单、双螺杆挤出机结构特点和工作原理的差异

【资料简介】

　　挤出成型工艺是聚合物加工领域中生产品种zui多、变化zui多、生产率高、适应性强、用途广泛、产量所占比重zui大的成型加工方法。挤出成型是使高聚物的熔体（或粘性流体）在挤出机螺杆的挤压作用下通过一定形状的口模成型，制品为具有恒定断面形状的连续型材。
　　挤出成型工艺适合于所有的高分子材料。几乎能成型所有的热塑性塑料，也可用于热固性塑料，但于酚醛等少数几种热固性塑料。塑料挤出的制品有管材、板材、棒材、片材、薄膜、单 丝、线缆包覆层、各种异型材以及塑料与其它材料的复合物等。目前约５０％的热塑性塑料制品是通过挤出成型的。此外挤出工艺也常用于塑料的着色、混炼、塑化、造粒及塑料的共混改性等，以挤出成型为基础，配合吹胀、拉伸等技术，又发展为挤出一吹塑成型和挤出拉幅成型制造中空吹塑和双轴拉伸薄膜等制品。可见挤出成型是聚合物成型中zui重要的方法。
　　挤出设备有螺杆挤出机和柱塞式挤出机两大类，前者为连续式挤出，后者为间歇式挤出，主要用于高粘度的物料成型，如聚四氟乙烯、超高分子量聚乙烯。螺杆挤出机可分为单螺杆挤出机和多螺杆挤出机。单螺杆挤出机是生产上zui基本的挤出机。多螺杆挤出机中双螺杆挤出机近年来发展zui快，其应用日渐广泛。目前，在ＰＶＣ塑料门窗型材的加工中，双螺杆挤出机已成为主要生产设备，单螺杆挤出机将被逐步淘汰。但在其它聚合物的挤出加工中，单螺杆挤出机仍占主导地位。二者有各自的特点：
　　单螺杆挤出机：
　　●结构简单，价格低。
　　●适合聚合物的塑化挤出，适合颗粒料的挤出加工。对聚合物的剪切降解小，但物料在挤出机中停留时间长。
　　●操纵容易，工艺控制简单。双螺杆挤出机：
　　●结构复杂，价格高。
　　●具有很好的混炼塑化能力，物料在挤出机中停留时间短，适合粉料加工。
　　●产量大，挤出速度快，单位产量耗能低。
　　在ＰＶＣ塑料门窗型材生产中，采用双螺杆挤出机与单螺杆挤出机的生产工艺为 见页下）：
　　可以看出，单螺杆挤出机适合粒料加工，使用的原料是经造粒后的颗粒或经粉碎的颗粒料。双螺杆挤出机适合粉料加工，可以直接使用混合好的ＰＶＣ料，减少了造粒的工序，但多了废料的磨粉工序。近几年，国产双螺杆挤出机的质量已基本达到进口双螺杆挤出机的水平，价格仅为进口机的１／３～１／５。由于双螺杆挤出机的产量大，挤出速度快，一般可达到２～４米／分钟，适合ＰＶＣ塑料门窗型材的大规模生产。而单螺杆挤出机一般只用作小型辅助型材生产，挤出速度仅为１～２米／分钟，许多的ＰＶＣ型材加工厂已淘汰了单螺杆挤出机，改用双螺杆挤出机一模多腔生产小型辅助型材。
　　挤出机的基本工作原理是将聚合物熔化压实，以恒压、恒温、恒速推向模具，通过模具形成产品熔融状态的型坯。但单螺杆挤出机与双螺杆挤出机结构不同，工作原理不同，其控制的工艺条件也不相同。
　　单螺杆挤出机
　　结构特点
　　单螺杆挤出机是由传动系统、挤出系统、加热和冷却系统、控制系统等几部分组成（另外还有一些辅助设备）。其中挤出系统是挤出成型的关键部位，对挤出的成型质量和产量起重要作用。挤出系统主要包括加料装置、料筒、螺杆、机头和口模等几个部分（如图３所示）。下面仅就挤出系统讨论挤出机的基本结构及作用。

