第三章--挤出成型(新)

第三章挤出成型,主要内容,3.1概述3.2单螺杆挤出理论3.3螺杆挤出机的结构及选用方法3.4挤出成型过程3.5几种制品的挤出成型3.6挤出成型的发展,3.1概述,1.挤出成型(ExtrusionMolding)是指用机械运动施加力迫使高分子材料流体通过成型装置(机头、口模)，定型为具有恒定截面的连续型材的一种成型方法。,加料：粉料、粒料，聚合物分散体等性状的挤出用物料，通过加料斗，依靠自重或强制加料器作用，进入料筒与螺杆的螺槽或柱塞构成的空间，在螺棱或柱塞的推动下向前挤出。输送：施力部件强制推进物料的作用。压缩：因施力部件强制推挤物料、流道的横断面积逐渐减小及机头处阻力元件增压作用，挤出机对物料产生的压实作用。,塑化：将固体高分子材料转变为组成均匀、温度均匀、无可挥发性气体和空气的，具有良好的可塑性的流体的过程。,湿法挤出成型,干法挤出成型,定型：高分子材料熔体通过具有一定截面形状的机头(口模)，冷却固化的过程。,3.1概述,2.工艺特点：挤出成型生产工艺分干法和湿法；挤出过程分连续和间歇式挤出；挤出成型工艺控制参数除与挤出温度、压力、速率有关外，挤出机结构参数、冷却、牵引等控制因素都会影响制品的质量；,挤出机因机头及辅机不同，可生产多种产品；挤出成型工艺按用途可分为：挤出制品成型和成型用原料配制。,3、挤出成型加工历史,3.1概述,1845,R.A.Brooman柱塞式挤出机,第一个工业挤出过程采用柱塞挤压材料，18世纪90年代英国的J.Bramah用这种方法生产铅管。,挤出机是一种泵，在泵的功能基础上能够用于其他多种工艺过程。,PVC管生产线,板材生产线,薄膜生产线,a.挤出过程：将固体颗粒或粉末加入挤出机的料斗，在料简预热，干燥；物料在运动过程中与料筒、螺杆、以及物料与物料之间相互摩擦、剪切，产生大量的热，这时物料由玻璃态高弹态粘流态转变；熔融物料被螺杆输入通过具有一定形口模后成型，进入冷却定型装置，再经过牵引，获得最终的制品尺寸。最后根据需要切割成一定长度的制品，再堆放在堆放架上。,4.举例：挤出硬管生产线,b.方框图聚合物熔融(挤出机)成型(口模)定型(定型装置)冷却（水或风冷装置）牵引(牵引机）切割(切割机)堆放(堆放装置)。c.流程图图22挤出硬管生产线1、挤出机2、口模3、定型装置4、冷却水槽5、牵引机6、切割机7、堆放装置,5.挤出成型设备及主要技术参数,挤出成型设备的组成a.主机：挤压系统（螺杆和机筒）、传动系统（传动马达、变速箱）、加热冷却系统（电加热、水冷、风冷）。b.辅机：机头（口模）、定型、冷却、牵引、切割、堆放或卷取装置。c.控制系统：主要由电器仪表和执行机构组成，其主要作用是：控制主、辅机的驱动电机，使其按操作要求的转速和功率运转，并保证主、辅机协调运行；控制主、辅机的温度、压力、流量和制品的质量；实现整个机组的自动控制。,1、料斗即加料装置，向料筒的加料口提供物料。有保温夹套，有定时定量自动加料装置。2、料筒是一个受压，受热的金属圆筒，温度可达150-410C，压力可达30-50Mpa，要求机筒的材料高强度，耐磨，耐腐蚀，通常由钢制外壳和合金钢内衬共同组成，其外层有加热和冷却系统。料筒的作用：对塑料加热；配合螺杆使塑料塑化。对塑料冷却的目的：防止停车时，因过热造成分解。,瓣合式机筒：机筒由两瓣组成，用螺栓联接，便于研究和拆卸。但破坏了机筒加热的均匀性，增加了热损失。,3、螺杆,是挤出机的最主要部件，其结构对挤出工艺有重要影响，挤出不同高聚物有不同结构形式的螺杆。螺杆的结构：,螺杆的几何结构参数,挤出机的主要技术参数螺杆直径D（20350mm）长径比L/D（1830）转速n（10250r/min）电机功率（5.5100kW）挤出能力Q（1.52200kg/h）等。,挤出机的大小,（3）螺杆的几何结构参数螺杆直径D：指外径，代表挤出机的规格。随直径增大，生产能力提高。螺杆长径比L/D：螺杆的有效长度与螺杆直径之比。L/D大，温度分布好，混合均匀。影响挤出机的产量和挤出质量（衡量塑化效率）。L/D愈大，塑料的停留时间愈长，混合塑化效果愈好，但加工的难度增大。螺杆压缩比A：指加料段第一螺槽的容积与均化段最后一个螺槽容积之比。一般为25。A螺杆第一螺槽的容积/螺杆最后螺槽的容积A的获得：等距变深，等深变距，变深变距。,螺槽深度H：H小，产生的剪切速率大，塑化效果好，但生产率低。螺槽深度与物料的稳定性有关，对剪切比较敏感的塑料如PE,PA适合选择较浅的螺槽，对剪切速率不太敏感的塑料如PVC,PC等，应选择较深螺槽。HKDK0.020.06，H为均化段的螺槽深度。,螺旋角：是螺纹与螺杆横截面之间的夹角，通常在100300之间。随着增大，生产能力提高，挤压剪切作用减少。增大，出料快，生产率提高，但停留时间短，塑化效果下降。螺纹棱宽度E：E大动力消耗大，E小漏流增加。一般E=0.080.12D.螺杆与料筒的间隙：值大生产效率低，值过小时，强烈剪切，会引起过热降解，一般与螺杆直径之比为0.0005-0.002左右。