性能较差。
反向螺纹元件的几何形状和参数可和正向螺纹元件相同，只是螺纹旋向不同，因而 物料在其中的输送方向与正向螺纹元件及挤出方向相反。当它和正向螺纹元件联合使用 时，正向螺纹元件向挤出方向输送物料，反向螺纹元件则形成阻挡，故必须在反向螺纹 元件入口前建立高压以克服反向螺纹元件的阻挡。这时其上游正向螺纹元件某一段轴向 长度内的物料充满度达100%。可见，用它可以建立反压，即若将其设置于螺杆某一轴 向位置，可以形成对熔体的密封。例如，在排气区上游设置反向螺纹元件，可以作为隔 离屏障。增设反向螺纹元件，除了建立压力，还可促进熔融，增强混合效果，增加物料 的停留时间和剪切能的输入。
同向双螺杆挤出机是在计量加料下工作的，因而可以在螺杆转速不变的情况下，用 导程的变化来控制物料在不同轴向位置螺槽中的充满度。例如，在排气区和加料区，可 以采用大导程来创造低的充满度，以利于排气和物料的加入。而小导程的螺纹元件用于 压实物料和形成100%的充满度。例如，可将小导程螺纹元件用于捏合块上游，或为了 创造熔体密封而采用小导程螺纹元件。
②剪切元件 此处所谓剪切元件，主要是指啮合同向双螺杆挤出机中常用的捏合盘 元件。因为它能提供高的剪切，因而能提供良好的分布混合和分散混合，故称之为剪切 元件。如图3-17所示。
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
图3-17 剪切元件
(a) 螺纹元件 (b) 捏合盘 (c) 齿形盘 (d) 环坝 (e) 反螺纹元件
描写单个捏合盘的几何参数有头数、厚度，描写由几个捏合盘串联组合而成的所谓 捏合块的参数有捏合盘个数、捏合块的轴向长度、相邻盘之间的错列角。
捏合盘不能单个使用，而是成对使用 (即在两根螺杆上装上相应的捏合盘成对使 用) 和成串使用 (即每一根螺杆上都装上相应的捏合块使用)。在单个捏合盘中，与不 同头数的螺纹元件相应，捏合盘头数分为一个头的、二个头的和三个头的。就其近似形 状而言，可以依次称之为类偏心盘、菱形盘和曲边三角形盘。
一头 (类偏心) 捏合盘应与单头螺纹元件相接使用，一般用来混合难以混合的物 料，如环氧树脂、聚酯、聚丙烯酸涂敷粉料等。由于其顶部与机筒内壁接触面积大，故 消耗功率大，其顶部和机筒内壁易产生磨损，较少应用，图3-18 (a) 示出了它的几 何形状和结构。
(a)
(b)
(c)
图3-18 成对使用的捏合盘
(a) 一头捏合盘 (b) 二头捏合盘(c) 三头捏合盘
二头 (菱形) 捏合盘应与二头螺纹元件相接使用。因其装到机筒后，与机筒内壁 形成的月牙形空间大，输送能力强，产生的剪切不十分强烈，故适用于对剪切敏感的物 料以及玻璃纤维增强塑料。正像双头螺纹元件一样，它在啮合同向双螺杆挤出机中得到 广泛应用，图3-18 (b) 为其外形和结构图。
三头 (曲边三角形) 捏合盘应与三头螺纹元件相接使用。由于它装到机筒后与机 筒内壁形成的月牙形空间小，故对物料的剪切强烈，输送能力比二头捏合盘低。可用于 需要高剪切才能混合好的物料。图3-18 (c) 为其外形和结构图。
在垂直于捏合盘所在平面方向上盘的厚度称为捏合盘的厚度。它也是一个重要参 量，与捏合块的错列角和组成捏合块的捏合盘个数一起会对剪切混合起重要作用。捏合 盘不能单独使用，必须成对、成串使用，成串即形成捏合块。
