众所周知，啮合同向双螺杆是组合式，如果说多种类型和不同数量的螺杆元件是组成螺杆的小积木块，那各种功能段的局部螺杆构型则是组成螺杆的大积木块。
因此，要解决好整根螺杆的组合设计，除需对各种螺杆元件的性能和构造了解得很清楚外，还要对各功能段及其相应的局部构型有深入的认识与把握。
接下来我们便一起来了解下挤出机螺杆不同功能段的组合设计。
各功能段的局部螺杆构型
啮合同向双螺杆挤出过程一般由加料、固体输送、熔融 、熔体输送 、混合、排气等功能段组成。不同的功能段需要不同的局部螺杆构型与它相适应，以完成不同的功能。
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加料段的螺杆构型
这里说的加料段，除了指第一主加料口下方对着的螺杆区段以外，还包括下游加料口对着的螺杆区段。对加料段的主要要求是能顺利地、多适应性的加入各种物料，包括各种形状的粒料，低松密度粉料，纤维状的添加物料等。这一段一般采用大导程、正向螺纹输送元件。
在螺槽深度不变的情况下，大导程意味着大的螺槽容积，对第一加料口对着的加料段来说，可以容纳和加入大体积的物料，对于下游加料口对着的加料段来说，可以创造由上游输送来的物料的低充满度，以容纳新加入的物料。
大多数双螺杆挤出机都采用与其区段螺纹元件等深的大导程标准螺纹元件，也有的双螺杆上采用加大螺槽深度的非标准螺纹元件，以获得大的加料能力和输送能力。
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固体输送段的螺杆构型
固体输送段的功能就是把加入的固体物料沿螺杆向口模方向输送，同时在这一输送过程中将松散的粉状低松密度物料压实或提高粒状物料在螺槽中的充满度，以促进物料在下游的熔融塑化。
这一段的螺杆构型是：与加料段螺纹元件相接的螺纹元件应采用大导程正向螺纹元件，其后应采用使螺槽容积变小的正向螺纹元件，主要是采用由导程分段变小的螺纹元件组成的螺纹区段，图1表示出了这种情况。由图1可以看出，沿输送方向螺槽的充满度逐渐变大，物料得到了压缩、密实。
图1 固体输送段的螺杆构型
对于低松密度的粉状物料，将不同导程的螺纹元件组合起来形成对物料致密的螺杆构型，一般不会出现什么问题，但如果输送的是颗粒状物料，且相应机筒段加热温度又比较低，则相接螺纹元件导程的过大过急变化有时会导致机器过载，故在确定相邻螺纹元件导程的变化程度时应斟酌。
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熔融塑化段的螺杆构型
熔融塑化给定聚合物的最佳螺杆局部构型取决于物料的比热、熔点、熔体粘度及聚合物在固体状态时粒子的大小。用于熔融、塑化的局部螺杆构型设计的目标是在设定的温度下将物料均匀、快速地熔融，而又不给物料输入过多的能量。
使物料熔融的热源有两个，一个是由机筒加热器提供的外热，另一个是由螺杆导入的剪切热，后者是主要的。为导入剪切热，在熔融塑化段应设置捏合块、反向螺纹元件、反向密炼机转子式非标准螺纹元件(图2)，并将这些元件在预定的螺杆轴向位置与其上游的正向螺纹元件有效地组合起来，图3所示。
RGS -右旋
LGS-左旋
S chauffl-左、右旋
图2 密炼机转子式大导程螺纹元件
(a) 反向螺纹元件 (b) 正向捏合块+反向螺纹元件
(c) 正向捏合块 (d) 反向非对称大导程螺纹元件
图3 用于熔融的局部螺杆构型
评价用于熔融塑化段局部螺杆构型的好坏的标准，应当是它能将机械剪切能变成热能，而使物料熔融得最快、最彻底，又不使物料温度升高, 即能量利用最合理。
实验发现，图3中b构型，在螺杆高速运转下，物料熔融得很快，且熔融区的长度很短。但是在该区段及其上游一段区域内物料的温升很高，大大超过原来的设定温度和物料熔融所需要的能量， 而且熔体压力也很高。
这说明这种螺杆构型耗散了过多的机械能，除使物料熔融外，还使熔体温度大大升高，显然这不是最佳。
