塑料成型工艺学 课件 第五章 挤出成型.ppt

第五章 挤出成型 5.1 概述 一、挤出成型 也称挤压模塑或挤塑，即借助螺杆或柱塞的挤压 作用，使受热熔化的塑料在压力推动下，强行通 过口模而成为具有恒定截面的连续型材的一种成 型方法。 挤出法几乎能成型所以热塑性塑料和某些热固性 塑料。 5.1 概述 生产的制品：管材、板材、薄膜、线缆包覆物 及塑料与其它材料的复合材料等。 5.1 概述 挤出制品占热塑性塑料制品的4050，此外 还可以用于塑化造粒、着色和共混等。 二、挤出成型分类 1.按塑化方式分： （1）干法：靠加热 （2）湿法：仅用于硝酸纤维素和少数醋酸纤维 素等。 用溶剂将塑料充分软化。 5.1 概述 2.按加压方式分： （1）连续式： 螺杆式挤出机 单螺杆 双螺杆 借助螺杆旋转产生压力和剪切力，使物料充分 塑化和混合均匀，通过型腔（口模）而成型。 5.1 概述 （2）间歇式： 柱塞式挤出机 借助柱塞压力，将事先塑化好的物料挤出口模 而成型。 5.2 挤出设备 挤出设备一般是由挤出机、机头和口模、辅机 等几部分组成的。 5.2.1 螺杆挤出机 挤出机由挤出装置（螺杆和料筒）、传动机构 和加热冷却系统等主要部分组成。 一、单螺杆挤出机 单螺杆挤出机是由一根阿基米德螺杆在加热的 料筒中旋转构成的。大小一般用螺杆直径来表 示。 5.2.1 螺杆挤出机 5.2.1 螺杆挤出机 1.传动装置 带动螺杆转动的部分。通常由电动机、减速 箱和轴承等组成。 在挤出过程中，要求螺杆转速稳定，不随螺 杆负荷的变化而变化，以保证制品质量均匀 一致。 但在不同的场合下，又要求螺杆能变速，以 达到一台设备能适应挤出不同塑料或不同制 品的要求。 传动部分采整流子电动机、直流电动机等装置 达到无级变速。 螺杆转速为：10100转/分钟。 设有良好的润滑系统和迅速制动的装置。 5.2.1 螺杆挤出机 2.加料装置 供料一般采用粒料、粉料和带状料等几种。 装料设备通常使用锥形加料斗，其容积至少能 容纳1小时的用料。 5.2.1 螺杆挤出机 料斗底部有截断装置，以便调整和切断料流。 侧面有视孔和标定计量的装置。 有些料斗带有减压或加热装置、搅拌器、自动上 料或加料装置。 5.2.1 螺杆挤出机 5.2.1 螺杆挤出机 3.料筒 挤出机的主要部件之一。 为一金属圆筒，一般用耐温耐压、强度较高、 坚固耐磨、耐腐的合金钢或内衬合金钢的复合 钢筒制成。 塑料的塑化和加压过程都在其中进行。 外部设有分区加热和冷却装置。 加热：电阻、电感或其它方式。 冷却：风冷或水冷。 5.2.1 螺杆挤出机 5.2.1 螺杆挤出机 4.螺杆 挤出机的关键部件，直接关系到挤出机的应用 范围和生产率。 通过螺杆的转动，对塑料产生挤压作用，塑料 在料筒中才能产生移动、增压和从摩擦取得部 分热量，塑料在移动过程中得到混合和塑化， 粘流态的熔体在被压实而流经口模时，取得所 需形状而成型。 5.2.1 螺杆挤出机 由于塑料品种很多、性质各异，因此为适应加 工不同塑料的需要，螺杆的种类很多，结构上 也有差异，以便能对塑料产生较大的输送、挤 压、混合和塑化作用。 表示螺杆结构特征的基本参数有直径、长径比 、压缩比、螺距、螺槽深度、螺旋角、螺杆与 料筒的间隙等。 5.2.1 螺杆挤出机 （1）螺杆的直径（D）长径比（ L/D ） 5.2.1 螺杆挤出机 螺杆直径（D） 根据所制制品的形状、大小及需要的生产率来 决定的。 