第四章挤出成型工艺1

1 第四章第四章 挤出成型工艺挤出成型工艺 学学习习目目的的与与要要求求 掌握挤出成型的的定义 分类 掌握挤出机的基本结构及工作原理 掌握挤出成型工艺的一般操作 掌握几种典型挤出产品的成型工艺 掌握挤出中空吹塑成型工艺 了解挤出成型技术的发展 第一节 概述 挤出成型是塑料加工领域中变化众多 生产率高 适应性强 用途广泛 所占比重最 大的成型加工方法 它是使塑料熔体 或粘弹流体 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 挤出成型工艺适合于所有的高分子材料 塑料挤出成型也称为挤塑或挤出模塑 几乎 能成型所有的热塑性塑料 也可用于热固性塑料 但对热固性塑料仅限于酚醛塑料等少数 几个品种且可挤出成型的热固性塑料制品种类也很少 塑料挤出的制品有管材 板材 片 材 薄膜 单丝 电线电缆包覆层 各种异型材以及塑料与其它材料的复合物等 目前约 有 50 的热塑性塑料制品是挤出成型生产的 此外挤出工艺也常用于着色 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 拉伸等技术则发展为挤出吹塑成型 和挤出拉幅成型 这二种工艺常用来生产中空制品和双轴拉伸薄膜等制品 所以挤出成型 是塑料成型最重要的工艺方法 根据挤出物料塑化方式不同 挤出成型可分为干法挤出与湿法挤出 干法挤出是靠外 加热将物料变成熔体 塑化与挤出成型在挤出机内完成 制品的定型处理为简单的冷却固 化 湿法挤出的物料塑化是通过有机溶剂对物料的作用 不需要加热 使其成为粘流状态 塑化是在挤出机之外预先完成的 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性更好些 可以避免物料成型时的热降解 但考虑到溶剂的回收以及 生产环境的污染等问题 实际生产上应用并不多 目前仅用于纤维素塑料等不能加热塑化 的少数几种塑料的挤出 挤出设备有螺杆挤出机和柱塞式挤出机两大类 前者为连续挤出 后者为间歇式挤出 螺杆挤出机又可分为单螺杆挤出机和多螺杆挤出机及无螺杆挤出机 目前单螺杆挤出机是 生产上用得最多的挤出设备 也是最基本的挤出机 多螺杆挤出机中双螺杆挤出机近年来 发展最快 其应用也逐渐广泛 无螺杆挤出机应用极少 柱塞式挤出机是借助柱塞的推挤 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而成型的 物料挤 挤完后柱塞退回 再进行下一次操作 操作是不连续的 而且挤出机对物料没有搅拌混合 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 在熔融粘度很大及 流动性极差的塑料挤出成型时使用 如聚四氟乙烯或超高分子量聚乙烯等的挤出 本章主要讨论生产上应用较多的单螺杆挤出及又螺杆挤出 其它类型的挤出机因其应 用极少 故对其挤出工艺不予讨论 第二节 挤出机及机头的基本结构 一 单螺杆挤出机基本结构 单螺杆挤出机是由传动系统 挤出系统 加热冷却系统 控制系统等几部分组成 此 外 每台挤出机都有一些辅助设备 其中挤出系统是挤出成型的关键部分 对挤出成型的 质量和产量起重要作用 挤出系统主要包括加料装置 料筒 螺杆 机头与口模等几个部 分 如图 4 1 所示 2 图 4 1 单螺杆挤出机结构示意图 1 树脂 2 料斗 3 硬衬垫 4 热电耦 5 机筒 6 加热装置 7 衬套加热嚣 8 多孔板 9 熔体热电耦 10 口模 11 村套 l2 过滤网 13 螺杆 4 冷却夹套 1 加料装置 挤出成型的供料一般采用粒状料 粉状料和带状料 加料装置是保证向挤出机料筒连 续供料的装置 形如漏斗 有圆锥形和方锥形 亦称料斗 料斗的底部与料筒连接处是加 料孔 该处有截断装置 可以调整和截断料流 在加料孔的周围有冷却夹套 用以防止高 温料筒向料斗传热 