,3、螺杆的作用,输送物料螺杆转动时，物料在旋转的同时受到轴向压力，向机头方向流动以挤出成型。传热塑化物料与料筒配合，使物料接触传热面并不断更新，在料筒外加热与螺杆摩擦作用下软化、熔融为粘流态。混合与均化物料与料筒和机头相配合产生强大的剪切作用，使物料混合均匀、塑化完全。,螺杆沿长度方向一般分为三段，各段的作用和结构是不同的：,（1）加料段L1靠近料斗一侧，在该段对物料主要起传热软化、输送作用，无压缩作用，是固体输送。L1的长度：结晶型塑料：熔点前，难压缩，因此L1较长。无定形塑料：随T升高，形变增大，有压缩，因此L1较短。,（2）压缩段L2螺杆的中段。物料在此段继续吸热软化、熔融，直到最后完全塑化，塑料在该段内可以进行较大程度的压缩。压缩段的长度：结晶型塑料：熔点范围很窄，到熔点后，粘度下降比较厉害，因此L2很短即可。无定形塑料：粘流温度范围较宽，所以L2较长。,（3）均化段L3,靠机头口模一侧。为等距等深的浅槽螺纹，其作用是把压缩段送来的已塑化的物料，在均化段的浅槽和机头回压下搅拌均匀，成为质量均匀的熔体，并且为定量定压挤出成型创造必要条件。（也称计量段）均化段要维持较高的而且稳定的压力，以保持料流稳定，因此应有足够的长度，可为螺杆全长的2025%。,（4）螺杆的形式a.普通螺杆等距变深螺杆等深变距螺杆变深变距螺杆,渐变型：适用于无定形塑料,突变型：适用于结晶性塑料,b.特殊螺杆这些螺杆均化段设置有一些剪切混合元件，以达到促进混合、塑化和提高生产能力的目的。,4、机头和口模,机头和口模作用：使料流从螺旋运动变为平直运动。产生回压，利于进一步塑化，均化粘流态物料。产生必要的成型压力，使制品致密。成型制品，更换口模可改变制品断面的形状。机头与口模的组成部件：过滤网，多孔板，分流器，模芯，口模和机颈等。,5、传动系统包括带动螺杆转动的电机和机械传动部件。6、附属设备塑料的输送、预热、干燥等预处理装置。挤出后制品的定型、冷却装置。牵引装置。卷绕或切割装置。控制设备等。,6.挤出成型的特点：,生产连续化可生产任意长度的管材、薄膜、电缆和纤维等。生产效率高单机产能高，如一台直径65mm的双螺杆挤出机（外形尺寸约2.51.81.7m），可年产PVC簿膜450t以上。应用范围广这种加工方法在橡胶、塑料、纤维的加工中都广为采用，还可用挤出法进行混合、塑化、造粒、着色等工艺过程。设备简单，投资少与注射成型、压延成型相比，挤出成型设备比较简单，制造较容易，设备费用较低，安装调试较方便。,作业,1.请举一个挤出成型在工业中应用的例子。,3.2单螺杆挤出理论(Extrusionprinciple),概述挤出理论：是指描述物料在螺杆和口模中运动、变化规律的基本理论。在挤出成型过程中，物料通过螺杆和口模时，其状态变化、流动规律对加工的生产效率、产品质量和能量消耗起着重要的作用。单螺杆挤出理论包括：固体输送理论熔融理论熔体输送理论,挤出理论的目的、意义和研究方法,1.设计目的：使三区三段吻合，研究物料在螺杆和口模中的物态变化及运动规律。2.研究方法：建立物理模型数学模型理论公式讨论分析、实验验证修正。3.研究的意义：寻求聚合物加工中提高产量、提高塑化质量、降低能耗的有效途径，为聚合物挤出过程改进工艺和改进设备提供依据。,主要内容,3.2.1挤出理论的准备知识3.2.2加料段的固体输送理论3.2.3压缩段的熔融理论3.2.4均化段的熔体输送理论,3.2.1挤出理论的准备知识,3.2.1.1物料通过挤压系统的运动及物态变化1.挤压系统的主要作用：连续、稳定输送物料；将固体物料塑化成熔融物料；使物料的温度和组成一致。加料段进行高分子物料的固体输送压缩段压缩物料，并使物料熔融均化段对熔融物料进行搅拌和混合，定量定压挤出。2.物料经历三种力学状态玻璃态、高弹态、粘流态。,3.物料三区根据物料运动和状态变化分为：固体输送区固体物料输送；熔融区物料升温，压实，排气，塑化；熔体输送区混合，定压，计量输送。,4.螺杆三段：加料段;压缩段;计量段,要使制品质量、产量稳定，须满足以下两个条件：熔体的输送速率=固态物料的熔化速率沿螺杆轴向任一截面物料的质量流率=挤出机生产率,3.2.2加料段的固体输送理论,3.2.2.3固体塞输送角（前进角）,3.2.2.4某些因素的讨论,3.2.2.2输送率的计算（输送方程）,3.2.2.1基本假设,固体输送理论是以固体对固体的摩擦力静平衡为基础建立起来的，推导时假设：物料是被压实的固体塞、充满整个螺槽；固体塞所受压力仅为螺槽流道长度的函数；摩擦因数f一定，作用于固体的摩擦力符合库伦定律F=fP；忽略固体塞密度变化，物料重力的影响；加料螺槽截面为矩形，且槽深不变。,3.2.2.1基本假设,图7-10固体塞摩擦模型,如果物料与螺杆之间的摩擦力很大，此时挤出量为零；因为移动角=0，物料不向前移动，不进料；如果物料与螺杆之间的摩擦力很小，而对料筒的摩擦力很大，此时物料移动速度很大，即移动角=90。这是固体输送理论的上限。