优化挤出机的经济效益：简析产能效率的影响因素（下）

下面将按照物料在挤出机中不同过程中的状态及螺杆组合设计来对影响因素一一进行分析。上一篇优化挤出机的经济效益：简析产能效率的影响因素（上）我们阐述了挤出输送原理。本篇中我们将从挤出熔融过程和螺杆组合与设计的角度来详细展开。

熔融过程和理论看似和挤出的产能效率无关，实则不然。在实际挤出机加工工艺中，产能效率较低的物料配方组成往往是树脂加粉体的配方组合，粉体是不具有流动性可言的，只有粉体充分混合在熔融后的树脂中，才能实现螺筒螺杆对物料的向前推动挤出，如果工艺设置不合理造成树脂不能充分塑化熔融，会导致无流动性的粉体团聚堵塞挤出机。

对于树脂加粉体的配方物料，大多数工艺条件选择树脂主喂+粉体侧喂的工艺设计，即先让树脂和一部分粉体通过第一节螺筒的主下料口进入，经过2～3节螺筒长度熔融塑化，再将其他粉体在挤出机后段使用侧喂机加入。如果主喂的树脂未塑化完全，依旧是颗粒固体状态，那么后段加入的粉体无法正常被树脂熔体裹挟带走，很有可能限制粉体的喂入并影响产能效率。

此外如果物料在塑化段过塑化，会出现树脂熔体黏度急剧下降，部分树脂熔体强度和黏度过低无法黏附粉体的情况，同时物料整体摩擦系数降低，直接影响输送效率。

聚合物固体粒子包括固体颗粒料、粉状料、珠状或者片状料的熔融，在聚合物加工中是最重要的基本阶段。在这个阶段，精准计量喂入的物料由常温的固体状态转变为可混炼加工的熔体状态，其能量来源主要是螺筒的外部加热和螺杆内部的剪切摩擦热，实际上螺筒的外部加热方式提供的热量仅仅只占物料熔融能量的30%，而70%甚至更多的熔融能量是来自于螺杆旋转的剪切摩擦热。

塑料熔化过程是由加料段送入的物料在被螺杆沿轴向推进的过程中，随着物料接触挤出机被加热的金属内壁熔融随即开始，熔融的过程首先是在物料和金属螺筒界面上形成一层初始熔膜并不断加厚，若熔体膜的厚度超过螺棱与螺筒间隙时，就会被旋转的螺棱刮落，将积存在螺棱的前侧，形成旋涡状熔体池，而在螺棱的后侧则为固体床也叫做固体塞，如下图的熔融模型所示。随着螺杆的转动，熔膜开始沿着螺杆表面流动。

与此同时，熔膜也开始出现在螺槽区的螺筒内壁处和啮合区处两根螺杆之间的位置。螺筒内壁出现熔膜是由于螺筒壁面恒定热流密度的加热所导致的物料熔融，啮合区处出现的熔膜主要来自于两根螺杆之间狭小间隙的黏性耗散生热。熔化的聚合物熔体在螺杆转动的作用下继续流动，首先是流经螺棱表面，然后沿着螺筒内壁反向流动，在螺槽内形成环流。

熔融过程由于螺杆容积率慢慢变小，固体物料和螺杆螺筒内壁紧紧贴合，这样在螺筒外部加热和剪切热的作用下，随着物料沿螺槽向前移动，固体床中未熔融的物料将会越来越少，熔池逐步增长，直至固态树脂颗粒全部熔融不见，即完全熔化。物料的熔融塑化过程只产生在熔膜与固体床的界面处，从熔膜产生到固体床的树脂颗粒消失这一轴向长度，称为熔融区长度，即熔融段。

