高分子加工学-挤出成型.ppt

第五章热塑性塑料的主要成型加工技术 5 1挤出成型在挤出机中 通过加热 加压而使物料以流动状态连续通过具有一定形状的口模而成型塑料制品的一种加工方法 特征 具有相同截面形状的连续的制品 挤出成型的应用范围 挤出成型技术伴随着聚合物加工技术的发展而成长 形形色色的挤出成型产品 管材 片材 异型材 薄膜 挤出造粒 挤出涂覆 多层共挤 挤出包覆 挤出发泡 挤出复合 橡胶 塑料 纤维 直接成型 共混改性造粒 坯料 中间产品 挤出成型特点 连续化生产 制任意长度的制品生产效率高应用范围广 热塑 热固 薄膜 中空制品 可混合 塑化 造粒 着色可完成不同工艺过程的综合性加工 如挤出机与压延机配合生产薄膜生产操作简单 投资小 见效快 5 1 1挤出成型设备挤出机挤出成型设备机头和口模辅机控制系统 工艺 设备 熔融 成型 定型 冷却 牵引 切割 堆放挤出机机头定型装置冷却装置牵引装置切割装置堆放装置 挤出机 1 单螺杆挤出机 挤出机型号规格表示 单螺杆挤出机结构 a 传动装置电机 减速机构和轴承 b 加料装置锥形加料斗 c 料筒 机筒 外部有加热和冷却装置 前端和机头间有多孔板 d 螺杆 e 机头和口膜 d 螺杆 螺杆各段的作用送料段 由料斗加入的物料在此段向前输送 压实 螺槽容积一般不变 等深等距压缩段 物料在此段继续被压实 并向熔融态转化 螺槽容积变小 排气计量段 使熔体进一步塑化均匀 并定量 定压地均匀挤出 螺槽溶剂不变 e 机头和口模 模具 机头和口模是挤出塑料制品的成型部分 机头是指连接口模和料筒间的定型部分 而口模是指安装在挤出机末端的有孔部件 它使挤出物形成规定的横截面形状 园孔口膜 园棒 单丝 造粒扁平口膜 平膜 厚 0 25mm 片材 厚 0 25mm 环形口膜 挤出管子 管状薄膜 吹塑型坯异形口膜 挤出不规则截面制品 机头和口模各部件 1 多孔板 筛板 由多孔圆板组成 并安装在料筒和机头之间 作用 使物料由旋转运动变为直线运动 增力反压 支撑过滤网等 过滤网由不同数目和粗细金属丝组成 作用是过滤熔融料流和增加料流阻力 以滤去机械杂质和提高塑化和混合的效果 2 分流梭及支架 图5 7分流梭结构图1 芯棒2 分流梭支架3 分流梭 辅机及控制系统 物料从料斗加入后 经物理和化学作用 以熔态从口模挤出 再经过辅助设备实现定型 冷却 牵引 切割 卷取或堆放等基本工序得到所需制品 控制系统 如温度控制器 电动机启动装置 电流表 螺杆转速表和测定机头压力的装置等 保证整条生产线在挤出工艺所设定的速度和温度下运行 2 双螺杆挤出机 与单螺杆挤出机区别 料筒内并列安装两根相互啮合或相切的螺杆 图5 5锥形双螺杆示意图 表5 1双螺杆挤出机的类型和用途 啮合型挤出机 5 1 2挤出成型理论 实验研究 物料自料斗加入到由口模中挤出 要经过几个职能区 固体输送区 熔融区和熔体输送区 固体输送区 自料斗算起的几个螺距 物料向前输送并被压实 但仍以固体状存在 熔融区 物料开始熔融 已熔的物料和未熔的物料以两相的形式共存 未熔物料最终全部转变为熔体 熔体输送区 在螺杆最后几圈螺纹 螺槽全部为熔体充满 这几个职能区不一定完全和前面介绍过的螺杆的加料段 压缩段和计量段相一致 固体输送理论 熔融理论和熔体输送理论 图5 17塑料在挤出机中的挤出过程 5 1 2 1固体输送理论 固体对固体的摩擦静力平衡为基础 建立输送理论 假设 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 