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开槽机筒单螺杆挤出机的对比研究————————————————————————————————作者:————————————————————————————————日期: 开槽机筒单螺杆挤出机的对比研究挤出成型具有生产效率高、适应性强、用途广等优点,几乎适应于所有高分子材料的加工。而单螺杆挤出机作为聚合物挤出成型加工中最基本的装备之一,一直以来都得到了足够的重视。在单螺杆挤出理论中,固体输送量决定着单螺杆挤出机的产量,且固体输送段消耗的功率比较大,在某些情况下,甚至达到整根螺杆消耗功率的60%左右。因此,单螺杆挤出机固体输送段的性能直接决定了单螺杆挤出机的生产效率和挤出特性。单螺杆挤出机中应用最多的是光滑机筒,光滑机筒挤出机的固体输送机理为摩擦拖曳输送,其缺点主要包括:(1)对物料性能要求苛刻,难以实现高黏度、低摩擦系数物料的输送和稳定挤出;(2)产量低,固体输送段建压能力差;(3)比能耗大。针对上述缺陷,德国亚琛工业大学塑料加工研究所和BASF的研究人员对如何提高固体输送率进行了一系列研究,率先于20世纪70年代提出了基于强制输送的IKV固体输送理论,并设计了相应的IKV挤出机。IKV挤出机是最早的沟槽机筒挤出机,其典型结构特征在于机筒加料段内壁开设有轴向直槽,通过在机筒加料套内壁开槽将物料输送过程中的动力由物料与机筒间的外摩擦力转化为物料与物料间的内摩擦力,有效增大了固体塞输送的动力,提高了输送效率。随后研究者又发明了机筒开设螺旋沟槽的单螺杆挤出机,使单螺杆挤出机的比产量(Q1′)、比能耗(N1)上升一个新的台阶。笔者针对轴向直槽机筒单螺杆挤出机和螺旋沟槽机筒单螺杆挤出机的结构特点、固体输送机理和优缺点进行了详细的对比分析,并对其挤出性能进行了对比研究。 1 轴向直槽机筒单螺杆挤出机 结构特点固体输送机筒或机筒衬套内壁开设纵向沟槽,纵向沟槽的长度为3~5D(D为螺杆直径),沟槽深度大于颗粒的最大尺寸,数值与螺杆直径有关,沿纵向在固体输送段末端逐渐减小为零,沟槽数目大约是螺杆直径的1∕10,结构示意图如图1所示。沟槽横向截面形状一般为三角形、半圆形、矩形、倒梯形、锯齿形,其中以矩形沟槽为主。图1 开设轴向直槽的机筒衬套结构示意图 输送机理机筒开设轴向直槽,因沟槽深度一般大于固相粒子直径,沟槽螺棱推力小于固相之间的内摩擦力,固相必然在沟槽与螺槽的界面处被剪断,剪断面如图2所示。图2 固体输送段机筒开设轴向直槽的输送模型因此,固体输送段机筒开设直槽的单螺杆挤出机的固体输送机理与光滑机筒挤出机一样,均为摩擦拖曳输送。因固体塞被剪断,沟槽界面处的摩擦力为固相与固相之间内摩擦力,沟槽之间的机筒面为固相与机筒之间的外摩擦力,因此,剪断面处的摩擦力一部分为外摩擦力,一部分为内摩擦力,剪断面类似单螺杆挤出机的机筒面,剪断面的摩擦系数可等效为机筒的摩擦系数。因此,机筒开设轴向直槽的单螺杆挤出机的等效机筒摩擦系数为[5]: 式中:fz为机筒等效摩擦系数;n为机筒衬套开设的沟槽数目;b为沟槽宽度;Db为螺杆外径;fb为塑料固相与机筒的摩擦系数;fi为塑料固相与固相之间的内摩擦系数。在摩擦拖曳输送中,输送动力为等效机筒面的摩擦拖曳力,因固相的内摩擦系数约为外摩擦系数的5倍[5],当机筒开设轴向直槽后,机筒的等效摩擦系数可显著提高,因此,输送动力得到加强,输