螺杆挤出机1新

螺杆挤出机1新第1页/共157页动画演示第2页/共157页1.定义：挤出成型又称挤塑（挤压模塑），在挤出机的螺杆或柱塞的挤压作用下，使高聚物的熔体（或粘流体），通过一定形状的口模，而成为具有恒定截面的连续型材的一种成型方法。2.应用：

塑料挤出成型：管材、板材、片材、薄膜、挤出吹塑。主要是热塑性塑料的挤出，现也有热固性。

橡胶挤出成型：胎面、内胎、胶管

合成纤维：螺杆挤出熔融纺丝、溶液纺丝挤出成型是高聚物加工领域中生产率高、适应性强、用途广泛、所占比重最大的加工方法。§4-1概述第3页/共157页挤出还可用于塑料染色、混炼、塑化造粒、共混改性等。以挤出为基础，配合吹胀和双轴拉伸：吹塑薄膜和拉幅薄膜。第4页/共157页第5页/共157页第6页/共157页第7页/共157页第8页/共157页PVC管生产线第9页/共157页板材生产线第10页/共157页熔体纺丝生产线第11页/共157页薄膜生产线第12页/共157页工艺特点：连续成型，产量大，生产效率高。制品外形简单，是断面形状不变的连续型材。制品质量均匀密实，各向异性小，尺寸准确性较好。适应性很强：几乎适合除PTFE外的所有热塑性塑料。只要改变机头口模，就可改变制品形状。可用来塑化、造粒、染色、共混改性，也可同其它方法混合成型。此外，还可为压延成型供料。第13页/共157页二、挤出成型设备的组成第14页/共157页第15页/共157页挤压系统、传动系统、加热冷却系统、控制系统等挤压系统是挤出成型的关键部分，对挤出成型的质量和产量起重要作用。主要包括加料装置、料筒、螺杆、机头和口模等几个部分，图所示。塑料通过挤压系统塑化成均匀的熔体，并在这过程中所建立的压力下，被螺杆连续地定压、定量、定温地挤出机头。1、主机（挤出机）第16页/共157页传动系统给螺杆提供所需的扭矩和转速。加热冷却系统：对料筒（或螺杆）进行加热和冷却，保证成型过程在工艺要求的温度范围内完成。

第17页/共157页机头、定型装置、冷却装置、牵引装置、切割装置、卷取（或堆放）装置等。机头（口模、芯架等）：它是制品成型的主要部件，熔融塑料通过它获得一定的几何截面和尺寸。

2、辅机第18页/共157页定型装置：将从机头中挤出的塑料的既定形状稳定下来．并对其进行精整，从而得到更为精确的截面形状、尺寸和光亮的表面。通常采用冷却和加压的方法达到这一目的。

冷却装置：由定型装置出来的塑料在此得到充分的冷却，获得最终的形状和尺寸。

牵引装置：其作用为均匀地牵引制品。并对制品的截面尺寸进行控制，使挤出过程稳定地进行。第19页/共157页挤出成型过程可分为如下三个阶段：1、塑化阶段在挤出机上进行塑料的加热和混炼，使固态原料变为均匀的粘性流体。2、成型阶段在挤出机螺杆的作用下，熔融塑料以一定的压力和速度连续通过装在挤出机上的成型机头，获得一定的断面形状。3、定形阶段通过冷却等方法使熔融塑料已获取的形状固定下来，成为固态制件。经历的形态：玻璃态----粘流态----高弹态----玻璃态第20页/共157页3、控制系统挤出机的控制系统：它由各种电器、仪表和执行机构组成。根据自动化水平的高低，可控制挤出机的主机、辅机的拖动电机、驱动油泵、油（汽）缸和其它各种执行机构按所需的功率、速度和轨迹运行，以及检测、控制主辅机的温度、压力、流量，最终实现对整个挤出机组的自动控制和对产品质量的控制。由以上各部分组成的挤出装置为挤出机组。第21页/共157页三、分类按螺杆数目分单、双、多（前两种用得最多）按喂料方式分冷喂、热喂（要预热＞50℃）按螺杆安装位置分卧式、立式按螺杆转速分常规（100~300r/min）、高速（300~900r/min）、超高速（900~1500r/min）第22页/共157页四、规格表示及技术特征挤出机规格以螺杆直径表示，在直径前冠以汉语拼音字母标出机型和用途。如XJ-150、SJ-150，表示螺杆直径为150mm的挤出机。纺丝挤出机型号根据纺制纤维的类别来编制：VC-长丝纺丝机，VD-短纤维纺丝机。第23页/共157页橡胶挤出机为φ30-300，热喂料挤出机的L/D为4~5，冷喂料的L/D为10~15。塑料行业的挤出机为φ30~φ200，L/D在20~30，多数在25左右。化纤行业的挤出机为φ65~φ200，国内的L/D在20~28，大多＞24，国外L/D可达28~33。第24页/共157页第25页/共157页第26页/共157页

