塑料成型工艺学第五章 挤出成型

第五章挤出成型内容简介：挤出成型是借助螺杆的挤压作用,它使塑化均匀的塑料强行通过机头（口模）而成为连续的制品，如管材、板材、丝、薄膜、电线电缆等。挤出成型是塑料成型加工的重要方法之一。根据对塑料的加压方式不同，可分为连续式和间歇式；按塑料的塑化方式不同可分为干法和湿法两种。本章重点：1.单螺杆挤出原理2.几种制品的挤出工艺：吹塑薄膜、管材、拉伸产品、板与片、其它产品

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定义：挤出成型又叫挤塑、挤压、挤出模塑。是借助螺杆或柱塞的挤压作用,使塑化均匀的塑料强行通过口模而成为具有恒定截面的连续制品。2挤出管材生产3管材挤出的辅助设备4挤出片材生产5挤出线缆包覆成型6

挤出吹塑薄膜7挤出中空吹塑成型8塑料挤出成型工艺流程挤出过程：加料在螺杆中熔融塑化机头口模挤出定型冷却牵引切割9挤出成型的特点:

①连续化,效率高,质量稳定②应用范围广③设备简单,投资少,见效快

④生产环境卫生,劳动强度低

⑤适于大批量生产

适用的树脂材料：绝大部分热塑性塑料及部分热固性塑料，如PVC、PS、ABS、PC、PE、PP、PA、丙烯酸树脂、环氧树脂、酚醛树脂及密胺树脂等

应用：料薄膜、网材、带包覆层的产品、截面一定、长度连续的管材、板材、片材、棒材、打包带、单丝和异型材等等，还可用于粉末造粒、染色、树脂掺和等。

10由挤挤出出机机、、机机头头和和口口模模、、辅辅机机等等组组成成。。5.1挤挤出出设设备备11主要要设设备备125.1.1单单螺螺杆杆挤挤出出机机的的组组成成单螺螺杆杆挤挤出出机机主主要要由由传传动动系系统统、、加加料料系系统统、、塑塑化化系系统统、、加加热热与与冷冷却却系系统统、、控控制制系系统统等等组组成成。。挤出出系系统统是是最最主主要要的的系系统统，，它它由由料料筒筒、、螺螺杆杆、、多多孔孔板板和和过过滤滤网网组组成成。。13单螺螺杆杆挤挤出出机机的的结结构构14传动动系系统统：：是带带动动螺螺杆杆转转动动的的部部分分，，通通常常由由电电机机、、减减速速机机构构以以及及轴轴承承等等组组成成；；加料料装装置置：：主要要是是料料斗斗，，但但工工厂厂都都采采用用自自动动加加料料装装置置，，甚甚至至带带有有烘烘干干、、计计量量装装置置等等；；料筒筒：：包裹裹在在螺螺杆杆外外部部的的装装置置，，起起到到受受热热受受压压的的作作用用，，物物料料的的塑塑化化和和加加热热、、加加压压都都在在其其中中进进行行，，大大部部分分都都有有冷冷却却装装置置（（风风、、水水冷冷））；；螺杆：利用它才才能使料料筒内的的塑料向向前移动动，得到到加压和和热量（（摩擦热热）；螺杆的直直径（D）和长长径比（（L/D），长长径比决决定了体体积容量量以及塑塑化的均均匀性。。15螺杆的主主要参数数：D：螺杆杆外径；；d：螺螺杆根径径；L：：螺杆长长度；ｔ：螺距距；ＷＷ：螺槽槽宽度；；εε：压缩缩比ｅ：螺纹纹宽度；；ｈｈ：螺槽槽深度；；φφ：螺螺旋角；；Ｌ/D：：长径比比。161-渐变变型(等等距不等等深)2-渐变变型(等等深不等等距)3-突变变型4-鱼雷雷头螺杆杆Ⅰ-加料料段（固固体输送送段）Ⅱ-压缩缩段（熔熔融段））Ⅲ-计量量段（均均化段））最常用的的是等距距不等深深螺杆螺杆形式式和结构构组成（（分段））17螺旋角和和螺棱宽宽度(e):螺旋角取取决于料料粒的形形状，例例如30o对应粉状状，15o左右对应应方块状状，17o左右对应应球状和和柱状；；螺杆头部部形状：：一般呈锥锥形，以以避免在在螺杆头头部停留留过久而而导致分分解出现现。