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薄膜挤出工艺的螺杆设计

哈桑·埃斯拉米博士 

流变学家,宏观工程与技术


挤出机是任何挤出工艺的关键部件,而螺杆则是挤出机的心脏,也是任何薄膜挤出系统的关键部件。螺杆熔化聚合物,制备均匀的熔体并将熔体送到模具。由于工艺的复杂性和被加工材料的复杂流变性,在设计薄膜挤出工艺的螺杆时需要特别注意,特别是多层阻隔膜挤出。

 

塑化螺杆,俗称挤出机的心脏,是挤出机最重要的部件;其设计对任何薄膜挤出系统的成功至关重要。用于薄膜挤出工艺的适当设计的螺杆应在将熔体输送到模具之前完全熔化颗粒、均化熔体并形成适当的熔体温度和压力。最终薄膜的机械和光学性能高度依赖于输送到模具的熔体质量。由于工艺的复杂性,设计用于薄膜挤出工艺的螺杆通常具有挑战性。例如,最终薄膜的规格均匀性对聚合物熔体的热均匀性非常敏感。对于多层阻隔膜,由于聚酰胺和 PVDC 等阻隔材料的复杂流变特性,螺杆设计变得更具挑战性。用于多层阻隔膜挤出的每个螺杆都必须根据相应的流变特性进行设计,以实现具有均匀薄膜厚度的所需结构,并且不影响其他所需性能,例如机械和阻隔性能。

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图 1:简单计量螺杆的示意图。

 


螺杆尺寸

 

图 1 提供了一个简单计量螺杆的示意图。它由三个主要部分组成;进料段、过渡段和计量段。进料段,通常也称为输送区,负责将物料(颗粒、绒毛和粉末)向前输送到过渡段。过渡部分是大部分熔化发生的螺杆部分。计量段,也称为熔体输送或泵送区,将熔体输送到挤出机的出料端。

 

螺杆通道深度是螺杆设计中最重要的变量之一,通常在进料段取最大值,在计量段取最小值。通道深度沿过渡(或压缩)部分逐渐减小,这允许对聚合物做更多的功。进料段和计量段沿其长度具有恒定的根部直径,从而使这些区域中的通道深度保持恒定。

 

被加工材料的体积特性和摩擦特性(即颗粒-桶、颗粒-螺杆和颗粒-颗粒的摩擦系数)是用于设计进料段螺杆几何形状的最重要参数。被加工材料的流变学和热学特性在指定过渡和计量段的螺杆几何形状时变得很重要。

 

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图 2:塑化螺杆的基本几何形状。

 

 

图 2 显示了典型螺杆螺旋几何形状的细节。通道深度、螺旋角、螺距和螺纹间隙是螺杆几何形状中最重要的变量。

螺杆的螺距定义为两个连续螺纹之间的距离。螺杆螺距与螺杆螺旋角直接相关,即螺杆螺距与垂直于螺杆轴线的平面之间的角度。在数学上,这种关系可以如图所示表示,其中和 D 分别是螺旋角和螺杆直径。

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如果螺距设计成与螺杆直径相等,则称为方螺距。应该注意的是,方形螺距并不总是螺杆设计的最佳螺距。事实上,最佳螺距或最佳螺旋角可以根据被加工材料的流变特性来计算。


压缩比

 

压缩比是螺杆设计过程中评估的重要参数。它可以由进料段中的通道深度(或通道体积)与计量段中的通道深度之比来定义。前者称为深度压缩比,后者称为体积压缩比。通常使用压缩比 (CR) 来代替深度压缩比,它的定义如所示。

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对于特殊螺杆,如屏障螺杆,考虑到体积压缩比 (VCR) 是比深度压缩比 (CR) 更可靠的设计参数,因为螺距也在这些设计中从进料段变为过渡段和计量段螺丝。

 

值得一提的是,CR 的值也可能是螺杆设计中的误导参数。例如,如果通道深度从进料段的 16 mm 变为计量段的 4 mm,则 CR 为 4:1。但是,如果通道深度从进料段的 12 mm 变为计量段的 3 mm,则将实现相同的压缩比。尽管这两个螺钉具有相同的压缩比,但它们的行为完全不同。螺杆设计中与压缩比密切相关的一个重要参数是过渡段的斜率。为了实现有效熔融,过渡段的压缩比和斜率应与被加工聚合物的熔融速率仔细匹配。螺杆压缩比还取决于被加工材料的可压缩性。可压缩性,即松散材料(例如绒毛)在压缩时占据较小体积的能力,会影响被加工材料的熔化效率。因此,一般推荐使用压缩比高的螺杆来加工压缩性高的材料。


长径 (L/D) 比

 

螺杆设计中的另一个关键参数是长径 (L/D) 比。它被定义为:

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典型的螺杆长径比介于 20:1 到 34:1 之间。螺杆的长度取决于螺杆设计中考虑的部分数量,而这又取决于应用和正在加工的材料。对于具有三个功能区(即进料区、压缩区和计量区)的传统螺杆,典型的长径比为 24:1。然而,对于需要具有恒定温度和压力的高度均质和无凝胶熔体的吹膜和流延工艺,不可避免地需要额外的部分。例如,通常在这些螺杆的设计中添加一个或多个额外的混合元件,以确保将均匀的熔体输送到模具中。因此,对于这些应用,螺钉应该更长,以适应增加的部分。用于薄膜挤出工艺的螺杆的典型长径比为 30:1。对于需要脱气的工艺(所谓的两级螺杆),通常建议使用 L/D 比大于 32:1 的螺杆。


螺杆间隙

 

间隙是螺杆外径和机筒壁之间空间的量度。根据经验,它被认为是螺杆直径的 0.1%。不适当的螺纹间隙会对螺杆性能产生不利影响;小间隙会导致螺杆螺纹过度磨损,而大间隙会降低螺杆的熔化效率。后者的发生是因为大的飞行间隙可以使厚的熔膜堆积在料筒表面,这会降低通过料筒的热导率。由于过多的泄漏流量(熔体流过螺杆螺纹),大的螺纹间隙也可能降低螺杆的泵送能力。阻隔螺杆与标准计量螺杆 标准计量螺杆的一个潜在问题是熔化效率低,特别是在高螺杆转速下。如果固体颗粒在整个过渡段中保持填充,则标准计量螺杆中可能会发生有效的熔化。然而,情况并非总是如此,因为固体颗粒经常在高螺杆速度下破裂(见图 3)。

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图 3:标准计量螺杆中的熔化进程,固体颗粒破裂发生在过渡段的末端。

 

 

一旦固体颗粒破裂,剩余的未熔化颗粒只能通过来自周围熔体的热对流来熔化。由于聚合物材料有限的热导率,通过对流熔化不是一种有效的熔化机制。因此,未熔化的聚合物可能仍会流过挤出机的出料端,从而产生不合需要的产品。屏障螺杆可以通过使用称为屏障螺纹的二级螺纹分离熔体和固体通道来克服这个问题。发生主要熔化部分的屏障部分位于进料部分和计量部分之间。屏障部分通常是过渡部分的替代品;但是,有些螺钉设计具有单独的过渡部分和屏障部分。

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图 4:阻隔螺杆的熔化进程

 

 

如图 5 所示,屏障螺钉有两种主要设计;恒定的深度和恒定的宽度。顾名思义,采用恒定深度设计,熔体和固体通道的深度保持不变。固体通道的宽度沿螺杆长度方向变窄,而熔体通道变宽。相比之下,等宽屏障螺杆的熔体和固体通道宽度在整个屏障部分保持不变,而它们的深度会发生变化。固体通道深度减小,熔体通道深度增加。

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图 5:两种类型的屏障设计,M:熔体通道,S:固体通道

 


混合段

 

如今,几乎所有用于薄膜挤出工艺的螺杆都有某种混合元件。这是因为获得良好的薄膜质量需要将非常高质量的熔体输送到模具,如果没有螺杆中的混合段,这是不容易实现的。原则上,挤出机中有两种混合方式;分散混合和分布混合。对于薄膜挤出工艺,分散混合器主要用于去除熔体中的凝胶。分布混合器用于熔体均化,特别是用于获得热均化熔体。这是薄膜挤出工艺中的一个重要问题,因为均匀性差会对最终薄膜质量产生不利影响,特别是对其规格均匀性。熔体温度对最终薄膜的光学性能也有重要影响。许多类型的混合元件已经被开发用于分散和分布混合。薄膜挤出工艺中使用最广泛的混合元件是 Maddock 型混合器和菠萝型混合器。Maddock(或联合碳化物)混合器,被称为高剪切混合元件,不仅有助于分散混合,还有助于分配混合。这种混合器还以其高熔化能力而闻名。原则上,高剪切混合元件主要用于分散混合;然而,在为薄膜挤出工艺设计的螺杆中,Maddock 混合器通常起到补充熔融部分的作用,这有助于避免在挤出机的出料端出现未熔融的聚合物。应该注意的是,高剪切速率和因此施加到聚合物熔体上的高剪切应力在穿过阻挡层的小间隙时可能会提高聚合物熔体的温度。扭曲的马多克混合器,也称为螺旋剪切混合器,具有优化的剪切和擦拭螺纹宽度可以减少剪切对熔体温升的影响。菠萝混合器,通常用作分配混合器,连续分裂和重新组合不同的熔体流,以获得均匀的聚合物熔体。它被称为低剪切混合元件。对于必须热均质熔体的薄膜挤出工艺,这种混合器非常有用。其他种类的分配混频器,如针式混频器,


