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1、双螺杆组合排列原则塑料混合是一种有效的将多种组分的原料加工成更均匀、更实用的产品过程。这一过程中 主要发生的是物理反应，当然也存在少量的化学反应。特殊的，例如反应挤出，我们所期望的 更多是化学反应而非物理反应。而无论是物理还是化学反应，都要求材料的充分混合辊炼，因 此就有了共混设备这一有力的加工手段执行者。先确认几个概念：1. 预处理：我们通常说的预处理很多时候是指材料的水分预处理。由于聚合物和添加剂都具有 吸水性，而温度波动和仓库的潮湿都有可能是原材料吸湿，而这正是我们所不希望看到的。熔 融聚合物，如尼龙，聚酯等对水分极其敏感的材料，水分的存在将导致他们的降解，从而导致 了各项性能指标的恶化
2、甚至是导致加工失败。目前比较实用的干燥方式多为热风循环干燥形式。2. 预混合：对于单螺杆而言，吃料能力很大程度上影响了混合效果，很多时候即使是单纯的颜 色处理都会因为混合的不均匀而导致材料同批次的前后色差以及后期加工的颜色不均一性；而 对于双螺杆，虽然吃料能力基本上不影响混合效果，而且为了计量精确，理论上是应该所有组 分在喂料口单独计量、单独喂入。但是这就意味着需要多个精确喂料器，而这对共混厂家而言 是非常的不经济的，因此我们在加工双组分及多组分的材料前，大多都进行预混合。目前的混 合设备多为立式高速搅拌机。3. 分散混合：分散混合是将组分的粒度尺寸减小，将固体块或者聚集体破碎成微粒，或者是不
3、 相容的聚合物的分散相尺寸达到所要求的范围。这一过程通常是依靠大厚度大角度的捏合盘来 实现。4. 分配混合：分配混合是使个组分的空间分布达到均匀。形象点说也就是“平均主义”，保证 混合设备内通过分配元件的熔体中各组分的分布均匀。这个通常是靠窄片小角度捏合盘来实现。 极端的情况先会采取齿轮分配元件来实现。5. 停留时间分布：同批次物料在通过喂料口后通过分散，分布混合最终挤出离开混合设备的时 候长短的分布。这一指标最主要的意义在于评估设备的自洁能力。其实还有更多的各种公式，我个人觉得这对于我们在实际设计中有一定的指导意义，可惜我这 里没有扫描仪，而我这个人又比较懒，公式我就不大打上来了。下面就按照
4、单螺杆挤出机，双螺杆挤出机（同向，异向啮合），往复式以及挤出的后续加工做 一下小结。（先说明一下，为了方便，我每次都定义一下。下面出现的挤出机都代表单螺杆挤出机，只到 重新进行定义为止。）单螺杆挤出机的最原型设备应该是阿基米德螺杆。早在数千年前他就已经提出了在管内装 上带螺纹的螺杆向斜面上运送水。后期的人对其进行了改进，其中最接近于塑料混合的当属使 用这种设备将黏土/麦秆（水作为增塑剂加入）进行混合压实，制造砖块。随后，人们开发了橡胶加工机械，用两辊或三辊混合机对生胶进行塑炼后，再加入挤出机进一 步进行加工。挤出机的 5 大关键部件包括了：驱动电机和减速箱、止推轴承、料斗、机筒（包 括了内部心
5、脏：阿基米德螺杆） 。早期的挤出机的长径比都比较小。由于橡胶黏度大，在如此小的长径比之下想完成混合加 工，意味着必须升高温度。但是这又将产生一个更大的问题，橡胶在升高温度的情况下将产生 交联。而此时人们发现增加长径比不但能够获得加工热塑性聚合物熔体所需要的高温，同时还 能够改善混合性能和熔体的均匀性能。随着长径比的进一步提高和挤出设备的进一步完善，挤 出机逐渐转到了最终用户。研磨回收和破碎以及废旧塑料回收的出现成为挤出机运用的最大市 场。挤出机的心脏，标准螺杆通常分为三段：喂料段、转化段和计量段。当然混合螺杆还通常 具有其他的组成部分以完成加工中更为复杂的过程。在整个加工过程中挤出机必须完成：
