机械毕业设计（论文）-复合式塑料挤出机设计【全套图纸】.doc

中国矿业大学2011届本科毕业设计论文 第90页1 概 论全套图纸，加1538937061.1 塑料挤出成型及发展概述挤出成型技术作为聚合物加工技术之一，是伴随聚合物加工工业技术的发展而成长的。20世纪50年代，石油化工的发展使得高分子工业迅速成熟；60年代，塑料、橡胶、化纤三大合成材料的生产向规模化转变；70年代，世界合成高分子材料在总体积上已超过了金属材料。聚合物只有通过成型加工才能成为有使用价值的制品。成型加工是高分子材料不可缺少的生产环节。挤出成型是热塑性塑料的主要成形方法之一，它可以成型各种塑料管材、棒材、板材、薄膜以及电线电缆等，也可以对塑料进行塑化、混合、造粒、脱水及喂料等，还可用于半成品加工。挤出成型是目前比较普遍的塑料成型加工方法之一，挤出成型的塑料产品产量约占所有塑料产品产量的60%。挤出成型的加工过程是将固态塑料在一定温度和压力条件下熔融塑化利用挤出机的螺杆旋转加压，使其通过特定形状的口模而成为截面与口模形状相仿的连续型材料。挤出成型适用于所有的热塑性塑料及部分热固性塑料的加工，例如聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚丙烯碃等热塑性塑料，还有酚醛、尿醛等热固性塑料。挤出成型的质量取决于挤出模具，模具结构设计的合理性是保证成型质量的决定性因素。螺杆挤出工艺装备逐步取代了一些由多台经典化工装备组成的生产线。连续生产代替间歇生产，必然有较高的生产率和较低的能耗，减少生产面积和操作人员数量，降低生产成本，也易于实现生产自动化，创造好的劳动条件和减少少的环境污染。与此同时，螺杆的搅拌作用也提高了混合质量。自现代单螺杆挤出机出现至今的几十年里，可加工的聚合物种类，制品的结构、形式不断扩大，使得包括挤出成型工艺，成型设备，研究开发新产品、新工艺的手段全面推进。螺杆挤出这种工艺不仅广泛地用于聚合物加工，而且在建材、食品、纺织、军工、和造纸等工业部门中都得到了愈来愈多的应用。1.2 塑料挤出成型设备的组成一套完整的挤出设备由主机、辅机及控制系统组成。1.2.1 主机挤出机是塑料挤出成型的主要设备，即主机。由挤压系统、传动系统及加热冷却系统和主机控制系统组成。 挤压系统 是挤出机的关键部分，主要由机筒、螺杆和料斗组成。对于一般热塑性，通过挤压系统，物料被塑化成为均匀的熔体；这一过程中所建立的压力，再被螺杆连续、定温、定压、定量地压出机头。 传动系统 其作用是驱动螺杆，保证螺杆在工作过程中所需要的扭矩和转速。 加热冷却系统。保证物料和挤压系统在成型加工中的温度范围内进行。 控制系统 主要由仪表、电器及执行机构组成。作用是调节控制机筒温度、机头压力和螺杆转速。1.2.2 辅机 挤出机需配置相应的辅助机械设备才能实现挤出成型。根据制品的种类确定辅助设备的组成。通常包括：机头、定型装置、冷却系统、牵引装置、切割装置和卷取装置等。 机头。它是制品成型的主要部件，当机头口模的出料口截面形状不同时，便可得到不同的制品。 定型装置 。它的作用是将从口模挤出的物料的形状和尺寸进行精整，并将它们固定下来，从而得到具有更为精确的截面形状、表面光亮的制品。 冷却装置 。从定型装置出来的制品，在冷却装置中充分地冷却固化，从而得到最后的形状。 牵引装置 它的作用是均匀的牵引制品，使挤出过程稳定。 切割装置 它的作用是将挤出的连续硬制品切成所需长度及宽度。 卷取装置 它用来将切成一定长度的硬制品整齐的堆放，或将软制品卷绕成卷。1.2.3 控制系统 由各种电器、仪表及执行机构组成。它的主要作用是：控制主、辅机的驱动电机，使其按操作要求的转速和功率运转，并保证主、辅机协调运行；控制主、辅机的温度、压力、流量和制品的质量；实现全机组的自动控制。1.3 挤出机的分类1.3.1分类方法随着挤出机的广泛应用和不断的发展，出现了各种类型的挤出机，其分类方法有很多种：1）按螺杆数目的多少和结构可分为：无螺杆挤出机、单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、多螺杆挤出机。单螺杆挤出机又有普通型、部分型和排气式三种机型；双螺杆挤出机又可分为异向旋转（亦有向内或向外异向旋转之分）、同向旋转和双螺杆反应器三种机型。此外还有单螺杆和双螺杆组合的T型机、双螺杆和单螺杆与齿轮泵组合的串联挤出机以及单螺杆与多螺杆组合而成的行星挤出机。2）按可否排气可分为：排气挤出机和非排气挤出机。3）按螺杆转速可分为：普通挤出机、高速挤出机和超高速挤出机4）按用途可分为：配混造粒挤出机和生产制品用挤出机。5）按装置位置可分为：立式挤出机和卧式挤出机。6）按喂料方式可分为：冷喂料挤出机和热喂料挤出机等。1.3.2 各挤出机的结构特点及用途(1) 部分型单螺杆挤出机该机型的特点是机筒沿轴线剖分，清理机器极为方便和省时，主要用于热固性塑料（如酚醛塑料、粉末涂料等）的加工。