维普资讯 挤 出设备 双螺杆挤磷机螺杆 1il；}=的缟构和进恩 刘云湘 刘廷华 (四川大学高分子科学与工程学院成都 610065) 摘 要 ：本文概述了双螺杆挤出机的螺杆结构和使用现状，并对双螺杆挤出机螺杆元件的进履进行 羹逮。 要害词：双螺杆挤出机；螺杆元件 StructureandDevelopmentofScrew Elemml inTwinScrew Extruder _ LiuYunxiang LiuTinghua (CollegeofPolymerScienceandEngineering，SichuanUniversity，Chengdu610065) Abstract：Screw structureandapplicationoftwinscrewextruderaresummarize~．Developmentsefsemw囊k蛳 b aboutthisextruderareintroduced． Keywords：twni screw extruder；screwelements 1 日U蓄 双锥形则是大端直径与小端直径之比2，螺槽深度在螺 跟着双螺杆挤出机的广泛使用，螺杆元件作为双螺 杆全长突变。高效双锥型是在双锥型的根底 匕开展起来 杆挤出机的要害部件得到充沛的注重并不断得以开展 ， 的，除了具有双锥型螺杆结构特色外，螺杆长度也有适 其从开始简略的平行、整体式双螺杆开展到平行、锥形 当加长。 ’ 组合式两大类 ，螺杆元件类型 日益增多。因而 ，要用好 锥形双螺杆由于具有许多长处，近二十多年来得到 双螺杆挤出机，对其螺杆元件的结构和功用应该有—个 较大开展，其首要特色有： 体系的了解。 (1)螺杆尾部中心距增大，因而能够装置具有较大承 2双螺杆挤出机 载才能的止推轴承和传动齿轮，然后避免了平行双螺杆 双螺杆挤出机按两根螺杆的散布有啮合与非啮合之 不得不要用几个小轴承 串联起来接受轴向力的繁琐结 分，按旋向有同向旋转和异向旋转之别，按螺杆轴向排 构 ，利于进步轴承寿数。由于螺杆后部直径增大 ，螺杆 列有平行和锥形丽类。平行双螺杆的丽根螺杆轴线相互 强度也得到进步，增大了其传递扭矩和功率的才能，使 平行，锥形双螺杆的两螺杆轴线相交成一视点。平行双 得平行双螺杆的一大缺点得到了补偿。 螺杆按结构可分为整体型、组合型和双单螺杆双阶型 (2)料区较大的螺杆直径增大了传热面积和剪切速 (即由双螺杆过渡到单根螺杆挤出)等多种型式。 率，利于物料的运送紧缩和塑化。而在挤出段因较小的 锥形双螺杆挤出机是在彻底啮合式平行异向旋转双 螺杆直径，其传热面积和剪切速率都相应下降了，更利 螺杆挤出机的根底上开展起来的一种机型，其螺杆结构 于完成低温挤出，这特别有助于挤出象PVc那样的热敏 阅历了三个开展阶段：一般型、双锥型 (超锥型)、高 性塑料。 效双锥型。一般型是锥形螺杆的初级结构，其螺杆大端 (3)螺杆装拆比较便利。组合式双螺杆因其螺杆由不 直径与小端直径之比≤2，螺槽深度在螺杆全长不变。 同数 目具有不同功用的结构元件按必定的要求和次序组 +通讯联系人 10 2口O眸 第三期 (总第嗍 ) 维普资讯 ExtrusionEquipment 挤 出设置 装到带导键或六角形芯轴上而成的。其可依据所加工的 弱 。 物料和不同制品的工艺要求 ，挑选不同类型、不同数量 齿形混合盘首要用作搅舌I料流、加强均化和混协作 的结构元件进行优化组合。因而可用有限的结构元件实 用，它能使浓度很低的添加剂混合更均匀。 现多种组合，然后使一台机器适合于多种物料加工的需 4螺杆元件的新开展 要。 4．1同向双螺杆挤出机新式混炼元件的开展 3螺杆元件及其特色 前期的双螺杆挤出机的螺杆组合件品种较少，首要 组合式双螺杆的结构元件有多种多样的型式，一般 包含不同导程的螺纹元件，不同错列角和啮合宽度的捏 有运送元件 (螺纹套 )、剪切元件 (齿形盘 )、混合元 合盘元件。