南工大塑料成型加工2015窦ch5.ppt

第五章挤出成型,5.1概述,一、挤出成型,也称挤压模塑或挤塑，即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。,挤出法几乎能成型所有热塑性塑料和某些热固性塑料。,5.1概述,生产的制品：管材、板材、薄膜、线缆包覆物及塑料与其它材料的复合材料等。,5.1概述,挤出制品占热塑性塑料制品的4050，此外还可以用于塑化造粒、着色和共混等。,二、挤出成型分类,1.按塑化方式分：,（1）干法：靠加热,（2）湿法：仅用于硝酸纤维素和少数醋酸纤维素等。用溶剂将塑料充分软化。,5.1概述,2.按加压方式分：,（1）连续式：,螺杆式挤出机,单螺杆,双螺杆,借助螺杆旋转产生压力和剪切力，使物料充分塑化和混合均匀，通过型腔（口模）而成型。,5.1概述,（2）间歇式：,柱塞式挤出机,借助柱塞压力，将事先塑化好的物料挤出口模而成型。,5.2挤出设备,挤出设备一般是由挤出机、机头和口模、辅机等几部分组成的。,5.2.1螺杆挤出机,挤出机由挤出装置（螺杆和料筒）、传动机构和加热冷却系统等主要部分组成。,一、单螺杆挤出机,单螺杆挤出机是由一根阿基米德螺杆在加热的料筒中旋转构成的。大小一般用螺杆直径来表示。,5.2.1螺杆挤出机,5.2.1螺杆挤出机,1.传动装置,带动螺杆转动的部分。通常由电动机、减速箱和轴承等组成。,在挤出过程中，要求螺杆转速稳定，不随螺杆负荷的变化而变化，以保证制品质量均匀一致。,但在不同的场合下，又要求螺杆能变速，以达到一台设备能适应挤出不同塑料或不同制品的要求。,传动部分采整流子电动机、直流电动机等装置达到无级变速。螺杆转速为：10100转/分钟。设有良好的润滑系统和迅速制动的装置。,5.2.1螺杆挤出机,2.加料装置,供料一般采用粒料、粉料和带状料等几种。,装料设备通常使用锥形加料斗，其容积至少能容纳1小时的用料。,5.2.1螺杆挤出机,料斗底部有截断装置，以便调整和切断料流。侧面有视孔和标定计量的装置。有些料斗带有减压或加热装置、搅拌器、自动上料或加料装置。,5.2.1螺杆挤出机,5.2.1螺杆挤出机,3.料筒,挤出机的主要部件之一。,为一金属圆筒，一般用耐温耐压、强度较高、坚固耐磨、耐腐的合金钢或内衬合金钢的复合钢筒制成。塑料的塑化和加压过程都在其中进行。外部设有分区加热和冷却装置。加热：电阻、电感或其它方式。冷却：风冷或水冷。,5.2.1螺杆挤出机,5.2.1螺杆挤出机,4.螺杆,挤出机的关键部件，直接关系到挤出机的应用范围和生产率。,通过螺杆的转动，对塑料产生挤压作用，塑料在料筒中才能产生移动、增压和从摩擦取得部分热量，塑料在移动过程中得到混合和塑化，粘流态的熔体在被压实而流经口模时，取得所需形状而成型。,5.2.1螺杆挤出机,由于塑料品种很多、性质各异，因此为适应加工不同塑料的需要，螺杆的种类很多，结构上也有差异，以便能对塑料产生较大的输送、挤压、混合和塑化作用。,表示螺杆结构特征的基本参数有直径、长径比、压缩比、螺距、螺槽深度、螺旋角、螺杆与料筒的间隙等。,5.2.1螺杆挤出机,（1）螺杆的直径（D）长径比（L/D）,5.2.1螺杆挤出机,螺杆直径（D）,根据所制制品的形状、大小及需要的生产率来决定的。一般45150mm，螺杆直径增大，加工能力提高，挤出机的生产率与螺杆直径D的平方成正比。,5.2.1螺杆挤出机,长径比（L/D）,螺杆工作部分有效长度与直径之比。通常为1825。,L/D大，能改善物料温度分布，有利于塑料的混合和塑化，并能减少漏流和逆流，提高挤出机的生产能力。,L/D大，螺杆适应能力强，能用于多种塑料的挤出。,5.2.1螺杆挤出机,但L/D过大，使塑料受热时间增长而降解；螺杆自重增加，自由端挠曲下垂，引起料筒与螺杆间擦伤，使制造加工困难，增大功率消耗。,过短的螺杆，容易引起混炼的塑化不良。,（2）螺旋角（）,螺纹与螺杆横断面的夹角。,5.2.1螺杆挤出机,随增大，挤出机的生产能力提高，但剪切作用和挤压力减小,通常在1030之间。等距螺杆：螺距等于直径，1741,5.2.1螺杆挤出机,（3）压缩比,螺杆加料段最初一个螺槽容积与均化段最后一个螺槽容积之比。表示塑料通过螺杆全长范围时被压缩的倍数。压缩比愈大，塑料受到的挤压作用愈大,螺槽浅时，能对塑料产生较高的剪切速率，有利于料筒壁和物料间的传热，物料混合和塑化的效率高，但生产率降低。螺槽深时，情况相反。,5.2.1螺杆挤出机,因此，热敏性塑料，宜用深螺槽螺杆（如PVC）；熔体粘度高，热稳定性较高的塑料，宜用浅螺槽螺杆（如PA）。