高分子材料教学课件PPT挤出成型.ppt

第七章挤出成型 本章重点 挤出成型的概念挤出成型的用途本章以论述塑料挤出为重点重点以单螺杆挤出机的结构特点来讨论挤出成型原理和工艺 挤出成型 挤出模塑 是塑料重要的成型方法之一 是使高聚物熔体 或粘性流体 在挤出机的螺杆或柱塞的挤压作用下通过一定形状的口模而连续成型 所得的制品为具有恒定断面形状的连续型材 它可用于挤出塑料制品 如管材 板材 棒材 片材 薄膜 各种异型材以及塑料和其它材料的复合物等 也常用于塑料的着色 混炼 塑化 造粒及塑料的共混改性等 橡胶挤出 压出合成纤维 螺杆挤出纺丝塑料挤出 主要以热塑性塑料为主 挤出成型的特点操作简单 工艺易控 可连续化 工业化 自动化生产 生产效率高应用范围广 广泛应用于塑料 橡胶 合成纤维的成型加工 也常用于塑料的着色 混炼 塑化 造粒及塑料的共混改性等 挤出 吹塑成型 中空吹塑制品挤出 拉幅成型 双轴拉伸薄膜产品形状多样设备简单 投资少 占地面积小 挤出成型的设备柱塞式挤出机借助柱塞的推挤压力 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 物料被挤完后柱塞退回 再进行下一次操作 挤出机对物料没有搅拌混合作用挤出机能够产生较大的压力 一般来说 其操作是间歇进行 物料的塑化程度和均匀性不如螺杆式挤出机 因此应用范围受限制 它适用于聚四氟乙烯 超高相对分子质量聚乙烯等塑料的挤出 螺杆式挤出机借助螺杆旋转时螺纹所产生的推动力将物料推向口模 这种挤出机中通过螺杆强烈的剪切作用 促进物料的塑化和均匀分散 同时使挤出过程连续进行 因此可以提高挤出制品的质量和产量 它适用于绝大多数热塑性塑料的挤出 第一节单螺杆挤出机基本结构及作用1传动系统2挤出系统 挤出成型系统的关键部分加料装置料筒螺杆机头口模3加热系统 采用电阻丝加热 也可电感应加热 蒸汽或油加热 4冷却系统 空冷或水冷 其作用是防止进料口处的物料过热发粘 出现搭桥现象 使物料供料不足 另外在紧急停车时 避免物料过热降解 单螺杆挤出机基本结构 一 加料装置及作用有些加料斗还配备真空装置或加热装置 以便防止物料从空气中吸收水分 有些料斗有振动搅拌器 并能自动上料与加料 料斗底部有冷却夹套 防止 架桥 主要是指料斗 大多数设备用的加料斗是圆锥形的 其容量至少要求能容纳1h的用料 底部有截断装置 以便调整和切断料流 侧面有玻璃视镜和标定计量的装置 二 料筒作用 输送 塑化 压缩1 工作温度180 290 2 压力 55MPa3 设有分段的加热和冷却装置4 长径比L D 15 245 制造材料 耐磨 耐腐蚀 高强度的合金钢碳钢内衬合金钢 三 螺杆作用 输送 挤压 剪切1 用耐热 耐腐蚀 高强度的合金钢制作2 表面高硬度 高光洁度3 转速10 120rpm 无级变速4 几何参数 1 螺杆直径DS外径30 200mm之间常见60 150mm 2 螺杆的长径比一般15 25以25居多最大可达40 长径比一般15 25以25居多最大可达40小 对塑料的混合和塑化不利大 改善塑料的温度分布 混合均匀 减少挤出时的漏流和逆流 提高挤出机的生产能力 适应性强 可用于多种塑料的挤出过大 热敏性塑料因受热时间太长而容易分解 螺杆的自重增加 制造和安装都困难 挤出机的功率消耗增大 3 螺杆的压缩比A定义 加料段第一个螺槽容积 均化段最后一个螺槽容积 表示物料通过螺杆的全过程被压缩的程度一般2 5获得方法 采用等距变深 等深变距 变深变距螺槽 4 螺槽深度H决定塑料的塑化及挤出效率小 剪切速率高 利于传热和塑化 但挤出生产效率低热敏性塑料 深槽螺杆热稳定性较高 熔体粘度低 浅槽螺杆H1 0 1DSH3 0 02 0 06DS 5 螺旋角 10 30 定义 螺纹与螺杆横截面之间的夹角 