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。4.2.1螺杆的几何结构参数第27页/共157页第28页/共157页挤出成型：

是将物料送入加热的机筒与旋转着的螺杆之间进行固体物料的输送、熔融压缩、熔体均化，最后定量、定速和定压地通过机头口模而获得所需的挤出制品。§4-2-2挤出成型基本原理1.物料经历三种力学状态玻璃态、高弹态、粘流态。第29页/共157页2.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。第30页/共157页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。要使制品质量、产量稳定，须满足以下两个条件：1、熔体的输送速率=固态物料的熔化速率2、沿螺杆轴向任一截面物料的质量流率=挤出机生产率第31页/共157页①物料是被压实的固体塞、充满整个螺槽；②固体塞所受压力仅为螺槽流道长度的函数；③摩擦因数f一定，作用于固体的摩擦力符合库伦定律F=f·P；④忽略固体塞密度变化，物料重力的影响；⑤加料螺槽截面为矩形，且槽深不变。4.2.2加料段的固体输送理论第32页/共157页图4-11螺槽中固体输送的理想模型和固体塞移动速度矢量图移动角第33页/共157页固体塞输送速率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

Φ−螺杆外径处的螺旋角

θ−物料的移动角

第34页/共157页提高固体输送率途径：移动角θ

影响移动角θ的因素：螺杆结构参数，摩擦因数，压力。移动角=0：物料不向前移动，不进料；移动角=90：此时物料移动速度很大，即。这是固体输送理论的上限。一般情况是在0—90°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。第35页/共157页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。第36页/共157页总结：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。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，因为摩擦系数是随温度而变化的。第37页/共157页3.2.4均化段的熔体输送理论熔体输送理论亦称流体动力学理论，是研究在单螺杆计量段如何保证物料的彻底塑化，并使之能定压、定量和定温地从机头挤出，以获得稳定的产量和高质量的挤出制品。第38页/共157页假设机筒旋转，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。3.2.4.五个基本假设第39页/共157页3.2.4.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。3、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。QL4、横流：对总的挤出生产率影响不大，几乎可忽略；但对熔体的混合、塑化、热交换起重要作用第40页/共157页第41页/共157页挤出机总生产能力：Q=QD–QP–QL。即为正流、逆流、漏流体积流量的代数和。第42页/共157页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ΔP——均化段两端的压力降

L3——均化段长度

η1——螺槽中物料的粘度

η2——螺杆与机筒间物料的粘度第43页/共157页螺杆均化段生产率公式：式中：η1和η2——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=QD

–QP

–QL正流流量漏流流量逆流流量第44页/共157页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，η1和η2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。第45页/共157页不同转速(N)的螺杆特性曲线：第46页/共157页

可以证明，物料通过口模的流量Q与口模的压力降ΔP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。

η3——机头处物料的粘度,稳定状态下，可近似看成常数。2.口模特性曲线（2-66）第47页/共157页第48页/共157页挤出机的工作点：将螺杆特性曲线与口模特性曲线在同一坐标上画出，两直线交点为挤出机工作点。第49页/共157页第50页/共157页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实际挤出过程的挤出机工作图：第51页/共157页挤出理论小结：提高挤出机加料段的固体输送能力是提高挤出机螺杆生产能力的先决条件；螺杆的熔融塑化能力则是提高螺杆生产能力和保证制品质量的关键；挤出机螺杆的三个区段的生产能力必须均衡，才能使螺杆达到最佳的工作效能。现代螺杆挤出机的生产能力之所以能获得飞速的提高一个重要原因是充分采用有效的改进措施，强化固体输送能力、提高熔融能力，并在此前提下，保证螺杆能有更多的均化能力。第52页/共157页螺杆和料筒组成了挤出机的挤压系统。为说明挤压系统的重要性，人们通常称之为挤出机的心脏。一台挤出机的生产率、塑化质量、填加物的分散性、熔体温度、动力消耗等，主要决定于螺杆的性能。4.2.2单螺杆挤出机挤压系统第53页/共157页（一）常规螺杆一、评价螺杆的标准及设计时应考虑的因素1、评价螺杆质量的标准有：①塑化质量一根螺杆必须能生产出合乎质量要求的制品。即制品：A、具有合乎要求的各种性能。具有合乎规定的物理、化学、力学、电学性能；

B、具有合乎要求的表观质量。如能达到用户对气泡、晶点、染色分散均匀性的要求等。第54页/共157页C、具有合乎要求的螺杆的塑化质量：1）螺杆所挤出的熔体温度是否均匀，轴向温度波动、径向温差多大。2）是否有得以成型的最低的熔体温度。3）挤出的熔体是否有压力波动。4）染色和其它填加剂的分散是否均匀等。

