10_双螺杆挤出机

（2）组合式螺杆
☆ 输送元件


用于输送物料，给物料一定的推力使物料能够克 服在流道中的阻力。结构多为螺纹型。 全啮合式：间隙小，两螺杆在输送过程中形成了 几乎密闭的“C”型空间，使物料很难进行相互间 的混合，对物料进行强制输送，可以在很短的长 度内建立起较高的压力。
4.3.2 双螺杆挤出过程参变量
描写双螺杆挤出这一过程的参量 有温度、充满度、压力和能量。
1、温度
温度是挤出过程得以进行的重要条
件之一。如前所述，物料从加入料斗
到最后成型为制品是经历了一个复杂
的温度过程的。
1、温度
☆ 热量来源 温度是双螺杆挤出过程得以进行的重要条件之
一。物料由固态变为粘流态，需要热量。挤出过
5 工作原理
☆ 啮合型同向双螺杆挤出机



由于两根螺杆相互啮合，对物 料输送有强制的 推力，故螺槽内的物料可以不充满螺槽地向前输 送。 螺杆啮合处对物料的剪切过程 使物料的表层不 断的更新，具有很好的脱挥排气性能。 近年来，为了强化同向旋转双螺杆挤出机的混炼 能力，在螺杆元件中采用了各种结构的混合与剪 切元件，使其混炼能力得到了更大的增强，因此 啮合型同向旋转双螺杆挤出机被广泛用于物料的 混炼。
向外异向旋转
5 工作原理
☆ 啮合型同向双螺杆挤出机



双螺杆挤出机的结构尽管与单螺杆挤出机很相似 ，但是其工作原理与单螺杆挤出机很不相同。 在双螺杆挤出机中，原材料由加料装置（一般为 定量加料）通过加料口加入，且有些添加料（如 玻璃纤维 等）还需通过机筒中间的加料口加入， 物料经受双螺杆熔融、混炼、输送等作用到达挤 出机头口模。 在这一过程中，物料的运动情况因螺杆的啮合方 式、旋转方向的不同而不同。
☆充满度

部分充满的螺槽
充满度：物料填充螺槽的面积Aε与螺槽的总面积 A之比。 固体输送段：充满度一般小于1；取决于螺杆构 型， 熔融段：充满度可能等于或小于1； 熔体输送段：充满度可能等于或小于1； 在排气段：充满度必须小于1。 反螺纹段、反向捏合块：充满度等于1。 为了使物料通过反螺纹段和反向捏合块，其上游 用于建压的正向螺纹元件中必定有一段螺槽的充 满度等于1。


5 工作原理
☆ 非啮合型双螺杆挤出机

轴向漏流1：由于两螺杆不啮合 ，它们之间的径向间隙很大， 所以存在较大的轴向漏流。 环形漏流2：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根螺 杆拖曳面的物料压力，从而产生了流动2（物料从 压力较高的螺杆推力面向另一螺杆压力较低的拖曳 面流动）。
2 双螺杆挤出机的优点

4.3.1 概述
3基本结构


挤压系统 • 双螺杆 • 机筒 传动系统 加热冷却系统 控制系统 加料装置 机座
双螺杆挤出机挤压系统
是在一个“∞”字形机筒 内，由两根互相啮合的螺 杆组成。螺杆可以是整体 或组装，同向旋转或异向 旋转，平行或锥形的
的两螺杆的中心距。单位mm。
8 实际比功率：表征每小时内平均加工
1kg物料所需电动机实际使用功率的指标。 单位kW/（kg/h）。
9 比流量：指螺杆每转的生产能力，表征
挤出机的生产效率，单位（kg/h）/（r/min ）。
10 产量：指每小时的挤出量，单位kg/h。
4.4.4 双螺杆挤出机主要零部件
4、能耗
☆ 能量平衡

为了使加入的物料熔融呈粘流态，必须供给热能；为使物料 压实，充满螺槽并通过阻力元件，物料必须在螺杆轴线某些 位置建立起压力，即必须供给压力能；为了使各组分进行分 布混合和分散混合，必须提供剪切机械能。

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热能、压力能和剪切能是由加热器的电能和驱动螺杆的机械 能转化而来。这些能量的一部分为熔融物料、成型制品所利 用。其余部分作为热损失而损失掉。 双螺杆挤出过程中机械能和加热器提供的热能不但与双螺杆 挤出机的类型有关，还与螺杆构型和不同的螺杆区段有关。
4.4.4 双螺杆挤出机主要零部件
1 螺杆
整体式螺杆
组合式螺杆
（1）整体式螺杆
由整根材料加工制作，在一根螺杆上加工 出各种基本结构单元（输送单元和混炼单 元）。 加工难度大。 为了获得适当的压缩比

