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1、知识点六知识点六 挤出成型挤出成型高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料)知识点六知识点六 挤出成型挤出成型1 1 概述概述2 2 挤出设备挤出设备3 3 单螺杆挤出原理单螺杆挤出原理4 4 单螺杆结构设计的改进单螺杆结构设计的改进5 5 双螺杆挤出的特点双螺杆挤出的特点6 6 几种典型的挤出工艺几种典型的挤出工艺定义：定义：挤出成型又称挤出成型又称挤塑、口模成型挤塑、口模成型。是指物料在熔融设。是指物料在熔融设备中通过加热、混合、加压，使物料以流动状态连续通过备中通过加热、混合、加压，使物料以流动状态连续通过口模进行成型的方法。口模进行成型的方法。挤出成型是塑料成型加工的重要方法之一。根据
2、对塑料的挤出成型是塑料成型加工的重要方法之一。根据对塑料的加压方式不同，可分为加压方式不同，可分为连续式和间歇式连续式和间歇式；按塑料的塑化方；按塑料的塑化方式不同可分为式不同可分为干法和湿法干法和湿法两种。两种。知识点六知识点六 挤出成型挤出成型1 1 概述概述常见的挤出成型产品如管材、板材、丝、薄膜、电线电缆等。常见的挤出成型产品如管材、板材、丝、薄膜、电线电缆等。知识点六知识点六 挤出成型挤出成型挤出管材生产挤出管材生产管材挤出的辅助设备管材挤出的辅助设备挤出片材生产挤出片材生产挤出线缆包覆成型挤出线缆包覆成型挤出吹塑薄膜挤出吹塑薄膜挤出中空吹塑成型挤出中空吹塑成型塑料挤出成型工艺流程塑
3、料挤出成型工艺流程挤出过程：挤出过程：加料加料在螺杆中熔融塑化在螺杆中熔融塑化机头口模挤出机头口模挤出定型定型冷却冷却牵引牵引切割切割挤出成型的特点挤出成型的特点: :连续化连续化,效率高效率高,质量稳定质量稳定应用范围广应用范围广设备简单设备简单,投资少投资少,见效快见效快生产环境卫生生产环境卫生,劳动强度低劳动强度低适于大批量生产适于大批量生产适用的树脂材料：适用的树脂材料：绝大部分绝大部分热塑性塑料及部分热固性塑料，如热塑性塑料及部分热固性塑料，如PVC、PS、ABS、PC、PE、PP、PA、丙烯酸树脂、环氧树脂、酚醛、丙烯酸树脂、环氧树脂、酚醛树脂及密胺树脂等树脂及密胺树脂等 应用：应
4、用：料料薄膜、网材、带包覆层的产品、截面一定、长度连续薄膜、网材、带包覆层的产品、截面一定、长度连续的管材、板材、片材、棒材、打包带、单丝和异型材等等，的管材、板材、片材、棒材、打包带、单丝和异型材等等，还可用于粉末造粒、染色、树脂掺和等。还可用于粉末造粒、染色、树脂掺和等。由挤出机、机由挤出机、机头和口模、辅头和口模、辅机等组成机等组成。2 2 挤出设备挤出设备主要设备主要设备2.1单螺杆挤出机的组成单螺杆挤出机的组成单螺杆挤出机主要由传单螺杆挤出机主要由传动系统、加料系统、塑动系统、加料系统、塑化系统、加热与冷却系化系统、加热与冷却系统、控制系统等组成。统、控制系统等组成。挤出系统是最主要
