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简述挤出机构成原理(三)之螺杆

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简述挤出机构成原理(三)之螺杆

发布日期:2018-05-11 作者: 点击:

螺杆是挤出机的心脏,是挤出机的关键部件,螺杆的性能好坏,决定了一台挤出机的生产率、塑化质量、填加物的分散性、熔体温度、动力消耗等。是挤出机最重要的部件,它可以直接影响到挤出机的应用范围和生产效率。通过螺杆的转动对塑料产生极压的作用,塑料在料筒中才可以发生移动、增压以及从摩擦中获取部分热量,塑料在料筒的中的移动过程中获得混合和塑化,黏流态的熔体在被挤压而流经口模时,获得所需的形状而成型。与料筒一样,螺杆也是用高强度、耐热和耐腐蚀的合金制备而成。

由于塑料的种类很多,它们的性质也各不相同。因此在实际操作中,为了适应不同的塑料加工需要,所需的螺杆种类不同,结构也有各有差别。以便能最大效率的对塑料产生最大化运输、挤压、混合和塑化作用。图为几种较常见的螺杆。

表示螺杆特征的基本参数包括以下几点:直径、长径比、压缩比、螺距、螺槽深度、螺旋角、螺杆和料筒的间隙等。

最常见的螺杆直径D大约为45~150毫米。螺杆直径增大,挤出机的加工能力也相应提高,挤出机的生产率与螺杆直径D的平方呈正比。螺杆工作部分有效长度与直径之比(简称长径比,表示为L/D)通常为18~25。L/D大,能改善物料温度分布,有利于塑料的混合和塑化,并能减少漏流和逆流。提高挤出机的生产能力,L/D大的螺杆适应性较强,能用于多种塑料的挤出;但L/D过大时,会使塑科受热时间增长而降解,同时因螺杆自重增加,自由端挠曲下垂,容易引起料简与螺杆间擦伤,并使制造加工困难;增大了挤出机的功率消耗。过短的螺杆,容易引起混炼的塑化不良。

料筒内径与螺杆直径差的一半称间隙δ,它能影响挤出机的生产能力,随δ的增大,生产率降低.通常控制δ在0.1一0.6毫米左右为宜。 δ 。锪鲜艿降募羟凶饔媒洗螅欣谒芑墓。苛业募羟凶饔萌菀滓鹞锪铣鱿秩然到到猓币资孤莞吮槐ё』蛴肓贤脖谀Σ粒遥 δ太小时,物料的漏琉和逆流几乎没有,在一定程度上影响熔体的混合。

螺旋角Φ是螺纹与螺杆横断面的夹角,随Φ增大,挤出机的生产能力提高,但对塑料产生的剪切作用和挤压力减。ǔB菪墙橛10°到30°之间,沿螺杆长度的变化方向而改变,常采用等距螺杆,取螺距等于直径,Φ的值约为17°41′

挤出机

压缩比越大,塑料收到的挤压比也就越大。螺槽浅时,能对塑料产生较高的剪切速率,有利于料筒壁和物料间的传热,物料混合和塑化效率越高,反而生产率会降低;反之,螺槽深时。情况刚好相反。因此,热敏性材料(如聚氯乙烯)宜用深螺槽螺杆;而熔体粘度低和热稳定性较高的塑料(如聚酰胺),宜用浅螺槽螺杆。

1.螺杆的分段

物料沿螺杆前移时,经历着温度、压力、粘度等的变化,这种变化在螺杆全长范围内是不相同的,根据物料的变化特征可将螺杆分为加(送)料段、压缩段和均化段。

①、塑料及塑料三态

塑料有热固性和热塑性二大类,热固性塑料成型固化后,不能再加热熔融成型。而热塑性塑料成型后的制品可再加热熔融成型其它制品。

热塑性塑料随着温度的改变,产生玻璃态、高弹态和粘流态三态变化,随温度重复变动,三态产生重复变化。

a.三态中聚合物熔体不同的特征:

玻璃态——塑料呈现为刚硬固体;热运动能。肿蛹淞Υ螅伪渲饕杉潜湫嗡毕祝怀ネ饬笮伪渌彩被指矗粲谄盏伪。

高弹态——塑料呈现为类橡胶物质;形变由链段取向引起大分子构象舒展作出的贡献,形变值大;除去外力后形变可恢复但有时间依赖性,属于高弹形变。

粘流态——塑料呈现为高粘性熔体;热能进一步激化了链状分子的相对滑移运动;形变不可逆,属于塑性形变

b.塑料加工与塑料三态:

