聚合物成型加工原理05.ppt

20 Apr 20 1 第五章挤出成型 5 1概述5 2单螺杆挤出机的基本结构5 3挤出机的发展5 4挤出成型的工艺过程5 5挤出理论5 6挤出成型工艺 实例 20 Apr 20 2 5 1概述一 定义 挤出成型又称挤出模塑或挤塑 它是借助螺杆或柱塞的挤压作用 使受热熔化的塑料在压力推动下 强行通过口模而成为具有恒定截面的连续型材的一种成型方法 20 Apr 20 3 挤出成型又叫挤塑 挤压 挤出模塑 20 Apr 20 4 管材 20 Apr 20 5 挤出过程 加料 在螺杆中熔融塑化 机头口模挤出 定型 冷却 牵引 切割 20 Apr 20 6 二 适用范围1 热塑性塑料的成型 几乎所有的热塑性塑料都可以用这种方法成型 如果挤出机配备不同的机头和辅机 就可以生产各种管材 板材 薄膜 丝 异型材 2 可用来生产电线 电缆等涂复或包复涂层制品 3 塑料的制备4 聚合物的共混 染色5 热固性塑料的成型6 反应挤出 20 Apr 20 7 三 特点 1 具有连续性 生产作业连续性产品连续性2 容易实现机械化 自动化 生产效率高 3 设备成本低 制品密实均匀 20 Apr 20 8 四 挤出工艺分类1 按塑化方式分为 干法和湿法a 干法 依靠加热将塑料变成熔体优点 塑化 加压 可在同一设备中进行 制品定型处理简单 b 湿法 依靠溶剂将塑料充分软化或溶胀 变成溶液 然后再进入挤出机加压成型 优点 可避免塑料受热降解 塑化比较均匀 缺点 定型处理较复杂 因为必须考虑溶剂的脱出和回收 由于干法比湿法优越 故挤出成型采用干法挤出工艺 而湿法仅用于硝酸纤维素和少量醋酸纤维素塑料等的成型 20 Apr 20 9 2 按加压方式分为 连续法和间歇法a 连续法 采用螺杆挤出 在螺杆挤出中 螺杆物料的塑化 混合 加压 成型是同时进行的 因此整个生产过程是一个连续过程 b 间歇法 采用柱塞挤出 由柱塞做往复运动 对物料间歇施压 因此整个生产过程是不连续的 20 Apr 20 10 5 2单螺杆挤出机的基本结构单螺杆挤出机主要由五部分组成 传动装置 加料装置 料筒 螺杆 机头和口模 20 Apr 20 11 一 传动装置1 作用 给螺杆提供扭矩 调节螺杆转速 2 构成 主要包括电动机 减速器轴承等部件 3 衡量传动装置好坏的指标 a 用挤出单位质量物料所消耗的功率数来衡量 即kWh kg 反映了结构设计的合理性 材质性能的好坏 值越小越好 b 用挤出量来衡量传动装置的好坏 即kg h 反映了挤出机的综合性能 20 Apr 20 12 4 对传动装置的要求a 要求能提供稳定的转速 b 传动装置能够无级变速 以适合挤出不同品种的塑料和不同牌号的树脂 实现方法 直流电机或整流子电动机 常速电动机驱动的机械摩擦传动 用电动机驱动油泵 将油送到液压马达 20 Apr 20 13 二 加料装置主要是指料斗 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 侧面有视镜和标定计量的装置 有些加料斗常有真空装置或加热装置 以便防止物料从空气中吸收水分 有些料斗有搅拌器 并能自动上料与加料 料斗底部有冷却装置 防止搭桥 20 Apr 20 14 三 料筒1 作用 输送物料 对物料进行加热 加压 2 要求 耐温 坚韧 耐磨和耐腐 料筒常是钢制外壳和合金钢内衬共同组成的 3 料筒的外部装置a 加热装置 采用电阻丝加热 也可电感应加热 蒸汽或油加热 b 冷却装置 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 20 Apr 20 15 四 螺杆1 螺杆的作用 a 对物料进行输送和加压 b 混合 塑化 加热 c 定量挤出 2 螺杆形状a 渐变形螺杆 螺槽容积是逐渐变小 分为等距不等深螺杆和等深不等距螺杆 b 突变形螺杆 螺槽容积是突然变小 20 Apr 20 16 20 Apr 20 17 3 螺杆基本尺寸 a 直径 D 直径越大 加工能力越高 b 长径比 L D 螺杆有效长度与直径之比 长径比大 可以使物料温度分布均匀 有利于塑料的混合 能减少漏流和逆流 可提高挤出机的生产能力 螺杆的适应性强 适合多种塑料的挤出 但长径比也不能过大 否则会使物料停留时间增长 物料容易受热降解 也会使螺杆的自重增加 自由端必然下重 容易引起螺杆和料筒间相互擦伤 也给加工带来困难 另外使挤出机的功率消耗增大 20 Apr 20 18 c 螺旋角 指螺纹与螺杆槽截面间的夹角 生产能力 塑料塑化 d 螺槽深度h 螺槽底到料筒内部一边之差 靠近料筒处较深 螺杆头部较浅 e 螺棱宽度e 垂直螺棱方向上的宽度 f 螺槽宽度W 垂直螺棱方向的螺槽宽度 g 螺杆与料筒的间隙 20 Apr 20 19 归纳 L D 定值 w e 螺杆径向函数h 螺杆轴向函数 时间函数 20 Apr 20 20 4 螺杆的分段 a 加料段 靠近料斗附近作用 使塑料受热前移 将料斗供给的物料送往压缩段 物料特征 固态结构 等距等深 0 10 0 15D 长度据情况而定 4 8D 20 Apr 20 21 b 压缩段 螺杆中部一段 5 15D 作用 加热熔化物料 加压压实物料 排除空气 20 Apr 