,（4）螺杆的结构形式,5.2.1螺杆挤出机,渐变型：等距不等深,5.2.1螺杆挤出机,渐变型：等深不等距,5.2.1螺杆挤出机,突变型,5.2.1螺杆挤出机,螺杆头部,5.2.1螺杆挤出机,（5）螺杆各段的功能,物料沿螺杆前移时，经历着温度、压力、粘度等的变化，这种变化在螺杆全长范围内是不同的，根据物料的变化特征，将螺杆分为以下三段：,加（送）料段,将料斗供给的料送往压缩段。,塑料在移动过程中，一般保持固体状态，由于受热而部分熔化。,5.2.1螺杆挤出机,挤出结晶聚合物最长，硬性无定形聚合物次之，软性无定形聚合物最短。,螺槽容积可以保持不变。,压缩段（迁移段、过渡段）,压实物料，使物料由固体转为熔融体，并排除物料中的空气。,为适应将物料压实，将气体推回加料段和物料熔化时体积减小等特点，本段应对塑料产生较大的剪切作用和压缩，通常使螺槽容积逐渐缩减，缩减的程度由塑料的压缩率决定。,5.2.1螺杆挤出机,均化段（计量段）,将熔融的物料，定容（定量）定压地送入机头使其在口模中成型。,螺槽容积恒定不变。,为避免物料因滞留在螺杆头端面死角处引起分解，螺杆头部常设计成锥形或半圆形。有些螺杆的均化段是一表面完全平滑的杆体，称为“鱼雷头”，但也有刻上凹槽或铣刻成花纹的。,5.2.1螺杆挤出机,5.2.1螺杆挤出机,鱼雷头具有搅拌和节制物料、消除流动脉冲现象的作用，并能增大物料的压力，降低料层厚度，改善加热状况，且能进一步提高螺杆塑化效率。,5.2.1螺杆挤出机,5.机头和口模,机头的作用是将处于旋转运动的塑料熔体转变为平行直线运动，使塑料进一步塑化均匀，并将熔体均匀而平稳地导入口模，赋予必要的成型压力，使塑料易于成型和取得制品密实。,口模为具有一定截面形状的通道，塑料熔体在口模中流动时取得所需形状，并被口模外的定型装置和冷却系统冷却硬化而成型。,5.2.1螺杆挤出机,机头与口模的组成部件包括过滤网、多孔板、分流器、模芯、口模和机颈等部件。,（1）圆孔口模,挤出塑料圆棒、单丝和造粒。具有圆形出口的横截面。,典型的一维流动，同心圆上的轴向流速是相同。,（2）扁平口模,挤出法生产平膜和片材。,5.2.1螺杆挤出机,出口具有狭缝形的横截面。,具有分配腔,直管式口模：聚烯烃、聚酯,鱼尾形口模：无死角，熔体粘度高，热稳定性差,衣架式口模：停留时间一致，硬PVC,5.2.1螺杆挤出机,（3）环形口模,挤出管子、管状薄膜、吹塑用型坯、涂布电线。,出口具有环形截面。,由口模套和芯模组成，有,支架式,直角式,螺旋芯模式,储料缸式,5.2.1螺杆挤出机,（4）异形口模,异型制品（型材）：从任一口模（异形口模）挤出而得到具有不规则截面的半成品。,有中空和开放式两大类。,5.2.1螺杆挤出机,二、双螺杆挤出机,指在一根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组成的挤出装置。,5.2.1螺杆挤出机,双螺杆结构设计的差别：,（1）啮合还是非啮合；,（2）对啮合螺杆：同向转动还是反向转动；,（3）螺杆是圆柱形还是锥形；,（4）压缩比的实现是靠：螺纹高度或导程；根径由小变大或外径由大变小；螺纹头数变化。,（5）螺杆是整体的还是组合的。,5.2.1螺杆挤出机,螺杆类型：,（1）Colombo螺杆：,螺杆分为三段，每一段有一混合室。加料段的外径和螺距最大；压缩段次之；均化段为最小。同一段中，螺杆是等径等距的。,5.2.1螺杆挤出机,（2）锥形双螺杆,向外反向转动。从加料段到计量段，螺杆的外径和根径均匀地由大到小变化。螺杆各部分的长度、螺纹头数、螺槽数、螺棱宽度、螺棱形状等均有变化。,5.2.1螺杆挤出机,（3）组合型双螺杆,由不同数目的具有不同功能的螺杆元件按一定要求和顺序装到带导键或三角形芯轴上组合而成的。可以连续输送、塑化、均化、加压、排气。,5.2.1螺杆挤出机,（4）非啮合型双螺杆,类似两根平行单螺杆在料筒中转动，但两根螺杆反向转动并相切。分为单阶和双阶两种形式。,5.2.1螺杆挤出机,5.2.1螺杆挤出机,三、挤出机的辅助设备,1.原料输送、干燥等预处理设备；,2.定型和冷却设备，如定型装置、水冷却装置、空气冷却装置；,3.用于连续地、平稳地将制品接出的可调速牵引装置；,4.成品切断和辊卷装置；,5.控制设备等。,5.2.1螺杆挤出机,四、挤出机的一般操作方法,1.开车前准备的工作；,2.机器运行开始的工作；,3.停车时的工作；,4.清理设备。,注意：电、热、机械转动、笨重部件装卸等。