誰與爭鋒之單螺桿擠出機
誰與爭鋒之單螺桿擠出機
一、基本結構
單螺桿擠出機是最為常見的擠出設備，包括主機、輔機以及電器控制系統。
主機含擠壓系統（機筒和螺桿）、傳動系統、加料系統和加熱、冷卻系統。螺桿是擠出機的心臟，是關鍵部件，可以直接影響到擠出機的應用范圍和生產效率。通過螺桿的轉動使物料在機筒中移動、增壓以及從摩擦中獲取部分熱量，其性能好壞決定了一臺擠出機的生產率、塑化質量、填加物的分散性、熔體溫度、動力消耗等等。機筒通常是整體式的，由合金鋼或者內襯為合金鋼的復合鋼管制成，以耐熱、耐壓、耐磨和耐腐蝕等。機筒的長度為螺桿直徑的15~30倍，其長度以使物料得到充分加熱和塑化均勻為原則。螺桿和機筒通常采用氮化鋼38CrMoAIA并氮化處理，或表面合金處理以達到更高硬度。傳動部分為螺桿提供在擠出過程中所需要的力矩和轉速，通常由電動機、減速箱和軸承等組成。一般采用交流整流子電動機、直流電動機等裝置，以達到無級變速，一般螺桿轉速為10~100轉/分。在機筒外部附有電阻、電感以及其它方式加熱的電熱器、溫度自控裝置及冷卻系統，采用鑄銅、鑄鋁加熱器，可根據要求采用風冷與水冷。
圖1 單螺桿擠出機結構
輔機的組成需根據制品的種類而定，通常由機頭、定型裝置、冷卻裝置、牽引裝置、切割裝置以及制品的卷曲或堆放裝置組成。高性能的配套輔機設計在現今的高速擠出機組設計中是非常重要的一環。
控制系統要實現整個擠出機組的自動控制，主、輔機的匹配以及各段工藝參數的控制和協調。
二、擠出過程
普通單螺桿擠出機也稱為三段式螺桿擠出機。物料沿螺桿前移時，經歷著溫度、壓力、粘度等的變化，根據物料的變化特征可將螺桿在有效長度上分成三段，即加料段（固體輸送段）、熔融段（壓縮段）和均化段（計量段），按螺桿直徑大小、螺距、螺槽深度確定三段有效長度。
圖2 三段式擠出機簡圖
加料段（固體輸送段）：其作用是將料斗供給的物料進行壓實和輸送。該段輸送機理為摩擦輸送機理，物料在進入螺桿以后，在旋轉螺桿的作用下，通過機筒內壁和螺桿表面的摩擦作用向前輸送和壓實。其輸送效率取決于物料與機筒以及物料與螺桿之間的摩擦系數之差，通常要對螺桿進行表面涂層，機筒內表面開槽以提高摩擦系數差，提高固體物料的輸送效率。物料在移動過程中一般保持固體狀態，但因受熱部分物料會熔化，因此有些擠出機采用強制冷卻加料段機筒，使被輸送物料的溫度在軟化點或熔點以下，從而避免熔膜出現來提高固體輸送效率。加料段的長度隨塑料種類而不同，擠出結晶聚合物最長，硬性無定形聚合物次之，軟性無定形聚合物最短。螺旋角的大小對輸送能力影響較大進而影響著擠出機的生產率，通常粉狀物料的螺旋角為30度左右，方塊狀物料螺旋角宜選擇15度左右，球形物料宜選擇17度左右。
熔融段（壓縮段）：其作用是使物料進一步壓實和塑化，并使物料中所含的空氣被壓回到加料口排出，完成塑化的物料進入到第三段。此段螺槽容積逐漸變小，物料受到來自機筒外部加熱和螺桿與機筒間的剪切作用升溫熔融。通常這個區域的螺桿壓縮比為3:1，對于粉料，由于其比重小，夾帶的空氣多，需較大的壓縮比(可達4~5)。壓縮段的長度與物料熔融溫度有關，熔融溫度范圍寬的塑料（如聚氯乙烯），壓縮段最長；熔融溫度范圍窄的（如聚乙烯），壓縮段短；對于結晶型高聚物，壓縮段長度可以在1～4倍螺桿直徑間取值。
