单螺杆-熔体泵串联挤出系统的性能及应用

　　利用熔体泵的增压和计量特性将它与单螺杆挤出机串联组合，即可以形成一种性能全新的熔体泵挤出 系统。构建好这种挤出系统的基本思路在于：综合单螺杆挤出机与熔体泵各自的优势，取长补短，弃短扬长，进而使系统的整体性能更趋完美。让该系统在保留传统单螺杆挤出机所有功能的同时，又使系统的各项性能全面提高并显著优于单纯的单螺杆挤出机。其主要优异之处在于：

　　2.1 稳定熔体流量提高挤出制品的尺寸均一性

　　采用上述的SP系统来解决单螺杆挤出机的流量 波动问题，不失为一种较优的方案。在SP系统中，挤出成型所需的增压和计量作用完全靠熔体泵实现，以充分利用泵的稳压、稳流能力。SP系统对挤出机配置的硬件性能要求较低，适应的塑料品种广泛，运转操作容易。或者说，SP系统对引起挤出机流量波动的诸多因素的变化比较宽容，而稳定挤出流量的能力又强于单螺杆挤出机。这可由SP系统的稳压实验来证明。

　　笔者在我所研制的SP32210机组上进行了相关的实验。在螺杆头部、泵的入口和泵的出口处各装一熔体压力传感器（位置如图1所示）并可自动记录，以检测熔体压力的动态变化情况。用PE料挤出实验。实验中通过有意改变挤出机的螺杆转速，引起泵入口侧的压力大幅变化。图3的曲线是实验中压力变化的一个实例。当泵的入口侧压力P1约在10MPa的范围内变化时，而出口侧压力P2的变化不超过0.5MPa,压力波动的减弱比是20∶1。从图3中还可以看出，P1的变化是由螺杆头部压力P3波动而引起，二者波动的趋势相同。

　　SP机组与螺杆直径和长径比相同的常规单螺杆 挤出机相比，它的熔融塑化能力和产量都会提高。这主要有两方面的原因。其一：在SP机组中，由于串联了熔体泵，挤出机的螺杆在排料口就不再需要太多的加压作用，一般只需提供3MPa～5MPa的压力，来满足为熔体泵入口供料即可。而常规挤出机的单螺杆为满足成型工艺的要求，则需要具备35MPa左右的加压能力。从单螺杆挤出机的生产率公式（2）看出，在不改变螺杆结构参数的情况下，仅降低螺杆长度方向上的 压力降dP dL ,使逆流Qp和漏流QL减少，即可提高产量 Q。一般情况，使用现有的常规型单螺杆挤出机与熔体泵串联，保守地估计，产量也会提高10%～15%。按粗略的估算法，机头压力每降低7MPa,产量就可提高5%～7%[6]。

　　SP机组产量提高的另一原因，也是主要原因，即由于SP机组使用的螺杆不再需要提供计量和很高的加压作用，螺杆的结构设计原理可与常规螺杆明显不同。其基本思路和主要特点是：尽可能提高螺杆的熔融塑化能力；将熔体输送段减至常规计量段的1/2～1/3;加长熔融段，如增加分离型螺杆段的长度、增加剪 切、混合型元件的长度或段数；采用较小的压缩比或增加熔体输送段槽深；各段螺槽深度比常规螺杆深等等。具有以上特点的螺杆称之为“SP型螺杆”或“无计量段型螺杆”。SP型螺杆主要因其自身的熔融塑化能力增强而使SP系统的产量提高。SP型螺杆只有与熔体泵串联使用才能显示出较高的效益。

　　我所研制的SP32210机组，既配置了SP型螺杆，也配置了常规螺杆。笔者对该机组的产能情况进行了三种情况的比较实验：a.使用普通螺杆不加熔体泵，b.使用普通螺杆串联熔体泵，c.使用SP型螺杆串联熔体泵。用相同的PE料，相同的工艺温度和同一口模挤出。实验中将螺杆转速作为主变量，从低到高改变转速。在b、c实验中，增加螺杆转速时，通过调整熔体泵的转速，将螺杆头部压力降至3MPa左右，来平衡螺杆挤出的流量。图4是由上述实验中得出的挤出流量与螺杆转速的关系曲线。由曲线的趋势可以看出：挤出流量随螺杆转速的增加而增加；在相同转速下，流量呈c>b>a;b与a相比，在螺杆转速为60～70r/min时，（实验记录b的螺杆头部压力约3MPa,a的螺杆头部压力约10MPa），产量增加达10%;c与a相比，螺杆转速高于60r/min时，产量增加大于30%。

