一、基本结构

单螺杆挤出机是最为常见的挤出设备，包括主机、辅机以及电器控制系统。

主机含挤压系统（机筒和螺杆）、传动系统、加料系统和加热、冷却系统。螺杆是挤出机的心脏，是关键部件，可以直接影响到挤出机的应用范围和生产效率。通过螺杆的转动使物料在机筒中移动、增压以及从摩擦中获取部分热量，其性能好坏决定了一台挤出机的生产率、塑化质量、填加物的分散性、熔体温度、动力消耗等等。机筒通常是整体式的，由合金钢或者内衬为合金钢的复合钢管制成，以耐热、耐压、耐磨和耐腐蚀等。机筒的长度为螺杆直径的15~30倍，其长度以使物料得到充分加热和塑化均匀为原则。螺杆和机筒通常采用氮化钢38CrMoAIA并氮化处理，或表面合金处理以达到更高硬度。传动部分为螺杆提供在挤出过程中所需要的力矩和转速，通常由电动机、减速箱和轴承等组成。一般采用交流整流子电动机、直流电动机等装置，以达到无级变速，一般螺杆转速为10~100转/分。在机筒外部附有电阻、电感以及其它方式加热的电热器、温度自控装置及冷却系统，采用铸铜、铸铝加热器，可根据要求采用风冷与水冷。

图1 单螺杆挤出机结构

辅机的组成需根据制品的种类而定，通常由机头、定型装置、冷却装置、牵引装置、切割装置以及制品的卷曲或堆放装置组成。高性能的配套辅机设计在现今的高速挤出机组设计中是非常重要的一环。

控制系统要实现整个挤出机组的自动控制，主、辅机的匹配以及各段工艺参数的控制和协调。

二、挤出过程

普通单螺杆挤出机也称为三段式螺杆挤出机。物料沿螺杆前移时，经历着温度、压力、粘度等的变化，根据物料的变化特征可将螺杆在有效长度上分成三段，即加料段（固体输送段）、熔融段（压缩段）和均化段（计量段），按螺杆直径大小、螺距、螺槽深度确定三段有效长度。

图2 三段式挤出机简图

加料段（固体输送段）：其作用是将料斗供给的物料进行压实和输送。该段输送机理为摩擦输送机理，物料在进入螺杆以后，在旋转螺杆的作用下，通过机筒内壁和螺杆表面的摩擦作用向前输送和压实。其输送效率取决于物料与机筒以及物料与螺杆之间的摩擦系数之差，通常要对螺杆进行表面涂层，机筒内表面开槽以提高摩擦系数差，提高固体物料的输送效率。物料在移动过程中一般保持固体状态，但因受热部分物料会熔化，因此有些挤出机采用强制冷却加料段机筒，使被输送物料的温度在软化点或熔点以下，从而避免熔膜出现来提高固体输送效率。加料段的长度随塑料种类而不同，挤出结晶聚合物最长，硬性无定形聚合物次之，软性无定形聚合物最短。螺旋角的大小对输送能力影响较大进而影响着挤出机的生产率，通常粉状物料的螺旋角为30度左右，方块状物料螺旋角宜选择15度左右，球形物料宜选择17度左右。

熔融段（压缩段）：其作用是使物料进一步压实和塑化，并使物料中所含的空气被压回到加料口排出，完成塑化的物料进入到第三段。此段螺槽容积逐渐变小，物料受到来自机筒外部加热和螺杆与机筒间的剪切作用升温熔融。通常这个区域的螺杆压缩比为3:1，对于粉料，由于其比重小，夹带的空气多，需较大的压缩比(可达4~5)。压缩段的长度与物料熔融温度有关，熔融温度范围宽的塑料（如聚氯乙烯），压缩段最长；熔融温度范围窄的（如聚乙烯），压缩段短；对于结晶型高聚物，压缩段长度可以在1～4倍螺杆直径间取值。