避免料斗内塑料升温发粘而引起加料不均和下流受阻情况发生 料斗 的侧面有玻璃视孔及标定计量的装置 有些料斗还有可以防止塑料从空气中吸收水分的预 热干燥和真空减压装置 以及带有能克服粉状塑料产生 架桥 现象的搅拌器及能够定时 定量自动上料或加料的装置 2 料筒 又称机简 是一个能够承高温高压的金属圆筒 物料的塑化和压缩都是在料筒中进行 的 挤出成型时的工作温度一般在 180 290 料筒内的压力可达 55MPa 在料筒的外面 设有分段加热和冷却的装置 以便对塑料加热和冷却 加热一般分三至四段 常用电阻或 电感应加热 也有采用远红外线加热的 冷却的目的是防止塑料的过热或停车时须对塑料 快速冷却 以免塑料的降解 冷却一般用风冷或水冷 料筒要承受很高的压力 故要求具 有足够的强度和刚度 内壁光滑 料筒一般用耐磨 耐腐蚀 高强度的合金钢或碳钢内衬 合金钢来制造 料筒的长度一般为其直径的 15 24 倍 随着挤出机制造水平的提高 料筒 的长度与其直径的比有增大的趋势 3 螺杆 螺杆是挤出机最主要的部件 通过螺杆的转动 对料筒内塑料产生挤压作用 使塑料 原料发生移动 得到增压 获得由摩擦产生的热量 螺杆的结构形式对挤出成型有重要的 影响 直接关系到挤出机的应用范围和生产率 螺杆的结构 螺杆是一根笔直的有螺纹的金属圆棒 图 4 2 为普通螺杆的结构 螺杆是用耐热 耐 腐蚀 高强度的合金钢制成的 其表面应有很高的硬度和光洁度 以减少塑料与螺杆的表 面摩擦力 使塑料在螺杆与料简之问保持良好的传热与运转状况 螺杆的中心有孔道 可 通冷却水 目的是防止螺杆因长期运转与塑料摩擦生热而损坏及物料烧料 同时使螺杆表 面温度略低于料简 防止物料粘附其上 有利物料的输送 3 图 4 2 螺杆结构示意图 Ds 螺杆外径 Ls 螺距 H1 加料段螺槽深度 螺旋角 H3一均化段槽深螺度 螺杆用止推轴承悬支在料筒的中央 与料筒中心线吻合 不应有明显的偏差 螺杆与 料筒的间隙很小 使塑料受到强大的剪切作用而塑化 螺杆由电动机通过减速机构传动 转速一般为 10 120r min 要求是无级变速 螺杆的几何结构参数 螺杆的几何结构参数有直径 长径比 压缩比 螺槽深度 螺旋角 螺杆与料筒的间 隙等 见图 4 3 这些参数对螺杆的工作特性有重大的影响 图 4 3 螺杆结构的主要参数 Ds 螺杆外径 Db 料筒内径 Ls 螺距 H 螺槽深度 W 螺槽宽度 螺旋角 E 螺纹棱部宽度 螺杆料筒间隙 L 螺杆长度 d 螺杆根径 螺杆直径Ds 指其外径 通常在 30 200mm 之间 最常见的是 45 150mm 随螺杆 的直径增大 挤出机的生产能力提高 所以挤出机的规格常以螺杆的直径大小表示 螺杆的长径比 L Ds 指螺杆工作部分的有效长度 L 与直径Ds 之比 此值通常为 15 25 但近年来发展的挤出机有达 40 的 甚至更大 L Ds大 能改善塑料的温度分布 混 合更均匀 并可减少挤出时的逆流和漏流 提高挤出机的生产能力 L Ds过小 对塑料 的混合和塑化都不利 因此 对于硬塑料 粉状塑料或结晶型塑料要求塑化时间长 应选 较大的 L Ds L Ds 大的螺杆适应性强 可用于多种塑料的挤出 但 L Ds过大 对热 敏性塑料会因受热时间太长而易发生分解 同时螺杆的自重增加 制造和安装都困难 也 增大了挤出机的功率消耗 目前 L Ds以 25 居多 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 它表示塑料通过螺杆全过程被压缩的程度 A 愈大 塑料受到挤压的作用也就愈大 排除 物料中所含空气的能力就大 但 A 太大 螺杆本身的机械强度下降 压缩比一般在 2 5 之 间 压缩比的大小取决于挤出塑料的种类和形态 粉状塑料的相对密度小 夹带空气多 其压缩比应大于粒状塑料 另外挤出薄壁状制品时 压缩比应比挤出厚壁制品的大 表 4 1 为各种塑料所采用的螺杆压缩比 压缩比的获得主要采用等距变深螺槽 等深变距螺槽 