塑料機械螺桿混煉（混色）技術(shù)的研究

鄭能歡

（華瀚科技有限公司 深圳）

塑料機械螺桿混煉（混色）技術(shù)的研究

鄭能歡

（華瀚科技有限公司 深圳）

螺桿是塑料機械機的核心部件之一，螺桿的設(shè)計的好壞直接影響到塑料機械的性能，好的螺桿不僅僅具有好的塑化功能，還要求好的混煉（混色）功能。本文先從理論上深入探討了混合機理，理論分析了工具箱的混色問題，設(shè)計出了具有優(yōu)異混煉（混色）功能的混煉頭組件，解決了工具箱的混色問題，理論與實踐相結(jié)合，深入探討了螺桿的混煉（混色）技術(shù)。

螺桿 混煉 技 術(shù)

1.引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，塑料產(chǎn)品在國民經(jīng)濟中占的比重越來越大，它不僅用于包裝，電子，建筑材料，許多金屬材料逐漸的被塑料取代，如PVC 管PE給排水管取代了以前的金屬管。同時人們對塑料制品的性能和外觀要求越來越高，許多塑料制品并不是單一的高分子材料，它是由幾種材料共混形成的塑料合金，并且還添加有色母，和一些添加劑，這不僅提高了塑料產(chǎn)品的綜合性能，使產(chǎn)品的外觀五顏六色。而為了達到這些性能的提高，螺桿的混煉效果發(fā)揮著重要的作用。如果螺桿混煉效果不好，將無法使幾種不同的材料（塑料，添加劑，色母料）均勻的分散和分布，那么塑料制品的性能不僅不能提高，反而下降。如顏色分布不均勻，表觀很差，幾種塑料材料分層。所以螺桿的混煉能力在材料成型中扮演著重要的角色，是螺桿的關(guān)鍵技術(shù)之一。

以下我們先從理論上來探討一下混煉。

2.混合機理

螺桿混煉就是使各種材料混合?；旌鲜且环N操作，是一個過程，是一種趨向于減少混合物非均勻性的操作過程，或者說，混合是這樣一種過程：在整個系統(tǒng)的全部體積內(nèi)，各組分在其基本單元沒有本質(zhì)變化的情況下的細化和分布。根據(jù)Brodkey的混合理論，混合涉及到三種基本運動形式：分子擴散、渦旋擴散和體積擴散。

（1）分子擴散：

是指由濃度梯度驅(qū)使自發(fā)地發(fā)生地一種過程，各組分的顆粒由濃度較大的區(qū)域遷移到濃度較小的區(qū)域。主要發(fā)生在氣體和低粘度液體中。注射成型過程中顏料、發(fā)泡劑、抗氧劑等低分子物質(zhì)與聚合物的混合中也屬于分子擴散。

（2）渦旋擴散：

圖1. 混合過程

圖2 無規(guī)律分布性混合（左）有規(guī)律分布性混合（右）

圖3 同心圓筒混合模型

圖4. 長方體混合模型

圖5 平行平板間的剪切層流混合模型

也就是紊流擴散。在化工過程中，流體的混合一般是靠系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生紊流來實現(xiàn)的。注射成型過程中，不希望發(fā)生紊流，同時物料粘度較大，很少發(fā)生渦流擴散。

（3）體積擴散：

即對流擴散。是指流體質(zhì)點、液滴或固體離子由系統(tǒng)的一個空間位置向另一空間位置的運動，或兩種或多種組分在相互占有的空間內(nèi)發(fā)生運動，以期達到各組分的均布。體積擴散包括體積對流混合和層流對流混合；體積對流混合：通過塞流對物料進行體積重新排列，需要物料連續(xù)變形，可以是無規(guī)的，也可以是有序的；層流對流混合：即層流混合。通過層流使物料發(fā)生變形，混合中，物料受到剪切、拉伸和擠壓作用。

混合的要素

混合過程的要素主要有剪切、分流、合并、置換、擠壓(壓縮)、拉伸和集聚，聚合物熔體在流場中通過這些作用的全部或部分達到混合的目的。如圖1所示為A、B的混合過程。A、B混合物先通過擠壓、剪切達到初步混合，再通過剪切、置換達到進一步混合，然后通過擠壓、剪切，剪切、置換，再擠壓、剪切，再剪切、置換達到最終混合的目的。