均化段（計量段）：物料進入均化段后進一步塑化和均勻化，在計量段形成一定的壓力以克服流動中的阻力，并將處于塑化狀態的物料準確、定量輸送給機頭擠出成型。均化段的螺槽容積恒定，為避免物料滯留在螺桿頭端面死角處而引起分解，螺桿頭部常設計成錐形或半圓形。該段占螺桿全長20%～25%左右。該段輸送理論為粘性流體輸送理論，熔融物料在螺槽中的流動是正流、逆流、橫流和漏流的組合。
常規全螺紋三段螺桿按其螺紋升程和螺槽深度的變化可分為等距變深螺桿、等深變距螺桿和變深變距螺桿，但由于加工問題，廣泛應用的普通螺桿是等距變深螺桿。
三、新型單螺桿擠出機
這里的新型單螺桿擠出機是相對于常規三段式單螺桿擠出機而言。在三段式螺桿擠出機各功能段，都存在一定的問題制約著生產，如熔融段固體床和熔池同居一個螺槽中，熔池不斷增寬，固體床逐漸變窄，減少了固體床與機筒壁面的傳熱面積和傳熱量，固體碎片為熔體所包圍，所受剪切力小，熔融緩慢，甚至引起塑化不均等質量問題。為追求高品質基礎上的高速、高產擠出，在對擠出機理研究以及大量實踐經驗積累基礎上，發展了多種新型的螺桿以克服常規全螺紋三段式螺桿的局限性，在原理和結構上有許多特點來提高擠出量、塑化質量和減少波動，已得到越來越廣泛的應用。
1、分離型螺桿
分離型螺桿是根據傳熱原理研究出來的一種新型螺桿，在熔融段增設一條起屏障作用的副螺紋。副螺紋外徑小于主螺紋，其后緣與主螺紋推進面構成液相槽，起始于加料段末，終結于計量段初，將熔融物料和未熔物料盡早分離，克服了常規螺桿中固體床和熔體共存一個螺槽中所產生的缺點，從而促進了未熔物料的熔融。這種螺桿塑化效率高、塑化質量好，而且由于沒有固體床破碎，產量波動、壓力波動和溫度波動都比較小，擠出物均勻，并具有排氣性能好、能耗低、生產能力高等優點，應用較廣。
圖3 分離型螺桿
2、屏障型螺桿
屏障型螺桿是由分離型螺桿演變而來的，是在普通螺桿的某一部位設置屏障段，以使殘余固相徹底熔融、均化的一種新型螺桿。多數情況下設置在靠近螺桿頭部的區域，因此常稱為屏障頭。在一段外徑等于螺桿直徑的圓柱上交替開出進、出料槽，且每一對進、出料槽間設置一比螺桿外徑稍小的屏障棱。含有未熔融固體顆粒的物料分成若干股進入進料槽，當越過屏障棱進入出料槽時，塑化不良的小顆粒料受到強烈剪切而熔融。這種螺桿通過剪切作用和渦流的混合作用，將機械能轉變為熱能并進行熱交換，使物料熔融均化，徑向溫差小，產量、質量都比常規螺桿好。
圖4 屏障型螺桿
3、銷釘螺桿
銷釘螺桿是一種分流型螺桿，利用設置在螺桿上的銷釘將含有固體顆粒的料流分成許多細小料流，這些料流在兩排銷釘間較寬位置又匯合，經過多次分離匯合，物料塑化和均化質量得以提高。此外，由于銷釘不斷打碎固體床，固體小碎片在熔融的過程中不斷從熔體中吸收熱量，有可能降低熔料溫度，從而可得到混合均勻和低溫的擠出物。銷釘通常設置在熔融段末端或均化段上，銷釘形狀有圓柱形、菱形、方形等，排列形狀有人字形、環形等。銷釘由于加工容易，可實現對普通螺桿的改進，擴大螺桿用途，適應不同物料加工條件。
圖5 銷釘螺桿
4、DIS螺桿
DIS螺桿也是一種分流型螺桿。設置在普通螺桿均化段末端的DIS混煉頭，其外徑等于螺桿直徑，設置有若干數量相等的進料槽和出料槽，進、出料槽通過分流孔相連。其工作原理主要是通過進、出料槽和分流孔將料流分成許多許多細小料流，并在此過程中改變料流的流動方向和位置，然后又把各股小料流在匯合區匯合而使物料得到充分的混合，消除物料的軸向溫差。在此分流過程中，對物料還有剪切作用，以達到對物料的塑化。通常在螺桿末端設置4～6個混煉頭，對于提高生產能力而消除軸向溫差的效果極佳。
