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双螺杆挤出机工作原理挤出成型工艺是聚合物加工领域中生产品种最多、变化最多、生产率高、适应性强、用途广泛、产量所占比重最大的成型加工方法挤出成型是使高聚物的熔体或者粘性流体在挤出机螺杆的挤压作用下通过一定形状的口模成型制品为具有恒定断面形状的连续型材挤出成型工艺适合于所有的高份子材料几乎能成型所有的热塑性塑料也可用于热固性塑料但仅限于酚醛等少数几种热固性塑料塑料挤出的制品有管材、板材、棒材、片材、薄膜、单丝、线缆包覆层、各种异型材以及塑料与其它材料的复合物等目前约的热塑性塑料制品是通过挤出成型的此外挤出工艺也常用于塑料的着色、混炼、塑化、造粒及塑料的共混改性等以挤出成型为基础配合吹胀、拉伸等技术又发展为挤出一吹塑成型和挤出拉幅成型创造中空吹塑和双轴拉伸薄膜等制品可见挤出成型是聚合物成型中最重要的方法o挤出设备有螺杆挤出机和柱塞式挤出机两大类前者为连续式挤出后者为间歇式挤出主要用于高粘度的物料成型如聚四氟乙烯、超高份子量聚乙烯螺杆挤出机可分为单螺杆挤出机和多螺杆挤出机单螺杆挤出机是生产上最基本的挤出机多螺杆挤出机中双螺杆挤出机近年来发展最快其应用日渐广泛目前在塑料门窗型材的加工中双螺杆挤出机已成为主要生产设备单螺杆挤出机将被逐步淘汰但在其它聚合物的挤出加工中单螺杆挤出机仍占主导地位二者有各自的特点单螺杆挤出机?结构简单价格低?适合聚合物的塑化挤出适合颗粒料的挤出加工对聚合物的剪切降解小但物料在挤出机中停留时间长?控制容易工艺控制简单0双螺杆挤出机?结构复杂价格高?具有很好的混炼塑化能力物料在挤出机中停留时间短适合粉料加工?产量大挤出速度快单位产量耗能低在塑料门窗型材生产中采用双螺杆挤出机与单螺杆挤出机的生产工艺为见页下可以看出单螺杆挤出机适合粒料加工使用的原料是经造粒后的颗粒或者经粉碎的颗粒料双螺杆挤出机适合粉料加工可以直接使用混合好的料减少了造粒的工序但多了废料的磨粉工序近几年国产双螺杆挤出机的质量已基本达到进口双螺杆挤出机的水平价格仅为进口机的由于双螺杆挤出机的产量大挤出速度快普通可达到米分钟适合塑料门窗型材的大规模生产而单螺杆挤出机普通只用作小型辅助型材生产挤出速度仅为米分钟许多的型材加工厂已淘汰了单螺杆挤出机改用双螺杆挤出机一模多腔生产小型辅助型材挤出机的基本工作原理是将聚合物熔化压实以恒压、恒温、恒速推向模具通过模具形成产品熔融状态的型坯但单螺杆挤出机与双螺杆挤出机结构不同工作原理不同其控制的工艺条件也不相同单螺杆挤出机结构特点单螺杆挤出机是由传动系统、挤出系统、加热和冷却系统、控制系统等几部份组成此外还有一些辅助设备其中挤出系统是挤出成型的关键部位对挤出的成型质量和产量起重要作用挤出系统主要包括加料装置、料筒、螺杆、机头和口模等几个部份如图所示下面仅就挤出系统讨论挤出机的基本结构及作用PVC树脂-称量计量-高速混合-冷却混合-双螺杆挤出机挤出-冷却定型-?各种助剂??单螺杆挤出机造粒-单螺杆挤出机挤出--?牵引-切割-包装-型材产品?废料-粉碎-与造粒料混合单螺杆挤出机挤出?