略去螺棱与料筒的间隙 物料重力和密度变化等影响 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 螺槽中固体物料像弹性固体塞一样移动 固体塞的移动受固体周围的螺杆和料筒表面之间的摩擦力控制 只有物料与螺杆的摩擦力小于物料与料筒的摩擦力时物料才能沿轴向前进 否则物料将与抱住螺杆一起转动 计算料筒与固体塞之间速度差的速度矢量图 VpL 固体塞轴向速度固体输送率 Qs VpL与固体塞截面积之积 5 1 Rs和Rb分别为螺槽底部和顶部半径 e为螺棱宽度 a为平均螺旋角 i为螺纹头数 如果螺杆固定不动 料筒对螺杆作相对运动 其速度为Vb DbN 固体塞沿螺槽方向的速度为Vpz VpL sin b 其切向速度为Vp VpL tan b 作用在固体塞与料筒表面之间摩擦力的大小 取决于固体塞相对于料筒的角度 移动角 的大小 值为0 90 角的方向是 位于 固体塞上的观察者所看到的料筒运动的方向 从图5 18可求得 5 2 VpL代入式 5 1 则得 5 3 N为螺杆转速 b为料筒表面处螺旋角 Db为螺杆外径 根据作用于固体塞上的力和力矩平衡来算移动角 5 4 式中 s为螺杆根部的螺旋角 a为平均螺旋角 t为螺纹的导程 L为固体输送段的轴向长度 fb为塑料与料筒表面的摩擦系数 fs为塑料与螺杆的摩擦系数 从式 5 3 知 固体输送速率与与DHf D Hf N成正比 与 tan tan b tan 十tan b 成正比提高Qs从两方面采取措施 1 从挤出机结构加螺槽深度是有利的 但会受到螺杆扭矩的限制 降低fs有利 这就需要提高螺杆表面光洁度增大fb有利 料筒内表面似乎应该粗糙些 但这会引起物料停滞甚至分解 因此料筒内表面还是要尽量光洁 提高fb有效办法是 料筒内开设纵向沟槽 采用锥形开槽的料筒 fs 0 25 0 50 最佳 应17 20 选17 41 2 从挤出工艺角度来考虑 关键控制送料段料筒和螺杆的温度 因为摩擦系数是随温度而变化的 如螺杆通水可降低fs避免 打滑 现象 当fs fb避免 打滑 fs过大 以致物料抱住螺杆 Qs和移动速度均为零 因为 0 这时物料不前行 不进料 fs很小 fb很大 物料以很大的移动速度前进 即 90 如果在料筒内开有纵向沟槽 迫使物料沿 90 方向前进 这是Qs的理论上限 一般情况0 90 5 1 2 2固体熔融理论 Tadmor熔融理论 图5 20骤冷停车料筒取样示意图 1 冷却实验固态塑料 白色 固体床熔池 黑色 熔膜 黑线 接近料筒表面第七个螺距开始出现熔膜 第九个螺距出现熔池 随着物料向前输送 熔池逐渐加宽 固体床相应变窄 至第二十个螺距 熔体充满整个螺槽 固体床消失 2 熔融机理 熔融过程 由料斗加入的物料经过固体输送段被压实成固体床 固体床在前进过程中同已加热的料筒表面接触时逐渐升温并开始熔融 在料筒表面形成一层熔膜 当熔膜的厚度超过螺杆与料筒的间隙时 就会被旋转螺棱刮落 并将其强制积存螺纹推力面的前方 形成熔池 随着螺杆转动 来自加热器的热量和熔膜中的剪切热不断传至未熔融的固体床 使与熔膜相接触的固体物料熔融 固体床逐渐变窄 熔池逐渐变宽 在进入计量段处 固体床消失 螺槽全部为熔体充满 最后 经过熔体输送区的均化作用 螺杆将熔体定压 定温和定量地送至机头 图5 21熔融理论模型 a 螺槽横断面 b 螺槽展开 3 数学模型熔体池与固体床共有模型熔体膜和固体床内温度分布熔化模型假设熔化过程是稳定熔化物料与固体床有明显界面固体床是连续均匀的 