特别是当突然停电或机器发生故障时，便于机内热固性塑料的清除。（2）普通型单螺杆挤出机普通型单螺杆挤出机，造价低、易操作，但塑料混合、分散和均化效果差，滞留时间长且分布广，物料温差较大（指同一断面处）和难以吃粉料。因此，它只适用于一般性造粒和塑料制品的加工。目前，欧美等国单螺杆挤出机应用的比例是： 片材，平膜 10% 异型材 20% 发泡材料 3040% 吹塑 100% 电缆 100% 单丝 100% 配混（双级机） 10%（3）排气式挤出机排气式挤出机是具有排除气体功能的塑料挤出机。它的主要特点是机筒中部位置设置有排气口，并设置抽真空系统。排气式挤出机能排除固体粉料和粒料间带入机内的空气、吸附的水分以及固体粉料或粒料内部含有的气体、残留单体、低沸点增塑剂以及低分子挥发物等。它是用于聚合物、塑料（树脂）挤出造粒时需要排除原料中各种气体、液体、挥发物的加工，如硬聚氯乙烯、尼龙、ABS、聚甲醛等。排气式挤出机的生产率和运转特性取决于螺杆的构造、运转条件。（4）同向双螺杆挤出机双螺杆挤出机的特征是两根相互平行的组合式螺杆装在具有8字形孔的机筒内。如果两根螺杆旋转方向相同，称为同向型双螺杆挤出机。根据两根螺杆的啮合型式不同，可分为啮合型和非啮合型两种，常用的为啮合型。近年来，双螺杆挤出机的应用领域不断拓宽，应用的数量也不断得增加，其原因在于高性能塑料、塑料合金的发展，特别是双螺杆挤出机的优越性日益被人们所认识。选用双螺杆挤出机的优越性： 生产能力大，根据理论计算，在同螺杆直径下，双螺杆挤出机生产量能达到单螺杆挤出机的4倍（实测为24倍）。 能耗低，双螺杆挤出机的单位能耗仅约为单螺杆挤出机的1/31/2左右。 产品质量好，由于双螺杆挤出机的塑化、混炼性能好，在保证产品强度的条件下，原材料的消耗量下降约1/41/5。在相同螺杆直径下，尽管双螺杆挤出机的初投资要高于单螺杆挤出机70%300%，但按产量而言则大体相同。因此，双螺杆挤出机的应用范围在不断的扩大，使用量也逐年上升。双螺杆挤出机在欧美国家中应用的比例：管材 100% 板材 90%造粒 100% 异型材 80% 平膜片材 90% 发泡材 60%70% 同向双螺杆挤出机的显著特点是高效能和多功能。高效能集中于高混炼、高扭矩、低能耗，特别适合工程塑料的共混改性、填充、增韧、增强。多功能表现为螺杆的多种功能的组合，组成不同功能的螺杆形式，以适应不同塑料、树脂的挤出，特别是高性能对树脂和塑料合金的加工。双螺杆挤出机主要用于配混、改性、排气、蒸发、反应等工艺。排气式同向双螺杆挤出机，适用于湿粉（含水量在35%以下的粉料）造粒，特点为加热、脱水、干燥与物料塑化相结合进行。据粗略估算，用湿粉直接造粒比干粉造粒能耗降低50%左右。（5）锥形双螺杆挤出机锥形双螺杆挤出机为啮合形，异向旋转，两根螺杆是锥形的，料筒上的两孔也是锥形的。它的输送原理与啮合平行异向旋转双螺杆是一致的。如果螺槽纵横向皆封闭，其输送为正位移输送，如果纵横向有一定开放，则会丧失一部分正位移输送能力，但会加大混合。从螺杆区段上看，它也类似于平行双螺杆，有加料区、固体输送区、压缩区、排气区、混合区、熔体输送区。但与啮合异向平行双螺杆相比，它还有以下特点。 不论螺槽是等深等距，还是不等深不等距，由于由加料段到排料端螺杆直径逐渐变小，故螺槽容积逐渐变小，这就使加料段可以加大较大体积的松密度粉料，如PVC粉料挤出管材和异型材的加工。 加料段机筒和螺杆面积较大，有利于热传导。 随着物料向前输送，螺槽容积变小，使物料得到压缩。 虽然整根螺杆转速一样，但由于直径逐渐变小，故螺杆圆周速度沿螺杆轴线自加料口到计量段逐渐变小；物料在输送中升温，逐渐软化，受到的剪切摩擦也逐渐变小，这种变化是缓和的。在排料段，已熔融、塑化，不需要进一步承受高的剪切，锥形双螺杆排料段圆周速度最小，产生的剪切较低，摩擦热也较小，正好满足此要求，这特别适合于那些在塑化状态下对剪切敏感、易分解物料的挤出，如硬PVC。 从设计制造角度，由于锥形双螺杆系统刚度大，载荷作用下，螺杆间不会有相对位移。后部空间大，轴承易布置。但机筒的锥孔和锥形螺杆的加工难度较大，螺杆一般制成整体式，积木组合式的结构难以实现。（6）异径双螺杆挤出机它有两种型式：一种是螺杆直径由大变小，另一种是螺杆直径由小变大，则另。第一种锥型双螺杆挤出机的特点是：料温低、剪切发热少，适于加工热敏性塑料。它可直接用于干粉料不经造粒直接挤出管材、异型材等，具有劳动生产率高、工艺稳定、成本低、产品质量好、易操作等优点。第二种是由螺槽较浅和螺杆直径较小的机型与另一螺槽较深和螺杆直径较大的机型组成，两者的中心距相等。这种机型适用于要求低剪切速率、低剪切力的塑料和共混改性时难以填加的物料，如低松密度的粉末（如炭黑或纤维）以及在限定的熔体温度下脱除聚合物中的挥发组分得到含有很低单体残余量的物质。（7）异向双螺杆挤出机异向双螺杆挤出机的显著特点是：物料的输送能力和挤出能力比同向双螺杆挤出机的强，在同螺杆直径下，挤出量比同向挤出机一般高1倍左右，物料在机筒内的滞留时间比同向机要短，并且剪切发热小，温差小，物料温度分布十分均匀，物料分散充分。