混合的分類

按混合形式分類：分布性混合和分散混合。

2.1 分布性混合

分布性混合：分布性混合分有序分布性混合和無規(guī)分布性混合。有序分布性混合用條紋厚度表征混合物的混合狀態(tài)和混合過程，而無規(guī)分布性混合通常用整體均勻度來表征。

A、有序分布性混合：如圖2所示為無規(guī)律分布性混合和有規(guī)律分布性混合

B、無規(guī)分布性混合無規(guī)分布性混合不易表征，通常用總體均勻度表示。

總體均勻度是一個統(tǒng)計學(xué)概念，是一種表征，對螺桿設(shè)計不具指導(dǎo)意義。在此不贅述。

2.1.1 分布性混合模型

（1）同心圓筒混合器

如圖3為同心圓筒混合模型，r=L/(n+1)，式中：r為條紋間隔(厚度)；n為內(nèi)筒累計轉(zhuǎn)數(shù)；L為外筒內(nèi)面和內(nèi)筒外面徑線方向的距離，即著色線的長度。隨著內(nèi)筒累計轉(zhuǎn)數(shù)n的增大，條紋間隔(厚度) r減小，混合越均勻。

（2）長方體混合模型

如圖4，長為L、寬為W的條紋層堆積成高為H的立方體。條紋數(shù)為n，則所包圍的面積A為：A=2nLW，立方體的體積為V： V=LWH=(A/2n)H=Anr/2n=rA/2若V、A一定，則r=V/(A/2)條紋厚度(間隔)越小，混合越好。只要將條紋厚度減少到任意所需要的值，就可以達到所希望的混合水平，一般聚合物熔體為不可壓縮體，所以V不能改變，只要通過混合把所包圍的面積A增大就可以減小r的目的，A越大，r越小，混合效果越好。

（3）平行平板間的剪切層流模型

變形后的條紋厚度與剪切變形量成反比。熔體承受的剪切變形量越大，混合越均勻，當(dāng)條紋厚度趨于零時，可獲得均勻的混合物。

2.2 分散混合

分散混合的目的是把少組分的固體顆粒和液相分散開來，成為最終粒子或允許的更小顆?；蛞旱危⒕鶆虻胤植嫉蕉嘟M分中。如圖6所示為分散混合的過程，Ⅰ-使聚合物和添加劑粉碎、Ⅱ-使粉狀和粒狀固體添加劑滲入聚合物中、Ⅲ-分散、Ⅳ-分布均化。分散混合過程是：1、在流場產(chǎn)生的粘性拖曳下，將大塊的固體添加劑破碎為較小的粒子；2、聚合物在剪切熱和傳導(dǎo)熱的作用下熔融塑化，粘度逐漸降低至粘流態(tài)時的粘度；3、較小粒子克服聚合物的內(nèi)聚力，滲入到聚合物中；4、較小粒子在流場剪應(yīng)力的作用下，進一步減小粒徑，直到最終粒子大?。?、固相最終粒子在流場作用下，產(chǎn)生分布混合，混合均勻；6、聚合物和活性填充劑之間產(chǎn)生力-化學(xué)作用。

3.混色（混煉）技術(shù)分析及問題解決

圖7，8所示的工具箱都存在著一定的混色問題，圖7成型出的工具箱采用的螺桿只有銷釘混煉頭，從工具箱的表觀，我們可以看出這種混色設(shè)計存在一定混色問題。圖8工具箱采用的螺桿是帶屏障混煉頭+銷釘混煉頭，混色效果比第一種方案好，但是還是存在一定的混色問題。很明顯，工具箱表觀質(zhì)量不好，是由于螺桿的混煉效果不好造成的。

從混合機理，我們可以知道，混合主要包括分布混合和分散混合。分布混合的作用是把色母或色粉粒子均勻地分布到聚合物熔體的各個部分。分散混合的作用是通過剪切，把色母或色粉的粒子進一步細化，使其均勻分布到熔體。

