挤出成型PPT课件.ppt

第四章挤出成型 挤出成型是使高聚物的熔体 或粘性流体 在挤出机的螺杆或柱塞的挤压作用下通过具有一定形状的口模而连续成型的方法 所得的制品为具有恒定断面形状的连续型材 挤出成型是高分子材料加工领域产量较大 生产率高 适应性强 用途最广泛的成型加工方法 挤出机的产量仅次于注射机 在塑料高分子加工机械中产量占第二位 singlescrewextruder Feedingcooling Sensorports 2standard othersoptional Screwback pressuresensor optional collarsforheatingandcooling 1 挤出成型特点 适合于所有高分子材料的加工 几乎能成型所有的热塑性塑料 也能加工少数热固性塑料 塑料挤出的产品多 有管材 板材 棒材 片材 薄膜 单丝 电线电缆包覆层 各种异型材以及塑料与其他材料的复合物等 挤出工艺还可用于塑料的着色 混炼 塑化 造粒 及塑料的共混改性等 以挤出为基础 配合吹胀 拉伸等技术则发展成为挤出 吹塑成型和挤出 拉幅成型制造中空吹塑制品和双轴拉伸薄膜制品 挤出成型特点 橡胶的挤出成型通常称压出 压出是使胶料通过压出机连续地制成各种不同形状半成品的工艺过程 广泛用于制造轮胎的胎面 内胎 胶管及各种断面形状复杂或空心 实心的半成品 也可用于包胶操作 在合成纤维生产中 螺杆挤出熔融纺丝 是从热塑性塑料挤出成型发展起来的连续纺丝成型工艺 在合成纤维生产中占有重要的地位 2 挤出成型分类 根据物料塑化方式不同 挤出成型可分为干法挤出和湿法挤出两种 干法挤出是靠外加热将物料变成熔体 塑化与挤出在挤出机内完成 制品的定型处理为简单的冷却固化 湿法挤出物料的塑化是通过有机溶剂对物料的作用 使其成为粘流状态 塑化是在挤出机以外预先完成的 制品的定型处理是依靠溶剂的挥发而固化 湿法挤出的优点是物料塑化均匀 可以避免物料成型时的热降解 但溶剂回收麻烦 环境污染大 目前仅用于 挤出成型 纤维素塑料等不能加热塑化的少数几种塑料的加工 3 挤出设备分类 螺杆式挤出机和柱塞式挤出机 前者为连续式挤出 后者为间歇式挤出 螺杆式挤出机又分单螺杆挤出机和多螺杆挤出机 目前单螺杆挤出机是生产上用得最多的挤出设备 多螺杆挤出机中双螺杆挤出机近年来发展最快 挤出设备分类 柱塞式挤出机借助于柱塞的推挤压力 将事先塑化好的或由挤出机料筒加热塑化的物料从机头口模挤出成型的 物料挤完后柱塞退回 再进行下一次操作 生产是不连续的 而且挤出机对物料几乎没有混合作用 故生产上较少采用 但由于柱塞能对物料施加很高的推挤压力 所以可应用于熔融粘度很大及流动性极差塑料的加工 如聚四氟乙烯和硬质聚氯乙烯管材的挤出成型 4 1单螺杆挤出机基本结构及作用 组成 挤出系统 传动系统 加热和冷却系统及控制系统等 挤出系统是挤出机的关键部分 对控制挤出制品的质量和产量起着重要作用 挤出系统通常包括 加料装置 料筒 螺杆 机头和口模等 单螺杆挤出机结构示意图 4 1 1加料装置 挤出成型的供料一般是粒料 粉料和带状料 单螺杆挤出机通常使用粒料 双螺杆挤出机可加粉料或粒料 橡胶挤出机 压出机 一般加带状料 加料装置的作用是保证向挤出机料筒连续供料 加料装置 料斗 形状通常呈漏斗状 有圆锥形和方锥形两种 料筒连接料斗的部分称为料斗座 料斗座带有冷却水套 防止高温料筒的热量传向料斗 避免料斗中的料因受热而产生 架桥 现象 为了加工吸水性物料 料斗还可设预热干燥装置 为了加强搅拌或防止粉料的 架桥 现象 料筒 可在料斗内设置搅拌器 为了减轻操作工的劳动强度 料斗可采用定时自动上料装置 4 1 2料筒料筒 机筒 的结构比较简单 是一个受热 受压的金属圆筒 螺杆在料筒内旋转 将物料向机头方向输送并将物料压实 在输送过程中物料受到来自料筒的外加热和物料与物料之间物料与螺杆 料筒的摩擦热的作用熔融 熔融的物料被定量 定压 定温地挤出机头 为了使挤出的物料密实 挤出机 料筒结构 料筒 料筒 料筒内必须有一定的压力 由机头阻力和螺杆的压缩比等产生 因此料筒必须能承受一定压力 教材介绍最高可达55Mpa 所以料筒应具有足够的强度和刚度 对于单螺杆挤出机生产过程中一般压力没有教材所说的那么高 大概在10Mpa以下 在进行料筒设计时除了考虑要承受压力外 还要考虑热惯性 一般实际厚度要大于承受压力所要求的厚度 料筒 根据所对应职能区的不同 料筒的加热冷却系统也分段设置 通常分三至四段 机头加热 机头不冷却 一般分两段 所以控制柜上通常有5 6组温度控制仪表 冷却一般采用风冷或水冷 冷却的目的是防止料筒内物料过热降解和停车时对料筒内的物料快速冷却 由于部分物料在高温下具有腐蚀性 有些填料和增强材料对料筒有磨损 所以料筒的材料宜采用高强度的合金钢或双金属料筒 4 1 3螺杆 螺杆是挤出机最主要的部件 1 螺杆的结构常规普通单螺杆挤出机全螺纹螺杆 等距变深 