一般情况是在090范围，挤出过程要控制物料与螺杆，机筒的摩擦力为定值，否则引起移动角变化，造成产率波动。,VL=,固体输送段生产率计算：,固体输送率Q=VLF,F:垂直于VL的螺槽流道截面积,固体塞输送速率Q与螺杆几何尺寸的关系：,Hf螺槽深度Db螺杆外径n螺杆转速螺杆外径处的螺旋角物料的移动角,提高固体输送率的措施：,1.移动角tgtgtg+tg若，即Q。Q影响移动角的因素：螺杆结构参数，摩擦因数，压力。,Q,2.摩擦系数f在螺杆结构参数确定，以及工艺参数设定后，移动角只与摩擦因数有关。a.提高螺杆光洁度；涂F4b.在料筒上开设纵向槽沟，提高物料与机筒之间的摩擦因数；c.降低螺杆温度，通冷却水；d.根据摩擦因数与温度的关系，适当提高加工温度。控制螺杆和机筒温度，高聚物与金属的摩擦系数是温度的函数，不同物料不同温度下的摩擦系数可通过实验得到。,c.螺旋升角,在其它条件相同的情况下当最大时，Q最大。螺旋角对Q的影响，也可以从这一项反映出来。,fs,螺杆静摩擦因数,总结：为获得最大的固体输送速率,从挤出机结构来考虑：a.增加螺槽深度是有利的，但会受到螺杆扭矩的限制。其次，降低塑料与螺杆的摩擦系数也是有利的。再者，增大塑料与料筒的摩擦系数，也可以提高固体输送速率，但要注意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。b.采用最佳螺旋角(17.41)。,从挤出工艺角度来讲：控制加料段料筒和螺杆的温度是关键，因为静摩擦系数是随温度而变化的。,概述塔莫尔（Tadmor）首先用数学分析方法建立数学模型。研究范围：物料在压缩段，由固体变为熔体的过程，因为两相共存，熔融理论既重要又复杂。研究目的：预测要使全部固体熔化所需的螺杆长度，为分析螺杆性能、进行螺杆设计、确定最佳工艺条件提供科学依据。研究方法：实验观察数学分析（模型）,3.2.3压缩段的熔融理论,3.2.3.1实验观察,顶出螺杆法：加入3-5%的着色剂，稳定后骤冷，加热顶出，将螺槽的物料剥下展开，观察剥落料情况，静态观察。剖分机筒法：机筒做成两半。骤冷、打开机筒，静态观察。透明机筒法：借助窥视镜、还可用示踪粒子，动态观察。,3.2.3.2螺槽中由固体状态转化为熔融状态的物理过程,物料在展开的螺槽的分布和变化情况：在加料段内充满未熔的固体粒子；在压缩段内自熔化点开始，固体床的宽度逐渐减小，直到为零，为固体粒子与熔体共存；在均化段内充满着已熔化的熔体。,3.2.3.3物料熔化过程,3.2.3.4数学分析（模型）,简化假设条件：1建立直角坐标系，将螺杆和机筒沿Z方向展开，认为螺杆不动，机筒平移。2在熔融区固体、熔体共存，有明显分界面固体床（逐渐减小）熔体熔膜：紧贴料筒壁处物料先熔融熔池：随着熔膜的发展，形成熔池，熔池逐渐扩大3物料处于稳定挤出状态,简化假设条件：,4固体床是连续均介质（=const.）熔体为牛顿流体5熔融仅在水平面上进行，传热仅在y方向上进行6螺棱与机筒间隙忽略不计,图7-14固体床在螺槽中的分布(a)在螺槽中的分布(b)在螺杆熔化区的分布1上部熔膜2固体床3下部熔膜,实验研究表明：,塑料的全部熔化过程是在螺杆的压缩段内进行；整个熔化过程直接反映了固相宽度沿着螺槽方向变化的规律。固相宽度沿着螺槽方向变化的规律，决定于螺杆参数、操作条件和物料的物理性质。,3.2.3.4压缩段中物料温度的分布,机筒的外加热和熔膜剪切作用产生的热量通过熔膜导到相迁移面，使固、液相分界面上熔化，由此形成的沿螺槽深度方向物料的温度分布，如图所示。,3.2.3.5压缩段中物料速度的分布,根据机筒旋转，螺杆相对静止的假设，机筒表面物料的速度最大；固体床粘度大移动难，速度相同；螺杆表面物料速度为零。如右图。,3.2.4均化段的熔体输送理论,1螺槽中熔体流动的速度分布2均化段的生产率3对生产率公式的讨论,熔体输送理论,在螺杆三段理论中，均化段熔体输送理论是研究最早，也是最成熟的，因为均化段的理论是非常重要的，通常以均化段的生产率代表挤出机的生产率，以均化段的功率为挤出机功耗的基础。,假设机筒旋转，螺杆相对静止,机筒以原来螺杆相反方向运动，将螺槽展开如图2-21整个过程为等温、层流，粘度为常数。,3.2.4.1五个基本假设,3.2.4.2物料在螺槽中流动的类型,1.正流：物料沿螺槽方向(Z方向)向机头的流动，是由干螺杆旋转时螺棱的推挤作用所引起的；其流动也称拖曳流动，流量用QD表示。2.逆流：与正流方向相反。由机头口模、过滤网等对料流的阻碍的反压流动，又称压力流动，用QP表示。正流与逆流的代数和称为净流；3.横流：物料沿x、y轴两方向在螺槽内往复流动，也是螺杆旋转时螺棱的推挤阻挡作用造成的，对总的挤出生产率影响不大；但对熔体的混合、塑化、热交换起重要作用4.漏流：物料在螺杆和料筒的间隙沿螺杆的轴向反向流动，故漏流要比正流和逆流小很多。QL,挤出机总生产能力：Q=QDQPQL。即为正流、逆流、漏流体积流量的代数和。