了解單螺桿擠出機(jī)中的熔融

通過“翻轉(zhuǎn)”觀察點，使機(jī)筒看起來繞著靜止的螺桿順時針轉(zhuǎn)動，您可以更好地可視化熔化過程。

多年來，我與許多在擠出方面擁有豐富經(jīng)驗的人交談過，他們不了解單螺桿如何熔化聚合物，也不了解擠出機(jī)驅(qū)動器如何提供這種能量。許多人認(rèn)為桶式加熱器提供了進(jìn)入聚合物的大部分能量，這讓我感到困惑......而且完全錯了。

平心而論，由于幾何形狀的原因，很難想象在機(jī)筒中轉(zhuǎn)動螺桿時熔化。但是，如果你翻轉(zhuǎn)觀察點——想象一下槍管繞著螺桿轉(zhuǎn)動——你可以更清楚地看到所涉及的力。這與想象太陽繞地球轉(zhuǎn)一圈沒有什么不同，而我們知道事實恰恰相反。在實際的擠出機(jī)中，從驅(qū)動端（或從卸料端順時針）觀察時，螺桿通常逆時針轉(zhuǎn)動，并且機(jī)筒是靜止的。但是，如果我們翻轉(zhuǎn)觀察點，讓我們“坐在”螺桿上，槍管似乎在圍繞靜止的螺桿順時針旋轉(zhuǎn)。

融化是很難想象的。但是，如果你通過想象槍管圍繞螺桿旋轉(zhuǎn)來“翻轉(zhuǎn)”觀察點，你可以更清楚地看到所涉及的力。

在啟動之前，最初需要對機(jī)筒進(jìn)行加熱，以使螺桿充滿熔化的聚合物，并獲得聚合物粘附在機(jī)筒上的表面溫度。從那時起，幾乎所有進(jìn)入聚合物的能量都來自相對于螺桿轉(zhuǎn)動螺桿所需的能量，或者在我們的“翻轉(zhuǎn)”情況下，來自相對于螺桿的螺桿。由于初始加熱，聚合物粘在機(jī)筒上，并被螺桿飛行的角度向前推。一旦螺桿開始旋轉(zhuǎn)，聚合物幾乎完全通過剪切熔化。

“剪切”被定義為施加力使物體的一個表面相對于另一個表面變形。剪切物體會將熱量引入其中。在擠出機(jī)中，剪切聚合物的變形力需要能量來旋轉(zhuǎn)粘性聚合物層中的螺桿。來自驅(qū)動器的旋轉(zhuǎn)能通過剪切將熱量轉(zhuǎn)化為聚合物中的熱能。

一旦螺桿旋轉(zhuǎn)開始，料筒加熱器對熔化幾乎沒有任何貢獻(xiàn)。

剪切速率與旋轉(zhuǎn)速度和物體厚度成正比，在機(jī)筒表面附近達(dá)到大值，在螺桿根部達(dá)到零，如圖1所示。然后，剪切量與剪切過程中聚合物在不同溫度下的粘度成正比。在螺桿的“壓縮部分”使用逐漸減小的通道深度，迫使任何未熔化的聚合物更靠近機(jī)筒壁，在那里它獲得大的剪切力。

在圖 2 所示的順序 1-5 中：

1. 螺旋通道充滿未熔化的聚合物，離開進(jìn)料喉。

2.由于料筒加熱，料筒壁上形成一層薄薄的熔體膜。

3. 該薄膜被機(jī)筒和螺桿的相對旋轉(zhuǎn)剪切。

4. 隨著通道深度（壓縮部分）的減小，該工藝在螺桿設(shè)計的幫助下繼續(xù)進(jìn)行，這迫使未熔體靠在機(jī)筒上，從而大限度地提高未熔體的剪切力。

5. 通過該聚合物的適當(dāng)螺桿設(shè)計，所有未熔體都可以在適當(dāng)?shù)募庸囟认乱允芸氐姆绞睫D(zhuǎn)化為熔體。

即使在達(dá)到熔化點或軟化點后，由于熔體的粘度，剪切仍在繼續(xù)。單螺桿擠出機(jī)中的大部分驅(qū)動功率用于旋轉(zhuǎn)聚合物中的螺桿。驅(qū)動功率的典型分布是85-90%用于熔化，其余用于混合、加壓和轉(zhuǎn)發(fā)。一旦螺桿旋轉(zhuǎn)開始，料筒加熱器對熔化幾乎沒有任何貢獻(xiàn)。事實上，對于許多擠出操作，料筒加熱器大部分時間都處于冷卻模式。

每種聚合物根據(jù)將其溫度提高到所需加工溫度所需的能量，從驅(qū)動器中需要不同的能量。聚合物的比熱決定了該能量。在螺桿設(shè)計中，聚合物在剪切時的粘度決定了螺桿每轉(zhuǎn)一圈引入的能量。粘度隨著聚合物從固體發(fā)展到熔體而降低。聚合物的初始溫度決定了絲杠驅(qū)動所需的總能量。例如，預(yù)熱聚合物需要較少的驅(qū)動功率。