PVC树脂  ＋     —→称量计量—→高速混合—→冷却混合—→双螺杆挤出机挤出—→冷却定型—→  各种助剂                                　　　　　　　　　　　↓                                  ↑                              　　单螺杆挤出机造粒—→单螺杆挤出机 挤出 —┘  —→牵引—→切割—→包装—→型材产品              　　　↓          　　　　废料—→粉碎—→与造粒料混合单螺杆挤出机挤出                  　　　　　　↓                 　　 　　　　　　磨粉—→与混合的粉料混合双螺杆挤出机挤出

　　１、加料装置
　　挤出成型的供料一般采用粒状料。加料装置是保证向挤出机料筒连续供料的装置，形状如漏斗，有圆锥形和方锥形，亦称料斗。其底部与料筒连接处是加料孔，该处有截断装置，可以调整和截断料流。在加料孔的周围有冷却夹套，用以防止料筒高温向料斗传热，避免料斗内塑料升温发粘，引起加料不均和料流受阻情况发生。料斗的侧面有玻璃视孔及标定计量装置。有些料斗还有防止塑料从空气中吸收水分的预热干燥真空减压装置，以及带有能克服粉状塑料产生“架桥”现象的搅拌器和能够定时定量自动加料的装置。
　　２、料筒
　　料筒又叫机筒，是一个受热受压的金属圆筒。物料的塑化和压缩都是在料筒中进行的。挤出成型时的工作温度一般在１８０～２９０℃，料筒内压可达６０ＭＰａ。在料筒的外面设有加热和冷却装置。加热一般分三至四段，常用电阻或电感加热器，也有采用远红外线加热的。冷却的目的是防止塑料的过热或停车时须对塑料快速冷却以免塑料的降解。冷却一般用风冷或水冷。料筒须承受高压，要求具有足够的强度和刚度，内壁光滑。料筒一般用耐磨、耐腐塑料摩擦使塑料过热，同时让螺杆表面温度略低于料筒，防止物料粘附其上，利于物料的输送。
螺杆用止推轴承悬支在料筒的中央，与料筒中心线吻合，不应有明显的偏差。螺杆与料筒的间隙很小，使塑料受到强大的剪切作用而塑化并推动向前。
螺杆由电动机通过减速机构传动，转速一般为１０～１２０ｒ／ｍｉｎ，要求是无级变速。
　　（１）螺杆的几何结构参数
　　螺杆的几何结构参数有直径、长径比、压缩比、螺槽深度、螺旋角、螺杆与料筒的间隙等（见图４）其中长径比（Ｌ／Ｄｓ）对螺杆的工作特性有重大的影响。一般挤出机长径比为１５～２５，但近年来发展的挤出机有达４０的，甚至更大。Ｌ／Ｄｓ大，能改善塑料的温度分布，能使混合更均匀，还可减少挤出时的逆流和漏流，提高挤出机的生产能力。Ｌ／Ｄｓ过小，对塑料的混合和塑化都不利。因此，对于硬塑料、粉状塑料要求塑化时间长，应选较大的。 Ｌ／Ｄｓ大的螺杆适应性强，可用于多种塑料的挤出。但Ｌ／Ｄｓ太大，热敏性塑料会因受热时间太长而出现分解，同时增加螺杆的自重，使制造和安装都困难，也会增大挤出机的功率消耗。目前，Ｌ／Ｄｓ以２５居多。