一般45150mm，螺杆直径增大，加工能力提 高，挤出机的生产率与螺杆直径D的平方成正 比。 5.2.1 螺杆挤出机 长径比（L/D） 螺杆工作部分有效长度与直径之比。 通常为1825。 L/D大，能改善物料温度分布，有利于塑料的混 合和塑化，并能减少漏流和逆流，提高挤出机 的生产能力。 L/D大，螺杆适应能力强，能用于多种塑料的挤 出。 5.2.1 螺杆挤出机 但L/D过大，使塑料受热时间增长而降解； 螺杆自重增加，自由端挠曲下垂， 引起料筒与螺杆间擦伤，使制造 加工困难，增大功率消耗。 过短的螺杆，容易引起混炼的塑化不良。 （2）螺旋角（） 螺纹与螺杆横断面的夹角。 5.2.1 螺杆挤出机 随增大，挤出机的生产能力提高，但剪切作用 和挤压力减小 通常在1030之间。 等距螺杆：螺距等于直径， 17 41 5.2.1 螺杆挤出机 （3）压缩比 螺杆加料段最初一个螺槽容积与均化段最后一 个螺槽容积之比。 表示塑料通过螺杆全长范围时被压缩的倍数。 压缩比愈大，塑料受到的挤压作用愈大 螺槽浅时，能对塑料产生较高的剪切速率，有 利于料筒壁和物料间的传热，物料混合和塑化 的效率高，但生产率降低。 螺槽深时，情况相反。 5.2.1 螺杆挤出机 因此，热敏性塑料，宜用深螺槽螺杆（如PVC） ； 熔体粘度高，热稳定性较高的塑料，宜用浅螺 槽螺杆（如PA）。 （4）螺杆的结构形式 5.2.1 螺杆挤出机 渐变型：等距不等深 5.2.1 螺杆挤出机 渐变型：等深不等距 5.2.1 螺杆挤出机 突变型 5.2.1 螺杆挤出机 鱼雷头螺杆 5.2.1 螺杆挤出机 （5）螺杆各段的功能 物料沿螺杆前移时，经历着温度、压力、粘度 等的变化，这种变化在螺杆全长范围内是不同 的，根据物料的变化特征，将螺杆分为以下三 段： 加（送）料段 将料斗供给的料送往压缩段。 塑料在移动过程中，一般保持固体状态，由于 受热而部分熔化。 5.2.1 螺杆挤出机 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。 螺槽容积可以保持不变。 压缩段（迁移段、过渡段） 压实物料，使物料由固体转为熔融体，并排除 物料中的空气。 为适应将物料压实，将气体推回加料段和物料 熔化时体积减小等特点，本段应对塑料产生较 大的剪切作用和压缩，通常使螺槽容积逐渐缩 减，缩减的程度由塑料的压缩率决定。 5.2.1 螺杆挤出机 均化段（计量段） 将熔融的物料，定容（定量）定压地送入机头 使其在口模中成型。 螺槽容积恒定不变。 为避免物料因滞留在螺杆头端面死角处引起分 解，螺杆头部常设计成锥形或半圆形。 有些螺杆的均化段是一表面完全平滑的杆体， 称为“鱼雷头”，但也有刻上凹槽或铣刻成花 纹的。 5.2.1 螺杆挤出机 5.2.1 螺杆挤出机 鱼雷头具有搅拌和节制物料、消除流动脉冲现 象的作用，并能增大物料的压力，降低料层厚 度，改善加热状况，且能进一步提高螺杆塑化 效率。 5.2.1 螺杆挤出机 5.机头和口模 机头的作用是将处于旋转运动的塑料熔体转变 为平行直线运动，使塑料进一步塑化均匀，并 将熔体均匀而平稳地导入口模，赋予必要的成 型压力，使塑料易于成型和取得制品密实。 口模为具有一定截面形状的通道，塑料熔体在 口模中流动时取得所需形状，并被口模外的定 型装置和冷却系统冷却硬化而成型。 