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1、第七章 挤出成型本章重点：n挤出成型的概念n挤出成型的用途n本章以论述塑料挤出为重点n重点以单螺杆挤出机的结构特点来讨论挤 出成型原理和工艺n挤出成型，挤出模塑，是塑料重要的成型方法之一， 是使高聚物熔体（或粘性流体）在挤出机的螺杆或柱塞 的挤压作用下通过一定形状的口模而连续成型，所得的 制品为具有恒定断面形状的连续型材。n它可用于挤出塑料制品，如管材、板材、棒材、片材 、薄膜。各种异型材以及塑料和其它材料的复合物等， 也常用于塑料的着色、混炼、塑化、造粒及塑料的共混 改性等。n橡胶挤出压出合成纤维螺杆挤出纺丝塑料挤出主要以热塑性塑料为主n挤出成型的特点操作简单，工艺易控，可连续化 、工业化、
2、自动化生产，生产效率高 应用范围广，广泛应用于塑料、 橡胶、合成纤维的成型加工，也常用于塑料的 着色、混炼、塑化、造粒及塑料的共混改性等 。挤出吹塑成型，中空吹塑制品挤出拉幅成型，双轴拉伸薄膜 产品形状多样设备简单，投资少，占地面积小n挤出成型的设备柱塞式挤出机 借助柱塞的推挤压力，将事先塑化好的或 由挤出机料筒加热塑化的物料从机头口模挤出 成型的。物料被挤完后柱塞退回，再进行下一 次操作，挤出机对物料没有搅拌混合作用挤出机能够产生较大的压力，一般来说，其 操作是间歇进行，物料的塑化程度和均匀性不 如螺杆式挤出机，因此应用范围受限制。它适 用于聚四氟乙烯，超高相对分子质量聚乙烯等 塑料的挤出。
3、螺杆式挤出机借助螺杆旋转时螺纹所产生的推动力将物料推向口模。这种挤出机中通过螺杆强烈的剪切作用，促进物料的塑化和均匀分散，同时使挤出过程连续进行，因此可以提高挤出制品的质量和产量，它适用于绝大多数热塑性塑料的挤出。第一节 单螺杆挤出机基本结构及作用 1 传动系统 2 挤出系统挤出成型系统的关键部分n加料装置n料筒n螺杆n机头n口模 3 加热系统：采用电阻丝加热，也可电感应加热，蒸汽或油加 热。 4 冷却系统：空冷或水冷，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。单螺杆挤出机基本结构一. 加料装置及作用n有些加料斗还配备真空装置或加
4、热装置，以 便防止物料从空气中吸收水分。有些料斗有振 动搅拌器，并能自动上料与加料。n料斗底部有冷却夹套，防止“架桥”。n主要是指料斗，大多数设备用的加料斗是圆 锥形的，其容量至少要求能容纳1h的用料。底 部有截断装置，以便调整和切断料流。侧面有 玻璃视镜和标定计量的装置。二. 料筒n作用：输送、塑化、压缩1.工作温度 1802902.压力 55MPa3.设有分段的加热和冷却装置4.长径比 L/D= 15245.制造材料：耐磨、耐腐蚀、高强度的合金钢碳钢内衬合金钢三. 螺杆n作用：输送、挤压、剪切 1.用耐热、耐腐蚀、高强度的合金钢制作 2.表面高硬度、高光洁度 3.转速10120 rpm、无
5、级变速 4.几何参数 （1）螺杆直径DS 外径 30200mm之间 常 见 60150mm(2) 螺杆的长径比 一般 1525 以25居多 最大可达40长径比 一般 1525 以25居多 最大可达40小：对塑料的混合和塑化不利大：改善塑料的温度分布，混 合均匀，减少挤出时的漏流和逆流，提高 挤出机的生产能力；适应性强，可用于多种塑料的挤出过大：热敏性塑料因受热时间 太长而容易分解，螺杆的自重增加，制造 和安装都困难，挤出机的功率消耗增大（3）螺杆的压缩比A n定义：加料段第一个螺槽容积：均化段最后一个螺槽容积， 表示物料通过螺杆的全过程被压缩的程度n一般 25n获得方法：采用等距变深、等深变距