圖6 DIS螺桿
5、組合型螺桿
組合型螺桿是用以解決擠出機專用與通用之間矛盾的，由帶加料段的螺桿本體和各種不同職能的螺桿元件（如輸送元件、混煉元件和剪切元件等）組成。改變這些元件的種類、數量和組合順序，可以得到各種特性的螺桿，以適應不同物料和不同制件的加工要求，并找出最佳工作條件。這種螺桿適應性強，易獲得最佳工作條件，因此得到越來越廣泛的應用。但設計復雜，組合元件拆裝較麻煩，在直徑較小的螺桿上比較難于實現。
6、排氣式擠出機
在擠出成型過程中，由于所使用的物料往往夾帶空氣、水分、剩余單體、低聚物等等揮發分，如不排除，則會形成氣泡、孔隙、疤痕等等，影響到制品的質量。在用普通螺桿擠出機加工制品時，通常是將原料進行預熱干燥處理或者在加料段通過螺桿擠壓從加料口逸出，但預熱干燥會使成本增加，螺桿轉速高時又無法在顆粒熔融前完全將揮發分排出。排氣擠出機是脫除揮發分的一個更有效的途徑，可以更好地提高產品質量和產量。
圖7 排氣擠出機
a—加料段；b—壓縮段；c—第一計量段；d—阻尼段；
e—排氣段；f—壓縮段；g—第二計量段；h—閥，i—機頭
排氣螺桿從其本質上來說，可以認為是由兩根普通螺桿串聯而成的，可根據各段功能分為加料段、壓縮段、第一計量段、阻尼段、排氣段、第二壓縮段、第二計量段。物料從加料口進入第一階螺桿，經過壓縮、混合、熔融達到基本塑化的狀態，然后進入排氣段。由于排氣段螺紋元件螺槽的自由容積加大，而且通常與真空泵相連，使得在排氣段的物料壓力驟然降至零或負壓，使已基本塑化的熔融物料膨脹發泡。物料在螺桿的攪拌下，氣泡破裂，物料中含有的水分、低分子易揮發物以及從加料口夾帶進來的氣體脫出。脫除了氣體和揮發物的物料在螺桿的輸送下，繼續經第二計量段進一步壓縮和混合，最終從機頭擠出成形而成制品。排氣擠出機適用于加工硬聚氯乙烯干混料、ABS、尼龍、聚甲基丙酸甲酯等吸濕性大或含揮發分比較多的物料。
四、優缺點
從發展的角度來看，單螺桿擠出機已較為完善，且向著高速、高效、智能化、專用化方向發展，大型造粒用單螺桿擠出機，螺桿直徑達700mm，產量高達36噸每小時。其最突出的優點是設計簡單、價格便宜，因而得到廣泛應用。其缺點有：
物料輸送主要靠摩擦，從而加料性能受到限制，較難加入粉料、糊狀料、玻璃纖維及無機填料等。
當機頭壓力較高時，逆流增加，使生產率降低。
物料在排氣區的表面更新作用小，因而排氣效果較差。
不適于某些工藝過程，如聚合物著色、熱固性粉料的加工等等。
自潔功能差，不適于加工熱穩定性差的塑料和共混料
五、應用范圍
單螺桿擠出機主要用于軟/硬聚氯乙烯、聚乙烯等熱塑性塑料的擠出加工，與相應的輔機及成型機頭配合，可加工多種塑料制品，如管、板、膜、絲帶等，亦可用于造粒。
管材擠出：適用于PPR管、PE燃氣管、PEX交聯管、ABS管、PVC管、HDPE硅芯管、鋁塑復合管及各種共擠復合管。
板材/片材擠出：適用于PVC、PET、PS、PP、PC等片材或板材的擠出，以及其它塑料絲/棒的擠出等等。
型材的擠出：調節擠出機轉速及改變擠出螺桿的結構可適用于PVC、聚烯烴類等各種塑料異型材的生產。
改性造粒：適用于各種塑料的共混、改性、增強造粒。
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