一般分三段 第一段为加料段 固体输送段 该段槽深最深且不变 第二段压缩段 熔融段 槽深由深变浅 第三段均化 计量段 槽深最浅且不变 有些螺杆内部有孔 可通冷却水冷却螺杆 冷却螺杆的目的有两个 一是使螺杆表面温度略低于料筒温度 防止物料粘附其上 有利于物料的输送 二是防止螺杆因长期运转与塑料摩擦生热而损坏 螺杆 螺杆 螺杆的几何结构参数 螺杆结构主要参数 2 螺杆的几何结构参数 1 螺杆直径DS指其外径 通常在30 200mm之间 最常见的是45 150mm 螺杆的直径大 挤出机的产量高 所以挤出机的规格型号常一螺杆的直径表示 如挤出机型号SJ 45 表示塑料挤出机螺杆直径45mm 国标规定的螺杆直径系列是 30 45 65 90 100 120 150 200mm 2 螺杆的长径比L DS指螺杆工作部分的有效长度与直径DS之比 L DS大能提高挤出机的生产能力 有利于物料的混合 螺杆的适应性强 螺杆的几何结构参数 但加工安装困难 不适于热敏性物料的加工 L DS小对塑料的混合塑化不利 目前螺杆长径比有增大的趋势 3 螺杆的压缩比A指螺杆加料段第一个螺槽的容积与均化段最后一个螺槽的容积之比 一般约等于H1 H3 H1 H3分别为加料段和均化段槽深 该压缩比也称为几何压缩比 物理压缩比是指塑料在熔融状态下的密度于固体松散状态下的密度之比 螺杆的几何结构参数 挤出机的几何压缩比应大于物理压缩比 粉状塑料的相对密度小 夹带空气多 螺杆的压缩比应大于粒状料 螺杆的压缩比一般是通过螺槽的等距变深 等深变距和变距变深的方法来实现的 国内一般采用等距变深的方法实现螺杆的压缩比 4 螺槽深度H一般螺槽的深度H1 H2 H3分别表示三段的槽深 H3小时挤出机对物料的剪切速率大 有利于传热和塑化 但挤出生产率低 H3大则反之 H3大适于加工热敏性物料 如HPVC 的加工 H3小的浅槽螺杆 螺杆的几何结构参数 可加工熔体粘度低和热稳定性好的塑料的挤出成型 5 螺旋角 是螺纹与螺杆横截面之间的夹角 角大 挤出机的产量高 但螺杆对塑料的挤压和剪切作用减小 角一般在10 30 之间 螺杆中沿螺纹走向 螺旋角大小有所变化 根据挤出理论和实验证明 30 最适合细粉状料 15 适于方块料 17 则适于圆柱料 在均化段 30 时 挤出机产率最高 在实际生产 螺杆的几何结构参数 过程中 一般取17 7 此时螺杆直径等于螺距 DS LS 螺杆的机加工比较方便 6 螺棱部分宽度E螺棱宽度E太小会使漏流增加 产量降低 E太大会增加螺棱上的功率消耗 螺棱上的物料过热的危险 传热量大 剪切热大 7 螺杆与料筒的间隙 的大小影响挤出机的生产能力和物料的塑化 值大 生产效率低 不利于热传导 剪切速率低 不利于物料的熔融和混合 过小 剪切速率大 螺杆的几何结构参数 易引起物料过热降解 对螺杆 料筒的加工和安装要求高 3 螺杆的作用挤出加工时 螺杆的运转对物料产生下列三个作用 1 输送物料螺杆转动时 物料在旋转的同时受到轴向力的压力 向机头方向流动 2 塑化物料螺杆与料筒配合使物料接触传热面不断更新 在料筒的外加热和螺杆的剪切摩擦热的作用下 物料逐渐软化 熔融 螺杆的作用 为粘流态 3 混合均化作用螺杆与料筒和机头配合产生剪切作用和物料垂直螺棱方向的流动以及漏流 使物料进一步混合 并定量定压由机头挤出 螺杆各功能区示意图 4 螺杆的形式 为了满足加工不同塑料的要求 设计了不同形式的螺杆 螺杆一般分为普通螺杆和高效专用型螺杆 新型螺杆 1 普通螺杆是指常规全螺纹三段螺杆 这种螺杆应用最广泛 普通螺杆中又以等距变深螺杆应用最多 根据压缩段 熔融段 长度的大小 普通螺杆又分为通用型螺杆 渐变型螺杆和突变型螺杆三种 普通螺杆形式 a 渐变型螺杆的压缩段较长 有的螺杆 如加工聚氯乙烯的螺杆 螺杆全长均起压缩作用 这样的螺杆即为渐变型螺杆 这种螺杆适于加工非晶型塑料 b 突变型螺杆的压缩段很短 压缩段长度为3 5DS 这种螺杆适于加工熔融温度范围窄的结晶型塑料 普通螺杆形式 c 通用型螺杆的压缩段长度介于渐变型和突变型螺杆之间 适于大多数物料的加工 2 高效螺杆 新型螺杆 将在后面章节一部分介绍 渐变型 突变型螺杆 普通螺杆存在的问题 a熔融段固体床与熔池同处一个螺槽中 降低了熔融效率 挤出产量不高 熔池不断增宽 固体床逐渐变窄 减少了固体床与料筒的接触面积 从而减少了料筒传给固体床的热量 b固体床过早解体形成固体床碎片 固体床破碎 造成熔融速度缓慢 普通螺杆存在的问题 c固体床过早破碎 还造成一部分物料得不到彻底熔融 另一部分物料过热 导致物料温度不均匀 d压力波动 温度波动和产量波动大 e普通螺杆往往不能适应一些特殊物料的加工或进行混炼 着色等工艺 解决普通螺杆存在问题的一些做法 1 从工艺的角度a 提高螺杆转速以提高生产力 转速过高 物料在料筒的停留时间短 物料在均化段前不能全部熔融 同时压力波动大 b 提高料筒温度 促使残余固态物料熔融 