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1、第五章 挤出成型,挤出成型的特点 挤出成型设备 单螺杆挤出原理 单螺杆设计的改进 双螺杆挤出原理 挤出所需的机械功和热量 几种制品的挤出工艺,概 述 挤出成型也称挤出模塑、挤出、挤压、挤塑。 它在热塑性塑料加工领域中，是一种变化众多、用 途广泛、所占比例很大的加工方法，由挤出制成的产品都是连续的型材，如管、板、丝、薄膜、电线电缆的涂覆和涂层制品等。 挤出成型虽然也可用于热固性塑料的成型，但仅限于少数几种塑料，且挤出制品的种类也有限。 挤出过程可分为两个阶段：第一个阶段是使固态塑料塑化(即变成粘性流体)并在加压情况下使其通过特殊形状的口模而成为截面与口模形状相仿的连续体； 第二阶段则是用适当的处
2、理方法使挤出的连续体失去塑性状态而变为固体，即得所需制品。,按照塑料塑化的方式不同，挤出工艺可分干法和湿法两种。 干法的塑化是靠加热将塑料变成熔体，而塑化和加压可在 同一个设备内进行。其定型处理仅为简单的冷却。 湿法的塑化则是用溶剂将塑料充分软化，因此塑化和加压 必须分为两个独立的过程，而且定型处理必须采用比较麻 烦的溶剂脱除，同时还得考虑溶剂的回收。 湿法挤出虽有塑化均匀和避免塑料过度受热方面的优点， 但基于上述缺点，它的适用范围仅限于硝酸纤维素和少数 醋酸纤维素填料的挤出。,挤出过程中，随着对塑料加压方式的不同，又可将挤出工艺分为连续和间歇两种。 连续工艺所用设备为螺杆挤出机，间隙工艺为拄
3、塞式挤出机。 螺杆挤出机分为单螺杆挤出机和多螺杆挤出机，但使用较多的是单螺杆挤出机。 用螺杆挤出机进行挤出时，装入料斗的塑料，借转动的螺杆进入加料筒中(湿法挤出不用加热)，由于料筒的外热以及 塑料本身和塑料与设备之间的剪切摩擦热，遂使塑料熔化而呈为流动状态。 与此同时，塑料还受螺杆的搅拌而均匀分散，并不断前进，最后塑料在口模处被螺杆挤到机外而形成连续体，经冷却凝固，即成产品。,柱塞式挤出机的主要部件是一个料筒和一个由液压操纵的柱塞。 操作时，先将一批已经塑化好的塑料放在料简内，而后借柱塞的压力将塑料挤出口模以外 料筒内塑料挤完后，即应退出柱塞以便进行下一次操作。 柱塞式挤出机的最大优点是能给予
4、塑料以较大的压力， 它明显的缺点则是操作的不连续性，而且物料还要预先塑化，因而应用也很少，只有在挤压聚四氟乙烯塑料和硬聚氯乙烯大型管材方面有应用。 由上所述，塑料的挤出，绝大多致都是热塑性塑料，而且又是采用连续操作和干法塑化的。此外，在设备方面，又以单燥杆挤出机应用广泛，所以本章即以此为重点,挤出设备,挤出设备一般是由挤出机、机头和口模、辅机等几部分组成。 螺杆挤出机 挤出机由挤出装置（螺杆和料筒）、传动机构和加热冷却系统等主要部分组成。 螺杆挤出机的种类颇多，主要有单螺杆挤出机和双螺杆挤出机以及多螺杆挤出机。 单螺杆挤出机的基本结构 单螺杆挤出机是由一根阿基米德螺杆、料筒和辅机等构成。 单螺
5、杆挤出机的大小一般用螺杆直径的大小来表示，其,基本结构主要包括：传动装置、加料装置、电气控制装置、料筒和螺杆等几个部分。,1 传动装置 传动装置就是带动螺杆转动的部分，通常是由电动机、减速机构和轴承等所组成。 挤出过程中，螺杆转动速率若有变化，即会引起塑料料流的压力波动。所以在正常操作条件下，不管螺杆的负荷是否发生变化，螺杆的转速都应维持不变，借以保持制品质量的稳定。 但在不同的场合下，又要求螺杆的转速能够变级，以便用同一台挤出机挤压不同的制品或不同的塑料。为满足上述要求，挤出机的传动装置最好采用无级调速。 获得无级调速的方法约有三种： (1) 整流子电动机或直流电动机，它既是驱动装置又是变速
