【正文】 徑比、高產(chǎn)出、良好的排氣性等方向發(fā)展，而適應(yīng)特殊加工需要的螺桿機筒結(jié)構(gòu)，則成為大家爭相研發(fā)的重點。實際上，單螺桿擠出機是一種低能耗、低成本的機型，只要技術(shù)得當(dāng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，同樣可以達到雙螺桿擠出機的效能 。 據(jù)介紹，美國現(xiàn)在使用的塑料擠出機就 以單螺桿為主。高技術(shù)含量的單螺桿擠出機正在某些領(lǐng)域逐步取代雙螺桿擠出機。 特種單螺桿擠出機 隨著近年來市場發(fā)展的需要，國內(nèi)外不同廠家紛紛推出各種特殊結(jié)構(gòu)的單螺桿擠出機，以適應(yīng)特殊的市場需要。以下特別介紹幾種特殊擠出機在國內(nèi)的研發(fā)進展。 （ 1） 手提式擠出機研制成功。 北京化工大學(xué)成功開發(fā)一種超高速微型手提式單螺桿擠出機。該機器螺桿直徑僅 12mm，機器總重量不到 ；螺桿工作轉(zhuǎn)速 800~1200rpm，可實現(xiàn)連續(xù)或間歇工作。此外由于所加工物料具有高壁面滑移性以及極易架橋的特點，配有專門設(shè)計的 強制加料裝置；由于擠出機為手提式操作，設(shè)計了特殊的多路排氣裝置，以充徐州工程學(xué)院 08 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 11頁 分保證氣體的排出。此外，該機器還具有深槽大螺距、兩種驅(qū)動方式可選（電動、 氣動）、整機易于清理、保養(yǎng)、維修等特點。該機器最初為加工一種特殊的低密度低粘度物料設(shè)計，并可用于各種低粘度物料的擠出加工，如熱熔膠、低分子量樹脂、各種石蠟、燃料、顏料、 化妝品等的加工成型。 超微型擠出機的研究開發(fā)，存在許多一般設(shè)備設(shè)計加工過程中難以想像的困難，據(jù)介紹，該設(shè)備開發(fā)的關(guān)鍵在于微型擠出機的加料、排氣、實現(xiàn)低溫擠出輸送等問題的解決。 （ 2） 磨盤擠出機實現(xiàn)商業(yè)化 國內(nèi)多個廠家已完成磨盤擠出機的開發(fā)，實現(xiàn)磨盤擠出機的商業(yè)化生產(chǎn)。高填充物料使用普通單螺桿或雙螺桿擠出機加工存在較大的難度。雙螺桿擠出機用于玻纖增強配混時，若玻纖含量超過 45%，加工就會變得相當(dāng)困難。在加工磁性材料時，通常磁粉的添加量高達 60%~70%，有時甚至達到 90%以上。用普通擠出機進行磁性 材料的加工與造粒幾乎是不可能的。 國內(nèi)一些廠家和科研院所，根據(jù)國內(nèi)磁性材料以及其他高填充物料的需要，悉心研發(fā)出獨立設(shè)計的磨盤擠出機。典型例子如北京鳳記和北京化工大學(xué)。磨盤擠出機可以通過調(diào)整磨盤組合以適應(yīng)不同高填充材料，如玻纖增強、磁性塑料、導(dǎo)電材料、新型陶瓷等物料的擠出加工。為了適應(yīng)高填充物料的擠出加工需要，北京化工徐州工程學(xué)院 08 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 12頁 大學(xué)也在進行磨盤擠出機直接擠出成型的試驗研究，并應(yīng)用于多種復(fù)合材料的擠出成型加工試驗獲得成功。 （三） 往復(fù)螺桿擠出機系列化 往復(fù)螺桿擠出機在前幾年的國內(nèi)市場紅火一時，也成為不同廠家顯示技術(shù)實力的一個標(biāo)志型產(chǎn)品。尤其是各雙螺桿擠出機廠家紛紛推出往復(fù)螺桿擠出機。由于雙螺桿市場異常火爆，往復(fù)螺桿擠出機市場相對平淡，各擠出廠家還是以雙螺桿擠出機為主推產(chǎn)品。近日，寶應(yīng)金鑫特種塑料機械廠與北京化工大學(xué)合作研發(fā)出多種規(guī)格的往復(fù)移動單螺桿擠出機，初步實現(xiàn)了往復(fù)移動擠出機的系列化。