双螺杆组合排列原则

双螺杆组合排列原则

塑料混合是一种有效的将多种组分的原料加工成更均匀、更实用的产品过程。这一过程中主要发生的是物理反应，当然也存在少量的化学反应。特殊的，例如反应挤出，我们所期望的更多是化学反应而非物理反应。而无论是物理还是化学反应，都要求材料的充分混合辊炼，因此就有了共混设备这一有力的加工手段执行者。

先确认几个概念：

1.预处理：我们通常说的预处理很多时候是指材料的水分预处理。由于聚合物和添加剂都具有吸水性，而温度波动和仓库的潮湿都有可能是原材料吸湿，而这正是我们所不希望看到的。熔融聚合物，如尼龙，聚酯等对水分极其敏感的材料，水分的存在将导致他们的降解，从而导致了各项性能指标的恶化甚至是导致加工失败。目前比较实用的干燥方式多为热风循环干燥形式。

2.预混合：对于单螺杆而言，吃料能力很大程度上影响了混合效果，很多时候即使是单纯的颜色处理都会因为混合的不均匀而导致材料同批次的前后色差以及后期加工的颜色不均一性；而对于双螺杆，虽然吃料能力基本上不影响混合效果，而且为了计量精确，理论上是应该所有组分在喂料口单独计量、单独喂入。但是这就意味着需要多个精确喂料器，而这对共混厂家而言是非常的不经济的，因此我们在加工双组分及多组分的材料前，大多都进行预混合。目前的混合设备多为立式高速搅拌机。

3.分散混合：分散混合是将组分的粒度尺寸减小，将固体块或者聚集体破碎成微粒，或者是不相容的聚合物的分散相尺寸达到所要求的范围。这一过程通常是依靠大厚度大角度的捏合盘来实现。

4.分配混合：分配混合是使个组分的空间分布达到均匀。形象点说也就是“平均主义”，保证混合设备内通过分配元件的熔体中各组分的分布均匀。这个通常是靠窄片小角度捏合盘来实现。极端的情况先会采取齿轮分配元件来实现。

5.停留时间分布：同批次物料在通过喂料口后通过分散，分布混合最终挤出离开混合设备的时候长短的分布。这一指标最主要的意义在于评估设备的自洁能力。

其实还有更多的各种公式，我个人觉得这对于我们在实际设计中有一定的指导意义，可惜我这里没有扫描仪，而我这个人又比较懒，公式我就不大打上来了。

下面就按照单螺杆挤出机，双螺杆挤出机（同向，异向啮合），往复式以及挤出的后续加工做一下小结。

（先说明一下，为了方便，我每次都定义一下。下面出现的挤出机都代表单螺杆挤出机，只到重新进行定义为止。）

单螺杆挤出机的最原型设备应该是阿基米德螺杆。早在数千年前他就已经提出了在管内装上带螺纹的螺杆向斜面上运送水。后期的人对其进行了改进，其中最接近于塑料混合的当属使用这种设备将黏土/麦秆（水作为增塑剂加入）进行混合压实，制造砖块。

随后，人们开发了橡胶加工机械，用两辊或三辊混合机对生胶进行塑炼后，再加入挤出机进一步进行加工。挤出机的5大关键部件包括了：驱动电机和减速箱、止推轴承、料斗、机筒（包括了内部心脏：阿基米德螺杆）。

早期的挤出机的长径比都比较小。由于橡胶黏度大，在如此小的长径比之下想完成混合加工，意味着必须升高温度。但是这又将产生一个更大的问题，橡胶在升高温度的情况下将产生交联。而此时人们发现增加长径比不但能够获得加工热塑性聚合物熔体所需要的高温，同时还能够改善混合性能和熔体的均匀性能。随着长径比的进一步提高和挤出设备的进一步完善，挤出机逐渐转到了最终用户。研磨回收和破碎以及废旧塑料回收的出现成为挤出机运用的最大市场。

挤出机的心脏，标准螺杆通常分为三段：喂料段、转化段和计量段。当然混合螺杆还通常具有其他的组成部分以完成加工中更为复杂的过程。在整个加工过程中挤出机必须完成：喂料、固体输送、压实、熔融、泵送、均化、排气（可选）到最终的挤出成型。一般的单螺杆挤出机

的长径比为：24、28、30和32；而双螺杆挤出机的长径比为：36、40、42和52；

喂料段：在挤出机中，喂料段的主要功能是吃进物料和进行固体输送；同时喂料段对压实固体床（物料在进入螺杆后在螺槽内形成的物料段称之为固体床）以及开始塑化有很大的影响。在进行喂料段设计时必须注意：螺杆有效扭矩、螺杆材料、螺槽深度与宽度比（纵横比）、摩擦系数等。同时还应当考虑原材料的尺寸、外观、本体密度和物料的性状。另外对于添加到混合体系中的添加剂，还需要考虑喂料段是否能够有效吃进这些添加剂。一般来说，加工结晶性混合物时，喂料段的深度和长度比加工非结晶性材料的喂料段要大。

