當(dāng)擠出熱塑性復(fù)合材料時(shí)，螺桿的設(shè)計(jì)和螺桿、螺筒的結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。如果提前考慮好這些問(wèn)題．就能保證圓滿(mǎn)地完成熱塑性復(fù)合材料的加工。一般，用于熱塑性復(fù)合材料的螺桿的設(shè)計(jì)主要涉及兩個(gè)不同的方面，一是材料的混合；二是熱塑性復(fù)合材料的加工。本文主要討論了后者。但實(shí)際上探討的很多問(wèn)題與這兩個(gè)方面都直接相關(guān)。
可以使碳化鎢顆粒懸浮在雙金屬內(nèi)襯的基礎(chǔ)材料中。這一最先由Xaloy發(fā)明的專(zhuān)利技術(shù)可使料筒的壽命延長(zhǎng)4-5倍，其最先在塑料行業(yè)中的應(yīng)用是在20年前。這些料筒不僅可以用于擠出含有更高填料的樹(shù)脂，而且可確保擠出機(jī)在更高的擠出速度下運(yùn)行。
螺桿設(shè)計(jì)
大多數(shù)被用于熱塑性樹(shù)脂擠出的螺桿的主要作用是：喂料、塑化和擠出。一般，螺桿的喂料段用于傳送固體樹(shù)脂和填料。與那些用于沒(méi)有添加填料的熱塑性聚合物的螺桿相比，用于熱塑性復(fù)合材料的螺桿的喂料段在結(jié)構(gòu)上具有很大的區(qū)別，其主要受固體粒子的相對(duì)摩擦系數(shù)的影響。一般，在喂料階段產(chǎn)生的摩擦來(lái)自于3個(gè)方面，即：粒子與料筒壁之間的摩擦，粒子與螺桿之間的摩擦，以及粒子與粒子之間的摩擦。盡管在喂送那些沒(méi)有添加填料的純凈樹(shù)脂時(shí)表現(xiàn)良好，但隨著填科的添加，摩擦系數(shù)會(huì)發(fā)生明顯的變化，從而極大地影響了螺桿的喂料效率。例如，隨著云母的加入，摩擦系數(shù)會(huì)明顯降低，此時(shí)就應(yīng)該加長(zhǎng)螺桿的喂料段并保持恒定的深度。以確保物料在進(jìn)入螺桿的塑化段(包括輸送段和屏障段)前獲得足夠的喂送力（穩(wěn)定的壓力）。
同樣地，為了改善粒子的傳送效率，還需要改變溫度環(huán)境，這可以通過(guò)提高料筒第一段區(qū)的溫度，以增大粒子與料筒壁之間的摩擦系數(shù)來(lái)得以實(shí)現(xiàn)，從而使聚合物粘附到料筒上被向前輸送。通常，不穩(wěn)定的或低效的喂科過(guò)程會(huì)直接導(dǎo)致產(chǎn)出率的降低，并對(duì)加工過(guò)程帶來(lái)不良影響。
螺桿結(jié)構(gòu)與聚合物的塑化
一般，螺桿的幾何形狀影響塑化效果的一個(gè)重要因素是體積壓縮率，這主要取決于輸送段或屏障段的體積變化。當(dāng)加入填料后，樹(shù)脂的比重會(huì)增大，例如，未添加填科的純凈2MFRPP的比重為0.92。而添加了40％滑石粉的同一樹(shù)脂的比重是1.24?；旌衔锏拿芏忍岣吡?5％。而其中聚合物的含量減少了40％的情況下，填料會(huì)占據(jù)螺桿大量的容積且不易被熔融。為此就需要對(duì)螺桿的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)做必要的補(bǔ)償處理。由于填料的體積并不會(huì)隨著溫度的變化而有明顯的改變．因此在螺桿的設(shè)計(jì)中必須充分考慮螺桿塑化段的深度。例如，用于未填充PP的螺桿的體積壓縮率是3.5:1－3.75:1。而40％滑石粉填充PP的體積壓縮率則是2.75:1－3.25:1(依據(jù)螺桿的尺寸)。