據(jù)悉，寶應(yīng)金鑫此次推出的系列化產(chǎn)品共包括四種規(guī)格， 4 7 110 和 140，其中 45 和 78 兩種規(guī)格已經(jīng)研發(fā)成功，即將推出 110 和 140 兩種機型。 往復(fù)移動式單螺桿擠出機最大的特點是實現(xiàn)不同物料的高填充加工。用于玻纖增強物料加工時，玻纖 的添加量可以達到 50%以上，特別適于高填充物料的加工，具有非常廣闊的市場前景。由于其獨特的往復(fù)式結(jié)構(gòu)，不能很好的滿足建壓的要求，因而一般不適合用于制品的直接擠出成型。通常用于成型加工時，還需要配備專用的成型擠出機。 以上介紹的幾種單螺桿擠出機，可以說是當(dāng)前中國市場具有一定代表性的產(chǎn)品。不過，盡管中國擠出機市場發(fā)展迅猛，也有不少新的機型推出，我們不能忽視中國擠出機技術(shù)與國外發(fā)達國家相比還有較大差距。比如在超大型和微型設(shè)備領(lǐng)域就還落後于國際先進水平。國內(nèi)企業(yè)唯有加緊努力，才能在激烈的市場競爭中贏得機會，真正從塑 機大國發(fā)展為塑機強國。 近年來，雙螺桿擠出機市場異常火爆，相對而言，單螺桿一直處于悄寂狀態(tài)。但是，單螺桿擠出機作為一種基本的塑膠加工設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，而且具有更大的設(shè)計靈活性。各種不同的特種單螺桿擠出機重受關(guān)注。 徐州工程學(xué)院 08 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 13頁 單 螺桿擠出機因其結(jié)構(gòu)簡單，價廉物美，生產(chǎn)效率高的特點，一直是塑膠管材、板材、片材、異型材等成型加工最重要的設(shè)備。隨著技術(shù)的不斷進步以及人們對螺桿認(rèn)識的提高，多種不同的擠出機結(jié)構(gòu)形式陸續(xù)面世。特種單螺桿擠出加工技術(shù)又 有 替代多螺桿技術(shù)的趨勢。 第二章 擠出機的整體設(shè)計 PE 鋁塑板的基 本特性 不同的生產(chǎn)線對擠出機的具體要求不一樣，這就需要根據(jù)不同塑料的性能設(shè)計出合理的擠出機。本次設(shè)計的擠出機是用于鋁塑板生產(chǎn)線的擠出機，這就要求對鋁塑板的性能有一定的掌握和了解。 鋁塑板是由多層材料復(fù)合而成，上下層為高純度鋁合金板，中間為無毒低密度聚乙烯（ PE）芯板，其正面還粘貼一層保護膜。對于室外，鋁塑板正面涂覆氟碳樹脂（ PVDF）涂層，對于室內(nèi)，其正面可采用非氟碳樹脂涂層。 鋁塑板是易于加工、成型的好材料。更是為追求效率、爭取時間的優(yōu)良產(chǎn)品，它能縮短工期、降低成本。鋁塑板可以切割、裁切、開槽、帶鋸、鉆孔 、加工埋頭，也可以冷彎、冷折、冷軋，還可以鉚接、螺絲連接或膠合粘接等。 PE 鋁塑板即聚乙烯鋁塑板， PE,全名為 Polyethylene，是最結(jié)構(gòu)簡單的高分子有機化合物 ,當(dāng)今世界應(yīng)用最廣泛的高分子材料 ,由乙烯聚合而成 ,根據(jù)密度的不同分為高密度 聚乙烯 、中密度聚乙烯和低密度聚乙烯。低密度聚乙烯較軟 ,多用高壓聚合 。高密度聚乙烯具有剛性、硬度和機械強度大的特性 ,多用低 壓聚合。高密度聚乙烯可以做容器、管道 ,也可以做高頻的電絕緣材料 ,用于雷達和電視。大量使用的常為低密度 (高壓 )聚乙烯。聚乙烯為蠟狀 ,有蠟一樣的光滑感 ,不染色時 ,低密度聚乙烯透明 ,而高密度聚乙烯不透明 。 聚乙烯是通過乙烯 ( CH2=CH2 )的加成反應(yīng)和聚合反應(yīng)，由重復(fù)的 –CH2–單元徐州工程學(xué)院 08 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 14頁 連接而成的高聚合鏈。