銷釘混煉頭——分布混合

銷釘混色頭是典型分布混合，其主要作用是分割料流，增加界面，改變料流方向，使流束重新排列，通過多次分流、匯合、改變流動方向達到分布混合的目的。

屏障混煉頭——分散混合

屏障混煉頭通過屏障棱和機筒的間隙對熔體產(chǎn)生高剪切，提高塑化效果，阻止未塑化好的物料通過。另一方面它可以通過高剪切分散色粉或色母，是典型的分散混合；同時它也有一定的分布混合的作用，物料通過屏障段時由一股變?yōu)閹坠?，因而增加了界面；幾股物料流出出料槽后又匯合在一起，利于位置的交換；進料槽和出料槽中的物料因機筒運動而產(chǎn)生渦旋，不斷改變流動方向，有利于分布混合有益。其混色及塑化效果都比較好。

要達到好的混色效果，必須是先分散混合再分布混合，把分散混合和分布混合結(jié)合起來。因為通過分散混合充分打散色粉或色母，使其粒子充分小，再通過分布混合來把色粉或色母粒子均勻的分布到熔體中，達到好的混色效果。如上所述，銷釘混煉頭可以達到很好分布混合，屏障混煉頭可以達到很好的分散混合。所以把銷釘頭和屏障頭結(jié)合起來，可以達到很好的混色效果。

圖7所示工具箱采用的螺桿只帶銷釘混煉頭，如圖9所示為其采用的銷釘混煉頭。其設(shè)計為3排銷釘，每排16個。其混色效果比較差。原因是沒有分散混合元件，色粉和色母不能充分散開，銷釘過膠頭只能達到分布混合的作用，其只能把未充分分散開的色粉或色母分布到熔體中，所以導(dǎo)致混色效果不佳。另外銷釘只有三排也不利于很好的分布混合。

圖8所示工具箱采用的螺桿帶屏障混煉頭和銷釘混煉頭，屏障頭如圖10所示。

從工具箱圖8我們發(fā)現(xiàn)其混色效果比第一種方案要好很多。原因是屏障頭作為分散混合元件，把色粉或色母充分分散開，然后通過銷釘過膠頭將分散開的色粉或色母均勻的分布的熔體中。達到比較好的混色效果。這也證實了前面理論分析“先分散混合再分布混合可以達到好的混色效果”。但是從圖可以看到，其混色還是存在一定的問題。筆者認(rèn)為是銷釘過膠頭的排數(shù)太少，不能提供充分的分布混合，也可能是屏障頭沒有充分分散開色粉或色母。

圖6 分散混合過程

圖7

圖8

圖9 銷釘混煉頭

圖10 屏障頭

圖11 新的螺桿混色組件

為了解決工具箱的混色問題，根據(jù)以上的理論和實驗的分析，我對螺桿進行了優(yōu)化設(shè)計（主要提高塑化效果，這里不詳述），特別是對混煉頭重新設(shè)計，方案還是采用屏障頭（分散混合）+銷釘混煉頭（分布混合）的方案如圖11所示。但是屏障頭采用了“雙屏障頭”的結(jié)構(gòu)，采用這種結(jié)構(gòu)的屏障頭，首先熔體被分成6股通過第一段屏障段，第一次被剪切分散，接著熔體到達兩屏障段中間的過渡段時，位置相互置換；位置置換后的熔體又被分成6股通過第二段屏障段，第二次被剪切分散后分6股出來進行第二次位置置換。所以這種結(jié)構(gòu)的屏障頭可以提供更好的分散混合（兩次剪切），同時也提供了好的分散混合（2次把料流分成6股，2次6股料流進行位置置換）。銷釘過膠頭的設(shè)計也增加了銷釘?shù)呐艛?shù)，由3排增加到5排，加強了分布混合的效果。

圖12

如圖12所示為用新的螺桿及混色組件成型的工具箱。與前兩次方案的工具箱對比，用新的螺桿及混色組件成型的工具箱外觀昀漂亮，混色問題完全解決。

The research on plastic machine screw mixing technology

Zheng Nenghuan
(Huahan Science&Technology Co.,LTD Shenzhen City)

Screw is one of key part for plastic machine, which directly affects its performance. Good screw owns not only good plastication capability, but also good mixing. In this paper, from color mixing problems of toolbox, we discussed mixing principle theoretically deeply. According to mixing principle, we designed a good mixer, which solve the color mixing problems of toolbox. Combining mixing theory and practical problems solved, we deeply researched on screw mixing technology.

screw mixing Technology