摘要：介绍了啮合同向旋转双螺杆挤出机螺杆元件的特征，根据物理机械共混理论，设计出一种适用于玻纤增强PP的螺杆元件组合方式。实验结果表明：玻纤在PP中分散较好，长度均一，螺杆组合设计合理。
关键词：螺纹元件；捏合元件；玻纤；增强PP
引言：啮合同向旋转双螺杆挤出机是双螺杆挤出机的主要类型之一，它广泛应用于基体树脂的物理改性—填充、增韧和增强。由于双螺杆挤出机结构、设计和加工的复杂性，理论发展不完善，螺杆设计的预测十分困难，因而出现了组合式的双螺杆挤出机，即螺杆和机筒元件均为可卸的，利用搭积木的方式，将多种几何形状的螺杆元件和机筒组合在一起，从而优化设计以适应各种工艺配方的需要。同向双螺杆挤出机的螺杆和机筒采用组合式的优点是可以针对不同混合要求，根据经验—理论—实验，用有限数量和类型的螺杆元件和机筒元件进行多种排列组合，具有很大的适应性。
1、螺杆结构及其特性分析
随着平行同向双螺杆挤出机传动系统等问题的逐步解决，其螺杆输出总扭矩比20世纪60年代初提高了3倍之多，已广泛应用于高填充混合、聚合物共混、脱出挥发物、反应挤出等工艺过程。目前国内共有30多家企业在生产同向旋转双螺杆挤出机，如：兰州兰泰塑料机械有限公司、江苏科亚化工装备有限公司、南京橡塑机械厂、上海第四化工机械厂等。国外主要的生产厂家有英国APv Baker公司，日本东芝、神户制钢所等。尽管我国同向双螺杆挤出机在设计、制造和应用等方面都取得了长足的进步，但是与国外相比仍存在很大差距。
双螺杆的啮合曲线是根据螺杆的运动轨迹严格计算而得出的。但是由于竞争激烈，直到1978年，“无间隙啮合双螺杆螺纹曲线的推导和计算”一文才发表。国际先进的同向双螺杆的螺纹啮合实现了等间隙啮合，这大大提高了螺杆的自制性能和加工能力，使同向旋转双螺杆更适合加工热敏性塑料，拓宽了其应用领域。而国内原先采用的螺纹啮合曲线是圆弧线，不是全啮合曲线。现在有些厂家，如晨光院塑料机械研究所等采用了全啮合曲线。由于2根螺杆安装后应有一定的间隙，所以应对2根螺杆的理论曲线加以修正，否则，按中心距安装后，2根螺杆的曲面间隙为零，这样会因摩擦、发热膨胀等使螺杆剧烈磨损甚至抱死。修正的方法有3种：一种是缩小理论中心距，这种方法的缺点是2根螺杆在分离的方向（与螺杆轴线垂直的方向）并非是曲线上每一点的法线方向，间隙不均匀。一种改进方法是将螺杆轴截面上的理论曲线上所有各点沿轴线方向平移，然后将得到的各点再进行径向平移（所谓的轴剖面等间隙法）。但由于得到的曲线上的点并非与理论曲线上的点在同一法线方向上，2根螺杆沿轴截面的轮廓线间的间隙仍然不一致，这种方法的最大不足是物料容易在螺杆处产生死角，造成物料分解。另一种方法是将螺杆曲面上各点沿法线方向等距离平移（即所谓的法面等间隙修正法）。这种方法消除了轴剖面等间隙法的修正不足，使得2根螺杆在任何啮合位置间隙相等，从技术上保证了物料在螺杆处没有死角，提高了螺杆的自制能力，有利于物料的混合均匀以及挤出温度的均匀。目前北京丰阳贸集团等单位生产的双螺扦挤出机就采用了这种方法来对螺杆间隙进行修正，用户使用后反映很好。这种方法也是国外双螺杆普遍采用的修正法。
螺杆是挤出机的心脏。国际上著名的同向双螺杆挤出机生产厂商W&P公司将螺杆外径D与螺杆根径D1作为表征啮合同向双螺杆挤出机性能指标之一。D/D1之比值反映了螺槽的深浅，更反映出螺杆的自由体积和可能的输送能力，显然，螺槽越深，输送能力越强。但是螺杆所受的扭矩大小与螺杆根径的三次方成正比，因此螺槽的深度受螺杆额定扭矩限制。早期的螺槽深度较浅，随着设计、制造水平的提高，螺槽的深度越来越深。加之高扭矩的驱动系统出现，使得挤出机产量显著提高。
目前我国挤出机普通采用的是浅槽型螺杆，这也是我国同向双螺杆挤出机产量低的一个原因所在。但是，浅槽型螺杆和深槽型螺杆在加工不同物料时，各自具有独特的优势。对于高粘度的物料要求在低剪切速率下加工，可以采用浅螺槽型螺杆；对于要求在高的剪切速率下或者高的螺杆转速下作业以改善挤出物的质量、提高产量的物料，深螺槽型螺杆更为合适。
螺杆的长径比是用户最关心的参数之一，早期螺杆由于受到传动系统和芯轴制造技术的限制，长径比还不足20：1。随着对混炼质量的要求越来越高，为适应各种不同物料加工工艺的要求，如反应型高性能塑料合金等要求螺杆长径比越来越大，兰州兰泰塑料机械有限公司、北京丰阳工贸集团等单位生产的双螺杆挤出机的螺杆长径比已达到48：1。
螺杆组合元件主要有螺纹元件、捏合盘、齿形盘等，其中捏合盘主要是使物料剪切混合，齿形盘主要是使物料均化混合，而螺纹元件具有输送、分散、混合剪切等作用。捏合盘、齿形盘的加工相对容易，而螺纹元件的啮合轨迹是曲面，因此其加工难度较大。而国内厂家对该曲面的生成及加工不甚了解，加工出的螺纹元件的差别特别大，啮合间隙不均匀，容易产生干涉现象。
螺杆及螺杆元件一般采用氮化或者高耐磨蚀2种材料。高耐磨材料还没有在国产双螺杆挤出机上广泛使用，而且材料的处理方法和机加工设备也与国外有较大差异。