5、的系挤出系统是最主要的系统，它由料筒、螺杆、统，它由料筒、螺杆、多孔板和过滤网组成。多孔板和过滤网组成。传传动动系系统统：是是带带动动螺螺杆杆转转动动的的部部分分，通通常常由由电电机机、减减速速机机构以及轴承等组成；构以及轴承等组成；加加料料装装置置：主主要要是是料料斗斗，但但工工厂厂都都采采用用自自动动加加料料装装置置，甚甚至带有烘干、计量装置等；至带有烘干、计量装置等；料料筒筒：包包裹裹在在螺螺杆杆外外部部的的装装置置，起起到到受受热热受受压压的的作作用用，物物料料的的塑塑化化和和加加热热、加加压压都都在在其其中中进进行行，大大部部分分都都有有冷冷却却装装置（风、水冷）；置（风、水冷）；螺
6、螺杆杆：利利用用它它才才能能使使料料筒筒内内的的塑塑料料向向前前移移动动，得得到到加加压压和和热量（摩擦热）；热量（摩擦热）；螺螺杆杆的的直直径径（D）和和长长径径比比（L/D），长长径径比比决决定定了了体体积积容量以及塑化的均匀性。容量以及塑化的均匀性。螺杆的主要参数螺杆的主要参数：D：螺杆外径；：螺杆外径；d：螺杆根径；：螺杆根径；L：螺杆长度；：螺杆长度；：螺距；：螺距；：螺槽宽度；：螺槽宽度；：压缩比：压缩比：螺纹宽度：螺纹宽度；：螺槽深度；：螺槽深度；：螺旋角；：螺旋角；/D：长径比。：长径比。1渐变型渐变型(等距不等深等距不等深)2渐变型渐变型(等深不等距等深不等距)3突变型突变型
7、4鱼雷头螺杆鱼雷头螺杆加料段（固体输送段加料段（固体输送段）压缩段（熔融段）压缩段（熔融段）计量段（均化段）计量段（均化段）最常用的是等距不等深螺杆螺杆形式和分段螺杆形式和分段螺杆头部形状：螺杆头部形状：一般呈锥形，以避免在螺杆头部停留过久而一般呈锥形，以避免在螺杆头部停留过久而导致分解出现。导致分解出现。2.2双螺杆挤出机的结构双螺杆挤出机的结构典型的双螺杆挤出机的螺杆：锥型双螺杆；锥型双螺杆；组合型双螺杆；组合型双螺杆；2.3 2.3 机头和口模机头和口模圆孔口模圆孔口模主要用来生产棒材、单丝造粒，口模平直部分长度和直径主要用来生产棒材、单丝造粒，口模平直部分长度和直径比小于比小于10扁平
8、口模扁平口模一般用来生产厚度小于一般用来生产厚度小于0.25mm的膜或板材的膜或板材环形口模环形口模一般用来生产管材、管状薄膜、吹塑用型胚以及电线电缆一般用来生产管材、管状薄膜、吹塑用型胚以及电线电缆异形口模异形口模主要用来挤出不同横截面的制品主要用来挤出不同横截面的制品 过滤板（网）的作用过滤板（网）的作用：.使物料由螺旋运动转变为平直运动。.过滤杂质和未熔化好的塑料颗粒。.使物料受到较大的剪切作用，以利于塑料塑化均匀。.使料筒和机头定位。 对机头结构的要求：对机头结构的要求：.口模定型部分应有适当长度口模定型部分应有适当长度。A.使物料处于稳定流动;B.减小熔体弹性和出口膨胀；C.L长，产
9、量提高;D.太长，笨重，阻力大，Q降低。.机头中过渡部分应光滑，呈流线型机头中过渡部分应光滑，呈流线型。原因原因：防止物料的停滞和分解。.应设置调节装置，改善周边的流率分布应设置调节装置，改善周边的流率分布。（厚度均匀）物料处理设备物料处理设备主要指预热干燥等设备主要指预热干燥等设备挤出物处理设备挤出物处理设备主要指冷却、牵引、切割、卷取、检测设备主要指冷却、牵引、切割、卷取、检测设备控制生产工艺的设备控制生产工艺的设备主要指各种测控设备主要指各种测控设备2.4 2.4 挤出机的辅助设备挤出机的辅助设备3单螺杆挤出工作原理单螺杆挤出工作原理3.1固体输送固体输送加料段具有加料段具有输送固体物料
