第五章、挤出工艺2008-11-17

第五章橡胶与塑料的挤出

1挤出是高弹态的橡胶和晶态或玻璃态的塑料在挤出机机筒及转动着的螺杆的相互作用下，受到输送、混合、挤压，在此过程中，物料在外加热及内摩擦剪切作用下逐步升温塑化或熔融称为粘流态流体，并在一定的压力和温度下连续均匀地通过机头口形成型出各类具有复杂断面形状的制品。2橡胶加工中它可用来成型轮胎胎面胶条、内胎胎筒、纯胶管、胶管内外层胶和电线电缆等半成品，也可用于胶料的过滤、造粒、生胶的塑炼及上下工序联动。塑料加工中，可以用各种薄膜、中空制品、板材、木材、管材及异型材的成型加工。3按物料的不同分为橡胶挤出机和塑料挤出机，按螺杆数量分单螺杆、双螺杆或多螺杆挤出机，单螺杆挤出机应用最广泛。主要设备挤出机4用螺杆外径表示，前面以“SJ”或“XJ”表示塑料挤出机和橡胶挤出机。SJ-90表示螺杆外径为90mm的塑料挤出机。

5-1挤出机一、规格：5二、结构：通常由机筒、螺杆、加料装置、机头、加热冷却装置、传动装置等部分组成。6物料经加料口进入机筒与螺杆之间，当螺杆转动时，在机筒和螺杆共同作用下，物料受到剪切塑化和挤压被机头口模而压出。为保证挤出成型在要求的工艺温度范围内进行，通过对机筒的加热或冷却来实现对物料的温度调节。受压和受热容器，压力可达55MPa，工作温度一般是180-250℃。

1、机筒：7

2、螺杆：加料段：输送物料压缩段（塑化段）：压实、塑化物料计量段（均化段、挤出段）：进一步均匀塑化物料，并定温定量地挤出熔融物料8性能参数决定挤出机生产能力的高低和制品形状大小直径（D）9有效工作长度L与直径D之比，增大长径比可使物料充分塑化，同时产生较大压力使制品更密实。难加工塑料，要求较高温度和压力，应选用长径比大的螺杆。过大，热敏性塑料因塑化过度引起分解；根据物料进行选取，目前多在25，最大可达43。长径比（L/D）10物料受压缩和熔化后会引起密度的变化，挤出制品密度与物料表观密度之比称为压缩比。要适应这一变化，螺杆的螺槽容积逐渐减小。如等距变深型螺杆，螺距不变，根径由加料段最小变至挤出段最大，容积变化，保证计量段供料充足，物料易于升温，并在逐渐压缩情况下向加料段排出空气，保证制品质量的均匀性及致密性。压缩比11对于无定形或高度增塑的塑料，加料段可很短（10%-25%L），甚至不要；熔点明显的结晶物料，如尼龙，加料段要长（30%-60%L），使物料熔化，压缩段可只等于螺杆直径，因为尼龙熔体粘度相对较低，即使迅速压缩，螺杆扭矩也不会过大；三段长度分配与物料性能有关12改性聚苯乙烯、聚烯烃之类逐渐软化的聚合物，压缩区较长（50%-60%L）；对热敏性塑料，如PVC，计量段应短些或不要，以免物料在此段停留时间过长而产生过热和降解。13与物料形状有关

30°：细粉状塑料，

15°：方块料，

17°：球、柱状料。螺纹升角14普通螺杆螺槽深度渐变型非晶聚合物，PVC等距突变型结晶性聚合物，PE新型螺杆分离型螺杆、销钉型螺杆、波状螺杆、组合型螺杆等。结构特点等距变深型螺杆应用最广根据螺距和三个功能段变化分为若干种15

3、机头和口模机头是口模与料筒间的过渡部分，口模是制品横截面的成型部件，用螺栓固定在机头上，若口模机头连为一整体可统称机头。16使物料由螺杆挤出时的旋转运动变为直线运动，产生必要的成型压力，保证制品密实，使物料进一步均匀塑化，成型为制品型坯。机头作用17（1）机头内物料流经的通道应做成光滑流线型的，以免物料在流道内停留而分解，同时减少阻力，使横截面流速相等。