且螺槽的横截面为矩形外加热由料筒内表面导入 并按传导方式通过熔体膜和固体剪切热产生于熔体膜 熔体膜和固体床内的温度分布1 料筒表面2 熔体膜3 界面 根据假设 能量方程简化成 5 5 将上式积分 代入边界条件Vj 0 0 Vj Vj 5 7 代入式 5 5 积分 结合边界条件T 0 Tm T b Tb 5 8 从熔膜进入单位界面的热量为 5 9 固体床内的温度分布可在边界条件y 0 T Tm和y T Ts时推得为 5 10 在单位界面上从熔体膜传至固体的热量为 5 11 单位界面上进 出热量之差 即熔化物料耗去的热量 5 12 考虑物料平衡 由界面处进入熔膜内固体量 流出熔体量 得 5 13 单位螺槽长的熔化速率 则 和 可用固床的宽度X表示 5 15 5 16 定义的变量群是熔化速率的量度 即 值大则熔化速率高 5 14 4 固体床的分布 5 23 渐变螺槽 5 24 等深螺槽 固体床的宽度X是顺着螺槽向下的长度Z的函数A锥度 H1是Z为零时的螺槽深度对等深螺槽A 0固体床分布呈抛物线对渐变螺槽A 1固体床宽度是连续下降 5 固体熔融理论的应用 对等深螺槽 5 25 熔融区长度ZT定义为 从熔化开始到固体床的宽度下降到零的总长度 ZT与质量流率 G 成正比G增大又要保持ZT不变 必须使 值与流率齐量增加 增大 的方法是将提高料筒温度Tb 物料温度Ts和螺杆转速 5 1 2 3熔体输送理论 在挤出理论中 研究得最多最有成效得是均化段 对该段的流动状态 结构 生产率等都有较详细的分析和研究 Q1Q2 Q3均化段为控制区域 操作平稳 三者之间相差不能太大Q1 送料段Q2 熔化段Q3 均化段正常状态下均化段的挤出速率可代表挤出机的生产率 1 熔体流动的型式 正流 拖曳流动 Qd 物料沿螺槽向机头方向的流动逆流 压力流动 Qp 由机头 多孔板及滤网等阻力部件引起的流动 其方向与正流相反横流Qt 物料沿x轴所产生的流动 为了保证横流的连续性 物料在y轴上也有流动 这样便形成环流 它对混合和传热有影响 但不影响流量 漏 泄 流QL 是由机头等熔体的反压力引起螺杆与料筒间隙处沿螺杆轴向向料斗方向流动 图5 26沿螺槽的流速分布A 正流B 逆流C 净流 2 挤出机生产能力的计算 平行板模型Qm Qd Qp QL 假设 流动为层流 牛顿流体温度无变化 不变螺杆宽度 螺槽深度 10 h D 0 07时 螺槽侧壁对塑料流动影响小 略去 图5 25螺槽展开图1 料筒2 螺杆根部3 螺翅 物料沿螺槽速度为Vz 忽略漏流损失和横流影响 将动量方程与牛顿粘性定律相结合 可得 5 26 Qm 净流 可将沿螺槽的速度分布通过螺槽横截面积分而得出 5 28 代入边界条件Vz y 0 0 Vz y Hm Vbz 则得 5 27 由式 5 28 有 当 p 0时 不安装口模 即挤出机无压力梯度 有最大Qm 但塑化不良 当Qm 0时 即从口模没有物料挤出而产生最大压力降 利用螺杆的几何关系 简化流动方程可写成 5 29 正流 Hm 逆流 Hm3 P 浅槽螺杆Qm深槽螺杆Qm塑料流动性大 小 Qm对压力敏感性较大 采用挤出不宜 3 螺杆和口模的特性曲线 5 30 螺杆 图5 27螺杆和口模的特性曲线 5 31 口模 两组直线的交点就是操作点 5 32 挤出机 带有口模 的挤出量仅与螺杆转速以及螺杆 口模的结构尺寸有关 而与塑料的粘度无关 5 1 2 4双螺杆挤出机的工作原理 指在一两相连孔道组成 