利用异向挤出机挤出管材时，在异向螺杆径向上的温差仅23摄氏度，而单螺杆则高达10摄氏度，温差小有利于提高塑料制品的质量。因此，它十分适宜加工稳定温度低的聚氯乙烯无毒配方，并且可减少稳定剂用量50%左右，这样不仅降低成本，而且有利于提高塑料制品的物性，特别是冲击性能提高。据资料介绍，物料在异向双螺杆挤出机筒中平均停留的时间仅为单螺杆的1/2左右，停留时间分布范围仅为单螺杆的约1/5。因此，对加工热敏性塑料十分有利。欧美国家目前在加工聚氯乙烯制品时，一般都选用向外异向双螺杆挤出机。异向双螺杆挤出机主要用于电料及中空吹瓶料的造粒和硬聚氯乙烯波纹管、型材、管材、板（片）材等的挤出成型。据称用它生产的R-PVC制品比用单螺杆挤出机物性有很大提高，其抗拉强度可提高10%，弯曲强度高20%，无缺口冲击强度提高约60%，缺口冲击强度提高近1倍。 （8）多螺杆挤出机 配备两根以上螺杆的挤出机统称多螺杆挤出机。使用较多的是行星螺杆挤出机和四螺杆挤出机。我国已开发出四螺杆反应混炼机。它综合了捏合机、密炼机、螺杆挤出机、缩聚反应器、混炼机、研磨机的特点。本机型适用于塑料合金、改性塑料、色母料和填充母料等。（9）行星螺杆挤出机这种挤出机的挤压系统分两段，第一段为常规螺杆，第二段为行星螺杆，此段螺杆由多根螺杆组成，中心一根是主螺杆，在其周围排列着与之啮合的许多小直径的螺杆，螺杆的数目一般为718根，其数量取决于螺杆直径大小和用途。小螺杆与机筒内壁上加工出的内螺杆相啮合。小螺杆除自转外，还绕主螺杆作公转，故称之为行星螺杆。 与常规螺杆相比，行星螺杆具有特点。 流道无死角，具有良好的自洁性能，这对硬PVC的加工十分有利。 在行星段，中心螺杆和机筒都可以进行加热，物料的受热熔融主要是靠大换热面积的热传导，剪切产生的热量作用次之。 由于螺杆数量多，螺杆的总啮合次数非常高，最高可达30万次min，这种作用与螺杆转速成正比，这就大大增加了对物料的捏合、挤压、剪切和搅拌次数。 物料在同样挤出量的情况下，在行星螺杆挤出机中的停留时间短，一般为2040s，而相同挤出量下普通单螺杆挤出机4070s，双螺杆挤出机为3060s。 单位挤出量的能耗低。加工硬PVC，行星螺杆挤出机为288kJ/kg，而普通单螺杆为612 kJ/kg，异向旋转双螺杆挤出机为432kJ/kg。（10）四螺杆挤出机 四根螺杆平行排列，螺杆上装有曲边三角形捏合盘。这种挤出机主要用于排除溶剂，从40%溶剂降至0.3%。被压缩的物料在排气段骤然排气，排气口上方设置一圆拱形排气室。（11）带齿轮泵挤出机带齿轮泵挤出机有三种型式： 单螺杆+齿轮泵 同向双螺杆+齿轮泵 同向双螺杆+单螺杆+齿轮泵 齿轮泵是一个压力发生装置，具有挤出机的增压、泵出功能，可取代或部分取代挤出机的压缩段、计量段，降低螺杆的长径比。并且有非常好的容积效率，可达95%。对粘度高的物料可节省能耗约25%，低粘度的物料节能约15%。采用齿轮泵结构能实现塑料的平稳无波动的定量挤出，使挤出量变化低于0.2%，制品的均匀度达到或优于1%，对提高产品质量有明显的效果。同向双螺杆+齿轮泵的机型，十分实用于大型装置的聚烯烃造粒 单螺杆+齿轮泵的机型适用于线型低密度聚乙烯吹塑薄膜、拉伸取向片材、多层片材以及某些型材、聚氮酯弹性体、电缆、电线和聚酯等比较难加工的物料，也可用于热敏性塑料弹性体的共挤出加工。（12）双螺杆反应器利用双螺杆挤出机作聚合物的缩聚、聚合反应器或者是带有化学反应的反应性混配的设备称之为双螺杆反应器。为了增加混合效果，在双螺杆和机头之间安装有静态混合器。静态混合器对增加减少径向温差、物料的混合都有显著的功效。螺杆是反应器的关键部件，根据缩聚、聚合、反应性混配的不同要求，大致有三种螺杆：滚合型（如用于聚甲醛）、混炼型和缩聚型。一般双螺杆反应器设有排气机构，排除的挥发物的含量高达50%，使制品中的挥发物最终含量降至约0.2%。该机型的显著特点是：具有强制输送作用，使物料停留时间分布窄摩擦热小，易控制，挤出稳定，自清理作用良好，混合作用特别好，这种反应器适用于聚硫胺、聚酯、聚甲醛、聚醚、聚氨酯和有机硅树脂等生产装置。（13）特殊用途挤出机超高分子量树脂、氟聚合物用挤出机，其结构适应熔体粘度高，耐腐蚀性气体的要求。它用于生产薄膜、软管等。高温挤出机，适用于在350530摄氏度下高温树脂配料、加工工程塑料等。高混炼挤出机、高扭矩挤出机、实验室用小型或超小型实验挤出机等。（14）两级挤出机（也称双阶挤出机，简称T型机）。两级挤出机是由两台挤出机交叉或纵向串联而成。常用的类型是：行星螺杆+双头单螺杆，双螺杆+单螺杆。第一级的主要作用是对物料进行预塑化和混合；第二级是进一步塑化、均匀和挤出。两级之间通常设有排气装置，其排气空间大，物料有足够的排气时间，故其排气效果好。该机型的主要特点是：（1）双螺杆为组合式，易于转速、操作温度、螺杆与每一配方相适应，而混炼效果好。