解决同向啮合双螺杆挤出机中的混合问题丨混合元件篇

双螺杆挤出机利用独特的螺杆及螺纹元件构成的流动性，这种流动有效、快速，并且能够实现分散和分布混合。TSE是最常用的连续混合设备，适用于具有各种特性的塑料化合物。尽管他们有的需要分散混合，有的只需要分布混合。

旋转的双螺杆会将电机的剪切力和能量传递给工艺段。在TSE工艺部分（机筒和螺杆）中，材料会经历一系列单元操作——进料、熔化、混合、排气和输送——它们共同构成了“工艺过程”。TSE螺杆的分段特性与自擦拭、同向旋转、相互啮合螺杆的受控输送和擦拭特性相结合，使用户能够按顺序将螺纹元件和机筒的几何形状与预期的工艺任务相匹配。

TSE 是允许多种操作的复杂机器。控制参数包括螺杆转速（高达1000+ rpm）、进料速率、工艺温度和真空排气。对熔体温度、熔体压力和电机负载进行监测和控制，可以确保产品质量始终如一。控件包括具有数据采集、趋势和配方管理功能的PLC和HMI屏幕。

通过关注输出速率/rpm、螺杆设计和元件以及物料的粘度管理，您可以对双螺杆工艺进行故障排除，以实现高质量、均匀的熔体而不会降解。

图1 同向双螺杆挤出机中“混合过程”的概念表示。 

分散混合是指减少大颗粒（例如从岩石变成沙子），而分布混合是指组分在空间上均匀分布而不被磨损（例如混合玻璃微珠而不破坏它们）。分散混合效率依赖于粘性聚合物基质对添加剂施加的强制力，与混合元件几乎无情地诱导/施加的拉伸和平面流场相关。

分布混合则依赖于次要组分的添加剂（液体或固体）的重新排列，同时避免产生高耗能剪切应力的剪切流。

许多配方需要一种或同时两种混合机制。目标是实现均匀混合且降解最小（通过明智地选择螺杆元件来最大程度地减少能耗），这有时说起来容易做起来难。

图2 TSE 具有四个高流速区域和一个用于混合的低流速区域（通道）。

螺杆元件是多种多样的。然而，只有三种基本类型：输送块、混合块和分区块。输送元件将物料通过桶口、混合器并从TSE泵出。分区元件隔离挤出机内的两个操作——例如，在真空排气之前引入熔体密封。基于螺杆上元件的分布，螺杆设计可根据配方要求制成剪切密集型或被动型。   

“啮合块”是最常见的TSE混合元件。捏合元件螺距越宽，就越易分散，因为当通道中的材料被迫向上并与机筒壁接触时，拉伸混合和平面剪切效应会加剧。相比之下，较窄的捏合元件会通过促进有效的熔体分裂混合和最小的分散影响来实现分布混合，这有助于混合热/剪切敏感材料，同时将降解/磨损降至最低。啮合元件可以安排为正向递增（较不激进）、中性均匀或反向递减（最激进）。高液相混合通常受益于特殊的高分配率的元件，可防止熔体在螺杆中“堆集”。

图3 较宽的捏合盘实现分散混合，而较窄的捏合盘用于分布混合。

捏合块尖端和机筒壁之间的间隙（或称剪切间隙）中的剪切速率，通常被称为峰值剪切速率，可作为排除混合故障(以及预测降解)的有效基准，峰值剪切速率计算如下：

峰值剪切率 = (π×D×n) ÷ (h×60)，其中

D = 螺杆直径

n = 螺杆转速

h = 剪切区间隙。 

因此，对于具有77.5毫米外径螺杆和0.55毫米剪切间隙且转速为600rpm的TSE，计算结果为：

(3.14×77.5×600) ÷ (0.55×60) = 4424.5sec^-1

无可否认，这种峰值剪切速率计算是对TSE中“混合过程”的过度简化，因为它忽略了延伸流动混合以及顶点和网格间效应，这些效应可能相对更为明显。无论如何，峰值剪切率很容易计算，使其成为非常有用的日常工具和基准。

对于现有的共混操作，应该跟踪的另一个有用的公式是比能 (SE)，它是电机输入到每公斤正在处理物料的功率的量。SE是一个基准，用于确认批次与批次之间的过程和混合相同，并分两步计算：

应用功率：

KW（应用）= KW（电机额定值）×%扭矩×rpm running/max.rpm×0.97（变速箱效率）  

比能=KW（应用）÷kg/hr

较低的SE表示每加工1kg材料所使用的机械能较少，而较大的SE表示能源使用较多。维护SE记录很重要，特别是对于故障排除。

例如，如果产品始终以0.25左右的SE运行，然后突然变为0.20或0.35，则很可能发生了某些变化（硬件、工艺条件或材料），并且必须检查混合段的完成质量，因为它也可能发生了变化。