6、、变深变距螺槽 （4）螺槽深度H 决定塑料的塑化及挤出效率n小：剪切速率高，利于传热和塑化，但挤出生产效率低n热敏性塑料深槽螺杆n热稳定性较高、熔体粘度低浅槽螺杆nH10.1 DS H3=0.020.06 DS（5）螺旋角 1030n定义：螺纹与螺杆横截面之间的夹角 n 大，挤出机的生产能力提高，但螺杆对塑料 的剪切挤压作用减小n1030n实验证明：n 30适合细粉状物料；均化段的挤出产率 最高n 15适合方块状物料n 17适合圆柱状物料n 常用螺杆的17.7（6）螺杆棱部宽E nE大：增加螺棱上动力消耗，有局部过 热的危险nE小：漏流增加，产量降低nE0.080.12 DS （7 ）螺杆与料
7、筒的间隙 n大，生产效率低，剪切作用小，不利于热传 导，不利于物料的熔融和混合n小，剪切作用大，容易引起物料热力学降解n小直径螺杆0.005 DSn大直径螺杆0.002 DSn0.10.65mm3.螺杆的作用：n输送物料n传热塑化物料n混合均化物料3.1加料段L1 n加热送来的物料并输送到压缩段nL1 6065% L0 3.2压缩段L2 n挤出和剪切加料段送来的物料，加热物料使其转变为熔融体 ，赶走塑料中的空气及其它挥发成分，增大塑料的密度。n无定形塑料 L25565 L0n熔融温度范围宽的塑料PVC L2 =100L0 渐变螺杆n结晶型塑料，熔融温度范围窄, L2 =35DS 突变螺杆3.3
8、 均化段 计量段n 将塑化均匀的物料在均化段螺槽和机头回压 作用下进一步搅拌塑化均匀，并定量定压的通 过机头口模挤出成型。一般无压缩作用。 4.螺杆形式：n普通螺杆：采用等距变深、等深变距、变深 变距螺槽n高效专用螺杆L/ DS 大、熔融效率低、塑化混合均匀4 机头和口模 P224图7-8n 使粘流态物料从螺旋运动变为平行直线运动 ，并稳定地导入口模而成型n产生回压，使物料进一步均化，提高制品质 量n产生必要的成型压力，获得结构密实和形状 准确的制品n粗滤器、过滤网作用：使物料流由旋转运动变为直线运动 ，阻止杂质和未塑化物料通过并增加料流背 压，使制品更加密实。其中粗滤器还起支撑 过滤网的作用
9、，但在挤出硬聚氯乙烯等粘度 大而稳定性差时，一般不用过滤网。4 其它辅助设备n挤出机辅助设备大致可分为以下三类：1、挤压前物料处理的设备( 如预热、干燥等)一般用于吸湿性塑料 。干燥设备有烘箱或沸腾干燥器等。有 的干燥设备直接设置在加料斗上。2、挤出物的处理设备如用 作冷却、牵引、卷取、切断和检验设备 。3、控制生产条件的设备指 各种控制仪表，如温度控制器、电动机 启动装置、电流表、螺杆转数表和测定 机头压力的装置等。以上三类设备不仅随制品的种类。对制品质 量的要求及自动化程度不同而异，而且每一 类设备又有许多的形式。产生回压，使物料 进一步均化，提高制品质量第二节 挤出成型原理 一. 挤出过
10、程和螺杆各段的职能：二、挤出理论根据塑料在挤出机中的物理状态变化和流动 行为，建立n固体输送理论n熔化理论n熔体输送理论1.固体输送理论该理论是以固体对固体的摩擦 静力平衡为基础建立起来的。为研究方便，假 定：物料与螺槽和料筒内壁紧密接触， 形成具有弹性的固体塞，并以恒定的速度移动；固体塞与料筒表面、螺槽底面和侧 面的摩擦因数是一个常数，可取不同值；忽略料筒与螺棱之间的间隙，螺槽 是矩形的并且深度不变，固体塞的密度不变。 根据以上假定，作出螺槽中固体输送的理想模 型为研究挤出机加料段物料的输送。n加料段的主要作用是固体输送 n塑料：未熔化、疏松的固体，表面发粘结 块，形变不大n物料沿螺槽的向前
11、运动旋转运动物料与螺杆的 摩擦作用力轴向水平运动-螺杆旋转时 的轴向分力 它们共同作用的结果，使 物料沿螺槽向机头方向前进 n当物料与螺杆表面的摩擦力大、与料筒表 面的切向摩擦力小固体塞以旋转运动为主n当物料与螺杆表面的摩擦力小、与料筒表 面的切向摩擦力大固体塞以轴向水平运动为主n固体塞运动受到螺杆与料简表面之间摩擦 力的控制n为了提高固体输送效率，可以采取以下措 施在螺杆直径不变时，增大 螺槽深度；减小物料与螺杆的静摩擦 因数；增大塑料与料筒的静摩擦 因数；选择合适的螺旋角2.熔化理论n它是研究塑料在挤出机螺杆的熔融段内固态 转变为熔融状态的过程，并建立在热力学、流 变学基础上的一种理论。它