4 和变深变距螺槽等方法 其中等距变深螺槽是最常用的方法 表 4 1 常用塑料适用的螺杆压缩比 物料压缩比物料压缩比 硬聚氯乙烯 粒 硬聚氯乙烯 粉 软聚氯乙烯 粒 软聚氯乙烯 粉 聚乙烯 聚苯乙烯 纤维素塑料 有机玻璃 聚酯 聚丙烯 聚三氟氯乙烯 2 5 2 3 3 4 2 5 3 2 3 5 3 4 3 5 3 4 2 2 5 2 4 1 7 2 3 3 5 3 7 3 7 4 2 5 4 2 5 3 3 2 4 ABS 聚甲醛 聚碳酸酯 聚苯醚 聚砜 片 聚砜 膜 聚砜 管 型材 尼龙 6 尼龙 66 尼龙 11 尼龙 1010 1 8 1 6 2 5 4 2 8 4 2 5 3 2 2 3 5 2 8 3 3 7 4 3 3 3 6 3 5 3 7 2 8 2 6 4 7 3 螺槽深度 H 螺槽深度影响塑料的塑化及挤出效率 H 小时 对塑料可产生较高的剪 切速率 有利于传热和塑化 但挤出生产率降低 因此 热敏性塑料 如 PVC 宜用深槽螺 杆 而熔体粘度低和热稳定性较高的塑料 如 PA 等 宜用浅槽螺杆 沿螺杆轴向各段的螺槽 深度通常是不等的 加料段的螺槽深度 H1是个定值 一般 Hl O 1 Ds 压缩段的螺槽深 H2 是个变化值 均化段的螺槽深 H3是个定值 按经验 H3 0 02 0 06 Ds Ds 较小者 取大值 反之 取小值 螺旋角 是螺纹与螺杆横截面之间的夹角 随着 的增大 挤出机的生产能力提 高 但螺杆对塑料的挤压剪切作用减少 通常口介于 10 30 之问 螺杆中沿螺纹走向 螺旋角大小有所变化 物料的形式不同 对加料段的螺旋角要求也不一样 根据挤出理论 和实验证明 30 最适合细粉状物料 15 适于方块料 17 则适于圆柱料 在均化段 30 时 挤出产率最高 出于机械加工的方便 取 Ds Ls 则 17 7 这是最常用的 螺杆螺旋角 螺纹棱部宽 E 螺棱宽 E 太小会使漏流增加 导致产量降低 对低粘度的熔体更足如 此 E 太大会增加螺棱上的动力消耗 有局部过热的危险 一般取 E 0 08 0 12Ds 在螺杆 的根部取大值 螺杆与料筒的间隙 其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 且不利于热传导并降低剪切速率 不利于物料的熔融和混合 但 过小时 强烈的 剪切作用易引起物料出现热力学降解 一般 0 1 0 65mm 为宜 对大直径螺杆 取 0 002Ds 小直径螺杆 取 0 005 Ds 螺杆的作用 挤出成型时 螺杆的运转对物料产生如下三个作用 第一输送物料 螺杆转动时 物 料在旋转的同时受到轴向压力 向机头方向流动 第二传热塑化物料 螺杆与料筒配合使 物料接触传热而不断更新 在料筒的外加热和螺杆摩擦作用下 物料逐渐软化 熔融为粘 流态 第三是混合均化物料 螺杆与料筒和机头相配合产生强大剪切作用 使物料进一步 均匀混合 并定量定压由机头挤出 螺杆对物料所产生的作用在螺杆的全长范围内各段是不同的 根据物料在螺杆中的温 度 压力 粘度等的变化特征 可将螺杆分为加料段 压缩段和均化段三段 如图 4 2 所 5 示 加料段 加料段的作用是对料斗送来的塑料进行加热 同时输送到压缩段 塑料在该 段螺槽始终保持固体状态 加料段的长度随塑料品种不同而异 挤出结晶型热塑性塑料的加料段要求较长 使塑 料有足够的停留时间 慢慢软化 该段约占螺杆全长的 60 65 挤出无定形塑料的加 料段较短 约占螺杆全长的 10 25 但硬质无定形塑料也要求长一些 软质无定形靼 料则较短 加料段螺杆对塑料一般没有压缩作用 故螺距和螺槽的深度都可以保持不变 螺槽深 度也较深 因此加料段通常是等深等距的深槽螺纹螺杆 压缩段 其作用是对加料段送来的料起挤压和剪切作用 同时使物料继续受热 由固 体逐渐转变为熔融体 赶走塑料中的空气及其他挥发成分 增大塑料的密度 塑料通过压 缩段后 应该成为完全塑化的粘流状态 压缩段应能对塑料产生较大的压缩作用和剪切作用 