新型螺杆
出处：按学科分类—工业技术 中国轻工业出版社《塑料挤出制品生产工艺手册》第44页（7975字）
一根性能优良的螺杆，三段之间的配合应该很好，也就是说，加料段的固体输送量、压缩段的熔化塑料的量和计量段中所输送的熔体的量应该相等，如果哪一段的能力弱，则整个挤出机的产量也就低。对于普通螺杆来说，加料段的固体输送效率是相当低的，实际输送量只有理论计算的20%～40%；压缩段也不能熔化为全部塑料；计量段在输送熔体时的波动也较大。在这样的情况下，各种新型的螺杆如分离型螺杆、屏障型螺杆、分流型螺杆等相继问世，使得单螺杆挤出机的功能有所改善。
(一)分离型螺杆
BM螺杆是瑞士Maillefer工厂设计的双头螺纹螺杆。BM螺杆是典型分离型螺杆，图2－17所示是Φ65mmBM螺杆的结构及尺寸举例。螺杆结构是在螺杆的熔融段加设一条副螺纹。这条副螺纹把原来的螺槽分成两个螺槽。一条螺槽与加料段螺槽相通(固相螺槽)，另一条螺槽与均化段相通(液相螺槽)。副螺纹与料筒的间隙大于主螺纹与料筒的间隙。固相螺槽中已熔的物料将越过间隙而进入液相螺槽，未熔的固体粒子则未能越过间隙，仍留在固相螺槽内，达到固液分离的效果从而促使未熔固体粒子更快地熔融。
图2－17 BM螺杆结构图
这种螺杆的优点是：塑化效率高、塑化质量好、熔体压力稳定、温度波动小。
(二)屏障型螺杆
屏障型螺杆的结构是在螺杆的某部位设立屏障段，阻止未熔的固相粒子通过，如图2－18(a)是单屏障型螺杆的结构。其结构是在该段圆柱面上等距、间隔地开设了若干条纵向的进料沟槽和出料沟槽。工作时，塑料由进料槽流入，只有熔融的塑料进入出料槽，而未熔的固体粒子被屏障挡住。塑料在通过屏障时，由原来的带状流被纵向直槽分成若干段，并在进入和流出屏障槽沟时产生涡流，加强了熔体的混合。屏障型螺杆的优点是：改善了熔体的塑化质量，提高了塑料混合均匀性，混合效果好，温差减小。
图2－18 传统屏障型螺杆结构
(a)单屏障螺棱 (b)双屏障螺棱
为了减轻螺杆加料段的磨损，人们又使用了双屏障型螺杆(美国专利号：4472059)，其结构见图2－18(b)。
几种改进型屏障型螺杆见图2－19。
图2－19 几种改进型屏障型螺杆
Maillefer螺杆的主要特点是：屏障螺棱的螺旋角大于主螺棱的螺旋角，因此，固体螺槽宽度不断减小，而熔体螺槽宽度则相应地增大。这种螺杆的缺点是：由于固体螺槽宽度减小而致使熔融速率相应降低。
Barr螺杆屏障段的起始部分与Maillefer螺杆相同；当熔体螺槽充分宽时，屏障螺棱开始平行主螺棱。Barr螺杆的主要优点是：固体螺槽宽度在较大的值上保持恒定，改善了熔融性能。Barr螺杆的主要缺点是熔体输送率远低于Maillefer螺杆。针对这一缺点，对螺杆的几何形状改进后，就研制了Lacher／Hsu／Willert Barr螺杆。
Dray－Lawrence螺杆与Barr螺杆的主要差别是：主螺棱的螺旋角在屏障螺棱导入处有一突变。这能使固体螺槽宽度保持与进料段全螺槽宽度同样宽。这种螺杆的几何形状有二次突变，一次在屏障段开始，另一次在屏障段末端。但这种螺杆会引起涌动型的不稳定流动。
Kim螺杆对Dray－Lawrence螺杆的加以改进。在Kim螺杆中，主螺棱和屏障螺棱的螺旋角是逐步改变的，以获得平缓过渡。
IngenHousz螺杆结合了屏障螺杆和多螺棱螺杆的特点，使塑料熔融得到极大的改善，可获得比较理想的压缩螺杆短的最小熔融长度。
DFM(双螺棱Maillefer)螺杆能在最佳情况下熔融性能改善30%。DFM螺杆的螺旋升角约为25。
(三)分流型螺杆