12、对于了解塑化的情 况，指导螺杆熔融段的设计，控制工艺条件以 保证制品的质量是很重要的。然而，由于塑料 在熔融段的多相性，其变化过程复杂，该理论 尚处于发展阶段，在这里作简单的介绍。熔化过程 n由于外传热和摩擦热的共同作用，与料筒内 表面接触的物料首先熔化，形成熔膜。n当熔膜厚度超过螺杆与料筒间隙时，熔膜被 螺棱的推进面刮到螺槽中，并逐渐汇集成旋转 的流动区，形成熔池。n在熔池的前方是一些受热软化和半熔融的物 料，而处于最前面的是完全没熔融的物料，这 些半熔融和未熔融的物料称为固体床。n固相与液相的界面称为迁移面，熔化在此进 行。热源：料筒壁传导和摩擦。熔融区物料剖面n 熔化过程压缩 相互粘结固
13、体粒子- 紧 密堆砌的固料筒热摩擦热 体床 - 熔化同时，固体床又以一定的速 度沿轴向移向分界面，加以补充形成新 的熔膜，以保证状态稳定。 n相迁移面熔化区内固体相和熔体相的界面称为相迁移 面。熔化发生在相迁移面上。n熔化长度 从熔化开始到固体床的宽 度降到零为止的螺槽总长。 熔化速度越高，熔化长度 越短。 n模型假设：挤出过程是稳定的，即在挤出过 程中螺槽内的熔化物料与固体床的分界面位置 是固定不变的。固体床是均匀的连续体，而且在 螺槽的横截面上为矩形。物料的熔融温度范围较窄，因此 固液相之间的分界面比较明显。螺杆固定，料筒旋转，当熔膜厚 度超过螺杆与料筒的间隙时，熔膜被料筒表面 拖拽，汇集
14、于熔池，同时固体床以恒定的速度 移向分界面，以保持稳定的状态。固体粒子的熔化是在分界面上进 行的。n物料的温度分布和速度分布n料筒表面 物料的速度最大n固体床物料的速度是相同的n螺杆表面物料的速度为零3、熔体输送理论n均化段物料处于恒定密度的粘流状态n均化段螺槽展开图： P229图7-17n螺杆旋转时，由于推挤作用，塑料沿Z方向 移动，但由于机头回压，塑料又有反压流动 ，使均化段料流复杂，一般认为，物料在均 化段有四种流动，即正流、逆流、横流、漏 流，物料在均化段螺槽中的流动是这四种流 动的总和。（1）正流Qv,D 塑料熔体在料筒和螺杆之间沿着螺槽方向朝 机头方向的流动。它是由旋转螺杆的挤压所
15、 造成的，其体积流量用Qv,D表示。（2）逆流Qv,p其流动方向与正流相反，它是由机头、多孔 板、过滤板等阻力引起的压力梯度所造成， 又称为压力倒流，其体积流率以Qv,p表示。（3）横流Qv,T 它是熔体沿着垂直于螺纹壁的流动，它使物 料在螺槽内产生翻转运动，而形成环流。它 对挤出量的影响可忽略，但对挤出过程中熔 体的混合和热交换作用却很大。 （4）漏流Qv,L 由于压力梯度在螺杆与料筒间隙处所形成的 倒流，其方向是沿着螺杆的轴向,其体积流率 Qv,L表示。n根据流动分析，影响挤出机生产能力的是 正流、逆流、漏流，横流对挤出量没有影响n挤出机的生产能力表示为nQv=Qv,D -Qv,p - Qv,L三、单螺杆挤出机的生产率n实测法在挤出机上测出制品从机头口模中挤出 的线速度，由此来确定产量，准确实观不通 用。Q60*V*G*an按经验公式计算对挤出机生产能力进行多次实际调查、 实测，并分析总结而得，不全面。Q*D3 *nn固体输送理论 把挤出机内的物料看成是一个固体塞子，把物 料的运动看成象螺母在螺杆上移动。n按粘性流体流动理论计算把挤出机内的物料当作粘性 流体，把物料的运动看作是粘性流体流 动，来计算生产能力。物料在螺杆中的速度分布； 螺杆的几何尺寸；熔体在管道中的流动 方程式计算：三种流动的流率： 如果考虑塑料的非牛顿型性