大 挤出机的生产能力提高 但螺杆对塑料的剪切挤压作用减小 10 30 实验证明 30 适合细粉状物料 均化段的挤出产率最高 15 适合方块状物料 17 适合圆柱状物料常用螺杆的 17 7 6 螺杆棱部宽EE大 增加螺棱上动力消耗 有局部过热的危险E小 漏流增加 产量降低E 0 08 0 12DS 7 螺杆与料筒的间隙 大 生产效率低 剪切作用小 不利于热传导 不利于物料的熔融和混合 小 剪切作用大 容易引起物料热力学降解小直径螺杆 0 005DS大直径螺杆 0 002DS 0 1 0 65mm 3 螺杆的作用 输送物料传热塑化物料混合均化物料 3 1加料段L1加热送来的物料并输送到压缩段L1 60 65 L03 2压缩段L2挤出和剪切加料段送来的物料 加热物料使其转变为熔融体 赶走塑料中的空气及其它挥发成分 增大塑料的密度 无定形塑料L2 55 65 L0熔融温度范围宽的塑料PVCL2 100 L0渐变螺杆结晶型塑料 熔融温度范围窄 L2 3 5DS突变螺杆 3 3均化段计量段将塑化均匀的物料在均化段螺槽和机头回压作用下进一步搅拌塑化均匀 并定量定压的通过机头口模挤出成型 一般无压缩作用 4 螺杆形式 普通螺杆 采用等距变深 等深变距 变深变距螺槽高效专用螺杆L DS大 熔融效率低 塑化混合均匀 4机头和口模P224图7 8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产生回压 使物料进一步均化 提高制品质量产生必要的成型压力 获得结构密实和形状准确的制品 粗滤器 过滤网作用 使物料流由旋转运动变为直线运动 阻止杂质和未塑化物料通过并增加料流背压 使制品更加密实 其中粗滤器还起支撑过滤网的作用 但在挤出硬聚氯乙烯等粘度大而稳定性差时 一般不用过滤网 4其它辅助设备挤出机辅助设备大致可分为以下三类 1 挤压前物料处理的设备 如预热 干燥等 一般用于吸湿性塑料 干燥设备有烘箱或沸腾干燥器等 有的干燥设备直接设置在加料斗上 2 挤出物的处理设备如用作冷却 牵引 卷取 切断和检验设备 3 控制生产条件的设备指各种控制仪表 如温度控制器 电动机启动装置 电流表 螺杆转数表和测定机头压力的装置等 以上三类设备不仅随制品的种类 对制品质量的要求及自动化程度不同而异 而且每一类设备又有许多的形式 产生回压 使物料进一步均化 提高制品质量 第二节挤出成型原理 一 挤出过程和螺杆各段的职能 二 挤出理论根据塑料在挤出机中的物理状态变化和流动行为 建立固体输送理论熔化理论熔体输送理论 1 固体输送理论该理论是以固体对固体的摩擦静力平衡为基础建立起来的 为研究方便 假定 物料与螺槽和料筒内壁紧密接触 形成具有弹性的固体塞 并以恒定的速度移动 固体塞与料筒表面 螺槽底面和侧面的摩擦因数是一个常数 可取不同值 忽略料筒与螺棱之间的间隙 螺槽是矩形的并且深度不变 固体塞的密度不变 根据以上假定 作出螺槽中固体输送的理想模型为研究挤出机加料段物料的输送 加料段的主要作用是固体输送塑料 未熔化 疏松的固体 表面发粘结块 形变不大物料沿螺槽的向前运动旋转运动 物料与螺杆的摩擦作用力轴向水平运动 螺杆旋转时的轴向分力它们共同作用的结果 使物料沿螺槽向机头方向前进 当物料与螺杆表面的摩擦力大 与料筒表面的切向摩擦力小固体塞以旋转运动为主当物料与螺杆表面的摩擦力小 与料筒表面的切向摩擦力大固体塞以轴向水平运动为主 固体塞运动受到螺杆与料简表面之间摩擦力的控制为了提高固体输送效率 可以采取以下措施在螺杆直径不变时 增大螺槽深度 减小物料与螺杆的静摩擦因数 增大塑料与料筒的静摩擦因数 选择合适的螺旋角 2 熔化理论它是研究塑料在挤出机螺杆的熔融段内固态转变为熔融状态的过程 并建立在热力学 流变学基础上的一种理论 