捏合块的性能与其各捏合盘之间的错列角的大小和方向、捏合盘的个数、捏合块的 轴向长度 (它等于单个捏合盘的轴向厚度乘上捏合盘的个数) 等有关。
错列角，即在一根轴上相邻安装的捏合盘的中心线在圆周方向错开的角度，它对捏 合块的工作性能有重要影响。有错列角，相邻捏合盘之间才有物料交换; 有错列角，成 串的捏合盘才能形成 (像螺纹元件那样的) 螺旋角，沿捏合块的轴线方向 (包括正向 和反向——即与挤出方向相同或相反) 才能有物料输送。有的双螺杆挤出机生产厂家 生产的捏合块各盘连在一起，其错列角是固定的，不能改变，但可以有不同值; 而有的 双螺杆挤出机生产厂家提供的是单个捏合盘，由用户自己组合而成捏合块，因而各盘之 间的错列角可根据需要设定。前一种情况应用较多，多用于生产用双螺杆挤出机; 后一 种情况多用于实验室用双螺杆挤出机。
正向捏合块是指错列安装的捏合盘形成的螺旋角与正向螺纹元件的螺旋方向一致， 其输送方向与挤出方向一致。但也有物料流经各盘错列而形成的空隙的回流作用，其上 游螺纹元件的螺槽内有回流物料。
反向捏合块是指错列安装的捏合盘形成的螺旋角与反向螺纹元件的螺旋方向一致， 其物料输送方向与挤出方向相反。它能产生反压，通过它的总流动变成漏流。其上游螺 纹输送元件内物料的充满度增加。但其产生的压力降比反向螺纹元件小，这是由于错列 角而形成的空隙造成的，错列角越大，其分散混合越差。
中性捏合块是指对二头捏合盘，错列角为90°，对三头捏合盘，错列角为60°而形 成的捏合块。它对物料无轴向输送能力，物料是依赖其上游正向螺纹元件建立的压力而 通过它的。
错列角对轴向通道 (漏流) 开口有很大的影响。错列角越大，两相邻盘之间的角 度开口越大，在这些开口中发生漏流就越容易。在错列角形成正向输送的捏合块中，开 口越大，会使输送能力减小，充满度和停留时间增加。在错列角形成反向输送的捏合块 中，错列角越大，意味着对聚合物输送的阻碍越小。中性捏合盘有 大的漏流开口，当 捏合块旋转时，会推动相等量的物料向正向和反向输送。对二头捏合块，当错列角超过 45°，捏合块的拖曳能力会猛烈地下降。
在介绍单个捏合盘时，已提到过捏合盘的厚度是个重要参数。在介绍了捏合块的错 列角后，再来讨论捏合盘厚度的作用会更清楚些。
捏合盘能提供分散混合和分布混合。这两种混合的相对强度，除了与相邻捏合盘间 的错列角有关外，还取决于每个捏合盘的厚度。捏合盘的厚度会引起轴向 (向上游或 向下游) 流动，这取决于错列角的大小和方向。对于恒定的错列角，增加盘厚会增加 物料沿下游螺槽的有效轴向取向表面，可用来支持在高剪切区内通过应力传递的能量输 入。反之，会使黏性耗散增加。若忽略可能的温升和剪切对黏度的影响，盘厚增加，导 致单位混合长度上分散混合成分增加，分布混合成分减少。当捏合块转动时，每个盘的 顶部会在圆周方向推动一少部分物料。聚合物自身会在垂直于圆周方向流动，向下游和 向上游散布开来。每个盘越厚，会有更多的物料在轴线方向散布开。
③混合元件 啮合同向双螺杆挤出机中的混合元件主要有齿形元件 (包括直齿和 斜齿) 和螺棱上开槽的螺纹元件。
齿形元件亦叫TME (Turbine Mixing Element，涡轮混合元件)。单个齿形元件像盘， 其圆周上分布若干齿，状如齿轮。齿是直的，也可以是斜的，这又分为两种情况，一种 是齿盘与轴线垂直安装; 但齿加工成斜的 (与轴线成一角度)，还有一种是齿盘做成斜 的，而齿的方向可以与盘的轴线平行，也可以成一角度。这种元件对机筒内壁有扫过作 用。齿形元件可以做成盘状，然后成组安装 (中间用环隔开); 也可以做成整体，有几 排齿。齿形元件一般成组使用。使用时不像传动齿轮相互啮合而是一根螺杆上齿盘的齿 插入另一根螺杆两个齿盘之间。