6、装置；,(2) 常速电动机驱动的机械摩擦传动，如用皮带传动或齿轮 传动的无级变速装置； (3) 用电动机驱动油泵，将油送至液压马达，改变泵的排油 量从而改变挤出机螺杆转速。,衡量挤出机能量消耗指标常用挤出每1公斤塑料所需千瓦小时数表示。 例如，在200-220度加工聚乙烯时所耗能量约为022-024千瓦小时/公斤。 挤出机所需的功率如表51所示。,传动装置应设有良好的润滑系统和迅速制动的装置。,2 加料装置 供料的形式有粒状、粉状和带状等几种。 加料装置一般都采用加料斗。料斗的容量至少应容纳一小时的用料。加料斗内应有切断料流、标定料量和卸除余料等装置。 较好的料斗还设有定时、定量供料及内在干燥
7、或预热等装置。此外，也有采用在减压下加料的，即真空加料装置，这种装置特别适用于加工易于吸湿的塑料和粉状原料。 随着挤出设备和工艺的改进，以粉料供料的已愈来愈多。粉料和粒料可以依据本身的重量进入加料孔，但随着料层高度的改变，可能引起加料速度的变化，同时还可能产生“架桥”现象而使加料口缺料。在加料中设置搅拌器或螺旋输送强制加料器可克服此缺点。 加料孔的形状有矩形与圆形两种。一般多用矩形，其长边,平行于轴线，长度为螺杆宜径的1-1.5倍，在进料侧有7-15。的倾斜角。在加料孔周围应设有冷却夹套，借以排除高温料筒向料斗传热，否则，料斗中的塑料就会因升温而发粘，以致引起加料不均或料流受阻的情况。,3 料
8、 简 料筒是挤出机主要部件之一，塑料的塑化和加压过程都在其中进行。挤压时料筒内的压力可达55兆帕，工作温度一般为180-300，因此料筒可看作是受压和受热的容器。 制造料筒的材料必须具有较高的强度、坚韧耐磨和面腐蚀。通常料筒是由钢制外壳和合金钢内衬共同组成的。 它的外部设有分区加热和冷却的装置，而且各自附有热电偶和自动仪表等。 加热的方法一般有电阻加热和电感加热等，后一种加热,效果较好，冷却也方便，但成本较高。 挤出机虽然也可用油及蒸汽加热，并在一定温度范围内具有加热均匀的优点。但由于装置复杂，温度控制范围有限，且有增加制品污染的机会等缺点，现在很少采用。 料筒通常还没有冷却系统，其主要作用是
9、防止塑料过热，或者是在停车时使之快速冷却，以免树脂降解或分解。 料筒一般用空气或水来冷却，某些挤出机的料筒或加热器上所附置的冀片就是为增加风冷的效率而设的。 就冷却效率来说，用冷水通过嵌在料筒上的铜管来冷却是合算的。但用冷水冷却易造成急冷，发生结垢、生锈等不良现象。,4 螺 秆 螺杆是挤出机的关键性部件。通过它的转动，料简内的塑料才能发生移动，得到增压和部分的热量(摩掳热)。 螺杆的几何参数，诸如直径、长径比、各段长度比例以及螺槽深度等，对螺杆的工作特性均有重大的影响，因此，特将螺扦的基本参数和其作用简介如下。一般操杆的结构如图52所示。,(1) 螺杆的直径(D)和长径比(LD) 螺杆直径是螺
10、杆基本参数之一。使用时，它是根据成型制品的形状大小及需要的生产率来决定的。因此，挤出机大小的规格常用螺杆的外径来表示，另外，螺杆的其它参数如长度、螺槽深度和螺棱宽度等，其尺寸均与直径有关系，而且大多用它们与直径之比来表示。 表征螺杆特性的另一重要参数是螺杆的有效长度(L)与其直径之比，即长径比(LD)。 增大长径比可使塑料塑化更均匀，因而可提高螺杆转速以增大挤出量，所以目前世界各国的螺杆都有增大长径比的趋势，最大的竞有达到43的。 但是，增大长径比会结挤出机的制造与装配带来一些因难。目前，长径比一般以在25左右居多。,(2) 螺杆的分段及其作用 按塑料在螺杆上运转的情况可分为加料、熔化（压缩）
11、和均化（计量）三段，有时就称为三段式螺杆，这种螺杆就是通用螺杆，或标准螺杆（计量螺杆）。 螺杆在这三个区的作用是不同的，现按其先后的次序予以叙述。 加料段 加料段是自塑料入口向前延伸一段的距离，其长度约为48D。 在这段中，塑料依然是固体状态。 这段螺杆的主要作用是使塑料受热前移，向熔化段输送物料，因而螺槽容积可以维持不变，一般做成等距等深的。螺槽深度(H1)，一般为0.1-0.15D，螺距(S)为1一1.5D。,另外，为使塑料有最好的输送条件，要求减少物料与螺杆的摩擦而增大物料与料筒的切向摩擦， 为此可采取的方法有：在料筒与塑料接触的表面开设纵向沟槽；提高螺杆表面光洁度，并在螺杆中心通水冷却
