本文对单螺杆挤出机螺杆的熔体温度分布及塑化性能进行试验研究。采用由热电偶接点栅极构成的新型温度传感器对单螺杆挤出机中的熔体流动径向的多个测量点温度进行实时记录 。同时也对模头中的熔体压力及功耗进行监测 。试验对象为在不同转速下对工业用低密度聚乙烯进行加上的三种挤出机螺杆。结果表明,低产量挤出时,熔体温度分布曲线为以热传导为土的扁平形状,与螺杆的儿何形状相对无关。高产量挤出时,螺杆的塑化性能及测量的温度分布曲线与螺杆的几何形状有很大关系。具有混炼段的屏障型单螺杆比普通单螺纹螺杆的塑化性能好很 多。高产量挤出时 ,由于固体床的延迟熔融影响,在普通单螺纹螺杆熔体温度分布曲线中可观察到低温 “肩 ”区 。此外 ,熔体流动稳定性也与螺杆的几何形状有关,而屏障型螺杆的熔体流动具有较小的压力与温度波动。本次研究采用无因次准数来分析传导、对流及粘性剪切在不同挤 出条件下对塑化状态 的相对作用。
有效的螺杆设计对于挤出过程的优化具有极为重要的意义。螺杆几何形状对挤出机的产量、
塑化速率、混炼、熔体温度均匀性、加工效率等具有直接影响。根据具体材料与应用来进行螺杆设计一,尽管工业中常使用的 “普通 ”或具有渐变压缩段的 “标准 ”螺杆对许多工业用聚稀烃的适用性能良好。然而 ,如果忽略机械设计这一 方面。挤出物的质量将受到一定影响。 挤出机螺杆设计是个复杂的课题 ,己有许多相关的文献发表。标准单阶挤出机的螺杆 一般由三段组成 加料段、压缩段与计量段。挤出机螺杆的主要特征参数 为螺杆 直径 、长径 比 、各段的长度 、螺棱宽度 、螺纹节趾 、各段螺槽深度 。其它 条件不变时 ,螺杆中的滞留时问与螺杆长度成正比,与螺杆转速成反比。因此 ,受滞留时间影响的任何过程如塑与混炼同样具有这种关系,在螺杆转速高时可以增加螺杆的长度以克服滞留时间短带来的局限性。对于热塑性塑料,典型的螺杆 长度范围为如果有排气要求 ,螺杆长度更 长 。螺杆压缩 比表示进料段螺槽深度与计量段螺槽深度之比 ,其对塑化过程有很大影响。对于一般用途的螺杆 ,其压缩 比通常为 。螺杆的形状 如螺杆长度方 向 上的螺槽深度变化 由挤出物料类型决定。通常加工聚烯烃的螺杆具有渐变压缩段 ,这样可使固体床逐渐减小,维持下游流率以限制可能发生的停滞现象。尼龙等聚合物相对受到剪切较少,需要通过传 导得到进 一步的塑化。因而采用具有较长的进料段 与过渡段突变 长度小勺的螺杆 ,具有屏障未塑化聚合物的作用 ,目的是确定聚合物的凝胶化点。
对标准挤出机螺杆的常见修整方法是在螺槽中引入另一段具有屏障作用的螺棱。屏障螺杆与机筒内壁之间的间隙大于主螺棱与机筒内壁之间的间隙,可使熔融的聚合物流过屏障螺棱,
这样有效地将 固体床和熔融的聚合物分离开来,而且当固体床沿长度方向的宽度减少至零时 ,迫使融熔。屏障型螺杆与单头螺纹螺杆的性能比较已有文献讨论详述。实际使用中有多种设计的屏障型螺杆,但其基本原理相同,只是设计参数如螺旋角等不 同。具有分散或分布作用的混炼元件 也可被 引入到挤 出机螺杆中。分散型混炼元件通过迫使物料越过屏障螺棱流动来破碎粒团或凝粒。这种应用的典型实例为Maddock和Engan和混炼段 。分布型混炼元件通过破坏速度分布来改善不同聚合物的混合效果。常见的分布型混炼元件为销钉型、菠萝型及凹槽传递混炼段。