它对于了解塑化的情况 指导螺杆熔融段的设计 控制工艺条件以保证制品的质量是很重要的 然而 由于塑料在熔融段的多相性 其变化过程复杂 该理论尚处于发展阶段 在这里作简单的介绍 熔化过程由于外传热和摩擦热的共同作用 与料筒内表面接触的物料首先熔化 形成熔膜 当熔膜厚度超过螺杆与料筒间隙时 熔膜被螺棱的推进面刮到螺槽中 并逐渐汇集成旋转的流动区 形成熔池 在熔池的前方是一些受热软化和半熔融的物料 而处于最前面的是完全没熔融的物料 这些半熔融和未熔融的物料称为固体床 固相与液相的界面称为迁移面 熔化在此进行 热源 料筒壁传导和摩擦 熔融区物料剖面 熔化过程压缩相互粘结固体粒子 紧密堆砌的固料筒热 摩擦热体床 熔化同时 固体床又以一定的速度沿轴向移向分界面 加以补充形成新的熔膜 以保证状态稳定 相迁移面熔化区内固体相和熔体相的界面称为相迁移面 熔化发生在相迁移面上 熔化长度从熔化开始到固体床的宽度降到零为止的螺槽总长 熔化速度越高 熔化长度越短 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 而且在螺槽的横截面上为矩形 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 螺杆固定 料筒旋转 当熔膜厚度超过螺杆与料筒的间隙时 熔膜被料筒表面拖拽 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 物料的温度分布和速度分布 料筒表面物料的速度最大固体床物料的速度是相同的螺杆表面物料的速度为零 3 熔体输送理论均化段物料处于恒定密度的粘流状态均化段螺槽展开图 P229图7 17螺杆旋转时 由于推挤作用 塑料沿Z方向移动 但由于机头回压 塑料又有反压流动 使均化段料流复杂 一般认为 物料在均化段有四种流动 即正流 逆流 横流 漏流 物料在均化段螺槽中的流动是这四种流动的总和 1 正流Qv D塑料熔体在料筒和螺杆之间沿着螺槽方向朝机头方向的流动 它是由旋转螺杆的挤压所造成的 其体积流量用Qv D表示 2 逆流Qv p其流动方向与正流相反 它是由机头 多孔板 过滤板等阻力引起的压力梯度所造成 又称为压力倒流 其体积流率以Qv p表示 3 横流Qv T它是熔体沿着垂直于螺纹壁的流动 它使物料在螺槽内产生翻转运动 而形成环流 它对挤出量的影响可忽略 但对挤出过程中熔体的混合和热交换作用却很大 4 漏流Qv L由于压力梯度在螺杆与料筒间隙处所形成的倒流 其方向是沿着螺杆的轴向 其体积流率Qv L表示 根据流动分析 影响挤出机生产能力的是正流 逆流 漏流 横流对挤出量没有影响挤出机的生产能力表示为Qv Qv D Qv p Qv L 三 单螺杆挤出机的生产率实测法在挤出机上测出制品从机头口模中挤出的线速度 由此来确定产量 准确实观不通用 Q 60 V G a按经验公式计算对挤出机生产能力进行多次实际调查 实测 并分析总结而得 不全面 Q D3 n 固体输送理论把挤出机内的物料看成是一个固体塞子 把物料的运动看成象螺母在螺杆上移动 按粘性流体流动理论计算把挤出机内的物料当作粘性流体 把物料的运动看作是粘性流体流动 来计算生产能力 物料在螺杆中的速度分布 螺杆的几何尺寸 熔体在管道中的流动方程式计算 三种流动的流率 如果考虑塑料的非牛顿型性 若删去漏流 应为 比较两式可以看出 第一项完全相同 第二项不同 说明塑料的流变性能仅与逆流项有关 四 螺杆和机头 口模 的特定曲线 给定挤出机 在等温条件下操作 用不同的螺杆速率n 可作Q p坐标图 得一系列具有负斜率的平行直线 螺杆特性曲线 两组曲线的交点是给定的螺杆 口模 螺杆转速 挤出机的综合工作点 利用这种图 可以求出指定挤出机 配合不同的机头口模时的挤出量 