对于热敏性物料加工温度不能太高 同时也增加了辅机冷却系统的负担 由于温度高 制品冷却过程中会产生很大内应力 解决普通螺杆存在问题的一些做法 2 从螺杆结构角度改进加料段结构 解决输送效率低的问题 设置加料螺杆 料筒加料段开设沟槽 IKV系统 增大螺杆长径比以提高生产能力和挤出物质量 但长径比大 挤出机的制造安装困难 上述措施未能从根本上改变普通螺杆螺杆存在的问题 因此人们针对普通螺杆的缺陷 研制了几种新型高效螺杆 几种典型的高效螺杆 1 分离型螺杆 针对常规螺杆因固液相共存于同一个螺槽中所产生的缺点 在熔融段采取措施 采用主附螺纹 开设熔体槽等 将已熔物料与未熔的固相尽早分离 促使未熔物料更快地熔融 已熔物料不再承受导致过热的剪切 从而获得低温挤出 并在保证塑化质量的前提下提高挤出量 具体有BM型和熔体槽型两种 分离型螺杆 分离型螺杆工作示意图 螺杆 其它类型的分离型螺杆 分离型螺杆 几种典型的高效螺杆 2 屏障型螺杆 基本结构 在一段外径等于螺杆直径的圆柱上交替开出数量相等的进出料槽 进料槽出口在轴线方向是封闭的 出料槽入口在轴线方向也是封闭的 两组槽隔一相间 将进料槽和出料槽隔开的棱面与料筒的间隙大小为 屏障型螺杆 几种典型的高效螺杆 工作原理 螺杆工作时 物料从熔融段进入均化段后 含有未熔融的固体颗粒到达屏障型混炼段时 被分成若干股料进入屏障混炼段的进料槽 熔融料和粒度小于 的故相碎片才能越过间隙进入出料槽 粒度较大的固相碎片被屏障挡住并继续熔融 塑化不良的小颗粒在通过间隙 时受到强烈的剪切作用 而完全熔融 进入出料槽的物料在槽中产生涡流而得到混合 几种典型的高效螺杆 屏障通常设置在熔融段末段到螺杆头之间 所以习惯称为屏障头 带有屏障头的螺杆其产量 制品质量 单耗等指标均优于常规全螺纹螺杆 为什么要设置在熔融段末段到螺杆头 请课后思考 几种典型的高效螺杆 3 分流型螺杆 是指在螺杆的某一部位设置许多突起部分或沟槽或孔道将螺槽内的料流分割 以改变物料的流动状况 以促进熔融 增强混炼和均化的一类螺杆 具有代表性的是销钉型和DIS型 4 组合型螺杆 螺杆不是整体制造 它是将起输送固体料 压缩熔融 剪切 混炼等作用的元件 根据需要组装而成的螺杆 特点 适应性强 专用性强 分流型螺杆 分流型螺杆 分流型螺杆 DIS 混合元件 分配混合 几种典型的高效螺杆 5 静态混合器 设置在口模和螺杆之间的固定元件 它不是螺杆的一部分 主要作用是混炼 改善径向 TD 方向的温度均匀性 对流动方向 MD方向 的温度波动改善不大 新型螺杆设计中应注意的几个问题 a首先必须确切地弄清各种新型螺杆的工作原理 适用场合 例如 销钉型 DIS型属于混炼型螺杆 适于混炼 获得均匀熔体 屏障型则是剪切型螺杆 适于塑化物料 b选择合适的混炼和剪切元件的位置 c螺杆的熔融能力必须与计量及固体输送能力相匹配 新型螺杆设计中应注意的几个问题 总之 设置新型螺杆的混炼元件和剪切元件时 必须注意到每一种元件都具有各自理想的工作条件 只有在理想工作条件下 它才能很好地工作 因此不加分析地使用混炼和剪切元件或盲目地在一根螺杆上叠加多种元件 想以此得到好的效果的做法是不可取的 4 1 4机头和口模 机头是口模与料筒的过渡连接部分 口模是制品的成型部件 通常机头和口模是一个整体 习惯上统称为机头 机头和口模的作用为 1 使粘流态物料从螺旋运动变为平行直线运动 并稳定地导入口模而成型 2 产生机头阻力 回压 使物料进一步均化 并获得结构密实和形状准确的制品 提高制品质量 机头结构示意图 管机头 管材成型机头 机头和口模 多孔板 粗滤器 和过滤网 多孔板是一块多孔的金属圆板 孔眼的大小和板的厚度随料筒的直径增大而加大 过滤网为2 3层的铜丝网或不锈钢丝网 多孔板和过滤网的作用是改变塑料的旋转运动为平直运动 过滤粘流态物料中可能混入的杂质和未熔融或分解焦化的物料 同时增大料流压力 机头和口模 机头口模设计注意事项 为了获得塑料成型前必要的压力 机头和口模的流道型腔应逐步连续地缩小 产生压缩比 过渡到所要求的成型截面形状 机头内流道应光滑 呈流线型 不存在死角 为了保证料流的稳定以及消除熔接缝 口模应有一定长度的平直部分 4 2挤出成型原理 塑料能进行加工的依据是 高聚物一般存在玻璃态 高弹态和粘流态三种物理状态 在一定条件下 温度 压力 剪切等 这三种状态可发生相互转化 高分子材料的成型加工 压制 压延 挤出 注射等 一般是在粘流态下进行的 4 2 1挤出过程和各段的职能 挤出机的工作过程固体输送塑料由料斗进入料筒后 随着螺杆的旋转而逐渐推向机头方向 在加料段 螺槽被松散的固体粒子 或粉末 所充满 物料开始被压实 熔融物料当物料进入压缩段后 由于螺槽逐渐变浅 以及机头 多孔板和过滤网的阻力 在料筒中的物料形成很高的压力 把物料压得很密实 同时在料筒外加热和螺杆 料筒对物料的混合 剪切作用所产生的 挤出机的工作过程 内摩擦热的作用下 塑料的温度逐渐升高 