在对加入物料的配比需要调节(调节比为1-5)的情况下，仍用同一根螺杆显然不合理，而重新对螺杆进行组合，又必须停机，拆下机头，移去下游辅机；重新恢复机器正常工作周期长，经济上不合算(尤其对大型机)，这时可用中间过程调节阀(径向式、轴向式、旋转式) 调节流量和剪切能的输入，以适应不同配比。
用于熔融的较好螺杆构型是图3所示组合有非对称大导程螺纹元件的螺杆构型d,它可以使大部分物料经受可控恒定剪切和压力, 故物料温度不高。
为了避免在熔融塑化区产生过高的温度梯度, 可将剪切元件和正向螺纹输送元件相间组合, 使总能量的输入以一定的顺序在一定的轴向长度内分布开来, 为图4(c)所示 。
(a) 正向捏合块+反向螺纹元件 (b) 反向捏合块
(c) 正向捏合块与正向螺纹元件相间排列至排气口
图4 Berstorff 公司用于熔融的螺杆构型
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排气区的螺杆局部构型
啮合同向双螺杆挤出机设有排气区，以便把物料中的湿气、夹带的空气和可挥发的组分除去。在排气口上游的螺杆上应设置密封元件，将熔体密封，以建立起高压；在排气区，即与排气口对着的螺杆区段，应使物料在螺槽中充满度较低，并与大气或真空泵相通。
使熔体密封并建立高压可采用反向螺纹元件、反向捏合块或调压阀。在排气区则应采用大导程螺纹元件(图5)，以形成低充满度和薄的熔体层，使物料有可暴露的大自由表面，长的停留时间，以利于排气。
图 5 排气区螺杆构型
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用于熔体输送的螺杆构型
熔体输送一般采用正向螺纹元件。但有时在螺杆熔体输送区要采用捏合块或反向螺纹元件，而物料通过这些元件需在其上游建立压力；为使物料通过口模，在螺杆末端的熔体输送段也要建立压力。
只有在完全充满物料的螺杆段才能建立压力，因而啮合同向双螺杆的压力建立来自物料对螺槽连续充满的能力。100%的充满度能使轴向有通道的螺杆构型在短距离内建立起压力。
而熔体对螺杆的充满长度取决于物料的粘度、螺杆导程、螺杆转数、加料量和口模阻力。影响建压能力的有螺纹导程和螺纹头数。建压伴随着温升, 这是由于聚合物低的传热系数和螺杆冷却表面与熔体挤出量之比比较低所致。
为使建压带来的温度最低，必须优化建压螺杆构型，以减少背压区长度，使输入物料的能量最小。背压区变短，意味着在预定的压力下，对流率的某一值的熔体输送段，压力梯度必须达到最大值。
应当指出，若熔体输送段的螺杆构型或操作条件选择不当，有可能导致挤出不稳定，如流量波动；排气口下游熔体输送区的充满长度，不仅延伸到排气压，否则会导致排气冒料。
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混合段的螺杆构型
啮合同向双螺杆挤出机的混合功能最重要，因而混合段的螺杆构型设计具有非常重要的意义。近来发现，在双螺杆的熔融段，聚合物共混物分散相尺寸发生急剧下降，从初始毫米级的宏观粒子或粉末很快减少到熔融结束后的几十微米。
在初始共混阶段之后，共混物分散相的较大颗粒在剪切作用下，尺寸进一步减小到最终微米级。
与熔融段对共混物形态结构的影响相比，熔体输送段对混合的影响小得多。换言之，分散相颗粒尺寸在软化(对无定型聚合物)阶段或熔融阶段(对半结晶聚合物)变化很大，而当聚合物完全熔融后其分散相颗粒尺寸变化不大。
TM E —涡轮混合元件 LH —左旋
KB—捏合块 SB —单头反向螺纹元件
图6 W&P公司增加分布混合的螺杆构型
图7 由二头和三头捏合块组成的增加
混合强度的混合段
图8 用于分布混合和分散混合的由捏合块和螺
纹元件组成的螺杆构型
图6表示双螺杆组合设计中, 齿形元件和其它元件组成的增加分布混合强度的螺杆构型, 而图7为由二头和三头捏合块组成的适于增加熔融混合强度的螺杆构型, 图8为用于分布混合和分散混合的由捏合块和螺纹元件组成的螺杆构型。
需注意的是：各功能段螺杆构型的选取必须结合所要进行的混合作业的任务(共混改性，还是填充改性) 和混合工艺进行。
文章来源：链塑网 | 