低温挤出是目前的一个发展趋势，它能改善挤出制品的质量（如降低内应力等），防止热敏性物料过热分解，降低能量消耗，减少主辅机冷却系统的负担，提高生产率。第55页/共157页②产量具有较高的塑化能力和挤出流率。一根好的螺杆，应当具有较高的塑化能力。（生产能力）③单耗每挤出1kg物料所消耗的能量（N/Q）。一根好的螺杆，在保证塑化质量的前提下，单耗应尽可能低。单耗越低的螺杆生产成本越低。④适应性是指螺杆对加工不同塑料、匹配不同机头和不同制品的适应能力。一根好的螺杆，其适应性和高的塑化效率都应兼备。⑤容易加工好的螺杆应易于加工制造，价格低。第56页/共157页3、设计螺杆时，应综合考虑如下因素：①物料特性及其加入时的几何形状、尺寸和温度。橡胶挤出机螺杆与塑料挤出机螺杆差别很大：如螺杆长径比、螺槽深度、螺杆结构（塑料挤出机螺杆带有混炼元件、剪切元件）等同是橡胶挤出机螺杆也不同：冷喂料挤出机与热喂料挤出机螺杆不同。第57页/共157页不同的塑料挤出机，螺杆也不相同。同一种塑料，粉状和粒状的加工性能也不同，预热和不预热对加工性能也有影响。②口模的几何形状和机头阻力特性。

口模特性线要与螺杆特性线很好的匹配，才能获得满意的挤出效果。如均化段螺槽较浅的螺杆，宜配用高阻力机头；反之亦然。第58页/共157页③机筒的结构形式和加热冷却情况。如在加料段料筒壁上加工出锥度和纵向沟槽并进行强力冷却，会大大提高固体输送效率。④螺杆转速转速大，剪切速率高，物料熔融速率大。螺杆设计时必须考虑螺杆转数这个因素。

⑤挤出机的用途是用来加工制品，或是混料、造粒或喂料。不同用途的挤出机的螺杆在设计上是有很大不同的。第59页/共157页常规全螺纹三段螺杆的设计包括：

①螺杆结构型式的确定；②螺杆基本参数的确定；③螺杆头部结构和螺纹断面形状。第60页/共157页

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1、螺杆的结构形式第61页/共157页第62页/共157页渐变型螺杆是指由加料段较深螺槽向均化段较浅螺槽的过渡，是在一个较长的螺杆轴向距离内完成的。特点如下：1）渐变螺杆大多用于无定形塑料的加工。如聚氯乙烯2）它对大多数物料能够提供较好的热传导，传热均匀，效果好。适用于热敏性塑料，3）对物料的剪切作用较小，且可控制，其混炼特性不高，也可用于结晶性塑料。第63页/共157页突变型螺杆指由加料段较深螺槽向均化段较浅螺槽的过渡是在较短的螺杆轴向距离内完成的。特点如下：1）突变螺杆由于具有较短的压缩段，有的甚至只有（1—2）D。2）对物料能产生巨大的剪切，故适用于粘度低、具有突变熔点的塑料，如尼龙、聚烯烃等；3）对于高粘度的塑料容易引起局部过热，故不适于聚氯乙烯等热敏性塑料。第64页/共157页2、螺杆基本参数的确定第65页/共157页第66页/共157页1、螺杆的几何结构参数（见图7-3）①螺杆直径D②螺杆的长径比L/D③螺杆的压缩比A④螺杆分段及分段参数的确定⑤螺槽深度h⑥螺旋角⑦螺杆棱部宽度е⑧螺杆与料筒的间隙δ

⑨螺杆头部结构和螺纹断面形状第67页/共157页①螺杆直径D通常在30~300mm之间，最常见的是60~150mm。挤出机规格以螺杆直径大小表示。螺杆直径的大小一般根据所加工制品的断面尺寸、加工塑料的种类和所要求的生产率（Q∝D2）来确定。

第68页/共157页②螺杆的长径比L/D螺杆工作部分的有效长度L与直径D之比。比值大，螺杆长度增加，物料在料筒中停留时间更长，可改善物料温度分布，混合更均匀；并可减少挤出时的逆流和漏流，提高螺杆转速，从而提高生产能力，见图。一定意义上也表示螺杆的塑化能力和塑化质量。第69页/共157页第70页/共157页加大L/D后，螺杆和料筒的加工及装配要求更高、更困难，制造成本也相应提高；同时螺杆刮磨料筒的机率增加，使挤出机寿命缩短；热敏性物料易分解，功率消耗增大。故不能无限加大长径比。如直径Ø45的螺杆，加工HDPE，当螺杆转速达到80r/min时，达到强度限的长径比为37.5；当转速为100r/min时，达到强度限的长径比为32；当加工LDPE或PP时,达到强度限的长径比≤30。第71页/共157页③螺杆的压缩比A几何压缩比：加料段第一个螺槽容积与均化段最后一个螺槽容积之比。物理压缩比：物料加工之前的松密度与均化段熔体密度之比。作用：压缩物料，排除气体，建立起必要的熔体压力，保证物料到达螺杆末端时有足够的致密度。A越大，物料受到挤压作用越大，排除物料中所含空气的能力就大。但A太大，螺杆本身的机械强度下降。A一般在2~5之间。设计原则：应使几何压缩比大于物理压缩比。第72页/共157页表4-7是加工各种常用塑料所采用的螺杆压缩比。橡胶压出机螺杆的压缩比A较小，热喂料为1.3~1.4，冷喂料为1.6~1.8；滤胶机为1，是等距等深螺杆。压缩比的获得主要采用等距变深螺槽、等深变距螺槽和变深变距螺槽等方法。其中等距变深螺槽易于进行机械加工，故多采用。第73页/共157页④螺杆分段及分段参数的确定加料段（L1）

