1.4新型螺杆

第四节新型螺杆

所谓新型螺杆，是相对于常规全螺纹三段螺杆而言的。新型螺杆在原理、结构设计上有许多特点，它们是在常规全螺纹三段螺杆的基础上发展起来的，目前已得到广泛应用。

一、常规全螺纹三段螺杆存在的问题

1、熔融效率低、塑化混炼（染色、加填充物）不均匀

1) 传热途径

由熔融理论知，固体床熔融的热源有两个:

一是来自加热器的外热。

一是发生在熔膜中的剪切热，

后者是主要的。如果能使固体床在其消失之前始终能以最大的面积与料筒壁相接触，则可以获得最大的熔融效率。

2) 固体床变窄，传热面积减少，熔融效率低,挤出量不高

在常规三段螺杆中，熔融段同时有固体床和熔池同居一个螺槽中，熔池不断增宽，固体床逐渐变窄，从而减少了固体床与料筒壁的接触面积，减少了料筒壁直接传给固体床的热量，降低了熔融效率，致使挤出量不高。

3) 固体床易破碎，固体碎片传热慢，剪切力小，不易熔融

a.固体床易破碎在常规三段螺杆中，当固体床宽度减少至它的初始宽度的10%时。其物理性质极不稳定，由于某种原因，固体床出现缝隙，熔体不断挤入其内，当外力（由于工作条件变化及聚合物物理状态改变而形成的张力）超过了固体床的抗张强度时，固体床便解体，形成固体碎片。

b.固体碎片被融体所包围，不能直接获得外部热量，传热慢固体碎片混到已熔的塑料中，为熔体所包围，形成内部是压实的固体而外部是熔体的状态。固体碎片不能直接与料筒壁接触而获得外部加热器的热量，只能从包围它们的熔体中获得热量。由于熔融聚合物传热性能很差，完全将这些碎片熔融将是很困难的，也是很慢的。

c.漂浮在熔体中的固体碎片受的剪切力很小，很难从剪切获得热量有资料报道，自螺槽底部向上算起的螺槽深度的三分之二处，剪切速率几乎为零。且固体碎片被融体所包围，成漂浮状态，基本上没有剪切发生。

4）部分物料得不到彻底熔融，另一部分物料则过热，导致温度、塑化极不均匀。

综合上述因素，使固体床不能彻底地熔融。相反，已熔的物料由于与料筒壁相接触，仍能从料筒壁和熔膜中的剪切获得热量，使温度继续升高。这样一来，就形成一部分物料得不到彻底熔融，另一部分物料则过热，导致温度、塑化极不均匀。

2、压力波动、温度波动和产量波动大。

一般认为，这些波动有三种形式，

一种是较高频率的波动，与螺杆的回转频率一致，它是由螺杆的旋转引起的，特别容易发生在固体输送过程中；

第二种是低频波动，它是由于熔融过程的不稳定性（可能是由于固体床周期性地解体）所引起的；

第三种波动频率就更低了，其周期可以是几分钟或几小时，它是由温控系统的稳定性差或环境因素的变化（如电网电压不稳定）所引起的。

这些波动中以第一、二种影响最大，而这又与螺杆设计有关。常规全螺纹螺杆由于其固有的问题而不可能减少和消除这些波动，这就影响到产品的质量。

3、加工物料适应性差

常规全螺纹三段螺杆往往不能很好适应一些特殊塑料的加工或进行混炼、着色等工艺过程。

4、目前常采取的解决办法

为了克服常规全螺纹三段螺杆存在的熔融效率低、塑化混炼（染色、加填充物）不均匀等缺点，目前在常规三段螺杆上常用的方法就是

1）加大长径比；

2）提高螺杆转数；

3）加大均化段的螺槽深度等。

这些措施无疑取得了一定的成效，但成效有限，因为采取上述措施并没有从根本上改变常规全螺纹三段螺杆靠全螺纹的几何形状来完成挤出过程所存在的固有缺点这一状况，这就促使人们突破常规全螺纹的形式，探索创造新的螺杆结构。

二、几种常见的新型螺杆

针对常规全螺纹三段螺杆存在的上述问题，各国对挤出过程进行了更深入的研究，在大量实验和生产实践的基础上，发展了各种新型螺杆。

这些新型螺杆在不同方面、不同程度上克服了常规全螺纹三段螺杆存在的缺点，优点如下：

提高了挤出量，

改善了塑化质量，

减少了产量波动，压力波动和在MD方向的温度波动、TD方向的温差，

提高了混合的均匀性和填加物的分散性。

新型螺杆越来越引起人们的重视和得到广泛的应用。到目前为止，已应用于生产的新型螺杆的形式很多，但尚无一个全面的科学的螺杆分类，下面仅就目前较为流行的分类方法，重点地介绍几种。

