挤出成型过程分析及产品质量控制07.4

挤出成型过程分析及产品质量控制北京工商大学材料系王澜1第一章、单螺杆挤出过程分析第二章、双螺杆挤出过程分析第三章、挤出制品的质量控制

21.1.物料通过挤压系统的运动及物态变化挤出机挤压系统的主要作用是：①、连续、稳定地输送物料；②、将固体物料塑化成熔融物料；③、使物料在温度和组分上均匀一致/第一章、单螺杆挤出过程分析挤出机组成：加料系统挤压系统传动系统加热冷却系统3分析物料通过螺杆的挤出过程1.螺杆旋转，使得物料与螺杆、机筒表面的相对运动而形成的摩擦作用，强行将物料向前输送；2.螺槽体积逐渐变小，使物料从一个大容积的空间强行走向小容积的空间；3.在螺杆前端安装有过滤网和分流板等阻力元件。以上三种因素，造成了沿螺杆长度方向上物料的压力上升。/4压缩对物料的作用有利于排气——可以使从加料斗加入的松散物料逐渐压实，致使粘附于固体表面的气体沿料斗排出。有利于热传导———固体料压实后，能改善机筒给予物料的热量在物料内部的热传导，也有利于加速固体物料的熔融。使制品密实——由于物料本身的压力存在，使挤出的制品密实，并对制品的表面形状和光洁度均有益处。

/5普通的挤出机螺杆都可分为三个不同结构的区段加料段——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；计量段——对熔融物料进行搅拌和混合，并定量定压地将熔体向口模输送。物料在挤出过程中，根据其运动和状态变化情况，也可分为三个区域：固体输送区——物料温度较低，故呈固体状态，物料逐渐被压实，并向前输送；熔融区——料温达到熔融温度，逐渐熔融变成粘流体；熔体输送区——已熔融的流体沿螺杆进行搅拌和混合，同时定量定压输送。/6挤出理论——是研究物料在螺杆式挤出机中塑化挤出过程的状态变化及运动规律的工程原理。概括为三个理论：固体输送理论、熔融理论、熔体输送理论。/71.2.分析加料段的固体输送当螺杆参数已知时，要计算固体输送的生产率，还需求得输送角θ。/1.2.1．输送角θ据理论力学速度合成定理：固体塞相对于机筒的运动速度v3为螺杆转动的切线速度v1与固体塞dz沿螺槽前进的速度v2的矢量和。8固体塞的输送角(前进角)θ对螺槽中截取的固体塞微元进行受力分析将输送过程视为匀速运动，通过力和力矩平衡求得θ角。/9式中，M为等号右边后三项的总和。当设θ为某一定值时，则M与K成直线关系，据此可作M与K的关系图/10根据计算的K值与M值，直接查图2-ll，即可获得θ值。再代入方程，便可计算固体输送率Q。/