（2）单螺杆中物料受到的剪切力极小，不存在热分解。（3）两级之间的排气口进行真空排气，挥发物及水分脱除效果佳。两级挤出机适用于热敏性塑料的加工，如软、硬聚氯乙烯以及线型低密度聚乙烯制品生产及聚氯乙烯树脂的脱湿造粒。（15）无螺杆挤出机采用非螺杆结构，为聚合物提供压力和输送物料，使之通过口模成型的挤出设备称之为无螺杆挤出机。从广泛的意义上讲，一些有着齿轮泵结构，盘式、鼓式结构及柱塞式等结构的挤出机属于这种类型。然而，有些无螺杆挤出机尚未用于生产。生产上采用的形式之一齿轮泵，不具备塑化物料的能力，且混合物料能力也非常差，只是在稳定、精确输送物料方面有很大优势。多数情况下，齿轮泵与挤出机串接使用，如熔融纺丝、双向拉伸薄膜等。在这些生产工艺中，将齿轮泵置于挤出机螺杆出料口之后，熔体进入机头前的位置处，故从严格意义上讲，齿轮泵仅作为挤出生产线的一个装置，而不作为一个机台看待。另一类生产中采用较多的是柱塞式挤出机。1.4 塑料挤出成型的基本特点与其他成型方法比较，挤出成型具有以下的特点：（1）生产的连续化和自动化。可以根据需要生产任意长度的管材、板材、棒材、薄膜及单丝等。生产操作简单，工艺控制容易，效率高，产品质量稳定。 （2） 可以根据产品的不同要求，改变产品的断面形状。其产品为管材、薄膜、电缆、单丝、棒材、板材、片材、中空制品及异型材等。 （3）生产效率高。挤出机的单机产量较高，如一台直径65mm的挤出机组，生产聚氯乙烯薄膜，年产量高达450t以上。（4） 应用范围比较广泛。只要改变螺杆及辅助机械设备，就能适用于多种塑料及多种工艺过程。如可以加工大多数热塑性塑料及部分热固性塑料，用挤出法进行共混改性、塑化、造粒、脱水和着色等。（5） 设备成本低、投资少、见效快，生产占地面积小，生产环境清洁。（6） 可以开展综合性生产。把挤出机与压延机配合，可以压延薄膜，与压机配合，便可以生产各种压制制件。（7）一机多用。一台挤出机，能够加工多种物料和多种制品。可见，挤出成型在塑料加工中占有十分重要的地位，并且伴随着塑料工业的迅猛发展，还将具有更广阔的应用前景。1.5 挤出机的选择原则和方法选择挤出机的总原则是技术上先进、经济上合理、确保产品质量，除此之外还要全面衡量机器的技术经济特性，并以下列因素为选择依据： （1） 机器的生产效率：包括挤出机的加工能力（挤出量）、挤出速度和自动化程度。 （2） 挤出质量：用挤出机的内在质量和外在质量衡量。内在质量包括挤出制品的物理和化学性质和均匀性；外在质量为挤出制品的几何形状、外观、尺寸和色泽等。挤出物的质量主要取决于挤出机的熔融性能、物料在机内的塑化、熔融作用过程、混合和分散的机能。挤出物质量的好坏和选择的机型、螺杆以及工艺配方、原料质量及工艺条件的控制有直接关系。（3） 能量消耗：以单位时间内单位产量所消耗的功率值来衡量。主要由挤出机的加热功率和驱动功率组成。功率的消耗与螺杆直径的立方、粘度、转速的平方成及计量段的长度正比；以高效、低耗挤出机为优选机型。 （4） 机器的使用寿命：主要取决于机筒、螺杆和减速箱的磨损情况以及传动箱内止推轴承的使用寿命。选材、设计和制造精良的挤出系统、传动减速系统和自控系统，虽设备投资增加，但使用寿命长，维修费用低，产品质量好。1.6 常规螺杆的设计和选择1.6.1 选择和设计螺杆应考虑的因素挤出机的各部分具有的基本职能就是使挤出物在质量、数量和能耗方面满足和达到生产要求，其中关键部分是挤出机的挤压系统，而螺杆又是挤压系统中最重要的零件，因此，选择和设计适当螺杆的挤出机对挤出生产非常重要。（1）挤出物的质量 挤出物的质量包括外观、混合程度、基储物温度的均匀度、挤出压力的稳定性等。挤出物外观质量是指挤出时表面是否出现不光滑、波浪形、鲨鱼皮形、竹节形、气泡、针点、斑点和水纹等缺陷。挤出物混合质量是指挤出物各部分的分散程度。混合质量好，表明制品各点的性能均匀性好。挤出物温度的均匀度体现在沿径向的温度差和各点的温度随时间而变化的差值。挤出时的压力波动将引起生产率的波动，生产率的波动直接影响到制品的尺寸波动。因此，温差和压力波动值越小越好。（2）高聚物的种类和性质 不同的高聚物对挤出机的型式、螺杆的结构和几何参数有不同的要求。物料颗粒的形状、大小、松密度，熔融温度和软化点，熔融状态下的粘度、流动性、热稳定性，熔融温度范围，吸水性，物料中低分子挥发物的含量及其对挤出成型过程影响的程度等，除了在工艺条件上应进行必要的调节，亦应合理设计和选择挤出机的类型和螺杆结构、参数。（3）原材料组成和产品种类 许多产品的原材料往往不是单纯的一种树脂，而是由不同的树脂共混、其他物质对树脂进行填充或增强哦那个、液态的或固态的化学助剂在加工中起到物理的或化学的变化。根据原材料的不同，应设计和选择不同的挤出机类型和螺杆结构参数。聚合物的产品多种多样，从成型加工的角度可分为半成品和成品。成品的种类更是多种多样。若一台挤出机具有多种物料和产品的广泛使用性，称之为通用型；若对某一物料或产品的加工过程可获得较为突出的结果，称之为专用型。