截面的料筒内由两根相互啮合或相切的螺杆所组成的挤出装置 双螺杆挤出机作用 混炼 排气 脱水 造粒 粉料直接成型及填充GF等 1 分类和用途 全啮合A r R相对螺杆位置啮合型部分啮合A r R非啮合型1A 2RA 双螺杆的中心距R 螺杆顶部的半径r 螺杆根部的半径啮合型根据旋转方向同向旋转反向旋转向内向外 1 反向啮合型双螺杆挤出机 正位移输送 强制输送 特性 输送速度基本不变 不易堵塞排气孔 两根螺杆互相啮合 啮合螺杆间形成了空间 物料在间隙里受螺纹的推力将物料推向前移 由于强制输送 不论其螺槽是否填满 输送速度基本保持不变 图5 29CICT挤出机啮合区的横截面 CICT反向啮合型挤出机速度低 型材挤出速度高 配料 连续反应 2 同向啮合型双螺杆挤出机 低速同向 转动 双螺杆挤出机 型材挤出高速挤出机 特定的聚合物加工操作 图5 32CICO挤出机中啮合区的截面 封闭啮合式挤出机 CICO挤出机的输送特性不如CICT的正向位移 图5 34物料的8字形运动 同向啮合走 自洁式挤出机 自洁作用 两根螺杆的螺凌和螺槽的速度方向相反或速度方向相同但存在速度差 能够互相剥离或刮去粘附在螺杆上的积料 使物料在机筒内的停留时间均匀 同向旋转的双螺杆 由于啮合处两根螺杆的速度方向相反 螺杆变形小 剪切速率大 自洁作用比反向旋转双螺杆好向内反向旋转的双螺杆 物料给与螺杆向外的分离力 螺杆易变形 螺杆与料筒易刮卡 只能低速运作 进料性能差 图5 38CSCO挤出机啮合区的截面 3 非啮合型双螺杆挤出机 结构上类似于两根平行单螺杆在料筒中转动 其物料输送与单螺杆挤出机类似 主要差别是物料从一根螺杆到另一根螺杆的交换 NOCT非啮合型双螺杆挤出机特点 NOCT挤出量 相同螺杆D的单螺杆挤出量的两倍NOCT正位移输送特性更少 逆流返混特性较好NOCT适于共混 排气和化学反应等 不适合型材挤出 5 1 3挤出成型工艺及控制 1 挤出成型工艺 原料的预处理和混合挤出成型定型与冷却牵引和卷取 切割 后处理 2 挤出机的生产率Qm 影响因素 挤出机正常工作时 螺杆熔体输送段的流动速率可看作挤出机的挤出流量 影响熔体输送段流率的因素也就是影响挤出机生产率的因素 螺杆转速与生产率的关系 5 32 挤出机的生产率与螺杆转速成正比 物料温度和生产率的关系 由5 32式 挤出Qm仅与螺杆N及螺杆 口模的结构尺寸有关 而与物料的粘度无关 在机头口模尺寸不变时 当粘度 压力 挤出流率就保持不变 但在实际生产中 当温度有较大幅度变化时 挤出流率有变化 机头压力与生产率的关系决定熔体流量的是正流 逆流和漏流 正流流率与压力无关 逆流和漏流流率 压力 P Qm 对物料混合和塑化有利 口模尺寸 P 挤出量虽 但对制品质量不利 机头口模的阻力与生产率的关系 挤出阻力与机头口模的截面积成反比 与长度成正比 即口模尺寸 或口模的平直部分越短 机头阻力越小 此时Qm受机头内压力变化的影响越大 螺杆几何尺寸与生产率的关系 螺杆直径DbQm接近于与 Db2生产规模大的挤出成型多用大Db的挤出机螺槽深度Hm正流 Hm 而逆流 Hm3 压力较低 Qm浅槽螺杆Qm深槽螺杆说明深槽螺杆的挤出量对压力的敏感性大 浅槽螺杆在压力波动的情况下挤压比较均匀的制品 但螺槽也不能太浅 否则剪切作用太大 易使物料烧焦 计量段 均化段 长度L 从式5 29 L 逆流和漏流 Qm 增加计量段长度L 螺杆特性曲线比较平坦 即受口模阻力的影响较小 即使因口模阻力变化而引起机头压力较大