齿形元件是一种很好的混合元件。在两根螺杆上的齿形盘非交错区可以对物料进行 分流，增加界面，提供 小的能量输入，有利于分布混合，产生较低的温度; 在交错 区，两根螺杆上的齿形盘可以对料流形成垂直于流动方向的剪切力，也有利于分布混 合。如果两螺杆上的齿形盘元件间的间隙很小，因相互间的相对速度很大，会产生很高 的剪切速率，有利于分散混合。如果为直盘、直齿，则物料通过齿形元件主要靠压力 差，故要在其上游形成一定的压力; 如果为直盘、斜齿，且齿的倾斜方向与正向螺纹元 件的螺旋方向相同，则有一定的拖曳输送能力，消耗的压力能较小; 如果齿的倾斜方向 与此相反，物料通过它要消耗较大的压力能。应当指出，对于直盘齿形元件，只有齿顶 与机筒内表面相互扫过，而在非交错区齿间的机筒内表面未被齿扫过，因物料流动速度 低，有可能造成物料停滞和分解。
螺棱上开槽的螺纹元件是在螺纹输送元件的螺棱上开了若干沟槽而形成的。沟槽能 使相邻螺槽相通，有利于相邻螺槽间物料交换，对熔体进行均化，促进纵向混合。但由 于螺棱开了槽，其输送能力和建压能力降低，但会使物料在螺槽中的充满度增加，增加 了物料的停留时间。
④其他螺杆元件 目前国内双螺杆制造厂家生产的螺杆元件大多为常规螺纹元件、 捏合块，也有齿形元件。随着双螺杆挤出机向高速高效发展，应用范围的扩大，对其完 成的混合任务要求越来越高，为适应这一要求，国外双螺杆挤出机制造厂家相继开发出 一些新型螺杆元件。
大螺距螺纹元件，是由Farrel Co. 研制的，叫做FAMME (Farrel Asymmetric Modular Mixing Elements)。但它与常规大螺距螺纹元件不同，它在垂直于轴线的截面内具 有非对称的形状，在螺纹元件和机筒内壁之间形成大的间隙，其螺棱顶部较窄，螺 纹导向边和拖曳边的轮廓也不相同。它的螺棱由两段构成，一段为左旋，另一段为 右旋 (可以是在一个元件上作出，也可以由两个不同螺旋方向的元件组成)。两根螺 杆上都装上这种元件，相互啮合部分的螺旋方向一致。每段螺纹对应的螺槽，两端 根径大，中部根径小。当这种元件旋转时，会引起物料在圆周方向较大的流动，物 料流经螺棱顶部时，受到一种可控剪切。由于这种圆周方向的流动以及元件间存在 的啮合区，使两螺杆间发生物料交换; 这种元件能提供足够的间隙而引起相对大的 局部回流。实验表明，由于这种元件能使大部分物料经受恒定的可控剪切和建立恒 定的压力，故物料的温升较低。
该元件由六方棱柱扭转了一个角度而形成。这种元件要成对使用，一根螺杆上装一 个，并有相位要求。它能提供恒速移动的啮合区，产生挤压，有周期性的流型，能连续 地将料流劈开，有利于物料的熔融和混合。与捏合块能产生不平衡的剪切速率和 “热 点” (thermal hot spots) 不同，这种元件能保持可控剪切、压力和温度，而又不会牺牲 混合质量。
(4) 为了让广大读者更简明扼要地了解双螺杆挤出机的工艺技术操作条件，现将 挤出过程操作条件与过程参量的关系绘制成图，如图3-19所示。
图3-19 挤出过程操作条件与过程参量的关系
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