5.2.1 螺杆挤出机 机头与口模的组成部件包括过滤网、多孔板、 分流器、模芯、口模和机颈等部件。 （1）圆孔口模 挤出塑料圆棒、单丝和造粒。 具有圆形出口的横截面。 典型的一维流动，同心圆上的轴向流速是相同 。 （2）扁平口模 挤出法生产平膜和片材。 5.2.1 螺杆挤出机 出口具有狭缝形的横截面。 具有分配腔 直管式口模：聚烯烃、聚酯 鱼尾形口模：无死角，熔体粘度 高，热稳定性差 衣架式口模：停留时间一致，硬 PVC 5.2.1 螺杆挤出机 （3）环形口模 挤出管子、管状薄膜、吹塑用型坯、涂布电线 。 出口具有环形截面。 由口模套和芯模组成，有 支架式 直角式 螺旋芯模式 储料缸式 5.2.1 螺杆挤出机 （4）异形口模 异型制品（型材）：从任一口模（异形口模） 挤出而得到具有不规则截面的半成品。 有中空和开放式两大类。 5.2.1 螺杆挤出机 二、双螺杆挤出机 指在一根两相连孔道组成截面的料筒内由两 根相互啮合或相切的螺杆组成的挤出装置。 5.2.1 螺杆挤出机 双螺杆结构设计的差别： （1）啮合还是非啮合； （2）对啮合螺杆：同向转动还是反向转动； （3）螺杆是圆柱形还是锥形； （4）压缩比的实现是靠：螺纹高度或导程； 根径由小变大或外 径由大变小； 螺纹头数变化。 （5）螺杆是整体的还是组合的。 5.2.1 螺杆挤出机 螺杆类型： （1）Colombo螺杆： 螺杆分为三段，每一段有一混合室。 加料段的外径和螺距最大； 压缩段次之； 均化段为最小。 同一段中，螺杆是等径等距的。 5.2.1 螺杆挤出机 （2）锥形双螺杆 向外反向转动。 从加料段到计量段，螺杆的外径和根径均匀 地由大到小变化。 螺杆各部分的长度、螺纹头数、螺槽数、螺 棱宽度、螺棱形状等均有变化。 5.2.1 螺杆挤出机 （3）组合型双螺杆 由不同数目的具有不同功能的螺杆元件按一定 要求和顺序装到带导键或三角形芯轴上组合而 成的。 可以连续输送、塑化、均化、加压、排气。 5.2.1 螺杆挤出机 （4）非啮合型双螺杆 类似两根平行单螺杆在料筒中转动，但两根 螺杆反向转动并相切。 分为单阶和双阶两种形式。 5.2.1 螺杆挤出机 5.2.1 螺杆挤出机 三、挤出机的辅助设备 1.原料输送、干燥等预处理设备； 2.定型和冷却设备，如定型装置、水冷却装置 、空气冷却装置； 3.用于连续地、平稳地将制品接出的可调速牵 引装置； 4.成品切断和辊卷装置； 5.控制设备等。 5.2.1 螺杆挤出机 四、挤出机的一般操作方法 1.开车前准备的工作； 2.机器运行开始的工作； 3.停车时的工作； 4.清理设备。 注意：电、热、机械转动、笨重部件装卸等。 5.3 单螺杆挤出原理 5.3.1 固体输送 以固体对固体的摩擦力静平衡为基础。 假设： （1）物料与螺槽和料筒内壁所有边紧密接触，形 成固体塞或固体床，并以恒定的速率移动； （2）略去螺棱与料筒的间隙，物料重力和密度变 化等的影响； 5.3.1 固体输送 （3）螺槽深度是恒定的，压力只是螺槽长度 的函数，摩擦系数与压力无关； （4）螺槽中固体物料像弹性固体塞一样移动 ，受周围的螺杆和料筒表面之间的摩擦力控 制，只有物料与螺杆之间的摩擦力小于物料 与料筒之间的摩擦力时物料才能沿轴向前进 ，否则物料将与螺杆一起转动。 5.3.1 固体输送 P：螺槽中体系的压力； Ab、As：固体塞与料筒和螺杆间的压力； fb、fs：摩擦系数； Fb、Fs：摩擦力。 