全啮合同向双螺杆挤出机尽管具有可模块化 件、紧缩元件和捏合元件等，将其组装到螺杆芯轴上形 的特色，构成优异的涣散性和散布性混合，但最大的不 成整条螺杆后能够到达不同作用的接连运送 、加压、塑 足是或许发生高峰值剪切速率和相对缺乏的泵送才能。 化PG麻将胡了、排气和均化等 意图。如混炼用的组合式双螺杆，物 螺杆的速度越高，峰值剪切应力和速率就越大并或许导 料 自料斗参加后由运送螺纹元件送至剪切和混合元件一 致严峻的结果。如象PVc等剪切灵敏的聚合物难以完成 捏合块处，使塑料和添加剂在此得到剪切、混合和塑 共混挤出。为了处理混炼进程 中存在的缺点，现在很多 化。捏合块后的挡环则起阻挠料流、升高前段料的压力 厂商不断开发一些特别的新式混炼组件。如F1xpolygon 以强化捏合块的剪切作用。齿形混合盘可用于增强物料 元件 (六棱柱元件 )，FTXCME元件 (s型元件)，WP 的混合均化作用。单双螺汗双阶型双螺杆挤出机 ，大都 TME元件，ZMWSM~ 和LCMAX元件等。 是先以双螺杆加料 、紧缩 、混炼和塑化，然后由单根螺 Frxp0lyg0n元件 (图1)能够是中性的或许选用微 杆完成挤出，这样可避免和下降出料动摇和完成低温挤 小的反向螺旋角。螺杆能够由传统的全啮合正向或反向 出。 螺纹运送组件与FIX yg0n元件组合，配对时能够是棱 螺纹元件有以下特色：1．异向旋转双螺杆螺纹元件 对棱装置或棱对边装置。FTXp0lyg0n元件和机筒之间相 — 般为整体式的，以确保啮合精度 ，尤其是对锥形双螺 对大的均匀问隙供给了相对低的剪切速率，然后消除了 杆。2．同向旋转双螺杆的螺纹元件可分为正向螺纹运送 啮合块组件的过热门。对m 【p0lyg0n元件和捏合块元件 元件和反向螺纹运送元件。前者又有单头 ，双头 ，叁头 作三维等温非牛顿模仿，能够得到在相同的压差下F1x 之分。单头螺纹螺槽较深，运送才能大，剪切作用小， p0lyg0n元件比捏合块元件产率高，剪切速率场和剪切应 首要用于运送；双头螺纹螺槽稍浅，剪切作用中等，用 力场散布更均匀的定论，其涣散性混合才能则与捏合块 于杰出的混合和运送 ；叁头螺纹螺槽浅，剪切作用强， 附近。研讨标明，FFXpDlyg0n元件比捏合块元件比能耗 运送才能低，适于高剪切混合。反向螺纹运送元件的输 小，出料温度低，散布混合才能强。但由于组件和机筒 送方向与挤出方向相反，作为阻力元件 ，用于构成密封 之间的空隙较大，该组件无法有用刮擦机筒内外表，只 和树立高压利于排气脱挥。 能发生有限的自清洁作用。 捏合盘元件是一种装于双螺杆芯轴上的具有很强剪 切和混协作用的混炼元件 ，它相当于—个螺纹旁边面倾角 为90。、螺距为无限大的同向旋转螺杆的一部分，可分 为正向捏合块和反向捏合块。其有如下的特色：可按不 同的错列角，不同盘厚，不同旋历来制作，其功用也就 (a) (b) 不同。一般来说，错列角越大，运送才能越弱，剪切混 图1FTXPolygon元件 (a)和捏合盘元件 (b) 合作用越好 ；错列角越小 ，运送才能越好 ，剪切混合 F ．1(a)FTXPolygonelements(b)Kr’e{ngblockelements 弱；左旋错列，反向运送用于树立高压，剪切混合中。 捏合盘越厚剪切作用越强，但混合和正向运送作用越 FrxCME元件 (图2)是一种具有非对称横截面形 20姘 弟．三期 (总第啊 —— 维普资讯 挤 出设置 状并且螺杆和机筒间有较大空隙的组件。每一个组件由 特色，其分流槽的旋向和导程规划能够依据加工物料性 两条螺旋形棱歪曲而成 ，别离起正向和反向泵送作用。 能和工艺进程需求随时调整，即可便利完成多组WP 其首要特色是引进了两个楔形区和大的螺杆和机筒间 T^伍元件的组合规划。 隙。由于F1 cM巳元件特别的几许造型使流场发生了不 同于惯例螺纹元件的改变。