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,一部分回流被进一步混合塑化,一部分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丢脸出,塑料在挤出机中塑化,向前挤压活动,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。在改善螺杆混炼结构上已经有了很多新型的结构,但其往往适合于热稳定性很好的聚合物,却不适宜PVC树脂的生产,这就不逐一先容了。 双螺杆挤出机
随着聚合物加产业的发展,对高分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。另外,单螺杆挤出机尤其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,特别是硬聚氯乙烯粉料的加工,双螺杆挤出机自20世纪30年代后期在意大利开发出来以后,经过半个多世纪的精益求精和完善,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40%。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,也有用来进行反应挤出。近20年来,高分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目和类型的增加。 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分组成,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6所示 转下页)。
双螺杆挤出机有很多种不同的形式,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,这是由于双螺杆挤出机的螺杆还有诸如旋转方向、啮合程度等等题目。
常用于PVC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,但一般只能在低速下操纵,约在10r/min范围内。而高速啮合同向旋转式双螺杆挤出机用于混炼、排气造粒或作为连续化学反应器使用,这类挤出机最大螺杆速度
范围在300~600r/min。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(一般为定量加料)加进,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。 1、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,还有多种活动方式,见图7。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。主要活动方式:1、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,从而产生了活动。
2、物料从压力较高的螺杆推力面向另一螺杆拖带面的活动,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),特别是在异向旋转过程中,物料在A处受到阻碍,产生了活动。3、多种物料的活动形式(包括由于在两根螺杆的相互作用下产生的各种活动)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,一般仅用于混料,不适合PVC型材的生产。 2、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螺纹段的活动情况见图8。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进啮合间隙,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,啮合处螺纹和螺槽的速度相反,剪切速度高,有很好自洁作用,即能刮往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PVC型材的生产。
3、啮合型异向旋转双螺杆挤出系统
啮合型异向旋转双螺杆挤出系统中物料的运动情况见图9。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。在固体输送部分,物料是以近似的密闭“C”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
1、螺杆公称直径。螺杆公称直径是指螺杆外径,单位为mm。对于变直径(或锥形)螺杆而言,螺杆直径是一个变值,一般用最小直径和最大直径表示如:65/130。双螺杆的直径越大,表征机器的加工能力越大。
2、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。一般整体式双螺杆挤出机的长径比是在7~18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。
3、螺杆的转向。螺杆的转向有同向和异向之分。一般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。
4、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 (答应值)间的范围。同向旋转的双螺杆挤出机可以高速旋转,异向旋转的挤出机一般转速仅在0~40r/min。 5、驱动功率。驱动功率是指驱动螺杆的电动机功率,单位为kW。 6、产量。产量指每小时物料的挤出量,单位为kg/h。 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。固体输送段中为摩擦拖曳,熔体输送段中为粘性拖曳。固体物料的摩擦性能和熔融物料的粘性决定了输送行为。如有些物料摩擦性能不良,假如不解决喂料题目,则较难将物料喂进单螺杆挤出机。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,特别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。紧密啮合异向旋转
挤出机的螺杆几何外形能得到高度的正向位移输送特性。形成了强制进料,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/℃
170~180 160~160 165~175 165~175 165~175 170~180 175~185 70~90
物料的活动速度场
研究职员对物料在单螺杆挤出机中的活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活动速度分布情况相当复杂且难以描述。很多研究职员只是不考虑啮合区的物料活动情况来分析物料的活动速度场,但这些分析结果与实际情况相差很大,由于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,然而啮合区中的活动情况相当复杂。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PVC型材生产工艺控制上也有很大的差别,具体表现在: 1、温度控制
单螺杆挤出机一般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,假如物料过早熔化会抱在加料段的螺杆上与螺杆同步转动,阻止物料向前移动,形不成固体塞的输送能力,使挤出机挤不出料,长时间会造成PVC的分解。从加料口到机头的温度分布如表6所示:
加料段 140~150℃
熔化段 160~170℃
均化段 170~180℃
机头体 180~185℃
口模 180~185℃
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。PVC物料一进进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,进进排气段排气。假如PVC物料得不到很好的塑化,不但加大螺杆挤压的负荷,同时进进排气段时,粉状的PVC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7所示。 2、螺杆转速控制 (1)单螺杆挤出机
挤出速度和挤出机的螺杆转速有直接关系,螺杆转速进步,挤出速度加快。当然温度、模具的
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