塑料成型共工艺第五章-挤出模塑课件

第五章挤出模塑ExtrusionMolding

2023/7/16内容简介：挤出成型是借助螺杆的挤压作用,使塑化均匀的塑料强行通过机头成为的连续制品，如管、板、丝、薄膜、电线电缆等。挤出成型是塑料成型加工中重要方法之一。本章重点：5.2单螺杆挤出原理5.5几种制品的挤出工艺：吹塑薄膜、管材第五章挤出成型1、挤出成型的基本概念塑料的挤出成型：挤出成型又叫挤塑、挤压、挤出模塑。用加热（干法）或湿法（溶剂）使塑料成为流动状态，然后在机械力（压力,借助螺杆和柱塞的挤压）作用下，使塑化均匀的塑料通过塑模（俗称机头）制成具有恒定截面连续的制品。

5.1概述(summarize)挤出过程：物料料筒内熔融塑化—机头口模挤出成型—冷却定型2.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3.挤出制品

塑料薄膜、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。几种典型制品的生产线(productionline)挤出片材生产线Sheet/filmextrusion

挤出线缆包覆成型生产线Overjacketingextrusion挤出吹塑薄膜生产线

Blowfilmextrusion4.挤出成型的主要特点

①

设备成本低，投资少收效快。②

生产效率高，挤出机单机产量较高。③

可连续化生产，可一机多用。④

产品质量均匀、密实，而且能生产较复杂的产品（异型材）。5.挤出成型的分类连续式：连续式可采用单螺杆挤出机和双螺杆挤出机

间歇式：间歇式采用柱塞式挤出机（压力大），用于PTFE等

5.2挤出设备ExtrusionMachinery

一台挤出设备通常由主机（挤出机Extruder）、机头和口模、辅机及其控制系统组成。通常这些组成部分统称为挤出机组(extrusionset)。是挤出成型过程中的关键设备，它的规格及工艺控制直接影响挤出过程的产量的质量。Extruder1、单螺杆挤出机的结构由挤出系统、传动系统和加热冷却系统三部分组成。5.2.1单螺杆挤出机(single-screwextruder)（1）传动（驱动）系统

DriveMotor

作用：

TurnstheScrewProvidespowerfortheprocess

为驱动螺杆转动，并保证螺杆转动所需的力矩和转速，由减速箱和电机、轴承组成。

要求：a.恒扭矩

b.稳定转速

c.无级调速及范围

DriveMotor

调速的方法：a.三相异步整流子电机。效率高、启动性好、稳定性好，最大功率125KW。体积大，成本高故障率高。b.直流电机。改变电电压时可得到恒扭矩调速，改变激磁电压得到恒功率调速。低速工作不稳定。c.机械无级变速器与异步电机配用。稳定性好，维修简单。最大功率＜20KW。d.液压马达。传动特性软，启动惯性小。制造精度高。e.变频调速。三相异步电机和变频器，节能。

目前常用变频和直流两种

1）加料装置（feed）加料斗hopper和上料器组成加料斗：

a.普通料斗

b.有搅拌器的加料斗

c.强制加料

d.带干燥装置自动上料：弹簧、鼓风、真空、群控。

（2）挤压系统ExtrusionSystem加料装置（feed）群控示意图

作用：输送物料，对物料进行加热、加压。

要求：耐温，坚韧，耐磨和耐腐。料筒常是钢制外壳和合金钢内衬共同组成的。料筒的外部装置

a.加热装置：采用电阻丝加热，也可电感应加热，蒸汽或油加热。

b.冷却装置：风冷或水或油冷，其作用是防止进料口处的物料过热发粘，出现搭桥现象，使物料供料不足。另外在紧急停车时，避免物料过热降解。2)料筒（螺筒）（barrel）3)螺杆(screw)Screwconnectedtodrivelinkage,Insidebarrel

①.螺杆的作用：

a.对物料进行输送和加压；

b.混合、塑化、加热；

c.定量挤出。ExtrusionScrews螺杆(screw)②

螺杆形状

a.渐变形螺杆：螺槽容积是逐渐变小。分为等距不等深螺杆和等深不等距螺杆。这种螺杆压缩段较长，螺槽深度逐渐变浅主要用于加工非晶型塑料，如PVC。

b.突变形螺杆：螺槽容积是突然变小。压缩段较短，螺槽深度变化较大。主要用于加工结晶型塑料，PP、PE、PA。

变距等深螺杆：主要用于橡胶加工

等距变深螺杆：主要用于塑料成型、橡胶成型

变深变距螺杆：加工困难，应用很少•

鱼雷头torpedo：高粘物料螺杆(screw)③螺杆参数③螺杆参数a.螺杆直径D

螺杆直径分螺杆外径D、内径Ds和平均直径Da，螺杆直径不仅是螺杆的主要参数，也是挤出机的规格参数。螺杆直径D与生产能力Q有关。

Q=βD2N

如何确定挤出机的规格（螺杆直径确定）？

一般根据加工制品的断面尺寸和所要求的生产率来决定。用大规格机器生产小型制品是很不经济的，而且会由于机头压力过高造成机器的损坏，但是用小直径螺杆挤出机生产大型制品也是很困难的。因此生产机器与制品应当匹配。

