超高分子量聚乙烯简单螺杆挤出机的对比研究

    超高分子量聚乙烯挤出成型具有生产效率高，适应性强，用途广等优点，几乎适应于所有高分子材料的加工。单螺杆挤出机作为聚合物挤出成型加工中最基本的装备之一，一直以来都得到了足够的重视。在单螺杆挤出理论之中，固体输送量决定着单螺杆挤出机的产量，且固体输送段消耗的功率比较大，在某些情况下甚至达到整根螺杆消耗功率的百分之六十左右。因此超高分子量聚乙烯单螺杆挤出固体输送段的性能直接决定了单螺杆挤出机的生产效率和挤出特性。
    单螺杆挤出机中应用最多的是光滑机筒，光滑挤出机的固定输送机理为摩擦拖拽输送，其缺点主要包括（1）对物料性能要求苛刻，难以实现高粘度，低摩擦系数物料的输送和稳定挤出（2）产量低，固体输送段减压能力差，（3）比能耗大。针对上述缺陷，德国亚堔工业大学塑料加工研究所和BASF的研究人员对如何提高固体输送率进行了一系列研究，率先于二十世纪七十年代提出了基于强制输送的IKV固体输送理论，并设计了相应的IKV挤出机。IKV挤出机是最早的沟槽机筒挤出机，其典型结构特征在于机筒加料段内壁开设有轴向直槽，通过在机筒加料套内壁开槽将物料输送过程中的动力由物料与机筒间的外摩擦力转化为物料与物料间的摩擦力，有效增大了固体塞输送的动力，提高了输送效率。随后研究者有发明了机筒开设螺旋沟槽的单螺杆挤出机，使单螺杆挤出机的比产量、比能耗、上升一个新的台阶。
针对轴向直槽机简单螺杆挤出机和螺旋沟槽机简单螺杆挤出机的结构特点、固体输送机理和优缺点进行了详细的对比分析，并对其挤出性能进行了对比研究。
1、 轴向直槽机简单螺杆挤出机
1、 1结构特点
    固体输送机筒或机筒衬套内壁开设纵向沟槽，纵向沟槽的长度为3到5D，沟槽深度大于颗粒的最大尺寸，数值与螺杆直径有关，沿纵向在固体输送段末端逐渐减小为零，沟槽数目大约是螺杆直径的十分之一，沟槽横向截面形状一般为三角形、半圆形，矩形、倒梯形、锯齿形，其中以举行沟槽为主。
1、2 输送机理
    机筒开设轴向直槽，因沟槽深度一般大于固相粒子直径沟槽螺棱推力小于固相之间的内摩擦力，固相必然在沟槽与螺槽的界面处被剪断，因此固体输送段机筒开设直槽的单螺杆挤出机的固体输送机理与光滑机筒挤出机一样，均为摩擦拖拽输送。因固体赛被剪断，沟槽界面处的摩擦力为固相与固相之间的内摩擦力，沟槽之间的机筒面为固相与机筒之间的外摩擦力，因此剪断面处的摩擦力一部分为外摩擦力，一部分为内摩擦力，剪断面类似单螺杆挤出机的机筒面，剪断面的摩擦系数可等效为机筒的摩擦系数。因此几桶开设轴向直槽的单螺杆挤出机的等效机的等效机筒摩擦系数为5.
  在摩擦拖拽输送中，输送动力为等效机筒面的摩擦拖拽力，因固相的内摩擦系数约为外摩擦系数的五倍，当开机筒开设轴向直槽后，机筒的等效摩擦系数可显著提高，因此，输送动力得到加强，输送效率得到提高，这也是机筒开设轴向直槽可提高单螺杆挤出固体输送效率的根本原因。
1.3 优缺点
    当机筒开设轴向直槽后，及同等效摩擦系数增加，输送动力怎强，由此带来固体输送产量高、减压能力强、基础稳定性好等一系列优点。但也存在以下缺点；（1）物料在输送过程中受到强烈的剪切作用，导致固体输送段产生大量的摩擦耗散热，固体输送段需要强制冷却，加大了额外的能耗(2)物料输送中产生的高剪切、高摩擦热、导致对不同物料加工的适应性差(3)
因固体塞内部受到较大的周向剪切，固体输送段压力梯度太大，导致机筒加料衬套磨损大，设备成本增加(4)虽然产量较大，单挤出机整体不节能。
2螺旋沟槽机简单螺杆挤出机
2.1机构特点
    固体输送机筒或机筒衬套内壁开设螺旋沟槽，沟槽螺纹旋向与螺杆纹旋向相反。沟槽螺纹升角范围为大于零度小于90度，一般情况下取大于三十度小于九十度，沟槽深度小于粒子直径，沟槽宽度大于粒子直径，沟槽数目在满足机筒衬套强度的要求下尽量较多，沟槽横向截面形状以矩形沟槽为主。
2．2 输送机理
    固体输送段机筒开设螺旋沟槽时，因沟槽深度小于粒子直径，固体塞一部分嵌在机筒衬套沟槽内，一部分嵌在螺杆螺槽内。当螺杆轩旋转时固体赛在机筒衬套沟槽螺棱推进面和螺杆螺棱间沿衬套沟槽螺槽界面处发生剪切，固体赛将整体沿沟槽螺旋角方向运动，从而实现正位移输送。
螺旋沟槽机筒的固体输送过程类比剪刀模型，螺杆螺棱推进面和衬套衬套螺棱推进面类似剪刀的两刃，固体赛类似被剪的板，当然，两螺棱推进面的夹角也不是越大越好，太大会影响固体输送流率。
    机筒开设螺旋沟槽的核心思想是避免固体塞发生周向剪切，实现单螺杆挤出机由拖拽输送向正位移输送转变。要想避免固体塞在分界面除被剪断，实现整体塞沿沟槽方向正位移输送，则应满足如下边界条件，即分界面上的剪切力小于界面摩擦力，因此机筒开设螺旋沟槽式=时，沟槽固相和螺槽固相能否整体实现正位移输送、主要由界面剪切力决定。