用于熱塑性復(fù)合材料的屏障型螺桿，除了要考慮螺桿塑化段的深度外，還要考慮屏障處的流動(dòng)間隙。當(dāng)聚合物沿著料筒壁熔融后，就會(huì)離開(kāi)固體通道而流向屏障段的流動(dòng)間隙處并在此積聚起來(lái)。由于混合后的聚合材料中含有不可壓縮的填料成分，因此就必須考慮在屏障處設(shè)置更大的間隙量以確保熔體的自由流動(dòng)。否則，將會(huì)在固體通道和熔融通道之間產(chǎn)生巨大的壓差。從而引起中間段的料筒溫度過(guò)高。
擠出聚合物
擠出螺桿的輸出段同樣對(duì)加工的穩(wěn)定性起著十分重要的作用。在注射成型中，螺桿是通過(guò)一個(gè)止回閥阻止熔融聚合物的回流。以積聚下一次所需的注射量。與之相對(duì)比，擠出加工則需要穩(wěn)定、均勻的輸出。在此非常重要的是，樹(shù)脂要被均勻地熔融和穩(wěn)定地?cái)D出，尤其是螺桿計(jì)量段的輸出必須穩(wěn)定。特別是加有填料的樹(shù)脂具有較高的粘性，粘性的提高有助于穩(wěn)定擠出。但如果擠出模頭的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)高粘性的混合物時(shí)，會(huì)引起較高的機(jī)頭壓力。
螺筒料筒溫度過(guò)高
如果將專(zhuān)為非填充的純凈樹(shù)脂設(shè)計(jì)的螺桿用于加有填料的樹(shù)脂時(shí)，盡管表面上是可行的，但實(shí)際上在料筒內(nèi)部往往會(huì)發(fā)生一些意外。通常，最明顯的表現(xiàn)是料筒區(qū)域的溫度過(guò)高，這是由填料的非壓縮性引起的，也就是說(shuō)，溫度過(guò)高的原因是由于在螺桿的特殊區(qū)段中發(fā)生了粘滯性加熱，從而引起了料筒區(qū)域的過(guò)熱。實(shí)際上，正是由于材料過(guò)黏使其難以平滑地流過(guò)螺桿通道的一段。
通常，可在過(guò)熱前提高科筒所有區(qū)段的加熱溫度，這有助于提高樹(shù)脂的溫度，降低其粘性，從而使樹(shù)脂能夠很容易地從螺桿的過(guò)熱段流過(guò)。但這只是一個(gè)臨時(shí)的解決方案，長(zhǎng)期使用的解決方案應(yīng)該是，采用針對(duì)加有填料的樹(shù)脂而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的螺桿。根據(jù)熱塑性混合物中的填料量而設(shè)計(jì)的螺桿不僅可消除過(guò)熱現(xiàn)象，而且減小了對(duì)螺桿的磨損。
螺桿的磨損和保護(hù)
加工熱塑性復(fù)合材料，螺桿和料筒的磨損問(wèn)題是必須考慮的。如果熱塑性復(fù)合材料的體積壓縮系數(shù)不容樂(lè)觀，那么就會(huì)在螺桿的根部產(chǎn)生明顯的磨損現(xiàn)象。不同的填料會(huì)引起不同的磨損，出現(xiàn)在螺桿的不同區(qū)域。像云母和玻璃纖維這類(lèi)的填料所引起的磨損則主要發(fā)生在填充的喂料段。通常情況下，磨損在螺桿的第三、第四圈螺棱開(kāi)始出現(xiàn)，并將延伸到輸送段的第三、第四和第五圈螺棱。特別是容易出現(xiàn)在推動(dòng)材料流動(dòng)的用力一側(cè)。