,5.3单螺杆挤出原理,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。,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。,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,5.3.1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,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=fP5.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。,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=PAbfb阻力：Fs=PAsfsa.FsFb,固体塞减速，直到停止；b.FsFb,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。,2.与实际情况相似的模型根据假设6得模型：Fb=AbfbP驱动力：Fbz=AbfbPcos(+)阻力：Fs=AsfsP稳态下：Fs=FbzAsfsP=AbfbPcos(+)物料不动时，=0；要使物料运动，则0，则：Asfs/Abfb=cos(+)cos1Asfs3D料口直径,5.3.2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。,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,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。,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,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。,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。,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,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。,通过上述假设，建立物理模型如图：,W,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=Vsys（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,a.熔膜温度分布函数T=T（y）=-(Vj2/2Km2)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,b.固体床温度分布函数T=T（y）=（Tm-Ts）exp(ysCsVsy/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）=Vsys,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：VsysX=Vbxm/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,将上式数值定义为单位螺槽长度上的熔化速率，用表示：=VsysX=Vbxm/2将（1）、（6）式联立得：=2Km(Tb-Tm)+Vj2X/VbxmCs(Tm-Ts)+1/2（7）式=VbxmKm(Tb-Tm)+Vj2/2X/2Cs(Tm-Ts)+1/2=X1/2（8）式其中=VbxmKm(Tb-Tm)+Vj2/2/2Cs(Tm-Ts)+1/2,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：-sVszd（HX）=dz(10)式d（HX）/dz=-/(sVsz)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,将（11）式与=X1/2代入（10）式得：（H1-AZ）dX/dzXA=-X1/2/sVsz令u=X1/2/并整理得：du/dzuA/2（H1-AZ）=-/2（H1-AZ）sVsz（13）式利用初始条件：X（0）=X1，解得：X/W=(X1/W)/A(/A-1)H1/(H1-AZ)1/22（14）式式中：无因次数群=W1/2/(X1/W)1/2(G/H1)（15）式质量流量G=VszWH1s(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=(2A/)H1/,b.