第四节双螺杆挤出机
3．4.1双螺杆挤出机简介
最早而且真正应用于聚合物加工的双螺杆挤出机是20世纪30年代在意大利研制成功的:RobertoColombo研制成功了同向旋转双螺杆挤出机，Pasqueth研制成功了异向旋转双螺杆挤出机。经过半个多世纪的不断改进和完善，双螺杆挤出机得到了长足的发展，目前已广泛应用于聚合物加工业和其它工业如食品加工业。
双螺杆挤出机在聚合物加工领域中主要应用有：
（1）加工硬聚氯乙烯等制品，如管、板、异型材等;
（2）作为混合机，它主要当作连续混合机，可用来进行聚合物的共混改性、填充改性、造粒和增强改性;
（3）用来进行反应挤出、脱挥发分、脱水等作业。
在实际应用中，双螺杆挤出机必须配以机头和辅机才能完成预定的任务，这就是所谓的双螺杆挤出机组。从总体组成上看，双螺杆挤出机由传动系统、挤压系统、加热冷却系统、控制系统等组成。
双螺杆挤出机分类：
（！）根据两根螺杆轴线之间的关系：有平行双螺杆与锥形双螺杆之分;
（2）根据两根螺杆的啮合程度分：有啮合双螺杆与非啮合双螺杆；
（3）根据两根螺杆的旋转方向分：有同向旋转与异向旋转之分。
（4）锥形双螺杆
啮合同向双螺杆挤出机的主要用途是：对聚合物进行改性，如对聚合物进行共混、填充和增强改性等，以及进行反应挤出、脱挥发分、脱水等。
这是因为这种挤出机具有良好的自洁性能、较强的剪切作用及较高的螺杆转数。啮合同向双螺杆挤出机中的两根螺杆在啮合区的相对运动方向相反，两根螺杆互相清洁表面，防止了物料在螺杆表面的滞留和粘附，还可以不断更新表面，有利于聚合物的混合、传热，并提高了排气效率。这是啮合同向双螺杆挤出机优于其它类型双螺杆挤出机之处，也是其得到广泛应用的主要原因。
非啮合异向双螺杆挤出机的主要用途是：对聚合物挤出成型和配料造粒等方面。
双螺杆挤出机挤压系统
双螺杆挤出机的挤压系统是双螺杆挤出机的核心部分。其作用是把加入的固体或液体物料熔融塑化、混合或进行化学反应，为口模提供定温、定压、定量的熔体，并将在这一过程中产生的气体或液体排除，最后通过口模及后续的辅机，得到合乎质量要求的制品如颗粒料或具有一定形状和尺寸的制品。
双螺杆挤出机的挤压系统主要的组成：芯轴、螺杆、机筒等组成，
根据挤出过程和工艺的需要，将不同功能、不同结构形状的若干螺杆元件按照工艺要求依次装配到芯轴上形成组合螺杆，然后与相应的机筒组合装配在一起，成为挤压系统。下图显示了具有剖分式机筒的挤压系统。因此，双螺杆挤出机挤压系统的设计实质上是芯轴、螺杆、机筒及螺杆组合的设计
●螺杆组合及螺杆元件
（1）螺杆组合
啮合同向双螺杆挤出机的螺杆在机械结构上一般都采用积木或组合式。这就使得双螺杆挤出机的螺杆构型，筒体结构，长径比，加料口与排气口的位置和数量等均需根据物料体系与工艺要求变化调整，以便实现通用性和专用性的统一。
啮合双螺杆挤出过程：加料、固体输送、熔融、混合、排气、输送等功能段组成。
不同的功能段需要不同的局部螺杆构型与它相适应，成不同的功能。螺杆组合构型设计是一个重要而困难的问题，因为它与多素有关，如被加工物料的性质和配方设计，运转条件以及螺杆元件的性能等此，这种组合也是一种专门的技术和诀窍，目前尚无公式可循，一般是要对各种螺杆元件性能以及物料性能的了解，通过经验一理论一实验相结合法进行设计。
（2）螺杆元件
如果把物料在双螺杆挤出机中的输送过程像在单螺杆挤出机中的输送那样分为固体输送区、熔融区和熔体输送区，则相应于物料在挤出过程中的相态变化，可以把一整根螺杆分解成不同的功能段，而不同的功能段采同的几何结构来完成其功能，把能实现不同功能的螺杆区段称为螺杆元件。据实现功能的不同，可将螺杆元件分为输送元件(由正向螺纹元件组成，不同的螺杆头数和导程)、建压元件(主要是指反向螺纹元件)、剪切元件(是捏合盘及其组合)、混合元件(主要是指齿形盘元件)等。