之所以大多數(shù)磨損會(huì)發(fā)生在這些區(qū)域中，是因?yàn)樘幱诼輻U這些區(qū)域中的樹(shù)脂以小球形式存在。而且復(fù)合材料又靠近小球的外表面，從而對(duì)未受保護(hù)的螺桿根部造成磨損。一旦樹(shù)脂開(kāi)始熔融，熔融的樹(shù)脂產(chǎn)生的一層薄膜就會(huì)對(duì)小球和螺桿根部的區(qū)域進(jìn)行潤(rùn)滑。
特別地，一種低成本的減少螺桿根部磨損的方法是對(duì)螺桿進(jìn)行氮化處理，以使根部和流動(dòng)面的硬化深度達(dá)到0.381mm-0.508mm，硬度達(dá)到60Rc。一旦氮化處理層被完全磨損，內(nèi)層金屬就會(huì)像刀切面包一樣地被磨損掉。但問(wèn)題在于，操作人員并不知道何時(shí)會(huì)發(fā)生這一現(xiàn)象，除非定期將螺桿從擠出機(jī)中拉出來(lái)并對(duì)其進(jìn)行檢查。一般此類(lèi)磨損是可修復(fù)的，唯一的問(wèn)題是在新補(bǔ)焊的材料與原來(lái)經(jīng)氮化處理的基材接觸處會(huì)產(chǎn)生很多針眼。這些針眼是在焊接的過(guò)程中由金屬基材上的氮?dú)狻胺序v”所引起的。目前基本上沒(méi)有什么辦法可以防止這些針眼的產(chǎn)生。盡管如此，除了影響螺桿的外觀外，它們并不會(huì)影響螺桿的性能。
防止螺桿推動(dòng)材料流動(dòng)的受力側(cè)出現(xiàn)早期磨損的另一種方法是，在螺桿易被磨損的區(qū)域，如喂料段和輸送段的前部采用局部特殊處理，對(duì)于小型螺桿，對(duì)其進(jìn)行保護(hù)的方法是使用一種碳化鎢涂層。處理這種保護(hù)涂層的方法包括：高速氧化燃料(HVOF)、噴焊、電解。與氮化處理相比，這兩種方法都能很好地保護(hù)螺桿的根部。盡管氮化處理也是一種很好的保護(hù)方法．但需要一些額外的投入。
對(duì)于新的較大的螺桿，可以采用局部特殊處理或者將螺桿的根部完全保護(hù)起來(lái)，其做法是，在加工螺桿通道時(shí)．使其深度比最終的成品螺桿更深些．然后將硬質(zhì)材料添入螺桿的根部和受力側(cè)。
最后一種保護(hù)螺桿的方法是采用碳化鎢懸浮材料進(jìn)行噴焊和電解處理，如Xaloy的專(zhuān)利技術(shù)X8000。在購(gòu)買(mǎi)新的螺桿時(shí)，所有這些保護(hù)螺桿的方法都需要額外的費(fèi)用支出。但是延長(zhǎng)和穩(wěn)定的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了投入本身。
料筒的磨損
正如上述的螺桿磨損一樣，磨損同樣出現(xiàn)在擠出機(jī)的料筒內(nèi)襯上。采用目前的雙金屬技術(shù)，在料筒的金屬底材上離心澆鑄上雙金屬的內(nèi)襯。從而可使料筒獲得長(zhǎng)久的耐用性。
近年來(lái)，塑料工業(yè)越來(lái)越盛行將各種填料和添加劑混配到熱塑性樹(shù)脂中。通過(guò)添加滑石粉、云母、碳酸鈣和粘土等填料，可以增強(qiáng)各種塑料材料的硬度、強(qiáng)度和使用性能。由于在熱塑性復(fù)合材料的加工過(guò)程中。這些填料會(huì)對(duì)加工設(shè)備的使用性能提出特殊的要求并影響其使用壽命。因此我們將更多地討論有關(guān)螺桿料筒的磨損問(wèn)題。