磨粉-与混合的粉料混合双螺杆挤出机挤出、加料装置挤出成型的供料普通采用粒状料加料装置是保证向挤出机料筒连续供料的装置形状如漏斗有圆锥形和方锥形亦称料斗其底部与料筒连接处是加料孔该处有截断装置可以调整和截断料流在加料孔的周围有冷却夹套用以防止料筒高温向料斗传热避免料斗内塑料升温发粘引起加料不均和料流受阻情况发生料斗的侧面有玻璃视孔及标定计量装置有些料斗还有防止塑料从空气中吸收水分的预热干燥真空减压装置以及带有能克服粉状塑料产生架桥现象的搅拌器和能够定时定量自动加料的装置、料筒料筒又叫机筒是一个受热受压的金属圆筒物料的塑化和压缩都是在料筒中进行的挤出成型时的工作温度普通在料筒内压可达在料筒的外面设有加热和冷却装置加热普通分三至四段常用电阻或者电感加热器也有采用远红外线加热的冷却的目的是防止塑料的过热或者停车时须对塑料快速冷却以免塑料的降解冷却普通用风冷或者水冷料筒须承受高压要求具有足够的强度和刚度内壁光滑料筒普通用耐磨、耐腐塑料磨擦使塑料过热同时让螺杆表面温度略低于料筒防止物料粘附其上利于物料的输送螺杆用止推轴承悬支在料筒的中央与料筒中心线吻合不应有明显的偏差O螺杆与料筒的间隙很小使塑料受到强大的剪切作用而塑化并推动向前螺杆由电动机通过减速机构传动转速普通为要求是无级变速螺杆的几何结构参数螺杆的几何结构参数有直径、长径比、压缩比、螺槽深度、螺旋角、螺杆与料筒的间隙等见图其中长径比对螺杆的工作特性有重大的影响普通挤出机长径比为但近年来发展的挤出机有达的甚至更大大能改善塑料的温度分布能使混合更均匀还可减少挤出时的逆流和漏流提高挤出机的生产能力过小对塑料的混合和塑化都不利因此对于硬塑料、粉状塑料要求塑化时间长应选较大的大的螺杆适应性强可用于多种塑料的挤出但太大热敏性塑料会因受热时间太长而浮现分解同时增加螺杆的自重使创造和安装都艰难也会增大挤出机的功率消耗目前以居多螺杆的压缩比£螺杆的压缩比£是指螺杆加料段第一个螺槽的容积与均化段最后一个螺槽的容积之比它表示塑料通过螺杆的全过程被压缩的程度£越大塑料受到挤压的作用也就越大排除物料中空气的能力就大但£太大螺杆本身的机械强度下降普通压缩比£在之间压缩比£的大小取决于挤出塑料的种类和形态如粉状塑料的相对密度小夹带空气多其压缩比应大于粒状塑料此外挤出薄壁状制品时压缩比£应比挤出厚壁制品的大螺槽深度螺槽深度影响塑料的塑化及挤出效率较小时对塑料可产生较高的剪切速率有利于传热和塑化但挤出生产率降低因此热敏性塑料宜用大的深槽螺杆宜用熔体粘度低和热稳定性较高的塑料在实际生产中根据工艺需要螺槽深度往往是变化的根据螺杆各段的功能不同螺槽的深度不同最通用的是渐变螺杆如加料段的螺槽深度是个定值普通压缩段的螺槽深是渐变的是一个变化值均化段的螺槽深是个定值按经验螺旋角9是罗纹与螺杆横截面之间的夹角随着的增大挤出机的生产能力提高但螺杆对塑料的挤压剪切作用减少出于机械加工的方便取则0为为最常用的螺杆螺杆与料筒的间隙8螺杆与料筒的间隙8其大小影响挤出机的生产能力和物料的塑化8值大热传导差剪切速率低不利于物料的熔融和混合生产效率也不会高但6小时热传导和剪切率都相应提高但8过于小就易引起物料降解单螺杆挤出机挤出过程和螺杆各段的功能由高份子物理学知道高聚物存在三种物理状态即玻璃态、高弹态和粘流态在一定条件下这三种物理状态会发生互变固态塑料由料斗进人料筒后随着螺杆的旋转向机头方向前进在此过程中塑料的物理状态在不断发生着变化根据塑料在挤出机中的三种物理状态的变化过程及对螺杆各部位的工作要求通常将挤出机的螺杆分成加料段固体输送区、压缩段熔融区和均化段熔体输送区三段对于常规渐变罗纹的螺杆来说塑料在挤出机中的挤出过程可以通过螺杆各段的基本职