185.1.2双双螺杆挤挤出机的的结构19典型的双双螺杆挤挤出机的的螺杆：：Colombo螺杆；；锥型双螺螺杆；组合型双双螺杆；；205.2.2机机头和口口模圆孔口模模：主要用来来生产棒棒材、单单丝造粒粒，口模模平直部部分长度度和直径径比小于于10；；扁平口模模：一般用来来生产厚厚度小于于0.25mm的膜或或板材；；环形口模模：一般用来来生产管管材、管管状薄膜膜、吹塑塑用型胚胚以及电电线电缆缆；异形口模模：主要用来来挤出不不同横截截面的制制品。21过滤板（（网）的的作用：●使物料由由螺旋运运动转变变为平直直运动；；●过滤杂质质和未熔熔化好的的塑料颗颗粒；●使物料受受到较大大的剪切切作用，，以利于于塑料塑塑化均匀匀；●使料筒和和机头定定位。机头结构构的要求求：●口模定型型部分应应有适当当长度。。●使物料处处于稳定定流动;●减小熔体体弹性和和出口膨膨胀；●L长，产产量提高高;●太长，笨笨重，阻阻力大，，Q降低低。●机头中过过渡部分分应光滑滑，呈流流线型。。原因：防防止物料料的停滞滞和分解解。●应设置调调节装置置，改善善周边的的流率分分布(厚厚度均匀匀)。。22物料处理理设备:主要指预预热干燥燥等设备备;挤出物处处理设备备:主要指冷冷却、牵牵引、切切割、卷卷取、检检测设备备控制生产产工艺的的设备:主要指各各种测控控设备5.2.2挤挤出机的的辅助设设备23设备调试试安全清洗5.2.2挤挤出机的的一般操操作方法法245.3单单螺杆杆挤出原原理学习目标标：掌握挤出出理论中中影响生生产和产产品质量量的因素素255.3单单螺杆杆挤出工工作原理理2627285.3.1固固体输送送加料段具具有输送固体体物料，，兼有预预压、预预热作用用。要使使制品质质量、产产量稳定定，须满满足以下下两个条条件：●熔体的输输送速率率等于固固态物料料的熔化化速率●沿螺杆轴轴向任一一截面物物料的质质量流率率等于挤挤出机生生产率目前对此此理论的的推导最最为简单单的是以以固体对对固体的的摩擦力力静平衡衡为基础础的。29物料在该该段类似似于“弹弹性固体体塞”，，固体塞塞在螺槽槽内的运运动就如如螺帽在在螺丝上上的运动动一样。①如旋旋转螺丝丝，而螺螺帽上无无压力，，则螺帽帽跟着螺螺丝转动动而不前前移。②若在在螺帽上上加一定定压力，，再旋转转螺丝，，则螺帽帽就会随随螺丝旋旋转而前前移。成型时，，塑料与与螺杆的的摩擦力力应小于于塑料与与料筒的的摩擦力力，也即即螺杆的的光洁度度应大于于料筒的的光洁度度。否则则，塑料料只能抱抱着螺杆杆空转打打滑不能能前移。。30固体塞摩摩擦模型型31受力分析析由上图知知：Fb=PAbfb，Fs=PAsfs，Fbz=AbfbPcosφ。稳定流动动时，Fs=Fbz，则Asfs=Abfbcosφ①Fs=Fbz=0，，物料料在料料筒中中不能能发生生任何何流动动。②Fs>Fbz，物料料被夹夹带于于螺杆杆中随随螺杆杆转动动不产产生移移动。。③Fs<Fbz，物料料能在在料筒筒与螺螺杆间间产生生相对对运动动。螺槽中中固体体输送送的理理想模模型(a)和和固固体塞塞移动动速度度的矢矢量图图(b)32假设条条件：：●物料与与螺槽槽和料料筒壁壁紧密密接触触形成成固体体塞（（床）），以以恒速速移动动；●略去物物料重重力、、密度度变化化的影影响；；●磨擦系系数恒恒定，，压力力是螺螺槽长长度的的函数数；●螺槽为为矩形形;经过分分析可可看出出物料料的运运动类类似螺螺母运运动。。