6、喂料、 固体输送、压实、熔融、泵送、均化、排气（可选）到最终的挤出成型。一般的单螺杆挤出机的长径比为：24、28、30 和 32；而双螺杆挤出机的长径比为：36、40、42和 52；喂料段：在挤出机中，喂料段的主要功能是吃进物料和进行固体输送；同时喂料段对压实 固体床（物料在进入螺杆后在螺槽内形成的物料段称之为固体床）以及开始塑化有很大的影响。 在进行喂料段设计时必须注意：螺杆有效扭矩、螺杆材料、螺槽深度与宽度比（纵横比）、摩 擦系数等。同时还应当考虑原材料的尺寸、外观、本体密度和物料的性状。另外对于添加到混 合体系中的添加剂，还需要考虑喂料段是否能够有效吃进这些添加剂。一般来说，加工结晶性
7、混合物时，喂料段的深度和长度比加工非结晶性材料的喂料段要大。由于挤出机的输送大部分是靠摩擦拖拽输送，因此喂料区的温度设置一般控制在 120-160 度之间。如果该区温度过低，树脂就无法黏附在机筒内壁上，而仅仅是随着螺杆旋转而空转， 从而导致了熔融区的缺料；如果该区温度过高，物料会提前熔融塑化，在机筒内壁形成一个环 行的熔融膜，起到润滑作用，同样也也引起缺料现象喂料段的另一功能-压实是是固体床的压缩比足够大，保证物料充分密实，达到熔融所需 要的状态。通常情况下粒子或者是破碎的片状材料在压缩后容易在表面发生变形而与机筒内壁 贴合在一起，因此也比较容易压缩；而粉体材料由于滑动性较大，因此压缩熔融在时
8、间上和位 置上会比粒子或者片状材料滞后。同时由于粉体材料的空隙面积大，物料密度比较小，在物料 中会残留大量的空气，隔离了固体床。这将进一步减缓熔融过程以及在增大后期的排气工作。 由于挤出机目前比较常见的是屏障形转化熔融段螺杆，比较常见的是在熔融区附加上另外一条 螺纹，其螺纹宽度要比原来的窄，而且还进行了根切。采用这种方式最直观的目的是使熔融的 熔体与未熔融的固体床分离，通过避免熔融部分对未熔融的固体床的润滑作用来改善输送能力， 同时也降低了熔体的热耗散、熔体过分受热分解以及保证热传递/剪切传递对固体床的热/摩擦 能，提高了塑化速度。计量段：螺杆的计量段长短，螺槽的深浅都属于可变。不是所有的挤出
9、机的螺杆都是一致 的。如果仅仅是单纯的熔融挤出（例如回收破碎材料），一般采用增大计量段的螺槽深度，这 种情况下产量会比较可观，但是混合效果不太理想；如果需要好的混合效果，多采用浅槽螺杆 这种情况下熔体温度会相应提高，混合质量也相对于深槽要好。总的思路，计量段的长度应该 保证固体床完全塑化，并能够奖励起足够的压力。因此很多人在设计螺杆是，往往在计量段后 面紧接一个混合器。这里也许有朋友会问：我是采用了浅槽，但是我的产品混合质量还不是非 常的理想。这里存在一个设计产量与实际产量的问题。一个设计产量远小于你要求的实际产量 的设备，即使你进行了必要的改动，但是如果你不放低你的产量要求，这很难保证你的产
10、品质 量。通俗点，就是所谓的一分钱一分货了。混合段：由于共混加工中仍然有很大一部分涉及到添加剂的混合分散，因此混合段的必要 性是不言而喻的。混合段的主要工作就是在计量段之后帮助提高物料温度、颜色、黏度和添加 剂的均匀程度，也有助于确定气体在熔体内发泡的位置。这对于接下来的排气设置是非常重要 的。除此之外，混合段还将第一计量段隔离开来，建立了一个稳定的排气环境。所有的塑料颗粒都有其固有的弹性模量，在一定的作用里范围内，粒子会在喂料段和转化 段发生形变，而且即使在计量段也部分保持该形变（部分形变粒子会由于固体床破碎后形成的 随便在熔体池中呈现游离状态而重新聚集成更大的粒子）。计量段之后，物料熔融所
11、需要的能 量很大一部分是来源于热传递。由于计量段本身的几何形状限制，在这个区域内很难提供足够 的剪切应力。上游输送过来的未熔融的部分中，一部分由于热传递的作用发生熔融，其余的大 部分都被直接输送到下游的混合段。而分散混合区域则通过剪切应力的作用，将所有进入第二 喂料段（排气段之前的一小段区域）的为熔融部分完全塑化，为接下来的排气做好准备工作。很多在生产过程中出现排气段冒料的个案，绝大部分都是因为混合塑化段未能够充分的塑 化熔融而导致在排气区域排气不畅或者冒料等情况。（也有部分是因为排气段设计不合理导致）。如前所说，混合塑化段的熔融塑化能力绝大部分是来自于剪切。而剪切力的产生及其大小 主要依赖螺