20 22 物料状态 液相 固相共存几何压缩比 第一个螺槽容积 最后一个螺槽的容积 大小取决于物理压缩比 物料进料时聚集状态和制品的状态 h1 D h1 h3 D h3 物理压缩比 指塑料制品的比重与原料比重之比 一般几何压缩比 1 5 5 要大于物理压缩比 1 5 3 原因 避免发生缺料和漏料 几何压缩比获得方法 改变螺槽深度 改变螺距 同时改变螺槽深度与螺距 20 Apr 20 23 20 Apr 20 24 c 均化段 螺杆最后一段作用 使熔体塑化均匀 使料流定量 定压挤出 物料特征 液态结构 等距等深 0 02 0 06D 长度据情况而定 6 10D 20 Apr 20 25 螺杆头 20 Apr 20 26 普通三段式螺杆存在的问题 目前 一般单螺杆多采用等距不等深螺杆 加料段常和均化段螺槽深度不变 压缩段螺槽逐渐变浅 这种螺杆可以满足一般的挤出成型 但存在以下几方面的问题 1 熔融效率低熔融段熔体与固体床共同存在于一个螺槽中 减小了料筒壁与固体床的接触面积 固体床随着熔融解体 部分碎片进入熔体中 很难从剪切获得热量 这样 固体床不能彻底熔融 另外 已熔物料与料筒壁接触 从料筒壁和熔膜处获取热量 温度继续升高过热 2 压力 温度和产量波动大固体输送时又与螺杆旋转产生较高频率的波动 由于熔融过程的不稳定性产生低频波动 温控系统的稳定性差或环境因素的变化引起的波动 3 混合效果差 不能很好适应一些特殊塑料的加工或混炼 着色工艺过程 20 Apr 20 27 新型螺杆 1 排气式螺杆主要适用于含水和易产生挥发组分的物料 排气原理 物料到排气段基本塑化 由于该段螺槽突然加深 压力骤降 气体从熔体中逸处 从排气口排出 20 Apr 20 28 20 Apr 20 29 2 分离型 屏障型 螺杆 原理 在螺杆熔融段再附加一条螺纹 将原来一个螺纹所形成的螺槽分为两个 将已熔物料和未熔物料尽早分离 促进未熔料尽快熔融 20 Apr 20 30 不同类型屏障型螺杆的比较 20 Apr 20 31 3 销钉型螺杆 原理 物料流经过销钉时 销钉将固体料或未彻底熔融的料分成许多细小料流 这些料流在两排销钉间较宽位置又汇合 经过多次汇合分离 物料塑化质量得以提高 销钉设置在熔融区 排列形状有人字形 环形等 销钉形状有圆柱形 菱形 方形等 20 Apr 20 32 20 Apr 20 33 4 混合螺杆 在熔融段末或均化段增设置混合 混炼 剪切 均化等作用的元件 可以提高混合的均匀性 混炼效果好 混色均匀 分散性好 20 Apr 20 34 20 Apr 20 35 20 Apr 20 36 20 Apr 20 37 五 机头和口模1 机头 口模与料筒的过渡部分 作用 i使旋转运动的熔体转变为平行直线流动 ii进一步塑化 将熔体平稳的导入口模 iii赋予必要的成型压力 保持制品密实 构成 由过滤网 分流器 模芯及口模组成 种类 直式和角式 20 Apr 20 38 2 口模 赋予制品横截面的工具 用螺栓或其它方法固定在机头上 20 Apr 20 39 20 Apr 20 40 20 Apr 20 41 20 Apr 20 42 20 Apr 20 43 20 Apr 20 44 六 辅助设备1 挤出前处理物料设备 如预热 干燥等 2 处理挤出物的设备 3 控制生产设备 20 Apr 20 45 5 3挤出机的发展一 双螺杆1 结构 2 优点 a 摩擦产生热量少 b 塑料所受剪切力均匀 c 螺杆输送能力大 d 挤出量稳定 e 料筒自洁 3 缺点 结构复杂 投资大 维修保养烦 20 Apr 20 46 20 Apr 20 47 20 Apr 20 48 20 Apr 20 49 20 Apr 20 50 20 Apr 20 51 20 Apr 20 52 20 Apr 20 53 20 Apr 20 54 二 超高速挤出机1 优点 产量高 重量轻 操作容易 2 缺点 摩擦热大 料筒及螺杆冷却困难 三 组合螺杆挤出机 20 Apr 20 55 5 4挤出成型的工艺过程一 原料干燥使水分含量在0 5 以下 二 挤出成型控制要点 1 温度料温来自加热和摩擦热 料温高 有利于塑化 熔体流量增大 挤出物出料加快 但机头和口模温度不能过高 否则挤出物形状稳定性差 制品收缩率大 甚至引起制品发黄 有气泡等 料温低 塑化差 功率消耗大 20 Apr 20 56 2 压力 机头压力大 可提高挤出熔体混合均匀性和稳定性 对产品致密程度好 因此在机头上设置多孔板 过滤网 但压力不能太大 否则回压大 挤出量下降 3 螺杆转速转速 产量 剪切作用 有利于混合和塑化 但功率消耗 三 定型与冷却四 牵引与切割五 后处理 20 Apr 20 57 5 5挤出理论一 挤出理论凡是发生在螺杆加料段 压缩段和计量段上的基本理论均称为挤出理论 二 研究内容与目的1 内容 a 研究物料在螺杆中的压力和温度分布规律 b 研究螺杆对物料的输送能力 c 研究螺杆的功率消耗 d 研究螺杆对物料的塑化效果 20 Apr 20 58 2 目的 找出物料变化运动与螺杆参数 挤出条件 物料本性之间的关系 3 生产上要解决的问题 a 塑化量 b 各段输送量 c 造成不稳定的定量计算 d 保证温度 组成均匀性 e 