故正反向螺纹和大导程的采 用发生了特别的V字型压力散布，使元件中物料的活动 发生了特别的改变；由于螺棱与机筒空隙大及正反向螺 纹的存在 ，使跨过螺棱的活动大大添加 ，增强了螺槽间 的物料交流；由于跨过螺棱的物料必定要沿楔形区体积 逐个 缩小的方向运动，然后在楔形区发生拉伸活动，有利于 涣散混合；而大空隙的选用减低了高剪切，使剪切速率 图3WPTME元件 散布更为均匀，使挤出机螺杆转速进步有了或许。可见 Fig．3WPTMEelements FTXcM匣元件根本完成了在高螺杆转速下，避免部分温 ZMFJSME~ (图4)的两元件问存在啮合联系， 升，添加混合才能，使流道中的物料更为均匀的规划 目 其元件外形与全啮合螺纹外形彻底相同，具有 自清洁功 的。 能。能够装备在反向螺纹元件或反向捏合盘片之前，用 以添加物料挤出进程中流线的切割兼并进程，元件能够 和一般螺纹元件相同装置组合 。与TME元件不同， ZME／SME~；／(t：的齿形流道是沿着全啮合螺纹元件螺棱 进行散布摆放的。ZME／SME元件的规划开发是为了在 物料接受低剪切强度条件下完成散布性混合，一起在螺 杆的装备上能够大大削减螺杆轴向长度 。由于切割流线 的流转槽深度较深，物料流经分流槽时接受较捏合盘元 件中小得多的部分剪切应力，故能够避免过热现象。由 于低剪切强度条件下完成散布性混合，物料的温度改变 能够操控在合理的规模内。ZME／SME元件能够在原有 图2F．r×CME元件 螺纹元件规划根底上再加以改善。因而该元件具有杰出 Fig2FTXCME elements 的组合适应性和互换性，一起能够在物料阅历流线切割 WPTME~F／F(图3)的齿形能够为反向螺旋角或 后从头完成流线在螺槽内的兼并，最终在相邻螺槽螺棱 为中性视点，牙形能够为锯齿形也能够为半圆形。能够 上再次阅历流线切割。由于外形规划契合全啮合同向双 和任何螺纹元件或捏合盘元件衔接装置，一般装备过渡 螺杆挤出机的螺纹元件规划几许学理论 ，所以这种元件 盘片。WPT^伍元件的两个元件之间不存在捏合联系。 具有较 伍元件更好的自清洁功用。 由于—个元件和另—个元件的相应部分呈相切联系，故 其不具有自洁功用。WPT^伍元件的规划开发是为了在 物料接受低剪切强度条件下完成散布性混合，一起在螺 杆的装备上能够大大削减螺杆轴向长度。由于切割流线 的流转槽深度较深，物料流经分流槽时接受较捏合盘元 觑 件中的部分剪切应力小得多，故可避免过热现象。由于 ZMFJSME元件 低剪切强度条件下完成散布性混合，物料的温度改变可 图4ZME，sME元件示意图 以操控在合理的规模内。WP卟伍元件具有灵敏的规划 Fig4ZME／SMEelements 12 加0眸 第三期 (总第嗍 ) 维普资讯 挤 出设置 轴向排放接连混合器LCMAX由Pomini，SPA制作 ， 4．4反响挤出双螺杆挤出机的螺杆元件 具有很好的涣散才能、精细的温度操控和高浓度母料混 反响机除具有传统挤出机的功用外，还在挤出过 合才能 ，LCMAX的混合部分包含4个接连的推进单元 (P)和—个反向单元 (C)，如图5所示。 图5LCM-AX元件 Fig．5LCM-AX elements 4．2反向旋转双螺杆挤出机螺杆元件 反向正切双螺杆挤出机在加料段和模头之间装有8 个盒式加热器。为避免加料段物料熔化 ，在料筒的加料 区通有冷却水。给料速度由一个计量式螺杆加料器控 制。 tS柳．暑嚣包含模块化螺杆规划，螺杆元件有两种 捏合方法 (i)严密捏合 (FD)，其螺翅较厚 ； (ii)非 捏合 (FF)，其螺翅较薄。在使用中，FF运送元件安放 剪切元件 狭缝充填元件 在料筒底部，由于螺槽较宽可运送粒料。在计量段 ，FF (d)特别元件 麟鹂逐个蕊嬲逐个逐个印 和FD两种运送元件都需求。其他支撑元件有剪切元件 图6Leistritz螺杆元件 (7_3)和狭缝充填元件 (7_35)，这些元件的首要功用 Fig．