为什么没有适用于所有聚合物的通用螺杆?

作者:本刊编译自Plastics Technology (作者Jim Frankland) 发布时间:2022-04-24
时常有人会问:为什么不能有一种可以加工所有聚合物的螺杆设计?因为在很多人看来,塑料都是一样的。但实际上,不同类型的塑料却可能有着极为不同的加工性能。

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两种常用树脂如HIPS和HDPE在加工性能上的差异,意味着很难有一种螺杆能同时加工好这两种材料(图片来自Starlinger) 

一根单螺杆通常被预制有3个基本功能:固体原料的输送、熔化、计量或泵送。这些功能都受制于特定聚合物的独特性能,即它们的热性能、粘弹性、固体和熔体密度以及摩擦性能等。这些性能变化多端,因此一根通用螺杆根本不可能完全有效地加工所有类型的聚合物。这并不是说有些聚合物不能用特定的螺杆加工, 而是说不能达到最佳效率。

比如,可以比较一下挤出中最常见的两种聚合物HDPE和HIPS,通过观察比热和加工温度,也就是使聚合物达到加工温度所需的能量就能有所了解。这种情况下,HDPE和HIPS的加工温度似乎是相似的,但HDPE的平均比热是0.55 Btu/lb-°F(约2.3kJ/kg.K),而HIPS的平均比热是0.40 Btu/lb-°F(约1.67kJ/kg.K),意味着1lb(1lb=0.4536kg)的HDPE要达到所需的加工温度,所消耗的能量要比 HIPS高37.5%。

此外,HDPE是一种结晶材料,意味着它有确定的熔点,而PS是无定形的,没有精确的熔点,因此,要克服HDPE的结晶性,需要额外100 Btu/lb (约232kJ/kg)的熔化热。累积起来,HDPE达到所需的加工温度,其消耗的能量几乎要比HIPS高出50%。

聚合物也可通过它们的粘弹性来界定,即粘度如何随温度和剪切速率的变化而变化。这是一个关键性能,因为它决定了螺杆转动所引入的剪切力为加工聚合物增加了多少能量。幂律系数是一个主要与受剪切速率影响的粘度有关的指标,而稠度指数是一个与受温度影响的粘度有关的指标,这两个指标决定了熔体粘度随剪切速率和温度的增加而发生的变化。在剪切力的作用下,HIPS 的粘度变化要比HDPE高50%。

HDPE的固体密度大约是PS的90%,但熔体密度只有PS的77%。通常,HDPE会打破其有序的结晶结构并随着熔化的发生而膨胀,这会降低螺杆的产出。为了获得同样的产出,用于HDPE 的螺杆,其螺槽深度要比用于HIPS 的深38%。此外,为了适应膨胀,还需要对螺杆的压缩率和容积进行补偿。

如上所述,HIPS的粘度对剪切速率的反应(幂律系数)要比HDPE 大,因此,如果采用相同的螺杆进行加工,也就是说,用适合HDPE的较深螺槽来对应HIPS的单位小时产出,会导致HIPS的熔化不良或者熔化不完全,这是由于粘度降低较大并因此而导致残余的HIPS固体颗粒出现了低剪切熔化。

进料速率决定了螺杆的总产出,它随着送入材料的物理性能的变化而变化,如颗粒形状、密度、体积密度、颗粒与颗粒之间的内部摩擦以及聚合物颗粒与挤出机料斗、进料口和机筒等金属表面之间的外部摩擦。研究表明,PS对钢的动态摩擦系数要比HDPE的高50%,这会影响它的进料速率以及固体颗粒早期在螺槽中的紧实程度,最终影响它的熔化效率。

通过螺杆设计来处理这些聚合物的性能差异,会因为一个差异可能抵消另一个差异而变得更加复杂。比如,虽然HDPE和PS在各自的性能上并没有很大的不同,但不难看出,想要设计出一根能同时有效处理这两种聚合物的螺杆的确很难。想象一下,设计一根螺杆,它也能够兼容熔点更高的聚合物如PC 或者在加工前就已经得到干燥的聚合物,在这些情况下,存在一些性能上的巨大差异需要去处理。每一个性能的变化都可能影响到对高效、低成本加工的重要要求。因此,需要针对特定的聚合物设计特定的螺杆。

重要的是,一旦利用一种特定聚合物的性能数据而为这种聚合物设计了合理的螺杆,就不必为每一种尺寸而重新设计新的螺杆。只需按比例放大或缩小,就能获得其他尺寸的螺杆,除非是尺寸变化巨大而足以产生必要的性能。

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