输出功率的大小 20 Apr 20 59 三 研究方法1 静态观察法指迅速冷却挤出机 将物料在挤出过程中的瞬间状态冻结在螺杆上 然后压出螺杆或打开料筒观察 测量 切片 取样或摄影 2 动态观察法指在机筒上开孔 装上耐高温的玻璃 或做成透明机筒来观察挤出的真实过程 3 模拟挤出过程的局部环节 20 Apr 20 60 5 5 1固体输送理论一 概述1 研究对象及目的a 对象 加料段b 目的 搞清输送量与物性 设备 工艺条件的关系 由此计算输送量 找出提高产量的途径 2 发展简史固体摩擦理论 1956 Darnell Mol Tadmor粘性牵附理论 1970 Chung能量平衡理论 1971 Tedder 20 Apr 20 61 二 简化与假设1 从料斗到固体输送段的物料是被压实的无内变形的固体塞 其内部每一点速度 密度一致 2 螺杆静止 料筒运动 3 固体塞上的压力P仅仅是沿螺槽方向Z的函数 与V无关 4 摩擦系数是一个常数 但固体与螺杆和机筒表面的摩擦系数可以不同 作用在固体塞上的摩擦力符合 F f P5 忽略物料重力 6 加料段等距等深 截面为矩形 螺杆与料筒间的间隙忽略 7 等温过程 20 Apr 20 62 三 输送机理1 简单模型 把固体塞限定在两块相对移动的平板间运动 驱动力 Fb P Ab fb阻力 Fs P As fsa Fs Fb 固体塞减速 直到停止 b Fs Fb 固体塞加速 直到Vb c Fs Fb 固体塞处于稳定状态 以速度V运动 20 Apr 20 63 2 与实际情况相似的模型根据假设6得模型 Fb Ab fb P驱动力 Fbz Ab fb P cos 阻力 Fs As fs P稳态下 Fs FbzAs fs P Ab fb P cos 物料不动时 0 要使物料运动 则 0 则 As fs Ab fb cos cos 1 As fs Ab fb cos 20 Apr 20 64 又 cos As fs此即为固体塞运动条件 当Ab fb As fs时 固体塞不动 物料将包住螺杆 随螺杆转动 3 保证固体输送段正常供料的方法 降低fs 提高fb 降低fs a 增加螺杆的光洁度 b 在螺杆中心通冷却水 原因 温度升高 摩擦系数增大 提高fb a 在料筒内壁开设纵向槽沟 b 适当提高加料段温度 不能过高 否则产生 架桥 现象 20 Apr 20 65 四 固体塞的运动分析 求生产率Qs当Ab fb As fs时 固体塞以Vz沿螺槽移动 其轴向分速度为Vl 则 Qs Vl A Vl 4 Db2 Ds2 ieH sin Ds 螺槽底部直径Db 料筒内径e 螺棱宽度 螺旋升角平均值i 螺纹头数 Z Y X 20 Apr 20 66 求V1 Vz 固体塞沿螺槽运动速度Vb 料筒移动速度Vx Vz与Vb相对速度 螺纹角 移动角Vz Vb Vxtg Vl Vb Vl tg Vl Vb tg tg tg tg N Db tg tg tg tg 式中 N 转速 Db 料筒内径 20 Apr 20 67 则 Qs N Db tg tg tg tg 4 Db2 Ds2 ieH sin 又 Db2 Ds2 Db2 Db2 2H 2 4H Db H W i Db H sin e Qs N 2 DbH Db H tg tg tg tg W W e 20 Apr 20 68 五 固体塞受力分析 求移动角 1 F1 fb P Wb dZbF1 料筒表面与固体塞间的摩擦力 P 物料承受压力 dZb 微元宽度 fb 固体塞与机筒的摩擦数 Wb 料筒内表面螺槽宽度 20 Apr 20 69 2 F2 F6 HWdPF2 F6 物料沿螺槽方向对微元固体塞的正压力H 加料段螺槽深度W 平均螺槽宽度dP F2与F6的压差 20 Apr 20 70 3 F8 P H dZ而F7 P H dZ F F8 F F7 F8 F F7 F8 螺纹侧面对微元的正压力P 给定Z处物料的压力F 螺棱推进面作用在微元的附加力 20 Apr 20 71 4 F3 F7 fs P H dZ F fsF4 F8 fs P H dZ fsF5 P Ws fs dZF3 F4 螺棱侧面对微元的摩擦力F5 螺槽底面对微元固体塞的摩擦力 20 Apr 20 72 5 另外两个力 F9 螺槽底面对微元正压力F10 料筒表面对微元的正压力两者大小相等 方向相反 所以相互抵消 20 Apr 20 73 6 为建立平衡方程 将各力分别对l轴向和 径向投影 F1l fb P Wb dZb sin F1 fb P Wb dZb cos F2 F6 l HWdP sin F2 F6 HWdP cos F7 F8 l F cos F7 F8 F sin F3l P H dZ F fs sin F3 P H dZ F fs cos F4l P H dZ fs sin F4 P H dZ fs cos F5l P Ws fs dZ sin F5 P Ws fs dZ cos 20 Apr 20 74 7 由于固体塞具有不变的轴向速度分量 所以处于平衡状态 即 Fl 0 Ml 0F1l F2 F6 l F7 F8 l F3l F4l F5l 0F1 Db 2 F2 F6 D 2 F7 F8 D 2 F3 D 2 