塑料机械螺杆混炼（混色）技术的研究

郑能欢

（华瀚科技有限公司 深圳）

塑料机械螺杆混炼（混色）技术的研究

郑能欢

（华瀚科技有限公司 深圳）

螺杆是塑料机械机的核心部件之一，螺杆的设计的好坏直接影响到塑料机械的性能，好的螺杆不仅仅具有好的塑化功能，还要求好的混炼（混色）功能。本文先从理论上深入探讨了混合机理，理论分析了工具箱的混色问题，设计出了具有优异混炼（混色）功能的混炼头组件，解决了工具箱的混色问题，理论与实践相结合，深入探讨了螺杆的混炼（混色）技术。

螺杆 混炼 技 术

1.引言

随着经济的发展，塑料产品在国民经济中占的比重越来越大，它不仅用于包装，电子，建筑材料，许多金属材料逐渐的被塑料取代，如PVC 管PE给排水管取代了以前的金属管。同时人们对塑料制品的性能和外观要求越来越高，许多塑料制品并不是单一的高分子材料，它是由几种材料共混形成的塑料合金，并且还添加有色母，和一些添加剂，这不仅提高了塑料产品的综合性能，使产品的外观五颜六色。而为了达到这些性能的提高，螺杆的混炼效果发挥着重要的作用。如果螺杆混炼效果不好，将无法使几种不同的材料（塑料，添加剂，色母料）均匀的分散和分布，那么塑料制品的性能不仅不能提高，反而下降。如颜色分布不均匀，表观很差，几种塑料材料分层。所以螺杆的混炼能力在材料成型中扮演着重要的角色，是螺杆的关键技术之一。

以下我们先从理论上来探讨一下混炼。

2.混合机理

螺杆混炼就是使各种材料混合。混合是一种操作，是一个过程，是一种趋向于减少混合物非均匀性的操作过程，或者说，混合是这样一种过程：在整个系统的全部体积内，各组分在其基本单元没有本质变化的情况下的细化和分布。根据Brodkey的混合理论，混合涉及到三种基本运动形式：分子扩散、涡旋扩散和体积扩散。

（1）分子扩散：

是指由浓度梯度驱使自发地发生地一种过程，各组分的颗粒由浓度较大的区域迁移到浓度较小的区域。主要发生在气体和低粘度液体中。注射成型过程中颜料、发泡剂、抗氧剂等低分子物质与聚合物的混合中也属于分子扩散。

（2）涡旋扩散：

图1. 混合过程

图2 无规律分布性混合（左）有规律分布性混合（右）

图3 同心圆筒混合模型

图4. 长方体混合模型

图5 平行平板间的剪切层流混合模型

也就是紊流扩散。在化工过程中，流体的混合一般是靠系统内产生紊流来实现的。注射成型过程中，不希望发生紊流，同时物料粘度较大，很少发生涡流扩散。

（3）体积扩散：

即对流扩散。是指流体质点、液滴或固体离子由系统的一个空间位置向另一空间位置的运动，或两种或多种组分在相互占有的空间内发生运动，以期达到各组分的均布。体积扩散包括体积对流混合和层流对流混合；体积对流混合：通过塞流对物料进行体积重新排列，需要物料连续变形，可以是无规的，也可以是有序的；层流对流混合：即层流混合。通过层流使物料发生变形，混合中，物料受到剪切、拉伸和挤压作用。

混合的要素

混合过程的要素主要有剪切、分流、合并、置换、挤压(压缩)、拉伸和集聚，聚合物熔体在流场中通过这些作用的全部或部分达到混合的目的。如图1所示为A、B的混合过程。A、B混合物先通过挤压、剪切达到初步混合，再通过剪切、置换达到进一步混合，然后通过挤压、剪切，剪切、置换，再挤压、剪切，再剪切、置换达到最终混合的目的。

混合的分类

按混合形式分类：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无规分布性混合。有序分布性混合用条纹厚度表征混合物的混合状态和混合过程，而无规分布性混合通常用整体均匀度来表征。

A、有序分布性混合：如图2所示为无规律分布性混合和有规律分布性混合

B、无规分布性混合无规分布性混合不易表征，通常用总体均匀度表示。

总体均匀度是一个统计学概念，是一种表征，对螺杆设计不具指导意义。在此不赘述。

2.1.1 分布性混合模型

（1）同心圆筒混合器

如图3为同心圆筒混合模型，r=L/(n+1)，式中：r为条纹间隔(厚度)；n为内筒累计转数；L为外筒内面和内筒外面径线方向的距离，即着色线的长度。随着内筒累计转数n的增大，条纹间隔(厚度) r减小，混合越均匀。

（2）长方体混合模型

如图4，长为L、宽为W的条纹层堆积成高为H的立方体。条纹数为n，则所包围的面积A为：A=2nLW，立方体的体积为V： V=LWH=(A/2n)H=Anr/2n=rA/2若V、A一定，则r=V/(A/2)条纹厚度(间隔)越小，混合越好。只要将条纹厚度减少到任意所需要的值，就可以达到所希望的混合水平，一般聚合物熔体为不可压缩体，所以V不能改变，只要通过混合把所包围的面积A增大就可以减小r的目的，A越大，r越小，混合效果越好。