,3.2.4.3生产率公式,正流、逆流和漏流流量计算式分别如下：,式中P均化段两端的压力降L3均化段长度1螺槽中物料的粘度2螺杆与机筒间物料的粘度,螺杆均化段生产率公式：,式中：1和2分别是螺槽中和螺杆和机筒间隙中物料的粘度p机头压力,Q=QDQPQL,3.2.4.4螺杆特性曲线,生产率公式可写成A、B、C仅与螺杆的结构参数有关，对于给定的螺杆为常数。温度和螺杆转速恒定不变时，1和2可看作常数，式（2-62）为直线方程，如对同一螺杆不同的n作Q-p图，可作出图2-27的螺杆特性曲线。,不同转速(N)的螺杆特性曲线：,1.螺杆特性曲线,讨论：1、p=0时，代入公式，求得最大流率Qmax，此时机头全开；2、流率最小Q=0时，p达到最大pmax，此时机头全闭。3、正常情况下QmaxQ0，其数值与口模特性曲线有密切关系。,可以证明，物料通过口模的流量Q与口模的压力降P有如下关系：式中：K口模形状系数或阻力系数，其值与口模形状、尺寸大小有关。机头处物料的粘度,稳定状态下，可近似看成常数。K和为常数，如忽略大气压力，P与式（2-61）中的机头压力p相同，在图上作直线OK1、OK2，分别代表不同口模系数的口模特性曲线。反映了通过机头的流率与压力之间的关系。,2.口模特性曲线,K3,K1,K2,3.2.4.5挤出机工作点,由于螺杆与机头安装在一起，所以螺杆的Q和p与口模的Q和p应相等。反映在图上就是两条直线的交点。该点就是挤出机工作点。该点所对应的Qc即为挤出机在操作条件下的工作点。,在假设等温和粘度不变条件下得到的，实际生产过程是非等温及粘度变化条件下进行，因此螺杆特性和口模螺杆特性曲线都不是直线，而是图所示：,实际挤出过程的挤出机工作图：反映出挤出物的质量和操作条件的关系。Qu：质量线；W:经济挤出量下限。Tmax；Tmin：最大允许温度，最小可能的熔体温度,影响均化段生产率公式的因数：,1，机头压力正流与压力无关，P上升，逆流和漏流上升，故Q下降。当P0，即机头完全敞开，Qm最大：当有时机头过虑网堵塞，则P很大（相当于机头封死），Qm0，此时最大压力为：,压力增加，生产率减小，但有利于混合和塑化。有时增大口模尺寸，挤出量虽然增加，但对制品质量不利。,2.螺杆转速：,转速增大，生产率提高，但到一定值时，生产能力上升会变慢。3，螺杆与机筒间隙对生产率的影响螺杆长期工作，磨损使得变大，达到一定程度后，就要更换螺杆。,4.均化段螺槽深度h3对生产率的影响正流量与螺槽深度成正比，逆流与h3的三次方成正比。压力较低时，浅螺槽的挤出量比深螺槽低，当压力高至一定程度后，正好相反。说明浅螺槽对压力的敏感性低，能在压力波动的情况下，挤出比较均匀的制品，但不能太浅，会容易烧伤塑料。,5，计量段长度L3,计量段增加时，逆流和漏流减少，螺杆特性曲线趋于平坦。,6，料温和生产率的关系,温度的变化直接影响物料的粘度，实际上温度的变化相当于影响均化段的长度。,7.机头口模的阻力与生产率的关系,物料挤出时的阻力与机头口模的截面积成反比，与长度成正比，即口模的截面尺寸越大或口模的平直部分越短，机头阻力越小，这时挤出量受机头内压力变化的影响越大。因此，一般要求口模的平直部分有足够的长度。,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。,3.3螺杆挤出机的结构及选用方法,3.3.1选用挤出机要考虑的问题3.3.2挤出机的挤压系统3.3.3挤出机的加料系统3.3.4挤出机的传动系统3.3.5挤出机的加热冷却系统,3.3.1选用挤出机要考虑的问题,1、挤出物的质量挤出物的质量包括外观、混合程度、挤出物温度的均匀度、挤出压力的稳定性等。2、高聚物的种类和性质不同的高聚物对挤出机的形式、螺杆的结构和几何参数有不同的要求。3、原材料组成和产品种类加入填充或增强助剂，如：碳酸钙、炭黑填充，玻璃纤维、碳纤维、金属须的增强，增塑剂等。产品种类可分为成品和半成品。如型材专用料，电缆料、色母料等。,3.3.2挤出机的挤压系统,挤压系统对物料产生如下三大作用：1、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。2、传热塑化物料：螺杆与料筒配合使物料接触传热面不断更新，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。3、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。,3.3.2.1普通单螺杆的结构,等距变深螺杆等深变距螺杆变距变深螺杆,等距渐变螺杆：无定形等距突变螺杆：结晶,制造容易，成本低，有利进料，应用广泛,用于橡胶加工,理想化，少用,螺杆形式,普通螺杆的主要参数及选择,（1）螺杆直径D增加，加工能力会提高，通常挤出机的生产率与D的平方成正比。挤出机的规格常以螺杆的直径大小表示。,普通螺杆的主要参数及选择,（2）长径比L/D（螺杆工作部分有效长度与直径之比）大，能改善物料温度分布，有利于塑料的混合和塑化，提高挤出机的生产能力，硬塑料、粉状塑料或结晶性塑料要求塑化时间长，应选较大的L/D；但L/D过大，会使塑料受热时间增长而降解，且制造加工及安装困难，增大挤出机的功率消耗。