5.3.1 固体输送 固体输送率Qs： Rs、Rb：螺槽底部和顶部半径； e:螺棱宽度； a：平均螺旋角； i:螺纹头数。 5.3.1 固体输送 5.3.1 固体输送 则： N：螺杆转数； b：料筒表面处的螺旋角； Db：螺杆外径； Hf：螺槽深度。 5.3.1 固体输送 可见：固体输送率与螺杆的几何尺寸和移动 角有关。 通常在0 90范围， 0时，Qs为零， 90时，Qs为最大。 5.3.1 固体输送 因此，为了增大输送量，可以采取以下措施： （1）螺杆直径不变时，增大螺槽宽度 （2）减小聚合物与螺杆的摩擦系数fs （3）增大聚合物与料筒的摩擦系数fb，如：料筒 内开设纵向沟槽；锥形开槽料筒 （4）减小螺旋角b，使 为最大 （5）从工艺角度上考虑送料段料筒和螺杆的温度 5.3.2 固体熔化 塑料在挤出机中的塑化过程是很复杂的。 1.冷却实验和熔化机理 本色塑料 着色塑料（35） 加热 挤出 稳态 停车 迅速冷却 塑料凝固剥下塑料进行分析 5.3.2 固体熔化 由实验观察到在一个螺槽中固体物料的熔化 过程： 与料筒表面接触的固体粒子，由于料筒的传 导热和摩擦热的作用，首先熔化，并形成一 层薄膜，称为熔膜。 这些不断熔融的物料，在螺杆与料筒的相对 运动下，不断向螺纹推进面汇集，从而形成 漩涡状的流动区，称为溶池。 5.3.2 固体熔化 在溶池的前边充满着受热软化和半熔融后粘结 在一起的固体粒子和尚未完全熔结和温度较低 的固体粒子，统称为固体床。 沿螺槽前移的过程中，固体床宽度逐渐减小 ，直至全部消失。 从熔化开始到固体床的宽度下降到零的总长度 ，称为熔化区的长度。一般的，熔化速率越高 ，熔化长度越短。 5.3.2 固体熔化 综上可知： 塑料的整个熔化过程是在螺杆熔融区进 行的，塑料的整个熔化过程直接反映了 固相宽度沿螺槽方向变化的规律，这种 变化规律，决定于螺杆参数、操作条件 和塑料的物性等。 5.3.3 熔体输送 一、简化的流动方程 1.熔体在均化段输送中的流动形式 （1）正流 沿着 5.4 单螺杆结构设计的改进 一、排气式螺杆 可连续从聚合物中抽出挥发物、单体、低聚物 、缩聚反应物、配料时的挥发组分、水分。 在料筒上设置一个或多个排气孔。 二、屏障型螺杆 在压缩段的螺纹旁再加一道辅助螺纹，将主螺 纹的前缘分为熔体槽，后缘分为固体槽，实现 熔体与固体的分离。 5.4 单螺杆结构设计的改进 Mailefer螺杆 5.4 单螺杆结构设计的改进 Barr螺杆 5.4 单螺杆结构设计的改进 Kim螺杆 5.4 单螺杆结构设计的改进 三、销钉型螺杆 在靠近熔化段末端到计量段这一区间设置一组 或几组起混合作用的销钉。 使料流发生搅动，产生局部的高剪切以增进固 体粒子的熔化；有利于内压力提高，保证螺槽 被充满和压实。 缺点：产率减少，熔体温度提高。 5.4 单螺杆结构设计的改进 四、波型螺杆 螺槽根部是偏心的，偏心部位沿轴向按螺旋形 移动。 轴向波型螺杆，带有辅助螺纹。 5.4 单螺杆结构设计的改进 五、混合螺杆 1.分配混合元件：密集的销钉、沟槽、凹穴等。 2.分散混合元件：剪切元件。 5.5 双螺杆挤出原理 5.5.1 分类 R.Erdmerger从理论上将双螺杆分为12类： 5.5.1 分类 1.横向开口：指垂直螺棱方向，物料能越过螺 棱，在一根螺杆的各个螺棱之间进行物料交换 。 2.纵向开口：指自加料口到口模有一通道，物 料从一根螺杆流往另一根螺杆。 