应用案例
新型螺杆的设计方法
摘要：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。
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。
所谓新型螺杆，主要是指：
分离型螺杆
分流型螺杆
屏障型螺杆
组合型螺杆
4.1 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，固体床易解体，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，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。
由于上述因素，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。
较高频率的波动，与螺杆回转频率一致，它是由螺杆的旋转引起的，特别易发生在固体输送过程中；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；更低频率波动，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新型螺杆的设计
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
为克服常规螺杆存在的上述缺点，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螺杆所存在的固有缺点，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。
4.2 几种常见的新型螺杆
针对常规螺杆存在的问题，对挤出过程进行了深入的研究，在大量实验和生产实践的基础上，发展了各种新型螺杆。与常规螺杆相比，其优点如下：
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。
新型螺杆越来越得到广泛的应用。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。
4.2.1 分离型螺杆（主副螺纹螺杆）
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，从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。
其典型代表是BM螺杆。也叫主副螺纹螺杆。
1、BM螺杆的原理
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，这两条螺纹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。
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。全部熔融的物料经均化段均化，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、压力、温度波动小，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。
2）缺点
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渐变至均化段的槽深。
c.加工比较方便。
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。
4.2.2 屏障型螺杆
1、设计思路：
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)在圆柱面上等距地开了若干纵向沟槽，分两组；
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），另一半为△（大于正常螺杆与机筒的间隙）。
2）熔融机理
工作时，物料由进料槽流入。只有熔融的物料和粒度小于间隙△的固相碎片才能越过△（即图中划剖面线处）而进入出料槽，而那些未熔的粒度较大的固相碎片被屏障阻挡。
新型螺杆的设计
a.剪切作用
熔料和未熔融但能通过△的固相碎片在通过△时，受到强烈的剪切作用。
b.混合作用
进入出料槽的物料在槽中产生涡流而得以混合。
4、特点
a.如果设计得当，这种带有屏障段螺杆的产量、质量、单耗等项指标都优于常规全螺纹三段螺杆。
b.从制造方面来说，也比较容易。
c.它适于加工聚烯烃类塑料。
5、屏障螺杆的设计
关于屏障螺杆的设计包括两个方面，一是屏障段本身的设计，一是屏障段设在螺杆上的位置。
1）屏障段本身的设计
屏障段的主要参数有屏障长度L、剪切间隙△、剪切长度I、流通面积F，屏障槽数ω。
①剪切间隙△
它的大小影响着剪切速率和剪切强度，对挤出量、质量、压力、单耗都有影响。
a.△一般不宜取得过大，因为这样会降低屏障段的剪切混合效果；b.但也不能太小，否则会降低产量，因为产量与△3成正比。
②屏障段长度L
L不宜过大，否则会增加沿程的阻力。整个屏障段长度约（1—2）D。对容易塑化的物料（如聚乙烯）可取短些，而对难塑化的物料可以取长一些，其具体数值视螺杆直径大小而定。
2) 屏障段设在螺杆上的位置
如果作为螺杆头设在计量段末，应当使得物料到达屏障段时，残余固相最好保持在X/W＝0.2-0.3，这样能发挥屏障头的最大功效，即可获得塑化好、产量高、波动小的低温挤出。
3）其它形式的屏障段
a.斜槽屏障段，在改进自洁性的同时，增大了对物料的推进作用。