能及塑料在挤出机中的物理状态变化过程来描述见图、加料段塑料自料斗进入挤出机的料筒内在螺杆的旋转作用下由于料筒内壁和螺杆表面的磨擦作用向前运动在该段螺杆的职能主要是将塑料压实提供向前输送的动力物料仍以固体状态存在虽然由于强烈的磨擦热作用在接近末端时与料筒内壁相接触的塑料已接近或者达到粘流温度固体粒子表面开始发粘但熔融仍未开始这一区域称为迟滞区是指固体输送区结束到最初开始浮现熔融的一为粘流态、均化段从熔融段进人均化段的物料是已全部熔融的粘流体向前输送的粘流体在机头口模阻力下一部份回流被进一步混合塑化一部份被定量定压地从机头口模挤出从以上单螺杆挤出机的工作原理不难看出塑料在挤出机中塑化向前挤压流动其主要动力来源于加料段的固体输送塑化的均匀程度很大程度是由于均化段的结构和机头模具的阻力所造成的回流o在改善螺杆混炼结构上已经有了许多新型的结构但其往往适合于热稳定性很好的聚合物却不适宜树脂的生产这就不一一介绍了双螺杆挤出机随着聚合物加工业的发展对高份子材料成型和混合工艺提出了越来越多和越来越高的要求单螺杆挤出机在某些方面就不能满足这些要求例如用单螺杆挤出机进行填充改性和加玻璃纤维增强改性等混合分散效果就不理想此外单螺杆挤出机特别不适合粉状物料的加工为了适应聚合物加工中混合工艺的要求特殊是硬聚氯乙烯粉料的加工双螺杆挤出机自世纪年代后期在乎大利开辟出来以后经过半个多世纪的不断改进和完善得到了很大的发展在国外目前双螺杆挤出机已广泛应用于聚合物加工领域已占全部挤出机总数的硬聚氯乙烯粒料、管材、异型材、板材几乎都是采用双螺杆挤出机加工成型的作为连续混合机双螺杆挤出机已广泛用来进行聚合物共混、填充和增强改性也实用来进行反应挤出近年来高份子材料共混和反应挤出技术的发展进一步促进了双螺杆挤出机数量和类型的增加双螺杆挤出机的结构与分类双螺杆挤出机由传动装置、加料装置、料筒和螺杆等几个部份组成各部件的作用与单螺杆挤出机相似与单螺杆挤出机区别之处在于双螺杆挤出机中有两根平行的螺杆置于同一的料筒中如图所示转下页双螺杆挤出机有许多种不同的形式主要差别在于螺杆结构的不同双螺杆挤出机的螺杆结构要比单螺杆挤出机复杂得多这是因为双螺杆挤出机的螺杆还有诸如旋转方向、啮合程度等等问题常用于型材挤出的双螺杆挤出机通常是紧密啮合且异向旋转的螺杆少数也有使用同向旋转式双螺杆挤出的但普通只能在低速下操作约在范围内而高速啮合同向旋转式双螺杆挤出机用于混炼、排气造粒或者作为连续化学反应器使用这种挤出机最大螺杆速度范围在非啮合型挤出机与啮合型挤出机的输送机理大不相同比较接近于单螺杆挤出机的输送机理二者有本质上的差别双螺杆挤出机的工作原理双螺杆挤出机的结构尽管与单螺杆挤出机很相似但工作原理差异却很大在双螺杆挤出机中物料由加料装置普通为定量加料加入经螺杆作用到达机头口模在这一过程中物料的运动情况因螺杆的啮合方式、旋转方向不同而不同、非啮合型双螺杆挤出系统物料在非啮合双螺杆挤出系统中除了向机头方向的运动形式外还有多种流动方式见图由于两螺杆不啮合它们之间的径向间隙很大存在较大的漏流主要流动方式、由于两螺杆的螺棱的相对位置是错开的即一根螺杆的推力面的物料压力大于另一螺杆拖带面的物料压力从而产生了流动、物料从压力较高的螺杆推力面向另一螺杆拖带面的流动同时随着螺杆的旋转在两螺杆的间隙处物料不断受到搅动并被不断带走、更新不论两螺杆的转向如何特殊是在异向旋转过程中物料在处受到妨碍产生了流