挤出机的挤压系统要根据不同的要求进行专门设计。1.6.2 螺杆结构形式的选择 螺杆式挤出机的核心部分，是塑化、输送塑料的最重要部件。其结构性能直接影响到挤出机的生产率、塑化混合质量及能量消耗。螺杆有多种形式，一下分别做介绍。（1）多功能组合式螺杆当今世界塑料界认为对现有树脂改性，是扩大塑料应用范围，增加制品品种，增加经济效益的最佳途径。组合式螺杆就是适应这一潮流而得到发展的。组合式螺杆由不同几何尺寸的螺纹套和混炼元件啮合盘组合在芯轴上形成的。螺纹套和啮合盘的位置和数量，根据不同聚合物和产品质量的要求进行变化组合。沿螺杆轴向的加料、输送、混炼、捏合、压缩、释压、排气和均化发生的位置、强度和各段的数量视不同物料的要求可做任意变化调整。用于配混改性的双螺杆可以形成四、五种组合，实现一机多用。统称多功能螺杆。与螺杆组合形式相适应的塑料由机型开发研发单位或制造商提供，给用户的使用带来极大的方便。双螺杆的分段不同于单螺杆的三段式，一般分四段，五段、六段或更多段数的也比较多。四段式的螺杆为：加料段、压缩熔融段、排气段和计量段。五段或六段的几乎都是是为了加强排气前的熔融混炼效果而设置的。组合式同向双螺杆配混挤出机适用于： 将不同品种、不同牌号的聚合物、塑料共混成均质的塑料合金或共混物，以获得具有全新综合性能的高分子材料。 向各种聚合物中添加各种无机填料，如硅灰石、红泥、碳酸钙、滑石粉、粉煤灰等，填充比可高达50%。 聚合物中添加各种添加剂，如阻燃剂、稳定剂、着色剂及制备高浓度母料等，均可获得很好的分散混炼效果。 在塑化混炼的同时，脱除聚合物中残留的各种溶剂、水分、单体、低聚物及其它挥发份。 向聚合物中添加增强材料，如碳纤维或玻璃纤维等，提高物理机械性能。 用于热固性塑料和粉末涂料的混炼造粒，以及聚合物的聚合反应等其它特殊用途。耐磨耐蚀螺杆耐磨耐蚀螺杆是在螺杆的表面镀上硬铬（防氯化物腐蚀特别有效）、喷涂或堆焊耐磨耐腐蚀兼有或耐磨的硬质合金，如镍基合金、钴基合金或碳化钨等，并与耐磨耐蚀的金属筒体相匹配，组成一对性能较好的摩擦副。它适用于向聚合物中添加强磨损的无机填料，如石棉、云母、玻璃纤维等的配混挤出；或是加工容易发生腐蚀性分解反应的物质（如氯化物、溴、碳化物等）、聚甲醛和硬聚氯乙烯等工程塑料等具有腐蚀性的聚合物材料的挤出。（ 2 ）普通型螺杆普通型螺杆为加料段、压缩段和计量段三段式螺杆。按螺槽容积的大小是否变化分为渐变型螺杆和突变型螺杆。 渐变型螺杆。渐变型螺杆从加料段开始向均化段方向螺槽的容积逐渐减小。螺槽容积减小一般有三种形式：(a)螺槽等距变深螺杆；(b)螺槽等深变距型螺杆；(c)螺槽变距变深螺杆。因等距变深螺杆易于加工而应用最广。 突变型螺杆。突变型螺杆加料段和均化段为等距等深螺纹，但螺纹的深度不同，螺纹深度的过渡在较短的熔融段上完成，程度仅为（12）D,突变型螺杆适用于粘度低、具有熔点突变的塑料。普通螺杆结构简单、造价低，但均化、塑化性差，挤出量容易波动，不适用于难加工的塑料。对非结晶型高聚物，由于物料熔融是在一个较大的温度范围内完成，所以选用等距渐变螺杆合适。而结晶型高聚物，犹豫温度升高至熔点之前没有明显的高弹态，或者说它的软化温度范围较窄，因此，一般选用等距突变螺杆。（3）排气螺杆排气螺杆的就够特点是螺杆上设置排气段，其实质是两根串联的三段式螺杆，排气段的各参数决定了螺杆排气性能的好坏。排气螺杆主要应用于加工吸湿性很强的聚合物和含有溶剂或水分的聚合物，在物料不预干燥情况下直接挤出，夹有大量空气的松散的絮状聚合物的挤出，以及连续聚合或后处理等。排气段数视空气、挥发份的含量和水分而定。当挥发份为1%3%时使用一段排气当挥发份为4%15%时使用两段排气当挥发份为16%50%时使用三段排气螺杆排气段长度大概在26D之间，以4D居多。螺杆排气段的真空度要求一般控制在200300mmHg左右。当脱除微量挥发份时，其真空度可提高到730750 mmHg；产品质量有更高有求的，其真空度可接近760 mmHg。（4）新型螺杆目前，世界各国研发的新型螺杆已有二百余种，其目的在于在普通螺杆的熔融段和计量段上增设混炼元件或用其它方法来保证输送能力，提高制品产量和质量及提高效率，降低能耗。即降低挤出温度，减少径向温差和温度波动，减少压力波动和产量波动，改善混炼效果，确保产品质量。新型螺杆种类繁多，按其结构用途大致有五种： 分流型螺杆其结构特征为：螺杆上装销钉或铣出凸柱、开分流沟或分流孔。具有代表性的是DIS螺杆和分流型销钉螺杆，在国内外得到广泛应用。组装该螺杆的机型产量高、混料均匀、波动很小（温度、压力、挤出量）、产品质量好。适用于发泡、硬聚氯乙烯挤出及聚乙烯与聚乙烯、聚苯乙烯和尼龙等配混挤出。 屏障型螺杆结构特征为：在螺杆上一定位置上设有“屏障”，以达到阻碍固相物料通过并促使固相熔融。其中最简单的一种螺杆是在普通螺杆的头部配置一个屏障型混炼元件。