对于常规的三段全螺纹螺杆来说 大约在压缩段的1 3处与料筒壁相接触的某一点的物料温度达到粘流温度 开始熔融 随着物料的不断向前输送 熔融的物料量逐渐增多 未熔物料减少 大约在压缩段的结束处 全部物料熔融转变为粘流态 但此时各点的物料温度尚不均匀 挤出机的工作过程 均化计量经过均化段的均化作用 物料温度就比较均匀了 最后螺杆将熔融物料定量 定压 定温地挤入机头 4 2 2挤出理论 1 挤出理论的研究方法 黒箱 挤出理论的研究目的是 试图建立合适的物理 数学模型 研究物性参数 螺杆参数和加工参数通过挤出机这一 黑箱 的 加工 后与产量 能耗 料温 料压等之间的关系 从理论上来分析解决生产实际中的实际问题 指导生产 进而对挤出机进行改进 2 挤出理论的理论基础和研究历史 固体输送理论 以理论力学为基础 1922年建立了固体输送理论 比较典型的是Mol塞流理论 该理论认为在固体输送段 物料均为固体且被压缩为固体塞 物料的输送是靠与料筒 螺杆的摩擦作用实现的 后来人们研究发现该理论存在一些缺陷 如固体物料进入料筒后 并未立即形成 塞流 而是 散粒流 经过输送一段距离后才形成 塞流 挤出理论的理论基础和研究历史 北京化工大学的朱复华教授利用透明视窗挤出机和剖分机筒挤出机研究了挤出理论 提出了 散流 固体输送理论 研究结论与实际结果比较接近 熔融理论 熔化理论 由于熔融段存在相变过程 该理论的研究比较复杂 直到1965 1967年 才有Z Tadmor等研究人员在大量实验的基础上 经分析总结提出了塑料在挤出机熔融段的熔融模型 挤出理论的理论基础和研究历史 熔体输送理论 熔体输送理论的研究过程比较简单 在熔体输送段螺槽中为熔体所充满 所以1925年建立了以流体力学为理论基础的熔体输送理论 挤出理论研究 剖分机筒 挤出理论研究 移去上部分料筒物料的在螺杆上的状态 挤出理论研究 透明视窗挤出机 挤出理论研究 通过透明视窗观察到的物料状态 固体输送理论模型 固体输送 固体输送理论模型 固体输送受力分析 3 挤出理论 1 固体输送理论固体输送理论认为物料与螺槽和料筒内壁所有面紧密接触 形成具有弹性的固体塞子 并以一定速率向机头方向移动 固体塞在螺槽中的运动可分解为轴向运动和旋转运动 轴向运动起输送物料的作用 而固体塞的移动情况是旋转运动还是轴向移动占优势 主要决定于螺杆表面和料筒表面的与物料之间的摩擦力的大小 只有物料与螺杆之间的摩擦力小于物料与 固体输送理论 料筒之间的摩擦力时 物料才能沿轴向前移 否则物料将与螺杆一起转动 因此在螺杆设计和加工时 适当提高物料与料筒的摩擦系数 减小物料与螺杆的摩擦系数 可以提高固体输送效率 提高固体输送效率的方法 a 增大物料与料筒的摩擦系数 减小物料与螺杆的摩擦系数 具体措施是 对螺杆表面进行抛光 降低表面粗糙度 螺杆中心通冷却水 适当降低螺杆的表面温度 在加料段的料筒内壁开设一些纵向沟槽 以增加物料与料筒间的径向摩擦力 b 适当增加螺槽深度H1和螺旋角 加料段开设纵向沟槽的料筒 Specialsinglescrewextrudersforfoodextrusion Specialgroovedextruderbarrel non wallstickingmaterialcanbeextruded 熔融区物料的固液共存区 透明区为熔融的液相 不透明区为固相 熔融过程螺槽中固 液相边缘也在熔融 无颗粒分界线 2 熔化理论 熔融理论 a 熔化过程当固体物料从加料段进入压缩段时 物料是处在逐渐软化和相互粘接的状态 与此同时越来越大的压缩作用使固体粒子被挤压成紧密堆砌的固体床 固体床在前进过程中受到料筒外加热和内摩擦热的同时作用 逐渐熔化 首先在靠近料筒表面处形成熔膜层 当熔膜层厚度超过料筒与螺棱间的间隙时 就会被旋转的螺棱刮下来并汇集于螺纹推力面的前方 形成熔池 而在螺棱的后侧则为固体床 随着螺杆的转动 来自 熔化理论 料筒的外加热和熔膜的剪切热不断传至未熔融的固体床 使与熔膜接触的固体粒子熔融 因此 在沿螺槽向前移动的过程中 固体床的宽度逐渐减小 直至全部消失 即完成熔化过程 b 相迁移面熔化区内固体相和熔体相 液相 的界面称为相迁移面 大多数熔化均发生在此分界面上 它实际是固体相转变为熔体相的过渡区域 熔体膜形成后的固体熔化是在相迁移面处发生的 所需的热量一部分 熔化理论 来源于料筒的外加热通过熔膜传递的热量 另一部分则来源于螺杆和料筒对熔膜的剪切作用 c 熔化长度在熔化区 物料的熔化过程是逐渐进行的 自熔化区起始点A开始 固体床的将逐渐减小 熔池的宽度逐渐增加 直到熔化区终点B 固体床的宽度下降到零 从熔化开始到固体床的宽度降到零为止的总长度 称为熔化长度 熔化长度的大小反映了固体的熔化速度 一般熔化速度越高则熔化长度越短 反之越长 熔化理论 d 模型假设挤出过程是稳定的 即在挤出过程中螺槽内的熔化物料与固体床的分界面位置是固定不变的 固体床是均匀的连续体 