其作用是将料斗送来的物料输送到压缩段和均化段。其任务是压实物料并将料温提高到熔融温度。加料段的核心问题是固体输送能力。第74页/共157页a.加大加料段的螺槽深度h1，可提高输送量QS。b.在料筒加料段处开纵向沟槽和加工出锥度来实现提高输送量QS。c.增加加料段的长度会使产量提高。d.加料段的长度与压力的建立、熔融区的熔融状况和波动有关。第75页/共157页e.

加料段长度，应根据物料类型来确定：对不定形塑料，L1取（6~10）D；对结晶型塑料，L1为螺杆全长的60%~65%。f.螺旋角也是一个影响输送能力的因素，由固体输送理论得知，θb越大；QS越大。但通常取D=S，即θb=17°40。

g.螺杆表面摩擦系数越小（或料筒的摩擦系数越大），QS越大。第76页/共157页压缩段（L2）：其作用是对加料段送来的物料起挤压和剪切作用，使物料继续受热，由固体逐渐转变为熔体；赶走物料中的空气及其他挥发成分，增大物料的密度；建立熔体压力。目前仍以经验方法来确定L2：对结晶型塑料取（4~5）D；对非结晶型塑料取螺杆全长的55%~65%。第77页/共157页计量段L3：作用是将来自压缩段的熔体进一步均化；并定压、定温和定量地将其挤入机头中去。均化段的螺槽深度和长度是两个重要参量。实践表明，加长计量段长度L3，会使压力峰值移到计量段末，其结果使产量和压力波动都大大减小。均化段长度对挤出率的影响。第78页/共157页物料类型螺杆类型进料段压缩段计量段非结晶型塑料长区渐变10~2555~6520~25高结晶塑料(如尼龙）突变60~651~2个螺距20~25Tm范围宽（PVC）全长渐变无约100无低结晶塑料短区渐变30~4525~3525~45螺杆各段长度随挤出物料性质而异。下表是普通螺杆三段长度分配（占总长的%）。第79页/共157页⑤螺槽深度h螺槽深度影响塑料的塑化及挤出效率，h小时，对塑料可产生较高的剪切速率，有利于传热和塑化，但挤出生产率降低。热敏性塑料（PVC）宜用深槽螺杆熔体粘度低和热稳定性较高的塑料（如PA等）宜用浅槽螺杆。第80页/共157页沿螺杆轴向各段的螺槽深度通常是不等的加料段的螺槽深度h1是定值，是在确定了计量段的螺槽深h3后，再结合物料的压缩比来确定。一般h1＞0.1D。压缩段的螺槽深h2是个变化值；计量段螺槽深度h3

1，应使该段的均化能力与压缩段的熔融能力相匹配，以控制挤出量；2，与机头相匹配。第81页/共157页h3过大，使该段熔体输送能力过大，压缩段未熔融的物料会进入该段，得不到进一步均匀塑化而挤入机头，影响制品质量。h3太浅，会导致产量降低。且熔体会受到过大的剪切，熔体的温度会变得过高，非但不能获得低温挤出，甚至会引起过热分解。第82页/共157页h3是定值，目前仍以经验方法来确定h3：对塑料加工h3=（0.02～0.06）D；对能承受高剪切速率的塑料，h3可取小值;对不能承受高剪切速率的塑料，h3应取大值。对橡胶加工h3=（0.18～0.25）D。第83页/共157页⑥螺纹升角φb

螺纹与螺杆横截面之间的夹角。φb增大，挤出机生产能力提高，但螺杆对塑料的挤压剪切作用减少。A）φb

=30°左右适于粉料，B）φb=l7°左右适于圆柱料，C）φb

=15°左右适于方块料。出于机械加工的方便，一般取D=S（螺距），

φb=17040′。

第84页/共157页⑦螺纹棱部宽度еe太小，漏流增加，导致产量降低，对低粘度熔体更是如此。

e太大会增加螺棱上的动力消耗，有局部过热的危险。取e=(0.08~0.12)D，在螺杆根部取大值。第85页/共157页⑧螺杆与料筒的间隙δ

δ是一个螺杆与料筒相互关系的参量。间隙δ选择所考虑的因素：A）被加工物料的性质。（如热敏性与非热敏型物料）B）机头阻力情况。阻力越大间隙越小。C）螺杆料筒的材质及其热处理情况。D）机械加工条件E）螺杆直径的大小来选取。螺杆直径越大，δ的绝对值应选得越大，螺杆直径越小，δ的绝对值应选得越小。第86页/共157页