（一）分离型螺杆（主副螺纹螺杆）

1、设计思路：（固液相尽早分离，固体尽快熔融，液相低温挤出，保证质量，提高产量）

针对常规全螺纹三段螺杆因固液相共存于同一螺槽中所产生的缺点，采取措施，将已熔融的物料和未熔融的物料尽早分离，而促进未熔物料更快的熔融，使已熔融物料不再承受导致过热的剪切，而获得低温挤出，在保证塑化质量的前提下提高挤出量。

这类螺杆的典型代表是所谓 BM螺杆。也叫主副螺纹螺杆。

1、BM螺杆的原理

BM螺杆的原理是这样的:

1）结构原理

根据熔融理论所揭示的物料在螺槽中的熔融规律，在螺杆的熔融段再附加一条螺纹，也就是熔融段由两条螺纹组成，这两条螺纹就把原来一条螺纹所形成的螺槽分成两个螺槽，一条螺槽与加料段螺槽相通，另一条螺槽与均化段相通。前者用来盛固相，后者用来盛液相。附加

螺纹与料筒壁的间隙δ要比原来的螺纹

（主螺纹）与料筒壁的间隙δ大。

2）熔融机理

当固体床形成并在输送过程中开始

熔融时，已熔的物料将越过间隙δ而进

入液相螺槽，而未熔融的固体粒子不能

通过δ而留在固相螺槽中。

由于主阶螺纹的螺距不等，液相螺

槽由零逐渐变宽，直至达到均化段整个

螺槽的宽度，但其螺槽深度则保持不变；

固相螺槽则由宽变窄，至均化段其宽度变为零，但其螺槽深度则由加料段螺槽深度至均化段螺槽深度。

总之，在液相螺槽宽度为零的那一点固液相开始分离，在固相螺槽的宽度为零的那一点熔融完成，全部熔融的物料经过均化段的均化作用，定压定量定温地挤入机头。

2、BM螺杆的特点

1）优点：

a.塑化效率高，塑化质量好，由于固液相分离

b.产量波动、压力波动、温度波动都比较小，由于没有固体床解体，

c.排气性能好，由于固液相分离，不混合

d.单耗低，由于塑化效率高，减少了能耗

e.适应性强，可用于多种用途、适用多种物料

f.耐扫膛性能好，由于固液相分离，固体颗粒不能嵌入数值较小的主螺纹与机筒的缝隙中

g.能实现低温挤出，已熔融物料不再承受导致过热的剪切，而获得低温挤出

故在国内外都得到较广泛的应用。

2）缺点

尽管BM分离型螺杆具有以上优点，但也存在一定问题。

a. 加工制造困难。由于主附螺纹螺距不等给加工制造带来很多困难而影响它的推广；

b.熔融能力受到限制。由于它的固体床的宽度是由宽变窄，因此不能自始至终保持固体床与料筒壁之间的最大接触面积而获得来自料筒壁的最多热量，从而使熔融能力受到限制；

c. 可能引起螺槽堵塞而产生挤出不稳定。固体床在宽度方向要发生形变，如果设计不当，即固体床因熔融而发生的宽度的减少与固相螺槽宽度的减少不一致，有可能引起螺槽堵塞而产生挤出不稳定。

3) 解决办法--- Barr螺杆

针对 BM螺杆的这一缺点，人们研制出所Barr螺杆。

这也是一种分离型螺杆。它与BM不同之处是

a.主附螺纹的螺距相等。固相螺槽和液相螺槽的宽度自始至终保持不变。

b.螺槽深度变化。固相螺槽由加料段的深度渐变至均化段的槽深，而液相螺槽深度由零逐渐加深，至均化段固体床全部消失时，液相螺槽变至最深，然后再突变过渡至均化段的螺槽深。

从理论上这样就能使固相始终保持与料筒的最大接触面积，因而具有较高的熔融能力。这种螺杆加工比较方便。

（二）屏障型螺杆

1、设计思路：

所谓屏障型螺杆就是在螺杆的某部位设立屏障段，使未熔的固相不能通过，并促使固相熔融的一种螺杆。

2、结构原理：

下面是一种常用的直槽屏障型螺杆的屏障段。

1）在该段的圆柱面上等距地开了若干纵向沟槽，分为两组；

2）一组是进料槽，其出口在轴线方向是封闭的；

3）另一组是出料槽，其入口在轴线方向是封闭的；

4）两组槽相间。将进料槽和出料槽隔开的棱面与料筒之间的间隙大小不等，一半为δ（正常螺杆与机筒的间隙），