• 变螺距 • 变螺棱宽度 • 依靠锥形变化
（2）组合式螺杆
是由多个单独的螺杆元件沿轴向连接组成 的组合体。 元件具有互换性，可根据工艺需要进行组 合。 加工难度小于整体式螺杆。 主要组合单元： 输送元件、剪切元件、压缩元件、混合元 件以及捏合元件。

这意味着压力升高1 MPa，温度上升5 ℃。这种建压引起的温升有害无 益，即浪费能量，又易引起物料分解，也无益于混合。 必须对螺杆建压区的构型进行优化，减少螺杆背压区的长度，使能量输 入和温升达到最小值。
2、充满度

由于采用计量加料，再加上主机螺杆转数可无级调节，以及 双螺杆螺杆构型对物料的接受和输送的特点，因而沿螺杆轴 线方向各螺杆区段的螺槽并不是都被物料充满，有的区段的 螺杆元件处于非充满状态（饥饿状态）。
1、温度
☆ 建压导致的温升 在熔体输送中螺杆建压的同时，会引起熔体的温 升： ΔP——压差
P T C p m

ΔT——温升 ρ ——熔体密度 Cp ——比热容 ηm——效率
若 1 ， Cp 0.5，m 10%，则由上式可计算出
ΔT（℃）=0.5ΔP (bar)
3、压力
☆ 压力的建立：只有充满度等于1的区段，才有可能建 立起压力。 ☆ 压力的分布：沿螺杆轴线方向就有一个压力分布问 题。用压力梯度（即沿螺杆轴线方向单位长度上的压 力变化）表示。 ☆ 影响压力的因数：不同螺杆元件其建立压力的能力 是不同的。口模形式和尺寸也影响压力分布。
3、压力
啮合同向双螺杆沿螺杆轴线方向的压力分布
5 工作原理
☆ 啮合型同向双螺杆挤出机



物料自料斗经定量装料器加入 机筒后，按照旋转 方向，可从 一根螺杆的螺槽经啮合区的间隙流 入另一根螺杆的螺槽，形成旋转的倒“8”形向前 运动，于是，从加料口至机头存在着通道。 在啮合处，螺纹和螺槽的速度相反，物料相对速 度很大，承受很大的剪切，有利于混合，且能刮 去螺槽内的积料，故具有较好的混炼和自洁作用 。 由于啮合处两根螺杆的速度方向相反，因此能在 上下啮合区形成平衡的压力，螺杆的轴承及机筒 承载均匀，故可在高转速下工作。
5 工作原理
☆ 啮合型异向双螺杆挤出机

由于两根螺杆的旋转方 向不 同，一根螺杆中物料螺旋前进 的道路被另一根螺杆堵死，故 不能形成“8”运动。 在啮合处，一根螺杆的螺纹插入另一根螺杆的螺槽 中，使连续的螺槽被分割成相互隔离的C形小室。 螺杆旋转时，随着啮合部分的轴向移动，小室也沿 着轴向前移，螺杆每转一圈，小室就前移一个导程 的距离，故自机筒加料口到机头不存在物料的连续 通道。
1 螺杆公称直径D：指螺杆外径，单位mm。
对于锥形双螺杆而言，D是一个变值，一般同时 表示小端直径d。
表示机器的加工能力。
2 螺杆长径比
螺杆有效长度与直径之比即L/D 。 主要取决于完成物料熔融塑化所需的挤出过程 和停留时间、各种功能段的长度及数量等因素 。 一般整体式双螺杆挤出机的长径比在7~18之 间。对于组合式双螺杆挤出机，长径比是可变 的。 目前，随着螺杆转速的高速化，挤出系统的长 度（或螺杆长径比）总体呈现增大的趋势。


5 工作原理
☆ 啮合型异向双螺杆挤出机

少量物料被拉入两螺杆之间的 径向间隙，受到 螺棱和螺槽间 的研磨和滚压作用，此作用与 压 延机上物料的滚压作用相似 ，称为“压延效应” 由于压延效应，使机筒壁和轴承受力不均匀而局 部受压磨损，故异向旋转的双螺杆只能在较低的 转速下工作。 异向啮合型双螺杆混炼剪切作用较弱，故适用于 热敏料和需要受热时间短的物料的成型。
4.3 双螺杆挤出机
4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.4.4 概述 双螺杆挤出过程参量 双螺杆挤出机主要参数 双螺杆挤出机主要零部件
4.3.1 概述
1单螺杆挤出机的局限性