111.2.1．输送角θ输送角θ是螺杆结构参数、摩擦因数以及压力这些因素的函数，如果以上变量一定，可计算Q/n，从而得到螺杆的输送能力。当θ＝0时，Q＝0，说明固体塞同螺杆一齐转动，而不沿螺杆轴向前进。为了提高固体输送率Q，就要尽量增大输送角θ.0°＜θ＜90°/1.2.分析加料段的固体输送12M值是螺杆几何参数、压力变化和摩擦因数的函数.从图看出，当θ增大时，意味着M值下降，K值下降。131.2.2．摩擦因数f当fs/fb比值下降时，M值即可减小，这意味着:控制固体塞的摩擦因数，使它与螺杆的摩擦因数fs减小，与机筒的摩擦因数fb增加，则可以提高固体输送率。在实际生产中，控制摩擦因数有如下的方法：(a)控制螺杆与机筒的表面加工，(b)控制螺杆与机筒的温度。/14将螺杆表面加工光洁度尽量提高。在机筒内表面开设纵向沟槽，以增加fb.例如某φ120挤出机，在加料段处机筒开槽八条，槽长1m，深0.5mm，产率提高了1/3./(a)控制螺杆与机筒的表面加工15(b)高聚物与金属的摩擦因数是温度的函数在结晶高聚物的摩擦因数与温度的函数曲线上会出现二次转折，第一次转折与材料的屈服极限有关，第二次则与熔化有关，无定形高聚物只有一个转折点，且与其玻璃化温度有关。/163.1.3物料温度过高17181.3.分析压缩段的物料熔融压缩段紧接在加料段之后，固体物料在这一段逐渐软化熔融，最后成为连续的粘性流体输送给均化段。压缩段对物料的作用：压实物料，把夹带在物料中的气体排除，物料从固态转变为熔态。在压缩段中既存在固体物料，又存在熔融物料，给过程分析带来很大困难。/19通过分析压缩段的熔融过程，可以预测：熔融区任何部分未熔物料量、使全部固体物料熔化所需要的螺杆长度、以便于确定最佳工艺条件。/总是希望在压缩段末端全部完成固体物料向粘流态的转化，使进入均化段的物料全是熔融体，以保证产品质量和提高挤出机的生产率。20在展开的螺槽内(图a)和螺槽横截面(图b)熔融过程的一般情况。熔膜、熔池、固体床21直到熔融区终点B(相变点B)，固相完全消失，全部螺槽内充满熔融物料。

也就是固向宽度与螺槽宽度之比X/W从1变到0的过程。

/自熔融区始点A(相变点A)起，固相宽度开始逐渐减小，液相宽度逐渐增加22它们均取决于：物料的性质、操作工艺条件、螺杆的几何参数等。/1.3.1分析影响挤出生产能力及熔融区长度的因素通过对压缩段熔融理论的分析，可以得出以下结果：挤出过程的生产率熔融段的流率G密切相关熔融区的长度ZT23a物料性质的影响从熔融理论的有关公式可知，物料性质对流率G和熔融长度ZT的影响因素主要有：物料的热性能(如热导率K、比热容c、熔化潜热λ、熔点Tm等)、流变性能(如粘度η)密度ρ。对于比热容小、热导率和密度高，熔化潜热和熔化温度低的塑料，则其所需的熔化区长度ZT较小，或在相同的ZT下，能获得较高的生产能力。/24表中看出，加工PP的螺杆比加工HDPE的螺杆需要有较长的熔融段，因PP的熔点高，而导热性差，它要经历一较长的吸热过程才能熔化，所以实际加工PP的螺杆都比较长。/25b工艺条件的影响①、螺杆转速n和流率G：从ZT的计算式知，G与ZT成正比关系增大螺杆转速n，将导致G和剪切热的增大。G增加的结果将要求加长ZT，而剪切热的增大，则有利于物料的加速熔融，从而可使ZT减小，因此这是一对矛盾。/26对通常无背压控制的设备而言，提高n，会使ZT加长。27对通常无背压控制的设备而言，提高n所带来的剪切热增大的作用，不足以抵消G增加带来的影响，其结果是使ZT加长，这就是在一种设备上n不能过高的原因./28由于提高n时G可以控制，可使剪切热增加的影响提高，并从而起到减少ZT的作用，这就是提高n时需要增设背压设备的原因。/当设置和加大背压控制时，提高n，可减少ZT。29②机筒温度Tb和固体塑料初温Ts：提高Tb能有利于对物料供热和加速其熔融过程，但过高的Tb，会产生种种不良影响。如η下降，物料易分解等。/30适当提高Ts，一般都有利，它可使ZT减小，但Ts过高，对加料段的固体输送能力不利。/31c、螺杆的几何参数在其它条件相同情况下，渐变螺杆可以使熔融区缩短，这是由于螺槽变浅，使物料压实，有利于熔融。但渐变度的大小要适应于固体床的变化，太大的渐变度会引起固体床破裂，料流阻力增大，造成挤出过程的压力波动和挤出波动，/321.4分析均化段的熔体输送熔体输送理论研究的对象——挤压系统的熔体输送区，即螺杆的均化段研究的目的——在保证物料完全熔融的基础上得到进一步均化，定温、定压、定量地从挤出机机头挤出，以获得稳定的产量和高质量的制品。通常以均化段的生产率代表挤出机的生产率。/

