塑料擠出機節能高效螺桿設計

史民強，姜 帥，宮雨明

（1.哈爾濱市新農天豐塑料有限公司 黑龍江 哈爾濱150038；2.哈爾濱哈軸精密軸承制造有限公司，黑龍江 哈爾濱150036；3.哈爾濱軸承集團公司 電機軸承分廠，黑龍江 哈爾濱 150036）

1 前言

目前多層共擠吹塑薄膜在農膜生產中得到廣泛應用，國內的多層共擠吹膜設備在很多方面落后于國外設備，主要表現在產量不高，塑化質量難以保證。針對以上問題，采用屏障型螺桿，可以取得較好的效果。

2 擠出機的技術與發展

擠出機是擠出成型生產線的最主要部分，包括擠壓系統、傳動系統、加熱冷卻系統和控制系統，用來提供溫度和組成均勻的熔料以得到穩定可控的產品。螺桿是塑料擠出機的心臟，其設計和加工的優劣直接影響到整個設備水平的高低，它的作用是輸送固體塑料、塑化成熔體并提供成型所需要的壓力及流量。研究螺桿擠出過程中所發生的物理化學過程，有助于深入了解擠出成型工藝，對實際生產具有重要的指導意義。

普通單螺桿即傳統經典的三段式：加料段、壓縮段、均化段，但是這種螺桿結構已不能滿足多種塑料擠出成型的需求，目前在螺桿設計上，突破傳統經典結構，采用組合形式，即采用各種混煉元件、剪切元件與螺桿基體進行組合是一種新的技術。

組合螺桿多由輸送區，壓縮區、剪切區、減壓區和混煉區組成，用于改變物料輸送狀態，進而提高物料的分散混煉能力和熔融速度等，使其更好地均勻塑化。

單螺桿擠出機還是一種低能耗、低成本的良好的排氣機型，能提高塑料制品的產量和復合膜的外觀質量（塑化和混色效果良好）。螺桿機筒結構能適應各種塑料的特殊加工，只要技術措施得當它基本能達到雙螺桿的擠出效能。如國外現使用的塑料擠出機，相當一部分就是單螺桿的，由于技術含量高、產量大、壓力波動小等優點，部分取代了雙螺桿擠出機。

3 屏障型螺桿的設計

3.1 屏障型螺桿的特點

屏障螺桿的工作原理如圖1 所示，其主要參數有螺桿直徑、螺桿長徑比、幾何壓縮比、螺旋升角、螺槽深度、螺棱寬度、螺桿與機筒間隙、螺紋頭數和螺桿頭部形狀等。

圖1 屏障螺桿的工作原理圖

根據以上參數，使用計算流體力學（CED）軟件，數值仿真動態模擬螺桿的擠出過程，運用CED理論，可以減少實驗次數，解決某些由于實驗技術的限制而難以進行測量的問題，同時可以提高生產效率，節省開發成本。螺桿上每個段的功能和名稱見圖2 。

圖2 螺桿設計圖

從圖2 可見，在螺桿的壓縮段，設一根輔助螺紋（屏障螺桿），輔助螺紋外徑小于原螺紋外徑，螺距大于原螺紋螺距，以便聚合物熔體能流過輔助螺紋屏障而進入熔體液相槽；輔助螺紋把螺槽分成了熔體液相槽和固相槽。隨著橫截面減小，固相槽的寬度和深度逐漸減小，熔體液相槽的寬度和深度逐漸變大，即橫截面相應增加。在輔助螺紋末端，熔體液相槽的寬度和深度繼續變大，最終變為計量段的寬度和深度。因固相槽的體積逐漸減小，保證了氣體的排出，而不象單螺紋螺桿需要一定的壓縮比才能排出塑料中的氣體。隨著固相槽的深度逐漸變小，所有聚合物熔體必須流過屏障螺棱間隙，進到熔體液相槽，未塑化的固體粒子不能通過間隙，而留在固相螺槽，這種屏障螺紋，具有將固體和熔體分離的功能，又稱為分離形螺桿。

固相槽直接與機筒接觸，能吸收更多的熱量，同時固相槽直接受到很強的剪切作用，越來越多的剪切熱將提供給固體料使其塑化熔融，這種塑化好的熔體（液相）進入液相槽后導致一定程度的混合，打破層流混合的流動以及延長形變歷程的混合性差的狀況。

液相槽的寬度和深度都是變大的，剪切應力變小，保證熔體溫度不會繼續升高（又稱作低溫擠出，但溫度仍然在熔點（Tg）以上），這樣的過程一直到固相槽結束。這種設計的優點主要是熔融的液相熔體與未熔融的固體物料分離開，縮短了擠出機的長度，加快了擠出過程，因此，在固體槽與螺桿之間形成的熔體膜的機會不多，固體槽崩潰的機會也少，因而熔融過程能以更穩定的方式進行。

這種熔融機理使屏障螺桿塑化效果好，保持低的熔體溫度，適用多種型號樹脂的加工。

3.2 分散混煉元件

為使塑煉擠出機具有分散混煉功能，必須在螺桿計量段中間設立分散混煉元件，距螺桿頭端的距離約2D（見圖2）。它是指開凹槽或開鍵槽的混合段，沿螺桿設置多個斜屏障螺紋，沒有塑化好的塑料顆粒便不能通過間隙。在斜屏障段的進料槽內受前端封閉的影響，而成為旋轉渦流，直到進一步塑化成熔融狀態時才能順利通過間隙被擠出，保證了混煉和混色效果。壓力降消耗在混煉段，降低了擠出產量，按螺旋方向開斜凹槽，能實現在進口和出口螺槽中向前拖拽輸送，對擠出量的降低影響很小。

在斜屏障混煉段的進口螺槽的深度逐漸減小直到末端為零，而出口槽的深度則相反，沿進口槽流動的物料越過屏障而進入出口槽。

3.3 屏障型螺桿的使用效果

產量高（比相同直徑螺桿產量提高25%，長徑比僅1：25，代替原螺桿長徑比1：30），擠出穩定性好，排氣和液相塑化分散混合能力有很大提高，達到最小化的聚合物降解，薄膜光學及力學性能有很大的改善，取得了預期的效果。對加工結晶性聚合物是卓有成效的，但對加工溫度范圍窄的樹脂不能用此螺桿，如PVC等。

4 結束語

隨著擠出機應用領域的不斷拓展和技術上的不斷進步，對塑料加工提出了更高的要求，軟件的開發利用為螺桿的研發提出了更好的方法。高速高效和節能一直是擠出成型追求的目標，采用科學計算、理論分析與實驗相結合的科學研究方法，動態模擬塑料螺桿擠出過程，向高技術含量、高產量和良好的排氣性等方向發展，是將來新型螺桿的發展方向。該技術已獲國家專利。