均化段（计量段）：物料进入均化段后进一步塑化和均匀化，在计量段形成一定的压力以克服流动中的阻力，并将处于塑化状态的物料准确、定量输送给机头挤出成型。均化段的螺槽容积恒定，为避免物料滞留在螺杆头端面死角处而引起分解，螺杆头部常设计成锥形或半圆形。该段占螺杆全长20%～25%左右。该段输送理论为粘性流体输送理论，熔融物料在螺槽中的流动是正流、逆流、横流和漏流的组合。

常规全螺纹三段螺杆按其螺纹升程和螺槽深度的变化可分为等距变深螺杆、等深变距螺杆和变深变距螺杆，但由于加工问题，广泛应用的普通螺杆是等距变深螺杆。

三、新型单螺杆挤出机

这里的新型单螺杆挤出机是相对于常规三段式单螺杆挤出机而言。在三段式螺杆挤出机各功能段，都存在一定的问题制约着生产，如熔融段固体床和熔池同居一个螺槽中，熔池不断增宽，固体床逐渐变窄，减少了固体床与机筒壁面的传热面积和传热量，固体碎片为熔体所包围，所受剪切力小，熔融缓慢，甚至引起塑化不均等质量问题。为追求高品质基础上的高速、高产挤出，在对挤出机理研究以及大量实践经验积累基础上，发展了多种新型的螺杆以克服常规全螺纹三段式螺杆的局限性，在原理和结构上有许多特点来提高挤出量、塑化质量和减少波动，已得到越来越广泛的应用。

1、分离型螺杆

分离型螺杆是根据传热原理研究出来的一种新型螺杆，在熔融段增设一条起屏障作用的副螺纹。副螺纹外径小于主螺纹，其后缘与主螺纹推进面构成液相槽，起始于加料段末，终结于计量段初，将熔融物料和未熔物料尽早分离，克服了常规螺杆中固体床和熔体共存一个螺槽中所产生的缺点，从而促进了未熔物料的熔融。这种螺杆塑化效率高、塑化质量好，而且由于没有固体床破碎，产量波动、压力波动和温度波动都比较小，挤出物均匀，并具有排气性能好、能耗低、生产能力高等优点，应用较广。

图3 分离型螺杆

2、屏障型螺杆

屏障型螺杆是由分离型螺杆演变而来的，是在普通螺杆的某一部位设置屏障段，以使残余固相彻底熔融、均化的一种新型螺杆。多数情况下设置在靠近螺杆头部的区域，因此常称为屏障头。在一段外径等于螺杆直径的圆柱上交替开出进、出料槽，且每一对进、出料槽间设置一比螺杆外径稍小的屏障棱。含有未熔融固体颗粒的物料分成若干股进入进料槽，当越过屏障棱进入出料槽时，塑化不良的小颗粒料受到强烈剪切而熔融。这种螺杆通过剪切作用和涡流的混合作用，将机械能转变为热能并进行热交换，使物料熔融均化，径向温差小，产量、质量都比常规螺杆好。

图4 屏障型螺杆

3、销钉螺杆

销钉螺杆是一种分流型螺杆，利用设置在螺杆上的销钉将含有固体颗粒的料流分成许多细小料流，这些料流在两排销钉间较宽位置又汇合，经过多次分离汇合，物料塑化和均化质量得以提高。此外，由于销钉不断打碎固体床，固体小碎片在熔融的过程中不断从熔体中吸收热量，有可能降低熔料温度，从而可得到混合均匀和低温的挤出物。销钉通常设置在熔融段末端或均化段上，销钉形状有圆柱形、菱形、方形等，排列形状有人字形、环形等。销钉由于加工容易，可实现对普通螺杆的改进，扩大螺杆用途，适应不同物料加工条件。

图5 销钉螺杆

4、DIS螺杆

DIS螺杆也是一种分流型螺杆。设置在普通螺杆均化段末端的DIS混炼头，其外径等于螺杆直径，设置有若干数量相等的进料槽和出料槽，进、出料槽通过分流孔相连。其工作原理主要是通过进、出料槽和分流孔将料流分成许多许多细小料流，并在此过程中改变料流的流动方向和位置，然后又把各股小料流在汇合区汇合而使物料得到充分的混合，消除物料的轴向温差。在此分流过程中，对物料还有剪切作用，以达到对物料的塑化。通常在螺杆末端设置4～6个混炼头，对于提高生产能力而消除轴向温差的效果极佳。