3.非啮合双螺杆在纵、横向都是开口的。 4.全啮合、反向转动的双螺杆在纵、横向都是 闭合的，不考虑机械间隙，能形成封闭室。 5.5.1 分类 6.捏合盘在纵向、横向都是开口的。 7.部分啮合的双螺杆，要区分纵向开口和横向 封闭系统与纵、横向开口系统。 5.全啮合、同向转动的双螺杆是纵向开口、横 向封闭的。 5.5.2 反向啮合型双螺杆挤出机 封闭式反向转动啮合（CICT）型双螺杆挤出 机的螺杆几何形状： 5.5.2 反向啮合型双螺杆挤出机 特点： 两根螺杆螺槽间的开口是很小的； 具有滚压式啮合，啮合区的螺杆速度都在同一 个方向； 进入啮合区的物料有强制通过该啮合区的倾向 。 5.5.2 反向啮合型双螺杆挤出机 适用范围： CICT挤出机一般适合在低速下运行。 CICT挤出机的最大允许螺杆速度是机器正位 移输送特性的良好指标。 低的最大螺杆转速：2040r/min，型材挤出 ； 高的最大螺杆转速：100200r/min，配料、 连续化学反应和特定聚合物加工。 5.5.2 反向啮合型双螺杆挤出机 假设螺槽被物料完全充满而且无漏流，则CICT挤出机的 理论最大产量为： i: 平行螺纹数； ：C形室的体积； N：螺杆转数。 实际上存在着漏流： （1）螺棱漏流，Qf （2）压沿漏流，Qc （3）侧面漏流，Qs （4）四面体漏流，Qt 则实际产量为： 5.5.2 反向啮合型双螺杆挤出机 5.5.3 同向、啮合型双螺杆挤出机 有低速和高速两种，低速同向转动双螺杆挤出机适于 型材挤出；高速挤出机适于特定聚合物的加工作业。 一、封闭式啮合型挤出机 封闭式啮合螺杆（CICO）的几何形状：其中一根螺杆 的螺纹插入另一根螺杆的螺槽而且紧密配合，即共扼 螺杆轮廓。 5.5.2 反向啮合型双螺杆挤出机 特点： 两根螺杆的螺槽之间存在着相当大的开口； 具有滑动式啮合，啮合区螺杆的速度是相反的； 物料呈8字形运动，同时沿轴向运动； CICO型挤出机物 料在进入啮合区 处产生高的压力 ，因此必须在低 速下运转。 5.5.2 反向啮合型双螺杆挤出机 二、自洁式挤出机 高速同向挤出机（CSCO），具有封闭式匹配的螺纹轮 廓，从一个螺槽到相邻螺槽有颇大的开口。 具有封闭式自洁作用。 特点： 啮合区不产生的压力 降，可以高速运转： 600r/min，不适于直 接挤出型材，物料大 部分按8字形运动。 5.5.3 非啮合型双螺杆挤出机 NOCT，反向转动的非啮合型双螺杆。其输送与 单螺杆相似，差别在于物料从一根螺杆到另一 根螺杆。 主要用于共混、排气和化学反应。 5.6 挤出成型工艺与过程 通常的程序： 成型物料预处理挤出造型制品的定型与冷却 制品的牵引与卷取（切割）后处理包装 一、成型物料预处理 通常包括干燥、预热、着色、混入各种添加剂和废品的回 收利用等。 水分：影响挤出过程的正常进行和制品的质量。制品出现 气泡、表面晦暗、物理机械性能下降、甚至无法挤出。 控制含水量0.5以下。同时不含有任何可见杂质。 5.6 挤出成型工艺与过程 二、挤出成型 挤出过程中螺杆转数、料筒压力、温度应视具体情况 而加以调整。 1.物料温度：来源于料筒加热 器和螺杆对物料的剪切。 5.6 挤出成型工艺与过程 料温升高：粘度降低，利于塑化； 熔体流量大，出料加快，机头和口模温度过 高，挤出物形状稳定性差，制品收缩率增加 ， 甚至制品发黄、出现气泡。 