分流型螺杆是在螺杆的某一部位设置许多突起部分或孔道，将螺槽内的料流分割，并改变塑料的流动状况，促进熔融，增强混炼和塑化。
销钉螺杆是典型的分流型螺杆，见图2－20。销钉的位置、数量和开头与大小取决于加工的树脂和制品的质量要求。表2－11是推荐的螺杆直径与销钉数量、大小的关系。分流型螺杆的优点是：提高产量，改善塑化质量，提高混合分散性，减小熔体的径向温差。
图2－20 销钉螺杆销钉分布图
表2－11 螺杆直径与销钉参数的关系
(四)DIS螺杆
DIS是Distributive Mixing的缩写。DIS混炼头的位置是在普通螺杆均化段的末端，其数量为4～6个，见图2－21。
图2－21 DIS混炼螺杆结构
每一个混炼头的外径等于螺杆的外径，其有效长度为1，每一个混炼头的总长度为L(包括混炼头之间的过渡区域，又称为料流汇合区，L为(1．2～1．5)D。每一个混炼头设置若干数量(一般为6～9条)相等的进料槽和出料槽，每一条出料槽末端有一进料孔，出料槽的始端有一出料孔。按一定的顺序排列，一个进料孔与一个出料口相通，这个通孔称为分流孔，塑料只能由此通过。
DIS螺杆的主要特点是：混炼头对塑料的分流和混合作用强，塑料的轴向温差极小。但对生产能力稍略有下降。
(五)SDS螺杆
SDS是英文Solids Drainging Screw的缩写，可译为“固体径流螺杆”，也可称为“同轴螺杆”或称为“同心螺杆”。
固体径流型螺杆(SDS)(科学加工和研究有限公司商标，美国专利号：3，924，842)不需要加长挤出机，也不加长螺杆。在主螺杆内设置一个较小的次级螺杆在运转。所有未熔的树脂从螺杆孔进入主螺杆内，在此，连续熔化停留的未熔树脂(见图2－22)。
图2－22 固体径流型(SDS)螺杆
1－在螺杆外旋转 2－固体与熔体自然分离 3－熔料在螺槽中 4－当熔料强制通过口模流出时，残留的固体被强制进入螺杆内 5－多孔板，安装内螺杆的固定物 6－已挤出的和回流的塑料流向螺杆外的熔体槽 7－熔体回流孔 8－固体径流孔
此外，在SDS内的熔化不仅取决于最终的压缩率，而且还与螺杆内部装置有关；带有外孔螺杆螺棱加深更有利于计量输送。较深的螺槽使得熔体温度较低，功率消耗减少。较低的熔体温度使得最适宜的螺杆几何参数朝着较深螺槽方向偏移，并允许挤出机朝着进一步加深螺槽方向发展。由于减小了温度波动，在螺杆内预先更好地熔融使得挤出物质量更好。
图2－23是安装了SDS螺杆的挤出机。这种挤出机基本上属于单螺杆挤出机，但也有资料将这种挤出机划规为双螺杆挤出机，称为“同轴双螺杆挤出机”。在这种挤出机中，物料向前输送入内螺杆并塑化；在内螺杆尾部将已塑化的物料泵回主螺杆的螺槽中。
据报道，SDS螺杆的挤出量高并且能耗较低；然而，安装这种螺杆的挤出机也有维修操作极为复杂的缺陷。
由图2－23可知，在主螺杆的终端部位放置一根与主螺杆同心的辅助主螺杆输送的内螺杆。通常内螺杆静止不动，用一悬臂支座紧靠在料筒终端的多孔板上。因此，主螺杆的外表层(未挖去的部位)相对于内螺杆而言就成为旋转的料筒。
如果内螺杆的螺棱与主螺杆的螺棱的螺距相同，则内螺杆的物料向后传递，见图2－23中(a)，供固体循环用；如果内螺杆的螺棱与主螺杆的螺棱的螺距相反，则内螺杆的物料向前传递，见图2－23中(b)，供熔体排除用。
图2－23 安装了SDS螺杆的挤出机
(a)附有内螺杆的同心螺杆，供固体循环
(b)附有内螺杆的同轴螺杆，供熔体排除
由此可见，SDS螺杆实质上是一种非常复杂的屏障型螺杆。
(六)波型螺杆