塑料玻璃态时可切削加工。高弹态时可拉伸加工,如拉丝纺织、挤管、吹塑和热成型等。粘流态时可涂复、滚塑和注塑等加工。

当温度高于粘流态时,塑料就会产生热分解,当温度低于玻璃态时塑料就会产生脆化。当塑料温度高于粘流态或低于玻璃态趋向时,均使热塑性塑料趋向严重的恶化和破坏,所以在加工或使用塑料制品时要避开这二种温度区域。

②、三段式螺杆

塑料在挤出机中存在三种物理状态——玻璃态、高弹态和粘流态的变化过程,每一状态对螺杆结构要求不同。

c.为适应不同状态的要求,通常将挤出机的螺杆分成三段:

加料段L1(又称固体输送段)

熔融段L2(称压缩段)

均化段L3(称计量段)

这就是通常所说的三段式螺杆。塑料在这三段中的挤出过程是不同的。

加料段的作用是将料斗供给的料送往压缩段,塑料在移动过程中一般保持固体状态,由于受热而部分熔化。加料段的长度随塑料种类不同,可从料斗不远处起至螺杯总长75%止。

大体说,挤出结晶聚合物最长,硬性无定形聚合物次之,软性无定形聚合物最短。由于加料段不一定要产生压缩作用,故其螺槽容积可以保持不变,螺旋角的大小对本段送科能力影响较大,实际影响着挤出机的生产率。通常粉状物料的螺旋角为30度左右,时生产率最高,方块状物料螺旋角宜选择15度左右,因球形物料宜选选择17度左右。

加料段螺杆的主要参数:

螺旋升角ψ一般取17°~20°。

螺槽深度H1,是在确定均化段螺槽深度后,再由螺杆的几何压缩比ε来计算。

加料段长度L1由经验公式确定:

对非结晶型高聚物L1=(10%~20%)L

对于结晶型高聚物L1=(60%~65%)L

压缩段(迁移段)的作用是压实物料,使物料由固体转化为熔融体,并排除物料中的空气;为适应将物料中气体推回至加料段、压实物料和物料熔化时体积减小的特点,本段螺杆应对塑料产生较大的剪切作用和压缩。为此,通常是使螺槽容积逐渐缩减,缩减的程度由塑料的压缩率(制品的比重/塑料的表观比重)决定。压缩比除与塑料的压缩率有关外还与塑料的形态有关,粉料比重。写目掌啵杞洗蟮难顾醣(可达4~5),而粒料仅2.5~3。

压缩段的长度主要和塑料的熔点等性能有关。熔化温度范围宽的塑料,如聚氯乙烯150℃以上开始熔化,压缩段最长,可达螺杆全长100%(渐变型),熔化温度范围窄的聚乙烯(低密度聚乙烯105~120℃,高密度聚乙烯125~135℃)等,压缩段为螺杆全长的45~50%;熔化温度范围很窄的大多数聚合物如聚酰胺等,压缩段甚至只有一个螺距的长度。

熔融段螺杆的主要参数:

压缩比ε:一般指几何压缩比,它是螺杆加料段第一个螺槽容积和均化段最后一个螺槽容积之比。

ε=(Ds-H1)H1/(Ds-H3)≈H1/H3

式中,H1——加料段第一个螺槽的深度

H3——均化段最后一个螺槽的深度

熔融段长度L2由经验公式确定:

对非结晶型高聚物L2=55%~65%L

对于结晶型高聚物L2=(1~4)Ds

均化段(计量段)的作用是将熔融物料,定容(定量)定压地送入机头使其在口模中成型。均化段的螺槽容积与加料段一样恒定不变。为避免物料因滞留在螺杆头端面死角处,引起分解,螺杆头部常设计成锥形或半圆形;有些螺汗的均化段是一表面完全平滑的杆体称为鱼雷头,但也有刻上凹槽或铣刻成花纹的。鱼雷头具有搅拌和节制物料、消除流动时脉动(脉冲)现象的作用,并随增大物料的压力,降低料层厚度,改善加热状况,且能进一步提高螺杆塑化效率。本段可为螺杆全长20一25%。

均化段螺杆的重要参数:

螺槽深度H3由经验公式确定H3=(0.02~0.06)Ds

长度L3由下式确定L3=(20%~25%)L

d. 根据熔体输送理论,熔体在螺杆均化段的流动有四种形式,熔融物料在螺槽中的流动是这四种流动的组合:

正流——塑料熔体在料筒和螺杆间沿着螺槽方向朝机头方向的流动。

逆流——流动方向与正流相反,由机头、多孔板、过滤板等阻力引起的压力梯度所造成。

横流——熔体沿着垂直于螺纹壁方向的流动,影响挤出过程中熔体的混合和热交换作用。

漏流——由于压力梯度在螺杆与料筒间隙处形成的倒流,沿螺杆轴向方向。


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关键词:挤出机

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