对等深螺槽的固体床分布函数为：X/W=(1Z/ZT)2X1/W或X/W=(1Z/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。,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。,5.3.3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。,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。,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。,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,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/H10；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。,2.理论公式的推导,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,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=Vzy/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：,将（6）式代入Q=0HVWdy,得均化段生产率为：Q=VzWH/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=2Db2NH3sincos/2DbH33sin2P/12L3（8）式,若考虑压力的影响，则：Q=2D2NH3sincos/2DbH33sin2P/12L32Db23tgP/12eL3（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,四.生产力公式讨论1.螺杆和口模特性曲线将（8）式写成：Qm=ANBP/（10）式式中A、B只与螺杆参数有关。以N为参数，对QP作图得螺杆特性曲线：当压力为0时，Q最大，Q=QD,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=KP/（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,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：,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）。,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，QN，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：QD2，因此增大D也是增加产量的重要途径之一。,b.螺槽深度QDH，QpH3，所以增大H，反而有害。另外，螺槽深度与机头阻力有关。,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。0.0020.005D,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。,5.4单螺杆结构设计的改进,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。,5.4单螺杆结构设计的改进,一、排气式螺杆,可连续从聚合物中抽出挥发物、单体、低聚物、缩聚反应物、配料时的挥发组分、水分。,在料筒上设置一个或多个排气孔。,二、屏障型螺杆,在压缩段的螺纹旁再加一道辅助螺纹，将主螺纹的前缘分为熔体槽，后缘分为固体槽，实现熔体与固体的分离。