由于挤出机的输送大部分是靠摩擦拖拽输送，因此喂料区的温度设置一般控制在120-160度之间。如果该区温度过低，树脂就无法黏附在机筒内壁上，而仅仅是随着螺杆旋转而空转，从而导致了熔融区的缺料；如果该区温度过高，物料会提前熔融塑化，在机筒内壁形成一个环行的熔融膜，起到润滑作用，同样也也引起缺料现象

喂料段的另一功能--压实是是固体床的压缩比足够大，保证物料充分密实，达到熔融所需要的状态。通常情况下粒子或者是破碎的片状材料在压缩后容易在表面发生变形而与机筒内壁贴合在一起，因此也比较容易压缩；而粉体材料由于滑动性较大，因此压缩熔融在时间上和位置上会比粒子或者片状材料滞后。同时由于粉体材料的空隙面积大，物料密度比较小，在物料中会残留大量的空气，隔离了固体床。这将进一步减缓熔融过程以及在增大后期的排气工作。由于挤出机目前比较常见的是屏障形转化熔融段螺杆，比较常见的是在熔融区附加上另外一条螺纹，其螺纹宽度要比原来的窄，而且还进行了根切。采用这种方式最直观的目的是使熔融的熔体与未熔融的固体床分离，通过避免熔融部分对未熔融的固体床的润滑作用来改善输送能力，同时也降低了熔体的热耗散、熔体过分受热分解以及保证热传递/剪切传递对固体床的热/摩擦能，提高了塑化速度。

计量段：螺杆的计量段长短，螺槽的深浅都属于可变。不是所有的挤出机的螺杆都是一致的。如果仅仅是单纯的熔融挤出（例如回收破碎材料），一般采用增大计量段的螺槽深度，这种情况下产量会比较可观，但是混合效果不太理想；如果需要好的混合效果，多采用浅槽螺杆。这种情况下熔体温度会相应提高，混合质量也相对于深槽要好。总的思路，计量段的长度应该保证固体床完全塑化，并能够奖励起足够的压力。因此很多人在设计螺杆是，往往在计量段后面紧接一个混合器。这里也许有朋友会问：我是采用了浅槽，但是我的产品混合质量还不是非常的理想。这里存在一个设计产量与实际产量的问题。一个设计产量远小于你要求的实际产量的设备，即使你进行了必要的改动，但是如果你不放低你的产量要求，这很难保证你的产品质量。通俗点，就是所谓的一分钱一分货了。

混合段：由于共混加工中仍然有很大一部分涉及到添加剂的混合分散，因此混合段的必要性是不言而喻的。混合段的主要工作就是在计量段之后帮助提高物料温度、颜色、黏度和添加剂的均匀程度，也有助于确定气体在熔体内发泡的位置。这对于接下来的排气设置是非常重要的。除此之外，混合段还将第一计量段隔离开来，建立了一个稳定的排气环境。

所有的塑料颗粒都有其固有的弹性模量，在一定的作用里范围内，粒子会在喂料段和转化段发生形变，而且即使在计量段也部分保持该形变（部分形变粒子会由于固体床破碎后形成的随便在熔体池中呈现游离状态而重新聚集成更大的粒子）。计量段之后，物料熔融所需要的能量很大一部分是来源于热传递。由于计量段本身的几何形状限制，在这个区域内很难提供足够的剪切应力。上游输送过来的未熔融的部分中，一部分由于热传递的作用发生熔融，其余的大部分都被直接输送到下游的混合段。而分散混合区域则通过剪切应力的作用，将所有进入第二喂料段（排气段之前的一小段区域）的为熔融部分完全塑化，为接下来的排气做好准备工作。

很多在生产过程中出现排气段冒料的个案，绝大部分都是因为混合塑化段未能够充分的塑化熔融而导致在排气区域排气不畅或者冒料等情况。（也有部分是因为排气段设计不合理导致）。

如前所说，混合塑化段的熔融塑化能力绝大部分是来自于剪切。而剪切力的产生及其大小主要依赖螺杆的转速和螺杆与机筒之间的间隔。高的转速和小的间隔意味着更大的剪切应力。这也就说明了为什么我们在进行增强的时候（这里假设加工的是增强材料），通常我们是在熔融完成后才加入纤维。纤维在固体床存在的情况下，不可避免的存在着纤维与固体床、纤维与