加料性能差 排气效果差 物料停留时间长
容易加入带状料、粉料及玻璃纤维等物料 物料停留时间短 塑化、混合效果佳 排气、自洁性能优良 比功率低 螺杆特性硬
2014年9月16日星期二
双螺杆挤出机和单螺杆 挤出机工作原理比较
物料在单螺杆挤出机中的输送是依靠物料与机 筒的摩擦力 而双螺杆挤出机则为“正向输送”，有强制将 物料向前输送的作用，另外，双螺杆挤出机在 两根螺杆的啮合处还对物料产生剪切作用

2014年9月16日星期二
4 类型
按相对位置
啮合型 非啮合型 锥形双螺杆 按螺杆轴线是否平行 平行双螺杆 同向旋转 按旋转方向 向内异向旋转 完全啮合型 部分啮合型

5 工作原理
☆ 非啮合型双螺杆挤出机




拖曳流3：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而更新（不 论两螺杆的转向如何），产生流 动 3。 拖曳环流4：特别是在异向旋转过程中，物料在A处 受到阻碍，产生了流动4。 而所有这些流动形式都增加了对物料的混炼和剪切 作用。 由于这种啮合形式的双螺杆没有自清洁作用，所以 一般仅用于混料。
程热量的来源有两个：
a.机筒外部加热器通过机筒传给物料的热量。
b.物料与物料之间、物料与螺杆、物料与机筒之间 的摩擦热和物料受剪切而生成的热量。
1、温度
☆ 温度的调节



加料口：为保证物料顺利加入，必须保持固体的摩 擦性质，故此段机筒不但不要加热，还需要冷却。 在加料口下游，机筒温度则需升高，以便将物料加 热，促使其熔融。 熔融后：机筒温度要保持低温，使物料保持较高的 粘度，这有利于混合，防止物料过热分散，实现低 温挤出。 螺杆轴线方向机筒的温度设定：与双螺杆挤出机的 类型、螺杆构型及挤出物料特性和对最终挤出物性 能要求有关，由双螺杆挤出机的加热冷却系统和温 控系统来实现。
Se

最低比功耗是在最高挤出量和最低螺杆转数下得到 的，是挤出物料所需的最少能量。
4.3.3 双螺杆挤出机的主要参数
啮合同向双螺杆挤出机是当前用于塑料 改性的主要混合设备之一。它的螺杆转数 目前已高达1200～1500 rpm，长径比L/D 可达36～48或更长，其螺杆和机筒都是组 合式，通过对螺杆元件、机筒元件进行科 学的组合，可以获得范围广的剪切速率和 剪应力，能进行分布混合和分散混合，可 对聚合物进行共混、填充、增强改性和反 应挤出。
5 工作原理
☆ 啮合型锥形异向双螺杆挤出机




计量段末的螺杆横断面积减小，因此在同等的机头压力下，它 具有较小的轴向压力，减轻了止推轴承的负载。 两个螺杆的轴线尾部分开，有利于安装较大的承载轴承，故可 承受较大扭矩，且寿命长。 加料段直径大，螺杆强度高，物料受热面积大，有利于塑化。 而在计量段螺杆直径小，受热较小，有利于实现低温挤出。 由于锥形双螺杆比平行双螺杆有上述优点，现已逐步取代了平 行异向旋转双螺杆挤出机。

4、能耗
挤出过程能力沿挤压系统的变化示意
4、能耗
电机、加热器提供的能量与螺杆直径的关系
4、能耗
热能、压力能和剪切能是由加热器的电能和
驱动螺杆的机械能转化而来。这些能量的一部 分为熔融物料、成型制品所利用。其余部分作 为热损失而损失掉。
4、能耗
☆比功率消耗
比功(耗)率：表示一台挤出机能量转化和利用的好坏。 比功耗分毛比功耗和净比功耗。净比功耗是挤出过程中物料 承受的总变形和应力的度量，它可以用平均剪切应力和平均剪 切应变的乘积表示：
A A
2、充满度
☆ 充满度的物理意义：

固体输送段：可表明物料与螺杆和机筒的接触情 况，因而表明由机筒吸收热量的情况；
熔融段：它意味着物料受剪切的强弱； 排气段：它表明物料自由表面积的大小，排气效 果的好坏，冒不冒料；


熔体输送段：它表明螺杆内是否建立起压力。
通过调节充满度，可以调节挤出过程，达到预期 的目的。

3 螺杆的转向：螺杆的转向由同向和异向
之分。一般同向旋转的双螺杆挤出机多用 于混料，异向旋转的双螺杆挤出机多用于 挤出成型制品。
4 螺杆的转速范围：螺杆的最低转速和
最高转速间的范围。
5 驱动功率：指驱动螺杆的电动机功率，
单位kW。
6 加热功率：指双螺杆挤出机机筒上各段
加热功率的总和，单位kW。
7 双螺杆中心距公称尺寸：指平行布置