流变学

 

众所周知,聚合物的流变性能在螺杆的设计及其性能中起着重要作用。从流变学上讲,挤出机螺杆发生两种不同类型的流动;剪切流和无剪切或伸长流。尽管在螺杆中的某些部分(例如混合器的某些部分)发挥了拉伸流动的作用,但螺杆通道中的流动主要由剪切主导。因此,在确定合适的螺杆设计时,被挤出的熔融聚合物的剪切流动特性是一个需要检查的关键参数。图 6 是剪切粘度与剪切速率的代表性图,它说明了聚合物材料的典型流动曲线。流动曲线由三个区域组成。区域 I 是曲线中剪切速率较低的部分。该区域通常称为牛顿区域,因为粘度具有恒定值,称为零剪切速率粘度。区域 II 是一个过渡区域,其中粘度随剪切速率非线性变化。最后,区域 III 是剪切稀化区域,其中粘度随剪切速率而降低。当以双对数刻度绘制时,该区域的剪切粘度与剪切速率的斜率用于确定幂律指数。幂律模型经常被用来表达剪切稀化区剪切粘度和剪切速率之间的关系。幂律指数是聚合物剪切敏感性的量度。幂律指数的值越小表明聚合物的行为越剪切稀化。该区域通常称为牛顿区域,因为粘度具有恒定值,称为零剪切速率粘度。区域 II 是一个过渡区域,其中粘度随剪切速率非线性变化。最后,区域 III 是剪切稀化区域,其中粘度随剪切速率而降低。当以双对数刻度绘制时,该区域的剪切粘度与剪切速率的斜率用于确定幂律指数。幂律模型经常被用来表达剪切稀化区剪切粘度和剪切速率之间的关系。幂律指数是聚合物剪切敏感性的量度。幂律指数的值越小表明聚合物的行为越剪切稀化。该区域通常称为牛顿区域,因为粘度具有恒定值,称为零剪切速率粘度。区域 II 是一个过渡区域,其中粘度随剪切速率非线性变化。最后,区域 III 是剪切稀化区域,其中粘度随剪切速率而降低。当以双对数刻度绘制时,该区域的剪切粘度与剪切速率的斜率用于确定幂律指数。幂律模型经常被用来表达剪切稀化区剪切粘度和剪切速率之间的关系。幂律指数是聚合物剪切敏感性的量度。幂律指数的值越小表明聚合物的行为越剪切稀化。

 

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图 6:聚合物熔体的典型流动曲线

 

 

指定螺杆的几何尺寸(通道深度、螺旋角、螺距和螺杆间隙)以及设计屏障和混合部分时必须仔细考虑被加工材料的粘度曲线。例如,对于低粘度物料,计量段的螺杆通道应较浅,而对于高粘度物料,应较深。值得一提的是,作为熔体粘度的工程量度的熔体指数(MFI)对应于某一特定点的剪切粘度值。在螺杆设计中使用熔体指数而不是流动曲线会导致螺杆几何形状不正确。螺杆螺旋角通常设计为17.66。该螺旋角对应于方形螺距。然而,这并不总是最佳的螺旋角。实际上,螺杆螺旋角与粘度曲线的幂律指数之间存在关系。更具体地说,随着幂律指数的增加,最佳螺旋角增加。换言之,对剪切敏感的材料需要较小的螺旋角,而对剪切不敏感的材料需要较大的螺旋角。对于 PVDC 和聚酰胺等敏感材料,确定螺旋角的最佳值对于成功挤出至关重要。设计用于加工 PVDC 和聚酰胺等热敏阻隔材料的螺杆的主要挑战是螺杆设计应允许在挤出机中的停留时间尽可能短,同时将高度均质的熔体输送到模具入口。换句话说,螺杆设计必须允许挤出机的基本目标在更短的时间内成功实现;否则,聚合物可能会降解。在最佳加工条件下,较短的停留时间需要较短的螺杆长度,这意味着需要较小的螺杆 L/D 比。使用较短的螺杆,可用于均化熔体的混合元件的空间较小。因此,必须根据这些聚合物的流变和热性能仔细计算螺杆每个功能部分的长度。

 

从薄膜挤出工艺获得的最终薄膜的性能直接关系到挤出机出料端的熔体质量。成功的螺杆设计将在模具入口处提供具有恒定温度和压力的均匀熔体。对于适当的固体输送,颗粒在机筒上应具有高度的粘性,在螺杆表面应具有高度的滑动性。为了有效地熔化,螺杆的几何形状应与正在加工的聚合物的熔化速率仔细匹配。由于其更高的熔化能力,适当的阻隔螺杆设计会导致更高的输出速率和更低的熔体温度。混合部分对于薄膜挤出工艺中使用的螺杆是必需的,因为这些工艺需要高度均匀的熔体流变特性,