动、多种物料的流动形式包括由于在两根螺杆的相互作用下产生的各种流动都增加了对物料的混炼和剪切但这种双螺杆没有自清洁作用普通仅用于混料不适合型材的生产、啮合型同向旋转双螺杆挤出系统物料在同向旋转的双螺杆挤出系统的全罗纹段的流动情况见图由于同向旋转双螺杆在啮合位置的速度方向相反一根螺杆要把物料拉入啮合间隙而另一根螺杆要把物料从间隙中推出结果使物料从一根螺杆转到另一个螺杆呈形前进这种速度的改变以及啮合区较大的相对速度非常有利于物料混合和均化由于啮合区间隙很小啮合处罗纹和螺槽的速度相反剪切速度高有很好自洁作用即能刮去粘附在螺杆上的任何积料从而使物料的停留时间很短这种挤出机主要用于混炼物料和造粒但由于物料在啮合区间所受剪切力很大所以也不适应型材的生产、啮合型异向旋转双螺杆挤出系统啮合型异向旋转双螺挤出系统中物料的运动情况见图在啮合型异向旋转的双螺杆挤出中两根螺杆是对称的由于回转方向不同一根螺杆上物料螺旋前进的道路被另一根螺杆的螺棱堵※不能形成字型运动在固体输送部份物料是以近似的密闭形小室的形态向前输送但为了使物料混合设计中将一根螺杆的外径与另一根螺杆的根径之间留有一定的间隙量以便使物料能够通过物料通过两螺杆之间的径向间隙时受到强烈的剪切、搅拌和压延作用因此物料的塑化比较好多用于加工制品由于两螺杆的径向间隙比较小因此有一定的自洁性能但自洁性比同向旋转的双螺杆要差双螺杆挤出机的主要参数、螺杆公称直径螺杆公称直径是指螺杆外径单位为对于变直径或者锥形螺杆而言螺杆直径是一个变值普通用最小直径和最大直径表示如双螺杆的直径越大表征机器的加工能力越大、螺杆的长径比螺杆的长径比是指螺杆的有效长度与外径之比普通整体式双螺杆挤出机的长径比是在之间对于组合式双螺杆挤出机长径比是可变的从发展看长径比有逐步加大的趋势、螺杆的转向螺杆的转向有同向和异向之分普通同向旋转的双螺杆挤出机多用于混料异向旋转的挤出机多用于挤出制品、螺杆的转速范围螺杆的转速范围是指螺杆的最低转速到最高转速允许值间的范围同向旋转的双螺杆挤出机可以高速旋转异向旋转的挤出机普通转速仅在、驱动功率驱动功率是指驱动螺杆的电动机功率单位为、产量产量指每小时物料的挤出量单位为双螺杆挤出机与单螺杆挤出机的差别物料的传送方式在单螺杆挤出机中物料传送是拖曳型的固体输送段中为磨擦拖曳熔体输送段中为粘性拖曳固体物料的磨擦性能和熔融物料的粘性决定了输送行为如有些物料磨擦性能不良如果不解决喂料问题则较难将物料喂入单螺杆挤出机所以颗粒状的原料适合单螺杆挤出机进料而在双螺杆挤出机中特殊是啮合型双螺杆挤出机物料的传送在某种程度上是正向位移传送正向位移的程度取决于一根螺杆的螺棱与另一根螺杆的相对螺槽的接近程度密切啮合异向旋转挤出机的螺杆几何形状能得到高度的正向位移输送特性形成为了强制进料粉末状的物料有利于挤压进料表7双螺杆挤出机温度控制1区/加料段2区/3区/4区/法兰盘/机头体/口模/螺杆内油温/1701801601601651751651751651751701801751857090物料的流动速度场研究人员对物料在单螺杆挤出机中的流动速度分布已描述得相当明确而在双螺杆挤出机中物料的流动速度分布情况相当复杂且难以描述许多研究人员只是不考虑啮合区的物料流动情况来分析物料的流动速度场但这些分析结果与实际情况相差很大因为双螺杆挤出机的混合特性和总体行为主要取决于发生在啮合区的漏流然而啮合区中的流动情况相当复杂双