F4 D 2 F5 Ds 2 0式中 Db Ds 分别为料筒内径和螺杆根部的直径D 平均直径 20 Apr 20 75 经整理得 cos K sin 2 H1 fs Wbfb sin b K tg D Db Wsfs Wbfb sin b K tg s Ds Db W H1 WbfbZb sin K tg D Db ln P2 P1 其中 K D Db sin fs cos cos fs sin D Ds Db 2式中 Zb 螺槽长度P1 加料段开始处压力P2 加料段结束处压力D 螺杆平均直径 20 Apr 20 76 为方便起见 将上式化简成 cos K sin M若以 为定值 则M与K成直线关系 则取不同的 做M K的关系图 根据此图 可以先计算出K和M值 再直接查图 就可以求出 再求出Qs 20 Apr 20 77 六 固体输送理论基本方程的讨论Qs N 2 DbH Db H tg tg tg tg W W e cos K sin 2 H1 fs Wbfb sin b K tg D Db Wsfs Wbfb sin b K tg s Ds Db W H1 WbfbZb sin K tg D Db ln P2 P1 这两个方程结合在一起称为固体输送理论基本方程 现在讨论各种因素对流量的影响 20 Apr 20 78 1 N Qs N 提高转速可增大产量 但实际中 N增大一倍 Qs不一定增加一倍 原因是 N 摩擦力 温度 而影响摩擦系数 也就影响到Qs 2 H Db螺杆外径一定时 增加加料段螺槽深度有利于提高Qs 20 Apr 20 79 3 移动角 Qs tg tg tg tg Qs tg tg tg 1 若 则tg 而 tg tg tg tg 1 即Qs Qs 20 Apr 20 80 4 摩擦系数ffs fb比值 M cos Qs 提高fb和降低fs的措施 a 提高螺杆光洁度 b 在料筒上开设纵向槽沟 c 降低螺杆温度 通冷却水 d 根据fb与温度关系 适当提高加工温度 20 Apr 20 81 5 螺旋角 不考虑压力的上升 且假设fs 0 则 Qmax N 2 DbH Db H W W e sin cos 再对 求导 并令dQ d 0 求得最佳 45 但实际过程中 fs 0 同时压力的变化也是存在的 所以 值不同 20 Apr 20 82 假设fs fb P2 P1 取不同的fs及 以tg tg tg tg 对 作图 由于fs在0 4 0 6之间 最佳 的范围是17 20 目前常取 17 41 20 Apr 20 83 6 压力要保证P1的稳定性 条件 料面高度h料 3D料口直径 20 Apr 20 84 5 5 2熔融理论一 研究对象及内容1 对象 物料在压缩段上的熔融机理和运动规律 2 目的 求出塑料从熔化开始到结束所需的螺杆长度 以及它与物料性质 螺杆几何参数 操作条件的关系 从而为分析螺杆性能 进行螺杆设计和确定最佳工艺条件提供依据 20 Apr 20 85 二 熔融机理1 冷却实验与熔融机理将本色物料与着色物料混合后加入挤出机 当挤出稳定后 快速停机冷却料筒及螺杆 观察到物料的熔化情况 W 20 Apr 20 86 熔融区物料剖面 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 20 Apr 20 87 2 固体床宽度的变化a 固体床分布函数X W f z X 固体床宽度W 螺槽宽度z 螺槽方向距离A点 X W 1B点 X W 0 W 20 Apr 20 88 b 固体床崩溃进行冷却实验时 常观察到z间距离还没到B点 X W 0 3 0 4 时 固体床就解体了 未熔化的固体床变成许多固体碎块 与已熔化的物料混为一体 原来的熔池 熔膜以及它们与固体床的界面都消失了 这种现象称为固体床崩溃 发生原因 固体床是被机筒拖拽向前 螺槽中存在着很大压力梯度 固体床与相邻的熔体具有不同的速度 固体床是由压紧的固体粒子所组成 因此比较薄弱 20 Apr 20 89 还与聚合物的性质 物料颗粒大小 螺杆几何形状有关 采取措施 选择长径比大的螺杆 利用过滤网和多孔板阻止未熔化的固体碎块通过 冷却螺杆 防止固体床破碎 不要采用过高转速 采用新型螺杆 20 Apr 20 90 三 数学分析1 坐标的确定采用直角坐标系 原点 固体床与熔膜分界面X 垂直于螺棱方向Y 沿螺槽深度方向Z 沿螺槽方向2 假设a 熔化过程是稳定的过程 b 固相是连续的均质体 没有崩溃现象 而且螺槽的横截面为矩形 c 塑料的熔融温度范围很窄 因此固相与液相分界面很明显 Z Y X 20 Apr 20 91 d 熔体为牛顿流体 e 热量只在螺槽深度方向传导 忽略其它方向的热传导和对流 f 固体的熔化只是在界面处进行 熔池对固体的传热忽略不计 g 熔化的物料由料筒表面的拖拽作用汇集到螺槽的推进面形成熔池 固体床以恒定的速度Vsy进入界面 h 固体床在Y方向上无限深 i 其它所有物理性能都是常数 20 Apr 20 92 通过上述假设 建立物理模型如图 W 20 Apr 20 93 2 公式推导根据能量平衡 质量平衡原理推出熔化速度和固体床分布函数 最后求出熔化长度 