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一文看懂双螺杆挤出机与单螺杆挤出机的差别

双螺杆挤出机是改性塑料行业里面最常见的机械,广泛应用于聚合物加工业和其他生产加工领域;双螺杆挤出机种类繁多,可分为啮合型和非啮合型两大类,啮合型双螺杆挤出机又可分为同向旋转和异向旋转两大类。     

1、同向双螺杆挤出机与单螺杆挤出机工作原理的差别

同向双螺杆挤出机的结构和功能与单螺杆挤出机很相似,但在工作原理上存在着很大的差异。主要表现在以下几个方面:

1)强制输送。啮合同向旋转双螺杆,在啮合处两根螺杆运动速度方向相反,一根螺杆要把物料拉入啮合间隙,而另一根螺杆把物料从间隙中推出,结果使物料从一根螺杆螺槽转到另一根螺杆螺槽中,物料沿着螺杆呈“∞”形向机头方向被强制输送。

2)均化和混合。同向旋转双螺杆在啮合处间隙很小,螺棱和螺槽的速度方向相反,相对速度大,因此啮合区具有很高的剪切速度,剪切力很大,混炼效果远好于单螺杆挤出机和异向旋转双螺杆挤出机。

3)自洁性。同向旋转双螺杆挤出机,由于啮合区螺棱和螺槽的速度方向相反,相对速度大,因此具有相当高的剪切速度,能刮去粘附在螺杆上的任何积料,有非常好的自洁作用,从而使物料的停留时间很短,不易产生局部降解变质。

4)物料的塑化。螺杆间隙的大小对物料塑化质量影响很大。间隙越小,剪切力越大,但通过的物料量减少;间隙越大,通过的物料量增加,但剪切力减小。

5)物料的压缩。同向双螺杆挤出机压缩物料的方法要多得多,综合效应好。

6)加料方式。同向双螺杆挤出机要求均匀定量加料,采用计量饥饿喂料方式。

7)排气。由于是饥饿喂料,可以采用大导程的螺纹输送元件,使螺槽处于未充满状态而处于零压力状态,从而可以设置出排气段。

2、双螺杆挤出机的应用

双螺杆挤出机按两根螺杆旋转方向的不同可分为异向双螺杆及同向双螺杆。

啮合同向旋转双螺杆挤出机广泛应用于基体树脂的物理化学改性,如填充、增强、增韧、反应挤出等。

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以各种原料的分散混合为主的共混则应选用同向双螺杆挤出机,而上图所示的同向双螺杆之速度矢量互成反向,因此同向转动的双螺杆与异向转动双螺杆相比,它的剪切作用要大得多,不适宜Pvc的混炼成型。

共混填充塑料中常用的是粉状碳酸钙、滑石粉、二氧化钛,一般的填充量为30%~60%,填充母料最多高达80%。由于粉状填料内含有大量空气,在螺杆的捏合区混合时空气会被分离出来,而致使物料逆向流入螺槽,影响粉料的正向输送,最终降低挤出量。

双螺杆挤出机的应用举例:玻纤增强、阻燃料造粒(如PA6、PA66、PET、PBT、PP、PC增强阻燃等);高填充料造粒(如PE、PP填充75% CaCO3。);热敏性物料造粒(如PVC、XLPE电缆料);浓色母粒(如填充50%色粉);防静电母粒、合金、着色、低填充共混造粒;电缆料造粒(如护套料、绝缘料);XLPE管材料造粒(如用于热水交联的母粒);热固性塑料混炼挤出(如酚醛树脂、环氧树脂、粉末涂料);热熔胶、PU反应挤出造粒(如EVA热熔胶、聚氨脂);K树脂、SBS脱挥造粒等。

3、优缺点

由于双螺杆挤出机结构设计和加工的复杂性,理论发展还不完善,但同向双螺杆挤出机组合式的设计,可将多种几何形状的螺纹元件和机筒元件进行排列组合,根据经验-理论-实践-检验,从而可以针对不同混合要求,优化设计以适应不同工艺配方的需要,从而使同向双螺杆挤出机具有很强的适应性。主要表现在以下几个方面:

1)混合性能:由于两根螺杆相互啮合,而且可以根据需要加入各种各样的螺纹元件,如反螺纹元件、啮合盘元件、齿形盘元件等等,来精密调节剪切/混合,从而使混合强度和混合质量(无论是分布混合抑或是分散混合)能够得到有效地控制。这是单螺杆挤出机所不能企及的。