δ选取我国已由挤出机系列的直径间隙值，可根据情况选取。δ＝（0.003—0.005）D直径大者取小值，小者取大值。

第87页/共157页当塑料熔体从螺旋槽进入机头流道时，其料流形式急剧改变，由螺旋带状的流动变成直线流动。其料流形式发生急剧变化。为得到较好的挤出质量，要求熔料尽可能平稳地从螺杆进入机头口模，避免滞流，局部受热时间过长而产生热分解。这与螺杆头部形状、螺杆末端螺纹的形状以及机头体中流道的设计和分流板的设计等有密切关系。表2-11是目前国内外常见的塑料、橡胶螺杆头部形式。3、螺杆头部结构和螺纹断面形状第88页/共157页第89页/共157页1）钝的螺杆头总有因物料在螺杆头前面停滞而分解的危险，即使稍有曲面和锥面的螺杆头通常也不足以防止这一点，对以上形式的螺杆头一般要求装分流板。2）带有较长锥面的螺杆头也难免在螺杆的端点因停滞物料被烧焦的现象。3）斜切截锥体的螺杆头其端部有一个椭圆平面，当螺杆转动时，它能使料流搅动，物料不易因滞流而分解。第90页/共157页4）锥部带螺纹的螺杆头能使物料借助螺纹的作用而运动，主要用于电缆行业。5）鱼雷头螺杆头与料筒之间的间隙通常小于它前面的螺槽深度。有的鱼雷头表面上开有沟槽或加工出特殊花纹。“它有良好的混合剪切作用，能增大流体的压力和消除波动现象”，常用来挤出粘度较大、导热性不良或有较为明显熔点的塑料。第91页/共157页（二）新型螺杆Ⅰ常规全螺纹在三段螺杆中存在的问题Ⅱ几种常见的新型螺杆第92页/共157页一、常规全螺纹在三段螺杆中存在的问题1、熔融效率低、塑化混炼（染色、加填充物）不均匀1）传热途径

由熔融理论知，固体床熔融的热源有两个:一是来自加热器的外热。一是发生在熔膜中的剪切热，后者是主要的。如果能使固体床在其消失之前始终能以最大的面积与料筒壁相接触，则可获得最大的熔融效率。

第93页/共157页在常规三段螺杆中，熔融段同时有固体床和熔池同在一个螺槽中，熔池不断增宽，固体床逐渐变窄，从而减少了固体床与料筒壁的接触面积，减少了料筒壁直接传给固体床的热量，降低了熔融效率，致使挤出量不高。2)固体床变窄，传热面积减少，熔融效率低,挤出量不高第94页/共157页3)固体床易破碎，固体碎片传热慢，剪切力小，不易熔融a.

固体床易破碎

在常规三段螺杆中，当固体床宽度减少至它的初始宽度的10%时。其物理性质极不稳定，熔体易挤入固体床缝隙，当外力（由于工作条件变化及聚合物物理状态改变而形成的张力）超过了固体床的抗张强度时，固体床便解体，形成固体碎片。第95页/共157页b.固体碎片被融体所包围，不能直接获得外部热量，传热慢

固体碎片混到已熔的塑料中，为熔体所包围，不能直接与料筒壁接触而获得外部加热器的热量，只能从包围它们的熔体中获得热量。由于熔融聚合物传热性能很差，完全将这些碎片熔融将是很困难的，也是很慢的。c.漂浮在熔体中的固体碎片受的剪切力很小，很难从剪切获得热量

固体碎片被融体所包围，成漂浮状态，基本上没有剪切发生。第96页/共157页第97页/共157页4）部分物料得不到彻底熔融，另一部分物料则过热，导致温度、塑化极不均匀。由于上述因素，使固体床不能彻底地熔融。相反，已熔的物料由于与料筒壁相接触，仍能从料筒壁和熔膜中的剪切获得热量，使温度继续升高。这样一来，就形成一部分物料得不到彻底熔融，另一部分物料则过热，导致温度、塑化极不均匀。第98页/共157页2、压力波动、温度波动和产量波动大一般认为，波动主要有二种形式：一是较高频率的波动，与螺杆的回转频率一致，它是由螺杆的旋转引起的，特别容易发生在固体输送过程中；二是低频波动，它是由于熔融过程的不稳定性（可能是由于固体床周期性地解体）所引起的。3、加工物料适应性差常规全螺纹三段螺杆往往不能很好适应一些特殊塑料的加工或进行混炼、着色等工艺过程。第99页/共157页ⅰ