如图2－24是波型螺杆中的一种，是最简单的一种基本结构，它设置在普通螺杆原来熔融段的后半部到均化段。图2－24所示的波型螺杆属于单螺纹结构，螺纹行程是等距的，螺杆外径不变，只是螺槽底圆的圆心，不完全在螺杆的轴线上，是偏心的按螺旋形移动的，因此，螺槽深度沿轴向是改变的。
图2－24 偏心波型螺杆结构图
另一种波型螺杆的结构见图2－25所示。它的设置位置与偏心波型螺杆相同，但螺槽深度的变化规律不同。其结构特点是：主螺纹的中间设置了一条螺纹行程与主螺纹相等的副螺纹。副螺纹与料筒内壁之间的径向间隙为主螺纹与料筒的径向间隙的两倍左右。主螺纹推进面与附加螺纹后缘组成的螺槽深度在一定周期内由深逐渐变浅，而附加螺纹推进面与主螺纹后缘组成的螺槽深度，是由浅逐渐变深。
图2－25 轴向波型螺杆结构
(七)组合型螺杆
组合型螺杆是由各种不同职能的螺杆元件组配而成。改变这些元件的种类、数目和组合顺序，可以得到各种特性的螺杆，以适应加工不同塑料和不同制品的要求。
(八)排气式螺杆与排气式挤出机
如果加入到挤出机中原料的湿含量大于0．1%～0．2%时，在挤出物中很有可能形成气泡。解决此问题的途径之一就是将原料彻底干燥；途径之二就是使用排气式挤出机，实质就是使用了排气式螺杆。
典型的二级排气螺杆见图2－26。
图2－26 典型二级排气螺杆结构图
a－进料段 b－压缩段 c－计量段 d－排气段 e－挤出段
排气螺杆至少由五段组成：前三段与标准螺杆相同，即加料段、压缩段与计量段。第四段的作用是快速释压与排气，第五段为熔体定量输送段。
对于良好的排气有两项要求：
①在排气口下的塑料压力为零。这样才能避免熔体流出排气口。确保排气段螺槽中不完全充满塑料，零压的要求就能实现。为此排气段的螺槽加深了许多，见图2－26中的d段。
②在排气口下的塑料完全熔融。只有这样，排气口与进料口之间才有良好的密封，排气口处才有较高的气体扩散系数。
几种经过改进的通用排气式螺杆与排气式挤出机见图2－27。
图2－27 几种经过改进的通用排气式螺杆与排气式挤出机
(a)多头螺棱排气螺杆 (b)后部阀控排气 (c)Egan旁路系统 (d)Berstorff旁路系统 (e)后部排气 (f)有效的多级排气系统 (g)常用三段排气系统 (h)通过螺杆排气
多头螺棱排气段螺杆图2－27(a)能经常使塑料表面实现更新。螺旋角由17．66°增大到40。。这种螺杆不足之处是：必须实现“饥饿喂料”，才能有良好的排气效果。
针对多头螺棱排气螺杆的不足，Carley设计了后部阀控排气式挤出机，见图2－27(b)。此阀控制了排气段塑料的流动速率。
控制进入排气段塑料的流动速率的另一种方法是采用旁路系统。由Egan机械公司设计的旁路系统见图2－27(c)，在计量段与排气段之间配置有反向螺距和浅螺槽的多螺棱螺杆段，熔体被迫从计量段进入旁路流道。旁路流道有一个或多个可调限流阀，以控制进入排气段的熔体流率。据报道，旁路系统允许操作范围宽，不大容易受不稳定因素的影响，不太受操作人员的影响。
Berstorff旁路系统是对Egan旁路系统的改进，见图2－27(d)。熔体从计量段流入基本与螺杆平行的旁路流道。熔体被较浅的多螺棱螺杆挤出入旁路流道，此螺杆段为反向螺距，恰好位于旁路流道入口的下游。熔体通过大量的孔流入排气段，增大了表面积，改善了排气效率。
后部排气用于熔体进料式挤出机，气体从挤出机进料口上游排出，见图2－27(e)。
当需要从塑料中除去大量挥发物时，使用多级(多排气口)排气系统，见图2－27(f)。用这种排气系统，可除去多达15%的挥发物，可使挥发物含量降到0．1%。该系统完全可与双螺杆排气系统相媲美。