2)加工的灵活性:同向双螺杆挤出机通常采用计量饥饿加料,产量取决于加料量,独立于螺杆转速,是一个独立可控制的变量,因而可以在一台机器上灵活地处理多种加工功能,如熔融、混合、排气、反应等等。

3)工艺参数的可控性:同向双螺杆挤出机停留时间分布窄,更好的对流传热及精确控制的温度曲线,在挤出中可以得到更好的剪切-时间-温度历程,在更宽的范围内输入机械能,从而可得到更好的产品质量稳定性。

4)工艺生产的高效性:螺杆的正位移输送作用可以处理更多样的原材料和混合配方,且停机时间短。

5)更高的经济性:由于高的工艺灵活性以及生产率,可以生产更广泛的终端制品,且能够提供高度一致性的产品质量,还可以通过螺杆速度的调节来补偿螺杆的磨损。

4、异向双螺杆挤出机与单螺杆挤出机的主要差别

异向双螺杆挤出机的输入原理是什么?

在异向旋转双螺杆挤出机中,物料作类似于齿轮泵中的正位移输送。异向双螺杆挤出机转速较低,物料剪切发热量小,物料不容易分解,因此它对物料的热稳定性要求不高,特别适用于热敏性物料 (如PVC) 的成型加工。与同向双螺杆挤出机相比,异向双螺杆挤出机输送效率更高、排气效果及熔融效果更好,虽然物料的分散混合效果比同向双螺轩挤出机要差,但是建立稳定的机头压力能力较强,因此更适合用来直接挤出制品。另外采用异向双螺杆挤出机代替单螺杆挤出机,可以省去预塑化造粒工序,直接挤出加工PVC 粉料,使制品成本下降。异向旋转双螺杆挤出机主要用于挤出PVC 管材。型材、板材和造粒。平行异向双螺杆挤出机在大型的HDHDPE 管材生产线上也已经开始应用。

异向锥形双螺杆挤出机传统上是用于聚氯乙烯制品的挤出,但是国内近年已经有把异向锥形双螺杆挤出机应用于聚烯烃管材挤出的例子,实践表明,已经取得基本上的成功。这种做法的目的是为了节能。一台65体132umum 的锥形双螺杆挤出机,驱动电动机功率仅有37kW,在挤出聚乙烯管材时,管材规格和产量可以相当于一台75mm 甚至80mm的单螺杆挤出机,而一般一台75mm 或者80mm 的单螺杆挤出机,驱动功率最少也是90kW。国外已经有现成的用平行异向双螺杆挤出机挤出制品成熟的经验,国内另辟蹊径用异向锥形双螺杆挤出机其实还是出于设备成本的考虑,平行异向双螺杆挤出机的制造成本要高于异向锥形双螺杆挤出机。

这种使用方法当然不是简单的替代,毕竟聚乙烯熔体和聚氯乙烯的熔体流动性能有明显差异,因此对用于挤出聚氯乙烯制品的异向锥形双螺杆挤出机,需要对螺杆重新设计,才能够用于挤出聚乙烯;并且机头也应该作相应的修改。而国内近年有人尝试用同向双螺杆挤出机 (包括锥双、平双) 挤出制品,也取得一定的进展,但是笔者认为,从节能的角度,同向和异向双螺杆并无大大差异,而同向双螺杆挤出机建立稳定机头压力更加困难,不如直接采用异向双螺杆简单容易。

异向双螺杆挤出机与单螺杆挤出机的主要差别有以下两点:
1) 它们的输送机理不同。单螺杆挤出机中的物料输送是拖曳型流动,固体输送过程为摩擦拖曳,熔体输送过程为粘性拖曳,固体物料与金属表面之间摩擦因数的大小以及熔体物料的粘度,在很大程度上决定了单螺杆挤出机输送能力的大小。异向双螺杆挤出机中物料的传送是正位移输送,随着螺杆的转动,物料被相互啮合的螺纹强制性地向前推进,其正位移输送的能力取决于一根螺杆的螺棱与另一根螺杆的螺糟的接近程度。用紧密啮合的异向旋转双螺杆挤出机可以获得最大的正位移输送。

2) 二者的速度场不同。单螺杆挤出机中速度分布相对来说比较明确并且易于描述,双螺杆挤出机中的情况则相当复杂并且描述困难。这主要是由于双螺杆挤出机中有啮合区,发生在啮合区的复杂流动使得双螺杆挤出机具有混合充分、热传递均匀、熔融能力强、排气性能良好等许多优点,但难以准确地分析啮合区的流动状态。


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