而且螺槽的横截面为矩形 物料的熔融温度范围较窄 因此固液相之间的分界面比较明显 螺杆相对静止 料筒相对运动 当熔膜厚度超过螺杆与料筒的间隙时 熔膜被料筒表面拖曳 熔化理论 汇集于熔池 同时固体床以恒定的速度移向分界面 以保持稳定的状态 固体粒子的熔化是在分界面上进行的 熔融 熔化 理论模型其中 X z 固体床宽度 W 螺槽宽度 Tb 料筒温度 Tm 物料的熔点 Ts 固体床的初始温度 1 料筒熔膜 2 螺杆熔膜 3 固体床 4 熔池 熔融区的固相破碎现象 3 熔体输送理论 在均化段 物料不仅受到旋转螺杆的挤压作用 同时还受到由于机头口模的阻力所造成的反压作用 物料的流动情况很复杂 一般可分为下列四种流动形式 a 正流是物料沿螺槽方向 Z向 向机头的流动 是均化段熔体的主流 它起到挤出物料的作用 这种流动是由物料在螺槽中受料筒摩擦拖曳作用而产生的故也称为拖曳流 正流在螺槽中沿螺槽深度方向的速度分布是线性变化的 正流 逆流 正流 熔体输送理论 b 逆流沿螺槽与正流方向相反的流动 它是由机头口模 过滤网等对料流的阻碍所引起的反压流动 故又称压力流动 它将引起挤出生产能力的损失 逆流的速度呈抛物线形分布见上图所示 正流和逆流的综合流称为净流 c 横流物料沿x轴和y轴两方向在螺槽内往复运动 也是螺杆旋转时螺棱的推挤作用和阻挡作用所造成的 仅限于在每个螺槽内的环流 对总的挤出生产率影响不大 但对物料的热交换 混合和进一步均匀塑化影响很大 熔体在螺槽中的流动方式 熔体输送理论 d 漏流物料在螺杆和料筒的间隙沿着螺杆的轴向往料斗方向的流动 它也是由于机头和口模等对物料的阻力所产生的反压流动 由于螺杆与料筒间的间隙很小 故在一般情况下漏流要比正流和逆流小得多 速度分布见下图 注 为了画图方便 该间隙夸大了 挤出机的生产能力 正流 逆流 漏流 熔体在螺槽中的流动方式 4 2 3挤出机的生产率 挤出机生产率的计算方法有下列几种 a 实测法qm 60 v G 其中 qm 挤出机的生产能力 kg h v 从机头口模挤出制品 或半成品 的线速度 m min G 挤出1m长制品 或半成品 的质量 kg m 挤出机的时间利用系数 一般 0 7 0 85 挤出机的生产率 b 按经验公式计算qm D3 n其中 系数 一般 0 003 0 007 D 螺杆直径 cm n 螺杆转速 r min c 按固体输送理论计算其中 qm 0 06 Ds A n cos Ds 螺杆螺纹的平均直径 cm A 螺纹槽的横断面积 cm2 A W h 挤出机的生产率 物料的密度 g cm3 n 螺杆转速 r min 挤出机的传送系数 一般 0 2 0 5 新机器取大值 旧机取小值 螺纹的螺旋角 此公式没有考虑存在于挤出内的粘性物料 也未考虑机头阻力和因温度 粘度改变而引起的物料与料筒 螺杆摩擦系数的改变 挤出机的生产率 d 按熔体输送理论计算挤出机的生产能力 正流 逆流 漏流 4 2 4螺杆和机头 口模 的特性曲线 1 螺杆特性曲线根据挤出机产量公式qv An B可知 对于给定的螺杆 A与B均为常数 如果以挤出压力为横坐标 产量为纵坐标 改变转速可得到一组斜率为 B 的直线 该直线即为螺杆特性曲线 见下图 而螺杆特性线的倾斜程度主要取决于均化段螺槽深度H3 H3越大特性线越倾斜 意味着挤出机的产量对机头阻力 挤出压力 敏感 我们称 螺杆特性曲线 螺杆特性曲线n4 n3 n2 n1 螺槽深度对螺杆特性的影响 H1 H2 H3 H1 H2 H3为计量段槽深不同的螺杆的槽深 计量段槽深对螺杆特性的影响 螺杆 机头特性曲线 该螺杆特性软 H3越小螺杆特性线越平 意味着挤出机的产量对机头阻力 挤出压力 不敏感 我们称该螺杆特性硬 2 机头 口模 特性曲线假定聚合物熔体为牛顿流体 则通过机头口模的体积流率qv为 qv k p 式中k为机头口模的阻力常数 仅与口模的尺寸和形状有关 为物料通过口模时的粘度 Pa s p物料通过口模时的压力降 螺杆 机头特性曲线 与挤出螺杆产量公式中的 p近似相等 同样以 p为横坐标 产量为纵坐标作图 得到机头 口模 的特性曲线 口模特性曲线的斜率的大小决定于口模阻力的大小 图中k1斜率小大为低阻力机头 k2斜率小为高阻力机头 机头 口模 特性曲线 口模特性线 3 挤出机的综合工作点 正常工作时挤出机的产量应与机头 口模 的产量相等 我们把螺杆特性线与口模特性线的交点称为挤出机的综合工作点 见下图 由下图还可以看出 高阻力机头配特性曲线硬的螺杆可获得较高的产量 而低阻力机头配特性线软的螺杆能得到较高的产量 挤出机综合工作点 挤出机综合工作图 4 2 5影响挤出机生产率的因素 1 机头压力与生产率的关系压力增大 挤出流率 产量 减小 但对物料的混合和塑化有利 因此机头压力过低 对挤出制品的质量不利 当机头阻力为零时 可得挤出机的最大产量 这种挤出称为 自由挤出 若令挤出产量为零 则可得挤出机机头的最大压力 实际生产中是不允许的 