高分子成型加工原理第五章挤出成型教程

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1、第五章 挤出成型 5.1 概述 一、挤出成型 也称挤压模塑或挤塑，即借助螺杆或柱塞的 挤压作用，使受热熔化的塑料在压力推动下，强 行通过口模而成为具有恒定截面的连续型材的一 种成型方法。 挤出法几乎能成型所有热塑性塑料和某些热 固性塑料。 5.1 概述 生产的制品：管材、板材、薄膜、线缆包 覆物及塑料与其它材料的复合材料等。 5.1 概述 挤出制品占热塑性塑料制品的4050， 此外还可以用于塑化造粒、着色和共混等。 二、挤出成型分类 1.按塑化方式分： （1）干法：靠加热 （2）湿法：仅用于硝酸纤维素和少数醋酸纤维 素等。 用溶剂将塑料充分软化。 5.1 概述 2.按加压方式分： （1）连续式

2、： 螺杆式挤出机 单螺杆 双螺杆 借助螺杆旋转产生压力和剪切力，使物料充分 塑化和混合均匀，通过型腔（口模）而成型。 5.1 概述 （2）间歇式： 柱塞式挤出机 借助柱塞压力，将事先塑化好的物料挤出口模 而成型。 5.2 挤出设备 挤出设备一般是由挤出机、机头和口模、 辅机等几部分组成的。 5.2.1 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。 一、单螺杆挤出机 单螺杆挤出机是由一根阿基米德螺杆在加 热的料筒中旋转构成的。大小一般用螺杆直径 来表示。 5.2.1 螺杆挤出机 5.2.1 螺杆挤出机 1.传动装置 带动螺杆转动的部分。通常由电动机、 减速

3、箱和轴承等组成。 在挤出过程中，要求螺杆转速稳定，不 随螺杆负荷的变化而变化，以保证制品质量 均匀一致。 但在不同的场合下，又要求螺杆能变速 ，以达到一台设备能适应挤出不同塑料或不 同制品的要求。 传动部分采用整流子电动机、直流电动机 等装置达到无级变速。 螺杆转速为：10100转/分钟。 设有良好的润滑系统和迅速制动的装置。 5.2.1 螺杆挤出机 2.加料装置 供料一般采用粒料、粉料和带状料等几种。 装料设备通常使用锥形加料斗，其容积至少 能容纳1小时的用料。 5.2.1 螺杆挤出机 料斗底部有截断装置，以便调整和切断料流。 侧面有视孔和标定计量的装置。 有些料斗带有减压或加热装置、搅拌器

4、、自 动上料或加料装置。 5.2.1 螺杆挤出机 5.2.1 螺杆挤出机 3.料筒 挤出机的主要部件之一。 为一金属圆筒，一般用耐温耐压、强度较高、 坚固耐磨、耐腐的合金钢或内衬合金钢的复合 钢筒制成。 塑料的塑化和加压过程都在其中进行。外 部设有分区加热和冷却装置。 加热：电阻、电感或其它方式。 冷却：风冷或水冷。 5.2.1 螺杆挤出机 5.2.1 螺杆挤出机 4.螺杆 挤出机的关键部件，直接关系到挤出机的 应用范围和生产率。 通过螺杆的转动，对塑料产生挤压作用， 塑料在料筒中才能产生移动、增压和从摩擦取 得部分热量，塑料在移动过程中得到混合和塑 化，粘流态的熔体在被压实而流经口模时，取

5、得所需形状而成型。 5.2.1 螺杆挤出机 由于塑料品种很多、性质各异，因此为适 应加工不同塑料的需要，螺杆的种类很多，结 构上也有差异，以便能对塑料产生较大的输送 、挤压、混合和塑化作用。 表示螺杆结构特征的基本参数有直径、长 径比、压缩比、螺距、螺槽深度、螺旋角、螺 杆与料筒的间隙等。 5.2.1 螺杆挤出机 （1）螺杆的直径（D）长径比（ L/D ） 5.2.1 螺杆挤出机 螺杆直径（D） 根据所制制品的形状、大小及需要的生产 率来决定的。 一般45150mm，螺杆直径增大，加工能 力提高，挤出机的生产率与螺杆直径D的平方 成正比。 5.2.1 螺杆挤出机 长径比（L/D） 螺杆工作部分

6、有效长度与直径之比。 通常为1825。 L/D大，能改善物料温度分布，有利于塑料 的混合和塑化，并能减少漏流和逆流，提高挤 出机的生产能力。 L/D大，螺杆适应能力强，能用于多种塑料 的挤出。 5.2.1 螺杆挤出机 但L/D过大，使塑料受热时间增长而降解； 螺杆自重增加，自由端挠曲下垂， 引起料筒与螺杆间擦伤，使制造 加工困难，增大功率消耗。 过短的螺杆，容易引起混炼的塑化不良。 （2）螺旋角（） 螺纹与螺杆横断面的夹角。 5.2.1 螺杆挤出机 随增大，挤出机的生产能力提高，但剪切作用 和挤压力减小 通常在1030之间。 等距螺杆：螺距等于直径， 17 41 5.2.1 螺杆挤出机 （3）