螺杆直径与加工制品的范围螺杆直径(mm) 硬管直径(mm) 吹膜直径(mm) 挤板宽度(mm)Φ30 3~30 50~300 Φ45 0~45 100~500Φ65 20~65 400~900 400~800Φ90 30~120 700~1200 700~1200Φ120

50~180 ~2000 1000~1400Φ150

80~300 ~3000 1200~2500Φ200 120~400 ~4000b.螺杆长径比（L/Dratio）

工作长度与螺杆直径之比，它也是挤出机规格参数之一。对于加工不同制品，L/D选择也不同。粉料造粒，L/D大些；废料造粒，L/D小些；吹模成型，L/D大些。一般长径比为15～25，发展趋势大的长径比。Length(L)Diameter(D)③螺杆参数增加L/D的作用：①

螺杆加压充分，制品的物理力学性能可提高。②

由于物料塑化好，制品的外观质量也好。在转速一定下，L/D↑，物料在螺杆中运动时间↑，物料塑化和混合效率↑③

挤出量可提高20-40%，且挤出量也较稳定。L/D↑，可以相应提高转速，生产能力↑④

有利于粉料成型。

但对于一些热敏性材料（如PVC）受热时间过长产生分解，而且L/D↑，功耗N↑，加工制造困难，螺杆寿命↓。③螺杆参数

一般螺杆分为三段，即:

加料段（供料段）压缩段（熔化段）均化段（计量段）c.螺杆的分段及各段的功能zonesExtrusionScrewsVaryingscrewsfordifferentresins/applicationsPolyethyleneScrewColdFeederStuffScrewFoodIndustryScrewFeedCompressionMeteringMaterialFlow螺杆的分段①加料段（固体输送段）Feedzone

：Alsocalledsolidsconveying.Thiszonefeedstheresinintotheextruder.靠近料斗附近作用：使塑料受热前移，将料斗供给的物料送往压缩段。

preheatpolymerandconveyittothesubsequent物料特征：固态结构：等距等深(0.10-0.15D)，screwdepthisconstant,长度据情况而定(L1=4-8D)。要求：ⅰ固体输送能力应稍高于或等于熔融段或均化段的工作能力。

ⅱ压实固体颗粒或粉料，排出气体减少固体间的缝隙，有利于传热。加料段长度的选择熔点高、导热性差、热焓大的聚合物加料段的长度取长一些，反之短一些。例如：HDPE、PP、PS。松密度g/cm3密度g/cm3物理压缩比熔点℃导热系数w./m.T达到“标准”的挤出温度所需热量kJ/kgPPHDPEPS0.510.540.590.900.961.051.771.781.781701351350.220.43-0.510.16690(250℃)690(220℃)505(220℃)物理压缩比＝密度/松密度螺杆的分段②压缩段（熔融段）Compressionzone(transitionzoneorMeltzone):螺杆中部一段（L2=3-15D）

作用：加热熔化；加压压实物料；排除空气。螺杆的分段物料状态：液相、固相共存结构：螺槽深度减小，存在压缩比。meltsharply:veryshortcompressionzonemeltgradually:

verylongcompressionzone要求：物料得到进一步压缩，排出气体和挥发物；完成有松散料转变成熔体的密度的变化。(HDPE松密度0.5g/cm3，190℃0.76g/cm3,20℃0.92g/cm3）螺杆的分段几何压缩比：e＝h1/h3

第一个螺槽容积/最后一个螺槽的容积，大小取决于物理压缩比、物料进料时聚集状态和制品的状态。一般几何压缩比(1.5～5)要大于物理压缩比(1.5～3)。原因：避免发生缺料和漏料。

几何压缩比获得方法：改变螺距；改变螺槽深度；同时改变螺槽深度与螺距；锥形螺杆。螺杆的分段螺杆的分段

常用塑料的压缩比如下：

UPVC（粒料）

2.5

UPVC（粉料）

3－4

软PVC（粒料）

3－4

软PVC（粉料）

3－5

PE

3－4

PP

2.5－4

PS

2－4

ABS

1.6－2.5

PA-6

3.5

PA-1010

3

PMMA3POM2.8-4

PC2.5-3PA-63.5

PA-663.7PA-112.6-4.7螺杆的分段

③均化段(计量段）Meteringzone：螺杆最后一段constantscrewdepthhomogenizethemeltsupplytothedieregionmaterialwhichisofhomogeneousqualityatconstantT&P

作用：使熔体塑化均匀；使料流定量、定压挤出。物料特征：液态

结构：等距等深(H3=0.02-0.06D)，长度据情况而定(L3=6-10D)。增大L3的长度，物料在均化段的停留时间长，物料的剪切作用增加，有利于对物料的分散和混合。但不利于低温挤出，热敏性树脂易分解。