b.三角形沟槽屏障段，进料槽的入口较宽，随着料流在屏障上翻越，逐渐缩小进料槽的宽度，同时增大出料槽的宽度。
c. 屏障段可以是一段，也可以将两个屏障段串接起来，形成双屏障段。
4.2.3 分流型螺杆
1、设计思路：
在螺杆的某一部位设置许多突起部分或沟槽或孔道。将螺槽内的料流分割，以改变物料的流动状况，促进熔融、增强混炼和均化的一类螺杆。
销钉螺杆是它们的代表。
2、熔融机理
如前所述，常规全螺纹三段螺杆的一系列缺点是由于在挤出过程中固液相共存于一个螺槽并形成两相流动造成的，固相不易熔融。
设置销钉的作用如下：
1）打碎固体床，增大传热面积，对料流产生摩擦剪切将固体床打碎，破坏熔池，打乱两相流动，并将料流反复地分割，改变螺槽中料流的方向和速度分布，使固相和液相充分混合，增大固体床与熔体之间的传热面积，对料流产生一定阻力和摩擦剪切，而促进熔融。
2）通过销钉将熔料多次分割、分流而增加对物料的混炼、均化和填加剂的分散性，获得低温挤出。
其分流原理如下：
3、设计
销钉的设置位置、数目和大小要根据所加工的物料、加工的要求和设置销钉的目的来确定。
1）位置设置
a.如果设置销钉是为了增加熔融速率，销钉一般要设在熔融区；b.如果是为了混炼、均化和获得低温挤出，销钉一般设置在均化段。
2）销钉的排列形式
销钉的排列有各种形式，如人字形，环形等。
3）销钉之间的距离
销钉之间的距离不应超过销钉直径的1.5倍，
4）销钉的直径和数量与螺杆直径的关系如下：
螺杆直径 销钉直径 销钉数目（环形排列）
50 约3 30
90 4 34
115 5 36
150 5.5 42
200 6.4 48
5）销钉形状
销钉可以是圆柱形的，也可以是方形的，或菱形的；可以是装上去的，也可以是铣出来的。
新型螺杆的设计
4、特点
1）销钉螺杆可以提高产量（可提高30一100%），
2）减少 MD方向温度波动和TD方向的温差（如国外某厂家的一种销钉螺杆头，可以使TD方向温差仅为l℃），3）改善塑化质量，提高混合均匀性和填充物的分散度，获得低温挤出。
4）与其它新型螺杆相比，销钉螺杆的一个突出优点是加工制造容易。
4.2.4 组合螺杆
以上我们介绍了几种新型螺杆。可以看出：
分离型螺杆是在熔融段附加螺纹或螺槽，它只能和原螺杆作成一体；屏障型、分流型螺杆多在均化段或熔融段来增设非螺纹形式的各种区段，我们称之为螺杆元件。它们可以与螺杆做成一体，也可以用连接的方法加到螺杆本体（由加料段和压缩段组成）上。根据这些区段的作用的不同，将它们分别称为输送元件、压缩元件、剪切元件、均化元件等等。
1、结构组成
1）组合螺杆由螺杆主体和各种不同职能的螺杆元件（如输送元件、压缩元件、混炼元件、剪切元件等）组成的。
2）改变这些元件的种类、数目和组合顺序，可以得到各种特性的螺杆，以适应不同物料和不同制品的加工要求，并找出最佳工作条件。
不同职能的螺杆元件 :
2、特点
组合螺杆突破了传统常规全螺纹三段螺杆的框框，螺杆可以不再是整体的，也可以不再是由三段组成。这是螺杆设计中的一大进步。
1）可根据需要，任意组合。
2）最大特点是适应性强，专用性也强，易于获得最佳的工作条件，在一定程度上解决了“万能”和“专用”之间的矛盾。得到了越来越广泛的应用。
3）这种螺杆设计较复杂，在直径较小的螺杆上结构实现有困难。
4.3 新型螺杆设计中应注意的几个问题
所谓新型螺杆，就是螺杆上采用各种混炼段，或改变常规全螺纹三段螺杆结构型式的那些螺杆。
它们是在常规全螺纹三段螺杆的基础上发展起来的，尽管有别于常规全螺纹三段螺杆，但其中心问题还是围绕着提高挤出产量和挤出质量。
它们在挤出机中所处的位置和常规全螺纹螺杆相同，因此。在前一节中我们介绍的评价螺杆的标准和设计螺杆应当考虑的因素同样适用于新型螺杆。
但是，为了合理地选择和设计各种新型螺杆。有必要强调以下几点。
1、首先必须确切地弄清各种新型螺杆的工作原理，以及其适用的场合。
这是因为，不同的新型螺杆有不同的作用，因而有不同的适用场合。
1）一种是以混炼作用为主的新型螺杆，如销钉螺杆、DIS螺杆。显然，这一种新型螺杆适于混炼，获得均匀的熔体2）一种是以剪切作用为主的新型螺杆。如屏障型螺杆。，这一种则适于塑化物料（但不适于热敏性物料的加工）。
2、选择理想的混炼元件和剪切元件的位置
由前面介绍的几种新型螺杆可知，混炼元件和剪切元件多在计量段（或占一部分压缩段）设置，不宜太靠近加料段。这是因为过早地设置混炼元件会阻碍固体物料移动，增大料流阻力，减少出料量。
一般说来，混炼元件的位置大约在固相分布函数x/w=O.3左右比较合适。因为这样能发挥混炼元件的最大作用。
3、螺杆熔融能力必须和均化、输送能力相匹配。
1）在螺杆上增设混炼元件后，很可能会提高熔化速率，这时应当加大输送效率，否则物料会因在料筒中停留时间较长，超过所需温度而有过热分解的可能。反之，会造成塑化不良现象。
2）只有当输送效率高时，我们才能采用强力的混炼元件和剪切元件，以保证足够的塑化能力；
3）当输送效率较低时，只能采用中等强度的混炼元件和剪切元件；
4）当输送效率很低时，增设混炼元件和剪切元件反而有可能导致料温过高而产生物料变质、分解。
设置混炼元件和剪切元件时，必须注意到每一种元件都有其各自最理想的工作条件，只有在这个理想的工作条件下（或其附近）它才能很好的工作。因此不加分析地使用混炼元件和剪切元件或盲目地在一根螺杆上迭加多种元件想以此得到好的效果的做法是不足取的。
新型螺杆的设计及其最佳工作条件的选择并非一件容易的事。但是，在挤出理论的指导下。通过理论分析，实验验证和生产实践，还是有可能达到这一目标的。
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