6Leistdtzscrew elements 是树立压力和涣散填料。这些元件示意图如图6所示。 程中引进聚合反响和化学反响，具有化学反响器的功 4．3混炼型锥型双螺杆螺杆元件 能。在规划反响挤出螺杆时须在液体物料注入部位发生 锥形双螺杆挤出机具有共同的结构和加工功用，其 负压，以利液体的注入及涣散。为确保反响物在挤出机 加料量大，运送才能高，单耗低，但混合作用较差。为 中有满足的反响时刻，螺杆的长径比应尽或许大 些。 了改善惯例锥形双螺杆的混炼作用，北京化工大学研发 经过规划和挑选不同八．何构型，不同组合的螺旋 (或螺 出—套带有混炼元件和分流元件的组合式混炼型锥形双 套)组件 ，能够有用操控物料在双螺杆挤出机 中的逗留 螺杆。依据混合块的结构和混合块之间的摆放夹角，可 时刻 (可在l—l5分钟的规模内调理 )，然后操控反响 组成七种结构方法。螺杆由加料段、预塑段、塑化段、 程度。反响型双螺杆挤出机 排气段和挤出段所组成，预塑段由混合块构成，混合块 专门规划和制作的 。有必要依据物料和反响介质性质，反 上有捏合盘和凸台，捏合盘的外锥角与螺杆的外锥角相 应特征和工艺要求等规划和挑选螺套组件的几许构型、 同；在挤出段的后部设有混炼头。试验证明新式混炼型 组合方法。螺杆的直径和长径比以及螺槽的深度、进料 锥形双螺杆既保留了惯例锥形双螺杆运送效率高的特 口的方位 、熔融区和反响区的长径比大小、压力和温度 点，又增强了其对物料的混炼作用，适用于锥形双螺杆 以及扭力矩传感器的设定方位等等。例如北京丰阳塑化 挤出机加工聚氯乙烯粉料或其它聚烯烃粉料 ，可完成直 工程技术有限责任公司与科院长春应化所协作开发的用 接挤出成型管材 、板材 、异型材或挤出造粒 ，拓宽了锥 于聚烯烃反响接枝和反响共混的同向双螺杆挤出机 ，其 形双螺杆的使用规模。 螺杆直径为3O，长径比为44，物料运送和熔融区的长径 维普资讯 挤 出设备 比约为12，反响区的长径为 ，选用同向啮合型螺杆规划。 twinscrewex~rusionJ[1．PolymerEngineeringandScience 4．5多功用的双螺杆挤出机螺杆元件 v38n3M ar1998，pa85-498 西安理工大学和四川大学别离研发了既能够作为异 [4]Sheraer，Gifford，etcEffcetsofkneadingblockdesignnad 向又能够作为同向旋转的多功用试验双螺杆挤出机 ，改 operatingondistributivemixingintwinSGT~Wextruder[J]． 变了曾经双螺杆挤出机的单一功用。该挤出机选用新研 Polymre EngineeringandScience v45n5May2000,p1095-- 制的传动箱和止推轴承，使一机多用，进步成效，不只 1106 能够用于制作塑料制品，造粒，吹塑薄膜 ，装上附件还 [5]Yao，Chill—Hsinag，etcInfluenceof designondispersive 能够进行食物加工，榨油等。高速同向螺杆多选用偏疼 mixingperformna ceinna axialdischragecontinuous 圆弧齿形螺杆规划，其特色为：啮合区齿棱与另一螺杆 mixer-LCMAX40[J]．PolymerEngineeringnadScience 齿侧间相互全面刮试 ；螺槽纵向打开 ，横向关闭；螺杆 v38n6June1998,p936-946 齿面与料筒有楔形角，起压延作用；有杰出的自洁才能 [6]Yoshinaga，Makoto，etcMixingmcehanism of three-tip 及混协作用。为了进步混炼作用，在螺杆中规划了两种 kneadingblockintwinscrew extrudersJ[]．Polymer 混炼元件 ，一是销齿状的反螺纹元件；另一种是在挤出 EngnieeringnadSciencev40nl2000，p168-178 段中设置了齿盘状的混炼元件。