優(yōu)化雙螺桿配混工藝，抓牢螺桿、機筒、排氣口三大設(shè)計核心

來源：市場資訊

（來源：鏈塑網(wǎng)）

雙螺桿配混工藝必須實現(xiàn)高產(chǎn)出率以及可接受的低磨損率，方能保證盈利。然而，許多配混廠商在運行其同向雙螺桿擠出機時，采用的設(shè)計和工藝條件并未達到最優(yōu)。這些問題通常涉及螺桿構(gòu)型、機筒配置及其排氣口設(shè)計。此類失誤會導(dǎo)致諸多問題，影響產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)出率，并加劇機筒、螺桿元件及齒輪箱的磨損。

原材料形態(tài)多樣，包括切粒、顆粒、片狀物及粉末等。其數(shù)量、形狀和固體密度共同決定了喂入物料的堆積密度。喂料區(qū)必須配備合適的輸送元件，以確保最佳的物料攝入和輸送行為。

Erdmenger 輸送元件和輸送元件的示意圖，其中推動飛行被底切，如白色箭頭所示。頂視圖的旋轉(zhuǎn)是順時針方向。

資料來源：克勞斯瑪菲

通常，在加工大多數(shù)物料時，位于喂料口下方的第一個機筒段內(nèi)的螺桿元件，應(yīng)設(shè)計為大螺距，以提供高自由體積容量。隨后，在進入熔融區(qū)之前，輸送元件的螺距應(yīng)逐漸減小至不小于一個直徑（導(dǎo)程）。這種螺桿設(shè)計最大限度地提高了喂料區(qū)的自由體積，并在原材料進入熔融區(qū)之前開始對其進行壓實和致密化。

為減小固體聚合物顆粒對螺桿產(chǎn)生的擴張力，建議在喂料區(qū)最后一個輸送元件和熔融區(qū)第一個元件（通常為窄型捏合塊）處，采用減徑螺桿元件。減徑螺桿元件的外徑略小，從而在機筒壁與螺桿螺棱之間形成較大間隙。這種方法可以減輕螺桿元件和機筒的磨損，降低壓力峰值，實現(xiàn)更溫和的物料加工，最終延長設(shè)備壽命并可能改善產(chǎn)品質(zhì)量。

了解您的輸送元件

主要有兩種類型的螺桿輸送元件。

• 一種是雙螺棱自清潔自刮擦螺桿元件，稱為Erdmenger元件，由Rudolf Erdmenger開發(fā)。

• 另一種是是雙螺棱輸送元件，其推進螺棱邊緣采用挖切設(shè)計。元件示意圖見圖1。這些削切型元件不具備自清理或自掃功能，但與Erdmenger元件相比，其螺槽提供了更大的自由體積。

通常，由于Erdmenger元件的自清理和自掃特性，它們在大多數(shù)應(yīng)用中被廣泛使用。然而，挖切型元件在特定情況下能提供優(yōu)勢。

例如，在加工堆積密度低的蓬松物料時，喂料段的挖切型元件能提供更高的喂料速率。由于喂料段的原材料通常是固體，對自清理和自掃功能的要求不那么關(guān)鍵。

挖切型元件的另一個應(yīng)用場合是在真空排氣口下方，尤其是在加工低粘性或非粘性聚合物熔體時。由于其更大的自由體積，這些元件增加了部分填充區(qū)聚合物熔體的表面積，從而提高了脫氣效率。

工藝設(shè)計錯誤在將填料摻入基礎(chǔ)樹脂形成高填充配混料的混合區(qū)尤為常見。對于填充滑石粉或碳酸鈣的配混料尤其如此，其填料含量可達80%（重量百分比）或更高。在此類情況下，由于礦物填料堆積密度低（通常通過側(cè)喂料器加入擠出機），將夾帶進入擠出機的空氣排出變得具有挑戰(zhàn)性。根據(jù)礦物填料的堆積密度和粒徑，通常總填料含量的一半通過每個側(cè)喂料器加入。

精確設(shè)計配置與工藝

在以最大產(chǎn)出量運行雙螺桿擠出機時，其配置和工藝必須經(jīng)過精確設(shè)計。不良設(shè)計會顯著降低產(chǎn)量和工藝盈利能力。

通過側(cè)喂料器成功喂入礦物填料的關(guān)鍵在于：

• 確保填料被快速輸送至混合區(qū)而不發(fā)生返料，

• 同時確保引入的空氣能夠通過前、后大氣排氣口排出擠出機，且不會將填料顆粒帶出排氣口，如圖2A所示。

然而，即使混合區(qū)設(shè)計得當，有時前排氣口仍會發(fā)生堵塞，如圖2B設(shè)計所示。

用于側(cè)進低堆積密度填料的擠出機示意圖：

A） 在前后通風(fēng)口上適當添加開放通道;

B） 由于插入前向大氣通風(fēng)口而導(dǎo)致通風(fēng)效果不佳;

