高分子工艺：第十一章 挤出成型

1、第十一章 挤出成型,片材的一种挤出成型工艺示意图,1. 原材料(粒料) 5. 口模(或称机头) 2. 料斗 6. 定型(压光) 3. 螺杆挤出机 4. 过滤网,11.1 基本过程与设备,一、基本过程 1. 物料的塑化 固体料 粘流体(外部加热固体物料摩擦) 2. 成型 在螺杆挤压下，聚合物熔体连续地通过一定结构的口模，具备相应之型状。 3. 定型 型材冷却定型为产品,螺杆输送熔体,二、主要设备,1. 螺杆挤出机 3. 定型模 (单螺杆挤出，双螺杆挤出机) 2. 机头与口模 4. 牵引与切割,管材挤出成型之机头示意图,11.2 单螺杆挤出机结构,一、螺杆结构(传统的三段全纹螺杆,1. 加料段 输

2、送固体物料，并压实物料。 2. 压缩段 压缩并熔融物料，螺槽的容积沿轴向逐渐减小。固液共存，但进入均化段时，物料完全熔融。 3. 均化段 将聚合物熔体定量(定压)地输送到机头。均化段各螺槽的容积不变,1. 螺杆直径D D增大，挤出机生产率提高(D2)。挤出机标准所规定的螺杆直径(mm)： 30、45、65、(85)90、(115)120、150、200、250、300。 根据所要求的生产率和塑料制品的断面尺寸来确定螺杆直径,二. 螺杆的结构参数,2. 长径比(L/D) 目前为30左右（60年代为2528)。 * L/D增加，物料停留时间长，有利于混合及塑化。在此前提下，可提高螺杆的转数从而提高

3、挤出量。 * L/D增加，螺杆、料筒的加工和装配较复杂，成本提高; 会增加螺杆的弯曲度(螺杆下垂度与长度的四次方成正比)，造成螺杆与料筒的间隙不均匀 3. 压缩比 加料段第一个螺槽与均化段最后一个螺槽的容积比。压缩比增加，挤压作用提高。 4. 螺旋角() 5. 螺槽深度（h,三、渐变型螺杆与突变型螺杆 1.渐变型螺杆特点 (1) 具有较长的压缩段 (2)加料段向均化段的过渡是在一个较长的轴向距离内完成，物料受到的剪切作用较小,传热均匀。 (3) 多用于无定形塑料加工，如PVC、ABS (4) 通过设计等距不等深或等深不等距两种结构,压缩 段螺槽的容积逐渐减小,2. 突变型螺杆特点 (1) 具有

4、较短的压缩段。 (2) 加料段向均化段的过渡是在较短的轴向距离完成,对物料能产生巨大的剪切；也容易引起局部过热。 (3) 多用于结晶性树脂或高熔体粘度树脂，如尼龙、PP、PET。 (4) 不适于容易热降解的聚合物，如PVC,一、固体物料的输送（压缩段） W. H. Darnell 认为，料筒与螺杆间的固体粒子连续排列并塞 满了螺槽，形成“弹性固体,11.3 挤出成型原理,基本假设： （1）弹性固体塞(TTm) （2）忽略料筒和螺纹棱之间的间隙 （3）螺槽是矩形的，并且其深度不变 （4）固体塞密度不变 （5）机筒转动而螺杆相对的静止不动,挤出机加料段的送料量,物料的轴向速度； 料筒的线速度； A

5、 固体塞垂直于轴线的截面积; 螺杆直径； N 螺杆转速； 螺旋角； 方向角(输送角，固体塞运动的绝对速度方向与螺杆轴线垂直面的夹角,1）送料量正比于，提高转速是提高产率的有效途径。 （2）螺杆直径增加，送料量增加。 （3）槽深H对的影响较复杂，存在一最佳值。 挤出机加料段工作的条件 料筒对固体塞摩擦力的螺槽z轴分力大于 螺杆对固体塞的摩擦力 Fbz Fs,二、固体物料的熔化过程（压缩段,将着色剂和本色物料加入挤出机中，挤出稳定后，快速停车并骤冷料筒，抽出螺杆（或将料筒打开），将已冷却的塑料带从螺杆上剥下，发现已熔融的和局部混合的物料呈现流线，而未熔的物料将保持初始的固态,三个区域: 固态塑料（