　　（２）螺杆的压缩比ε
　　螺杆的压缩比ε是指螺杆加料段*个螺槽的容积与均化段zui后一个螺槽的容积之比，它表示塑料通过螺杆的全过程被压缩的程度。ε越大，塑料受到挤压的作用也就越大，排除物料中空气的能力就大。但ε太大，螺杆本身的机械强度下降。一般压缩比ε在２～５之间。压缩比ε的大小取决于挤出塑料的种类和形态，如粉状塑料的相对密度小，夹带空气多，其压缩比应大于粒状塑料。另外挤出薄壁状制品时，压缩比ε应比挤出厚壁制品的大。
　　（３）螺槽深度Ｈ
螺槽深度影响塑料的塑化及挤出效率，Ｈ较小时，对塑料可产生较高的剪切速率，有利于传热和塑化，但挤出生产率降低。因此，热敏性塑料宜用。Ｈ大的深槽螺杆宜用熔体粘度低和热稳定性较高的塑料。在实际生产中，根据工艺需要，螺槽深度往往是变化的，根据螺杆各段的功能不同，螺槽的深度不同，zui通用的是渐变螺杆，如：加料段的螺槽深度Ｈｌ是个定值，一般Ｈ１＞０．１Ｄｓ；压缩段的螺槽深Ｈ２是渐变的，是一个变化值；均化段的螺槽深 Ｈ３是个定值，按经验 Ｈ３＝０．０２～０．０６ Ｄｓ。螺旋角θ是螺纹与螺杆横截面之间的夹角，随着θ的增大，挤出机的生产能力提高，但螺杆对塑料的挤压剪切作用减少。出于机械加工的方便，取Ｄｓ＝Ｌｓ，则θ为１７．２６。为zui常用的螺杆。
　　（４）螺杆与料筒的间隙δ
　　螺杆与料筒的间隙δ，其大小影响挤出机的生产能力和物料的塑化。δ值大，热传导差，剪切速率低，不利于物料的熔融和混合，生产效率也不会高。但δ小时，热传导和剪切率都相应提高。但δ过于小，就易引起物料降解。
　　单螺杆挤出机挤出过程和螺杆各段的功能
　　由高分子物理学知道，高聚物存在三种物理状态，即玻璃态、高弹态和粘流态，在一定条件下，这三种物理状态会发生互变。固态塑料由料斗进人料筒后，随着螺杆的旋转向机头方向前进，在此过程中，塑料的物理状态在不断发生着变化。根据塑料在挤出机中的三种物理状态的变化过程及对螺杆各部位的工作要求，通常将挤出机的螺杆分成加料段（固体输送区）、压缩段（熔融区）和均化段（熔体输送区）三段。对于常规渐变螺纹的螺杆来说，塑料在挤出机中的挤出过程可以通过螺杆各段的基本职能及塑料在挤出机中的物理状态变化过程来描述，见图５。

　　１、加料段
　　塑料自料斗进入挤出机的料筒内，在螺杆的旋转作用下，由于料筒内壁和螺杆表面的摩擦作用向前运动。在该段，螺杆的职能主要是将塑料压实提供向前输送的动力，物料仍以固体状态存在，虽然由于强烈的摩擦热作用，在接近末端时与料筒内壁相接触的塑料已接近或达到粘流温度，固体粒子表面开始发粘，但熔融仍未开始。这一区域称为迟滞区，是指固体输送区结束到zui初开始出现熔融的一为粘流态。
　　３、均化段
　　从熔融段进人均化段的物料是已全部熔融的粘流体。向前输送的粘流体在机头口模阻力下，一部分回流被进一步混合塑化，一部分被定量定压地从机头口模挤出。
　　从以上单螺杆挤出机的工作原理不难看出，塑料在挤出机中塑化，向前挤压流动，其主要动力来源于加料段的固体输送，塑化的均匀程度很大程度是由于均化段的结构和机头模具的阻力所造成的回流。在改善螺杆混炼结构上已经有了许多新型的结构，但其往往适合于热稳定性很好的聚合物，却不适宜ＰＶＣ树脂的生产，这就不一一介绍了。
　　双螺杆挤出机
　　随着聚合物加工业的发展，对高分子材料成型和混合工艺提出了越来越多和越来越高的要求，单螺杆挤出机在某些方面就不能满足这些要求。例如：用单螺杆挤出机进行填充改性和加玻璃纤维增强改性等，混合分散效果就不理想。另外，单螺杆挤出机尤其不适合粉状物料的加工。为了适应聚合物加工中混合工艺的要求，特别是硬聚氯乙烯粉料的加工，双螺杆挤出机自２０世纪３０年代后期在意大利开发出来以后，经过半个多世纪的不断改进和完善，得到了很大的发展。在国外，目前双螺杆挤出机已广泛应用于聚合物加工领域，已占全部挤出机总数的４０％。硬聚氯乙烯粒料、管材、异型材、板材几乎都是采用双螺杆挤出机加工成型的。作为连续混合机，双螺杆挤出机已广泛用来进行聚合物共混、填充和增强改性，也有用来进行反应挤出。近２０年来，高分子材料共混和反应挤出技术的发展进一步促进了双螺杆挤出机数量和类型的增加。
　　双螺杆挤出机的结构与分类
　　双螺杆挤出机由传动装置、加料装置、料筒和螺杆等几个部分组成，各部件的作用与单螺杆挤出机相似。与单螺杆挤出机区别之处在于双螺杆挤出机中有两根平行的螺杆置于同一的料筒中，如图６所示 转下页）。
　　双螺杆挤出机有许多种不同的形式，主要差别在于螺杆结构的不同。双螺杆挤出机的螺杆结构要比单螺杆挤出机复杂得多，这是因为双螺杆挤出机的螺杆还有诸如旋转方向、啮合程度等等问题。

