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螺桿是擠出機的心臟,是擠出機的關鍵部件,螺桿的性能好壞,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。是擠出機最重要的部件,它可以直接影響到擠出機的應用范圍和生產效率。通過螺桿的轉動對塑料產生極壓的作用,塑料在料筒中才可以發生移動、增壓以及從摩擦中獲取部分熱量,塑料在料筒的中的移動過程中獲得混合和塑化,黏流態的熔體在被擠壓而流經口模時,獲得所需的形狀而成型。與料筒一樣,螺桿也是用高強度、耐熱和耐腐蝕的合金制備而成。

由于塑料的種類很多,它們的性質也各不相同。因此在實際操作中,為了適應不同的塑料加工需要,所需的螺桿種類不同,結構也有各有差別。以便能最大效率的對塑料產生最大化運輸、擠壓、混合和塑化作用。圖為幾種較常見的螺桿。

表示螺桿特征的基本參數包括以下幾點:直徑、長徑比、壓縮比、螺距、螺槽深度、螺旋角、螺桿和料筒的間隙等。

最常見的螺桿直徑D大約為45~150毫米。螺桿直徑增大,擠出機的加工能力也相應提高,擠出機的生產率與螺桿直徑D的平方呈正比。螺桿工作部分有效長度與直徑之比(簡稱長徑比,表示為L/D)通常為18~25。L/D大,能改善物料溫度分布,有利于塑料的混合和塑化,并能減少漏流和逆流。提高擠出機的生產能力,L/D大的螺桿適應性較強,能用于多種塑料的擠出;但L/D過大時,會使塑科受熱時間增長而降解,同時因螺桿自重增加,自由端撓曲下垂,容易引起料簡與螺桿間擦傷,并使制造加工困難;增大了擠出機的功率消耗。

過短的螺桿,容易引起混煉的塑化不良。

料筒內徑與螺桿直徑差的一半稱間隙δ,它能影響擠出機的生產能力,隨δ的增大,生產率降低.通??刂痞脑?.1一0.6毫米左右為宜。δ小,物料受到的剪切作用較大,有利于塑化,但δ過小,強烈的剪切作用容易引起物料出現熱機械降解,同時易使螺桿被抱住或與料筒壁摩擦,而且, δ太小時,物料的漏琉和逆流幾乎沒有,在一定程度上影響熔體的混合。

螺旋角Φ是螺紋與螺桿橫斷面的夾角,隨Φ增大,擠出機的生產能力提高,但對塑料產生的剪切作用和擠壓力減小,通常螺旋角介于10°到30°之間,沿螺桿長度的變化方向而改變,常采用等距螺桿,取螺距等于直徑,Φ的值約為17°41′

壓縮比越大,塑料收到的擠壓比也就越大。螺槽淺時,能對塑料產生較高的剪切速率,有利于料筒壁和物料間的傳熱,物料混合和塑化效率越高,反而生產率會降低;反之,螺槽深時。情況剛好相反。因此,熱敏性材料(如聚氯乙烯)宜用深螺槽螺桿;而熔體粘度低和熱穩定性較高的塑料(如聚酰胺),宜用淺螺槽螺桿。

1.螺桿的分段

物料沿螺桿前移時,經歷著溫度、壓力、粘度等的變化,這種變化在螺桿全長范圍內是不相同的,根據物料的變化特征可將螺桿分為加(送)料段、壓縮段和均化段。

①、塑料及塑料三態

塑料有熱固性和熱塑性二大類,熱固性塑料成型固化后,不能再加熱熔融成型。而熱塑性塑料成型后的制品可再加熱熔融成型其它制品。

熱塑性塑料隨著溫度的改變,產生玻璃態、高彈態和粘流態三態變化,隨溫度重復變動,三態產生重復變化。

a.三態中聚合物熔體不同的特征:

玻璃態——塑料呈現為剛硬固體;熱運動能小,分子間力大,形變主要由鍵角變形所貢獻;除去外力后形變瞬時恢復,屬于普彈形變。

高彈態——塑料呈現為類橡膠物質;形變由鏈段取向引起大分子構象舒展作出的貢獻,形變值大;除去外力后形變可恢復但有時間依賴性,屬于高彈形變。

粘流態——塑料呈現為高粘性熔體;熱能進一步激化了鏈狀分子的相對滑移運動;形變不可逆,屬于塑性形變

b.塑料加工與塑料三態:

塑料玻璃態時可切削加工。高彈態時可拉伸加工,如拉絲紡織、擠管、吹塑和熱成型等。粘流態時可涂復、滾塑和注塑等加工。

當溫度高于粘流態時,塑料就會產生熱分解,當溫度低于玻璃態時塑料就會產生脆化。當塑料溫度高于粘流態或低于玻璃態趨向時,均使熱塑性塑料趨向嚴重的惡化和破壞,所以在加工或使用塑料制品時要避開這二種溫度區域。