6、白色), 称为固体床； 熔池（黑色）； 接近料筒表面的熔膜。 随着物料向前输送，熔池变宽， 固体床变窄，最后熔体充满螺槽， 而固体床消失,相迁移模型 1. 与料筒接触的塑料颗粒，因为料筒外热源的热传导作用，首先熔化,形成熔膜。 2. 熔膜被螺杆挤压向前，聚集成较大区域的熔体，称为熔池。 3. 这就形成了熔体与固体颗粒两个区域，界面处的固体粒子继续熔化，使得固体区域逐渐减少，直至消失,1. 熔体在螺槽中的流动主要有三种流动形式： （1）正流（拖曳流）： 是由物料受机筒的摩擦拖曳引起的，最大处速度为Vbz， 起到挤出物料的作用，流量用Qd表示。 （2）倒流（压力流） 由机头、口型等产生的压力引起的

7、回流，流量设为QP,三、熔体输送（均化段,3）漏流（QL）： 由机筒与螺棱间隙处形成的倒流。 (4) 横流（Qc） 物料在螺槽内产生翻转运动，但能促进物料的混合、搅拌和热交换。对生产能力没有影响，流量Qc=0,漏流,横流,在这里，P 是均化段的压差，近似地等于机头压力； L3是均化段的长度,2. 熔体总流量，即挤出机的生产能力 Qm=Qd-Qp-QL,一般性结论 漏流量与螺杆间隙的三次方成正比，间隙增加，Qm下降。 当熔体粘度较小时，Qm对压力比较敏感。 螺杆转速提高， Qm增加。 螺槽深度H较小时，倒流量对P 敏感程度下降,3. 忽略漏流,给定挤出机,在等温条件下操作（粘度为恒定)，在不同的

8、螺杆转速条件下，可得机头压力与熔体挤出流量的关系图(Qm-P)，为螺杆特性曲线。 斜率为,3. 口模的特性曲线与挤出机操作点,1) 假定塑料熔体为牛顿流体, 熔体通过口模的流量 (2) 假塑性流体,螺杆输送熔体,管材挤出成型之机头示意图,11.4 几种产品的挤出成型工艺,一、管材的挤出成型,二、片材的挤出成型,专用料,干燥,挤出片坯,压光辊,牵引,切割,多层共挤出片材,物理法,1)在加压条件下，使惰性气体溶于聚合物熔体，减压释放出气体而发泡； (2) 将疏松、粉状的热塑性塑料结合在一起。 化学发泡： 发泡气体是由加入的发泡剂在受热时产生。 AC发泡剂（偶氮二甲酰胺,延伸阅读挤出发泡 （1）发泡

9、聚苯乙烯片材 （2）发泡聚丙烯片材,1. 工艺流程（平挤上吹法、平挤下吹法,三、吹塑薄膜的挤出成型,专用料,干燥,挤出管坯,冷却,牵引,印刷,切割,2. 机头结构,L1比环缝尺寸大15倍以上,3. 薄膜材料,普通薄膜: LDPE 重包装薄膜: LDPELLDPE 棚膜（折径5m, 平挤上吹法): LDPE ( 或2550 LLDPE）无滴化技术 食品包装膜(15-30微米）: LDPE （开口性） 保鲜膜(4微米） ：LLDPE 气垫膜：LDPE，双层挤出真空成泡热复合,四、电线电缆挤出成型,L = (11.5）D； M = ( 11.5) D,1. 挤压式包覆,2. 套管式包覆,五、异型材挤

10、出成型,一、双螺杆与单螺杆特点的比较 1. 单螺杆挤出机的局限性：主要靠摩擦输送，表面更新小，停留时间长。 2. 双螺杆挤出机的特点 1）强制输送（正位移输送） 螺杆输送机中的物料在螺杆旋转一周期间，被强制地沿轴向向前推动一个导程的距离。 2）停留时间短 3）排气性好 4）混合均匀 5）比功率低,11.5 双螺杆挤出机,双螺杆挤出机主要是在一个“8”字形筒体内，由两根互相啮合的螺杆所组成的装置。 与单螺杆挤出机完全不同。单煤杆挤出机中的输送主要是依靠物料与料筒之间所产生的摩擦力， 双螺杆挤出机则为正向位移输送，有强制将物料推向前进的作用。另一方面，双螺杆挤出机在两根螺杆的啮合处还对物料产生剪切作用,二、双螺杆挤出机的结构 平行与锥形双螺杆,三、分类（爱德蒙哥分类，表41） 1. 纵向开口与横向开口 纵向开口：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。 横向开口：垂直螺棱方向物料能越过螺棱，在一根螺杆的各个螺槽之间进行物料交换。 2. 啮合与非啮合 同向啮合（共混） ：纵向开口，横向封闭 反向啮合:纵横向都封闭; 平行结构用于共混; 锥形结构剪切力低） 非啮合双螺杆：纵横向都开口,用于反应挤出,四、同向、啮合型双螺杆挤出机,低速：用于型材 高速：特定的混炼，反应器 、