331.4.1螺槽中熔体流动的速度分布为了分析螺槽中熔体的流动情况，假设螺杆相对静止，料筒以螺杆的速度作反向运动，将螺槽展开，如图示。熔体被拖动沿z方向移动，同时由于机头口模的回压作用，物料又有反压流动。/34通常把物料在螺槽中的流动看成由下面四种类型的流动所组成：正流：是物料沿螺槽方向(z方向)向机头的流动逆流：沿螺槽与正流方向相反(—z方向)的流动，横流：物料沿x轴和y轴两方向在螺槽内往复流动，漏流：物料在螺杆和料筒的间隙沿着螺杆的轴向往料斗方向的流动。/35物料在螺杆均化段的实际流动是上述四种流动的组合，其输送流率就是挤出机的总生产能力：Q＝QD—QP—QL

即为正流、逆流、漏流的代数和。/361.4.2、机头压力与生产率的关系式(2—61)说明QD与压力无关，而QP与QL都与P成正比，因而生产率Q将随P上升而下降。说明在其它条件相同时，当使用高阻力机头，使机头压力增加，则挤出产量下降，但却有利于物料混合和塑化。/371.4.3、转速与生产率的关系式(2—61)说明，Q与n成正比关系。n↑,则Q↑

。但当n增大到一定值时，生产率上升也会明显变慢，/38其原因是---n上升得很大时，熔融物由于剪切生热的热量大大增加，至使温度上升，粘度下降，使Qp、QL增加，导致生产率的增加缓慢；同时，当n增加而造成剪切速率增加达到一定数值时，挤出物呈现熔体破裂现象，使制品表面质量下降。所以完全靠增加转速来提高生产率是有限度的。/391.4.4均化段螺槽深度h3对生产率的影响式(2—61)说明，螺槽深度h3对生产率Q的影响是双重的：QD正比于h3的一次方，Qp却正比于h3的三次方。即若h3增加一倍，则QD也增加一倍，而Qp却增加八倍。/40从图2—30所示的直线3、4可以发现：当机头压力小于P*时，深槽螺杆的生产率高；当机头压力大于P*时，情况正好相反。因此在选择螺杆时，要注意和机头的配合使用：低阻力机头选用深螺槽螺杆，而高阻力机头，则宜选用浅螺槽螺杆。/41螺杆特性线比较硬，----是指产量随压力的变化较缓慢，即对不同的压力适应性比较强。浅螺槽螺杆的特性线就比较硬，而深螺槽螺杆的特性线就比较软。/从图2—30也可发现，浅螺槽螺杆的特性线较平坦，压力变化时对生产率的影响较小，因而对不同阻力的机头的适应性较好，亦即更换不同阻力的机头后，生产率的变化不会很大。421.4.5、计量段长度L3的影响由生产率公式(2—61)看出，当L3增加时，Qp、QL减少，显然对正流流量QD无影响，因此生产率Q是上升的。43由图可看出，L3增加时，使螺杆特性线趋于平坦。曲线斜率变小，产量随压力变化的波动小，挤出过程比较稳定，有利于产品质量的保证。/441.4.6、螺杆与机筒间隙对生产率的影响式(2—61)表示QL与δ3成正比。当δ比h3小得多时，QL还不到Qp的1％；当δ较大时，生产率会明显地下降，见图。螺杆长期工作后，由于磨损而使间隙δ变大，当到达一定程度后，就不能再继续使用了。/451.4.7、物料的温度和粘度物料温度的变化，引起粘度的变化，随T↑，η↓。粘度与逆流和漏流成反比，所以η↓，逆流和漏流增加，曲线的斜率也会加大，所以随温度的增加，在同样的压力条件下，会使产量降低。//46第二章、双螺杆挤出过程分析47双螺杆挤出机的螺杆结构要比单螺杆挤出机复杂得多，双螺杆挤出机有多种形式，主要差别在于螺杆结构的不同。诸如旋转方向、啮合程度等问题。48啮合异向旋转的双螺杆挤出机常用于PVC型材挤出，适宜在比较低的螺杆速度下操作。啮合同向旋转式双螺杆挤出机用于混炼、排气造粒或作为连续化学反应器使用，这类挤出机最大螺杆速度范围在300～600r／mim。非啮合型挤出机的输送机理与啮合型挤出机大不相同，比较接近于单螺杆挤出机的输送机理。/492.1.双螺杆挤出机的工作原理502.1.1非啮合型双螺杆挤出系统物料在非啮合双螺杆挤出系统中，除了向机头方向的运动形式外，还有多种流动方式，见图。物料在非啮合双螺杆挤出机中的流动示意图由于两螺杆不啮合，它们之间的径向间隙很大，具有较大的漏流。这种双螺杆没有自清洁作用。一般仅用于混料,不适合PVC型材的生产。/512.1.2啮合型异向旋转双螺杆挤出系统在啮合型异向旋转的双螺杆挤出中，两根螺杆是对称的，由于回转方向不同，一根螺杆上物料螺旋前进的道路被另一根螺杆的螺棱堵死。图:啮合型异向旋转双螺杆挤压系统中物料的运动情况在固体输送部分，物料是以近似的密闭“C”形小室的形态向前输送。52沿螺杆和机筒轴线，有两串彼此不相通的C形室。当螺杆转动一周，C形室中的物料向前移动一个导程，异向旋转啮合双螺杆挤出机的理论挤出量为：