挤出机螺杆的塑化性能是挤出过程的关键部分 ,目前己开发出许多用于描述塑化过程的模型 ,但螺杆塑化性能的测定则更困难。早期实验采用的方法是挤出机在稳态下停车 ,快速冷却 ,然后将螺杆抽出对塑化方法进行研究。后来替代的方法是测量螺杆末端熔体温度的均匀性 但是这种方法很难进行量化分析。热排管技术已被用于评定从螺杆端部至两倍螺杆直径处的温度场,此外也采用相似的侵入技术如在面向熔体流动方向上安装固定式或者横向移动的热电偶。安装在薄膜底层平面布置的热电偶用于测量注射模塑和挤出中的温度分布。这些测量方法尽管具有破坏流动状态的缺点,但对于温度场的表征是很有用的。
本次研究中,采用没有保护壳的热电偶电缆组成的栅极对不同转速下的单螺杆挤出机模头中的熔体温度场进行监测。采用小截面的电缆以减少剪切热的影响。研究的主要 目的是比较在一定的挤出量下 ,普通单螺纹螺杆与屏障型螺杆的塑化性能 。研究结果对于螺杆设计、
挤出过程优化和 确认是非常有用的。
试验过程
本次试验采用的热电偶栅极传感器包括校准技术、剪切热和传导热的错误的量化在前面 己作详细描述。这些装置是以 等人开发的原型装置为基础 ,由安装在支架上二维排列的互连的曝露的热电偶接头组成。采用两种不同类型电缆构造热电偶接头,为了减少对压力作用的敏感性 ,特别了采用镍铬合金一镍基 型 热电偶。在每个接头处将产生一个与局部。温度 有关的电动势。为了构造热电偶接头 ,通过电容器放出的一定量的电流将电缆熔合在一起。
热电偶电缆的直径为。通过脉冲冷水或气体流经热电偶栅极前的电子管,来测量挤出中的温
度与速度分布。一个热电偶栅极设置在单螺杆挤出机12mm棒材模头入口(在单螺杆挤出机测试用连接套(内径为ф38mm中)见图1。另一个热电偶栅极直接位于挤出机螺杆末端截面直径为63.5mm处 。热电偶栅极布置设计如图2所示。7个接点垂直于流动方向不对称地布置于中心线的两侧。选择这种布置是由于己知经过一定时间后 ,熔体温度为对称分布。将流动路径横截面上的非对称测量点镜象,可以将个离散点增加至13个（一个测量点位于流动中心线上）。此外 ,加上一个直径为 的 型热电偶及一个伸入流动熔体深直径为的型绝缘热电偶的测量点,总共沿流动路径上提供了17个离散温度测量点。
除了热电偶,还采用了其它监控传感器,其中包括一个红外线温度传感器（DyniscoMTX）,
两个用在全程传输模式的超声波传感器 ,一个熔体压力传感器(DyniscoPT422A)。图1给出了这些监控硬件的布置方式。使用装有热电偶穿孔卡的PC机输出热电偶的测量值。测量频
率为10HZ,平均输出频率为1HZ。
全部测量在螺杆直径为ф63.5mm的单螺杆挤出机(Davis 标准BC60型)上进行 。此种挤出机上装备有标准的 “双热 ”控制器 ,即在串联系统中每个控制区使用两个热电偶 ,以提高机筒的温度控制。挤出机机筒的温度设定如下:Z1(进料段)、140℃、Z2 170°C、Z3 185°C、Z4(计量段)200 ℃。模头的温度设定为200℃,试验过程中所有的设定温度保持不变。研究采用支链低密度聚乙烯（Dow,LD150）。这是一种工业吹膜级树脂MFI为0.24g/10min(2.16kg,190℃) ,平均分子量为 。试验采用三种长径比为24:1的挤出机螺杆。采用加工聚烯烃的螺杆设计结构为了对塑化条件进行比较 ,而并非为本次研究专门设计 。螺杆结构示意如图3所示 ,具体说明如下:
(a)压缩比为3:1,具有渐变压缩段的单螺纹螺杆。
(b)压缩比为 ,具有突变压缩段的单螺纹螺杆。
(c)压缩比为2.5:1,具有Maddock螺旋混炼段的屏障型螺杆。
试验在挤出机螺杆转速范围为10 – 100rpm,每级为10rpm的条件下进行,每级螺杆转速下允许有充分的时间使挤出状态稳定。