12、。, 熔化段(压缩段) 螺杆中部的一段为熔化段。 塑料在这段中，除受热和前移外，即由粒状固体逐渐压实并软化为连续状的熔体，同时还将夹带的空气向加料段排出。 为了适应这一变化，通常使这一段螺槽逐渐缩小（渐变），这样既有利于制品的质量，也有利于塑料的升温和熔化。 螺槽缩小的程度是由塑料的压缩比决定的。压缩比可分为 物理压缩比和几何压缩比,所谓塑料物理压缩比是指制品的比重与进料的表现密度之比。 在螺杆设计上把压缩段开始处的一个螺槽容积和终止处的一个螺槽容积之比称为几何压缩比。 几何压缩比的值并不完全与物料的压实程度相吻合。螺杆的几何压缩比取决于所加工的塑料种类、进料时的聚集状态和挤出制品的形状。粉状
13、的压缩比应比粒料为大，在挤出薄壁型材时压缩比应比挤出厚壁制品为大。, 计量段(均化段) 螺杆的最后一段为计量段。 这段的作用是使熔体进一步塑化均匀，并使料流定量、定压、定温由机头流道均匀挤出。 所以这段称为计量段。这段螺槽的截面可以是恒等的，但比前两段都小，其深度(H3)为0.02-0.06D。,这段的长度与塑料种类有关。某些热敏性塑料(如聚氯乙烯)，就不宜在这段作过久的停留。,(3) 螺杆上的螺旋角和螺棱宽度(e) 螺旋角的大小与物料的形状有关。 物料的形状不同，对加料段的螺旋角要求也不一样。 理论和实验证明，30的螺旋角最适合于细粉状塑料； 15左右适合子方块料； 而17左右则适合于球、柱
14、状料。 在计量段，根据公式推导，螺旋角为30时产率最高。 不过，从螺杆的制造方面考虑，通常以螺距等于直径的最易加工，这时螺旋角为1741，而且对产率的影响不大，螺杆的螺旋方向一般为右旋。,螺棱的宽度一般为0.08-0.12D，但在螺槽的的底部则较宽，其根部应用圆弧过渡。,(4) 螺杆头部的形状 螺杆头部一股呈钝尖的锥形，以避免物料在螺杆头部停滞过久而引起分解。 螺杆也有作成能在轴向变位的，如此则在螺秆头部还可起到调整压力的作用。 螺杆头部也可以是鱼雷状的，称为鱼雷头或平准头。 平准头与料筒的间隙通常小于它前面螺槽深度，其表面也可开成沟槽或滚成特殊的花纹。这种螺杆对塑料的混合和受热都会产生良好的
15、效果，且有利于增大料流压力和消除脉动现象，常用来挤压粘度大、导热性不良或熔点较为明显的塑料。,双螺杆挤出机,单螺杆挤出机由于其螺杆和整个挤出机设计简单，制造容易，价格便宜。因而在塑料加工工业中得到广泛应用。 但是随着塑料工业的发展，在加工新型塑料(及其共混物)和硬聚氯乙烯粉料时，单螺杆挤出机显露出较大的局限性，这主要表现在以下几方面： 由于单螺杆挤出机的输送作用主要靠摩擦，故其加料性能受到限制，粉料、玻璃纤维、无机填填等较难加入； 由于单螺杆排气挤出机物料在排气区的表面更新作用较小，因而排气效果较差； 单螺杆挤出机不适于某些工艺过程如聚合物的着色。 因为这些过程要求物料在料筒中的停留时间既短又
16、要不变。 单螺杆挤出机中物料停留时间一般较长，而且各部分物料,停留时间也不相等又如热固性粉料、涂料的混合，对温度、压力等条件要求严格，单螺杆挤出机达不到这些要求。,为解决上述问题，出现了双螺杆挤出机。在双螺杆挤出机的机简中，并排安放两根螺杆，故称双螺杆挤出机。图5-3为双螺杆挤出机的示意图。,图5-3双螺杆挤出机示意图,双螺杆挤出机是指在一根两相连孔组成“ ”截面的料筒内 由两根相互啮合或相切（或非啮合）的螺杆所组成的挤出装 置。,由图5-3可知，它由机筒、螺杆、加热器、机头连接器 (包括筛板即多孔板)、传动装置(包括电动机、减速箱和止推 轴承)、加料装置(包括料斗、加料器和加料器传动装置)和机座等部件组成。各部件职能与单螺杆挤出机相似。,双螺杆挤出机按两根螺杆的相对位置，可以分为啮 合型与非啮合型，如团5-4所示。,啮合型又可按其啮合的程度分为部分啮合与全啮合型。,图5-4 螺杆啮合类型 a-非啮合型 b-部分啮合型 c-全啮合型（紧密啮合型）,全啮合双螺杆的中心距Ar十R，