Q＝2n·vv——单个C形小室的体积不难看出，双螺杆挤出机对物料的输送能力是很强的，效率也很高。/53图示，在双螺杆啮合处取A点，A是螺杆l螺棱顶部与螺杆2螺槽底部相接近处。其相对速度为：VrA＝2π·n(Rb—Rs)VrA：A点处两螺杆侧间隙间相对速度，Rb：螺杆外半径，Rs：螺杆根半径

可以证明，B点处VrB与VrA数值相等，方向相反，

O点处Vro＝O。由于啮合处的速度差，使得一个螺棱对另一螺槽中的物料有清理作用，使得物料不易粘于螺杆上，这被认为是双螺杆良好的自洁性。/54两根异向旋转双螺杆的运动将部分物料拉入两根螺杆之间的间隙中，在两根螺杆最窄间隙处，物料受到高的剪应力作用。间隙中的物料→压力使两螺杆轴线有分离的趋势把螺杆压向机筒壁↓造成螺杆和机筒的磨损磨损程度与螺杆速度有关↓速度↑，磨损↑所谓压迫效应因此，异向双螺杆挤出机要在低转速下工作。/552.1.3啮合型同向旋转双螺杆挤出系统同向旋转双螺杆在啮合位置的速度方向相反，一根螺杆要把物料拉入啮合间隙，而另一根螺杆把物料从间隙中推出，结果使物料从一根螺杆转到另一根螺杆，呈∞形前进。图:物料在啮合同向双螺杆挤出机中的流动示意图/56在绕两根螺杆的∞通道上，没有汇集物料的趋势，螺杆四周压力是相同的，物料使螺杆浮在机筒中心。两螺杆之间没有压迫效应，因而没有使两根螺杆分开的力。不会发生像异向旋转双螺杆中那样严重的磨损。/57所以，同向转动的双螺杆相对速度大于异向转动双螺杆。有利于使物料受到比异向旋转双螺杆高的剪切，这对于物料充分熔融是十分有利的。/58第三章、挤出制品的质量控制59在生产中经常由于下料不稳定,而使生产不能正常进行.3.1.影响挤出机下料不稳定的因素分析原因常常有以下几种可能性:3.1.1物料架桥，3.1.2加料口温度过高，3.1.3加入的物料温度过高。/603.1.1物料架桥原因:物料潮湿粒料颗粒不均匀解决:物料干燥粒料颗粒均化613.1.2加料口温度过高原因:物料过早熔融,在加料段不能形成固体塞,物料不能被向前推进.解决:降低加料口温度或加料口通冷却水/623.1.3物料温度过高原因:幻灯片17633.2.影响制品表观质量的因素下面以型材为例进行分析讨论：型材的外观质量、型材的截面尺寸超偏差、型材弯曲、经常卡在定型模具中、挤出型坯边部流速过快，造成波浪边、等等实际生产常出现的问题。但往往问题是错综复杂的，是多方面的，要逐一排除。/643.2.1.划痕首先确定划痕是由谁造成的？表面出现连续划痕是挤出模具或定型模具所造成的。65简单方法：在挤出生产中将定型模与机头模具分开30mm距离，观察物料从挤出模具挤出后的型材是否有划痕。如果没有，那肯定是通过定型模具产生的划痕。打开定型模具找到划痕产生的地方。问题常出现在定型模具真空缝中，由于低分子物的析出，吸附在真空缝上，冷却后，造成对型坯的划伤。