会应压力过高而破坏机器 影响挤出机生产率的因素 2 螺杆转速与生产率的关系均化段物料的压力近似等于物料通过口模时的压力降 联立均化段产量公式和机头产量公式可得 qv Ak B k n 由该式可知在机头和螺杆的几何尺寸一定时 螺杆转速与挤出机的生产率成正比 但是挤出机的转速不能过高 否则难以保证塑化质量 影响挤出机生产率的因素 3 螺杆几何尺寸与生产率的关系a 螺杆直径挤出机生产率近似正比于螺杆直径的平方 因此对生产率的影响要大于螺杆转速的影响 通常生产大尺寸的制品一般采用较大直径螺杆的挤出机 b 均化段螺槽深度H3正流与H3成正比 但逆流与H3的三次方成正比 因此H3对产量的影响比较复杂 均化段螺槽浅 螺杆特性硬 对机头口模的适应性强 物料所受剪切作用大 塑化效果好 但螺槽过浅 剪切过大 易使物料分解 影响挤出机生产率的因素 c 均化段长度L均化段长度增加 逆流和漏流减少 挤出机生产率增加 均化段长度增加 还可使螺杆特性曲线变平 螺杆特性变硬 当然L大会使机器的安装制造困难 4 机头口模的阻力与生产率的关系物料挤出时的阻力与机头口模的截面积成反比 与长度成正比 即口模的截面积越大或口模的平直部分越短 机头阻力越小 这时挤出机生产率受机头内压力变化的影响就越大 因此一般要求口模的平直部分有足够的长度 4 3挤出成型工艺 一般挤出生产机组由挤出机 机头口模 定型装置 冷却水槽 牵引装置 切割 卷取 装置和堆放装置等组成 根据实际生产的制品挤出生产机组的组成可能有所变化 通常我们将挤出机称为主机 其余部分为辅机部分 宽幅板材生产线 五层共挤生产线 4 3 1挤出工艺流程 1 原料的准备和预处理 2 挤出成型 3 定型与冷却热塑性塑料挤出物离开机头口模后仍处于高温粘流状态 具有很大的塑性变形能力 应立即进行定型和冷却 如果定型和冷却不及时 挤出物会在自重的作用下变形 定型装置的作用是确定制品的形状和尺寸 经定型装置后 制品冷却仍不充分 必须进一步冷却 挤出工艺流程 4 制品的牵引热塑性塑料挤出离开口模后 由于热收缩和离模膨胀双重效应 使挤出物的截面与口模的断面形状尺寸并不一致 此外 制品连续不断挤出 其质量越来越大 如不引出 会造成堵塞 生产停滞 因此要连续而均匀地将挤出物牵引出 以保证挤出过程的连续性 且可以调整挤出型材的截面尺寸和性能 挤出工艺流程 5 卷取 切割 定型冷却后的制品根据需要的长度 重量 进行卷取和切割 一般软质制品采用卷取的方式 而硬质制品采用切割的方式 6 后处理后处理包括热处理和调湿处理 热处理一般在高于制品使用温度10 20 或低于该塑料热变形温度10 20 的条件下 对制品进行热处理以消除内应力 有些吸湿性强的挤出制 挤出工艺流程 品 如聚酰胺制品 在空气中使用或存放过程中会吸湿膨胀 而且这种吸湿膨胀过程需很长时间才能达到平衡 为了加速这类塑料制品的吸湿平衡 常需调湿处理 一般是采用将制品浸入含水介质中加热进行调湿处理 在调湿的同时进行热处理 4 3 2典型挤出制品成型工艺 1 塑料管材挤出 波纹管成型 管材挤出装置由挤出机 机头口模 定型装置 冷却水槽 牵引及切割 卷取 装置等组成 其中挤出机的机头口模和定型装置是管材挤出的关键部件 a 机头口模管机头大体上可分为直通式 直角式和偏移式三种 国内用得较多的是直通式机头 塑料管材挤出 b 管材的定径和冷却管材的定径方式有内定径和外定径两种 若管材的外径尺寸要求高则选用外定径法 国内要求管材外径带公差 所以常用外定径法 反之 则采用内定径法 外定径法又分内压法和真空定径法两种 内压法是在管子内部通压缩空气 并在管端或管内封塞 使管外壁贴紧定径套内壁 定径套夹套内通冷却水冷却 经定径后的管子离开定径套时不再变形 真空定径法是在管子外壁抽真空使管子外壁与定径套内壁紧密贴合 管材成型机头 内压法 挤管生产线 管材挤出 定径后的管子进入冷却水槽或喷淋水箱进一步冷却 一般大直径管子采用喷淋水箱冷却 避免水的浮力导致管子弯曲 2 塑料薄膜的挤出吹塑 塑料薄膜的生产方法有 吹塑 压延 流延 挤出拉幅 拉伸 和使用狭缝机头直接挤出等方法制造 其中吹塑法比较普遍 塑料薄膜的挤出吹塑 吹塑法根据牵引方向的不同可分为 上吹 平吹和下吹三种 聚乙烯 PVC薄膜主要采用上吹法 聚丙烯采用下吹法生产 而平吹法主要成型小尺寸的薄膜 上吹膜装置由挤出机 机头口模 风环 人字板 夹辊 牵引辊和卷取装置等组成 其中挤出机的机头口模关键部件 上吹膜示意图 上吹膜生产线 下吹膜示意图 平吹法示意图 塑料薄膜的挤出吹塑 a 机头和口模吹塑薄膜的主要设备为单螺杆挤出机 其机头口模的类型主要有转向式的直角机头和水平向的直通型机头两大类 结构与挤出管材的机头差不多 作用是挤出管状坯料 直通型机头用于熔体粘度较大的和热敏性塑料 实际生产中采用直角机头较多 塑料薄膜的挤出吹塑 b 吹胀与牵引在机头处有通入压缩空气的气道 通入气体使管坯吹胀成膜管 