用于单螺杆挤出机的平衡混合螺杆

单螺杆挤出机被广泛用于塑料制品生产，尤其是半成品生产。其所生产的挤出材料的质量在很大程度上取决于挤出机中熔体的均化。典型的例子是颜色或颜料的连续混合、添加剂和填料的分布以及塑料熔体的热均化和基本均化。后者对成品的质量尤其具有显著影响。均匀性不充分将造成严重的质量缺陷。

这就是为什么剪切和混合元件已成为单螺杆挤出机标配的原因。原则上，这些装置被分为两种类型：

◆ 分散（搅拌）式混炼机的目的是打碎团块和颗粒，剪切装置就是一个典型的例子。

◆ 分布（撒布）式混炼机的目的是通过分离和重新定向来均化熔体流动，封闭混炼螺杆就是一个典型的例子。

由于混合装置对挤压材料的质量有重大影响，克劳斯玛菲贝尔斯托夫与奥地利约翰内斯开普勒林茨大学聚合物挤出和复合研究所（IPEC）共同对封闭混炼机的运行方式进行了研究，以便在此基础上制定有科学依据的布局策略。重要的研究发现如下文所示。

几何多样性

封闭混炼螺杆具有很大的设计自由度，因此它们能够提供多种不同的几何形状。在多数情况下，它们的设计更多地基于经验值而不是科学发现，因此混合装置的潜力通常无法完全实现。

图1 所研究的积木式混炼机：积木式混炼机的标称直径为60毫米。参考几何3号和5号是相同的（© 克劳斯玛菲贝尔斯托夫）

两个基本几何参数对螺杆概念的输送和混合行为的影响在计算机化设计研究的框架内通过数值流模拟进行了分析（图1和表1）：

◆ 1. 每个螺块的螺纹数量（NZ）

◆ 2. 螺块数量（NS）

表1 所研究的单螺杆混炼机的几何：螺纹和螺块的数量各不相同；相同的3号和5号单螺杆用作参考几何（©克劳斯玛菲贝尔斯托夫）

对于分布式混炼机而言，封闭混炼装置的主要目的是连续分布和重新定向，从而实现塑料熔体的材料均匀性和热均匀性。

结果1——速度场

图2显示了几何形状为图1中的1号的封闭混炼机在主要流动方向上的速度分布，它由四个螺块组成，每个螺块各有六个螺纹。变化的流动断面导致流体颗粒在轴向方向上的速度梯度明显（图2a）。速度峰值分别出现在每两个螺纹之间的螺块区域（黄色）。这里的速度比螺块之间的环形流动区域（浅蓝色）快了约三倍。

图2 高分子HDPE管道的速度场的变化发生在：a）轴向上，b）一个螺块的断面上，c）两个螺块之间的断面上（©克劳斯玛菲贝尔斯托夫）

螺块的轴向断面显示了类似的流动剖面（图2b）。这里的流体颗粒在流过螺纹时会在切线方向上加速和减速。但是，圆盘之间的环形流动通道在切线方向上却没有明显的速度梯度（图2c）。

结果2——压力消耗

混合装置通常压力消耗量很大。图3显示了所研究的封闭混炼机的压力损失。百分比值指NZ=10螺纹的3号或5号参考几何（表1）。这些数字表明，每个螺块的螺纹数量是混合装置压力消耗的主要因素。因此，螺块上更多数量的螺纹带来的压力损失比混炼机上更多数量的螺块带来的压力损失更明显。如果忽略因螺杆旋转引起的粘性流，这一发现可直接通过压力流相对于通道几何的灵敏度来解释。据目前所知，对纯压力流而言，通道高度对压力梯度的影响比通道长度的影响更大。此外，塑料熔体的粘度与压力梯度成正比，因此更粘稠的塑料熔体需要更高的压力梯度才能得到相同的产量。

图3 压力损失：每个螺块的螺纹数量的影响（a）和螺块数量的影响（b）（©克劳斯玛菲贝尔斯托夫）

结果3——耗散量

除了压力-产量特征，流道中的温度变化也是评估混合装置的重要指标之一。图4显示了图1中模拟的封闭混炼机整个流体体积的平均耗散量。由于相邻流层之间的内部摩擦，螺杆提供的机械能被转换为热能，从而导致熔体温度升高并形成熔体内的温度梯度。粘性加热的程度取决于熔体的粘度和流道中的变形速度。

图4 耗散量：每个螺块的螺纹数量的影响（a）和螺块数量的影响（b）（©克劳斯玛菲贝尔斯托夫）

低通道高度会产生高剪切速度，尤其是在螺纹间隙区域。因此，熔体在流道中的总耗散量在很大程度上取决于螺纹间隙。如果填充更多螺块，这一数字会增加得更快。因此，耗散量主要取决于螺块的数量。

结果4——分布混合

颗粒跟踪方法用于评估图1中的封闭混炼机的分布混合效率。根据计算出的流场，将大量的颗粒放在混炼机的入口处并沿着轨迹跟踪它们的流动（图5）。为了观测分布混合性能，一半颗粒被涂成红色，另一半被涂成蓝色。1号和8号封闭混炼机末端的颗粒分布在图6中进行了比较。

图5 1号几何的颗粒分布：位于积木式混炼机的a）入口处和b）末端（©克劳斯玛菲贝尔斯托夫）

评估分布混合性能的参数之一是两相（红色和蓝色颗粒）之间界面面积的增加。由于新螺条的形成和现有螺条的条纹厚度的减少，界面面积随着颗粒的前进而增加。两个封闭混炼机呈现了相似的颜色分布，密集填充部分表现出的性能仅稍微好一点。

结果5——拉伸

为了量化图6中的结果，颗粒沿着流动轨迹产生的表面拉伸也经过了评估。表面拉伸描述了颗粒因流动变形的表面与其初始表面积之间的比例关系。图7对图1中1-8号封闭混炼机末端的所有颗粒的平均结果进行了比较。

图6 积木式混炼机末端的颗粒分布：a）1号几何和b）8号几何（©克劳斯玛菲贝尔斯托夫）

封闭混炼装置末端的颗粒表面的平均拉伸随着界面面积的增加而前进，并且是衡量分布混合性能的一种方式，它随着每个螺块的螺纹数量和螺块数量的增加而增加。因此，更密集排列的封闭混炼装置更易实现塑料熔体的更佳均化。但是，考虑到增加的压力损失（最多+39%，图3）和增加的粘性加热（最多+37%，图4），稍好的分布混合效果（最多+17%）确实成本高昂。与含有6个螺块的混合装置相比，含有7个螺块和10个螺纹的封闭混炼装置表现出更少的表面拉伸，因为螺块之间的环形区域不够明显，因此该区域的加速和减速相对较低。

图7 积木式混炼机末端的颗粒表面拉伸：每个螺块的螺纹数量的影响（a）和螺块数量的影响（b）（©克劳斯玛菲贝尔斯托夫）

结语

这项研究清楚地说明了平衡混炼机对于塑料熔体均化的作用。它们达到了良好的混合质量、低熔融温度和低压力损失之间的平衡。这一结果与克劳斯玛菲贝尔斯托夫践行的设计理念密切相关。平衡混炼机多年来的应用已经证明了它们可以帮助客户生产出高质量的产品。目前，本文提到的方法正在通过与IPEC合作进行深入开发，从而开发出创新的混炼机几何尺寸。帮助客户提高产品质量将是其首要目标。