将夹在真空缝中的杂质清理干净，划伤也就解决了。有时因杂质坚硬会造成定型模具中定型面的损伤，应该用很细的砂纸（800目以上）将损伤的表面磨平。/66划痕产生在挤出模具中，一般都是因物料中的杂质卡在机头模具中造成对型材的划伤。一般最容易造成划痕的位置在口模出口处，因为口模处缝隙最小，最容易卡住杂质。可采用0.5mm厚铜片小心地插入到口模内将吸附物刮掉。如果多次处理仍无效，可能吸附物的位置靠里面难以清除，只能通过拆模清理杂质。/67一是模具不够光滑，尤其是在口模平直段处。二是配方中润滑剂及各种助剂与PVC相容性较差。/造成析出物及吸附在模具表面的原因有两个：另外，低分子物的析出，易粘在机头口模出口处，积累多了造成口模出口处光洁度下降，划伤型材型坯。68提高口模的光洁度，圆滑过渡口模出口处，可以减少析出物在口模出口处粘附。减少润滑剂的用量可以减少物料的析出物质。但润滑剂的减少是在不影响挤出加工正常进行的条件下进行。/解决:69一般生产中物料或多或少都有析出，如果模具内部光滑，少量的析出并不影响正常生产。如果模具内部粗糙，析出物的积累越来越多，生产的型材外观质量也就难以保证。往往新模具更容易造成划痕，与模具的光洁度不高有关。使用一段时间，物料的挤出流动对模具也是抛光，模具的光洁度提高了，划痕也相对少了./703.2.2收缩痕造成内筋在冷却收缩时拉动表面的原因：一是内筋壁过厚，壁厚收缩力大；二是外壁冷却真空定型吸附力小。/产生收缩痕的原因:主要是型材内筋在冷却收缩时拉动表面产生的凹痕。收缩痕不同于划痕,是在型材表面的光滑凹痕。有时用手摸不到但在光线下可以看到。71为避免内筋收缩造成表面的凹陷，可减薄筋的厚度以减少筋的收缩力。一般内筋的壁厚应是型材外壁厚的1/5～1/3.加大型材表面的真空度和冷却速度。/解决：72挤出速度与牵引速度的协调，牵引速度低，型材壁厚，出口膨胀大，贴定型模的力也大，有利于型材的定型。相反，型材出口尺寸小，靠真空力也难以正常贴紧在定型模具上。口模温度高，物料粘度低，容易被真空吸附冷却定型。但物料温度高，收缩也大，且出口膨胀小，也是另外不利的因素。/口模的温度、挤出速度、牵引定型速度。除此以外，影响型材正常定型的因素还有加工工艺条件例如：73内筋的冷却定型是否正常是非常重要的。内筋弯曲、倾斜或破裂不仅要影响型材的外观质量，它也影响型材的内在质量，往往由于冷却不均匀，产生内应力。这些内应力的存在会造成型材低温冲击性能不合格或造成型材的弯曲变形。/74造成内筋弯曲的主要原因：是模具中内筋部位出料速度快于周围外壁的出料速度；造成内筋壁薄甚至破裂的原因：是内筋出料速度低于周围外壁的出料速度。造成内筋倾斜的原因：一是冷却定型时，口模出口的型坯与定型模具不在同一轴线上、冷却速度不均匀等，二是模具中物料流动分配不良。总之要综合分析解决。/