（3）平行平板间的剪切层流模型

变形后的条纹厚度与剪切变形量成反比。熔体承受的剪切变形量越大，混合越均匀，当条纹厚度趋于零时，可获得均匀的混合物。

2.2 分散混合

分散混合的目的是把少组分的固体颗粒和液相分散开来，成为最终粒子或允许的更小颗粒或液滴，并均匀地分布到多组分中。如图6所示为分散混合的过程，Ⅰ-使聚合物和添加剂粉碎、Ⅱ-使粉状和粒状固体添加剂渗入聚合物中、Ⅲ-分散、Ⅳ-分布均化。分散混合过程是：1、在流场产生的粘性拖曳下，将大块的固体添加剂破碎为较小的粒子；2、聚合物在剪切热和传导热的作用下熔融塑化，粘度逐渐降低至粘流态时的粘度；3、较小粒子克服聚合物的内聚力，渗入到聚合物中；4、较小粒子在流场剪应力的作用下，进一步减小粒径，直到最终粒子大小；5、固相最终粒子在流场作用下，产生分布混合，混合均匀；6、聚合物和活性填充剂之间产生力-化学作用。

3.混色（混炼）技术分析及问题解决

图7，8所示的工具箱都存在着一定的混色问题，图7成型出的工具箱采用的螺杆只有销钉混炼头，从工具箱的表观，我们可以看出这种混色设计存在一定混色问题。图8工具箱采用的螺杆是带屏障混炼头+销钉混炼头，混色效果比第一种方案好，但是还是存在一定的混色问题。很明显，工具箱表观质量不好，是由于螺杆的混炼效果不好造成的。

从混合机理，我们可以知道，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匀地分布到聚合物熔体的各个部分。分散混合的作用是通过剪切，把色母或色粉的粒子进一步细化，使其均匀分布到熔体。

销钉混炼头——分布混合

销钉混色头是典型分布混合，其主要作用是分割料流，增加界面，改变料流方向，使流束重新排列，通过多次分流、汇合、改变流动方向达到分布混合的目的。

屏障混炼头——分散混合

屏障混炼头通过屏障棱和机筒的间隙对熔体产生高剪切，提高塑化效果，阻止未塑化好的物料通过。另一方面它可以通过高剪切分散色粉或色母，是典型的分散混合；同时它也有一定的分布混合的作用，物料通过屏障段时由一股变为几股，因而增加了界面；几股物料流出出料槽后又汇合在一起，利于位置的交换；进料槽和出料槽中的物料因机筒运动而产生涡旋，不断改变流动方向，有利于分布混合有益。其混色及塑化效果都比较好。

要达到好的混色效果，必须是先分散混合再分布混合，把分散混合和分布混合结合起来。因为通过分散混合充分打散色粉或色母，使其粒子充分小，再通过分布混合来把色粉或色母粒子均匀的分布到熔体中，达到好的混色效果。如上所述，销钉混炼头可以达到很好分布混合，屏障混炼头可以达到很好的分散混合。所以把销钉头和屏障头结合起来，可以达到很好的混色效果。

图7所示工具箱采用的螺杆只带销钉混炼头，如图9所示为其采用的销钉混炼头。其设计为3排销钉，每排16个。其混色效果比较差。原因是没有分散混合元件，色粉和色母不能充分散开，销钉过胶头只能达到分布混合的作用，其只能把未充分分散开的色粉或色母分布到熔体中，所以导致混色效果不佳。另外销钉只有三排也不利于很好的分布混合。

图8所示工具箱采用的螺杆带屏障混炼头和销钉混炼头，屏障头如图10所示。

从工具箱图8我们发现其混色效果比第一种方案要好很多。原因是屏障头作为分散混合元件，把色粉或色母充分分散开，然后通过销钉过胶头将分散开的色粉或色母均匀的分布的熔体中。达到比较好的混色效果。这也证实了前面理论分析“先分散混合再分布混合可以达到好的混色效果”。但是从图可以看到，其混色还是存在一定的问题。笔者认为是销钉过胶头的排数太少，不能提供充分的分布混合，也可能是屏障头没有充分分散开色粉或色母。

图6 分散混合过程

图7

图8

图9 销钉混炼头

图10 屏障头

图11 新的螺杆混色组件

为了解决工具箱的混色问题，根据以上的理论和实验的分析，我对螺杆进行了优化设计（主要提高塑化效果，这里不详述），特别是对混炼头重新设计，方案还是采用屏障头（分散混合）+销钉混炼头（分布混合）的方案如图11所示。但是屏障头采用了“双屏障头”的结构，采用这种结构的屏障头，首先熔体被分成6股通过第一段屏障段，第一次被剪切分散，接着熔体到达两屏障段中间的过渡段时，位置相互置换；位置置换后的熔体又被分成6股通过第二段屏障段，第二次被剪切分散后分6股出来进行第二次位置置换。所以这种结构的屏障头可以提供更好的分散混合（两次剪切），同时也提供了好的分散混合（2次把料流分成6股，2次6股料流进行位置置换）。销钉过胶头的设计也增加了销钉的排数，由3排增加到5排，加强了分布混合的效果。

图12

如图12所示为用新的螺杆及混色组件成型的工具箱。与前两次方案的工具箱对比，用新的螺杆及混色组件成型的工具箱外观昀漂亮，混色问题完全解决。

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