该段螺槽容积应逐步减小 从螺 杆结构特征来看 压缩作用可以通过减小螺距及螺槽深度来实现 如果螺距的变化 压缩 段螺 槽等深但不等距 即螺距愈来愈小 而螺杆根径 d 不变 这种螺杆在要求压缩比较大时不 影响螺杆的强度 但螺杆的加工比较困难 如果螺槽深度的变化 压缩段螺槽等距而不等 深 即螺杆根径渐大 这样的结构是日前普通螺杆中应用最多的形式 其特点是螺杆加工 方便 料筒对塑料的传热接触面不减小 传热塑化效果较好 但由于螺槽渐浅 螺杆加料 段根径小 对于长径比和压缩比大的螺轩 要考虑其强度 压缩段的长度与塑料的性质 塑料的压缩率有关 无定形塑料压缩段较长 为螺杆全 长的 55 65 熔融温度范围宽的塑料其压缩段最长 如聚氯乙烯挤出成型用的螺杆 压缩段为螺杆全长的 100 即全长均起压缩作用 这样的螺杆叫做渐变螺杆 结晶型塑 料 熔融温度范围较窄 压缩段较短 为 3 5Ds 某些熔化温度范围很窄的结晶型塑料 如尼 龙等 其压缩段更短 甚至仅为一个螺距的长度 这样的螺杆叫做突变螺杆 见图 4 4 所 示 图 4 4 渐变型螺杆 a 与突变型螺杆 b 均化段 其作用是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 并定量定压地通过机头口模挤出成型 由于从压缩段来的物料已达到所需的压缩 比 故均化段一般无压缩作用 螺距和槽深可以不变 这一段常常是等距等深的浅槽螺纹 对于渐变形螺杆 本段螺杆螺距最小或槽深最浅 这种螺杆实际上无均化段 常用于聚氯 乙烯等热敏性塑料 可避免粘流态物料在均化段停留时间过长而导致分解 对于一般塑料 6 如聚乙烯 聚苯乙烯等 为了稳定料流 均化段应有足够的长度 通常是螺杆全长的 20 25 螺杆的形式 塑料的品种很多 性质各异 为了适应加工不同塑料的要求 螺杆的种类也很多 螺 杆 的结构形式有很大的差别 螺杆 般分为普通螺杆和高效专用型螺杆 普通螺杆 指常规全螺纹三段螺杆 这种螺杆应用最广 整根螺杆由三段组成 其挤 出过程完全依靠全螺纹的形式完成 根据螺距和螺槽深度的变化 螺杆可分为等距变深螺 杆 等深变距螺杆和变距变深螺杆 等距变深螺杆制造容易 成本低 物料与料简接触面 积大 易于传热 有利于物料的压缩 熔融和塑化 进料段螺槽较深也有利于进料 因此 这种螺杆应用最广 等距变深螺杆按其螺槽深度变化的快慢 即压缩段的长短 又可分为等 距渐变形螺杆和等距突变形螺杆 对非晶型塑料宜选用渐变形螺杆 结晶型塑料宜选用突 变形螺杆 为了得到较好的挤出质量 要求物料尽可能避免局部受热时间过长而产生热降解现象 能平稳地从螺杆进入机头 这与螺杆头部的形状有很大关系 螺杆头部一般设计为锥形成 半圆形 以防止物料在螺杆头部滞流过久而分解 锥形头部的角度一般为 120 对 PVC 等热敏性塑料 锥角为 60 有的螺杆均化段是一段平行的杆体 常称为鱼雷头或平准头 其直径比前段螺槽根径略大 表面是光滑的 但也可有凹槽或滚花 甚至有锥形的突棱 鱼雷头螺杆具有搅拌和节制物料 消除料流脉动现象等作用 并能增大物料的压力 降低 料层厚度 改善物料传热 进一步提高塑化效率 这种螺杆主要用于挤出粘度较大 导热 性不良或有较明显熔点的塑料 如 PS 有机玻璃 纤维素等 螺杆头部结构如图 4 5 所示 图 4 5 常用螺杆头部形状 a 大圆锥 120 b 锥体 锥角 60 适用于 PVC c 半圆形 d 鱼雷体 高效螺杆 普通螺杆存在熔融效率低 塑化混合不均匀等缺点 往往不能很好适 应一些特殊塑料的加工或进行混炼 着色等工艺过程 目前常用的改进方法是加大长径比 提高高螺杆转数 加大均化段的螺槽深度等 这些改进措施有一定的成效 但比较有限 针对普通螺杆存在的问题 人们在对挤出过程进行深入研究的基础上 发展了各种新型螺 杆 这些新型螺杆克服了常规全螺纹三段螺杆存在的缺点 在提高挤出产量 改善塑化质 量 减少产量波动 压力波动 温度波