文/ 本刊編譯自Plastics Technology（作者Jim Frankland）

時(shí)常有人會(huì)問(wèn)：為什么不能有一種可以加工所有聚合物的螺桿設(shè)計(jì)？因?yàn)樵诤芏嗳丝磥?lái)，塑料都是一樣的。但實(shí)際上，不同類型的塑料卻可能有著極為不同的加工性能。

一根單螺桿通常被預(yù)制有3個(gè)基本功能：固體原料的輸送、熔化、計(jì)量或泵送。這些功能都受制于特定聚合物的獨(dú)特性能，即它們的熱性能、粘彈性、固體和熔體密度以及摩擦性能等。這些性能變化多端，因此一根通用螺桿根本不可能完全有效地加工所有類型的聚合物。這并不是說(shuō)有些聚合物不能用特定的螺桿加工,而是說(shuō)不能達(dá)到最佳效率。

比如，可以比較一下擠出中最常見(jiàn)的兩種聚合物HDPE 和HIPS，通過(guò)觀察比熱和加工溫度，也就是使聚合物達(dá)到加工溫度所需的能量就能有所了解。這種情況下，HDPE 和HIPS 的加工溫度似乎是相似的，但HDPE 的平均比熱是0.55 Btu/lb-°F（約2.3 kJ/kg.K），而HIPS 的平均比熱是0.40 Btu/lb-°F（約1.67 kJ/kg.K），意味著1 lb（1 lb=0.4536 kg）的HDPE要達(dá)到所需的加工溫度，所消耗的能量要比 HIPS 高37.5%。

此外，HDPE 是一種結(jié)晶材料，意味著它有確定的熔點(diǎn)，而PS 是無(wú)定形的，沒(méi)有精確的熔點(diǎn)，因此，要克服HDPE 的結(jié)晶性，需要額外100 Btu/lb（約232 kJ/kg）的熔化熱。累積起來(lái)，HDPE 達(dá)到所需的加工溫度，其消耗的能量幾乎要比HIPS 高出50%。

聚合物也可通過(guò)它們的粘彈性來(lái)界定，即粘度如何隨溫度和剪切速率的變化而變化。這是一個(gè)關(guān)鍵性能，因?yàn)樗鼪Q定了螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)所引入的剪切力為加工聚合物增加了多少能量。冪律系數(shù)是一個(gè)主要與受剪切速率影響的粘度有關(guān)的指標(biāo)，而稠度指數(shù)是一個(gè)與受溫度影響的粘度有關(guān)的指標(biāo)，這兩個(gè)指標(biāo)決定了熔體粘度隨剪切速率和溫度的增加而發(fā)生的變化。在剪切力的作用下，HIPS 的粘度變化要比HDPE高50%。

HDPE 的固體密度大約是PS 的90%，但熔體密度只有PS的77%。通常，HDPE 會(huì)打破其有序的結(jié)晶結(jié)構(gòu)并隨著熔化的發(fā)生而膨脹，這會(huì)降低螺桿的產(chǎn)出。為了獲得同樣的產(chǎn)出，用于HDPE 的螺桿，其螺槽深度要比用于HIPS 的深38%。此外，為了適應(yīng)膨脹，還需要對(duì)螺桿的壓縮率和容積進(jìn)行補(bǔ)償。

如上所述，HIPS 的粘度對(duì)剪切速率的反應(yīng)（冪律系數(shù)）要比HDPE 大，因此，如果采用相同的螺桿進(jìn)行加工，也就是說(shuō)，用適合HDPE 的較深螺槽來(lái)對(duì)應(yīng)HIPS 的單位小時(shí)產(chǎn)出，會(huì)導(dǎo)致HIPS 的熔化不良或者熔化不完全，這是由于粘度降低較大并因此而導(dǎo)致殘余的HIPS 固體顆粒出現(xiàn)了低剪切熔化。

進(jìn)料速率決定了螺桿的總產(chǎn)出，它隨著送入材料的物理性能的變化而變化，如顆粒形狀、密度、體積密度、顆粒與顆粒之間的內(nèi)部摩擦以及聚合物顆粒與擠出機(jī)料斗、進(jìn)料口和機(jī)筒等金屬表面之間的外部摩擦。研究表明，PS 對(duì)鋼的動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)要比HDPE 的高50%，這會(huì)影響它的進(jìn)料速率以及固體顆粒早期在螺槽中的緊實(shí)程度，最終影響它的熔化效率。

通過(guò)螺桿設(shè)計(jì)來(lái)處理這些聚合物的性能差異，會(huì)因?yàn)橐粋€(gè)差異可能抵消另一個(gè)差異而變得更加復(fù)雜。比如，雖然HDPE 和PS在各自的性能上并沒(méi)有很大的不同，但不難看出，想要設(shè)計(jì)出一根能同時(shí)有效處理這兩種聚合物的螺桿的確很難。想象一下，設(shè)計(jì)一根螺桿，它也能夠兼容熔點(diǎn)更高的聚合物如PC 或者在加工前就已經(jīng)得到干燥的聚合物，在這些情況下，存在一些性能上的巨大差異需要去處理。每一個(gè)性能的變化都可能影響到對(duì)高效、低成本加工的重要要求。因此，需要針對(duì)特定的聚合物設(shè)計(jì)特定的螺桿。

重要的是，一旦利用一種特定聚合物的性能數(shù)據(jù)而為這種聚合物設(shè)計(jì)了合理的螺桿，就不必為每一種尺寸而重新設(shè)計(jì)新的螺桿。只需按比例放大或縮小，就能獲得其他尺寸的螺桿，除非是尺寸變化巨大而足以產(chǎn)生必要的性能。