一般L/D的范围是2025。,普通螺杆的主要参数及选择,（3）压缩比是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。其作用于是压实、排气、保证机头熔体的致密度。压缩比越大，塑料受到的挤压作用越大。但压缩比太大会使螺杆本身的机械强度下降。,（4）均化段螺槽深度h3会影响塑料的塑化和挤出效率。熔体粘度低热稳定性较高的塑料如尼龙，宜采用浅螺槽螺杆，此时可产生较高的剪切速率，并有利于料筒壁与物料间的传热；热敏性塑料如PVC则宜采用深螺槽螺杆。塑料加工：h3=（0.0250.06)D;橡胶加工：h3=（0.180.25)D。,普通螺杆的主要参数及选择,普通螺杆的主要参数及选择,（5）螺纹与螺杆横截面之间的夹角称为螺旋角，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。挤出机常采用等距螺杆，即螺距等于直径，此时螺旋角约为17o41。,普通螺杆的主要参数及选择,（6）螺杆与料筒的间隙值大，生产效率低，会降低剪切速率，不利于传热；值小，易引起物料降解。（7）螺纹棱部宽度E太小会使漏流增加，产量降低；E太大易出现局部过热现象。,普通三段式螺杆存在的问题：,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；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。,普通螺杆结构不变，只在螺杆参数，工艺条件上做改变，无法满足聚合物加工发展的要求。因此，人们开发了许多新型螺杆。,3.3.2.2新型螺杆,分离型螺杆,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。,分散混炼元件,直槽屏障混炼元件波形混合元件双波纹混合螺杆,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,分布混合元件,双螺杆挤出机,优点：-低的成本-设计简单缺点：-难控制摩擦热-混炼效果差,复合共混脱挥反应挤出挤出型材,单螺杆挤出机,3.3.2.4双螺杆挤出机结构及工作原理,双螺杆挤出机诞生的背景：双螺杆挤出机是在单螺杆挤出机基础上发展起来的用单螺杆挤出机加工时：材料：粉料；掺混料（纤维与树脂）；填充、增强材料（CaCO3、红泥、矿渣、废料等）出现问题：吃料难、熔融难、塑化差70年代以来，双螺杆挤出机发展十分迅速欧洲：100%硬管、板、异型材制品用双螺杆挤出机加工,双螺杆挤出机的应用领域：,聚合物反应挤出：PU、PA、POM、PMMA反应成型为型材、单丝等共混、填充改性：PA/玻纤橡塑共混（PP/乙丙橡胶）塑塑共混（合金）废塑料再生利用：将形状、比重、品种不同的聚合物回收、利用成型加工HPVC管材、异型材,一、双螺杆挤出机的结构与分类,1、结构（与单螺杆挤出机相比）相同点：包括挤压系统、传动系统、加热冷却系统职能均与单螺杆挤出机相同不同点：两根螺杆，水平放置机筒内孔为：有排气系统（螺杆有排气段，机筒有排气口）加料装置，定量加料,2、分类（1）按照螺杆结构特点分类平行双螺杆挤出机锥形双螺杆挤出机,PARALLELSCREWAXIS,螺杆挤出机分类,一、双螺杆挤出机的结构与分类,2、分类（2）按照螺杆相对位置（啮合方式）分类全啮合（A=r+R）（原理依据）非啮合（A2R）（体现不出双螺杆的优点）部分啮合（r+RA2R）（实际使用）,全啮合,非啮合,部分啮合,一、双螺杆挤出机的结构与分类,2、分类（3）按照螺杆旋向与转向分类异向螺纹、异向转动（异向向内、异向向外）同向螺纹、同向转动,异向：,同向：,二、双螺杆对物料的工作原理,1、输送机理单螺杆输送机理由摩擦，粘附形成输送能力固体（加料段）：摩擦拖曳（fs、fb）熔体（计量段）：拖曳流动（机筒拖曳作用）双螺杆输送机理正位移输送不同类型双螺杆：正位移输送程度不同只讨论全啮合式双螺杆挤出机输送机理,二、双螺杆挤出机的工作原理,非啮合型双螺杆的工作原理不能形成封闭或半封闭的型腔，无正位移输送条件，其输送机理与单螺杆相似。啮合型双螺杆的工作原理能形成封闭或半封闭的型腔，有正位移输送条件，其正位移输送输送程度与封闭程度有关。,双螺杆挤出机的开放和封闭,1、输送机理（全啮合型）（1）异向转动双螺杆对物料的输送,C形室,t,（1）异向转动双螺杆对物料的输送分开看：两根旋向不同的双螺杆合着看：啮合区两根螺棱彼此插入另一根螺槽中，把两个连续的螺旋通道分割成一段一段的封闭“C”形室，室数与螺纹圈数相同，切线称啮合线。运动：螺杆转动，“C”形室前移（轴向移动）螺杆转动一圈，“C”形室前移一个导程的距离。,（1）异向转动双螺杆对物料的输送C形室沿螺杆轴向移动的速度为：VLtnt螺杆导程；n螺杆转速异向旋转啮合双螺杆挤出机的理论挤出量：Q2nvv单个C型小室的体积实际上，由于存在间隙，漏流使产量不能达到理论产量。