提高固固体输输送的的措施施:●适当提提高螺螺杆转转数N和螺螺槽深深度H;●采用锥锥形结结构料料筒；；在加加料段段料筒筒内壁壁开设设纵向向沟槽槽（提提高fb）；冷冷却进进料段段防止止物料料提前前软化化；●冷却螺螺杆加加料段段（减减小fs）,增增加螺螺杆表表面光光洁度度（减减小fs）33加料段的送送料量Qs（摩擦力静静平衡）考虑到摩擦擦力平衡，，Qs应为螺槽的的横截面积积与轴向速速度Va的的乘积，可可得:Qs=SVa=π/4[D2－（D－2h)2]Va=πh(D-h)××Va（1）34由上图的展展开图可见见，螺杆转转动一周，，物料在螺螺纹斜棱推推力作用下下，沿与斜斜棱垂直的的方向由A移向B，，AB在螺螺杆轴上的的投影距离离为l，物物料在轴向向的移动速速度为Va；若螺杆杆的转速为为N，则Va=l××N由上图中螺螺杆的几何何关系可得得出：πD=b1+b2=l·cotθ+l·cotφ=l（cotθ+cotφφ）螺杆的展开开图(a)和固体塞塞移动距离离的计算(b)35所以因此（2）（3）36影响加料段段送料量的的因素：●物料的移动动角（前进进角）的影影响：0≤φ≤900Ⅰφ=00时，φ最小。Ⅱφ=900时，φ最大。但对成型来来说都不现现实！！！！●槽深h的影影响：在D不变时时，h增大大，θ提高高。●减小fs，Q↑。●增大fb，Q↑。●选择合适的的螺旋角θ,且使最最大大时，Q↑↑。●D↑，Q↑↑，N↑，Q↑↑。●φ↑，θ↑。37●适当提高N和H;●采用锥形或或强烈冷却却的进料段段料筒结构构；；在加料料段料筒内内壁开设纵纵向沟槽（（提高fb）；●冷却螺杆加加料段（减减小fs）,增加螺螺杆表面光光洁度（减减小fs）一等螺杆杆Ra=0.8μm,优等0.4μm。●在螺杆中心心通冷却水水，以降低低螺杆表面面的摩擦系系数影响加料段段送料量的的因素：385.3.2固体熔熔融39研究目的：：●预测螺槽中中未熔化物物料量●熔化全部物物料所需螺螺杆长度●熔融与螺杆杆参数、物物料特性、、工艺参数数间的关系系冷却试验和和熔融机理理：冷却试验：：本色料+3~5%着色料挤挤出——稳稳定后停止止并迅速冷冷却螺杆和和料筒———取出螺杆杆、剥下物物料——切切断螺旋带带状料并观观察截面形形状现象：●熔融料呈流流线型，未未塑化料始始终呈固态态●固—液两相相有一明显显分界线●固相逐渐消消失，固体体塑化完全全集中在熔熔膜处熔融机理：：加料段压实实——逐渐渐熔融成一一层熔膜———超过后后边螺槽刮刮落于前侧侧形成熔体体池——固固体床减小小——直至至物料完全全熔融40主要作用●使物料熔融融塑化。●压实物料。。●排出物料中中的气体。。螺杆的压缩缩比(ε):定义：指螺杆加料料段第一个个螺槽容积积与计量段段最后一个个螺槽容积积之比。对于常用的的等距不等等深螺杆的的压缩比常常用加料段段和计量段段螺槽的横横截面积之之比来表示示。几何压缩比比：工厂常用式式εε=0.93h1/h3来表示。41熔化过程:图3-6-11为为固体物料料在螺槽中中的熔化过过程示意图图。固体物料在在螺槽中的的熔融过程程1-熔膜2-熔池池3-迁迁移面4-熔融的的固体粒子子5-未未熔融的固固体粒子42●熔膜：与料筒（螺螺杆）表面面接触的固固体物料，，由于料筒筒热传导和和摩擦热作作用，首先先熔化，形形成一层熔熔膜。●熔池：逐渐熔化的的物料，在在料筒与螺螺杆的相对对运动作用用下，不断断向槽螺的的推进面汇汇集，而形形成漩涡状状的流动区区，称为熔熔池即液相相。●固体床：熔池前面充充满着受热热软化和半半熔化后粘粘接在一起起的固体粒粒子，和和完全未熔熔化的固体体粒子，总总称为固体体床。●迁移面：熔池和固体体床间的界界面称为迁迁移面。熔熔化过程主主要在迁移移面进行。。43444546螺槽全长范范围固体床床熔融过程程示意图:固体床在螺螺槽中的分分布变化(a)和固体床在在螺杆熔融融区的体积积变化(b)47随着塑料向向机头方向向的移动，，熔化过程程逐渐进行行。从始熔熔点A起，，固体床宽宽度逐渐减减小，熔池池宽度逐渐渐增大，直直至B点时时，固体床床消失，即即完成了熔熔化过程。。（固体床床深度的变变化见下图图）螺杆中聚聚丙烯熔熔融时固固体床在在螺槽中中的深度度变化曲曲线D=90mmN=60转/分分Q=71Kg/h48压缩段速速度和温温度的分分布①料筒内内表面处处，Vz最大。②熔膜中中，Vz­在深度方方向（Y）自上上而下减减小。