挤出不能正常进行。 温度降低：熔体粘度大，机头压力增加，制品密实、 形状稳定性好，但离模膨胀严重，应适当 增大牵引速度。 料温过低：塑化较差，功率消耗增加。 口模与模芯温差过大：挤出制品出现向内或向外翻或 扭歪情况。 5.6 挤出成型工艺与过程 2.增大螺杆的转速：强化对物料的剪切作用，利于 物料的混合和塑化，提高物料的压力。 5.6 挤出成型工艺与过程 三、制品的定型与冷却 热塑性塑料挤出制品，在离开机头口模后，应进行 冷却定型。 定型不及时，自身重力作用下，会发生形变。 大多数情况下定型与冷却往往同时进行。 挤出管材和各种异型材时才有定型过程，挤出薄膜 、单丝、线缆包覆物等不需定型。挤出板材和片材 时，有时还通过一对压辊压平，也有定型和冷却作 用。 5.6 挤出成型工艺与过程 四、牵引（拉伸）和热处理 制品从口模挤出后，产生离模膨胀，挤出物尺寸和形 状发生改变。重量增大、不引出、造成堵塞、生产停 滞、破坏挤出连续性，后面挤出物变形。 常用管材牵引设备：滚轮式、履带式。 牵引速度应与挤出速度很快地配合，且速度均匀。 一般牵引速度大于挤出速度，以消除离模膨胀。 有些制品需热处理：如由狭缝扁平口模直接挤出片 材经拉伸而得的薄膜，以减小热收缩率，提高尺寸 稳定性。 五、合格制品按要求进行切割或卷取 5.7 挤出成型的发展趋势 1.大型化：单螺杆挤出机的L/D可达42；螺杆直径可达 300420mm，甚至达750mm；多螺杆挤出机直径可达 600mm（卧式），300mm（立式），长度可达875mm。 2.高挤出速度：直径65的挤出机螺杆转速高达800 1000r/min。 3.多效能：以挤出机为主机，加上辅机，可生产多种 制品。 4.自动化：挤出温度及压力等工艺条件采用PID （比 例、积分、微分）测控等。 5.连续化：从粉料开始直到制品实现全自动化连续流水 线。 5.8 几种制品的挤出工艺 5.8.1 管材的挤出 挤出管材所用设备有挤出机、机头、定型装置、冷却 槽、牵引设备、切断设备以及扩口设备等。 1. 机头和口模 大体上分为： 偏移式：内径尺寸要求准确的生产 直通式：常用。 挤出机挤出的熔融塑料进入机头由芯模及口模外套所 构成的环隙通道流出后即成为管状物。 5.8.1 管材的挤出 5.8.1 管材的挤出 2.定型 挤出的管状物首先应通过定型装置，使之冷却变硬而 定型。 定型方法： （1）外径定型：在管状物外壁和定径套内壁紧密接 触的情况下进行冷却而实现的。结构简单、操作方便 ，为我国普遍采用。 （2）内径定型：是将定径套的冷却水管从芯棒处伸 进，必须使用偏移式机头。 用这种方法制得的管材内壁比较光滑。 5.8.1 管材的挤出 5.8.1 管材的挤出 3.冷却 可用的装置有冷却水槽和喷淋水箱两种。 为防止管材冷却过程中发生弯曲变形，采用沿管材圆 周上均匀布置喷水头对管材进行喷淋冷却。 5.8.1 管材的挤出 4.牵引 常用牵引管材的装置有滚轮式和履带式两种。 5.8.2.吹塑薄膜的挤出 塑料熔体由环隙形口模挤成管状物后，即牵引装置牵 引上升（少数采用水平、向下）并同时进行吹胀，至 一定距离后，通过导向夹板而被牵引辊夹拢。 吹塑法广应用于生产聚乙烯和聚氯乙烯等塑料薄膜。 优点：1.设备紧凑，单位产率所需的投资少； 2.在一定范围内可以方便调整薄膜的宽度和（ 或厚度）； 3.无边缘影响，免除整边装置，减少废料损失 ； 4.双轴定向，