②、三段式螺桿

塑料在擠出機中存在三種物理狀態——玻璃態、高彈態和粘流態的變化過程,每一狀態對螺桿結構要求不同。

c.為適應不同狀態的要求,通常將擠出機的螺桿分成三段:

加料段L1(又稱固體輸送段)

熔融段L2(稱壓縮段)

均化段L3(稱計量段)

這就是通常所說的三段式螺桿。塑料在這三段中的擠出過程是不同的。

加料段的作用是將料斗供給的料送往壓縮段,塑料在移動過程中一般保持固體狀態,由于受熱而部分熔化。加料段的長度隨塑料種類不同,可從料斗不遠處起至螺杯總長75%止。

大體說,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。由于加料段不一定要產生壓縮作用,故其螺槽容積可以保持不變,螺旋角的大小對本段送科能力影響較大,實際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,時生產率最高,方塊狀物料螺旋角宜選擇15度左右,因球形物料宜選選擇17度左右。

加料段螺桿的主要參數:

螺旋升角ψ一般取17°~20°。

螺槽深度H1,是在確定均化段螺槽深度后,再由螺桿的幾何壓縮比ε來計算。

加料段長度L1由經驗公式確定:

對非結晶型高聚物L1=(10%~20%)L

對于結晶型高聚物L1=(60%~65%)L

壓縮段(遷移段)的作用是壓實物料,使物料由固體轉化為熔融體,并排除物料中的空氣;為適應將物料中氣體推回至加料段、壓實物料和物料熔化時體積減小的特點,本段螺桿應對塑料產生較大的剪切作用和壓縮。為此,通常是使螺槽容積逐漸縮減,縮減的程度由塑料的壓縮率(制品的比重/塑料的表觀比重)決定。壓縮比除與塑料的壓縮率有關外還與塑料的形態有關,粉料比重小,夾帶的空氣多,需較大的壓縮比(可達4~5),而粒料僅2.5~3。

壓縮段的長度主要和塑料的熔點等性能有關。熔化溫度范圍寬的塑料,如聚氯乙烯150℃以上開始熔化,壓縮段最長,可達螺桿全長100%(漸變型),熔化溫度范圍窄的聚乙烯(低密度聚乙烯105~120℃,高密度聚乙烯125~135℃)等,壓縮段為螺桿全長的45~50%;熔化溫度范圍很窄的大多數聚合物如聚酰胺等,壓縮段甚至只有一個螺距的長度。

熔融段螺桿的主要參數:

壓縮比ε:一般指幾何壓縮比,它是螺桿加料段第一個螺槽容積和均化段最后一個螺槽容積之比。

ε=(Ds-H1)H1/(Ds-H3)≈H1/H3

式中,H1——加料段第一個螺槽的深度

H3——均化段最后一個螺槽的深度

熔融段長度L2由經驗公式確定:

對非結晶型高聚物L2=55%~65%L

對于結晶型高聚物L2=(1~4)Ds

均化段(計量段)的作用是將熔融物料,定容(定量)定壓地送入機頭使其在口模中成型。均化段的螺槽容積與加料段一樣恒定不變。為避免物料因滯留在螺桿頭端面死角處,引起分解,螺桿頭部常設計成錐形或半圓形;有些螺汗的均化段是一表面完全平滑的桿體稱為魚雷頭,但也有刻上凹槽或銑刻成花紋的。

魚雷頭具有攪拌和節制物料、消除流動時脈動(脈沖)現象的作用,并隨增大物料的壓力,降低料層厚度,改善加熱狀況,且能進一步提高螺桿塑化效率。本段可為螺桿全長20一25%。
均化段螺桿的重要參數:

螺槽深度H3由經驗公式確定H3=(0.02~0.06)Ds

長度L3由下式確定L3=(20%~25%)L

d. 根據熔體輸送理論,熔體在螺桿均化段的流動有四種形式,熔融物料在螺槽中的流動是這四種流動的組合:

正流——塑料熔體在料筒和螺桿間沿著螺槽方向朝機頭方向的流動。

逆流——流動方向與正流相反,由機頭、多孔板、過濾板等阻力引起的壓力梯度所造成。

橫流——熔體沿著垂直于螺紋壁方向的流動,影響擠出過程中熔體的混合和熱交換作用。

漏流——由于壓力梯度在螺桿與料筒間隙處形成的倒流,沿螺桿軸向方向。

2.普通螺桿的結構

常規全螺紋三段螺桿按其螺紋升程和螺槽深度的變化,可分為三種形式:

(1)等距變深螺桿

等距變深螺桿從螺槽深度變化的快慢可分為兩種形式:

① 等距漸變螺桿:從加料段開始至均化段的最后一個螺槽的深度是逐漸變淺的螺桿。在較長的熔融段上,螺槽深度是逐漸變淺的。

② 等距突變螺桿:即加料段和均化段的螺槽深度不變,在熔融段處的螺槽深度突然變淺的螺桿

(2)等深變距螺桿

等深變距螺桿是指螺槽深度不變,螺距從加料段第一個螺槽開始至均化段末端是從寬漸變窄的。

等深變距螺桿的特點是由于螺槽等深,在加料口位置上的螺桿截面積較大,有足夠的強度,有利于增加轉速,從而可提高生產率。但螺桿加工較困難,熔料倒流量較大,均化作用差,較少采用

(3)變深變距螺桿

變深變距螺桿是指螺槽深度和螺紋升角從加料段開始至均化末端都是逐漸變化的,即螺紋升程從寬逐漸變窄,螺槽深度由深逐漸變淺的螺桿。該螺桿具有前面兩種螺桿的特點,但機械加工較困難,較少采用。

3.螺桿材料

螺桿是擠出機的關鍵部件,作為螺桿的材料必須具備耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、高強度等特性,同時還應具有切削性能好、熱處理后殘余應力小、熱變形小等特點。

對于擠出機螺桿的材料,具體有如下幾點要求:

① 力學性能高。要有足夠的強度,以適應高溫、高壓的工作條件,提高螺桿的使用壽命。

② 機械加工性能好。要有較好的切削加工性能和熱處理性能。

③ 耐腐蝕和抗磨性能好。

④ 取材容易。

4.新型螺桿

常規全螺棱三段式螺桿存在的問題:

①熔融段同時有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,從而減少了固體床于機筒壁的接觸面積,減少了機筒壁直接傳給固體床的熱量,降低了熔融效率,致使擠出量不高;

②壓力波動、溫度波動和產量波動大;

③不能很好適應一些特殊塑料的加工進行混煉、著色等工藝。

對此類問題常用的處理方法:

加大長徑比;提高螺桿轉速;加大均化段的螺槽深度;

為了克服常規螺桿存在的缺點,人們創造了一些新型螺桿,主要包括:

①分離型螺桿

在壓縮段增設一條副螺紋,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,將熔融物料和未熔物料盡早分離,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。由于沒有固體床解體,產量波動、壓力波動和溫度波動都比較小,并具有排氣性能好、能耗低等優點,應用較廣。

②屏障型螺桿

在普通螺桿的某一部位設置屏障段,使未熔的固體不能通過,并促使固體熔融的一種螺桿。

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,并且徑向溫差小,產量、質量都比常規螺桿好。

③銷釘螺桿

物料流經過銷釘時,銷釘將固體料或未徹底熔融的料分成許多細小料流,這些料流在兩排銷釘間較寬位置又匯合,經過多次匯合分離,物料塑化質量得以提高。

銷釘設置在熔融區,排列形狀有人字形、環形等,銷釘形狀有圓柱形、菱形、方形等。

由于銷釘將熔料多次分割分流,增加了對物料的混煉、均化和添加劑的分散性。另外,由于固體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,故可獲得低溫擠出。

④組合螺桿

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,在一定程度上解決了萬能與專用的矛盾,因此得到越來越廣泛的應用。但設計復雜,組合元件之間拆裝較麻煩,在直徑較小的螺桿上實現有困難。

機頭和口模

機頭和口模通常為一整體,習慣上統稱機頭;但也有機頭和口模各自分開的情況。機頭的作用是將處于旋轉運動的塑料熔體轉變為平行直線運動,使塑料進一步塑化均勻,并使熔體均勻而平穩的導入口模,還賦予必要的成型壓力,使塑料易于成型和所得制品密實??谀榫哂幸欢ń孛嫘螤畹耐ǖ?,塑料熔體在口模中流動時取得所需形狀,并被口模外的定型裝置和冷卻系統冷卻硬化而成型。機頭與口模的組成部件包括過濾網、多孔扳、分流器(有時它與模芯結合成一個部件)、模芯、口模和機頸等部件。

機頭中的多孔板能使機頭和料筒對中定位,并能支承過濾網(過濾熔體中不熔雜質)和對熔體產生反壓等。機頭中還有校正和調整裝置(定位螺釘),能調正和校正模芯與口模的同心度、尺寸和外形。在生產管子或吹塑薄膜時,通過機頸和模芯可引入壓縮空氣。按照料流方向與螺桿中心線有無夾角,可以將機頭分為直角機頭(又稱T型機頭)、角式機頭(直角或其它角度)。直角機頭主要用于擠管、片和其它型材,角式機頭多用于擠薄膜、線纜包復物及吹塑制品等.

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