高分子材料加工

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1、6.1 挤出成型概述 6.2 挤出理论 6.3 几种制品的挤出工艺,第六章 挤出成型加工原理,基本内容,了解挤出成型的特点，以及挤出成型设备的基本构造及工作原理 掌握固体输送理论的推导过程和影响固体输送流率的因素 分析影响熔体熔融塑化和熔体输送流率的因素 了解和掌握塑料管材、挤出吹塑薄膜、挤出棒材和挤出异型材的主要工艺特点和工艺控制因素 了解和掌握塑料材料的注射成型以及模压成型的主要原理和工艺控制因素,本章要求,一次成型法:热塑性聚合物制品的绝大部分是通过熔体加工的方法成型的。即通过加热使塑料处于粘流态,经过流动、成型和冷却，或硬化或交联固化，从而得到各种形状制品的方法。 包括；挤出成型；注射

2、成型；模压成型；压延成型；熔融纺丝等。 二次成型法：将一次成型法所得的片材、管材和板材等塑料制品加热，使其处于高弹区（TgTf)，通过外力作用，使其发生形变，再经冷却定型而得到制品的方法。 包括：薄膜的二次吹胀；片材的再成型；管材的扩管。,6.1 概述(Extrusion of Plastic),6.1.1 基本概念 1基本定义挤压成型是借助螺杆或柱塞的挤压作用，使受热熔化的聚合物材料在压力推动下，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,2. 挤出方法分类,干法挤出聚合物的塑化和加压在同一设备内完成。 湿法挤出溶

3、剂先将聚合物充分软化并塑化，聚合物的塑化和加压是两个独立的过程。定型处理采用溶剂脱出方法，同时应考虑溶剂的回收和利用。,3挤出成型特点,连续性生产，产品可以任意长度； 应用范围广，绝大多数的热塑性塑料和热固性塑料可用此方法生产；几乎1/3-1/2的塑料制品是通过挤出成型来完成的。 生产效率高，一台挤出机的产量85.8吨/年，而一台注射机的产量27.6吨/年； 例：近几年来，单螺杆 挤出机有了很大的发展。目前德国生产的大型造粒用单螺杆挤出机，螺杆直径达700mm，产量为36t/h。 投资少，见效快。,4挤出成型方法的最新进展,设备技术更成熟； 电磁动态塑化挤出： 将电磁振动场引入聚合 物塑化挤出

4、的全过程,从根本上改变了传统螺杆挤出设备的换能方式、结构形式和塑化挤出过程。 提出了聚合物动态塑化挤出、直接电磁换能、机电磁一体化等一系列新概念和原理,揭示了聚合物电磁动态塑化挤出过程中的各种新现象和规律。 计算机控制与应用； 产品规格大，品种多。,6.1.2 挤出成型设备的基本构造及工作原理,1单螺杆挤出成型设备 规格: SJ-65/25 螺杆直径 螺杆长径比,单螺杆挤出机(Single Screw Extruder S.S.E),SJ-65, SJ-65A, SJ-65B, SJZ-120 螺杆外径:(25),30，45，65，90，120，150，200，250,(300)。 螺杆L/D

5、: (20), 25, 30,(1) 基本构造,主机是由一根阿基米德螺杆在加热的料筒中旋转构成的。 挤压系统螺杆，料筒，料斗。 三大系统 传动系统电动机，减速箱，轴承。 加热冷却系统加热器，冷却水管。,在塑料挤出成型设备中，塑料挤出机通常称之为主机，而与其配套的后续设备塑料挤出成型机则称为辅机。,塑料挤出机（主机）可以与管材、薄膜、捧材、单丝、扁丝、打包带、挤网、板（片）材、异型材、造粒、电缆包覆等各种塑料成型辅机匹配，组成各种塑料挤出成型生产线，生产各种塑料制品。,辅机几种典型挤出成型制品的辅机,机头制品获得几何形状和尺寸； 定型装置对制品的形状和尺寸起稳定和定型作用，从而得到精确的截面形状