经过出产试验 ，到达了 [7]Cnaevraolo，SebastiaoV，etcEffcetof ,screwelementtype 杰出的混炼要求。最近的新式异向双螺杆是由辛辛那提 indegradationofpolypropyleneuponmultipleextrusions 公司出产的CM28／0W18D，其是在惯例异向双螺杆根底 [J】．Advnacesni PolymerTcehnologyv21n4Winter 上改善而成的。其长径比由本来的18变为21，并添加了 2002p243-249 销钉形的混炼元件，使塑料制品的质量明显进步。 [81Cbeng，Hongfei，etcStudyofmixingefficiencynikneading 4．6波状双螺杆螺杆元件 discsof co-roattingwtin-screwextruders[]j．Polymer 北京化工大学经过对非啮合异向双螺杆挤出机的研 Enginee ringna dSciencev37n6Jun 1997，p1082-1090 究，把单螺杆挤出机中使用较广、混合作用较好的波状 [glPloski，WalterA,etcCo-rotatingtwill--S~lTeWextrudersfor 螺杆的规划思路使用到此种螺杆上，规划制作出非啮合 compoundingadhesivesnadsealnats[]j．RubberWorld 异向旋转波状双螺杆 ，其混合才能优于惯例非啮合双螺 2204 1999pa9-42 杆。这种波状螺杆是双波螺杆，即有两条螺纹，一条是 【1o】挤出机规划 M【】四川大学出版社 1994 主螺纹，一条是副螺纹。副螺纹把主螺纹构成的螺槽分 【ll】冯连勋．国内外双螺杆挤 出机的开展 J【】．塑料加工 ， 成两个螺槽 ，主螺纹顶部与机筒内壁构成的问隙较小， 1996，24(2)．— —47 而副螺纹顶部与机筒内壁构成的问隙大。这两个螺槽的 [121陈志强等．啮合同向双螺杆挤出机新式混炼元件功用 深度皆呈波状周期性改变，但两者相差1踟。的相位。 及使用 J【】．我国塑料．2001，27(6)．．21—23 [131董力群 冯连勋．混炼型锥形双螺杆试验研讨 J【】_我国 参考文献 塑料 ，2001，15(8)．—83—86 【1]Ishikawa，Takeshi，etc．Flow patternsandmixing [141吴京 殷敬华．热塑性聚合物的反响挤出与双螺杆挤 mechanismsinthescrew mixingelementofaco-rotating 出机 J【】．塑料加工，2002，36(2)．—42-476【】金月 twin-scl~Wextruder[J]．PolymerEngineeringandScience 富等。新式同向双螺杆元件一s型元件研讨．我国塑 v42n5May2002，p925—939 料，2002，16(1)．一79-85 [2 [151董力群．一种锥形双螺杆 P【】．我国专利 inconveyingelementsofaZSK-53co-roattingtwin 0 ，1995—05 screwextruder[J]．PolymerEngineeringnadSciencev38 【l6】尹燕玲等．啮合同向双螺杆挤出进程新式混合元件一 n6June1998，p926-93 5 六棱柱元件试验研讨 J【】．我国塑料，2002，16(6) [3]Bnag，Dae—Suk，etc．Modulartangentialcounter-roatting 76—80 @ 14 2口姘 第三期 (总弟9期)

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