05-挤出成型

挤出成型挤出成型也称为挤塑成型，它是在挤出成型机中通过加热、加压而使物料以流动状态连续通过口模成型的方法。它在塑料成型加工中占有很重要的地位,挤出成型不但生产率高，而且挤出产品均匀密实，只要更换机头就可以改变产品的截面形状。在塑料制品应用越来越广泛，需求量越来越大的形势下，挤出成型设备比较简单，工艺容易控制、投资少、收效大，因而得到了广泛的应用。一、成型原理和特点挤出成型就是将干燥的热塑性塑料（粉状或颗粒状）从料斗加入挤出机，加热料筒，使料筒中的螺杆旋转，材料沿螺槽前移。移动过程中，材料受热熔融，熔体受螺杆轴向推力的作用通过机头和口模，获得与口模形状相似的连续体。挤出连续体由牵引装置带出，通过冷却定型装置失去塑性而变为固体，制得一定端面形状和尺寸的连续挤出制品，再锯切成一定长度的挤出成型产品，如图所示。挤出成型可以加工绝大部分热塑性塑料和少数流动性较好的热固性塑料和增强塑料。其加工的塑料产品，主要有薄膜、管材、板材、片材、棒材、丝状材料（单丝）、带状材料、塑料网、复合材料、中空制品、电线电缆包覆层和异型材等，特别是可以生产连续性的制品。挤出成型是塑料加工工业化最早的成型方法之一，同其它成型方法相比，其突出的优点是：1．设备成本低，投资少，制造容易。2．生产效率高，挤出机的单机产量较高。3．可以连续化生产，能制造较长的管材、板材、型材和薄膜等。4．产品质量均匀、紧密。5．生产操作简单，工艺控制较容易。6．占地面积较小，生产环境清洁。7．可以一机多用。一台挤出机只要更换螺杆和机头，就能加工不同塑料和制造多种产品。挤出成型在塑料加工工业中占有相当重要的地位，是塑料加工的主要方法。目前世界上用于挤出成型的塑料，占塑料制品总重量的三分之一以上。挤出成型发展的总趋势是向大型化、高速化、自动化方向发展。二、挤出机结构挤出成型加工的主要设备是挤出机。此外，还有机头、口模、冷却定型、牵引、切割及卷取等附属设备。挤出机口模用于成型圆形管材机头的结构如上图所示。各部件的作用如下：①过滤板：过滤杂质，整流增压，使料流由螺旋状运动变成直线运动。②机体：用作组装机头各零件与挤出机连接。③分流器支架：用作支撑分流器及芯棒。④分流器：使圆柱形料流变圆筒形料流，便于进一步加热，使物料进一步塑化。⑤调节螺钉：用作调节口模与芯棒之间的间隙，保证制品壁厚均匀。⑥芯棒：用作成型制品的内表面，料流通过芯棒可获得一定内表面的形状和尺寸。⑦口模：用作成型制品的外表面，料流通过口模可获得一定外表面的形状和尺寸。⑧定径套：使料流通过定径套后得到光洁表面，正确的尺寸和几何形状。三、几种常见制品的挤出成型1、管材、异型材（空心）的挤出成型生产工艺流程：原料准备——塑化挤出——冷却定型——牵引——切割——收集——检验——包装——入库。其生产过程如图所示。原料准备：若生产的原料为粉料时，要先进行配料造粒后才能加入料斗挤出成型；若生产的原料为粒料，只需要干燥、配色后直接加入料斗成型。塑化挤出：在挤出机的作用下，使固态的粒状材料塑化成熔融的黏稠体，并施加一定的压力使其通过口模，成为截面与口模形状相仿的连续体。冷却定型：管子或异型材被挤出口模时，还具有相当高的温度。为了使成型连续体获得良好的光洁度、正确的尺寸和几何形状，挤出物离开口模时，必须立刻定型和冷却。这一过程通常有两种方法：内径定型法和外径定型法。其结构如图所示。冷却：常采用的装置有冷却槽和喷淋水箱两种。冷却水槽通常分为2～4段，借以调节冷却强度。冷却水槽的长度一般为1.5～6m。由于冷却水槽中上下层水温不同，管材或异型材在冷却过程中有可能发生弯曲。此外空心型材在冷却水槽中受到浮力也有使之弯曲的可能，尤以大型空心型材明显。采用沿空心型材圆周上均匀布置的喷头对其进行喷淋冷却，能减少型材的变形。牵引：常用牵引装置有滚轮式和履带式两种。2、薄膜的挤出吹塑吹塑薄膜是塑料薄膜生产中采用最广泛的一种，其原理是熔融塑料经机头呈圆筒形薄管状挤出，并从机头中心吹入压缩空气，将薄管吹为直径较大的管状薄膜（俗称管泡），冷却后卷取成制品。根据薄膜牵引方向不同，吹塑薄膜可分为平挤上吹法、平挤下吹法和平挤平吹法三种，其生产过程分别如图所示。PVC和PE的宽幅薄膜生产多用平挤上吹法。