6、和尺寸以及表面性能良好的制品。 冷却装置对定型的制品进行充分冷却至热变形温度以下。 牵引装置均匀地牵引制品，使其保持一定地截面尺寸并使稳定挤出。 切割装置根据使用要求将制品切成一定地长度和宽度。 卷取装置主要针对软制品。,(2)挤出机主要技术参数与螺杆参数,螺杆直径（D），长径比（L/D)，转数， 驱动功率，生产率，外形尺寸，重量等,螺杆分段：加料段，压缩段（转化段），均化段（计量段） 螺槽深度：h1，h2（变化的），h3 压缩比： 螺纹螺距，螺纹升角，螺纹头数，螺棱宽度等。,螺杆的主要参数：,单螺杆挤出机的螺杆可分为三段：从料斗至机头依次为加料段(feed)、压缩段(transition)、

7、均化段(metering)。 各段功能： 加料段起着输送未熔融固体物料的作用； 在压缩段中，聚合物物料逐渐从固态向粘流态转变，这种转变是通过料筒的热传导和螺杆旋转时剪切、搅拌摩擦等复杂作用实现的； 均化段是将压缩段送来的熔融流体的压力进一步增大，使高聚物均匀塑化，然后控制其定压、定量地从机头模孔挤出。,在螺杆结构段的不同区域，对物料的作用完全不同，概括起来：加料作用压缩塑化作用均化温度、压力和挤出量的作用。,螺杆型式的确定： 渐变型螺杆 压缩段槽深为渐变的，传热好，剪切不剧烈，混炼 效果不好。适用于热敏性物料、结晶非结晶性物料。 突变型螺杆 剪切剧烈，传热不好。适用黏度小、具有突变熔点 的物料

8、，如PA、PS、PP等 ，但PVC等黏度高的会局 部过热。 在（12）D内发展到在（45）D内完成相变。,(3) 常规全螺纹三段螺杆的选择：,螺杆直径的确定： 国标系列：30、45、65、90、120、150、200 确定直径D：产品截面积的形状和大小 加工塑料的种类和生产率，辅机配备 经验公式：Q=Dn 出料系数，0.0030.007 螺杆长径比L/D的确定： 在一定意义上L/D反映塑化能力大小，特别当转 速提高后相变点后移，只有加大L/D才可获得较好的 塑化效果。 长径比大，则塑化剪切时间长，可以低温挤出， 可以提高转速，但制造困难。,螺杆各段参数的选择： 加料段：输送物料给压缩段和均化段

9、 a结晶性高聚物 L=6065% b非结晶性高聚物L=1025% 熔融段：压实物料，熔融物料 a结晶性L=（35）D b非结晶性L=5060% 压缩比：将物料压实，排除气体，建立必要压力，保证物料到达螺杆末端时有足够的致密度 均化段：将已熔物料定压定量定温地挤到机头中 L3=2050% H3=0.0250.06Ds,螺杆其他参数：螺纹升角，螺距S=D 螺杆头部结构和螺纹断面形状：,半圆、平、锥、尖、螺纹头,常见螺杆头部型式,螺棱断面：矩形（输送段）、锯齿形（压缩段和均化段）,常用螺纹断面型式,双螺杆的基本构造与分类：,2.双螺杆挤出机,圆柱型平行双螺杆挤出机,锥形双螺杆挤出机,双螺杆挤出机的分

10、类：,双螺杆的旋转方式,双螺杆的啮合型式,1连接法兰；2分流板；3机筒；4电阻加热；5双螺杆； 6螺旋加料装置；7料斗；8螺杆轴承；9齿轮减速箱； 10传送带；11电动机；12机架,双螺杆挤出机的基本结构：,双螺杆机的主要参数： 1）直径：指螺杆外径。 国外：16340mm，国内：65140mm。 （锥形双螺杆须标明大小端） 2）长径比：有效长度和外径之比。一般1028。 3）旋向：旋向不同，用途不同。同向混料，异向挤出制品。 4）承受的扭矩 5）驱动功率,双螺杆结构设计的差别：,（1）啮合还是非啮合；,（2）对啮合螺杆：同向转动还是反向转动；,（3）螺杆是圆柱形还是锥形；,（4）压缩比的实现