10、，兼有预压、预热作用输送固体物料，兼有预压、预热作用。要要使制品质量、产量稳定，须满足以下两个条件：使制品质量、产量稳定，须满足以下两个条件：1.熔体的输送速率等于固态物料的熔化速率熔体的输送速率等于固态物料的熔化速率2.沿螺杆轴向任一截面物料的质量流率等于挤出机生产率沿螺杆轴向任一截面物料的质量流率等于挤出机生产率目目前前对对此此理理论论的的推推导导最最为为简简单单的的是是以以固固体体对对固固体体的的摩摩擦力静平衡为基础的。擦力静平衡为基础的。高分子材料专业 高分子成型加工技术(塑料) 物料在该段类似于物料在该段类似于“弹性固体塞弹性固体塞”，固体塞在螺槽内的，固体塞在螺槽内的运动就如螺帽在
11、螺丝上的运动一样运动就如螺帽在螺丝上的运动一样。 如旋转螺丝，而螺帽上无压力，则螺帽跟着螺丝转如旋转螺丝，而螺帽上无压力，则螺帽跟着螺丝转动而不前移。动而不前移。 若在螺帽上加一定压力，再旋转螺丝，则螺帽就会若在螺帽上加一定压力，再旋转螺丝，则螺帽就会随螺丝旋转而前移。随螺丝旋转而前移。 成型时，塑料与螺杆的摩擦力应小于塑料与料筒的摩擦成型时，塑料与螺杆的摩擦力应小于塑料与料筒的摩擦力，也即螺杆的光洁度应大于料筒的光洁度。否则，塑力，也即螺杆的光洁度应大于料筒的光洁度。否则，塑料只能抱着螺杆空转打滑不能前移。料只能抱着螺杆空转打滑不能前移。 固体塞摩擦模型固体塞摩擦模型 受力分析受力分析 由上
12、图知：Fb= PAbfb，Fs= PAsfs ，Fbz=AbfbPcos。 稳定流动时，Fs= Fbz，则Asfs=Abfbcos Fs= Fbz=0，物料在料筒中不能发生任何流动。 Fs Fbz，物料被夹带于螺杆中随螺杆转动不产生移动。 Fs Fbz，物料能在料筒与螺杆间产生相对运动。螺槽中固体输送的理想模型螺槽中固体输送的理想模型(a) 和固体塞移动速度的矢量图和固体塞移动速度的矢量图(b)v假设条件：假设条件：物物料料与与螺螺槽槽和和料料筒筒壁壁紧紧密密接接触触形形成成固固体体塞塞（床床），以以恒恒速速移移动；动；略去物料重力、密度变化的影响；略去物料重力、密度变化的影响；磨擦系数恒定，
13、压力是螺槽长度的函数；磨擦系数恒定，压力是螺槽长度的函数；螺槽为矩形螺槽为矩形v经过分析可看出物料的运动类似螺母运动。经过分析可看出物料的运动类似螺母运动。v提高固体输送的措施提高固体输送的措施适当提高螺杆转数适当提高螺杆转数N和螺槽深度和螺槽深度H;采采用用锥锥形形结结构构料料筒筒；在在加加料料段段料料筒筒内内壁壁开开设设纵纵向向沟沟槽槽（提提高高fb）；冷却进料段防止物料提前软化；）；冷却进料段防止物料提前软化；冷却螺杆加料段（减小冷却螺杆加料段（减小fs）,增加螺杆表面光洁度（减小增加螺杆表面光洁度（减小fs）3.2固体熔融固体熔融研究目的：研究目的：预测螺槽中未熔化物料量预测螺槽中未熔
