优化双螺杆配混工艺，抓牢螺杆、机筒、排气口三大设计核心

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（来源：链塑网）

双螺杆配混工艺必须实现高产出率以及可接受的低磨损率，方能保证盈利。然而，许多配混厂商在运行其同向双螺杆挤出机时，采用的设计和工艺条件并未达到最优。这些问题通常涉及螺杆构型、机筒配置及其排气口设计。此类失误会导致诸多问题，影响产品质量、降低产出率，并加剧机筒、螺杆元件及齿轮箱的磨损。

原材料形态多样，包括切粒、颗粒、片状物及粉末等。其数量、形状和固体密度共同决定了喂入物料的堆积密度。喂料区必须配备合适的输送元件，以确保最佳的物料摄入和输送行为。

Erdmenger 输送元件和输送元件的示意图，其中推动飞行被底切，如白色箭头所示。顶视图的旋转是顺时针方向。

资料来源：克劳斯玛菲

通常，在加工大多数物料时，位于喂料口下方的第一个机筒段内的螺杆元件，应设计为大螺距，以提供高自由体积容量。随后，在进入熔融区之前，输送元件的螺距应逐渐减小至不小于一个直径（导程）。这种螺杆设计最大限度地提高了喂料区的自由体积，并在原材料进入熔融区之前开始对其进行压实和致密化。

为减小固体聚合物颗粒对螺杆产生的扩张力，建议在喂料区最后一个输送元件和熔融区第一个元件（通常为窄型捏合块）处，采用减径螺杆元件。减径螺杆元件的外径略小，从而在机筒壁与螺杆螺棱之间形成较大间隙。这种方法可以减轻螺杆元件和机筒的磨损，降低压力峰值，实现更温和的物料加工，最终延长设备寿命并可能改善产品质量。

了解您的输送元件

主要有两种类型的螺杆输送元件。

• 一种是双螺棱自清洁自刮擦螺杆元件，称为Erdmenger元件，由Rudolf Erdmenger开发。

• 另一种是是双螺棱输送元件，其推进螺棱边缘采用挖切设计。元件示意图见图1。这些削切型元件不具备自清理或自扫功能，但与Erdmenger元件相比，其螺槽提供了更大的自由体积。

通常，由于Erdmenger元件的自清理和自扫特性，它们在大多数应用中被广泛使用。然而，挖切型元件在特定情况下能提供优势。

例如，在加工堆积密度低的蓬松物料时，喂料段的挖切型元件能提供更高的喂料速率。由于喂料段的原材料通常是固体，对自清理和自扫功能的要求不那么关键。

挖切型元件的另一个应用场合是在真空排气口下方，尤其是在加工低粘性或非粘性聚合物熔体时。由于其更大的自由体积，这些元件增加了部分填充区聚合物熔体的表面积，从而提高了脱气效率。

工艺设计错误在将填料掺入基础树脂形成高填充配混料的混合区尤为常见。对于填充滑石粉或碳酸钙的配混料尤其如此，其填料含量可达80%（重量百分比）或更高。在此类情况下，由于矿物填料堆积密度低（通常通过侧喂料器加入挤出机），将夹带进入挤出机的空气排出变得具有挑战性。根据矿物填料的堆积密度和粒径，通常总填料含量的一半通过每个侧喂料器加入。

精确设计配置与工艺

在以最大产出量运行双螺杆挤出机时，其配置和工艺必须经过精确设计。不良设计会显著降低产量和工艺盈利能力。

通过侧喂料器成功喂入矿物填料的关键在于：

• 确保填料被快速输送至混合区而不发生返料，

• 同时确保引入的空气能够通过前、后大气排气口排出挤出机，且不会将填料颗粒带出排气口，如图2A所示。

然而，即使混合区设计得当，有时前排气口仍会发生堵塞，如图2B设计所示。

用于侧进低堆积密度填料的挤出机示意图：

A） 在前后通风口上适当添加开放通道;

B） 由于插入前向大气通风口而导致通风效果不佳;