分界面上单位的热量平衡经熔膜进入分界由分界面每单位分界面位单位面面每单位面积上面积上传入固相积上塑料熔融消的热量内的热量耗的热量即 Km dT dy y 0 Ks dT dy y 0 Vsy s 1 式Km Ks 分别为液相和固相塑料的导热系数 固相塑料熔化潜热 s 固相密度 dT dy y 0 分别为熔膜内和固相内的温度分布梯度 20 Apr 20 94 a 熔膜温度分布函数T T y Vj2 2Km 2 Y2 Tb Tm Vj2 2Km Y Tm 2 式 Km dT dy y 0 Tb Tm Km Vj2 2 3 式这个式子表示单位面积上经熔膜流入到分界面的热量 式中 Tb 料筒温度Tm 塑料熔点 熔体表观粘度 熔膜厚度Vj 料筒内表面速度Vb与固体床Vsz的矢量差 20 Apr 20 95 b 固体床温度分布函数T T y Tm Ts exp y sCsVsy Ks Ts 4 式固体床中任意点温度可由上式计算 Ks dT dy y 0 sCsVsy Tm Ts 5 式式中 Cs 固体塑料的比热Vsy 固体进入液相的速度将 3 式和 5 式代入 1 式中得到分界面上热量平衡方程 Tb Tm Km Vj2 2 sCsVsy Tm Ts Vsy s 20 Apr 20 96 熔膜内z向单位长度上的质量平衡单位时间内 有固相沿Y方向加入由熔膜流入熔池熔膜的新熔化的物料量的物料量即 Vsy s X Vbx m 2 6 式式中 Vbx 料筒内表面速度在X方向的分速度 m 熔融物料的密度X 固体床宽度Vbx 2 平均速度 20 Apr 20 97 将上式数值定义为单位螺槽长度上的熔化速率 用 表示 Vsy s X Vbx m 2将 1 6 式联立得 2Km Tb Tm Vj2 X Vbx m Cs Tm Ts 1 2 7 式 Vbx m Km Tb Tm Vj2 2 X 2 Cs Tm Ts 1 2 X1 2 8 式其中 Vbx m Km Tb Tm Vj2 2 2 Cs Tm Ts 1 2 20 Apr 20 98 固相dz距离上的质量平衡 求固体床分布函数单位时间内 流入dz段的流出dz段的dz段上分界面处固相物料量固相物料量固相的熔化量即 s Vsz d HX dz 10 式d HX dz s Vsz a 渐变型螺杆的固体床分布函数H H1 AZ 11 式H 螺槽深度H1 Z 0时螺槽深度A 螺槽锥度 20 Apr 20 99 将 11 式与 X1 2代入 10 式得 H1 AZ dX dz XA X1 2 s Vsz令u X1 2 并整理得 du dz u A 2 H1 AZ 2 H1 AZ s Vsz 13 式利用初始条件 X 0 X1 解得 X W X1 W A A 1 H1 H1 AZ 1 2 2 14 式式中 无因次数群 W1 2 X1 W 1 2 G H1 15 式质量流量G VszWH1 s 16 式 14 式为渐变型螺槽的固体床分布函数 将边界条件X 0 Z ZT代入其中得熔化长度 ZT 2 A H1 20 Apr 20 100 b 对等深螺槽的固体床分布函数为 X W 1 Z ZT 2X1 W或X W 1 Z 2H 2X1 W 18 式将X 0 Z ZT代入其中得熔化长度 ZT 2H1 19 式当外界条件一样时 一样时 比较 19 17 式 发现渐变型螺槽熔化长度比等深螺槽短一些 20 Apr 20 101 3 公式的讨论与应用以等深螺槽为例 将 15 式代入 19 式得 ZT 2G W1 2 20 式从上式得出结论 N G ZT 对于易产生固体床崩溃的物料 不易采用太高的转速 否则可能产生塑化不良现象 如果要增大产量 又要保持熔化区的长度不变 就要增大 方法是将料筒温度Tb和物料温度Ts和螺杆的转速同时提高 熔融理论的主要应用 可以帮助我们选择螺杆 设计校核螺杆 以及帮助确定合理的工艺条件 20 Apr 20 102 5 5 3熔体输送理论一 研究内容 对象 简介1 对象 均化段 2 内容 研究熔体输送量与螺杆参数 工艺条件 物料性质间的关系 以及在螺杆均化段如何保证塑料的彻底塑化 如何保证定量 定压 定温的从挤出机挤出 获得稳定的产量和高质量的制品 3 发展 研究较早 较成熟 应用得较多 20 Apr 20 103 二 流动分析熔体在均化段中的流动是拖拽流动和压力流动的总和 将这种总和看成由四种流动形式所组成 即 正流 逆流 横流 漏流 1 正流 用QD表示是由螺杆相对料筒运动所产生的流动 可看成物料粘附在料筒表面流动 因此是拖拽流动 它在螺槽深度方向的速度分布是线性变化的 20 Apr 20 104 2 倒流 逆流 反流 Qp是由于装置机头 过滤网 过滤板阻碍物料的正向流动 从而在机头区域产生很大压力 而在螺槽产生压力梯度 使物料产生回流 倒流的速度分布按抛物线关系变化 使产量降低 3 横流 QT沿X方向流动 横流使物料在螺槽内产生翻转流动 形成环流 因此它在螺槽两侧Y方向也有局部流动 横流对产量无影响 但可促进物料的混合 搅拌 热交换 有利于物料的均化和塑化 4 漏流 QL是由压力梯度在螺杆与料筒间隙处形成的倒流 方向沿螺杆的轴向 由机头朝料斗方向流动 漏流的增大会减小挤出的产量 但由于量小得多 所以常忽略不计 20 Apr 20 105 实际的流动是这四种流动的组合 