　　常用于ＰＶＣ型材挤出的双螺杆挤出机通常是紧密啮合且异向旋转的螺杆，少数也有使用同向旋转式双螺杆挤出的，但一般只能在低速下操作，约在１０ｒ／ｍｉｎ范围内。而高速啮合同向旋转式双螺杆挤出机用于混炼、排气造粒或作为连续化学反应器使用，这类挤出机zui大螺杆速度范围在３００～６００ｒ／ｍｉｎ。非啮合型挤出机与啮合型挤出机的输送机理大不相同，比较接近于单螺杆挤出机的输送机理，二者有本质上的差别。
　　双螺杆挤出机的工作原理
双螺杆挤出机的结构尽管与单螺杆挤出机很相似，但工作原理差异却很大。在双螺杆挤出机中，物料由加料装置（一般为定量加料）加入，经螺杆作用到达机头口模。在这一过程中，物料的运动情况因螺杆的啮合方式、旋转方向不同而不同。
　　１、非啮合型双螺杆挤出系统
　　物料在非啮合双螺杆挤出系统中，除了向机头方向的运动形式外，还有多种流动方式，见图７。由于两螺杆不啮合，它们之间的径向间隙很大，存在较大的漏流。主要流动方式：１、由于两螺杆的螺棱的相对位置是错开的，即一根螺杆的推力面的物料压力大于另一螺杆拖带面的物料压力，从而产生了流动。

　　２、物料从压力较高的螺杆推力面向另一螺杆拖带面的流动，同时随着螺杆的旋转，在两螺杆的间隙处物料不断受到搅动并被不断带走、更新（不论两螺杆的转向如何），特别是在异向旋转过程中，物料在Ａ处受到阻碍，产生了流动。３、多种物料的流动形式（包括由于在两根螺杆的相互作用下产生的各种流动）都增加了对物料的混炼和剪切。但这种双螺杆没有自清洁作用，一般仅用于混料，不适合ＰＶＣ型材的生产。
　　２、啮合型同向旋转双螺杆挤出系统
　　物料在同向旋转的双螺杆挤出系统的全螺纹段的流动情况见图８。由于同向旋转双螺杆在啮合位置的速度方向相反，一根螺杆要把物料拉入啮合间隙，而另一根螺杆要把物料从间隙中推出，结果使物料从一根螺杆转到另一个螺杆，呈∞形前进，这种速度的改变以及啮合区较大的相对速度，非常有利于物料混合和均化，由于啮合区间隙很小，啮合处螺纹和螺槽的速度相反，剪切速度高，有很好自洁作用，即能刮去粘附在螺杆上的任何积料，从而使物料的停留时间很短。这种挤出机主要用于混炼物料和造粒。但由于物料在啮合区间所受剪切力很大，所以也不适应ＰＶＣ型材的生产。