,5.4单螺杆结构设计的改进,Mailefer螺杆,5.4单螺杆结构设计的改进,Barr螺杆,5.4单螺杆结构设计的改进,Kim螺杆,5.4单螺杆结构设计的改进,三、销钉型螺杆,在靠近熔化段末端到计量段这一区间设置一组或几组起混合作用的销钉。,使料流发生搅动，产生局部的高剪切以增进固体粒子的熔化；有利于内压力提高，保证螺槽被充满和压实。,缺点：产率减少，熔体温度提高。,5.4单螺杆结构设计的改进,四、波型螺杆,螺槽根部是偏心的，偏心部位沿轴向按螺旋形移动。,轴向波型螺杆，带有辅助螺纹。,5.4单螺杆结构设计的改进,五、混合螺杆,1.分配混合元件：密集的销钉、沟槽、凹穴等。,2.分散混合元件：剪切元件。,5.5双螺杆挤出原理,和单螺杆挤出机相比，双螺杆挤出机的特点是：1、较高的固体输送能力和挤出产量；2、自洁能力；3、混合塑化能力高；4、较低的塑化温度，减小分解可能；5、结构复杂，成本高,5.5双螺杆挤出原理,5.5.1分类,R.Erdmerger从理论上将双螺杆分为12类：,5.5.1分类,1.横向开口：指垂直螺棱方向，物料能越过螺棱，在一根螺杆的各个螺棱之间进行物料交换。,2.纵向开口：指自加料口到口模有一通道，物料从一根螺杆流往另一根螺杆。,3.非啮合双螺杆在纵、横向都是开口的。,4.全啮合、反向转动的双螺杆在纵、横向都是闭合的，不考虑机械间隙，能形成封闭室。,5.5.1分类,6.捏合盘在纵向、横向都是开口的。,7.部分啮合的双螺杆，要区分纵向开口和横向封闭系统与纵、横向开口系统。,5.全啮合、同向转动的双螺杆是纵向开口、横向封闭的。,5.5.2反向啮合型双螺杆挤出机,封闭式反向转动啮合（CICT）型双螺杆挤出机的螺杆几何形状：,5.5.2反向啮合型双螺杆挤出机,特点：,两根螺杆螺槽间的开口是很小的；,具有滚压式啮合，啮合区的螺杆速度都在同一个方向；,进入啮合区的物料有强制通过该啮合区的倾向。,5.5.2反向啮合型双螺杆挤出机,适用范围：,CICT挤出机一般适合在低速下运行。,CICT挤出机的最大允许螺杆速度是机器正位移输送特性的良好指标。,低的最大螺杆转速：2040r/min，型材挤出；高的最大螺杆转速：100200r/min，配料、连续化学反应和特定聚合物加工。,5.5.2反向啮合型双螺杆挤出机,假设螺槽被物料完全充满而且无漏流，则CICT挤出机的理论最大产量为：,i:平行螺纹数；：C形室的体积；N：螺杆转数。,实际上存在着漏流：,（1）螺棱漏流，Qf,（2）压延漏流，Qc,（3）侧面漏流，Qs,（4）四面体漏流，Qt,则实际产量为：,5.5.2反向啮合型双螺杆挤出机,5.5.3同向、啮合型双螺杆挤出机,有低速和高速两种，低速同向转动双螺杆挤出机适于型材挤出；高速挤出机适于特定聚合物的加工作业。,一、封闭式啮合型挤出机,封闭式啮合螺杆（CICO）的几何形状：其中一根螺杆的螺纹插入另一根螺杆的螺槽而且紧密配合，即共扼螺杆轮廓。,5.5.3同向啮合型双螺杆挤出机,特点：,两根螺杆的螺槽之间存在着相当大的开口；,具有滑动式啮合，啮合区螺杆的速度是相反的；,物料呈8字形运动，同时沿轴向运动；,CICO型挤出机物料在进入啮合区处产生高的压力，因此必须在低速下运转。,5.5.3同向啮合型双螺杆挤出机,二、自洁式挤出机,高速同向挤出机（CSCO），具有封闭式匹配的螺纹轮廓，从一个螺槽到相邻螺槽有颇大的开口。,具有封闭式自洁作用。,特点：,啮合区不产生高的压力降，可以高速运转：600r/min，不适于直接挤出型材，物料大部分按8字形运动。,5.5.3非啮合型双螺杆挤出机,NOCT，反向转动的非啮合型双螺杆。其输送与单螺杆相似，差别在于物料从一根螺杆到另一根螺杆。,主要用于共混、排气和化学反应。,5.6挤出成型工艺与过程,通常的程序：,成型物料预处理,挤出造型,制品的定型与冷却,制品的牵引与卷取（切割）,后处理,包装,一、成型物料预处理通常包括干燥、预热、着色、混入各种添加剂和废品的回收利用等。,水分：影响挤出过程的正常进行和制品的质量。制品出现气泡、表面晦暗、物理机械性能下降、甚至无法挤出。,控制含水量0.5以下。同时不含有任何可见杂质。,挤出成型工艺,5.6挤出成型工艺与过程,二、挤出成型,挤出过程中螺杆转数、料筒压力、温度应视具体情况而加以调整。,1.物料温度：来源于料筒加热器和螺杆对物料的剪切。,5.6挤出成型工艺与过程,料温升高：粘度降低，利于塑化；熔体流量大，出料加快，机头和口模温度过高，挤出物形状稳定性差，制品收缩率增加，甚至制品发黄、出现气泡。