屏障元件有单屏障式、斜槽式、直槽式、三角槽式、深槽渐变型、斜槽双屏障式或多屏障式等结构形式。该螺杆适用于聚烯类物料。只要屏障元件设计选择合理，并能在特定的最佳工作条件下工作，也用于挤出热敏性的聚氯乙烯物料。 分离型螺杆分离型螺杆有各种形式，如PM型、ICT型、BM型、XLK型，但常选用的是BM型。BM型的结构特点是在普通螺杆的熔融段设有两条螺纹，前一条螺纹称称为固相螺纹，后一条称为液相螺纹。固相螺纹比液相螺纹低0.20.3毫米。该螺杆挤出量大而均匀，压力、温度、产量波动小。它不仅适用于聚烯烃、热敏性塑料的软、硬聚氯乙烯的物料，也可用于尼龙、聚碳酸酯和聚砜等。变流道型螺杆其结构特点是螺杆流道截面形状或流到的截面面积大小是变化的。其具有代表性的是波形螺杆。由于这种螺杆的剪切、压缩和放松比较频繁，因此不适合用于加工热敏性塑料。双波槽螺杆虽加工制造复杂，但塑化、混合质量好，适宜加工难以加工的塑料，且产量高。减压螺杆减压螺杆是在螺杆熔化范围内设有23D螺槽深度较浅的区域，其目的在于使熔融物料不致过热，避免过大的剪切热而导致塑料变质分解。此段之后是810D长的减压段，塑料在较小的剪切作用下，进行热量的扩散、匀化。适用于需脱挥发性气体物料和热敏性塑料的挤出。1.6.3 螺杆基本参数的选择螺杆的基本参数有：螺杆直径（D）、转速（n）、长径比（L/D）、压缩比（）和机头压力（p）。D、n、L/D、p是螺杆挤出机重要的技术参数，这些参数选定以后，相应的螺杆也就随之确定。1.螺杆直径螺杆直径的大小主要由转数和产量及其它几何参数决定的。挤出机的挤出量与螺杆直径的大小大致成线性关系。用户根据自己的生产规模选择螺杆直径，由螺杆产量与直径的关系式进行估算，或是由挤出机的产品样本给定的螺杆直径与产量对应关系值来确定所需螺杆直径。螺杆直径确定之后，相应的挤出机的型号即可选出。型号中的数字就是挤出机螺杆直径的公称尺寸。在初步确定挤出机螺杆的生产能力和转速之后，可有下列生产能力经验公式初步定出所需的螺杆直径： 式中： Q-生产能力 kg/h; D-螺杆直径 mm; n-螺杆转速 r/min；-经验出料系数，通常取=0.0030.007由公式计算出直径后，在从国标螺杆直径系列：30，45，65，90，120，150，200来选取。 2 复合式塑料挤出机2.1 挤出机型号说明根据国标橡胶塑料机械产品型号编制方法GB/T12783-91的规定，国产塑料挤出机主机及其辅机产品的型号由产品代号、规格参数（代号）设计序号组成，其规定格式如下：产品代号由基本代号和辅助代号构成，均由汉语拼音首字母表示。基本代号与辅助代号之间用短线“-”隔开。基本代号依次由类别代号、组别代号和品种代号组成。基本品种不标注品种代号。塑料机械的品种代号用三个以下的字母组成。塑料机械的辅助代号用于表示机组（代号为Z）、辅机（代号为F）、附机（代号为U）。主机不标辅助代号。设计序号是产品设计的顺序，按字母A，B，C顺序选用，但字母I，O不选，首次设计的机械产品不标注设计序号。2.2 挤出成型基本原理挤出成型是指将物料加入机筒与旋转着的螺杆之间，且进行固体的输送、压缩、熔融最终定量地通过机头口模进行成型。挤出过程基本的原理是通过对挤出理论的研究而得到的。经过多年的反复实验，已经阐明了塑料挤出机中的物料在一定的外力作用下随温度的不同而呈现的三种不同的物理状态同螺杆的结构、塑料的性能及加工的条件之间的关系。先要简明说出塑料的三种物理状态才能说明挤出成型的基本原理。2.2.1挤出过程中的物态变化规律在塑料挤出过程中，根据塑料在螺杆中的物态变化规律，可以将螺杆分成三个基本区域：加料段、压缩段、计量段。（1）加料段 它是从挤出机喂料口到塑料开始呈现熔融状态的一区段。在加料段，塑料所呈现的是呈固体颗粒状，加料段末端，塑料因受热而变软。（2）熔融段 它是从塑料开始熔融到螺槽内塑料完全熔融的一区段。它的作用是使塑料被进一步被塑化、压实，并将熔融的塑料里的气体压出，从加料口处排出。这样，就可以提高塑料的热传导性，使塑料的温度继续升高。为使塑料压实塑化良好，此区段的螺槽应逐渐变浅。（3）计量段（也称为均化段） 从熔融段末端到机头之前的一区段。当塑料处于均化段时，温度及塑化程度还不够均匀，因此，要对塑料进行进一步塑化均匀，再被定温、定压、定量地挤出。该区段的螺槽容积可以不变或者逐渐的变小。螺杆各段长度分配，要根据塑料物性的不同来确定。对于非结晶型塑料，因有十分明显的高弹形变，熔融段较长，一般设计为螺杆总长的50%60%。但对于结晶型塑料，因高弹态不明显，所以熔融段设计稍短一些。从计量段开始到机头的出口，塑料已基本变为均匀的粘流态，形成不可逆的塑性变形，冷却后形成的制品就是按设计要求形成的口模形状的最终产品。挤出过程中塑料的物态的变化是非常复杂的，许多因素的影响都很难形成完整的挤出过程理论。不过人们可以依据螺杆职能区过程研究，并且建立的三个职能区进行理论，对指导改进机头及螺杆机筒的设计，合理控制挤出工艺条件，提高质产量和质量具有十分重要的意义。