14、化物料量熔化全部物料所需螺杆长度熔化全部物料所需螺杆长度熔融与螺杆参数、物料特性、工艺参数间的关系熔融与螺杆参数、物料特性、工艺参数间的关系冷却试验和熔融机理：冷却试验和熔融机理：冷冷却却试试验验：本本色色料料+35%着着色色料料挤挤出出稳稳定定后后停停止止并并迅迅速速冷冷却却螺螺杆杆和料筒和料筒取出螺杆、剥下物料取出螺杆、剥下物料切断螺旋带状料并观察截面形状切断螺旋带状料并观察截面形状现象：现象：熔融料呈流线型，未塑化料始终呈固态熔融料呈流线型，未塑化料始终呈固态固固液两相有一明显分界线液两相有一明显分界线固相逐渐消失，固体塑化完全集中在熔膜处固相逐渐消失，固体塑化完全集中在熔膜处熔融机理：
15、熔融机理：加加料料段段压压实实逐逐渐渐熔熔融融成成一一层层熔熔膜膜超超过过后后边边螺螺槽槽刮刮落落于于前前侧侧形成熔体池形成熔体池固体床减小固体床减小直至物料完全熔融直至物料完全熔融（3）熔化过程熔化过程:图图3-6-11为固体物料在螺槽中的熔化过程示意为固体物料在螺槽中的熔化过程示意图。图。 固体物料在螺槽中的熔融过程固体物料在螺槽中的熔融过程 1熔膜熔膜 2熔池熔池 3迁移面迁移面 4熔融的固体粒子熔融的固体粒子 5未熔融的固体粒子未熔融的固体粒子熔膜：熔膜：与与料筒（螺杆）表面接触的固体物料，由于料筒热传导料筒（螺杆）表面接触的固体物料，由于料筒热传导和摩擦热作用，首先熔化，形成一层熔膜
16、。和摩擦热作用，首先熔化，形成一层熔膜。 熔池：熔池：逐渐逐渐熔化的物料，在料筒与螺杆的相对运动作用下，不熔化的物料，在料筒与螺杆的相对运动作用下，不断向槽螺的推进面汇集，而形成漩涡状的流动区，称为熔池断向槽螺的推进面汇集，而形成漩涡状的流动区，称为熔池即液相。即液相。固体床：固体床：熔池熔池前面充满着受热软化和半熔化后粘接在一起的固体前面充满着受热软化和半熔化后粘接在一起的固体粒子粒子，和完全未熔化的固体粒子，总称为固体床。，和完全未熔化的固体粒子，总称为固体床。 迁移面：迁移面：熔熔膜和固体床间的界面称为迁移面。熔化过程主要在迁膜和固体床间的界面称为迁移面。熔化过程主要在迁移面进行移面进行
17、。螺槽全长范围固体床熔融过程示意图螺槽全长范围固体床熔融过程示意图: 固体床在螺槽中的分布变化固体床在螺槽中的分布变化(a) 和固体床在螺杆熔融区的体积变化和固体床在螺杆熔融区的体积变化(b)随随着着塑塑料料向向机机头头方方向向的的移移动动，熔熔化化过过程程逐逐渐渐进进行行。从从始始熔熔点点A起起，固固体体床床宽宽度度逐逐渐渐减减小小，熔熔池池宽宽度度逐逐渐渐增增大大，直直至至B点点时时，固固体体床床消失，即完成了熔化过程。（固体床深度的变化见下图消失，即完成了熔化过程。（固体床深度的变化见下图）螺杆中聚丙烯熔融时固体床在螺槽中的深度变化曲线螺杆中聚丙烯熔融时固体床在螺槽中的深度变化曲线D=9