均化段槽深h3也是一个重要参数，它对挤出机的塑化质量和混炼质量、机器的生产率、功率消耗和螺杆强度都有直接影响。对PE、PP能承受高剪切作用的，h3可选小些；而PVC、热稳定差，h3可选大些。这样，剪切发热减小，一般:h3=(0.025-0.06)D

当ε和h3确定后，加料段槽深h1为：螺杆的分段塑料加料段压缩段均化段无定形塑料10-25%50-65%20-25%结晶性塑料50-65％0-15%25-30%表4螺杆的三段长度表螺杆的分段螺杆参数d.螺杆上的螺旋角PitchAngleθ和螺棱宽度Flightwidthe

螺旋角：30°时适合于细粉状。加料段：15°方块料

17°球、柱状料计量段：30°产率最高。

θ＝17.6°对产率影响不大。螺棱的宽度：e0.08-0.12De大：占据螺槽容积，增加螺杆的功率局部过热

e小：削弱螺棱强度，增大漏流。螺棱的形状：矩形和锯齿形。

螺纹导程T、螺距s、螺纹头数i和螺旋角θ

导程：螺杆旋转一周，螺棱上任意一点沿轴向前进的距离为导程。

螺距：螺杆相邻两螺棱间的距离。

螺纹头数：螺杆头或尾螺棱的个数。

螺旋角：螺棱与螺杆横截面之间的夹角，它们之间的关系：e.螺杆的头部结构螺杆的头部结构也非常重要，半园头、锥头应用较广，螺杆前需装过虑板，常用于PE、PP、软质PVC等。尖头主要适用于硬质PVC，以防止物料因滞留而分解。鱼雷头主要用于挤出粘度大、导热不良及有明显熔点的树脂如PS、PA、PMMA以及聚烯烃造粒。螺杆参数螺杆的头部结构

带螺纹的锥体球体－流线型锥体扇形体球体锥体螺杆参数Torpedo4）机头(HeadZone)TheportionofthemachineattheendofthebarrelHolds/containsthedieHeadZone

机头和口模常连为一体,通称机头,包括过滤网、多孔板（筛板）、分流梭（有时与模芯结合为一个部件）、模芯、口模等。ⅰ.机头的结构机头的结构机头的结构滤网过滤机械杂质、未熔物料；增加料流阻力，提高混合、塑化效果。由若干片叠在一起的30-120目不锈钢网组成，用多孔板支承。多孔板（筛板、分流板）厚度为螺杆直径的1/3-1/5，上边钻有φ3-6mm的中间疏、两边密的同心圆孔，距螺杆头部0.1D,即约为计量段一个螺槽容积，太大易积料分解，太小料流不稳定。分流器spreader（鱼雷头），将圆柱形料流变为薄环状并便于进一步加热塑化。大型分流器内设加热器，支架用以支承分流器及芯棒，同时使料流分束以加强搅拌，小型分流器与芯棒做为一体。①

使物料由螺旋运动变为直线运动。流道应呈流线型，不能急剧扩大和缩小，避免死角和滞留，机头型腔达▽8以上，表面光滑。②

产生必要的成型压力，确保产品密实。消除因分流器支架造成的拼接缝。③

使物料通过机头进一步塑化。④成型制品。

因此，机头要有一定的压缩比。由于机头和制品断面形状有差异，机头应当有一定的成型长度。ⅱ.机头的作用DieThe“mold”fortheextrusionprocessDieInput(machine)sideOutputsidea.加热（heating）料筒熔融段和机头外部方式有电、液体和蒸汽加热。b.冷却（cooling）螺杆加料段逆向通冷却水以加大输送能力加料口下方用冷却水冷却，防止热量传向传动侧烧坏电机，并防止料斗中“架桥”料筒非工作侧用鼓风机带走过多的热量防止物料分解。（3)挤出机的加热冷却系统国内表示法：•SJ—30X25BSJ

—表示挤出机；30：表示螺杆直径；25：表示螺杆长径比；B：表示机器结构或参数改进后标志。•SJW—250X10

螺杆直径250mm长径比为10的塑料挤出喂料机。•SJZ—90X20

表示螺杆直径90mm长径比为20的塑料挤出造粒机。2、单螺杆挤出机的规格5.2.2单螺杆挤出过程挤出过程：预处理料加料——在螺杆中熔融塑化——口模挤出——定型——冷却——牵引——切割要使制品质量、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4．总结提高螺杆进料段固体输送速率的措施从工艺上：

1.提高螺杆的转速N 2.适当提高加料段物料的温度和降低螺杆的温度，有利于增加物料与料筒的摩檫率，减少物料与螺杆的摩檫率。从设备上: 3.增大螺杆的直径

4.增大螺槽的深度

5.选用最佳方向角

6.