芯轴及机筒
a.芯轴
实现螺杆组合，从机械设计上要解决两个问题:一是把由传动系统通过芯轴传到每一个螺杆元件上去，以克服挤出过程中受到的阻力;螺杆元件串到芯轴上后，要保证螺杆元件之间几何中心同心，螺纹连接处形成台阶和缝隙，螺槽相接处要光滑过渡，以免存料。这里涉及到用什么芯轴及螺杆元件内孔来解决这两个问题，根据对国内外双螺杆挤出机芯轴究调查，花键芯轴由于能够很好解决上述问题，应用很广泛。
b、机筒
如前所述，螺杆是组合的，机筒也是组合的，即其机筒也是由若干段机筒元件组合而成。纵观国内外同向双螺杆挤出机，虽然各厂家的机筒段的长度不尽相同，但大致为3-4倍螺杆外径，倍螺杆外径的。根据机筒的功能不同，有不同的结构形式，如图 (a)、(b)、(c)和(d)所示，分别为上加料口机筒、全封闭式机筒、排气机筒和侧加料机筒。
3．4.2 固体输送与熔融过程物理
3．4．2.1概述
深人了解双螺杆挤出过程具有重要的理论意义和实用意义.人们对挤出过程的认识远比对单螺杆的认识为少.原因是双螺杆挤出的出现与较单螺杆挤出要晚，再就是双螺杆几何形状比单螺杆复杂得多，使双螺过程也比单螺杆挤出过程复杂得多，造成了理论研究上的很大困难.人们始终没有间断对其的研究，这些研究主要集中在混炼方、输送和熔融等方面。
3．4.2.2双螺杆挤出的基本特点
●几何复杂性
双螺杆决不同于两根单螺杆的简单组合，无论啮合型还是非啮合型样。单螺杆与机筒之间有螺棱间隙，而双螺杆除此以外，还有径向间隙、四面体间隙和侧间隙。啮合型双螺杆还分共扼型和非共辘型;因几何参数的不同的螺杆螺槽流道横向可能开放，也可能不开放;异向双螺杆更有纵向是否分.几何复杂性是双螺杆最主要的特点之一，它决定了以下几个特点的
●挤出过程中螺槽的非充满
双螺杆挤出过程中，大多数的螺槽没有充满物料，只是在机头附近和反向螺杆元件上游的一段螺槽和排气口前才会充满.
●挤出过程中物料运动的多样性
双螺杆挤出过程中螺槽的非充满现象已为实验所证实，非充满的程满度6来表示:其中:V0为单位(轴向)长度上双螺杆螺槽的体积;Vl为单位(轴向)长度上双螺杆螺槽中物料的体积(物料粒子间隙也计算在内).充满度不同，物料在挤出过程中的运动形式也不同，这些都是单螺杆中没有的.当充满度较小时，物料可能呈团粒状运动，随着充满度的提高，粒变大进而互相粘连，形成连续的物料床.在物理模型和数学模型建立首先应确定物料的运动形式.
●啮合型双螺杆中非啮合区和啮合区并存
对纵向封闭的异向双螺杆，从理论上说，物料是被封闭在一个个C型中，这时可以认为在运动时不通过啮合区.而在同向双螺杆挤出过程中，必然从一根螺杆通过啮合区中的四面体间隙流到另一根螺杆上.在模型必须以某种方法考虑物料循环通过啮合区和非啮合区这样的运动形式。
●双螺杆挤出中的正位移
正位移是指螺旋输送机中物料沿轴向的运动仅与几何因素(如螺纹和螺杆转速有关而与物料和螺杆、机筒间的摩擦无关，在螺旋旋转一周期物料被强制地沿轴向向前推进一个导程的距离.单螺杆挤出是基于摩擦拖理，而双螺杆挤出常被认为基于正位移。实际上正位移要求严格的几何条例如在双螺杆挤出中，理论上说，只有在螺槽流道的横向、纵向都封闭时，位移才有可能.对同向双螺杆挤出机来说这是不可能的.在几个间隙中产漏流和反向元件、中性元件的存在使正位移进一步被削弱。另一方面，在杆的非啮合区，输运现象确与单螺杆挤出有相似