③固体体床中，，各处Vz相等。这是因为为有熔结结固体块块，粘度度大，移移动困难难，差别别不明显显。④靠近螺螺杆的熔熔膜中，，Vz在Y方向向自上而而下减小小，直至至螺杆处处，Vz=0。49螺杆压缩缩段中物物料的速速度分布布(a)和温温度分布布(b)50粒料加人人挤出机机后,固固体粒粒子以松松散状态态向前运运动,同同时粒粒子之间间存在相相互滑移移。随着着内部压压力的的建立,松散散的粒子子渐渐被被压实,粒子子间隙缩缩小,粒粒子相互互运动的的自由度度减小进入熔融融段后,粒子子受热发发生粘连连,但但粒子间间界面仍仍然很清清楚。由由于热、、力的作作用使粒粒子发生生变形,粒子子间的空空隙逐渐渐被填充充,如如图所示示。从图图可以看看出,粒粒子中中心的颜颜色接近近固体颜颜色,粒粒子周周边的颜颜色半透透明,接接近熔熔体颜色色,这这表明粒粒子中心心部分的的温度低低于周边边温度,同一一粒子内内部存在在温度差差。因此此对每一一个粒子子而言,其熔熔融过程程是从外外向内进进行的。。可视化研研究熔融融实验结结果51熔体有四四种形式式的流动动：正流：正流(拖拖曳流)Qd(cm3/h)，，沿螺槽槽向机头头方向的的流动。。由于螺螺杆转动动，塑料料在螺杆杆根部与与机筒间间形成相相对运动动造成的的，它决决定挤出出量的大大小；逆流：逆流（反反流）Qp，与Qd相反的流流动。由由机头、、多孔板板等阻力力元件对对熔体的的反压力力造成，，也叫压压力流，，随机头头压力的的升高而而增加；；环流：横流（环环流）Qt,由由分速度度Vbx引起的的在螺槽槽内与正正流垂直直的流动动。对总总挤出量量影响不不大，可可忽略不不计，但但对熔体体的混合合、塑化化、热交交换起重重要作用用；漏流：漏流Ql，由机机头阻力力元件引引起的物物料反向向流动，，沿螺杆杆与料筒筒间隙向向加料口口方向流流动，可可降低挤挤出量。。正常情情况很小小0.1～0.6mm，Ql小，但但磨损严严重时，，Ql的的增加与与平方成成正比。。5.3.3熔熔体输送送理论525354555.3.5单单螺杆挤挤出机生生产能力力分析5657585.3.6螺螺杆和口口模的特特征曲线线5960615.3.7挤挤出率的的影响因因素62636465665.3单单螺杆杆结构设设计的改改进学习目标标：了解如何何提高塑塑化效果果、混合合分散效效果675.4普普通三三段式螺螺杆存在在的问题题目前，一一般单螺螺杆多采采用等距距不等深深螺杆，，加料段段常和均均化段螺螺槽深度度不变，，压缩段段螺槽逐逐渐变浅浅。这种种螺杆可可以满足足一般的的挤出成成型，但但存在以以下几方方面的问问题：熔融效率率低熔融段熔熔体与固固体床共共同存在在于一个个螺槽中中，减小小了料筒筒壁与固固体床的的接触面面积；固固体体床随着着熔融解解体，部部分碎片片进入熔熔体中，，很难从从剪切获获得热量量，这样样，固体体床不能能彻底熔熔融；另另外外，已熔熔物料与与料筒壁壁接触，，从料筒筒壁和熔熔膜处获获取热量量，温度度继续升升高过热热。压力、温温度和产产量波动动大固体输送送时又与与螺杆旋旋转产生生较高频频率的波波动，由由于熔熔融过程程的不稳稳定性产产生低频频波动，，温控控系统的的稳定性性差或环环境因素素的变化化引起的的波动。。混合效果果差不能很好好适应一一些特殊殊塑料的的加工或或混炼、、着色工工艺过程程。685.4.1新新型螺杆杆排气式螺螺杆主要适用用于含水水和易产产生挥发发组分的的物料，，或易夹夹杂气体体的物料料。排气原理理：物料到排排气段基基本塑化化，由于于该段螺螺槽突然然加深，，压力骤骤降，气气体从熔熔体中逸逸处，从从排气口口排出。。这就要要求排气气段处的的压力非非常低，，此外，，气体或或水份的的排出受受扩散过过程控制制，而扩扩散过程程受温度度影响，，因此要要求排气气段物料料的温度度尽可能能高，即即处于熔熔融状态态。