图6 DIS螺杆

5、组合型螺杆

组合型螺杆是用以解决挤出机专用与通用之间矛盾的，由带加料段的螺杆本体和各种不同职能的螺杆元件（如输送元件、混炼元件和剪切元件等）组成。改变这些元件的种类、数量和组合顺序，可以得到各种特性的螺杆，以适应不同物料和不同制件的加工要求，并找出最佳工作条件。这种螺杆适应性强，易获得最佳工作条件，因此得到越来越广泛的应用。但设计复杂，组合元件拆装较麻烦，在直径较小的螺杆上比较难于实现。

6、排气式挤出机

在挤出成型过程中，由于所使用的物料往往夹带空气、水分、剩余单体、低聚物等等挥发分，如不排除，则会形成气泡、孔隙、疤痕等等，影响到制品的质量。在用普通螺杆挤出机加工制品时，通常是将原料进行预热干燥处理或者在加料段通过螺杆挤压从加料口逸出，但预热干燥会使成本增加，螺杆转速高时又无法在颗粒熔融前完全将挥发分排出。排气挤出机是脱除挥发分的一个更有效的途径，可以更好地提高产品质量和产量。

图7 排气挤出机

a—加料段；b—压缩段；c—第一计量段；d—阻尼段；

e—排气段；f—压缩段；g—第二计量段；h—阀，i—机头

排气螺杆从其本质上来说，可以认为是由两根普通螺杆串联而成的，可根据各段功能分为加料段、压缩段、第一计量段、阻尼段、排气段、第二压缩段、第二计量段。物料从加料口进入第一阶螺杆，经过压缩、混合、熔融达到基本塑化的状态，然后进入排气段。由于排气段螺纹元件螺槽的自由容积加大，而且通常与真空泵相连，使得在排气段的物料压力骤然降至零或负压，使已基本塑化的熔融物料膨胀发泡。物料在螺杆的搅拌下，气泡破裂，物料中含有的水分、低分子易挥发物以及从加料口夹带进来的气体脱出。脱除了气体和挥发物的物料在螺杆的输送下，继续经第二计量段进一步压缩和混合，最终从机头挤出成形而成制品。排气挤出机适用于加工硬聚氯乙烯干混料、ABS、尼龙、聚甲基丙酸甲酯等吸湿性大或含挥发分比较多的物料。

四、优缺点

从发展的角度来看，单螺杆挤出机已较为完善，且向着高速、高效、智能化、专用化方向发展，大型造粒用单螺杆挤出机，螺杆直径达700mm，产量高达36吨每小时。其最突出的优点是设计简单、价格便宜，因而得到广泛应用。其缺点有：

• 物料输送主要靠摩擦，从而加料性能受到限制，较难加入粉料、糊状料、玻璃纤维及无机填料等。

• 当机头压力较高时，逆流增加，使生产率降低。

• 物料在排气区的表面更新作用小，因而排气效果较差。

• 不适于某些工艺过程，如聚合物着色、热固性粉料的加工等等。

• 自洁功能差，不适于加工热稳定性差的塑料和共混料

五、应用范围

单螺杆挤出机主要用于软/硬聚氯乙烯、聚乙烯等热塑性塑料的挤出加工，与相应的辅机及成型机头配合，可加工多种塑料制品，如管、板、膜、丝带等，亦可用于造粒。

• 管材挤出：适用于PPR管、PE燃气管、PEX交联管、ABS管、PVC管、HDPE硅芯管、铝塑复合管及各种共挤复合管。

• 板材/片材挤出：适用于PVC、PET、PS、PP、PC等片材或板材的挤出，以及其它塑料丝/棒的挤出等等。

• 型材的挤出：调节挤出机转速及改变挤出螺杆的结构可适用于PVC、聚烯烃类等各种塑料异型材的生产。

• 改性造粒：适用于各种塑料的共混、改性、增强造粒。