　　３、啮合型异向旋转双螺杆挤出系统
　　啮合型异向旋转双螺杆挤出系统中物料的运动情况见图９。在啮合型异向旋转的双螺杆挤出中，两根螺杆是对称的，由于回转方向不同，一根螺杆上物料螺旋前进的道路被另一根螺杆的螺棱堵※，不能形成“∞”字型运动。在固体输送部分，物料是以近似的密闭“Ｃ”形小室的形态向前输送。但为了使物料混合设计中将一根螺杆的外径与另一根螺杆的根径之间留有一定的间隙量，以便使物料能够通过。物料通过两螺杆之间的径向间隙时，受到强烈的剪切、搅拌和压延作用，因此，物料的塑化比较好，多用于加工制品。由于两螺杆的径向间隙比较小，因此，有一定的自洁性能，但自洁性比同向旋转的双螺杆要差。
　　双螺杆挤出机的主要参数
　　１、螺杆公称直径。螺杆公称直径是指螺杆外径，单位为ｍｍ。对于变直径（或锥形）螺杆而言，螺杆直径是一个变值，一般用zui小直径和zui大直径表示如：６５／１３０。双螺杆的直径越大，表征机器的加工能力越大。
　　２、螺杆的长径比。螺杆的长径比是指螺杆的有效长度与外径之比。一般整体式双螺杆挤出机的长径比是在７～１８之间。对于组合式双螺杆挤出机，长径比是可变的。从发展看，长径比有逐步加大的趋势。
　　３、螺杆的转向。螺杆的转向有同向和异向之分。一般同向旋转的双螺杆挤出机多用于混料，异向旋转的挤出机多用于挤出制品。
　　４、螺杆的转速范围。螺杆的转速范围是指螺杆的zui低转速到zui高转速 （允许值）间的范围。同向旋转的双螺杆挤出机可以高速旋转，异向旋转的挤出机一般转速仅在０～４０ｒ／ｍｉｎ。
　　５、驱动功率。驱动功率是指驱动螺杆的电动机功率，单位为ｋＷ。
　　６、产量。产量指每小时物料的挤出量，单位为ｋｇ／ｈ。
　　双螺杆挤出机与单螺杆挤出机的差别
　　物料的传送方式
　　在单螺杆挤出机中，物料传送是拖曳型的。固体输送段中为摩擦拖曳，熔体输送段中为粘性拖曳。固体物料的摩擦性能和熔融物料的粘性决定了输送行为。如有些物料摩擦性能不良，如果不解决喂料问题，则较难将物料喂入单螺杆挤出机。所以颗粒状的原料适合单螺杆挤出机进料。
　　而在双螺杆挤出机中，特别是啮合型双螺杆挤出机，物料的传送在某种程度上是正向位移传送，正向位移的程度取决于一根螺杆的螺棱与另一根螺杆的相对螺槽的接近程度。紧密啮合异向旋转挤出机的螺杆几何形状能得到高度的正向位移输送特性。形成了强制进料，粉末状的物料有利于挤压进料。

　　表7　　　　　　　　　　双螺杆挤出机温度控制

1区/℃（加料段）	2区/℃	3区/℃	4区/℃	法兰盘/℃	机头体/℃	口模/℃	螺杆内油温/℃
170～180	160～160	165～175	165～175	165～175	170～180	175～185	70～90

　　物料的流动速度场
　　研究人员对物料在单螺杆挤出机中的流动速度分布已描述得相当明确，而在双螺杆挤出机中物料的流动速度分布情况相当复杂且难以描述。许多研究人员只是不考虑啮合区的物料流动情况来分析物料的流动速度场，但这些分析结果与实际情况相差很大，因为双螺杆挤出机的混合特性和总体行为主要取决于发生在啮合区的漏流，然而啮合区中的流动情况相当复杂。双螺杆挤出机中物料的复杂流谱，宏观上表现出单螺杆挤出机无法媲美的优点，例如：混合充分，热传递良好，熔融能力大，排气能力强及对物料温度控制良好等。
　　生产工艺控制的差别
　　由于单螺杆挤出机与双螺杆挤出机在结构和工作原理上的差别，在ＰＶＣ型材生产工艺控制上也有很大的差别，具体表现在：
　　１、温度控制
　　单螺杆挤出机一般采用温度逐步升高的控制方法，物料在加料段应处于未熔化的固体状态以利于达到固体输送的能力，如果物料过早熔化会抱在加料段的螺杆上与螺杆同步转动，阻止物料向前移动，形不成固体塞的输送能力，使挤出机挤不出料，长时间会造成ＰＶＣ的分解。从加料口到机头的温度分布如表６所示：

