并非所有的屏障式螺杆都是相同的


作者:Frankland Plastics Consulting公司 Jim Frankland 日期:2019/07/01 来源:PT塑料网

为了获得更好的塑化效果,多年来,屏障式螺杆一直在不断改进。虽然它们有一些共同的设计特征,但作用并不完全相同。笔者发现,与交叉屏障式螺杆相比,平行屏障式螺杆(如图1所示)更具优势。

那么,这些优势体现在哪里呢?作为一名设计师,笔者认为非常重要的一点首先是,平行屏障式螺杆的熔融和泵送能力计算起来比较简单,这样有利于缩短设计时间。与之相比,交叉屏障式螺杆需要更多的计算才能准确得出熔融速率和产量。这是因为在这类螺杆中,随着固体、熔体沿螺杆向前推进,固体和熔体螺槽的深度与宽度会不断发生变化,这会导致潜在的设计错误。

图1屏障式螺杆的对比。计算平行屏障式螺杆的熔融和泵送能力要容易得多。交叉屏障式螺杆需要更多的计算才能精确得出熔融速率和出料特性,因为固体和熔体的螺槽深度与宽度不断发生变化
图1屏障式螺杆的对比。计算平行屏障式螺杆的熔融和泵送能力要容易得多。交叉屏障式螺杆需要更多的计算才能精确得出熔融速率和出料特性,因为固体和熔体的螺槽深度与宽度不断发生变化

从性能角度来看,交叉屏障式螺杆往往需要更大的长度,其与机筒之间的接触面积才能达到与平行屏障式螺杆相同的水平。笔者已经评估了许多交叉屏障式螺杆和平行屏障式螺杆,结果发现,如果它们拥有长度相同的屏障段和螺纹导程,那么交叉屏障式螺杆的固体螺槽面积只有平行屏障式螺杆的2/3。在笔者研究的平行屏障式设计中,固体螺槽的宽度大约占66%,熔体螺槽宽度大约占33%。由于屏障式设计旨在改善出料量较高时的熔体均匀性,因此具有较大熔融面积的螺杆(由固体螺槽面积决定)将有明显的优势。

螺槽的深度与宽度之比(h/W)是对比两种螺杆的一个关键因素。这个数值通常被称为“形状系数(shape factor)”,它会影响拖曳流和压力流。当h/W增大时,拖曳流减小。图2显示了形状系数对拖曳流的影响。从图中可以看出,当h/W达到0.2时,即螺槽深度为0.6in(1in=2.54cm)、宽度为3in,拖曳流的系数(Fc)已减小到计算出的拖曳流的90%。对于交叉屏障式螺杆,这意味着沿整个固体螺槽,拖曳流都会减小,对于从3in开始且固定深度为0.6in的螺槽,其中间段的拖曳流将减小到72%左右,直至其末端,都会一直减小。

图2 当螺槽的深度与宽度(h/W)比增加时,其拖曳流会减小。该比值通常被称为“形状系数”。形状系数影响拖曳流和压力流。图中显示了形状系数对拖曳流的影响程度
图2 当螺槽的深度与宽度(h/W)比增加时,其拖曳流会减小。该比值通常被称为“形状系数”。形状系数影响拖曳流和压力流。图中显示了形状系数对拖曳流的影响程度

当交叉屏障沿着螺杆移动时,由于形状因素引起的这种拖曳流的减小,最终会导致一部分固体螺槽无法有效地去除熔体,因为它们变得非常狭窄,这会阻碍未熔融物进入该区域。这种减小的拖曳流大致在屏障段的最后1/3处发生,会进一步影响熔融区域。

h/W对拖曳流的影响程度与聚合物黏度有关,一般具有低幂律系数(即拥有较大的剪切稀化倾向)的聚合物受到的影响会更大。一篇由陶氏化学公司Mark Spalding和Castle 研究协会Greg Campbell撰写的2010 SPE ANTEC论文“单螺杆挤出机旋转流量计算校正的工程方法(An Engineering Approach to the Correction of Rotational Flow Calculations for Single Screw Extruders)”证明了形状系数对幂律系数不同的聚合物的影响(如图3所示)。Spalding和Campbell的研究表明,交叉屏障式螺杆更适合幂律系数更高的聚合物。

图3 h/W的影响程度与聚合物黏度有关。幂律系数低的聚合物受到的影响会更大。交叉屏障式螺杆更适合幂律系数高的聚合物
图3 h/W的影响程度与聚合物黏度有关。幂律系数低的聚合物受到的影响会更大。交叉屏障式螺杆更适合幂律系数高的聚合物

这意味着聚碳酸酯(PC)或尼龙66(PA66)等聚合物是交叉屏障式设计的良好加工对象。有趣的是,加工PVC的螺杆受Fc的影响最大。然而,大多数用于加工PVC的屏障式螺杆都采用的是交叉屏障式设计。不过经过仔细研究就会发现这是有道理的,因为无定形聚合物不受熔融区域的影响,它们基本上随着温度升高而软化,并且没有一个确定的熔点。

这里需要注意的一点是,固体区域最大化并非是评价屏障式螺杆的设计是否优质的唯一标准,但是它肯定是非常关键的一个因素。选择平行屏障式设计的另一个考量因素是在熔融期间固体床可能变形。这通常会发生在交叉屏障式螺杆上,因为固体螺槽的宽度(即形状)不断变化,这样就会导致固体床破裂以及较差的熔融速率和熔体质量。这说明了平行屏障式螺杆更适合具有固定熔点的结晶聚合物,而对于无定形聚合物则不那么重要。

由于先前提到的泵送限制,交叉屏障式螺杆通常还需要更深的固体螺槽来获得与平行屏障式螺杆同等的出料量。但较深的螺槽会减少从机筒和熔体传递到未熔融物的热量。不过,如果螺杆长度足够,这些限制可以被克服,但是在设计中必须考虑结晶和无定形聚合物的不同要求,而不是简单地几何形状上的替代。