就一个塑料质点而言 其真正的流动轨迹是螺旋形 根据上面的分析 挤出机的生产量主要受QD Qp QL的影响 其关系是 Qm QD Qp QL 20 Apr 20 106 三 均化段熔体输送能力的数学解析式1 假设 a 在均化段中塑料全部熔融 没有固相存在 并且熔体的流动是属于牛顿流体 它在螺槽中的流动完全处于层流状态 b 整个挤出过程是等温过程 粘度不发生变化 c 螺槽宽度与深度之比大于10 W H 10 d 流体不可压缩且密度不变 e 机筒运动 螺杆静止 物料在料筒表面处速度最大 在螺槽底部速度为0 f 压力只是沿螺槽方向Z的函数 20 Apr 20 107 2 理论公式的推导 20 Apr 20 108 20 Apr 20 109 稳定状态时 因为粘度不变 根据假设 P只是Z的函数 故 dV2 dy2 dP dz 4 式对 4 式进行两次积分 V 1 2 dP dz y2 Ay B 5 式 20 Apr 20 110 积分边界条件是 当y 0 V 0 即B 0当y H V Vz代入 5 式得V Vz y H 1 2 dP dz y2 yH 6 式根据 6 式画出正流和逆流的速度分布图 20 Apr 20 111 将 6 式代入Q 0HVWdy 得均化段生产率为 Q Vz W H 2 WH3 12 dP dz 7 式Vz 物料沿螺槽方向的最大速度 Vz NDbcos W 螺槽宽度 W Dbsin dz 微元体沿螺槽方向长度 dz dl sin dl为单元轴向长度 当螺杆尺寸 工艺条件不变 粘度不变时 压力梯度作为不变数值处理 dP dl P l P L3代入 7 式得 Q 2Db2NH3sin cos 2 DbH33sin2 P 12 L3 8 式 20 Apr 20 112 若考虑压力的影响 则 Q 2D2NH3sin cos 2 DbH33sin2 P 12 L3 2Db2 3tg P 12 eL3 9 式Db 螺杆外径 料筒与螺杆间隙N 转速e 螺纹轴向宽度H3 均化段螺槽深度 螺旋角 粘度 P 压力降L3 均化段长度 20 Apr 20 113 四 生产力公式讨论1 螺杆和口模特性曲线将 8 式写成 Qm AN B P 10 式式中A B只与螺杆参数有关 以N为参数 对Q P作图得螺杆特性曲线 当压力为0时 Q最大 Q QD 20 Apr 20 114 除考虑螺杆的影响外 还要考虑口模的影响 熔料通过口模的流量公式简写成 Qm K P 11 式K 与口模的几何结构有关的参数 P 机头上的压力降将 11 式改写成 P Q K 20 Apr 20 115 代入 10 式得 Q A 1 B K N 12 式再令 11 10 式 得 P A K B N 13 式若用机头压力代替 P 共同作图得 20 Apr 20 116 从图中可以看出 a 对于机头特性曲线 P 则Q b 对螺杆曲线 P 则Q 对同一挤出机 从螺杆和口模中挤出的物料必须相等 所以生产力应该是螺杆和口模特性曲线的交点 称为挤出机的综合工作点A 此时的压力为PA 产量为QA 当改变N K 时 为维持原生产率 就必须同时相应改变K N 20 Apr 20 117 2 影响挤出机生产能力的主要因素 转速与生产力的关系由Q A 1 B K N可知 Q N 因此提高转速是提高产量的重要途径之一 螺杆几何尺寸与生产能力a 直径D Q D2 因此增大D也是增加产量的重要途径之一 20 Apr 20 118 b 螺槽深度QD H Qp H3 所以增大H 反而有害 另外 螺槽深度与机头阻力有关 20 Apr 20 119 从图中可以看出 当机头阻力小时 深螺槽有较大的生产能力 当机头阻力大时 浅螺槽有较大的生产能力 另外 浅螺槽的螺杆适应性强 深螺槽在模具中 当阻力增大时 压力的微小变化就使挤出量迅速减少 c 均化段长度L3的影响L3 倒流 漏流 总生产能力 d 的影响因为漏流流量正比于 的三次方 所以 Q 0 002 0 005D 20 Apr 20 120 五 挤出理论的局限性1 许多假设 计算值与实际值有偏差 2 三段输出量与质量关系没有解决 3 固体段长度 均化段长度没有完整的公式 4 熔池的起始点无法计算 5 把实际的连续过程人为的分为三段 20 Apr 20 121 5 6挤出成型工艺 实例 工艺是指从原料 聚合物 助剂 转变为合格的制品所用的手段 相应的措施与条件 5 6 1管材的挤出管材是塑料挤出成型的主要产品之一 挤管就是将粒状或粒状塑料从料斗加入挤出机 经加热成熔融的料流 螺杆旋转的推力使熔融料通过机头的环形通道形成管状物 经冷却定型成为管材的生产过程 挤管的工艺流程图 20 Apr 20 122 20 Apr 20 123 可供生产管材的塑料原料有 聚氯乙烯 聚乙烯 聚丙烯 ABS 聚酰胺 聚碳酸酯等 目前国内生产的管材以聚氯乙烯 聚乙烯 聚丙烯等材料为主 塑料管材有以下优点 相对密度小 仅为金属的1 5 1 8 耐化学腐蚀性好 电器绝缘性优良 耐磨性好 塑料管广泛用作各种液体 气体输送管 尤其是某些腐蚀性液体和气体 如自来水管 排行管 农业排灌用管 化工管道 石油管 煤气管等 20 Apr 20 124 成型中需要考虑的问题 一 主机的选择原则 在挤出管材或棒材时 