◆—未加熔体泵普通螺杆 ■—加装熔体泵普通螺杆 ▲—加装熔体泵 SP型螺杆
图4 挤出流量与螺杆转速曲线图
Fig.4 Relationofthroughputandscrewspeed

　　2.3 优异的排气挤出性能

　　在ABS、PA、PC、PMMA、PET这类工程塑料的挤 出成型中，需要具有排气功能的挤出机将料中的水分、单体或低聚物等成分排除。单螺杆排气挤出机因设备相对简单，费用较低而常被采用。使用中，由于面对的塑料品种繁多，性能各异，使用不同形状、尺寸的挤出模具阻力不一，当调整挤出温度、压力、转速这些工艺参数时，经常会出现排气口冒料现象，致使挤出机无法在理想的操作条件下运行。而且，与不排气的单螺杆挤出机相比，排气单螺杆挤出机的产量波动问题更显突出。所以一般来说，常规的排气单螺杆挤出机使用性能较差，效能较低。

　　将排气单螺杆与熔体泵串联[7],组成具有排气功能的SP机组，可以彻底解决排气口冒料问题，挤出稳定性显著提高。这是因为，单螺杆与熔体泵都各自配有独立的传动系统，两者的转速和流量随时可被调至佳匹配状态。若排气口可能出现溢料，则可以通过降低螺杆转速或增加熔体泵转速来消除。串联在挤出机排料口的熔体泵就相当于一个压力调节阀，通过调节泵的转速，来实现螺杆头部或泵入口处的变压作用，使排气口上下游的流量达到平衡而防止冒料。因此，当使用不同的树脂或模具挤出时，可随意调整挤出工艺参数，让设备处于理想运行状态。为了使具有排气功能的SP机组性能更好，排气单螺杆的结构，也有一个按照SP型螺杆的设计原则加以改进更新的问题。我所研制的SP32210机组及所配置的SP型螺杆，也具有排气功能。从挤出工程塑料的实际运转使用效果来看，它的各方面性能要比常规的排气单螺杆挤出机优异的多。使用这种系统，可以取代一般工程塑料的预烘干挤出工艺。以挤出PMMA光纤样品为例。PM2MA因其吸湿性，一般挤出前需预烘干4～6h。塑料光纤的传光性能，对光纤挤出过程中的熔融塑化质量要求极高，对光纤制品内的微小气泡含量限制极严。用SP32210机组不经预烘干工艺直接挤出PMMA光纤，得到的光纤样品除各项挤出质量合格外，经显微照片显示，其微小气泡含量少于经预烘干6h的光纤。

　　2.4 SP系统的其它性能与应用

　　（1）利用SP系统挤出流量波动小、挤出产品尺寸精准的特点，可以通过降低挤出制品的质量公差或尺寸公差来减少材料消耗，从节材降耗中获取效益。挤出量精准控制，对原料成本昂贵的产品更显必要。例如，在复合共挤出中使用昂贵的粘合剂或阻透剂等场合。

　　（2）可以使用回用料含量高的挤出制品。在热成 型生产板材、片材的挤出中，常需要消化大量的边角料 即回用料。经破碎后的回用料颗粒尺寸不规则而引发挤出量波动，这终会导致挤出制品的厚度公差变大或较高的废品率。采用SP机组可以有效地解决这类问题。可以使用回用料含量高达50%或更高比例的原料挤出高质量的产品。

　　（3）延长挤出机的工作寿命。SP系统中配置的挤出机在很低的背压下运行（一般为5MPa左右），使得螺杆承受的轴向力和扭矩大幅下降，从而有效降低了螺杆、机筒和传动装置的磨损。挤出机的使用寿命延长使生产设备的运行成本进一步降低。

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