聚乙烯的性能取決于它的聚合方式；在中等壓力 (1530 大氣壓 )有機化合物催化條件下進行 ZieglerNatta 聚合而成的是高密度聚乙烯 (HDPE)。這種條件下聚合的聚乙烯分子是線性的 ,且分子鏈很長 ,分子量高達 幾十萬。如果是在高壓力 (100300MPa),高溫 (190–210 C),過氧化物催化條件下自由基聚合 ,生產(chǎn)出的則是低密度聚乙烯 (LDPE),它是支化結(jié)構(gòu)的。 聚乙烯不溶于水 ,吸水性很小 ,就是對一些化學(xué)溶劑 ,如甲苯、醋酸等 ,也只有在70℃ 以上溫度時才略有溶解。但是微粒狀的聚乙烯 ,可以在 15℃ ～ 40℃ 之間隨溫度的變化熔化或凝固 ,溫度升高時熔化 ,吸收熱量 。溫度降低時凝固 ,放出熱量。又因為它吸水量很小 ,不易潮濕 ,有絕緣性能 ,因此是很好的建筑材料。 產(chǎn)品的設(shè)計要求 制品有效寬度 1220～ 1750，厚度 ～ 5mm，其中鋁箔厚度 ～ 。 螺桿設(shè)計 螺桿是擠出機最重要的部件，其性能好壞直接影響塑化質(zhì)量和產(chǎn)量。整個理論幾乎都是圍繞著螺桿上發(fā)生的擠出過程展開的。因此，螺桿設(shè)計是擠出理論最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。 最早出現(xiàn)的螺桿是不分段的，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，從實踐和理論都證明了將螺桿分為加料段、壓實段和計量段是比較合理的。螺桿直徑的確定： 150mm， 螺桿長徑比 35。 螺桿的長徑比 L/D 指螺桿的有效長度 L 和螺桿的直徑 D 之比，如果是新型的螺桿，其有效長度中應(yīng)該包括混煉段的長度。長徑比是代表擠出機性能的 一個主要的技術(shù)參數(shù)。 歐洲塑料橡膠機械制造廠委員會建議長徑比 1 1 (18)、 (24）、2 2 35，括號中的數(shù)值盡量不用或少用。對于某些排氣螺桿，長徑比達到 40 左右或更長。 徐州工程學(xué)院 08 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 15頁 L=35D=35 150=5250mm 普通螺桿普通螺桿全長分為三段，即加料段 L1 、 壓縮段 L2 和計量段 L3,計量段有時也叫均化段。壓縮段與熔融理論中的熔融段并不完全相同。在熔融理論中，熔融起點和熔融重點以及熔融段長度 Lm 在螺桿上并非固定不變，他們隨著擠出工藝條件和塑料性能的變化而變化。而壓縮段指的是螺槽深度有加 料段深 H1 變至計量段槽深 H3 的那段長度，它是螺桿設(shè)計者人為設(shè)計的長度，一旦螺桿設(shè)計出來這個長度也就確定了。 螺槽深度和壓縮比的確定 螺槽深度是很重要的參數(shù)，我們可以從制品的質(zhì)量與產(chǎn)量兩方面來分析。 （ 1）計量段槽深的確定： 我們知道，計量段中熔料的剪切速率γ可按下式計算： γ =π3HDn （ 31） 顯然，計量段螺槽深度 H 3愈小，在相同的螺桿轉(zhuǎn)速下剪切速率便愈大，因而分子間的內(nèi)摩擦力也愈大。從式（ 31） 可以看出，熔料因內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的熱量正比于剪切應(yīng)力和剪切速率 〔 4〕 。由于剪切應(yīng)力而產(chǎn)生的熱量和螺槽深度 H3的平方成反比。 Q∝τγ =η a γ 2 =η a232)(HDn? (32) 式中： Q— 熔料因剪切產(chǎn)生的熱量； τ — 剪切應(yīng)力； γ — 剪切速率； 徐州工程學(xué)院 08 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 16頁 η a — 熔料的表現(xiàn)粘度 。 由此可見，螺槽深度較淺時，物料層內(nèi)部會產(chǎn)生較多的熱量。此外，螺桿上物料層較薄，由外界加熱器傳進來的熱量也容易將塑料熱量。