2.2.2 塑料随温度的三态变化物质的性质是由物质的组成成分及分子结构决定的。塑料是高分子聚合物，它由柔性大分子链组成，分子量和分子间的相互作用是决定塑料综合物理性能的主要因素。根据高分子物理学可知，塑料在一定的外力作用下，受热时会出现三种物理状态：玻璃态、高弹态、粘流态，这三种物理状态在一定外在条件下可以相互转化。图2-2 恒压下热塑性塑料三态图1非结晶型聚合物；2结晶型聚合物3大分子量结晶型聚合物玻璃化温度即塑料从玻璃态转化为高弹态的温度。用表示；由高弹态转化为粘流态时的温度称为粘流温度，用表示。通常结晶聚合物的粘流温度称为熔融温度，用表示；塑料温度高到一定程度会发生分解，此时的温度称为分解温度，用表示。图2-2为塑料在恒压下随温度变化的三态图。下表2-1列出了常用挤出成型热塑性塑料的相转变温度。表2-1 几种热塑性塑料的转变温度塑料名称玻璃化温度粘流温度聚丙烯-18170176聚乙烯-110105135聚氯乙烯87212聚酰氨50200265ABS100聚甲醛-85180200聚硫酸脂150220260塑料成型方法就是根据塑料上述三种状态性质确定的。当塑料的温度在温度以下时，塑料的大分子和链段都不能自由运动，处于脆性玻璃态，成为坚硬的固体，当受外力作用时，其形态变量很小。这时的塑料只能用刨、钻、车、铣等机械加工工艺成型。当塑料温度到达以上时，塑料呈橡胶状柔软且富有弹性的高弹态，此时的塑料在较小的外力作用下，就会产生较大的变形；开始时，变形随温度的升高而增大，到一定温度后变形维持恒定。所以，当温度在高弹态的范围内，塑料可以用吹胀、弯曲、拉伸、热压及真空成型。当温度高于粘流温度时，塑料大分子可产生相对运动，且具有流动性。此时，对其施加一定的作用力，粘性流动的形变量就会随时间的增加而增大，当外力去除后，其形变不能恢复原状。因此在此温度范围内，塑料可以用挤出、注射及吹塑工艺进行加工。非结晶塑料（例如聚氯乙烯、ABS）和结晶型塑料（如尼龙）的三态变化有所不同，前者有很明显的三态变化，如图2-2中曲线1。而结晶型塑料在处于高弹态时无明显的高弹形变，当温度高于熔融温度时，塑料便很快处于粘流态，即有突变点，如图2-2中曲线2。当结晶型塑料分子量较大时，在粘流态会出现高弹形变（这种形变不利于挤出成型加工），会使塑料形成制品成型后存在内应力，使用时会开裂损坏。因此，在满足强度条件的前提下，挤出成型结晶型塑料时，应尽量选用分子量较低的原材料或提高成型温度，使之高于粘流温度30，使塑料在完全熔融条件下挤出成型。挤出成型是塑料在之间粘流态下进行，因此塑料的温度范围越宽，成型过程的操作就越容易（例如聚乙烯）；而的范围越窄，挤出成型会越困难。2.2.3 固体的摩擦输送理论 物料进入挤出机螺杆后，首先以固体状态向前输送，在螺杆加料段上，形成了固体输送区。研究固体物料在螺杆内输送过程的机理，其目的在于探索影响固体输送的因素和提高固体输送效率的方法，为提高挤出机生产效率创造有利的条件。从下面几个方面考虑来提高固体输送率：摩擦系数对固体输送率的影响、螺杆设计参数对输送率的影响、塑料原材料对输送率的影响及挤出工艺条件对输送率的影响等。螺杆参数是影响固体输送率的重要因素。在螺杆各参数中，螺杆螺旋角、加料段螺槽深度h1对固体输送率影响较大。适当增加机筒内壁粗糙度，是提高固体输送率的另一个措施。但机筒表面粗糙度不可太大，因为挤出要求机筒与螺杆之间的间隙很小，一般为0.10.5mm（一般随螺杆直径增大而取大值）。若机筒表面粗糙度过大，将会增加螺杆与机筒之间的磨损，反而会降低挤出量。另外，塑料沿机筒与螺棱之间的倒流料会粘附在机筒表面，时间长了将分解，会使物料中夹杂发黄的硬微粒，降低制品表面质量与强度。所以设计时一般机筒表面粗糙度低于螺杆表面粗糙度即可。另外，在机筒内表面开纵向沟槽，也能增加塑料与筒壁的摩擦系数与摩擦力，这是固体输送理论研究成果在机筒设计中最好的应用例子。纵向开槽的机筒，特别适用于聚氯乙烯粉料成型加工，也适用于挤出厚壁大型制品或需要提高固体输送率的场合。纵向沟槽的长度从加料口开始，一般为机筒直径的35倍，粉料加工科适当加长至610倍。纵向沟槽的数目一般为412条，在机筒壁圆周内均匀分布。所开纵向沟槽深度一般为等深，或在靠加料口处略深一些。虽然开纵向沟槽可以提高产量，但同时还要避免塑料在纵向沟槽处的摩擦热升温，使物料提早熔化，为此，在开沟槽处机筒段应通冷却水进行强制冷却，以免因塑料升温而降低固体输送率。从加工及造价考虑，由于机筒内壁开沟槽，加工比较困难，成本较高，生产中又容易磨损。所以，只有固体输送率较低的粉料加工或需提高产量时才使用。多数情况采用平直机筒即可。2.2.4 塑料的熔融理论熔融段是固体输送段和熔体输送段之间的部分。在熔融段内塑料从固态转变为熔融态，并且高弹态与粘流态共存。因此，熔融段塑料的流动情况比固体输送更为复杂。熔融理论研究的是在熔融段内塑料的熔融过程及其流动情况。它是建立在流变学、热力学等基础上的理论，用于指导螺杆熔融段的设计。