2、实验部分
笔者对化工部晨光化工研究院的TSSJ—25/33Ⅱ变频调速双螺杆挤出机进行了有机组合，按一定的要求和顺序套在螺杆芯轴上进行实验，结果表明，该螺杆组合设计适用于不同比例的玻纤增强聚丙烯（PP），可充分将不同比例的玻纤均匀分散，增强效果明显。
2.1 原材料
PP：K8303，北京燕山石化股份有限公司生产；交联剂：DCP，市售；抗氧剂：1010，DTSP，市售；偶联剂：北京燕山石化股份有限公司生产。
2.2 实验设备
热变形维卡测定仪，XWB—300A 型，承德试验机厂制造；数显式液压万能试验机，WES—5型，长春试验机厂制造；干燥箱，101型，上海实验仪器厂制造；万能制样机，ZHY—W型，河北承德试验机厂制造；高速混合机，GH—10DY型，北京市塑料机械厂制造；变频调速双螺杆挤出机，SST—25/22Ⅱ型，化工部晨光化工研究院塑料机械研究所制造；半导体冷却井/电源，天津中环电子制冷技术应用所制造；冲击试验机，XJU—22Ⅱ型，承德试验机厂制造；塑料切粒机，PQ—60型，化工部晨光塑料机械研究所制造；塑料注射成型机，CJ80M2 型，震德塑料成型机械有限公司制造。
2.3 性能测试
塑料拉伸强度：按照GB/T 1040—92 进行测试；维卡软化点：按照GB 1633—89进行测试；塑料悬臂梁冲击强度试验：按照GB/T 1843—89进行测试；塑料熔体流动速率：按照GB 3682—89进行测试。
3、结果与讨论
3.1 挤出工艺
双螺杆挤出机造母料温度：第1区温控 170℃；第2区温控 175℃；第3区温控180℃；第4区、第5区温控200℃；第6区温控210℃；机头部分温控200℃；螺杆转速40r/min。
3.2 螺杆元件的组合
由于同向双螺杆挤出机转速高达200 r/min，输送能力不受限制，故各加料口均采用“饥饿式”加料使螺槽呈半充满状态。真空排气口 1个，并将该螺杆元件组合分为3段，即Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段。
Ⅰ段：主要是熔融塑化段，螺杆开始部位对应主加料口，这里的螺纹元件螺距大、螺槽深，螺槽容积最大，以容纳自计量加料器加入的低表观密度的物料，继而采用螺槽容积逐渐变小的螺纹元件（变距）将物料进行混合。
Ⅱ段：玻纤加入口处的螺纹元件应部分充满物料，以便玻纤加入到熔融树脂中，减少机筒和螺杆的磨损。针对该组合玻纤填充量要求，输送元件采用不同导程的螺纹；通过一组正向捏合块及反向捏合块对玻纤进行相对的剪切、混合，使其被基体树脂充分润湿并获得分散，使玻纤均匀。
Ⅲ段：主要功能在于排气，并进一步混合，最后定压、定量、定温地将物料挤出。这一段开始对应螺槽容积量大的螺纹元件，以利于表面更新；紧接的是螺距逐渐变小的正向螺纹输送元件，该元件使物料逐渐充满螺槽，建立压力；最后由等距等深的正向输送螺纹元件将物料输送至口模。
3.3 螺杆元件的特性
主要用于物料的输送，该组合采用双头双线螺纹（导程 =2×螺距），螺槽等距等深，螺棱宽度比螺槽宽度小很多，因而一根螺杆的螺棱和另一根螺杆的螺槽之间留有很大间隙，通过这些间隙，物料可进行交换，轴向混合效果较好。双头螺纹块适合加工粉料、低松密度的物料以及难加入的物料，尤其适合纤维增强材料、剪切敏感或温度敏感物料的加工。
3.4 捏合元件的特性
1）正向捏合块，主要用于物料的混合剪切，同时也具有输送能力。
2）反向捏合块，主要作用为增大物料前移的阻力，则产生背压，造成其上游填充度的增大，可起到熔体密封作用，从而达到强力分散、混合的目的。
3）捏合盘的形状也能影响物料的混炼效果。宽边捏合盘的轴向混合输送能力较小，但能提供跨越盘缘的强剪切；窄边捏合盘的剪切强度较低，却能提供良好轴向混合和输送。笔者选用回混作用较大的窄边和回混作用相对小的宽边两种反向捏合块。
3.5 实验结果
按上述双螺杆元件进行了实验，测试结果见表1。由表1可以看出，随着PP中玻纤含量的逐渐加大，该体系的力学性能和热性能提高，完全符合玻纤增强PP的理论，达到了预期目的。玻纤作为分散相，通过螺杆元件的剪切、共混能够连续分散在基体树脂中，并且各向异性较好，从而证明该螺杆元件组合实用有效。
4、结论
不同的螺杆元件，其功能特性不同，应根据挤出过程中不同的挤出状态，选用不同的螺杆元件以优化整体螺杆在挤出过程中的综合性能，进行螺杆设计，合理的螺杆元件组合是获得综合性能较好的玻纤增强PP的必要条件。
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论文作者:颜望喜
论文发表刊物:《基层建设》2018年第23期
论文发表时间:2018/9/18
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