753.2.3.麻点和杂质麻点和杂质是由物料中的挥发物和不熔化的杂质造成的。这些杂质和挥发物来自两个途径，一是来自原材料，各种助剂、树脂中的杂质和挥发物在国家标准中有明文规定的，进厂时应检验是否合格。二是因生产操作不当造成麻点、杂质增多，如配料、混料、运输时其它杂质的掺入。在掺入回收料时应特别注意不得将已分解变色或污染的回收料加入。/76还有一点在实际生产中应引起注意：在高速捏合物料时，水分挥发后未能及时排除，而冷凝在锅盖上，高速捏合中微细的粉末如钛白、碳酸钙遇到冷凝在锅盖的液体，结成颗粒。这些干燥后的颗粒混入物料中往往难以分散，经常是因为这些结块的无机材料造成麻点出现。及时清理高混锅，特别是注意清理锅盖内部./773.2.4.型材的截面尺寸在模具调试正常后的实际生产时，也经常出现型材的截面尺寸的超差，这是因为挤出中物料流经机头模具、定型模具是一个动态的过程。它与物料的粘度、流动性能、挤出机产生的压力及模具各个截面上所产生的阻力有关，也受生产环境温度，冷却水温度的影响。下面具体分析一下影响型材截面尺寸变化的原因。/78主要是牵引速度与挤出速度的协同问题。牵引速度偏高，往往造成型材截面尺寸偏小；壁厚偏小，型坯通过真空定型模具时，充不满模具，真空度也难以达到工艺要求，造成型材表面不平，截面尺寸偏小。牵引速度偏低，容易造成堵模。壁厚偏厚、胶条，毛条安装处尺寸偏小。/操作的原因：79冷却定型能力与挤出速度协同问题。当挤出速度大于冷却定型能力时，造成型材在通过冷却定型模后，未能完全定型。在定型模外仍有较大的冷却收缩，使截面尺寸产生变化。降低冷却水的温度有利于生产效率的提高，过低的冷却温度会使物料因冷却速度过快，高分子的运动迅速被冻结，容易产生内应力，造成型材的一些性能指标下降，如冲击强度。/803.2.5.型材的平直度和弯曲度型材平直度是指型材截面上各个面的相互水平和垂直的问题。型材的弯曲度是指1米长的型材的翘曲程度。国家标准GB8814—1998《门、窗框用聚氯乙烯（PVC）型材》中规定将1米的型材侧边平放在平台的面上，用塞尺测量试样的底边与平台的最大距离，不得大于2.0mm。/81当挤出PVC型坯各个截面上的流速基本相同时，1.往往是因为型材在冷却定型模中尚未完全被真空吸附；或者是冷却不均匀造成各面收缩速度不同导致型材变形。2.冷却过程中，因各个型材面的真空吸附力不同也是造成型材变形的主要原因。3.此外，型材内腔室中的筋的收缩情况也不能忽视，它往往可以拉动外壁变形。/平直度与冷却效果及牵引机压紧程度关系很大。型材变