调节压缩空气的通入量可以控制膜管的吹胀程度 吹胀比是指管坯吹胀后的膜管直径D2与挤出机环形口模直径D1之比 吹胀比的大小表示管坯直径的变化 也表明了粘流态下大分子受到横向拉伸作用力的大小 常用吹胀比在2 6 过大的吹胀比易引起膜管的蛇形摆动 塑料薄膜的挤出吹塑 牵伸比是指膜管通过夹辊时的速度v2与口模挤出管坯的速度v1之比 一般牵伸比大于吹胀比 c 薄膜的冷却吹塑薄膜是连续成型过程 管坯挤出吹胀成膜管后必须不断冷却固化定型为薄膜制品 因此 膜管在吹胀成型后要马上得到良好的冷却 目前最常用的方法是在挤出机头之后 在管膜外面设置冷却风环 塑料薄膜的挤出吹塑 冷冻线 冷凝线 在吹塑聚乙烯薄膜时 接近机头处的膜管是透明的 但在高于机头约20cm处的膜管则显得浑浊呈半透明状 膜管在机头上方开始变得混浊的距离称为冷凝线距离 这条线称为冷凝 冷冻 线 d 薄膜的卷绕膜管经冷却定型后 先经人字导向板夹平 再通过牵引夹辊 而后由卷绕辊卷绕成薄膜制品 3 塑料板材挤出 挤出板材的生产线 机组 由挤出机 狭缝机头 三辊压光机 冷却导辊 切边装置 牵引装置和切割装置等 板 片机头 4 4双螺杆挤出 4 4 1双螺杆挤出机的结构与分类双螺杆挤出机由传动装置 加料装置 料筒和螺杆等组成 双螺杆挤出机的类型 啮合型 非啮合型 同向 异向 锥形 平行 啮合异向双螺杆挤出机常用于型材挤出 高速啮合同向双螺杆挤出机用于配混 排气或作为连续化学反应器 双螺杆挤出机 非啮合型双螺杆挤出机用于混合 排气和化学反应 其输送机理与啮合型挤出机大不相同 比较接近于单螺杆挤出机的输送机理 虽然二者有本质的区别 Feedingofmaterialintotwin screwextruders 双螺杆挤出机 双螺杆挤出机螺杆与料筒 Paralleltwin screwextruder 4 4 2双螺杆挤出机的工作原理 啮合和非啮合双螺杆挤出机的工作原理不一样 下面简单分述之 1 同向啮合型双螺杆挤出机a 紧密啮合同向旋转式挤出机 CICO 低速挤出机具有紧密啮合式螺杆几何形状 其中一根螺杆的螺棱外形与另一根螺杆的螺槽外形紧密配合 即共扼螺杆外形 其螺杆几何形状见教材 244 图7 30 同向紧密啮合式挤出机 CICO 的输送特性不如紧密啮合异向旋转式挤出机 双螺杆挤出机的工作原理 当物料由加料口加到一根螺杆上后 在摩擦拖曳下沿着这根螺杆的螺槽向前输送至下方楔形区 并受到一定压缩 如果螺腹间隙较大 则另一根螺杆的螺棱不会把物料前进的道路堵死 由于两根螺杆在楔形区有一大小相等 方向相反的速度梯度 故物料不会进入啮合区绕同一根螺杆继续前进 而是被另一根螺杆托起并在料筒表面的摩擦拖曳下沿着另一根螺杆的螺槽向前输送 当物料前 双螺杆挤出机的工作原理 进到上方楔形区时 又重复此过程 从宏观来看 物料是呈 8 字形运动 同时在轴线方向上移动 紧密啮合同向旋转式挤出机 CICO 必须在低速下运转 b 自洁式挤出机 CSCO 高速同向挤出机具有紧密匹配的螺棱外形 如教材 246 图7 37 螺杆间隙小 螺杆具有密闭自洁作用 双螺杆挤出机的工作原理 紧密自洁同向旋转式双螺杆挤出机可以高速运转 正向输送特性低于CICO 物料停留时间加宽 压力对挤出量敏感性加大 因此该挤出机不用于直接挤出制品 2 异向啮合形双螺杆挤出机紧密啮合异向旋转 CICT 式双螺杆挤出机的螺杆几何形状如教材 246 图7 39 两螺杆螺槽间的间隙很小 比同向啮合型双螺杆挤出机中的空隙小得多 双螺杆挤出机的工作原理 异向啮合型双螺杆挤出机具有研磨型啮合作用 啮合区的螺杆有两个方向相同的速度梯度 因此进入啮合区的物料有强制通过啮合区的趋势 如果两根螺杆间的间隙很小 则通过啮合区的料流很小 这将在啮合区的进口处产生物料积累形成料垄 进入螺杆间隙的物料会对两螺杆产生很大的压力 导致螺杆挠曲 所以CICT挤出机一般适合在低速度下运转 高速下螺杆的正向输送特性会损失 双螺杆挤出机的工作原理 因而异向啮合形双螺杆挤出机的最大允许螺杆速度常常为挤出机输送特性的象征 螺杆转速为20 40rpm 挤出机具有正向输送特性 主要适用于型材挤出 最大螺杆转速为100 200rpm 挤出机的正向输送特性较小 大多用于配混 连续的化学反应及其它特种聚合物加工 3 非啮合型双螺杆挤出机 双螺杆挤出机的工作原理 非啮合型双螺杆挤出机的两根螺杆之间的中心距大于两螺杆半径之和 有实用价值的是异向旋转的非啮合型双螺杆挤出机 NOCT 其物料输送与单螺杆挤出机相似 主要的差别是物料从一螺杆交换到另一螺杆 NOCT挤出机的正向输送特性比单螺杆挤出机小 而逆流 返混特性优于单螺杆挤出机 因此 NOCT挤出机主要用于共混 排气和化学反应等操作 而不太适合型材挤出 4 4 3双螺杆挤出机与单螺杆挤出机差别 双螺杆挤出机与单螺杆挤出机的差别主要在以下几方面 1 物料的输送方式在单螺杆挤出机中 物料的输送是靠摩擦 拖曳完成的 在固体输送段物料的输送是由于物料与料筒 