了解单螺杆挤出机中的熔融

通过“翻转”观察点，使机筒看起来绕着静止的螺杆顺时针转动，您可以更好地可视化熔化过程。

多年来，我与许多在挤出方面拥有丰富经验的人交谈过，他们不了解单螺杆如何熔化聚合物，也不了解挤出机驱动器如何提供这种能量。许多人认为桶式加热器提供了进入聚合物的大部分能量，这让我感到困惑......而且完全错了。

平心而论，由于几何形状的原因，很难想象在机筒中转动螺杆时熔化。但是，如果你翻转观察点——想象一下枪管绕着螺杆转动——你可以更清楚地看到所涉及的力。这与想象太阳绕地球转一圈没有什么不同，而我们知道事实恰恰相反。在实际的挤出机中，从驱动端（或从卸料端顺时针）观察时，螺杆通常逆时针转动，并且机筒是静止的。但是，如果我们翻转观察点，让我们“坐在”螺杆上，枪管似乎在围绕静止的螺杆顺时针旋转。

融化是很难想象的。但是，如果你通过想象枪管围绕螺杆旋转来“翻转”观察点，你可以更清楚地看到所涉及的力。

在启动之前，最初需要对机筒进行加热，以使螺杆充满熔化的聚合物，并获得聚合物粘附在机筒上的表面温度。从那时起，几乎所有进入聚合物的能量都来自相对于螺杆转动螺杆所需的能量，或者在我们的“翻转”情况下，来自相对于螺杆的螺杆。由于初始加热，聚合物粘在机筒上，并被螺杆飞行的角度向前推。一旦螺杆开始旋转，聚合物几乎完全通过剪切熔化。

“剪切”被定义为施加力使物体的一个表面相对于另一个表面变形。剪切物体会将热量引入其中。在挤出机中，剪切聚合物的变形力需要能量来旋转粘性聚合物层中的螺杆。来自驱动器的旋转能通过剪切将热量转化为聚合物中的热能。

一旦螺杆旋转开始，料筒加热器对熔化几乎没有任何贡献。

剪切速率与旋转速度和物体厚度成正比，在机筒表面附近达到大值，在螺杆根部达到零，如图1所示。然后，剪切量与剪切过程中聚合物在不同温度下的粘度成正比。在螺杆的“压缩部分”使用逐渐减小的通道深度，迫使任何未熔化的聚合物更靠近机筒壁，在那里它获得大的剪切力。

在图 2 所示的顺序 1-5 中：

1. 螺旋通道充满未熔化的聚合物，离开进料喉。

2.由于料筒加热，料筒壁上形成一层薄薄的熔体膜。

3. 该薄膜被机筒和螺杆的相对旋转剪切。

4. 随着通道深度（压缩部分）的减小，该工艺在螺杆设计的帮助下继续进行，这迫使未熔体靠在机筒上，从而大限度地提高未熔体的剪切力。

5. 通过该聚合物的适当螺杆设计，所有未熔体都可以在适当的加工温度下以受控的方式转化为熔体。

即使在达到熔化点或软化点后，由于熔体的粘度，剪切仍在继续。单螺杆挤出机中的大部分驱动功率用于旋转聚合物中的螺杆。驱动功率的典型分布是85-90%用于熔化，其余用于混合、加压和转发。一旦螺杆旋转开始，料筒加热器对熔化几乎没有任何贡献。事实上，对于许多挤出操作，料筒加热器大部分时间都处于冷却模式。

每种聚合物根据将其温度提高到所需加工温度所需的能量，从驱动器中需要不同的能量。聚合物的比热决定了该能量。在螺杆设计中，聚合物在剪切时的粘度决定了螺杆每转一圈引入的能量。粘度随着聚合物从固体发展到熔体而降低。聚合物的初始温度决定了丝杠驱动所需的总能量。例如，预热聚合物需要较少的驱动功率。