加料段	熔化段	均化段	机头体	口模
140～150℃	160～170℃	170～180℃	180～185℃	180～185℃

　　双螺杆挤出机与单螺杆挤出机输送物料的机理不同，它是采用强制进料的方法。ＰＶＣ物料一进入挤出机中便在通过两螺杆之间的径向间隙时，受到强烈的剪切、搅拌和压延作用，很快塑化后，进入排气段排气。如果ＰＶＣ物料得不到很好的塑化，不但加大螺杆挤压的负荷，同时进入排气段时，粉状的ＰＶＣ物料还会随空气一同排除，因此双螺杆挤出机的温度控制应为表７所示。
　　２、螺杆转速控制
　　（１）单螺杆挤出机
　　挤出速度和挤出机的螺杆转速有直接关系，螺杆转速提高，挤出速度加快。当然温度、模具的阻力、螺杆的塑化能力对挤出速度都有影响。单螺杆挤出机挤出ＰＶＣ型材的螺杆转速应在１０－４０ｒ／ｍｉｎ。因物料是直接通过料斗加入到螺杆和料筒之间的，进料速度与螺杆的转速有直接关系，同时也与原料形状、密度、表面物理性质有关，粉状的物料、密度小的物料、物料不光滑、流动阻力大的物料都会使进料速度变慢，有时还容易产生“架桥”阻止进料。单螺杆挤出机螺杆的转速直接影响挤出的压力、物料的塑化程度和转动螺杆电机的负荷。
　　综上所述，单螺杆挤出机的螺杆转速的确定，是根据物料的进料能力、塑化能力、机头的阻力和电机的负荷来决定的。
　　（２）双螺杆挤出机
　　双螺杆挤出机进料方式是依靠两根螺杆的间隙挤压的强制进料方式，尤其是常用于ＰＶＣ型材挤出的锥型双螺杆挤出机，它与单螺杆挤出机的摩擦拖曳的固体输送有很大的区别。在双螺杆挤出机中往往采用限制或是定量加料的方式。在进料口上方设有加料器，由加料器中的加料螺杆转速来控制物料进入挤出机的量，实际上也控制了挤出型材的速度。而螺杆的转速更多的体现在塑化能力的变化，速度加快，螺杆的塑化能力提高。但二者有密切的关系，加料速度应与挤出机螺杆的转速相匹配，达到的塑化质量和形成适当的机头压力。
　　用于ＰＶＣ型材生产的锥型双螺杆挤出机螺杆的转速一般应控制在１０～２５转／分钟，加料器的螺杆转速应控制在使挤出机负荷在满负荷的４０～６０％。加料速度过快会造成电机负荷过大，对螺杆，电机都是损坏。加料速度过慢，使机头压力过低，不利于熔体的合模压实，产量也会相应降低。在双螺杆挤出机挤出ＰＶＣ型材生产中，ＰＶＣ粉料容易挤压、塑化快、被经常使用，而ＰＶＣ颗粒料体积大、挤压困难、塑化慢并容易造成设备损害，需要磨细后使用。
　　配方要求的差异
　　由于单螺杆挤出机与双螺杆挤出机物料流动状态不同，物料在螺杆中所受的剪切力不同，所经历的塑化时间、历程不同，因此对ＰＶＣ体系的配方组成要求也有所不同。物料在双螺杆挤出机中所受的剪切力远远大于在单螺杆挤出机所受的剪切力，对ＰＶＣ体系的内润滑要求高些。但在双螺杆挤出机中物料的塑化时间短、塑化历程短，对ＰＶＣ体系的热稳定性要求没有单螺杆挤出机挤出塑化时间长，对热稳定剂稳定时间要求长。此外双螺杆挤出机塑化能力、物料塑化均匀度都远远大于单螺杆挤出机，双螺杆挤出机挤出制品的质量也比单螺杆挤出机要高，主要表现在材料的拉伸强度、抗冲击强度以及焊角强度上。具体表现在单螺杆挤出机挤出ＰＶＣ型材配方中所使用的热稳定剂、加工助剂、改性剂均比双螺杆挤出机ＰＶＣ型材配方中所使用的要多些。