塑料挤出机节能高效螺杆设计

史民强，姜 帅，宫雨明

（1.哈尔滨市新农天丰塑料有限公司 黑龙江 哈尔滨150038；2.哈尔滨哈轴精密轴承制造有限公司，黑龙江 哈尔滨150036；3.哈尔滨轴承集团公司 电机轴承分厂，黑龙江 哈尔滨 150036）

1 前言

目前多层共挤吹塑薄膜在农膜生产中得到广泛应用，国内的多层共挤吹膜设备在很多方面落后于国外设备，主要表现在产量不高，塑化质量难以保证。针对以上问题，采用屏障型螺杆，可以取得较好的效果。

2 挤出机的技术与发展

挤出机是挤出成型生产线的最主要部分，包括挤压系统、传动系统、加热冷却系统和控制系统，用来提供温度和组成均匀的熔料以得到稳定可控的产品。螺杆是塑料挤出机的心脏，其设计和加工的优劣直接影响到整个设备水平的高低，它的作用是输送固体塑料、塑化成熔体并提供成型所需要的压力及流量。研究螺杆挤出过程中所发生的物理化学过程，有助于深入了解挤出成型工艺，对实际生产具有重要的指导意义。

普通单螺杆即传统经典的三段式：加料段、压缩段、均化段，但是这种螺杆结构已不能满足多种塑料挤出成型的需求，目前在螺杆设计上，突破传统经典结构，采用组合形式，即采用各种混炼元件、剪切元件与螺杆基体进行组合是一种新的技术。

组合螺杆多由输送区，压缩区、剪切区、减压区和混炼区组成，用于改变物料输送状态，进而提高物料的分散混炼能力和熔融速度等，使其更好地均匀塑化。

单螺杆挤出机还是一种低能耗、低成本的良好的排气机型，能提高塑料制品的产量和复合膜的外观质量（塑化和混色效果良好）。螺杆机筒结构能适应各种塑料的特殊加工，只要技术措施得当它基本能达到双螺杆的挤出效能。如国外现使用的塑料挤出机，相当一部分就是单螺杆的，由于技术含量高、产量大、压力波动小等优点，部分取代了双螺杆挤出机。

3 屏障型螺杆的设计

3.1 屏障型螺杆的特点

屏障螺杆的工作原理如图1 所示，其主要参数有螺杆直径、螺杆长径比、几何压缩比、螺旋升角、螺槽深度、螺棱宽度、螺杆与机筒间隙、螺纹头数和螺杆头部形状等。

图1 屏障螺杆的工作原理图

根据以上参数，使用计算流体力学（CED）软件，数值仿真动态模拟螺杆的挤出过程，运用CED理论，可以减少实验次数，解决某些由于实验技术的限制而难以进行测量的问题，同时可以提高生产效率，节省开发成本。螺杆上每个段的功能和名称见图2 。

图2 螺杆设计图

从图2 可见，在螺杆的压缩段，设一根辅助螺纹（屏障螺杆），辅助螺纹外径小于原螺纹外径，螺距大于原螺纹螺距，以便聚合物熔体能流过辅助螺纹屏障而进入熔体液相槽；辅助螺纹把螺槽分成了熔体液相槽和固相槽。随着横截面减小，固相槽的宽度和深度逐渐减小，熔体液相槽的宽度和深度逐渐变大，即横截面相应增加。在辅助螺纹末端，熔体液相槽的宽度和深度继续变大，最终变为计量段的宽度和深度。因固相槽的体积逐渐减小，保证了气体的排出，而不象单螺纹螺杆需要一定的压缩比才能排出塑料中的气体。随着固相槽的深度逐渐变小，所有聚合物熔体必须流过屏障螺棱间隙，进到熔体液相槽，未塑化的固体粒子不能通过间隙，而留在固相螺槽，这种屏障螺纹，具有将固体和熔体分离的功能，又称为分离形螺杆。

固相槽直接与机筒接触，能吸收更多的热量，同时固相槽直接受到很强的剪切作用，越来越多的剪切热将提供给固体料使其塑化熔融，这种塑化好的熔体（液相）进入液相槽后导致一定程度的混合，打破层流混合的流动以及延长形变历程的混合性差的状况。

液相槽的宽度和深度都是变大的，剪切应力变小，保证熔体温度不会继续升高（又称作低温挤出，但温度仍然在熔点（Tg）以上），这样的过程一直到固相槽结束。这种设计的优点主要是熔融的液相熔体与未熔融的固体物料分离开，缩短了挤出机的长度，加快了挤出过程，因此，在固体槽与螺杆之间形成的熔体膜的机会不多，固体槽崩溃的机会也少，因而熔融过程能以更稳定的方式进行。

这种熔融机理使屏障螺杆塑化效果好，保持低的熔体温度，适用多种型号树脂的加工。

3.2 分散混炼元件

为使塑炼挤出机具有分散混炼功能，必须在螺杆计量段中间设立分散混炼元件，距螺杆头端的距离约2D（见图2）。它是指开凹槽或开键槽的混合段，沿螺杆设置多个斜屏障螺纹，没有塑化好的塑料颗粒便不能通过间隙。在斜屏障段的进料槽内受前端封闭的影响，而成为旋转涡流，直到进一步塑化成熔融状态时才能顺利通过间隙被挤出，保证了混炼和混色效果。压力降消耗在混炼段，降低了挤出产量，按螺旋方向开斜凹槽，能实现在进口和出口螺槽中向前拖拽输送，对挤出量的降低影响很小。

在斜屏障混炼段的进口螺槽的深度逐渐减小直到末端为零，而出口槽的深度则相反，沿进口槽流动的物料越过屏障而进入出口槽。

3.3 屏障型螺杆的使用效果

产量高（比相同直径螺杆产量提高25%，长径比仅1：25，代替原螺杆长径比1：30），挤出稳定性好，排气和液相塑化分散混合能力有很大提高，达到最小化的聚合物降解，薄膜光学及力学性能有很大的改善，取得了预期的效果。对加工结晶性聚合物是卓有成效的，但对加工温度范围窄的树脂不能用此螺杆，如PVC等。

4 结束语

随着挤出机应用领域的不断拓展和技术上的不断进步，对塑料加工提出了更高的要求，软件的开发利用为螺杆的研发提出了更好的方法。高速高效和节能一直是挤出成型追求的目标，采用科学计算、理论分析与实验相结合的科学研究方法，动态模拟塑料螺杆挤出过程，向高技术含量、高产量和良好的排气性等方向发展，是将来新型螺杆的发展方向。该技术已获国家专利。