口模通道的横截面 料筒横截面的40 挤出机规格与管材尺寸范围的关系 20 Apr 20 125 二 机头与口模1 机头的作用 使挤出机连续提供的熔化的和具有压力的塑料熔体通过其特定的流道进入口模而形成特定的结构或形状 2 机头分类 a 偏移式 对内径尺寸精度要求高时采用b 直通式 通常情况下采用3 直通式机头组成 分流梭 支架 芯棒 口模套等 分流梭与芯棒a 组成 圆头部分 斜坡部分 平直部分 20 Apr 20 126 20 Apr 20 127 b 分流梭作用 把圆柱形的料流分成圆环形的薄层 固定芯棒 通压缩空气c 斜坡作用 使物料松弛 消除合流痕迹 进一步压缩 d 平直部分作用 继续弥补熔接痕 调节流速 稳定料流 赋予制品外形 20 Apr 20 128 部件尺寸确定a 口模与芯棒平直部分长度L1根据经验 L1 1 5 3 D D是管子外径 对于薄壁管 L1 10 30 t t是管子壁厚 其具体数值与物料性能 管壁薄厚 管径大小 挤出机功率大小有关 一般 大管径取下限 硬管取小值 软管取大值 20 Apr 20 129 b 口模内径 芯棒外径根据经验 对PVC 口模内径比管子外径大5 对HDPE 口模内径比管子外径大10 20 Apr 20 130 c 压缩比与拉伸比压缩比是分流梭环形通道面积与口模通道面积之比 根据经验 压缩比取5 12 小管径取大一些 大管径取小一些 20 Apr 20 131 拉伸比是指口模与芯模在稳流定型区的环隙截面积与管材环状截面积的比值 反映 管材从高温型坯到冷却定型之后的截面变形程度 牵引作用的结果 以及在纵向可能获得的取向程度和拉伸强度 20 Apr 20 132 20 Apr 20 133 三 定型1 定型方法 a 外径定型 借助压缩空气将管状物紧密的接触在定型套内壁上 b 内径定型 20 Apr 20 134 2 外径定型a 定型套尺寸确定 根据经验 外径定型套的长度一般取内径的三倍 而定型套的内径应略大于管材外径尺寸 一般不大于2mm b 冷却定型套上的冷却水系统 进水方式是由定型套出口端进入 由进口端流出 而且采用螺旋式流入 冷却水速度依材料而定 控制出口水温 20 Apr 20 135 20 Apr 20 136 四 冷却方式 a 冷却水槽 将冷水分成2 4段 以便调节冷却速度 b 喷淋 对于大管子或密度小于1的塑料 采用此法 20 Apr 20 137 五 牵引牵引时 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 V 牵引速度 m min Q 挤出量 kg h 密度 g cm3 d 管材外径 mm s 管壁厚度 mm V 16 7Q s d s 20 Apr 20 138 20 Apr 20 139 六 操作条件介绍几种常见聚合物挤管工艺条件 20 Apr 20 140 20 Apr 20 141 管材成型工艺要点 温度控制 20 Apr 20 142 小结 要生产符合尺寸要求的管子 在工艺上有一些重要措施 a 增加口模内径 平直长度的控制要适合 b 定型套的内径 长度要适合 c 对挤出物加以适当的牵引 来调节管子尺寸 d 控制一定的冷却速度 e 物料温度 压力要均匀 20 Apr 20 143 20 Apr 20 144 20 Apr 20 145 5 6 2吹塑薄膜的挤出制备塑料薄膜的方法有吹塑成型 压延法 双向拉伸法 流涎法等 其中吹塑的优点 a 设备简单 投资少 见效快 便于土法上马 b 薄膜经牵引和吹胀 其纵向和横向强度高 c 操作简单 无边料 废料少 成本低 d 通过控制泡状物中空气量和螺杆转速 较易调节薄膜宽度和厚度 缺点 a 厚度均匀性差 b 冷却速度较慢 薄膜透明性差 产量低 20 Apr 20 146 薄膜产品 包装膜 农膜 20 Apr 20 147 一 吹塑薄膜的生产方式根据薄膜牵引方式不同分为平挤上吹法 下吹法和平吹法 1 上吹法 牵引方向与机头垂直 方向向上 优点 适用吹大口径的宽幅薄膜 牵引稳定 操作方便 占地面积小 缺点 泡管周围的热空气流向上 而冷空气流向上 对泡管冷却不利 导致制品透明性差 尤其对粘度小的塑料进行吹塑不适宜 20 Apr 20 148 2 下吹法 牵引方向与机头垂直 方向向下 优点 有利于冷却 制品透明性好 适合粘度小的塑料 缺点 对比重较大的物料易拉断 费用高 20 Apr 20 149 3 平吹法 牵引方向与机头平行 优点 不存在转向问题 因此适合粘度高 热稳定性差的塑料 缺点 a 主机和辅机在一个平面上 占地面积大 b 存在横向下垂问题 且薄膜厚度不均 20 Apr 20 150 20 Apr 20 151 二 挤出机生产吹塑薄膜的挤出机都是单螺杆挤出机 其大小的选择是根据薄膜的厚度和宽度而定 挤出机与薄膜口模尺寸的经验关系 20 Apr 20 152 三 机头与口模 一 种类 侧面进料式 中心进料式 螺旋式 旋转机头 复合机头 1 侧面进料式熔融物料先分成两股流 并沿棒芯上升 在某点A又重新汇合 并继续沿环行通道到达口模 被挤成管坯 经压缩空气的吹胀而成膜 20 Apr 20 153 20 Apr 20 154 20 Apr 20 155 优点 a 机头内存料少 