流道不能突然扩大或缩小，更不能存有死角。设计原则18（2）机头成型部分长度必须考虑离模膨胀效应，保证必要的定型时间，挤出后有规定的断面形状。成型部分横截面积应小于机筒内孔的横截面积，并沿出口方向逐渐减少，形成一定压缩比，以保证物料压力足够，使制品均匀密实，无融接痕。（3）机头与口模应有足够的刚度，以免在工作压力下使流道变形。19结构同塑料挤出机，具体参数有差别。橡胶挤出过程温度在30℃-140℃之间，通常采用螺旋加套供加热冷却使用。橡胶挤出机加入的是经热炼后具有较高温度和可塑度的胶条室温态下较硬胶条或胶块，需要强化加热塑化功能，长径比和压缩比大热喂料挤出机冷喂料挤出机供料温度不同20挤出过程中，机筒中物料受到外界条件的影响而产生变化：

5-2挤出过程原理研究挤出过程原理，找出外界条件与生产能力及制品质量间的规律，以获得稳定的产量及优良的质量。螺杆几何结构参数、螺杆转动速度、加热或冷却控制温度变化、粘度变化、密度变化21挤出系统的三个重要功能是固体输送、塑化和挤出，分别由螺杆的三个区段完成。物料不同，加工过程中的物态变化不同，对非晶塑料在挤出过程中这三段职能区别较明显。22在加料段，物料呈固体状态，若要使物料顺利进入料筒，须具备一定的条件。（一）、胶料在加料段的运动1、物料顺利进入挤出机的条件①胶料与挤出机螺杆之间的摩擦系数要小，而与机筒间的摩擦系数要大。反之，则物料与螺杆一起转动而不能被推向前进，这时胶料在加料口翻转而不能顺利进入机筒。23②加料口的形状和位置要合适。加料口的形状应根据物料的形状来选择橡胶挤出机一般不设加料斗，加料口一般与螺杆成33°-45°的倾角塑料挤出机通常都有形状多样的加料斗，并且其加料孔的进料侧有7°-15°的倾斜角。24加料段，在旋转螺杆推挤下物料在螺槽和机筒之间作相对运动，并形成一定大小的物料团，这些物料团自加料口一个一个的形成，并沿着螺槽的空间一边旋转一边不断前进。若要获得最大的固体输送率，可分别从结构及工艺上采取相应的措施。

2、螺杆的输送能力25增加螺杆直径增加螺槽深度，但受到螺杆强度的限制提高螺杆光洁度，降低物料与螺杆的摩擦系数增加料筒内壁粗糙度，如在料筒内开设沟槽，增加物料与料筒的摩擦系数采用最佳螺旋角结构设计上26提高螺杆转速提高料筒温度降低螺杆温度工艺上27加料段输送过来的松散物料团被逐渐压实、软化，并向加料段排出空气。使物料团间隙缩小，密度增大，进而粘在一起，物料大部分充满料筒，受到螺杆强烈剪切和搅拌产生大量热，同时受料筒外加热作用，使物料逐渐塑化成连续的粘流体。塑化段物料既有固体又有液体，是固液并存的区域。起始段固体占主导，末端粘流体为主。（二）、塑化段运动状态28计量段物料基本上已全部熔融，变成了粘性流体，由于受到剪切、摩擦及静压力等力的综合作用，其运动状态非常复杂。（三）、计量段运动状态沿螺纹方向的正流、与其方向相反的逆流、沿螺纹垂直方向的横流沿间隙的漏流。可分解为四种流动2930横流或环流：螺纹垂直方向的分速度可认为是使物料在螺槽中作旋转流动的分速度，对物料起着搅拌混合作用，而对挤出量没有作用；顺流或正流：与螺纹平行方向的分速度可认为是推进物料向前流动的前进分速度。31逆流：螺槽底部物料流速最大，靠近机筒部位的流速最小；同时由于机头压力的作用，使螺槽中的物料还产生与正流方向相反的流动；漏流：在螺杆与机筒之间的间隙处还存在物料向加料口方向的流动。32几种流动的综合使物料以螺旋形轨迹在螺纹槽中向前移动。螺槽中物料各点的线速度大小和方向不同，各点的变形大小也不相同，所以物料在挤出机中能够受到剪切、挤压及混炼作用，并随螺槽深度增加而增加，随螺槽宽度增大而减小。33物料在离开螺槽后到达口型之前的一段流动。粘性物料离开螺槽进入机头时，流动状态急剧变化，由原来的旋转运动变成了直线运动，且由于机头内表面与物料的摩擦及流道的收敛作用，使得流道中间部分速度快，越接近机头内表面速度越慢，其速度分布曲线呈抛物线状。（四）、机头内的运动状态34机头内流速不均匀，必然导致剪切变形不均匀，会使挤出制品产生不规则的收缩变形。设计机头时，尽可能减少这种现象，常用的方法有以下几种：增加机头内表面光洁度，以减少摩擦阻力机头内流道流线型，无死角或停滞区，保证整个流动方向上阻力尽可能一致根据制品形状合理设计机头内腔形状在机头内开流胶孔提高流道局部阻力大部位的温度在阻力小部位设置阻流器或阻力调节装置35口型中的流动是机头中流动的继续，直接关系到挤出物的形状和质量。口型横截面积小，口型壁长度很小，因此口型中流速很大，压力梯度也很大，造成流速呈辐射状。（五）、口型中运动状态和挤出变形1、物料在口型中的流速分布直到物料离开口型以后才会消失。36熔体流过口型时同时经历着粘性流动和弹性恢复两个过程。物料在口型中停留时间很短，应力松弛不够充分。