螺杆的摩擦作用实现的 在熔体输送段 物料的输送是由于料筒对粘性流体的粘性拖曳作用完成的 固体物料的摩擦性能和熔融物料的粘性决定了输送行为 如有些物料摩擦性能不良 如果不解决喂料问题 则较难 双螺杆挤出机与单螺杆挤出机差别 将物料喂入单螺杆挤出机 而在双螺杆挤出机中 特别是啮合型双螺杆挤出机 物料的输送在某种程度上是正向位移 正向位移的程度取决于一根螺杆的螺棱与另一根螺杆的相对接近程度 紧密啮合异向旋转 CICT 挤出机的螺杆几何形状能得到高度的正向位移输送特性 螺杆特性线硬 双螺杆挤出机与单螺杆挤出机差别 2 物料的流动速度场目前对物料在单螺杆挤出机中的流动速度分布已描述得相当清楚 而在双螺杆挤出机中物料的流动速度分布情况相当复杂且难以描述 此外 双螺杆挤出机与单螺杆挤出机相比 混合充分 热传递良好 熔融能力强 排气效果好及对物料温度控制良好等 Paralleltwin screwextruderScrewsegments1 3 Conveyingelements Paralleltwin screwextruderRheomexPTW25Screwsegments2 3 Kneadingblocks Paralleltwin screwextruderRheomexPTW25Screwsegments2 3 Kneadingblocks Paralleltwin screwextruderRheomexPTW25Screwsegments2 3 Toothedblocks 4 5热固性塑料挤出 热固性塑料的挤出成型技术目前仅限于加工酚醛塑料等少数几个品种 但随着新的热固性塑料的开发 特别是玻璃纤维增强聚酯的开发 热固性塑料挤出技术又得到很大发展 已成为挤出成型一个重要分支 4 5 1热固性塑料挤出成型的基本原理 1 热固性塑料挤出机与热塑性塑料挤出机的差别热固性塑料在压力下加热发生不可逆的化学变化 因此热固性塑料挤出的方法与热塑性塑料的挤出方法不同 a 热固性塑料挤出时 不能仅靠加热 而且还需要使材料受几十兆帕的压力 要求如此高的压力 普通螺杆挤出机无法满足 热固性塑料挤出 b 热固性塑料受热会在挤出机内固化 采用普通螺杆挤出机加工拆卸和清理螺杆困难 因此不能采用连续螺杆挤出技术来挤出热固性塑料 一般采用柱塞式挤出机 2 热固性塑料挤出加工过程如教材 249 图7 44所示 干燥的粉状或片状热固性塑料从安装在加料口上面的加料斗进入由水间接冷却的加料室内 液压机活塞推动由水冷却的柱塞 柱塞在前进过程中将加料口关闭 并将加料室中的物料推向前至 热固性塑料挤出 前次物料的后面而予以压缩 这一过程在柱塞的每一次行程中重复进行 于是物料便在加热的机头中逐渐向前移动 同时在相当大的压力下改变它的形状和温度 物料从柱塞的圆形截面形状向所需的断面形状的变化主要发生在图7 44的流动区域 在这一阶段中 物料完全软化 并被压缩成最终所需的形状 此后物料进入一个基本上是平行的固化区 在此阶段 物料起初仍是可塑的 但当它进入最后部分时就开始固化 为了适应物料在固化过程中的收缩 固化区的最后部分略呈锥形状 4 5 2与热塑性塑料的比较 1 热固性塑料制品的形状在离开机头后几乎不发生变化 因此对每一种制品必须使用专用的机头 且机头须精确地与制品的断面形状一致 而热塑性塑料挤出时 制品离开机头 仍可有许多方法改变和校正其断面形状 因此热塑性机头并不需要精确地与制品所要求的断面形状相匹配 2 两种塑料挤出的生产率也有较大差别 热固性塑料挤出速度很低 只能以每秒几毫米的速度进行 而且挤出速度还受物料固化速度的限制 而热塑性塑料挤出速度可达每秒数厘米 4 6反应性挤出 反应性挤出 ReactiveExtrusion REX 是指聚合性单体或低聚物熔体在螺杆挤出机内发生物理变化的同时发生化学反应 从而挤出直接获得高聚物或制品的一种新的工具性工艺方法 4 6 1反应性挤出的特点与传统的釜式合成反应相比反应挤出有下列几个特点 设备投资小 生产周期短 能耗低 环境污染小 生产过程控制方便 既可实现小批量又可实现大批量连续反应和加工生产 反应性挤出 REX技术的主要设备是螺杆挤出机 特别是双螺杆挤出机 选择合适的挤出机并配以机头可直接生产制品 实现聚合反应过程与加工过程一体化 目前工业化生产的聚合物品种有POM PA6 PU PMMA等 4 6 2反应性挤出加工的反应类型及制备聚合物类型 1 本体聚合从一种单体 多种混合物 低相对分子量的预聚物或单体与预聚物的混合物出发 通过加聚或缩聚 制备得到高相对分子量的聚合物 反应性挤出 2 接枝反应由聚合物与单体得到接枝型或共聚型聚合物的反应 3 链间形成共聚物反应由两种或两种以上聚合物通过离子键或共价键形成接枝或嵌段共聚物的反应 如PS 聚烯烃 4 偶联 交联反应由带有多官能偶联或枝化剂的聚合物通过链增长或支化提高相对分子量的反应 由带有缩合剂的聚合物通过链增长提高相对分