7、压缩比 螺杆加料段最初一个螺槽容积与均化段最 后一个螺槽容积之比。 表示塑料通过螺杆全长范围时被压缩的倍 数。压缩比愈大，塑料受到的挤压作用愈大 螺槽浅时，能对塑料产生较高的剪切速率 ，有利于料筒壁和物料间的传热，物料混合和 塑化的效率高，但生产率降低。 螺槽深时，情况相反。 5.2.1 螺杆挤出机 因此，热敏性塑料，宜用深螺槽螺杆（如 PVC）； 熔体粘度高，热稳定性较高的塑料，宜用 浅螺槽螺杆（如PA）。 （4）螺杆的结构形式 5.2.1 螺杆挤出机 渐变型：等距不等深 5.2.1 螺杆挤出机 渐变型：等深不等距 5.2.1 螺杆挤出机 突变型 5.2.1 螺杆挤出机 鱼雷头螺杆 5.2.

8、1 螺杆挤出机 （5）螺杆各段的功能 物料沿螺杆前移时，经历着温度、压力、 粘度等的变化，这种变化在螺杆全长范围内是 不同的，根据物料的变化特征，将螺杆分为以 下三段： 加（送）料段 将料斗供给的料送往压缩段。 塑料在移动过程中，一般保持固体状态， 由于受热而部分熔化。 5.2.1 螺杆挤出机 挤出结晶聚合物最长，硬性无定形聚合物 次之，软性无定形聚合物最短。 螺槽容积可以保持不变。 压缩段（迁移段、过渡段） 压实物料，使物料由固体转为熔融体，并 排除物料中的空气。 为适应将物料压实，将气体推回加料段和 物料熔化时体积减小等特点，本段应对塑料产 生较大的剪切作用和压缩，通常使螺槽容积逐 渐缩减

9、，缩减的程度由塑料的压缩率决定。 5.2.1 螺杆挤出机 均化段（计量段） 将熔融的物料，定容（定量）定压地送入 机头使其在口模中成型。 螺槽容积恒定不变。 为避免物料因滞留在螺杆头端面死角处引 起分解，螺杆头部常设计成锥形或半圆形。 有些螺杆的均化段是一表面完全平滑的杆体， 称为“鱼雷头”，但也有刻上凹槽或铣刻成花 纹的。 5.2.1 螺杆挤出机 5.2.1 螺杆挤出机 鱼雷头具有搅拌和节制物料、消除流动脉 冲现象的作用，并能增大物料的压力，降低料 层厚度，改善加热状况，且能进一步提高螺杆 塑化效率。 5.2.1 螺杆挤出机 5.机头和口模 机头的作用是将处于旋转运动的塑料熔体 转变为平行直

10、线运动，使塑料进一步塑化均匀 ，并将熔体均匀而平稳地导入口模，赋予必要 的成型压力，使塑料易于成型和取得制品密实 度。 口模为具有一定截面形状的通道，塑料熔 体在口模中流动时取得所需形状，并被口模外 的定型装置和冷却系统冷却硬化而成型。 5.2.1 螺杆挤出机 机头与口模的组成部件包括过滤网、多孔 板、分流器、模芯、口模和机颈等部件。 （1）圆孔口模 挤出塑料圆棒、单丝和造粒。 具有圆形出口的横截面。 典型的一维流动，同心圆上的轴向流速是相同 。 （2）扁平口模 挤出法生产平膜和片材。 5.2.1 螺杆挤出机 出口具有狭缝形的横截面。 具有分配腔 直管式口模：聚烯烃、聚酯 鱼尾形口模：无死角，

11、熔体粘度 高，热稳定性差 衣架式口模：停留时间一致，硬 PVC 5.2.1 螺杆挤出机 （3）环形口模 挤出管子、管状薄膜、吹塑用型坯、涂布 电线。 出口具有环形截面。 由口模套和芯模组成，有 支架式 直角式 螺旋芯模式 储料缸式 5.2.1 螺杆挤出机 （4）异形口模 异型制品（型材）：从任一口模（异形口模） 挤出而得到具有不规则截面的半成品。 有中空和开放式两大类。 5.2.1 螺杆挤出机 二、双螺杆挤出机 指在一根两相连孔道组成截面的料筒内由两 根相互啮合或相切的螺杆组成的挤出装置。 5.2.1 螺杆挤出机 双螺杆结构设计的差别： （1）啮合还是非啮合； （2）对啮合螺杆：同向转动还是反