C） 設(shè)計不當，其中前通風(fēng)口被堵塞或反向捏合塊會形成熔體密封，從而使夾帶的空氣無法離開前通風(fēng)口。

資料來源：R. Segiet

至關(guān)重要的是，位于前、后排氣口之間的螺桿混合段不應(yīng)完全填充，并保持軸向開放，使得氣流能均勻地從兩個排氣口排出。只有提供了軸向開放的混合段，才能避免排氣口堵塞。如果螺槽非軸向開放，隨礦物填料通過側(cè)喂料器進入的空氣可能會向下游移動。

當?shù)竭_完全填充的螺桿段時，氣流會遇到無法通過的熔體密封，如圖2C所示。結(jié)果，空氣在擠出機內(nèi)改變方向，試圖通過后排氣口排出。在流經(jīng)側(cè)喂料區(qū)時，回流的空氣會拖帶填料顆粒向后運動，可能導(dǎo)致后排氣口堵塞。

圖2所示的螺桿設(shè)計還存在其他一些設(shè)計缺陷。其中包括喂料段螺距（導(dǎo)程）由大變小再變大，導(dǎo)致小螺距元件磨損率增高。

圖3顯示了小螺距元件的高磨損率和點蝕（紅色橢圓標出）。通常，喂料段的螺距不應(yīng)像圖2那樣變化。正確的做法是：

• 在料斗下方使用1.5至2倍直徑導(dǎo)程長度的輸送元件；

• 隨后在下游使用1.5或1.25倍直徑導(dǎo)程長度的輸送元件；

• 最后在熔融區(qū)前以1倍直徑導(dǎo)程長度的輸送元件結(jié)束。

此外，圖2中的螺桿使用了寬型捏合塊作為熔融區(qū)的第一個元件。這些元件可能導(dǎo)致高局部壓力和高磨損率。推薦使用窄型捏合塊或三翼捏合塊。

熔融段末端使用了反向元件，且其位置橫跨兩個機筒段的連接處，如圖2所示。這種設(shè)計可能導(dǎo)致嚴重磨損，最終需要同時更換兩個機筒段。若反向元件僅位于一個機筒段內(nèi)，磨損將只發(fā)生在該機筒段，因而只需更換一個而非兩個機筒段。此外，位于兩個機筒段連接處的反向元件產(chǎn)生的高局部壓力，在最壞情況下可能導(dǎo)致樹脂從連接處泄漏。

圖 2 中螺釘進給部分的照片，其中飛線從正常變短，然后恢復(fù)正常。元素中出現(xiàn)了高磨損率和點蝕（紅色橢圓形）。

資料來源：R. Segiet

在上述案例中，填料是在樹脂熔融后通過側(cè)喂料器在下游加入的。這是添加這些組分的正確方法。若將填料組分加入主喂料斗，則可能產(chǎn)生填料團聚。例如，某特種樹脂使用高抗沖聚苯乙烯（HIPS）樹脂和一種特種填料化學(xué)品（粉末）進行配混。HIPS和特種化學(xué)品通過料斗喂入。

此處，填料化學(xué)品在熔融過程之前已部分團聚。如圖4所示，樹脂為黑色，填料化學(xué)品為白色。粉末在高壓力下于螺棱頂端與機筒壁之間被壓實。這類應(yīng)用的目標是生產(chǎn)無填料團聚物的配混料，因為最終的擠出過程無法分散這些團聚物。

熔體泵的助益

使用熔體泵有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量并減少機器磨損，尤其是在雙螺桿擠出機的建壓段。根據(jù)配混料的粘度以及是否使用換網(wǎng)器，熔體泵的使用會對熔體溫度、聚合物降解和機械應(yīng)力方面的產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響。

使用設(shè)計不良的工藝制造的特種 HIPS 樹脂顆粒的照片。白色斑點是填料團聚體：

A） 1 倍放大倍率，

B） 4 倍放大倍率。

資料來源：M.A. Spalding

特別是對于高粘度或熱敏性配混料，尤其是在使用細目數(shù)換網(wǎng)器時，熔體泵具有明顯優(yōu)勢。在大多數(shù)情況下，熔體泵的入口壓力設(shè)定在約300 psi（約2.07 MPa）。這通常會導(dǎo)致雙螺桿擠出機末端壓力顯著降低。根據(jù)配混料和所選過濾網(wǎng)目數(shù)，壓力可降低1500 psi（約10.34 MPa）或更多。

擠出機末端壓力的降低意味著作用在配混料上的剪切應(yīng)力減小，機械磨損降低，因為螺桿元件和機筒承受的應(yīng)力水平更低。因此，配混料的熔體溫度得以降低。作為參考，壓力每降低150 psi（約1.03 MPa），熔體溫度可能下降1-2°C。

高背壓導(dǎo)致幾個封閉的機筒開口處的熔體泄漏。

資料來源：R. Segiet

如圖5照片所示，如果局部壓力過高，在被堵塞的排氣口附近可能發(fā)生泄漏。使用熔體泵可以降低擠出機出口壓力，消除被堵塞排氣口下的局部高壓，從而減輕泄漏。

您可以運用這些簡單的工藝策略來設(shè)計配混操作，實現(xiàn)更高產(chǎn)出率、減輕擠出機和螺桿元件的磨損，從而提高工藝盈利能力。