2、挤出物的变形挤出物膨胀?37影响因素：口型形状、口型板厚度、机头和口型温度、挤出速度；生胶、配合剂种类、用量、物料可塑性以及温度。一般，可塑性小、含胶率大，物料、机头和口型温度低，挤出速度快，则挤出物的膨胀就大。挤出物的膨胀变形可以通过采取适当措施控制一定范围内，但不可能完全消除38分析物料在机筒内的流动状态，挤出机的生产能力应为顺流、逆流、横流、漏流四种流动的总和。其中横流起混合物料的作用，对挤出能力没有影响。（六）、挤出机的生产能力挤出机的生产能力Q为：

Q=QD－QP

－QL

其中，Q，QD，QP

，QL分别为挤出量、顺流流量、逆流流量和漏流流量，cm3/min。39把物料看成是牛顿流体，在等温和层流条件下，不考虑螺纹侧壁的影响，利用粘性流动方程可导出：QD＝αN，QP＝βΔP/η，QL

＝γΔP/η，

N—螺杆转速，r/s；ΔP—螺杆末端物料的压力降，Pa；Η—物料粘度，Pa·s；α、β、γ

随螺杆规格尺寸而变的系数，cm3；40Q＝αN－（β＋γ）ΔP/η当物料粘度η一定，挤出机规格一定（α、β、γ

为常数）时，挤出量Q与螺杆的转速成正比，与机头压力成反比。

41将Q－ΔP作图，则可得一直线，表达了螺杆的几何特性与挤出量的关系，称为螺杆特性曲线。

当机头全部敞开，即机头压力为零，挤出量最大；当机头全部关闭，即机头压力最大，挤出量为零。当转速N不同时，得到一组相互平行的直线。42从螺杆输送过来的物料总要经过机头口型才能挤出，当物料流过机头口型时，可按流体力学在层流时的流量公式计算出挤出量：口模特性曲线

Q＝kΔP/ηQ通过机头口型的流量，

ΔP机头压力降，

k常数，与口模的几何形状有关。粘度一定，口模尺寸一定，则通过口模的流量与机头压力降成正比。43由Q－ΔP作图，可得到一条直线，表达了机头口模的几何特性与挤出量的关系，称为口模特性曲线，若改变口模形状，则可得到一组口模特性曲线。44以上计算是以牛顿流体为基础的，但实际生产中，物料熔体的流动表现在假塑性流体的特征，其粘度随剪切速率的改变而变化，因此η不是常数，而是一个变量，用物料的表观粘度来代替，可得到实际挤出机的螺杆和口模特性曲线。45流出计量段的物料和流出口模的物料是相同的，因此联立螺杆特性曲线方程和口模特性曲线方程即可求出挤出机的生产能力，即挤出量Q。从挤出机的工作曲线图上可得到，两条曲线的交点即为挤出机的工作点。46