,（1）异向转动双螺杆对物料的输送,异向旋转啮合双螺杆啮合处的相对速度：VrA2n(Rb-Rs)VrAA点处两螺杆侧间隙间的相对速度Rb螺杆外半径Rs螺杆内半径具有良好的自洁性,异向双螺杆挤出机的加工工艺特点：,两螺杆之间的间隙间隙越小，剪切速率越大，但通过量越少，混合效果差。间隙越大，剪切速率越小，但通过量越大，混合效果好。定量加料控制物料的塑化情况加设排气口纵向气体导通向料斗方向排气、从排气口排出加强压缩改变螺纹导程、螺棱宽度、螺杆外径、螺杆根径、设置反向螺纹等,（2）同向旋转双螺杆对物料的输送,同向双螺杆两螺杆之间没有压延效应；同向双螺杆两螺杆之间一般制作成紧密啮合，以提高自洁能力；同向双螺杆两螺杆啮合处的相对速度：Vr2n(RbRs),同向双螺杆中物料运动轨迹,同向双螺杆挤出机的应用,Twin-screwextrudersusemodularscrewsthatareassembledfromscrewsegmentsfittedontoacommonshaft.Conveyingsegmentscanprovidepumping,mixinganddevolatilization,whilenon-conveyingelementssuchasdiscsandrotorsaredesignedforkneadingandmixing.Thus,screwsareeasilyoptimizedforawiderangeofapplications,makingtwin-screwextrudersextremelyversatile.,双螺杆挤出机的功能元件：,输送元件：（Conveyingelement）,混炼元件（kneadingelement）,齿形元件,静态混合器,双螺杆挤出机的优点：,输送率高，对物料获取能力强螺杆特性线硬，对机头适应性强Q随P变化小自洁性好单螺杆：在螺槽后面易滞料（PVC、PVDC易分解）无自洁性双螺杆：在啮合处有速度差，相互擦离，防止滞料同向：Vr=V1+V2（自洁性更强）异向：Vr=V1-V2,自清洁效果,物料停留时间短而均匀物料的塑化情况与其在螺槽内的历程（剪切程度、时间）有关，相同历程，熔料塑化相同均匀。单螺杆：有Qd、QP、QL，各处速度不同，物料历程差异大（同进不同出），停留时间分布宽，少部分停留时间长，易分解，难控制。双螺杆：稳定输送，QP0，QL也很少，物料历程基本相同，停留时间分布窄，停留时间短。,双螺杆挤出机的缺点：,排气性能差气体被围在螺槽内挤出机要设排气段，并有抽真空系统排气压延效应在啮合处，物料被拉入间隙，受到很大挤压，于是物料对螺杆产生较大反作用力分离力，使螺杆弯曲，对机筒产生磨损，称为“压延效应”。异向向内双螺杆：压延效应严重，使用甚少异向向外双螺杆：n=850rpm，减轻机筒磨损同向转动双螺杆：不产生压延效应，300-600rpm,双螺杆挤出机主要有以下几种类型,（1）同向啮合型双螺杆挤出机：a.紧密啮合型挤出机（CICO）：即低速挤出机，主要用于型材的挤出。,CICO挤出机的螺杆几何形状,CICO挤出机啮合区的横截面,（1）同向啮合型双螺杆挤出机：,b.自洁式挤出机（CSCO）:即高速同向挤出机，主要用于配混、排气等操作，不适用于直接挤出型材。,开口面,受阻面,（2）异向啮合型双螺杆挤出机:,紧密啮合异向旋转式双螺杆挤出机（CICT）,具有相当的正位移输送特性，大多用于型材的挤出。,（3）非啮合型双螺杆挤出机：,有实用价值的异向旋转的非啮合型双螺杆挤出机（NOCT），主要用于共混、排气和化学反应等操作，不太适应型材的挤出。,腐蚀：a.粒子硬度越大，尺寸越大磨蚀越严重；玻璃纤维增强配混料中，纤维长度越大，磨蚀越严重。b.含氟、氯聚合物的腐蚀性；吸湿性聚合物，如ABS、PA、PET、PMMA高温和高压下释出水分形成高压蒸汽对螺杆、料简形成腐蚀。材质：我国挤出机螺杆和机筒使用最多的是40Cr表面镀铬和38CrMoAIA氮化钢。,3.3.2.5聚合物加工中对螺杆料筒的磨蚀问题及材质的选择,a.进料口,3.3.2.6挤出系统其它部分及操作,b.分流板和过滤网,作用：改变熔体运动方向；支撑滤网；增压。,分流板,挤出机不停机换网器,3.3.3挤出机的加料系统,a.挤出操作对加料系统的基本要求为挤出机螺杆提供连续、均匀的料流。,b.加料系统的形式,c.上料系统的组成和形式弹簧送料器真空吸料器鼓风上料器,3.3.4挤出机的传动系统,a.挤出操作对传动系统的基本要求为挤出机螺杆提供稳定、可调的转速。,b.挤出机的工作特性,c.传动系统的组成及传动形式电机、调速装置（变频调速）和减速装置（齿轮减速箱和摆线针轮减速箱）,式中C常数T扭矩,1.加热,3.3.4挤出机的加热冷却系统,2.冷却,电加热,载体加热（有机溶剂、蒸汽、水）,电阻加热（云母包覆电阻丝）感应加热（电磁感应）,料筒和料斗冷却（风冷、水冷）,螺杆冷却（中心金属管通冷却水）,加料口的冷却装置,加热套,3.4挤出成型过程,各种挤出制品的生产工艺流程大体相同，一般包括原料准备、挤出成型、冷却、牵引、切割（或卷取）等工序。