五 影响挤出机生产率的因素 1 机头压力当机头压力 p 0可获最大挤出量当机头口模封闭时无挤出量机头最大压力降 2 螺杆转速 在机头和螺杆的尺寸一定时 挤出量与螺杆转速成正比 3 螺杆几何尺寸3 1螺杆直径D生产率qv D23 2螺槽深度H正流qvD Hqvp H3 3 3均化段长度LL长 漏流和逆流减少 受口模阻力的影响就小 挤出量增加 4物料温度温度的变化直接影响物料的粘度 从我们前面推导出的公式来看 Q与 无关 在机头和口模尺寸不变的情况下 粘度大的物料 螺杆对其产生的压力高 结论 Q与温度T也无关 实际上 T的变化相当于影响了均化段的长度 5机头口模的阻力物料流动时受到阻力 大体上与口模的截面积成反比 与长度成正比 阻力愈小 挤出量受压力的影响愈大 第三节挤出成型工艺一 挤出工艺流程热塑性塑料 预热和干燥 挤出机加热 开动螺杆 加料 调整 挤出成型 定型 冷却 牵引 卷取 切割 后处理 挤出制品 1 原料的准备和预处理粒状或粉状塑料含有水份 成型前需预热和干燥 水份 0 5 原料中的机械杂质应尽可能除去 2 挤出成型操作步骤根据挤出工艺性能和挤出机机头口模的结构特点设定料筒各段和口模的温度 螺杆的转速等工艺参数根据制品的形状和尺寸要求 调整口模尺寸和同心度及牵引等设备装置直到正常挤出状态 转入连续生产 3 定型与冷却同时进行管材 异型材 独立的定型装置板材 片材 压辊定型薄膜 单丝 线缆包覆 无需定型 直接冷却冷却速度 硬质塑料 慢些 以避免内应力 软质塑料 结晶塑料 快些 熔体粘度低 4 制品的牵引 卷曲和后处理牵引拉伸目的 拉伸消除离模膨胀效应牵引速度 挤出速度后处理热处理调湿处理 二 典型挤出制品成型工艺 1 塑料管材挤出 关键设备部件机头和口模 管材的定径和冷却借助压缩空气将管状物紧密地接触在定型套内壁上 用抽真空的方法使管材外壁与定径套内壁紧密贴合 管材的牵引和切割牵引时 速度应与挤出速度相配合 一般牵引速度稍大于挤出速度 并且速度要均匀 最好要与挤出速度同步变化 2 塑料薄膜的挤出吹塑平挤上吹P241图7 30平挤下吹平挤平吹 管坯挤出机头和口模吹胀与牵引吹胀比 D2 D1牵伸比 v2 v1吹塑薄膜的厚度 b 薄膜的冷却冷却线距离薄膜的卷绕 3 塑料板材挤出 1mm板材 第四章双螺杆挤出一 双螺杆挤出机的结构与分类 双螺杆挤出机的螺杆类型 双螺杆挤出机的转动方向 二 双螺杆挤出机的工作原理1 同向啮合型 1 紧密啮合型同向旋转 CICO 图7 36图7 37 2 自沾式同向旋转 CSCO 2 异向啮合型 3 非啮合型双螺杆挤出机 三双螺杆挤出机和单螺杆挤出机的差别物料的传送方式物料的流动速度场物料的停留时间分布四双螺杆挤出机的应用聚合物混合与混炼热塑性塑料的共混改性聚合物填充纤维增强热固性塑料及粉末的塑炼成型加工 第五节热固性塑料挤出一 热固性塑料挤出成型的基本原理 特点工艺温度高压设备往复式液压机 二 与热塑性塑料挤出机比较离模形状和挤出形状生产率 第六节反应性挤出一 反应性挤出概念设备 螺杆挤出机特征品种 聚烯烃 PET PA 6 POM PMMA 二 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2 接枝反应3 键间形成共聚物反应4 偶联 交联反应5 可控降解反应 三 反应性挤出加工对设备的要求及工艺控制要点同向啮合型双螺杆或多螺杆挤出机黏度停留时间聚合热脱挥 第七节橡胶的压出橡胶的压出成型是半成品成型 半成品生产还需要硫化才能最终成为制品 主要产品 内胎 胎面 胶管 电线电缆包胶层等 橡胶压出的设备 加工原理与塑料挤出类似 但有其本身特点 一 压出机1 机身2 螺杆3 机头与口型 二 压出工艺 热喂料压出1 胶料热炼粗炼45 辊距1 2mm提高均匀性