在对塑料挤出机的融化研究过程中，研究者对本色塑料和黑色塑料的混合物进行挤出试验，令正常运转的挤出机突然之间停车，迅速冷却螺杆和机筒，使螺槽内的熔体塑料固化，把螺杆和固化了的塑料一起从机筒中顶出，剥下螺槽内的塑料带，然后在静态下观察分析塑料从加料段到熔融段再到挤出段的全过程变化。现在，人们已经利用全程可视化挤出机或小型透明机筒的挤出机，在动态下观察研究塑料的熔融过程以及塑料在螺杆内的实际变化情况。下面描述的是塑料在挤出过程的变化：从加料段开始，固体塑料颗粒在螺杆的推进下，从分散的状态渐渐到未熔融的紧密的固体状态，螺槽中与筒壁接触部分及螺杆与筒壁之间的部分在筒壁热及摩擦热的作用下，塑料最先升温形成薄熔膜。塑料向前输送，螺棱将熔体刮落，并推至螺槽内推进面一侧。螺槽中的熔池宽度不断增加，而固体床的宽度不断减少，直到固体床最终消失。熔融塑料充满在螺槽内，熔融过程结束。2.2.5 熔体输送理论熔体输送区的作用相当于一个泵，对物料进行进一步均匀混合、融化和加压，然后使其在适宜的温度下，定压、定量地输送到机头。所以，熔体输送段有时又称为计量段、压出段或均化段。研究这一段的基本规律的理论称为熔体输送理论，又称流体动力学理论。该理论于1953年提出，以流体动力学为理论基础，假设熔体在两块无限大的平行板之间流动建立了计算公式。在进行粗略设计时，一般将此段的生产率代表挤出机的生产率。将此段的动力消耗作为整个挤出机功率计算的基础。2.2.6 挤出机的工作状态1 螺杆特性线挤出机稳定工作时，若 式中 反流系数，cm;正流系数，cm； 漏流系数，cm。 、与螺杆参数有关，对一根确定的螺杆，这三个参数的数值基本不变，若挤出机螺杆与机筒间隙正常，则不考虑漏流因素，则挤出量为： 当螺杆转速和温度不变时，不变，所以挤出量与压力降成线性关系。在确定转速下的Q-P为线性关系，就称为螺杆特性线。同一根螺杆，在不同转速下得到的不同的螺杆特性线，称为螺杆特性线族。由上式可得出如下结论：（1）螺杆转速不变是，挤出机挤出量随压力的升高而下降，其下降的程度取决于螺杆的几何参数和胶料的粘度。（2）增加均化段的螺槽深度，将会增大螺杆特性线的斜率，而使挤出量随压力的变化幅度而增加，这不利于对挤出机的控制操作。（3）增加均化段的长度，会使螺杆特性线斜率减少，使挤出量随压力的变化减少，这有利于对挤出机的控制操作。（4）在相同压力下，挤出机的螺杆的转速高，挤出量越大。2 口模特性线在确定螺杆特性曲线时，挤出机压力是一项重要指标，而压力取决于螺杆几何参数、机头内腔流道、口模及胶料性质。所以，要保证挤出机流量的稳定，了解机头口模对压力及流量的影响是非常重要的。口模特性表示了机头中熔体的流量与压力之间的关系。当假定熔体为牛顿流体时，通过机头口模的体积流量Q可以由下式表示：上式中 Q熔体通过口模时的体积流量，； P熔体通过口模时的压力降，MPa； K由口模尺寸及形状决定的机头阻力常数； 口模内熔体的粘度，Pas。对于给定的口模，如果不考虑温度影响，机头压力与挤出机的挤出流量呈线性关系，其斜率为K/。2.3 复合式塑料挤出机的主要技术参数和规格复合式塑料挤出机的主要技术参数有：（1）螺杆公称直径。 指螺杆外圆直径，用D表示，单位（mm）；对于变径螺杆而言，公称直径是个变值。（2）螺杆长径比。 指螺杆有效长度L（有螺纹部分长度，即由加料口中心线到螺纹末端的长度）与外径D之比，用L/D表示。（3）螺杆的转动方向。 双螺杆的转向有同向和异向之分。（4）螺杆转速范围。 指螺杆的最低转速到最高转速间的允许值单位（r/min）；（5）驱动电机功率。表征挤出机的驱动能力用P表示，单位（KW）；（6）机筒加热功率。指双螺杆挤出机加热功率的总和，用H表示，单位（KW）；（7）双螺杆中心距公称尺寸。 指平行布置两螺杆中心的距离，用a表示，单位为(mm)；（8）实际比功率。 指每小时平均加工1kg物料所需实际使用功率指标；（9）比流量。 指挤出机螺杆每转的生产能力；（8）生产能力：指每小时的制品挤出量，用Q表示，单位（kg/h）；2.4 本次所设计挤出机类型的确定由于同向双螺杆挤出机具有分布混合及分散混合良好、自洁作用较强、可实现高速运转、产量高等特点，特别适用于聚合物的改性，如共混、填料、增强及反应挤出。并且本次设计的挤出机主要用于复合塑料挤出，因此应设计啮合同向双螺杆挤出机。3 复合式塑料挤出机性能参数的选择3.1 螺杆直径的选择同向啮合双螺杆挤出机的几个主要特征参数：螺杆直径、螺杆中心距公称尺寸、长径比、螺杆转速要求及范围、挤出机功率和挤出机加热功率在进行挤出机设计或选用前，首先要对这些参数给予确定。螺杆直径：即螺杆的外径，它是挤出机的重要参数，一般用D表示，单位为mm，它表征挤出机挤出量的大小。在设计或选用挤出机前，一般挤出机生产能力及转速已经确定，螺杆直径的选取主要是根据挤出机的产量来确定设计参数：生产以聚氯乙烯（PVC）为主料的复合塑料，最大产量为 200Kg/h，最高转速为260r/min