不要忽视喂料段的设计

作者:文/Frankland塑料咨询有限公司 Jim Frankland 文章来源:PT《现代塑料》2014年3月刊 发布时间:2014-03-28
喂料段的设计对于挤出生产而言至关重要,在此过程中,如何确定理想的螺槽深度和喂料段的长度是需要特别注意的两个关键性问题.本文介绍了一些经验和简单的方法,会为您的设计过程带来不小的帮助.

喂料段的设计对于挤出生产而言至关重要,在此过程中,如何确定理想的螺槽深度和喂料段的长度是需要特别注意的两个关键性问题。本文介绍了一些经验和简单的方法,会为您的设计过程带来不小的帮助。

有一种奇怪的现象,很多挤出螺杆设计者在设计喂料段时并不是十分严谨。这种做法不可取,因为通过螺杆的物料首先要经过喂料段。

以平滑内膛式挤出机为例,压缩开始之前的部分通常被定义为喂料段(沟面机筒挤出机有不同的设计考虑,在本文中不予介绍)。传统上,压缩比是最常用于确定喂料螺槽深度的指标之一。另外,螺距也可作为一个考量标准,但为简单起见,人们广泛使用标准螺距,因为确定理想螺距十分困难。对喂料段长度的定义相对简单,能以喂料段长度与螺杆总长的百分比,或者施加到所有聚合物的固定转数来表示。

总体而言,理想的螺槽深度在很大程度上是聚合物固体性质(如堆积密度、摩擦特性和固体流动性)的一个函数。而聚合物的熔融黏度也位列其中,熔融黏度越低,就需要更大的喂料深度以获得更高熔融速度。另外,喂入树脂的可压缩性也必须得到考虑。所以压缩比有更多的含义,不是一个针对进料深度的正面指标。

评价固体性质的理想方式是处理每种聚合物的经验,以及一些简单的测试:休止角可以显示材料的内摩擦系数;测量聚合物体积密度并将其与螺槽容量进行对比,可确定喂料螺槽可容纳多少质量。在此过程中要谨记一点,已经生产为粒料的聚合物中含有25%~40%的空气(体积比)。根据螺槽容量,单单除去空气空隙就需要一个1.25:1~2:1的压缩比。

将上述讨论的内容与实验确定的喂料效率结合在一起,就可以计算出一个估算的喂料速度,它应达到或略微超过实际所需的出料速度,从而允许聚合物固体性质中发生的一些变化。如果实际生产过程要加工回收的材料,那么这个分析过程又多了一个变量。最后,把固体聚合物放进一个小塑料袋并且挤压它,这样可以测量材料压密的趋势。

评价单一的聚合物可能需要一些经验,但是比较两种不同的聚合物却很容易。对于喂料效率而言,易于压密的聚合物比光滑的聚合物更具优势。显然,此结果并非通过计算得到,但它确实提供了一个相对的数字。在不同的温度下,相对于喂料喉表面的聚合物摩擦特性一般需要通过经验来确定,尽管也可以通过设备测量。许多年前,Chan I.Chung博士就设计并制造出了螺杆模拟器。这个装置被挤出顾问Eldridge M.Mount III博士使用,作为其服务的一部分。聚合物的可压缩性不仅与硬度和颗粒特性相关,也同样受与固体喂料区所建立的压力的影响。

确定理想的螺距几乎是一件依靠经验和测试来解决的问题,这是因为许多聚合物的固体参数具有错综复杂的关系。在一般情况下,具有较高内摩擦系数的聚合物往往能以更高的速率喂料,采用稍长的螺距。

这是因为它们的传送角度由于较大的颗粒与颗粒间的摩擦而更大。相反,具有低内摩擦系数的聚合物往往用更短的螺距喂料更好。不论如何,没有一个精确固定的螺距适用于所有类型的聚合物,因为输送角即使对于同样的聚合物也会变动。但对固体聚合物颗粒而言,总的输送角会在偏离标准角度输送角大约3°的范围内浮动,所以这一标准被大量使用,且颇有效果。

确定喂料段的理想长度需要考虑聚合物的摩擦特性和压缩性,但也很大程度地依赖于聚合物的热性能。除了输送功能外,喂料螺距还必须压缩聚合物、排除空气,形成一个固体聚合物塞,这样才能开始熔融。这个功能与材料的固体性质有关,包括硬度及在喂料段中建立的压力。

在压缩开始就应该启动熔融,否则迫使固体聚合物体积缩小的压力的阻力会降低喂料速率,甚至可能导致堵塞,影响喂料的稳定性,并使螺杆磨损。想要估算喂料段的长度,可以使用热扩散系数乘以加工温度(扣除任何预热),来表征熔融开始前的相对喂料长度。例如,通过这种测量方法可知,PA66需要一个比LDPE长约50%的喂料段。

总之,没有喂料材料的相关知识,很难建立一个平衡的螺杆设计。螺杆设计者们可以索取相关物料的一个小样,以获得上述信息。螺杆的固体喂料段、熔融段和熔体泵出段之间的平衡对于达到理想的结果至关重要,如果没有合适的喂料段设计,则不可能实现。

很多挤出螺杆设计者在设计喂料段时并不是十分严谨。这种做法不可取,因为通过螺杆的物料首先要经过喂料段,此区域对于挤出生产而言至关重要

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