12、向转动； （3）螺杆是圆柱形还是锥形； （4）压缩比的实现是靠：螺纹高度或导程； 根径由小变大或外 径由大变小； 螺纹头数变化。 （5）螺杆是整体的还是组合的。 5.2.1 螺杆挤出机 螺杆类型： （1）Colombo螺杆： 螺杆分为三段，每一段有一混合室。 加料段的外径和螺距最大； 压缩段次之； 均化段为最小。 同一段中，螺杆是等径等距的。 5.2.1 螺杆挤出机 （2）锥形双螺杆 向外反向转动。 从加料段到计量段，螺杆的外径和根径均匀 地由小到大变化。 螺杆各部分的长度、螺纹头数、螺槽数、螺 棱宽度、螺棱形状等均有变化。 5.2.1 螺杆挤出机 （3）组合型双螺杆 由不同数目的具有不同功能

13、的螺杆元件按一定 要求和顺序装到带导键或三角形芯轴上组合而 成的。 可以连续输送、塑化、均化、加压、排气。 5.2.1 螺杆挤出机 （4）非啮合型双螺杆 类似两根平行单螺杆在料筒中转动，但两根 螺杆反向转动并相切。 分为单阶和双阶两种形式。 5.2.1 螺杆挤出机 5.2.1 螺杆挤出机 三、挤出机的辅助设备 1.原料输送、干燥等预处理设备； 2.定型和冷却设备，如定型装置、水冷却装 置、空气冷却装置； 3.用于连续地、平稳地将制品接出的可调速牵 引装置； 4.成品切断和辊卷装置； 5.控制设备等。 5.2.1 螺杆挤出机 四、挤出机的一般操作方法 1.开车前准备的工作； 2.机器运行开始的工

14、作； 3.停车时的工作； 4.清理设备。 注意：电、热、机械转动、笨重部件装卸等。 挤出过程中，塑料本身的自重从料斗进入螺槽 ， 当粒料与螺纹斜棱接触后，塑料产生一与斜棱面相垂 直的推力，将塑料往前推移。在移动过程中，粒料、 料筒、螺杆之间都有碰撞摩擦，同时，挤出机的背压 的影响，塑料不可能呈现象自由质点在螺旋上的那种 运动状态。受热而粘在一起的固体粒子与未塑化的冷 的粒子是一个个连续的整齐排列，塞满螺槽，形成所 谓的“弹性固体” 5.3 单螺杆挤出原理 5.3 单螺杆挤出原理 5.3.1 固体输送 以固体对固体的摩擦力静平衡为基础。 假设： （1）物料与螺槽和料筒内壁所有边紧密接触，形 成固

15、体塞或固体床，并以恒定的速率移动； （2）略去螺棱与料筒的间隙，物料重力和密度变 化等的影响； 5.3.1 固体输送 （3）螺槽深度是恒定的，压力只是螺槽长度 的函数，摩擦系数与压力无关； （4）螺槽中固体物料像弹性固体塞一样移 动，受周围的螺杆和料筒表面之间的摩 擦力控制，只有物料与螺杆之间的摩擦 力小于物料与料筒之间的摩擦力时物料 才能沿轴向前进，否则物料将与螺杆一 起转动。 5.3.1 固体输送 P：螺槽中体系的压力； Ab、As：固体塞与料筒和螺杆间的压力； fb、fs：摩擦系数； Fb、Fs：摩擦力。 5.3.1 固体输送 因此，可以把固体塞在螺槽中的运动看成在矩形通道中的运 动。如

16、图6-7所示，当螺杆转动时，斜棱对固体塞产生推力 P, 5.3.1 固体输送 由图6-7中可以看出，螺杆对固体塞的摩擦力为Fs,料 筒对固体塞的摩擦力为Fb，在Z轴方向的分力为Fbz，而 Fbz=AbfbPcos，在稳态流动下，推力和阻力相等， Fs=Fbz，即AbfbPcos=PAsfs，显然，当Fs=Fbz=0时，物 料与料筒和螺杆间的摩擦力为零，物料在料筒中不能发生 任何移动；当FsFbz时，物料被夹带于螺杆中随螺杆转动 也不能移动，只有当FsFbz时，物料在料筒与螺杆间产生 相对运动。并被迫沿螺槽移向前方。 因此，只要能正确控制塑料与螺杆及塑料与料筒之 间的摩擦系数，即可提高固体输送段的送料能力。 5.3.1 固体输送 挤出机加料段的送料量用Q表示，其值应为螺杆一个 螺槽的容积V与送料速度 的乘积，即 5.3.1 固体输送 由6-8螺杆的展开图可以看出，螺杆转动一个周期，物 料在螺纹斜棱推力作用下沿垂直斜棱的方向从A移向B ，AB在螺杆轴上的投影距离为l，物料在轴向的移动速 度为Va，螺杆的转数为N，则Va=lN，由