1、原料的准备用于挤出成型的热塑性塑料大多数是粒状或粉状塑料，挤出前要对原料进行预热、干燥和混合。不同种类塑料允许含水量不同，通常含水量在0.5以下。,2、机头成型,聚合物混合物由挤出机塑化、混合后以一定的压力和流量输送到机头。从机头的模口出来，形成制品的形状，再固化冷却定型。,(1)模内熔体速度分布和温度分布,挤出胀大（ExtrudateSwell),Polymers,whenextruded,exhibitverylargeswells,usuallyd/D=1.52.5,butsometimesevenmore.TheextentofdieswelldependsonL/Dofthedie,theshearstressatthediewall,andtheelasticityandstressrelaxationcharacteristicsofthepolymermelt.,Dres,L,D,d,（2）挤出膨胀讨论,影响挤出胀大的因数,Asafunctionofviscosity:,挤出胀大,Fasterflow,moremolecularalignmentinflowchannel,.,Asafunctionofdiedesign(L/D),L/D,挤出胀大,口模设计,（3）模内流动的不稳定性,a.鲨鱼皮（sharkskin）熔体离开模口时，因拉伸速度过高，表皮无法承受，外观出现鲨鱼皮状的纹理。关键是降低剪切速率消除方法有：降低挤出速度，减少挤出膨胀；提高口模温度，增加塑性；选用分子量分布宽的聚合物，改善流动性；改变口模几何尺寸；加入加工助剂，降低摩擦力等。,挤出不稳定现象：,b.熔体破裂,熔体破裂是挤出成形的严重畸变，常见形式有：螺旋状、竹节状、有规则微波状和无规则破裂等。如下图：,解决办法：降低挤出速度；提高口模温度；降低聚合物分子量和聚合物粘度；加外润滑剂。,挤出缺陷熔体破裂,湍流,Extrudate,流动方向,3、定型与冷却热塑性塑料挤出物离开机头口模后仍处在高温熔融状态，具有很大的塑性变形能力，应立即进行定型和冷却。如果定型和冷却不及时，制品在自身的重力作用下就会变形，出现凹陷或扭曲等现象。表2-15表明，各种聚合物的热扩散系数相差不大，但比金属要小约12个数量级。冷却速度较慢，因此冷却装置在挤出生产线中占有较长的距离。在保证塑化质量和稳定简出的前提下，控制低温挤出，可以省时、节能，获得质量良好的制品。,冷却速度对制品性能的影响：,冷却速度不能过快，冷却介质与熔体温差不能太大，否则皮层形成过快，影响内层的冷却产生内应力。硬质塑料，如PS、LDPE、U-PVC等冷却过快，会产生内应力；软质塑料，如PP、PMMA等则应快些，防止变形。结晶聚合物，应加快冷却速度，使晶体变小，透明度好，如PP吹塑包装膜。,挤出成型过程中的聚合物结晶,结晶聚合物的形态结构不仅与其分子结构有关，还与结晶形成的热历史有关。,举例：,a.PP吹塑包装膜,缓慢冷却时，薄膜的透明度差（结晶度高且球晶尺寸大）快速冷却时，薄膜的透明度好，力学性能好（结晶度低且晶粒尺寸细小）,取向对制品性能的影响聚合物的流动取向在挤出成型中，分子链和组分中形状细长、扁平的填料在剪切力作用下会在一定程度上顺着流动方向作平行排列。使制品的力学性能在顺流方向和与之垂直方向存在差异。,4、制品的牵引和卷取（切割）热塑性塑料挤出离开口模后，由于有热收缩和离模膨胀双重效应，使挤出物的截面与口模的断面形状尺寸不一致。牵引的目的：帮助挤出物及时离开口模，保持挤出过程的连续性；是调整挤出型材截面尺寸和性能。牵引取向：在TgTf之间拉伸,大分子取向,可增大制品拉伸强度；薄膜拉伸形式：单向拉伸，如捆扎绳；双向拉伸，如薄膜。,拉伸取向工艺对制品性能的影响,拉伸比和拉伸速度一定时，拉伸温度越低，取向程度越高；拉伸比和拉伸温度一定时，拉伸速度越高，取向程度越高；拉伸速度和拉伸温度一定时，拉伸比越高，取向程度越高；取向程度越高拉伸强度越高。,5、后处理热处理：在挤出较大截面尺寸的制品时，常因挤出物内外冷却速率相差较大而使制品内有较大的内应力，这种挤出制品成型后应在高于制品使用温度1020的条件下保持一定时间，进行热处理以消除内应力。调湿处理：有些吸湿性较强的挤出制品，在空气中使用或存放过程中会吸湿而膨胀变形，为了加速这类塑料挤出制品的吸湿平衡，常需在成型后浸人含水介质加热进行凋湿处理。,3.5几种制品的挤出成型工艺,概述种类：管、棒、型材、板材、片材、薄膜、单丝、塑料电线电缆、泡沫塑料等，占50%。成型方法：通过变换不同形状的口模，改变辅机的组成来实现的。,3.5.1管材的挤出成型,用途：输送液体、固体、气体，并可以作为电线、包缆护套和结构材料。主要原料：PVC、PE、PP、ABS、PA、PC、PTFE、NBR举例：上水PE、下水U-PVC、工艺管线ABS优缺点：优点：密度小、绝缘性好、化学稳定性好、使用方便、成本低廉；缺点：力学性能低、温度范围小、膨胀收缩率大。