螺杆挤出机中物料的复杂流谱宏观上表现出单螺杆挤出机无法媲美的优点例如混合充分热传递良好熔融能力大排气能力强及对物料温度控制良好等生产工艺控制的差别由于单螺杆挤出机与双螺杆挤出机在结构和工作原理上的差别在型材生产工艺控制上也有很大的差别具体表现在、温度控制单螺杆挤出机普通采用温度逐步升高的控制方法物料在加料段应处于未熔化的固体状态以利于达到固体输送的能力如果物料过早熔化会抱在加料段的螺杆上与螺杆同步转动阻挠物料向前挪移形不成固体塞的输送能力使挤出机挤不出料长期会造成的分解从加料口到机头的温度分布如表所示加料段熔化段均化段机头体口模140150160170170180180185180185双螺杆挤出机与单螺杆挤出机输送物料的机理不同它是采用强制进料的方法物料一进入挤出机中便在通过两螺杆之间的径向间隙时受到强烈的剪切、搅拌和压延作用很快塑化后进入排气段排气如果物料得不到很好的塑化非但加大螺杆挤压的负荷同时进入排气段时粉状的物料还会随空气一同排除因此双螺杆挤出机的温度控制应为表所示、螺杆转速控制单螺杆挤出机挤出速度和挤出机的螺杆转速有直接关系螺杆转速提高挤出速度加快固然温度、模具的阻力、螺杆的塑化能力对挤出速度都有影响单螺杆挤出机挤出型材的螺杆转速应在因物料是直接通过料斗加入到螺杆和料筒之间的进料速度与螺杆的转速有直接关系同时也与原料形状、密度、表面物理性质有关粉状的物料、密度小的物料、物料不光滑、流动阻力大的物料都会使进料速度变慢有时还容易产生架桥阻挠进料单螺杆挤出机螺杆的转速直接影响挤出的压力、物料的塑化程度和转动螺杆机电的负荷综上所述单螺杆挤出机的螺杆转速的确定是根据物料的进料能力、?芭美A返淖枇偷缁母汉衫淳貂U摹双螺杆挤出机双螺杆挤出机进料方式是依靠两根螺杆的间隙挤压的强制进料方式特别是常用于型材挤出的锥型双螺杆挤出机它与单螺杆挤出机的磨擦拖曳的固体输送有很大的区别在双螺杆挤出机中往往采用限制或者是定量加料的方式在进料口上方设有加料器由加料器中的加料螺杆转速来控制物料进入挤出机的量实际上也控制了挤出型材的速度而螺杆的转速更多的体现在塑化能力的变化速度加快螺杆的塑化能力提高但二者有密切的关系加料速度应与挤出机螺杆的转速相匹配达到最好的塑化质量和形成适当的机头压力用于型材生产的锥型双螺杆挤出机螺杆的转速普通应控制在转分钟加料器的螺杆转速应控制在使挤出机负荷在满负荷的加料速度过快会造成机电负荷过大对螺杆机电都是损坏加料速度过慢使机头压力过低不利于熔体的合模压实产量也会相应降低在双螺杆挤出机挤出型材生产中粉料容易挤压、塑化快、被时常使用而颗粒料体积大、挤压困难、塑化慢并容易造成设备伤害需要磨细后使用配方要求的差异由于单螺杆挤出机与双螺杆挤出机物料流动状态不同物料在螺杆中所受的剪切力不同所经历的塑化时间、历程不同因此对体系的配方组成要求也有所不同物料在双螺杆挤出机中所受的剪切力远远大于在单螺杆挤出机所受的剪切力对体系的内润滑要求高些但在双螺杆挤出机中物料的塑化时间短、塑化历程短对体系的热稳定性要求没有单螺杆挤出机挤出塑化时间长对热稳定剂稳定时间要求长此外双螺杆挤出机塑化能力、物料塑化均匀度都远远大于单螺杆挤出机双螺杆挤出机挤出制品的质量也比单螺杆挤出机要高主要表现在材料的拉伸强度、抗冲击强度以及焊角强度上具体表现在单螺杆挤出机挤出型材配方中所使用的热稳定剂、加工助剂、改性剂均比双螺杆挤出机型材配方中所使用的要多些。