热喂料挤出工艺

冷喂料挤出工艺

5-3橡胶制品的挤出工艺47一、热喂料挤出工艺与压延过程热炼相似。热炼后，可从开炼机上割取胶条，直接通过运输皮带连续供入挤出机，也可以将胶条切成一定长度堆放在存放架上，按先后顺序人工喂料。无论那种供料方式，都应保持喂料的连续性和均匀性，以免造成供胶脱节或过剩。

1、胶料热炼48含胶率越高，挤出速度越慢，挤出物变形大、表面不光滑；在配方中加入增塑剂，可提高挤出速度，改善制品质量。

2、挤出工艺条件胶料的配合：49可塑性大，挤出过程生热小，不易焦烧，挤出速度快，表面光滑；可塑性过大，则半成品太软，缺乏挺性，容易变形。胶料的可塑性：50较高，则挤出顺利，挤出速度快，焦烧危险性小；过高，则会引起胶料焦烧、起泡等；过低，挤出速度慢，制品收缩率大、表面粗糙，能耗大。口型温度最高，机头次之，机筒温度最低。挤出温度：51由挤出机的性能、特性决定，当机台塑化性能较好，挤出胶料中含胶率较低，可塑性较高且挤出性能较好时，可采用较高的挤出速度；反之则应适当减慢挤出速度。挤出速度52防止半成品存放时产生自硫使胶料恢复一定的挺性，防止变形使半成品冷却收缩定型

3、挤出物冷却、裁断和截取

挤出物离开口型时，温度较高，必须冷却。53冷却方法：喷淋和水槽冷却，对厚度较大的半成品，不宜骤冷，以免半成品变形。冷却后的制品，有些（如胎面）需经定长、裁断、称量等步骤，然后停放。而胶管、胶条等半成品，在冷却后卷在绕盘上停放。54绝大多数胎面胶都采用挤出方法成型。优点是胎面胶质量高，更换胎面尺寸规格比较容易，劳动生产效率高。挤出的轮胎胎面胶可分为胎冠、胎冠基部层和胎侧三部分，普通结构轮胎将三部分制成一个整体，子午线轮胎分为胎冠和胎侧（包括胎冠基部层）两部分。分整体挤出和分层挤出两类。（1）、胎面的挤出4、挤出过程举例55整体挤出方法：用一种胶料，在一台挤出机上用扁平机头挤出成型，也可用圆形口型机头挤出，然后切割展开即可。可以用两种胶料，两台挤出机，使用复合机头压出。其中一种胶料为胎冠（包括基部层）胶，一种为胎侧胶，两种胶料在复合机头内压合为一整体胎面。56分层挤出方法：用两台挤出机、两种胶料，分别压出胎冠和胎侧（包括胎冠基部层），在输送带上热贴合，并经圆盘活络辊压实为一整体。目前生产上多采用这种方法，这种方法比较简单，且压出的复合胎面不同部位对应不同性能配方，从而提高了轮胎的质量57一般薄壁或质量要求较高的制品，如汽车内胎，要求去除胶料中的杂质，以免影响制品的气密性和抗撕裂性，因此必须用虑胶机对胶料进行过滤。在虑胶工艺中，胶料内不能加入硫磺、促进剂，以防温度过高时产生焦烧。（2）、虑胶工艺58虑胶机螺杆无压缩比，其机头为一带有过滤装置的圆锥形机头。过滤装置由两块带孔的钢制圆盘和四层左右的金属网组成。过滤前要热炼，以增加热塑性，使其易于通过滤网。要注意滤网清洁，勤换滤网。过滤后的胶料，可用开炼机压片降温，并按工艺要求加入硫磺和促进剂。59挤出机根据胎筒规格大小选择。机头由芯型和口型组成，内胎胎筒厚度决定于芯型与口型间隙的大小。芯型和口型可以更换，以挤出不同规格的内胎胎筒。挤出工艺与其它相似，但需喷入隔离剂以防止胎筒内壁粘着。胎筒挤出后，由输送带接取，冷却后经定长、切断、称量检查，然后停放。（3）、内胎的挤出工艺60挤出前不需热炼，直接在室温下喂料挤出二、冷喂料挤出工艺1、冷喂料挤出机类型热喂料挤出机冷喂料挤出机螺杆长径比3-88-17，螺纹深度较浅螺杆结构等距等深型、等距不等深型、等深不等距型、复合型、锥形多为分离型螺杆作用压实和输送喂料压实、输送、塑化机身长度短长能耗小大61节省热炼设备，使投资和生产费用降低由于不需要热炼工序，减少了质量影响因素，从而使挤出物更加均匀胶料的热历程短，不易产生焦烧现象应用范围广，灵活性大，易于实现机械化、自动化生产目前用小规格挤出机挤出的电线、电缆、胶管等产品已广泛采用冷喂料挤出机，其在其它方面的应用也正在日益扩大。