,挤出成型聚氯乙烯管,用途：硬管用于上下水、物料管；软管用于水管等。装置组成：挤出机、机头口模、定型装置、冷却水槽、牵引及切割卷取装置等。硬软管的差别：配方中增塑剂（如DBP）的量不同（硬管小于5份、软管大于25份），填充剂用量也不同；加工工艺上软管无冷却定型与切割工序而改为卷曲。,图22挤出硬管生产线1、挤出机2、口模3、定型装置4、冷却水槽5、牵引机6、切割机7、堆放装置,切割,牵引,挤出机,1.生产设备a、挤出机,单螺杆D30200mm、等距渐变型螺杆、L/D1525、=2.02.6;双螺杆平行异向向外和锥形双螺杆（粉料进料）,b.管机头,机头的作用：使粘流态物料从螺旋运动变为平行直线运动，成型环状截面的管坯。机头的结构类型:分为直通式、直角式和偏心式三种，用得最多的是直通式机头，如UPVC管。,直通式（平式）机头,直通式：挤出管材与口模及挤出机流动方向一致。这种机头结构简单，但制品容易产生熔接痕。,直通式机头外形,直角式（十字）机头,直角式这种口模无分流器支架，无融接痕，但制造困难、成本高，用于定径精度高的管材挤出。,偏心式（支管式）机头,偏心式可调节角度，如使管与挤出机平行、但设计困难，造价较高。,机头设计基本原则：,熔融物料通道形状应平滑过渡，尽量呈流线型，决不能形成死角；料流通道的截面积应逐渐缩小，对熔料造成压力；在满足强度的条件下，要结构紧凑，零件少，重量轻，拆装方便，形状尽量规则、对称；对机头材料的选择要考虑耐磨和耐腐蚀。机头中与物料相接触的部分应有较高的光泽度。一般选择硬度较高的钢或合金钢，并对有关结构进行抛光或镀铬、镀镍处理。,硬管机头结构：,分流器及其支架,粘流态塑料经过分流器，形成环形，使料层变薄，有利于进一步塑化。扩张角、收缩角；一般取6090，便于分开后很好汇合。,分流器支架主要用来支撑分流器及芯模。分流器支架的支撑筋数量一般为38根，筋的数量尽量少，宽度尽量小，同时筋的截面形状最好设计成流线型。,口模,口模与芯模的平直部分是管件成型部分，口模负责成型管件的外表面。机头的压缩比是指分流器支架出口处截面积与口模、芯模间环形截面积之比。,口模平直部分长度L1口模内径d1,芯模芯模成型管材内表面，要与分流器同心。,机头的调节调节机头壁厚的均匀程度。通过螺栓端头顶动口模，实现调节。,c.定型装置,定径套选择：定径套的内径一般比管的外径大，放大的比例等于管材的收缩率。收缩率小时，如UPVC为0.71%,设计时可忽略。定径套长度太长导致牵引力增大，太短则管材易变形；一般定径套长度为定径套内径的36倍。定型方法：内压法、真空法、顶出法和内径定型法。,内压法,真空法,顶出法,机头结构特点：芯模平直部分比口模长，螺杆推力将管材顶出机头，直接进入冷却水槽。,内径定型法,管材挤出后由冷却定型芯定型，见图2-113和2-114。,d.冷却水槽,浸没式水槽缺点：由于上下部水温不同以及水的浮力会使管材产生变形。,喷淋式水槽,e.牵引装置,牵引装置一般有滚轮式和履带式。线速度为26m/min，牵引速度比挤出大110%。滚轮式，牵引力小、点线接触，适合100mm以下管材；履带式适用于大口径管材用。,气动双履带牵引机,f.切割装置（圆盘锯或自动行星锯）,2.挤管工艺,a.工艺流程,树脂,过筛,助剂,称量,捏合,双螺杆挤出成型,造粒,单螺杆挤出成型,定型,冷却,牵引,切割,成品,b.工艺参数,原料：SG-5型PVC树脂螺杆转速：单螺杆挤出机825r/min；双螺杆挤出机1530r/min。牵引速度：26m/min，牵引速度比挤出大110%。挤出机及机头温度：,生产软管不需冷却定型装置和切割装置，产品一般卷绕成卷。,PVC软管生产,a.成型设备,机头结构与硬管相同，但分流器扩张角较大，机头压缩比较高，口模平直部分较短，芯模尺寸比管材的内外径放大1030。,b.生产工艺,加工温度比硬管低，螺杆转速高且一般不冷却，牵引速度快。,PE管材生产特点：,PE是结晶型材料，熔体粘度较低，熔体弹性较大，热稳定性较高。,可采用筛篮式机头，见图2-126所示。由于PE收缩率较大，冷却定型套内径应比管材外径大24。,3.常见塑料管材,PE管材成型加工容易，具有良好的韧性、无毒、耐腐蚀、耐寒性和电性能。广泛用于自来水管、煤气管、排污管、灌溉管、化工管道及电线绝缘套管。LDPE挤出时温度分五段控制：机身：供料段90100，压缩段100140，计量段140160；机头：分流器140160，模口140160HDPE温度一般较LDPE高20定型套水温3050一般PE管材口模温度低于料筒最高温度，原因是：熔体粘度低，成型温度范围宽，降低温度利于成型，使制品更密实；利于定型，提高生产率；节约能源。,PP管材无毒、耐腐蚀、强度高、耐热性好、重量轻。广泛用作腐蚀性化工液体和气体的输送管，农田排灌管。普通PP性能缺陷很大，一是低温脆性大，二是耐老化性差，一般要改性处理，常用改性配方如下：PP100HDPE1020抗氧剂10100.51CaC