双螺杆挤出机螺杆组合对热塑性弹性体加工性能的影响

双螺杆挤出机是热塑性弹性体（TPE）加工的核心设备，其螺杆组合设计直接影响材料的熔融、混合、分散及最终性能。螺杆的螺纹元件（如输送段、混合段、屏障段等）搭配方式决定了剪切强度和物料停留时间，进而影响材料的微观结构、力学性能及表面析出倾向（如油/助剂迁移）。本文将从螺杆组合类型、剪切强度与停留时间差异、实际应用策略等方面展开分析。

一、双螺杆挤出机的螺杆组合类型

1.双螺杆挤出机的螺杆组合主要分为以下三类：

同向旋转螺杆（COC）：两根螺杆同向旋转，适合高剪切混合及复杂配方加工，但能耗较高。

异向旋转螺杆（COI）：两根螺杆反向旋转，物料在螺杆间隙中形成“剪切带”，适合高分散需求的TPE加工。

全啮合型与部分啮合型：全啮合型螺杆轴向间隙小，剪切强度高；部分啮合型则通过分段设计平衡剪切与输送效率。

2.螺纹元件的常见类型包括：

输送元件：仅负责物料输送，低剪切。

混合元件：如捏合盘、螺旋销钉，提供高强度剪切和混合。

屏障元件：通过螺纹高度差异形成物理屏障，控制物料分流与再合并。

排气元件：用于脱挥或挥发性物质去除。

二、螺杆组合对剪切强度的影响

剪切强度是影响TPE熔融、分散和均化的关键参数，直接影响材料的微观结构与性能。

（一）剪切强度的来源

剪切强度主要由以下因素决定：

螺杆转速（N）：转速越高，剪切速率（，其中D为螺杆直径）越大，但过高转速可能引发过热或材料降解。

螺纹元件设计：捏合盘的直径、螺旋销钉的密度与角度等直接影响局部剪切强度。例如，高密度销钉元件可使剪切速率提高30%-50%。

螺杆间隙：同向螺杆的间隙越小（如0.1-0.3mm），剪切强度越高，但过小间隙可能导致扭矩过载。

（二）剪切强度对材料性能的影响

1.熔融与分散：

低剪切（输送段）：适用于初步熔融，避免高分子链过度断裂。

高剪切（混合段）：加速增塑剂与填料分散，但可能引发增塑剂局部过热迁移（如析出风险升高）。例如，SEBS基TPE在剪切速率超过1000s⁻¹时，环烷油析出率可能上升20%。

2.微观结构调控：

强剪切可细化分散相粒径（如填料尺寸从微米级降至亚微米级），提升材料韧性。

过高剪切可能破坏TPE的硬段/软段相分离结构，导致力学性能下降。

三、停留时间差异对材料性能的影响

停留时间（Residence Time）指物料在挤出机内的停留时长，由螺杆转速、机筒长度、物料填充率共同决定。停留时间过长可能导致材料热老化或析出物积累，过短则无法完成充分混合。

（一）停留时间的计算与控制

停留时间（t）可近似通过以下公式估算：

t=V/Q

其中，V为机筒容积，Q为物料体积流量（与转速和螺杆节距相关）。

短停留时间（<120秒）：适合热敏性材料（如含易氧化助剂的TPE），但可能降低分散均匀性。

长停留时间（120-240秒）：适用于高填充或高共混体系，但需配合强制冷却以抑制温度升高。

（二）停留时间对材料性能的影响

1.增塑剂迁移：

长停留时间下，增塑剂有更多时间与基体分子链分离，析出风险增加。例如，某TPV材料在停留时间超过180秒时，油析出率上升至8%。

通过屏障式螺杆分段设计缩短有效停留时间（如将物料快速推送至下游），可有效缓解此问题。

2.助剂分布均匀性：

适当延长停留时间（如150秒）可提升抗氧剂、润滑剂的分散均匀性，减少局部析出。

过长停留时间可能导致助剂发生热分解（如受阻酚类抗氧剂在200℃以上分解），反而加剧析出。

四、典型螺杆组合策略

（一）屏障式螺杆组合

设计特点：混合段采用屏障元件（如双头螺纹+捏合盘），将物料分流-再合并。

优势：

剪切强度可控，可降低析出风险（如SEBS/TPE共混体系析出率降低至3%以下）。

留住时间较短（约120秒），减少热降解。

（二）强混合型螺杆组合

设计特点：混合段密集分布螺旋销钉和捏合盘，剪切强度高。

适用场景：高填料（如50%碳酸钙填充TPE）或纳米复合材料。

挑战：需严格控制温度（如机筒温度梯度：180℃→200℃→160℃），防止填料团聚或增塑剂过早迁移。

（三）排气式螺杆组合

设计特点：包含脱挥段（真空排气口），用于去除挥发性物质（如未反应单体）。

应用：动态硫化TPV材料加工中，通过降低停留时间（<150秒）与真空脱挥结合，可减少因挥发性低聚物析出导致的表面缺陷。

五、优化策略与建议

1.配方-螺杆协同设计：

高析出风险材料（如高油含量TPE）建议采用屏障式螺杆，配合低剪切输送段。

纳米改性TPE需增加混合段剪切强度（如销钉直径增至8mm），同时缩短停留时间。

2.工艺参数匹配：

螺杆转速与温度梯度需配合：例如，高转速（400rpm）时应降低机筒温度（如SEBS基材设置200℃以下）。

通过在线监测系统实时调整停留时间（如通过变频器调节转速）。

3.螺杆元件创新：

开发渐进式混合元件：从输送段至混合段逐步增加剪切强度，避免局部过热。

采用仿生结构螺纹（如螺旋沟槽微结构），提升分散效率并减少能量损耗。

双螺杆挤出机的螺杆组合设计通过调节剪切强度和停留时间，直接影响TPE的微观结构、析出行为及力学性能。优化螺杆元件搭配（如屏障式分段设计）可平衡分散效率与材料稳定性，而工艺参数（转速、温度）的精细化控制是实现高性能TPE生产的必要条件。未来，智能螺杆设计与实时反馈系统将进一步提升加工过程的可控性，助力TPE在高端领域（如医疗、汽车）的应用拓展。