了解螺杆几何形状对熔化速率的影响

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聚合物加工螺杆已被广泛使用多年，但对于每天使用它们的人来说，它们的性能仍然有点神秘。一方面，熔化速率并不像许多人所怀疑的那样与螺杆几何形状密切相关。相反，它与螺杆的圆周速度、料筒的温度以及聚合物的热和粘度特性更密切相关。

Tadmor、Klein 和其他人在 1950 年代开发了一种无量纲关系来描述每单位向下通道距离的熔化速率。在这个等式中， F的值越高，熔化速率越高：
F ={V bx r m [K m (T b -T m )+( µ÷2 V j 2 )] / 2[C s (T m -T s )+ l ] } 0.5

简而言之，该方程式是熔化所需热量除以螺杆旋转提供的热量的平方根。请注意，此方程式中没有显示螺杆几何项；大多数术语与聚合物特性或机筒温度有关。唯一未知的是粘度 (µ)，它会在整个螺杆中发生变化。这需要对熔体的平均粘度进行假设，这会引入一个变量，如果没有大量经验和数据则很难量化。

进一步解释，螺杆的熔化速率与机筒相对于螺杆速度的二分之一加上机筒粘度的四分之一乘以薄膜粘度的平方根除以从桶到薄膜，热量从薄膜传递到固体。由于聚合物的导热性差，后两者通常很低。

螺杆几何形状对熔化速率的影响在典型的螺杆中，剪切速率（熔化速率）在机筒壁处最大，在通道底部为零。这就是为什么屏障螺杆和剪切型混合器重新定位未熔化的固体，使其更接近桶壁。
这意味着对于没有剪切型混合段或屏障螺纹的“普通”螺杆，熔化速率 ( F) 在很大程度上与螺杆几何形状无关。这些装置已经开发出来，通过简单地重新分布通道中的聚合物来提高其与桶的接近度来增强熔化。本质上这就是障碍的运作方式。他们重新定位来自通道的熔体，以改善与桶壁的接近程度，从而改善截留在固体通道中不断减少的体积中的固体的剪切加热。

“剪切型混合器”也是如此，例如著名的 Maddock 型混合器的各种配置，其中固体通过几何形状被迫到达桶壁附近的位置。同样，未熔化的聚合物越靠近筒壁，熔化速率就越大。剪切速率（熔化速率）在桶壁处最大，在通道底部为零（见图）。

聚合物的导热性差会大大降低传递到机筒或从机筒传出的热量。此外，机筒壁处的薄膜温度通常接近机筒温度，从而消除了显着热传递所需的温差。这意味着进入薄膜的大部分热量来自螺杆旋转在通道中产生的剪切力。

如果那不是真的，您几乎可以在打开机筒加热后立即启动挤出机。相反，可能需要数小时才能达到允许启动的熔化条件。这意味着对于简单的螺纹螺杆，更高的熔化速率需要更高的螺杆速度或更长的熔化段。

阅读：螺杆设计在医疗器械高效挤出中的作用

幸运的是，从 1950 年代开始，各种屏障设计和剪切混合器（将熔化物和未熔化物分开以选择性地向未熔化物施加剪切力）的改进允许在不显着增加螺杆速度或更大 L/D 的情况下进一步提高熔化速率。如果您仔细检查这些设备中的每一个，您会发现每个设备都会将未熔化的聚合物移动到更靠近桶壁的位置，以实现更高的熔化率。

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