不易过热分解 适宜加工PVC b 结构简单 制造容易 c 料流在机头内只有一条熔接缝 缺点 a 料流需经直角拐弯 使物料各处流速不等 薄膜厚度不均匀 b 芯棒轴受物料的侧压力 易 偏中 使口模环行狭缝宽度比一致 影响薄膜厚度的均匀性 20 Apr 20 156 2 中心供料式a 分类 水平式 适用于平挤平吹法直角式 用于平挤上吹或下吹法b 优点 由于芯棒周围所受料流压力较均匀 故无 偏中 现象 薄膜厚度均匀 适宜加工热稳定性好的塑料 c 缺点 不易加工热敏性大的塑料 有较多熔接痕 影响质量 20 Apr 20 157 20 Apr 20 158 3 螺旋式料流从底部中心进入 分成4 8股流向边缘 此几股分别流入多头螺纹的螺槽并沿螺槽螺旋上升 在成型区以前几股汇合 在流动过程中 着几股料在此间隙形成漏流 优点 a 料流在机头内没有拼缝 b 机头内压力较大 薄膜的物理机械性能较好 c 薄膜厚度均匀 d 机头安装及操作方便 e 机头结构较坚固 20 Apr 20 159 20 Apr 20 160 4 旋转机头芯棒或口模旋转 或口模与芯棒以相反方向同时旋转 此类机头可实现卷取平整 但不能从根本上解决薄膜厚度不均问题 5 复合机头用两台或两台以上的挤出机共挤出 给一个复合机头供料 生产多色或多层复合吹塑薄膜 此法工艺设备简单 生产效率高 复合牢固 成本低 20 Apr 20 161 二 机头工艺设计除考虑挤出机结构要求的基本要求外 还要考虑以下工艺要求 1 机头环形口模直径由吹胀比和薄膜折径而定 吹胀比 Dp Dk 吹胀比 Dp 吹胀后薄膜直径 Dk 环形口模直径而Dp 2 是薄膜折径故 2 Dk 0 637 Dk 1 57 DkDk 0 637 通常 为1 5 3 超薄薄膜可达5 6 20 Apr 20 162 2 口模与芯棒间的环形缝隙宽度h应控制一定的大小 其值与牵引比b 吹胀比a和薄膜厚度 有关 b VD VQVD Q 2 VQ Q Dk h b 牵引比VD 牵引速度VQ 挤出速度Q 挤出成型机生产率 薄膜厚度h 缝隙宽度 熔融塑料密度 20 Apr 20 163 b Dk h 2 或b h a h ab 通常h为0 4 1 2mm或0 8 1mm 一般 牵引比b控制在4 6 吹胀比控制在1 5 3 模口间隙 h 1 5 3 4 6 6 18 生产厚膜时取下限 20 Apr 20 164 3 为消除熔接缝 使物料压力稳定 均匀的挤出 定型段的高度通常应为环形缝隙宽度的15倍以上 料流通道不能过短 通常物料从分流的汇合点至模口的垂直距离应不小于分流处芯棒直径的2倍 4 对于芯棒式机头 在可能的情况下 应使芯棒轴的直径大一些 以提高其刚度 减小 偏中 的可能性 并且口模的调节螺钉不宜少于6个 20 Apr 20 165 三 生产工艺流程及控制以平挤上吹法为例 一 生产工艺流程 1 加热 通过加热器将挤出成型机和机头加热到所需温度 然后保温一定时间 2 加料及挤出 先加入少量物料 使螺杆低速转动 当熔融物通过机头并吹胀成管泡后 提速并把料斗加满 20 Apr 20 166 20 Apr 20 167 3 提料 将通过机头的熔融物料集中在一起 并将它提起 同时通入少量空气 以防止相互粘在一起 4 喂辊 将提起的管泡喂入夹辊 通过夹轴将管泡压成薄膜 再通过导辊送入卷取 5 充气 喂辊后 将空气通入管泡吹塑 直到达到要求的幅宽为止 6 调整 薄膜的厚薄公差可通过模唇间隙 冷却风环风量及牵引速度的调整而得到纠正 薄膜的幅宽公差主要通过充气吹胀大小来调节 20 Apr 20 168 二 温度控制1 对热敏性聚合物 一般采用自加料段至机头出口温度逐渐上升 由于机颈处流道窄小 物料容易分解 因而温度要适当低一些 优点 a 物料所受的高温时间短 不易分解 b 可减少拆机头次数 c 提高机器的生产能力 料筒机头III机颈IIIIV170180165180200 210 20 Apr 20 169 20 Apr 20 170 2 对热稳定性好的塑料 机身温度控制逐渐升高 至均化段为最高温度 机头温度则略低一些 优点 a 物料塑化更充分 b 管泡冷却定型容易 c 制品外观质量提高 料筒机头IIIIII机颈IVVPE 130160190190190160PP 190225235230230225 20 Apr 20 171 三 薄膜的冷却冷却介质 水 空气冷却方式 外冷却 装置结构简单 操作方便 冷却装置有冷却风环 冷却水环 双风口负压风环 内冷却 装置结构复杂 成本高 一般工厂不采用 同时采用内 外冷却效果较好 20 Apr 20 172 四 薄膜的牵引与卷取1 人字板 压平薄膜 稳定管泡 夹角10 30 夹角太大 牵引阻力大 易出现皱纹 太小 辅机高度增加 2 牵引辊 将两层薄膜压平 压紧 同时以一定的速度比对管泡进行纵向拉伸 由一条钢辊和一条胶辊组成 两辊缝隙对准机头中心 牵引速度可调节薄膜厚度 因此应采用无级变速 20 Apr 20 173 五 薄膜的拉伸定向为了得到质量较好的薄膜 薄膜在纵 横向的拉伸和定向程度要平衡 生产上用调节吹胀比和牵引比来实现 吹胀比不能任意增大 但为满足制品厚度要求 就要调节牵引比 这样吹胀比和牵引比就可能不等 这时可调节冷却速率和口