从以上熔融模型可知，在挤出机整个加料塑化区段，加料段内存在着紧实不一的固体树脂，熔融段中熔体开始形成并增长，且固体树脂料和熔融料间有一定界面，直至固体物料完全熔融塑化，可以说固体树脂的整个熔融过程主要是在螺杆的熔融区内完成的。此外我们还能得出在塑化熔融过程中固体床尺寸大小沿螺杆轴向变化的规律，并为数学解析式提供了重要依据。显然，如果熔池空间占比增长的速率低于螺槽深度减浅的速率，则会出现固体床堵塞螺杆现象，使挤出料流产生时断时续的波动，所以螺杆组合设计在这一阶段尤为关键。

同时梁畅还就螺杆转速对黏性耗散生热的影响做了研究。下图展示了螺杆转速的提高对黏性耗散生热的影响。可以看到，随着螺杆转速的提高，黏性耗散生热也有了显著的提高，当螺杆转速从100r/min提高到200r/min时，黏性耗散生热量提高了近3倍，与此同时，黏性耗散生热在熔融过程中的热量供给的百分比也呈现线性增加。当螺杆转速提高一倍时，黏性耗散在系统热量中的百分比从10%提高到30%。从下图中可以明显地看到，随着螺杆转速的提高，黏性耗散生热量在熔融所需能量中的百分比是线性增长、剧烈升高的。

双螺杆挤出机螺杆组合设计在挤出机输送和塑化过程中是十分关键的，常规生产挤出机考虑经济和实用性，挤出机长度选型在40D～56D之间(D代表螺杆公称直径)。对于侧喂进粉机台，往往设置的塑化段长度只有4D～8D，保证树脂在这么短塑化长度中基本塑化就需要在设计螺杆时加入部分阻力捏合元件如下图。阻力元件的加入虽然可以大幅度增加物料在塑化段的停留时间和剪切强度以此带来更好的塑化结果，但是阻力元件同样会影响主喂物料的输送并增加挤出机能耗。所以在实际螺杆工艺设计时，需要综合考量，既要使物料塑化得到充分保障，又需避免挤出机中压力过大。

在输送功能螺纹元件使用上，尽可能选择导程在1D～2D的螺纹元件，由固体输送理论可知，非捏合区物料的输送是被螺筒沿螺杆螺棱向前推送，而螺杆螺棱向前旋转一周的轴向长度就是螺纹元件导程长度，即大导程输送元件拥有更大的输送效率。但输送螺纹元件的导程不是越大越好，过大导程的螺纹元件会带来过大的周向剪切，反而阻碍物料向前的输送。

此外螺纹元件的“头数”对物料的输送效率影响也是非常明显，头数越多代表着输送推力面越多，虽然会提高物料输送速率，但由此而导致的容积率下降反而会限制总体的输送效率。在输送关键区域，常选择单头或双头输送元件，应当避免多头元件的使用。

在剪切捏合功能元件上，应尽可能选择小捏合盘角度的正向剪切元件。在部分螺杆功能区域，如为了提高塑化效率和分散效率不得不使用大角度或反向剪切元件，应将其放在远离进料口位置。较于传统剪切捏合元件，拉伸流动元件在塑化效率、分散混合上有更好的效果，在提高塑化混合效果时不会带来过大的输送阻力，以此实现挤出产能的提升。

挤出机输送的本质是螺筒对物料沿螺杆挤出方向的摩擦和螺杆啮合区的正向输送，影响挤出机输送效率的有其设备几何参数、配方物料状态、熔融工艺控制、螺杆组合与设计。

熔融过程虽然在挤出机喂料段之后，但熔融效率不够或过好均影响产能效率，熔融过程本质是熔膜的产生和熔池的增长，而其熔融能量来源主要是依靠挤出机的摩擦生热和黏性耗散热。

螺杆组合与设计是影响挤出输送效率的关键，通过不同螺纹元件型号、尺寸和结构的选择，来满足不同配方物料最优的物料输送效率，大导程虽可以带来更高输送效率，但是过大的导程反而会带来更高的周向剪切阻碍物料输送，阻力元件的使用虽可提高物料熔融塑化效率，但是会降低输送效率，具体组合设计需结合具体配方组成综合考量。