3、冷喂料挤出的优缺点：同热喂料挤出相比62挤出能成型几乎所有热塑性塑料和少数几种热固性塑料，加工量最大的是PVC、PE、PP，其次是PS、PMMA、ABS、PA、PC。挤出工艺用于管材、片材、异型材、薄膜、单丝和电缆等产品的成型加工，也常用于塑料的造粒、着色和共混改性。挤出工艺与其它成型组合后还可用于生产中空吹塑制品、双轴拉伸薄膜和涂覆制品等多种塑料产品。

5-4塑料制品的挤出工艺63塑料薄膜可以用压延、流延拉伸、吹塑及用狭缝机头直接挤出等方法生产。吹塑薄膜是将塑料挤成薄膜管，然后迅速用空气吹胀，冷却定型后即成，适用于PVC、PE、PP、PS、PA等。一、吹塑薄膜成型工艺

1、吹塑薄膜成型工艺优缺点64设备紧凑，单位产率所需的投资少同一台设备可在适当范围内调整薄膜的宽度和厚度，生产出不同规格的品种产品没有边缘影响，工艺简单，操作方便吹塑薄膜得到双轴拉伸，物理机械性能好，强度高优点65冷却速度一般较小，薄膜的透明度较差薄膜的厚薄偏差较大缺点66加工方法平挤上吹法平挤下吹法平挤平吹法机头直角型机头直角型机头直通型机头管坯牵引方式垂直向上引出垂直向下引出水平引出用途PVC、PE宽幅薄膜PP、PA等高结晶度薄膜膜管直径较小的PE、PVC薄膜67平挤上吹法压缩空气横向吹胀机头环行隙缝挤出筒坯物料经塑化均匀冷却风环空气冷却冷却定型后被人字板压叠成双折牵引辊压紧封闭引入卷取辊被牵引辊纵向拉伸68挤出机：通常都采用单螺杆挤出机，其大小随所制薄膜的宽度和厚度而定。

3、吹塑薄膜主要设备机头和口模：转向式直角型水平向直通型使薄膜厚度波动减小，应用较多，注意料流转向问题熔体粘度较大和热敏性的塑料691、工艺流程将粉状或粒状塑料在挤出机中加热熔化，通过机头的环行通道形成管状物，经冷却定型成为管材。常用原料有PVC、PE、PP、PA、ABS等。挤出成型的管材有硬管和软管之分，工艺流程大致相同。二、管材挤出成型工艺70物料塑化均匀后，经机头环隙口模挤出，离开口模的塑性管状物进入定型装置冷却，使表层首先凝固，再进入冷却水槽进一步冷却定型。已充分冷却定型的管状物有牵引装置匀速拉出，最后由切割装置按规定长度切断。71软管的挤出工艺流程稍有不同，一般不用定型装置，靠往挤出的管状物中通入压缩空气来维持截面形状，管状物经自然冷却或喷淋水冷却后用输送带或靠管的自重实现牵引，最后由收卷盘卷绕至一定量时切断。72挤出机：除生产硬质PVC管材用双螺杆挤出机外，其它树脂一般都采用单螺杆挤出机。机头：直通式直角式筛孔板式73直角式：机头轴线同螺杆轴线呈直角排列，不易产生融接痕，但制造困难，用于定径精度高的管材挤出，特别适用于内径定型的PE、PP及PA等。直通式：管材与口模方向一致，结构简单，但制品易产生融接痕，适用于熔体粘度较大和热敏性塑料。筛孔板式：结构紧凑体积小，流料稳定，适用于生产大口径聚烯烃管材，且挤出管材无融接痕及合料线。74冷却定型装置外径定型：采用内部加压或在外壁抽真空方法使外壁与定径套内壁紧密接触，所以又分内压法和真空法。内径定型：将定径套装在直角机头芯棒的前端，挤出管坯与定径套外壁紧密接触。冷却装置：冷却水槽或喷淋水箱