12、杆的转速和螺杆与机筒之间的间隔。高的转速和小的间隔意味着更大的剪切应力。 这也就说明了为什么我们在进行增强的时候（这里假设加工的是增强材料），通常我们是在熔 融完成后才加入纤维。纤维在固体床存在的情况下，不可避免的存在着纤维与固体床、纤维与 机筒之间的摩擦。在这种情况下，纤维长度的完成性和设备的磨损就不可避免的产生了。而在 混合塑化段以后加入纤维，这时存在的是螺杆/熔体/纤维/熔体/机筒。即使存在剪切。纤维的 长度还是能够很大程度的得以保持。这也同时能够说明为什么我们在做增强材料的时候建议预 热纤维（经过预热的纤维不容易在表面形成相对坚固的包复层）。为了下游有效的排气,就必须是进入第二喂料段（
13、假如存在）或者排气段的物料完全熔融。本 身从熔体中排除挥发分就比较困难，特别是当熔体中还含有未熔融的物质，这种情况下排去挥 发分就更困难一般为了改善排气,在排气段一般采用大螺距浅槽的螺纹组合。同时为了保证螺槽充满度不 至于过大而导致冒料或者排气不畅,在排气段的上游一般都采用滞留元件。例如之前提到的混合 器等。如果物料的分子量比较高，对应着熔体黏度较高,挥发份不容易排脱,这种情况下适当增大 真空压力和适当提高排气段的熔体温度。排气口的方向一般采取垂直式,也有少量是采取水平式 或者倾斜式。考虑的普适性，大多数排气多采用垂直式。通过排气段后，熔体进入第二计量段。随着挥发份的排出，此段的熔体压力会随之
14、增高,因 此需要的泵送压力也随之增大。只有在第一/第二计量段的螺槽深度比（泵送比）达到一定程度, 第二计量段才能够顺利的克服排料压力顺利的把熔体向下游输送。调节泵送比可以通过调整螺 槽深浅比例或者调节设备的转速来拉开比值。而在实际生产中通常很难在线改变螺槽深浅,这个 时候通常采用局部的螺杆冷却、调整转速或者使用节流阀。如果对输送压力有更高的要求，例 如比较精细的挤出成型,则多数会用到齿轮泵来代替螺杆设计。 几种常用塑料及添加剂加工的一些问题及建议：ABS ： ABS 的喂料比较容易，而且输送方面由于它与金属具有较好的亲和力，一般比较少出 现喂料及输送的问题。但是由于ABS组成中易产生挥发份的苯
15、乙烯组分，而且由于ABS加工中 呈现的黏度都相对来说比较高，因此排气方面需要做些改进POM：POM 存在剪切敏感性及分解物具催化分解的能力，因此加工设备的螺槽应当进可能加 深，使熔融温度控制在较低范围之内，比降解的可能性降到最低可能。由于热塑性弹性体颗粒之间存在在很大的内摩擦力及比较搞的黏度 ,所以很容易在加工过 程中产生缺料。这将造成生产产量的波动和材料的降解。一般通过提高喂料段的纵横比,强制冷 却和震动喂料的方式来解决。也有一些造粒的原材料是已经经过一次或者多次加工的弹性体。这些原材料中或多或少存 在着填充油、填料，树脂等成分。虽然内摩擦力和黏度不至于象原料那么夸张，但是由于油的 存在导致
16、了材料喂料的输送困难，一般不建议把这类材料粉碎得太过于小。同时增加喂料段螺 杆的螺棱的摩擦系数也是必要的。聚碳酸酯：主要加工存在着粒子，粉体和破碎。由于PC本身的莫氏硬度很大，加工时候的 噪音会很大。相信大家都领教过那种“咯吱咯吱”的声音了，有时候真让人头皮发麻，生怕一 不小心螺杆就报销了。目前国内市场上真正舍得用原料加工的厂家我估计应该不多吧？大部分 是粉料，回料加工。这个时候材料的预烘干，破碎和加工设备的长径比要求都比较严格。我曾 经见过一个长径比只有24的单螺杆生产PC,虽然声音有点恐怖，但是生产出来的PC粒子无论 外观还是透明度还是相当的不错。同时由于PC的黏度问题，二次料的生产经常都会在粒子中带 一点气体。这就对设备的排气提出了一个比较严格的要求了。着色是单螺杆生产中很重要的一个组成部分。很多时候除了回收材料外，染色也是一个维 持工厂运作的模式。染色多为色粉染色，少数要求比较高的客户也会要求是色母染色。染色的 要求有二：一为颜色的均匀性；一为材