提高螺杆转速，减少螺槽深度，增加挤压剪切作用，保证物料塑化均匀，而产量不致下降。该法对不能承受高剪切的物料是不可取的。ⅱ

提高料筒温度促使固体碎片熔融，但对热敏性物料也不可取。且制品温度也随之升高，加重辅机冷却定型的负担，导致制品冷却时因温差大而产生较大的内应力。ⅲ

增加长径比，提高生产能力和挤出质量。但长径比过长，螺杆、料筒加工制造、安装及螺杆强度要求更苛刻，成本更高。为了解决上述存在问题，目前采取的方法：第100页/共157页新型螺杆的设计所谓新型螺杆，是相对于常规全螺纹三段螺杆而言的。新型螺杆在原理、结构设计上有许多特点，它们是在常规全螺纹三段螺杆的基础上发展起来的，目前已得到广泛应用。所谓新型螺杆，主要是指：分离型螺杆屏障型螺杆分流型螺杆组合型螺杆第101页/共157页针对常规螺杆存在的问题，对挤出过程进行了深入的研究，在大量实验和生产实践的基础上，发展了各种新型螺杆。与常规螺杆相比，其优点如下：提高了挤出量，改善了塑化质量，减少了产量波动，压力波动和在MD方向的温度波动、TD方向的温差，提高了混合的均匀性和填加物的分散性。新型螺杆越来越得到广泛的应用。新型螺杆的形式很多，但尚无一个全面的科学的螺杆分类，下面仅就目前较为流行的分类方法，重点地介绍几种。第102页/共157页第103页/共157页a分离型螺杆1、设计思路：固、液相尽早分离，促进固体尽快熔融，使熔体不再承受导致过热的剪切，而获得低温挤出，在保证塑化质量的前提下提高挤出量。分离型螺杆典型代表是BM螺杆，见图2-43，图4-64

。在熔融段设置一条附加螺纹，这两条螺蚊把原来一条螺纹所形成的螺槽分成两个螺槽：一条螺槽与加料段螺槽相通，用来盛固相。另一条螺槽与均化段相通，用来盛液相。第104页/共157页附加螺纹与料筒壁的间隙δ0′比原来的螺纹（主螺纹）与料筒壁的间隙δ0大。当固体床开始熔融时,巳熔物料可越过δ0′而进入液相螺槽，未熔固粒则不能通过δ0′。附加螺纹使熔体被及时分离，固体床不会破碎，让固体与料筒直接接触，提高了传热效果，加快了整个熔融过程。总之，在液相螺槽宽度为零的那一点固液相开始分离，在固相螺槽的宽度为零的那一点熔融完成。第105页/共157页2、BM螺杆的特点1）优点：a.塑化效率高，塑化质量好，由于固液相分离；b.产量、压力、温度波动小，由于没有固体床解体；c.排气性能好，由于固液相分离，不混合；d.单耗低，由于塑化效率高，减少了能耗；；e.适应性强，可用于多种用途、适用多种物料f.耐扫膛性能好，由于固液相分离，固体颗粒不能嵌入数值较小的主螺纹与机筒的缝隙中；g.能实现低温挤出，已熔融物料不再承受导致过热的剪切，而获得低温挤出。第106页/共157页2）缺点a.加工制造困难。主附螺纹螺距不等给加工制造带来很多困难而影响它的推广；b.熔融能力受到限制。固体床宽度由宽变窄，不能自始至终保持固体床与料筒壁之间的最大接触面积而获得来自料筒壁的最多热量，使熔融能力受到限制；c.可能引起螺槽堵塞而产生挤出不稳定。如果设计不当，即固体床因熔融而发生的宽度减少与固相螺槽宽度减少不一致，有可能引起螺槽堵塞而产生挤出不稳定。第107页/共157页3)解决办法---Barr螺杆针对BM螺杆的这一缺点，人们研制出Barr螺杆。这也是一种分离型螺杆。它与BM不同之处是：a.主附螺纹的螺距相等。固相螺槽和液相螺槽的宽度自始至终保持不变。b.螺槽深度变化。固相螺槽由加料段的深度渐变至均化段的槽深，而液相螺槽深度由零渐变至均化段的槽深。c.加工比较方便。从理论上这样就能使固相始终保持与料筒的最大接触面积，因而具有较高的熔融能力。第108页/共157页第109页/共157页b屏障型螺杆1、设计思路：在常规螺杆熔融区后某一位置设置屏障段，使未熔固相不能通过，促使固相熔融的螺杆。2、结构原理：1）在一段外径等于螺杆直径的圆柱面上交替、等距地开了若干纵向沟槽（见图），并分为两组：一组是进料槽，其出口在轴线方向封闭；另一组是出料槽，其入口在轴线方向封闭。2）两组沟槽相隔一屏障棱，该棱与料筒的间隙为Δ，称为屏障间隙，其值大于螺杆无槽处的间隙δ0，是物料从进料槽进入出料槽的唯一通道。第110页/共157页图6-19屏障型螺杆的结构和工作原理第111页/共157页3、熔融机理工作时，物料由进料槽流入。只有熔融的物料和粒度小于间隙△的固相碎片才能越过△（即图中划剖面线处）而进入出料槽，而那些未熔的粒度较大的固相碎片被屏障阻挡。第112页/共157页a.剪切作用熔料和未熔融但能通过△的固相碎片在通过△时，受到强烈的剪切作用。b.混合作用物料由原来的带状层流被直槽分为若干股，并在进入和流出屏障沟槽时产生涡流，由此而产生的料流方向改变、各部分物料重新分布的混合过程。另涡流促进熔料与固体碎片进行热交换，加快固体碎片的熔融。这种剪切和混合将机械能转变为热能，促使物料熔融均化。第113页/共157页4、特点a.经验表明，如果设计得当，这种带有屏障段螺杆的产量、质量、单耗等项指标都优于常规全螺纹三段螺杆。b.从制造方面来说，也比较容易。c.它适于加工聚烯烃类塑料。第114页/共157页其它形式的屏障段：a.斜槽屏障段，在改进自洁性的同时，增大了对物料的推进作用。b.三角形沟槽屏障段，进料槽的入口较宽，随着料流在屏障上翻越，逐渐缩小进料槽的宽度，同时增大出料槽的宽度。c.