18、0mmN=60转转/分分Q=71Kg/h螺杆压缩段中物料的速度分布螺杆压缩段中物料的速度分布(a) 和温度分布和温度分布(b)压缩段速度和温度的分布料筒内表面处，料筒内表面处，Vz最大。最大。熔膜中，熔膜中，Vz在深度方向（在深度方向（Y）自上而下减小。）自上而下减小。 固体床中，各处固体床中，各处Vz相等。相等。 这是因为有熔结固体块，粘度大，移动困难，差别不明显。这是因为有熔结固体块，粘度大，移动困难，差别不明显。靠近螺杆的熔膜中，靠近螺杆的熔膜中，Vz在在Y方向自上而下减小，直至螺杆处，方向自上而下减小，直至螺杆处，Vz=0。粒粒料料加加人人挤挤出出机机后后, , 固固体体粒粒子子以以松
19、松散散状状态态向向前前运运动动, , 同同时时粒粒子子之之间间存存在在相相互互滑滑移移。随随着着内内部部压压 力力的的建建立立, , 松松散散的的粒粒子子渐渐渐渐被被压压实实, , 粒粒子子间间隙隙缩缩小小, ,粒粒子子相互运动的自由度减小。相互运动的自由度减小。进进入入熔熔融融段段后后, , 粒粒子子受受热热发发生生粘粘连连, , 但但粒粒子子间间界界面面仍仍然然很很清清楚楚。由由于于热热、力力的的作作用用使使粒粒子子发发生生变变形形, , 粒粒子子间间的的空空隙隙逐逐渐渐被被填填充充, , 如如图图所所示示。从从图图可可以以看看出出, , 粒粒子子中中心心的的颜颜色色接接近近固固体体颜颜色
20、色, , 粒粒子子周周边边的的颜颜色色半半透透明明, , 接接近近熔熔体体颜颜色色, , 这这表表明明粒粒子子中中心心部部分分的的温温度度低低于于周周边边温温度度, , 同同一一粒粒子子内内部部存存在在温温度度差差。因因此此对对每每一一个个粒粒子子而而言言, , 其其熔熔融过程是从外向内进行的。融过程是从外向内进行的。可视化研究熔融实验结果可视化研究熔融实验结果熔体有四种形式的流动：熔体有四种形式的流动：F正流正流：正流正流(拖曳流拖曳流)Qd(cm3/h)，沿螺槽向机头方向的流动。由于螺杆转动，沿螺槽向机头方向的流动。由于螺杆转动，塑料在螺杆根部与机筒间形成相对运动造成的，它决定挤出量的大小
21、；塑料在螺杆根部与机筒间形成相对运动造成的，它决定挤出量的大小；F逆流：逆流：逆流（反流）逆流（反流）Qp，与，与Qd相反的流动。由机头、多孔板等阻力元件对熔相反的流动。由机头、多孔板等阻力元件对熔体的反压力造成，也叫压力流，随机头压力的升高而增加；体的反压力造成，也叫压力流，随机头压力的升高而增加；F环流：环流：横流（环流）横流（环流）Qt,由分速度由分速度Vbx引起的在螺槽内与正流垂直的流动。对引起的在螺槽内与正流垂直的流动。对总挤出量影响不大，可忽略不计，但对熔体的混合、塑化、热交换起重总挤出量影响不大，可忽略不计，但对熔体的混合、塑化、热交换起重要作用；要作用；F漏流：漏流：漏流漏流Ql，由机头阻力元件引起的物料反向流动，沿螺杆与料筒间隙向，由机头阻力元件引起的物料反向流动，沿螺杆与料筒间隙向加料口方向流动，可降低挤出量。正常情况很小加料口方向流动，可降低挤出量。正常情况很小0.10.6mm，Ql小，但小，但磨损严重时，磨损严重时，Ql的增加与平方成正比。的增加与平方成正比。3.3 3.3 熔体输送理论熔体输送理论3.4 3.4 单螺杆挤出机生产能力分析单螺杆挤出机生产能力分析3.5 3.5 螺杆和口模的特征曲线螺杆和口模的特征曲线3.6 3.6 挤出率的影响因素挤出率的影响因素