這方面因素都證明了計量段槽深較小時，對促進塑料的塑化質(zhì)量是很有好處的。 從混合效果上來講，計量段槽深 H3 較小時，混煉程度較高，制品比較均勻。在本章后面我們將進一步指出：當(dāng)計量段槽深較淺時，壓力波動和溫度波動都比較小，這時對制品的綜合質(zhì)量都是有利的。 但是，我們知道，只有那些承受高剪切速率的的塑料，如聚乙烯，才能選用較小的槽深，這類塑料的 成型溫度范圍很寬（如聚乙烯成型溫度范圍為 150～ 220℃ ,其范圍達 70℃），熱穩(wěn)定性很好。因剪切或其他原因造成的局部過熱不易造成無法彌補的后果。相反對那些步能承受高剪切速率的塑料，如硬聚氯乙烯等熱敏性塑料，他們的粘度較高，如果螺槽深度較淺，勢必造成過多的因高剪切產(chǎn)生的熱量。再加上這類塑料的成型溫度范圍比較窄，粘流溫度 Tf 和分解溫度 Td 比較接近（如硬聚氯乙烯加工溫度范圍為 150℃～ 190℃，其范圍僅 40℃），熱穩(wěn)定性較差，強烈 的內(nèi)摩擦將使它們過熱分解甚至燒焦。因此，加工這類塑料的螺桿計量段螺槽深度 H3 不能選擇過小。 塑 料 最大剪切速率γ /S 1? LDPE（相對分子質(zhì)量較高） LDPE（相對分子質(zhì)量較低） HPVC SPVC PS 56 104 26 60 108～ 92 徐州工程學(xué)院 08 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 17頁 . 幾種常用塑料在計量段中的最大剪切速率如表所示： 表中的數(shù)值并不是不可以突破的，尤其是承受高剪切的時間很短時，例如在某些新型螺桿的屏障棱上，我在后面還要 進一步分析這個問題。 根據(jù)表格取γ =71 1?S 由 公式γ =π3HDn 得 ?? nDH ?3= 17 014 ?? 以上從擠出質(zhì)量的觀點分析了計量段螺槽深度 H3 的影響，此外我們還可以從產(chǎn)量的角度來分析計量段螺槽深度 H3 的影響 。從熔體輸送理論的生產(chǎn)率公式可以看出：正流 Qd 正比于螺槽深度 H3 ，而壓力流 Qp卻正比于 H3 的立方。由此可以分析：當(dāng)機頭壓力較低時，增加計量段螺槽深度可以增加產(chǎn)量；而當(dāng)機頭壓力增大到超過臨界壓力，加深 H3 并不能使生產(chǎn)率增加，甚至還會產(chǎn)生相反的作用。 也可以從融體輸送理論來估算螺槽深度 H3 的最佳值， )2(6 33231 WHQHvddzp ?? η (33) 將上式對 H3 求導(dǎo)并令導(dǎo)數(shù)等于零，經(jīng)一系列推導(dǎo)，可求得 H3 的最佳值： H3 =（φ236DSinLKQ?） 21 (34) 式中 QK _____口模形狀 系數(shù)。 徐州工程學(xué)院 08 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 18頁 在未知口模系數(shù)情況下 H3 的值沒辦法確定。有上面的分析可知， H3 的決定受到多方面的因素影響，很難用一個簡單的理論公式來進行計算。設(shè)計時，還可以根據(jù)經(jīng)驗公式（ 35）來決定螺槽深度 H3 H3=kD （ 35） 據(jù)統(tǒng)計螺槽深系數(shù) k 值，發(fā)現(xiàn)大致規(guī)律如圖 146 所示。由圖可見，計量段螺槽深系數(shù) k 大都在 ～ 范圍內(nèi)。螺桿直徑 較大者， k 值應(yīng)選擇較小，螺桿直徑較小者， k 值應(yīng)選擇較大；熱穩(wěn)定性較好的塑料 k 較小，熱穩(wěn)定性較差的塑料k 值較大；當(dāng)螺桿長徑比較大時， k 值可以選擇較大。這是由于長徑比較大的螺桿的計量段 L3 可以設(shè)計的較長，此時由于螺槽深度 H3 加大造成壓力流 Qp 的增加和混煉段 M 的下降可以通過計量段的增加來彌補。除此之外在設(shè)計新型螺桿時，由于附加的混煉元件保證了塑料的熔融與