C） 设计不当，其中前通风口被堵塞或反向捏合块会形成熔体密封，从而使夹带的空气无法离开前通风口。

资料来源：R. Segiet

至关重要的是，位于前、后排气口之间的螺杆混合段不应完全填充，并保持轴向开放，使得气流能均匀地从两个排气口排出。只有提供了轴向开放的混合段，才能避免排气口堵塞。如果螺槽非轴向开放，随矿物填料通过侧喂料器进入的空气可能会向下游移动。

当到达完全填充的螺杆段时，气流会遇到无法通过的熔体密封，如图2C所示。结果，空气在挤出机内改变方向，试图通过后排气口排出。在流经侧喂料区时，回流的空气会拖带填料颗粒向后运动，可能导致后排气口堵塞。

图2所示的螺杆设计还存在其他一些设计缺陷。其中包括喂料段螺距（导程）由大变小再变大，导致小螺距元件磨损率增高。

图3显示了小螺距元件的高磨损率和点蚀（红色椭圆标出）。通常，喂料段的螺距不应像图2那样变化。正确的做法是：

• 在料斗下方使用1.5至2倍直径导程长度的输送元件；

• 随后在下游使用1.5或1.25倍直径导程长度的输送元件；

• 最后在熔融区前以1倍直径导程长度的输送元件结束。

此外，图2中的螺杆使用了宽型捏合块作为熔融区的第一个元件。这些元件可能导致高局部压力和高磨损率。推荐使用窄型捏合块或三翼捏合块。

熔融段末端使用了反向元件，且其位置横跨两个机筒段的连接处，如图2所示。这种设计可能导致严重磨损，最终需要同时更换两个机筒段。若反向元件仅位于一个机筒段内，磨损将只发生在该机筒段，因而只需更换一个而非两个机筒段。此外，位于两个机筒段连接处的反向元件产生的高局部压力，在最坏情况下可能导致树脂从连接处泄漏。

图 2 中螺钉进给部分的照片，其中飞线从正常变短，然后恢复正常。元素中出现了高磨损率和点蚀（红色椭圆形）。

资料来源：R. Segiet

在上述案例中，填料是在树脂熔融后通过侧喂料器在下游加入的。这是添加这些组分的正确方法。若将填料组分加入主喂料斗，则可能产生填料团聚。例如，某特种树脂使用高抗冲聚苯乙烯（HIPS）树脂和一种特种填料化学品（粉末）进行配混。HIPS和特种化学品通过料斗喂入。

此处，填料化学品在熔融过程之前已部分团聚。如图4所示，树脂为黑色，填料化学品为白色。粉末在高压力下于螺棱顶端与机筒壁之间被压实。这类应用的目标是生产无填料团聚物的配混料，因为最终的挤出过程无法分散这些团聚物。

熔体泵的助益

使用熔体泵有助于提高产品质量并减少机器磨损，尤其是在双螺杆挤出机的建压段。根据配混料的粘度以及是否使用换网器，熔体泵的使用会对熔体温度、聚合物降解和机械应力方面的产品质量产生显著影响。

使用设计不良的工艺制造的特种 HIPS 树脂颗粒的照片。白色斑点是填料团聚体：

A） 1 倍放大倍率，

B） 4 倍放大倍率。

资料来源：M.A. Spalding

特别是对于高粘度或热敏性配混料，尤其是在使用细目数换网器时，熔体泵具有明显优势。在大多数情况下，熔体泵的入口压力设定在约300 psi（约2.07 MPa）。这通常会导致双螺杆挤出机末端压力显著降低。根据配混料和所选过滤网目数，压力可降低1500 psi（约10.34 MPa）或更多。

挤出机末端压力的降低意味着作用在配混料上的剪切应力减小，机械磨损降低，因为螺杆元件和机筒承受的应力水平更低。因此，配混料的熔体温度得以降低。作为参考，压力每降低150 psi（约1.03 MPa），熔体温度可能下降1-2°C。

高背压导致几个封闭的机筒开口处的熔体泄漏。

资料来源：R. Segiet

如图5照片所示，如果局部压力过高，在被堵塞的排气口附近可能发生泄漏。使用熔体泵可以降低挤出机出口压力，消除被堵塞排气口下的局部高压，从而减轻泄漏。

您可以运用这些简单的工艺策略来设计配混操作，实现更高产出率、减轻挤出机和螺杆元件的磨损，从而提高工艺盈利能力。