挤出不能正常进行。,温度降低：熔体粘度大，机头压力增加，制品密实、形状稳定性好，但离模膨胀严重，应适当增大牵引速度。,料温过低：塑化较差，功率消耗增加。,口模与模芯温差过大：挤出制品出现向内或向外翻或扭歪情况。,5.6挤出成型工艺与过程,2.增大螺杆的转速：强化对物料的剪切作用，利于物料的混合和塑化，提高物料的压力。,5.6挤出成型工艺与过程,三、制品的定型与冷却,热塑性塑料挤出制品，在离开机头口模后，应进行冷却定型。,定型不及时，自身重力作用下，会发生形变。,大多数情况下定型与冷却往往同时进行。,挤出管材和各种异型材时才有定型过程，挤出薄膜、单丝、线缆包覆物等不需定型。挤出板材和片材时，有时还通过一对压辊压平，也有定型和冷却作用。,5.6挤出成型工艺与过程,四、牵引（拉伸）和热处理,制品从口模挤出后，产生离模膨胀，挤出物尺寸和形状发生改变。重量增大、不引出、造成堵塞、生产停滞、破坏挤出连续性，后面挤出物变形。,常用管材牵引设备：滚轮式、履带式。牵引速度应与挤出速度很好地配合，且速度均匀。一般牵引速度大于挤出速度，以消除离模膨胀。,有些制品需热处理：如由狭缝扁平口模直接挤出片材经拉伸而得的薄膜，以减小热收缩率，提高尺寸稳定性。,五、合格制品按要求进行切割或卷取,5.7挤出成型的发展趋势,1.大型化：单螺杆挤出机的L/D可达42；螺杆直径可达300420mm，甚至达750mm；多螺杆挤出机直径可达600mm（卧式），300mm（立式），长度可达875mm。,2.高挤出速度：直径65的挤出机螺杆转速高达8001000r/min。,3.多效能：以挤出机为主机，加上辅机，可生产多种制品。,4.自动化：挤出温度及压力等工艺条件采用PID（比例、积分、微分）测控等。,5.连续化：从粉料开始直到制品实现全自动化连续流水线。,5.8几种制品的挤出工艺,5.8.1管材的挤出,挤出管材所用设备有挤出机、机头、定型装置、冷却槽、牵引设备、切断设备以及扩口设备等。,1.机头和口模,大体上分为：,偏移式：内径尺寸要求准确的生产,直通式：常用。,挤出机挤出的熔融塑料进入机头由芯模及口模外套所构成的环隙通道流出后即成为管状物。,挤出硬管,挤波纹管,5.8.1管材的挤出,5.8.1管材的挤出,2.定型,挤出的管状物首先应通过定型装置，使之冷却变硬而定型。,定型方法：,（1）外径定型：在管状物外壁和定径套内壁紧密接触的情况下进行冷却而实现的。结构简单、操作方便，为我国普遍采用。,（2）内径定型：是将定径套的冷却水管从芯棒处伸进，必须使用偏移式机头。用这种方法制得的管材内壁比较光滑。,5.8.1管材的挤出,5.8.1管材的挤出,3.冷却,可用的装置有冷却水槽和喷淋水箱两种。,为防止管材冷却过程中发生弯曲变形，采用沿管材圆周上均匀布置喷水头对管材进行喷淋冷却。,5.8.1管材的挤出,4.牵引,常用牵引管材的装置有滚轮式和履带式两种。,PVC管挤出PPR管挤出,5.8.2.吹塑薄膜的挤出,塑料熔体由环隙形口模挤成管状物后，即牵引装置牵引上升（少数采用水平、向下）并同时进行吹胀，至一定距离后，通过导向夹板而被牵引辊夹拢。,吹塑法广泛应用于生产聚乙烯和聚氯乙烯等塑料薄膜。,优点：1.设备紧凑，单位产率所需的投资少；2.在一定范围内可以方便调整薄膜的宽度和（或厚度）；3.无边缘影响，免除整边装置，减少废料损失；4.双轴定向，强度较高。,吹塑薄膜,5.8.2.吹塑薄膜的挤出,缺点：1.冷却速度偏小，薄膜透明度差；2.厚薄偏差较大。,一、挤出机,单螺杆挤出机，大小随所制薄膜的宽度和厚度而定。,产率受冷却和牵引两种速率控制。一种挤出机只适于生产少数几种规格的产品。,二、机头和口模,机头类型,转向式的直角型：应用较多,水平向的直通型：适于熔体粘度较大，热敏性塑料。,5.8.2.吹塑薄膜的挤出,三、冷却,应控制较低的料温。,冷却方法：利用压缩空气通过风向环向泡状物各点直接吹送。还可以用冷冻空气、二次风环、芯棒内冷等技术。,四、牵引,吹胀的泡状物，在机头的顶部，进入导向板并由牵引辊将其夹封，牵引而导至卷绕装置。,五、操作,注意吹胀比与牵引比相等，通用的吹胀比为23。,吹塑演示,5.8.3双向拉伸薄膜的平挤,采用扁平机头。,平挤的挤出物经过冷却，辗光等所取得的薄膜厚薄公差小，生产率高，应用广泛，但强度和透明度较差，但辅以拉伸（即平挤拉伸）的成型方法，取得双轴定向，则薄膜性能较优越。,塑料熔体由扁平机头挤成厚片后，被送至不同转速的一组拉伸辊上进行纵向拉伸，经纵向拉伸的薄膜再送至拉幅机上作横向拉伸，薄膜离开