同向啮合的双螺杆挤出机 (TSE) 是共混行业最普遍的、用于连续混合聚合物与添加剂和填料的设备。许多使用非典型活性成分的配方也在这种类型的机器上加工。
双螺杆是强大的能量输入装置，能量主要来自电机
但我们必须注意的是，暴露在高剪切力和高温下的材料非常容易发生降解，因此几乎每一种产品都受益于战略性地管理如何将剪切力（和能量）传递到正在加工的材料中，并通过由此产生的熔体温度进行测量。
管理和控制熔体温度的因素很多。在本文中，将重点介绍外径/内径比、螺杆中的熔化区和前端设计。
01
双螺杆挤出机熔融理论与设计基础
TSE会使用组装高扭矩花键轴的分段螺杆，机筒也是模块化的，并利用液体冷却。电机通过旋转螺杆输入能量，将计量材料送入双螺杆工艺部分，螺杆的转速是独立的，并设置为优化加工效率的模式。分段式螺杆和机筒结合同向旋转螺杆的受控泵送和自摩擦特性，使螺杆/机筒的几何形状与工艺任务相匹配。固体输送和熔化发生在工艺段的第一部分。接下来是用于混合和脱挥发分的螺纹元件。
工艺段中的自由体积与外径/内径比有关，外径/内径比定义为每个螺杆的外径 (OD) 除以内径 (ID)。更深的螺纹会导致更多的自由体积和更低的平均剪切率，但扭矩更小，因为螺杆轴直径会更小。
采用不对称花键轴设计的同向旋转双螺杆元件
非对称花键轴设计能提供最佳的动力传输效率，因此较小的轴直径可以传输比其他方式更高的扭矩。这是通过隔离由电机从轴传递到螺杆的切向力矢量来实现的。事实证明，更高扭矩、更低平均剪切力和更大外径/内径比的组合对许多工艺都有益。
02
实验结论
比较1.5/1OD/ID和1.66/1模型TSE生成实验数据（如下图）。工艺部分是可互换的，并与同一个变速箱配合使用。初始测试是使用纯树脂进行的，该树脂具有40:1L/D工艺段和40马力电机。
在ZSE-27 HP（27毫米直径螺杆，1.5/1外径/内径比）和 ZSE-27MAXX（28.3毫米，1.66/1外径/ID）。在每种情况下，速率限制因素是体积进料能力。对于1.66/1 OD/ID比率（即使在更高的吞吐率下），熔体温度较低，因为每公斤加工的比能量输入(kWh)较低，并且与深飞行1.66/1 OD相关的混合效果更温和/ID螺杆几何形状。
MFI为12的LDPE粉末原料在ZSE-27 HP（27 毫米直径螺杆，1.5/1外径/内径比）和ZSE-27 MAXX（28.3 毫米螺杆，1.66/1外径/内径比）上进行加工。在每种情况下，速率限制因素是体积进料能力。1.66/1的外径/内径比可以在遇到进料限制之前将更多的材料送入进料喉。可实现的进料速率增加约20%，与更高OD/ID比相关的自由体积增加相当。在较高的螺杆转速（大于800）下，百分比增加并不明显，因为较高的螺杆尖端速度似乎具有某种程度抑制进料的“螺旋桨”效应。
对于1.66/1 OD/ID比率（即使在较高的吞吐率下），相应的熔体温度较低，这是因为每公斤加工的比能量输入 (kWh) 更低，以及与深飞1.66/1 OD/ID螺旋几何结构相关的较温和的混合效果。
另外在ZSE-27 MAXX (1.66 OD/ID) 上进行了一系列额外的实验，以比较不同熔化区螺杆配置（见下图）与2MFI PP颗粒树脂的熔化温度。将在筒3位置 (12L/D) 完成熔化的“积极”熔化区与在筒4位置(16 L/D) 完成熔化的“扩展”熔化区进行比较。熔化后使用单个捏合块组，试图隔离和比较不同的熔化区配置和产生的熔化温度。实验中我们使用低压卸料模头，可将压力对熔体温度的影响降至最低，还使用了齐平式和浸入式熔体温度探头。测试以不同的速率和螺杆转速进行。
实验数据是在ZSE 27 MAXX双螺杆挤出机上收集的（28.3毫米螺杆，1.66/1外径/内径比）。加工了2 MFI PE颗粒树脂，优化了温度曲线，并测试了各种螺杆速度。在每种情况下，积极设计的熔体温度都比扩展熔区设计高得多。
积极的熔化区设计利用中性/宽盘捏合块元件和反向元件来通过筒区3 实现聚合物的完全熔化。积极熔化区的目标可能是指定更短的 L/D，或者为额外的单元操作（即侧喂料、混合或脱挥发分）腾出工艺后半部分的空间。
相比之下，加长螺杆设计采用窄盘捏合块元件，向聚合物输入的剪切应力强度较低，这导致聚合物的熔化更加缓慢。扩展熔化区的目的是降低被加工材料的熔化温度和剪切应力暴露。熔化后，将单个捏合块部分集成到螺杆设计中，以最大限度地减少混合过程中固有的升温。
实验还优化了温度曲线并测试了各种螺杆转速。随附的熔化温度图表中的数据是使用手持式浸入式探头获得的。
在每种情况下，积极设计的熔体温度（10℃至 30℃）都比扩展熔区设计高得多。值得注意的是，浸入式探头测得的温度（有时 20℃到 40℃以上）明显高于冲洗式熔体探头。很明显，当熔体探针未完全浸入聚合物熔体时，熔体温度读数会受到金属适配器设定点的影响——低于实际值，而且不准确。
通过以85%的操作扭矩为目标并增加速率直到达到该阈值，这两种设计可达到的速率也最大化。扩展的熔化区设计导致比积极的螺杆设计更高的生产率和更低的熔体温度。比较两个熔化区（积极和扩展）表明，与扩展熔化区相比，积极熔化区导致显著的温度升高和较低的可达到生产率。积极性螺杆设计固有的较高温度也会导致显著的降解，如螺杆转速升高时冒烟和变色所表明的那样。
03
影响熔体温度的其他因素
熔炼区的螺杆设计直接影响熔体温度，意义重大。该区域的温度设定点也将影响熔体温度，也许与直觉相反，较高的设定点通常会导致较低的熔体温度。因此，在这项研究中，选择了相反的温度曲线（在工艺的第一部分设置更高的温度）来减少与熔化区相关的熔体温度升高。
除了熔化之外，显然还必须将螺杆设计成熔化和混合而不会引起过度的剪切。使用宽大的捏合块和反向元件进行混合将导致更多的能量被传递到过程中并进一步提高熔体温度，这是在设计螺杆时必须考虑的。
通常被忽视的是，TSE 挤出处产生的压力也会增加熔体温度。前端限制越多，压力和相应的熔体温度就越高。与前端设计相关的温升可以估算如下：
∆ T (C) = ∆ P (bar) ÷ 2
∆ T = 温度变化 (C)
∆ P = 压力变化 (1 bar = 14.503 psi)
例如，如果TSE的加工速度为500 kg/hr，模具压力为40 bar (580 psi)，则相关的熔体温度升高可能为 20℃(ΔT = 40÷2)。
该公式即使不一定准确，也应该是有见地的，因为螺杆转速、出料螺杆元件的几何形状、温度设定点和配方粘度都是最终熔体温度的影响因素。关键是在管理同向双螺杆挤出机中的熔体温度时必须考虑前端设计。
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