11、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。,(1)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大到小变化。 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。,（2）组合型双螺杆,3基本过程与工作原理,在挤压过程中，将颗粒状物料经挤出机料斗加入到已预热的料筒，料筒中不断旋转的螺杆，连续地挤压熔融的聚合物物料并通过机头模孔，挤出所需的设计断面，后经定型冷却、牵伸获得制品。 物料从进入挤出机到成为制品，经历了固体到熔体，再到固体的过程，这个过程的前半部分是在挤出机中实现的。,（1）研究螺槽内流体

12、速度、压力和温度分布的规律； （2）计算螺杆对物料的输送能力及螺杆的功率消耗； （3）评价螺杆对物料的混合与塑化效果； （4）通过理论分析，寻求在聚合物加工中提高产量、提高塑化质量、降低能量消耗的有效途径 ； （5）为聚合物挤出过程改进工艺、改进设备提供依据。,6.2 挤出理论研究物料在塑化挤出过程中，状态变化及运动规律的工程原理,目的与意义：,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,6.2.1 三个职能区的建立 1.固体输送区将固体物料向前

13、输送，并得到初步压缩和排气的作用。 2.熔化区物料发生相转变区域。 3.熔体输送区将熔体定温定量定压地输送至机头。,6.2.2 固体输送理论(EXTRUDER FEED ZONE)以固体对固体的摩擦静力平衡为基础建立,1.基本假设 2.固体输送流率的计算： 点的运动分析：Qs=f() 力和力矩的平衡分析：求出 3.影响固体输送流率的因素 4.理论修正,固体输送流率,目的：定量计算固体输送流率； 分析影响固体输送流率的因素。,固体输送区通常限定在自料斗开始算起的几个螺距中，在该区，物料向前输送并被压实，但仍以固体状（ SOLID BED OR PLUG）存在。 物料的输送机理：物料与螺杆间的相对

14、运动状态类似于螺栓与螺母间的相对运动。 目前关于固体输送区的理论有几种，此处重点介绍应用较广泛的以固体对固体的摩擦静力平衡为基础建立起来的输送理论。,固体输送区：,固体输送区塑化过程: 螺杆的螺距、螺棱宽度的变化 物料粒子被致密地压实 在螺槽上滑动的固体床或固体塞。 固体塞运动 依靠机筒表面与固体塞之间的摩擦力； 螺杆与固体塞之间的摩擦力 阻止固体塞运动。在机筒内，造成物料粒子不在同一方向前进，而是不时地翻滚、打滑，随螺杆旋转。随着物料挤出和物料在料斗内的流动，过程反复进行。,在螺槽中运动的是被挤压在一起的固体塞。,1.基本假设： 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

15、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。,2.公式推导,（1）固体塞点的运动分析 Qs=f(),牵引角或移动角,运转条件 Qs 与 螺杆参数 有关 牵引角 n Qs ； Qs,（2）固体塞的受力分析八个力的平衡 求出,A.公式法：,料筒表面系数的影响,螺纹侧面摩擦的影响,螺槽底面摩擦的影响,压力的影响,角受以下四方面的因素影响：,B. 查图法,3.影响固体输送流率Qs的因素,螺杆参数的影响： Db , D h1 Qs =45 运转条件的影响： n Qs 角的影响： K , Qs M , fs ,fb ,提高螺杆光洁度,料筒加料段开槽，或强制冷却(防止物料熔融）,6.2.3 熔融理论相转变理论(17),压缩段物料固-液共存,1目的： 预测螺槽中任一点未熔化物料量 熔化全部物料所需螺杆长度 熔融与螺杆参数、物料特性、工艺参数间的关系 2冷却试验和熔融机理 冷却试验：本色料+35%着色料挤出稳定后停止并迅速冷却螺杆和料筒取出螺杆、剥下物料切断螺旋带状料并观察截面形状. 现象： 熔融料呈流线型，未塑化料始终呈固态. 固液两相有