屏障段可以是一段，也可以将两个屏障段串接起来，形成双屏障段。第115页/共157页C分流型螺杆1、设计思路在螺杆某一部位设置许多突起部分或沟槽或孔道，如图所示，将螺槽内的料流分割成许多小料流，改变物料的流动状况，以达到分散、促进熔融、增强混炼和均化物料的目的。销钉螺杆是它们的代表。第116页/共157页设在熔融段：1）打碎固体床，增大传热面积，对料流产生摩擦剪切将固体床打碎，破坏熔池，打乱两相流动，并将料流反复地分割，改变螺槽中料流的方向和速度分布，使固相和液相充分混合，增大固体床与熔体之间的传热面积，对料流产生一定阻力和摩擦剪切，而促进熔融。设置销钉的作用如下：第117页/共157页2）通过销钉将熔料多次分割、分流而增加对物料的混炼、均化和填加剂的分散性，获得低温挤出。实践证明，销钉螺杆可提高产量30~100%。另一个突出的优点是加工制造容易。第118页/共157页分流原理如下：第119页/共157页以上我们介绍了几种新型螺杆。可以看出：分离型螺杆是在熔融段附加螺纹或螺槽，它只能和原螺杆作成一体；屏障型、分流型螺杆多在均化段或熔融段来增设非螺纹形式的各种区段，我们称之为螺杆元件。它们可以与螺杆做成一体，也可以用连接的方法加到螺杆本体（由加料段和压缩段组成）上。根据这些区段的作用的不同，将它们分别称为输送元件、压缩元件、剪切元件、均化元件等等。d组合螺杆第120页/共157页不同职能的螺杆元件:第121页/共157页1、结构组成1）组合螺杆由螺杆主体和各种不同职能的螺杆元件（如输送元件、压缩元件、混炼元件、剪切元件等）组成的。2）改变这些元件的种类、数目和组合顺序，可以得到各种特性的螺杆，以适应不同物料和不同制品的加工要求，并找出最佳工作条件。第122页/共157页第123页/共157页第124页/共157页第125页/共157页组合螺杆突破了传统常规全螺纹三段螺杆的框框，螺杆可以不再是整体的，也可以不再是由三段组成。这是螺杆设计中的一大进步。1）可根据需要，任意组合。2）最大特点是适应性强，专用性也强，易于获得最佳的工作条件，在一定程度上解决了“万能”和“专用”之间的矛盾。得到了越来越广泛的应用。3）这种螺杆设计较复杂，在直径较小的螺杆上结构实现有困难。组合螺杆特点：第126页/共157页原因：在单螺杆挤出机中，熔融塑化后进入机头的熔体，即使有微小的温度和组分不均匀，都会对制品质量带来不利影响，导致产品尺寸精度降低、机械性能降低和染色不均匀。目的：主要用来强化混合。原理：见图。其混合作用强、混合均匀性高，可在不修改螺杆设计的情况下，提高螺杆转速而获得较高的挤出量。静态混合器第127页/共157页静态混合器第128页/共157页第129页/共157页第130页/共157页第131页/共157页（三）料筒结构及材料（1）料筒的结构与材质料筒也是在高温、高压、强烈摩擦和一定的腐蚀条件下工作的。它与螺杆共同完成物料的塑化和输送均化等作用，是挤压系统的基本结构。料筒上要开加料口，设置加热冷却系统，安装机头和口模。料筒应具有足够的强度和刚度，内壁光滑。料筒一般用45号钢，或耐磨、耐腐蚀、高强度的38CrMoA1A合金钢，或碳钢内衬合金钢来制造（见表4-15），并经氮化处理。氮化层深度为0.3~0.7mm，表面硬度达HRC64~67，见表4-18。第132页/共157页料筒长度为直径的15~25倍，其壁厚见图2-3-3。料筒是一个金属圆筒，有整体结构和组合结构。整体结构是在整体坯料上加工出来的，见图4-86。其特点是长度大，加工要求高，便于安装和拆卸加热冷却系统，且热量沿轴向分布均匀，加工精度和装配精度易于保证。第133页/共157页组合结构是把几段加工好的料筒用法兰连接起来，见图4-87。多用于实验性挤出机和排气式挤出机，便于改变料筒长度适应不同长径比和不同型式的螺杆，设置排气段，使料筒结构更加合理。但组合料筒破坏了料筒加热的均匀性，且料筒制造和安装精度均难保证。第134页/共157页新型料筒为提高固体输送率：一是增加料筒内表面的摩擦因数fb；二是增加加料口处物料通过垂直于螺杆轴线的横截面积F。图4-89新型的IKV料筒，在料筒加料段内壁开设纵向沟槽，并将加料口处的一段料筒内壁做成锥形，较圆满地表现了上述两种提高Qs的方法。第135页/共157页为提高固体输送量，IKV还提出了强制冷却料筒加料段的方法，其结构见图4-91。目的是使所输送物料的温度能保持在软化点或熔点以下，避免过早出现熔膜以保持物料的固体摩擦性质。采用上述方法后，输送效率由0.3提高到0.7，且挤出量对机头压力变化的敏感性显著下降，见图4-92。第136页/共157页（2）加料口的形状和位置加料口应能使物料自如高效地加入料筒而不产生架桥。设计时要考虑到加料口是否适合设置加料装置、是否有利清理和是否便于在此段设置冷却系统。第137页/共157页加料口常用的形式如图4-93所示。（a）类适用带状料，不适用粒料和粉料；（c）和（e）类为简易式挤出机所用；（b）、（d）和（f）三类使用较多，特别是（b）和（f）类不论对粉料、粒料或带状料都能适应，应用最多。（3）料筒与机头的连接形式目前常用的料筒与机头连接形式有表4-14所列几种。其中以第一种形式最为通用。第138页/共157页（4）螺杆与料筒的配合①螺杆与料筒的配合间隙δ0其大小影响挤出机的生产能力和塑化。δ0值大，漏流增加，生产效率低，不利于热传导并降低剪切速率，不利于物料的熔融和混合。