如图2－27(g)所示是常用三段排气系统，有两个排气口，可用于ABS、PC等塑料的挤出。
螺杆有一与螺杆排气侧孔连接的空心芯孔，见图2－27(h)，挥发物通过螺杆根部旋转的活接头排出。此螺杆的优点是料筒上无须设排气口，但致命的缺点是：螺杆的排气孔发生堵塞可能导致停车。
还有一些其它类型的排气挤出机，在此从略。
(九)螺杆的几种混合段
标准螺杆的混合(有些资料称“混炼”)能力相当低。为了提高混合能力，出现许多的混合元件。本书只讨论几种通用的混合螺杆，见图2－28。
图2－28 几种通用的混合螺杆
(a)Engan混合段 (b)UC混合段 (c)Dulmage混合段 (d)菠萝型混合段 (e)Saxton混合段 (f)Dray混合段 (g)凸圈环 (h)开缝螺棱 (i)凹槽传递混合段
螺杆的混合段可分：分布性混合段和分散性混合段。分散性混合段有：Engan混合段、UC混合段、Dray混合段和凸圈环混合段。
UC混合段是Union Carbide(联合碳化物)公司发明的，也称为Maddock混合段。在此混合段中，沿螺杆设置一个或多个屏障螺棱，以使物料必须通过屏障螺棱。UC混合段有纵向键槽，即屏障螺杆的螺旋升角为90°。进口螺槽在混合段末段封闭，因此，所有的物料必须通过屏障螺棱，产生均匀的分散混合。设置此混合段的缺点是：增加压力消耗，降低挤出量，不适宜热敏性塑料。
在Engan混合段中，按螺杆的螺旋方向开凹槽，其优点是：能实现在进口和出口螺槽的向前拖曳输送。此混合段对挤出量降低的程度很小。此混合段的另一个特点是：进口螺槽的深度逐渐减小，到混合末端时深度为零。这种结构减轻了塑料的降解。
Dray混合段是对Engan混合段的改进，其主要区别在于：进出口螺槽深度恒定，并且呈凹面的形状；出口螺槽在混合段的开端敞开。因此，不是所有物料都被强制经过屏障间隙，所以，此混合段不产生均匀剪切。
一种开凹槽混合段的极端形式是环形凸圈。凸圈是一径向间隙小的光滑螺杆段，所有物料必须通过此处才能到挤出机出口。因此，此处的压力降很大。
分散性混合段有：销钉型混合段(见图2－20)、Dulmage混合段、Saxton混合段、菠萝型混合段、开缝螺棱、凹槽传递混合(Cavity tranfer mixing：CTM)。
分布性混合比分散性混合更容易实现。一般说来，只要破坏速度分布，即产生分布性混合。图2－28中后五个混合段都有此功能，有的混合段还兼有分散性混合功能。
此外，还有料筒设置静态混合器也是加强混合的有效方法，将在本章第六节简述。
(十)螺杆根部结构
螺杆根部结构：在塑料熔融温度下有很高的韧性，所以螺杆材料通常由如SAE4140的合金钢制造。螺棱顶部通常镀像钨钴那样的硬质合金表面，以改善耐磨损性。螺杆构型是由所需的产率和被挤出的聚合物而决定的。为了通液体冷却介质，绝大多数的螺杆尤其是直径为6．35cm及其更大直径的螺杆都是空心的。螺杆的末端被安装上与旋转连接器相连的孔的堵头。在绝大多数的挤出机中，螺杆末端的(后部)直径与螺杆直径相同。另一类挤出机，螺杆末梢的直径减小，以便安装轴，安装罩壳。
图2－29表示了螺杆末梢的两种结构。凸起的直径(比螺杆大一些)是螺杆驱动直径。驱动的键在螺杆末梢和螺杆轴套之间。此键通常是固定的。为了减少螺杆根部直径，螺杆的末梢又进入轴孔。因为驱动键一直容易实现，则全轴型或其它更精致的驱动连接件被优选为驱动键。如果螺杆在工作时是超扭矩的，则键将要被剪坏，并防止了将要发生的任何危险。如果使用轴套或其它的类似的驱动机构，轴套将扭弯，从而在超载时保护了螺杆。
图2－29 单螺杆挤出螺杆末梢的结构图