69705.4.2分分离型（屏屏障型）螺杆杆原理：在螺杆熔融段段再附加一条条螺纹，将原原来一个螺纹纹所形成的螺螺槽分为两个个，将已熔物物料和未熔物物料尽早分离离，促进未熔熔料尽快熔融融。71不同类型屏障障型螺杆的比比较725.4.3销销钉型螺杆杆基本原理：物料流经过销销钉时，销钉钉将固体料或或未彻底熔融融的料分成许许多细小料流流，这些料流流在两排销钉钉间较宽位置置又汇合，经经过多次汇合合分离，物料料塑化质量得得以提高。销钉形状:设置在熔融区区，排列形状状有人字形、、环形等，销销钉形状有有圆柱形、菱菱形、方形等等。73745.4.4混混合螺杆在熔融段末或或均化段增设设置混合、混混炼、剪切、、均化等作用用的元件，可可以提高混合合的均匀性、、混炼效果好好，混色均匀匀，分散性好好。7576其它螺杆775.4双螺螺杆原理学习目标：简单了解双螺螺杆挤出机的的特点78和单螺杆挤出出机相比，双双螺杆挤出机机的特点是：：较高的固体输输送能力和挤挤出产量；自洁能力；混合塑化能力力高；较低的塑化温温度，减小分分解可能；结构复杂，成成本高。5.4.1双双螺杆挤出出的特点795.7几种种典型的挤出出工艺管材中空吹塑吹塑薄膜双向拉伸薄膜膜805.7.1管管材的成型型机头和口模81滤网过滤机械杂质质、未熔物料料；增加料流流阻力，提高高混合、塑化化效果。由若若干片叠在一一起的30~120目不不锈钢网组成成，用多孔板板支承。多孔板（筛板板、分流板）厚度为螺杆直直径的1/3~1/5，，上边钻有φφ3~6mm的中间疏、、两边密的同同心圆孔，距距螺杆头部0.1D,即即约为计量段段一个螺槽容容积，太大易易积料分解，，太小料流不不稳定。分流器（鱼雷雷头）将圆柱形料流流变为薄环状状并便于进一一步加热塑化化。大型分流流器内设加热热器，支架用用以支承分流流器及芯棒，，同时使料流流分束以加强强搅拌，小型型分流器与芯芯棒做为一体体。此外还有多脚架和芯棒。82直通式熔体在机头中中流动方向与与螺杆轴向一一致结构简单单易制造适于于硬、软PVC,PE,PA83直角式(偏移移式)熔体在机头中中流动方向与与螺杆轴向垂垂直从料筒流流出的熔体绕绕过芯模再向向前流动，会会产生一条分分流痕，流动动阻力小，料料流稳定，出出料均匀，但但其结构复杂杂，占地面积积大。适于PP、PE及及尺寸要求严严格的管材84旁侧式熔体经过一个个近似直角的的过渡区才流流入机头阻力力大，结构更更复杂。85两种挤出圆管管的定径方法法(上)内压空空气定径法(下)外外真空定径径法1-机头2-定径套套3-水水冷却槽4-管状制制品5-密封塞定型86冷却冷却水槽和喷喷林水箱牵引常用滚轮和履履带两种，且且有较大的夹夹持力管材挤出成型型的步骤准备→管坯挤挤出→冷却定定径→牵伸→→切割挤出前的准备备工作：根据管材要求求，选择适当当机头（口模模），并将其其安装好。包包括分流器、、芯模、口模模、过滤板、、网等。87初步调整口模模、芯模同心，，并使机头、、冷却定径、、牵引、切割割等装置一致致。将应加热的部部件加热，开通料料斗底部冷却却水。当达到要求的的温度时，乘热将各部部分拧紧，以以防漏料。检查各部分运运动是否正常常、漏流、堵堵塞等。88管坯挤出：操作要点：慢速开车，空转，听有有否异常声，，电流表是否否超荷。如一切正常，可少量加料料，待管坯挤挤出后，方可可正常加料，，将速度调至至正常（30~40转/分钟，有增增大的趋势））。若管材有弯曲曲、厚薄不均等等缺陷时，应应调整。厚处降温，紧紧螺栓；反则则反之。6.工工艺条件料筒温度与压力分布(见下图)895.7.2吹吹塑薄膜90吹膜用机头芯棒式：（侧进料）料料流在芯棒处处分为两股，，再沿芯棒尖尖的斜刀口处处汇合，向模模口呈薄管挤挤出，芯棒中中通压缩空气气吹胀。优点是机头内内通道间隙小小，存料少，，物料不宜过过热分解，适适于加工PVC料；只