当δ0增大至计量段螺槽深的15%时，产生的漏流太大，螺杆只能报废。第139页/共157页δ0过小，强烈的剪切作用易引起物料出现热降解及磨损加快，且要提高螺杆、料筒的加工精度及装配精度，使成本显著提高，见图4-105。国内推荐的δ0值见表4-19。δ0

=0.1~0.65mm为宜②螺杆与料筒对中挤出机装配后，螺杆中心线应与料筒中心线重合。第140页/共157页（四）挤压系统其它功能部件1、分流板及过滤网安装位置如图2-94所示。作用：使料流由螺旋运动变为直线运动；阻止未熔融的粒子进入口模；滤去金属等杂质；提高熔体压力。分流板还起支承过滤网的作用。1）分流板（又称多孔板）使用较多的是结构简单、制造方便的平板式不锈钢分流板，见图4-95、图2-95。分流板至螺杆头的距离不宜太大，常取0.1D。第141页/共157页2）过滤网

制品质量要求高或需要较高熔体压力时（如生产电缆、透明制品、薄膜、医用管道、单丝等），需要放置过滤网。过滤网的细度一般为20~120目，层数为1~5层。细的放在中间，粗的靠着分流板放，由此支承细的滤网。第142页/共157页1、加料装置的组成保证向挤出机料筒连续供料的装置，见图4-108。料斗侧面有视窗可观察料位及标定计量装置。料斗底部有开合门，可停止和调节加料量。料斗一般用铝板或不锈钢板制成，容积约为挤出机1~1.5小时挤出量的体积。纺丝挤出机的料斗是密封料斗，有氮气保护。（五）挤出机加料装置第143页/共157页大型、高速高效挤出机均配有自动上料装置，有如下几种形式：弹簧送料器见图4-111，由电机直接驱动弹簧转动，靠机械输送方式将物料输送到料斗中。可输送粉料、粒料、块状料、输送能力为400~600kg/h。真空吸料器见图4-109，上料速度快，可达900~1000kg/h。但滤网易堵，应经常清理。鼓风上料器见图4-110，利用风力将物料吹入输送管道，再经料斗上的旋风分离器分离，固体物料落入料斗中。只适合输送粒料，输送能力低，为50~300kg/h。第