PP和PA多采用平挤下吹法。平挤平吹法操作较方便，但管泡上下部冷却不均匀，且管泡因自重下垂影响厚度均匀性，因此仅用于生产幅宽较小的PE、PVC薄膜。目前使用最多的为平挤上吹法，其生产工艺流程为：加热——加料——塑化挤出——提料——喂辊——充气——调整——卷取——检验——包装——入库。加热：通过加热器将挤出机和机头加热到所需温度。然后保温一定时间。加料及塑化挤出：挤出成型机开动后，向料斗加入少量塑料，开始时螺杆以低速转动，当熔融材料通过机头并吹胀成管泡后，再逐步提高螺杆转速，同时把料斗的物料加满，实施均匀挤出。提料：将通过机头的熔融物料集中在一起，并将它提起，同时通入少量的空气，以防相互粘在一起。喂辊：将提起的管泡喂入夹辊，通过夹轴将管泡压成薄膜，再通过导辊送入卷取。充气：管泡喂辊以后，即可使压缩空气通入管泡进行吹胀，直至达到要求的幅宽为止。由于管泡中的空气被夹辊所封闭，几乎不存在泄漏，因此在管泡中保持着恒定的压力，保证吹塑薄膜宽度保持不变。调整：薄膜的厚薄公差可通过模唇间隙以及牵引速度的调整而得到纠正，薄膜的幅宽公差主要通过充气吹胀大小来调整。工艺录像3、片材、板材的挤出成型塑料板材一般是指厚度在2.0mm以上的软质平面材料和厚度在0.5mm以上的硬质平面材料。塑料片材是指厚度在0.25～2.0mm之间的软质平面材料和厚度在0.5mm以下的硬质平面材料。塑料板、片材具有耐腐蚀、电绝缘性能优异、易于二次加工等特点，可作为化工容器、贮罐等化工设备的衬里，电器工业中的绝缘电板、垫片等电绝缘材料，也可作为交通工具及建筑物的壁板、隔板等装修材料。无毒透明的各色片板经二次加工后，还可制成各类食品、医药的包装材料。因此，塑料板、片材具有广泛的应用前景。生产塑料板、片材的主要原材料有：PE、PP、PS、ABS、酚醛树脂、丙烯酸脂类树脂等。片材、板材的挤出成型过程就是由挤出机将配好的原料塑化，并通过T形模头（如图所示）的缝隙（模唇）中挤出，经滚筒冷却，再整修边幅，按一定长度进行切割即得到所需的片材或板材。这种方式适合低粘度、流动性好的塑料加工。其生产过程如图所示。4、导线的挤出包覆在电线、电缆外表面，用PE或PVC等塑料包覆而制成绝缘层。这也是挤出成型应用实例之一。如图所示，图中所示为使用直角机头包覆预热的导线。5、挤出复合成型复合是指从T形模头挤出熔融薄膜涂覆在纸、铝箔等基材上，在冷却辊与压力辊之间受压粘合。它是将连续生产的薄膜和基材层压成复合薄膜的方法，如图所示。四、挤出制品的设计1、挤出制品的设计原则为保证挤出制品的尺寸准确性、横截面和长度的形状准确性以及用户对表面外观和特定质量特性的要求，挤出制品的设计必须遵循以下基本原则：（1）形状要求在高温条件下，产品形状具有一定的稳定性，简单对称，尽可能采用轴对称结构的截面形式，其对称轴线应与螺杆轴线平齐。在制品的轴线方向上，截面的厚度应均匀一致。产品内部只能包覆与其形状相似的其它型材制品。产品形体的内外部应尽可能少设加强筋，若需设加强筋时，要对称分布，其方向应与产品的轴线方向一致，筋的厚度一般取壁厚的70％～80％。对于中空产品，空心截面积不能太小。对于各种结构截面内的连接处均应采用圆滑过渡。（2）挤出制品的壁厚应尽可能均匀一致应避免物料积累和壁厚的突然变化。因为这些使熔体在模头中的流动分配难于控制，造成冷却问题，导致挤出物歪扭。（3）挤出制品的精度不能太高2．挤出异型材和中空异型材的设计（1）异型材断面壁厚异型材断面壁厚均匀是设计异型材的重要原则。断面壁厚不均匀，则口模狭缝通道的间隙大小不等，导致狭缝通道中熔体流速不同，影响挤出型材的质量。此外，挤出连续体冷却过程中，薄壁断面的冷却快于厚壁断面，致使型材发生翘曲。为避免翘曲的产生，在型材的冷却定型过程中必须加强厚壁断面部分的冷却，这样给挤出成型工艺的实施带来很大困难。壁厚不均匀的异型材断面尺寸精度大大低于均匀壁厚的异型材。设计断面壁厚均匀的挤出异型材是满足成型技术，获得高质量产品的基本要求，但是符合使用要求的大多数异型材的断面壁厚往往是不均匀的。图示为几种断面壁厚不均匀的异型材。对此可考虑改变断面形状。使厚壁面变成薄壁面，从而达到整个断面壁厚均匀的目的。如图所示，挤出异型材T形断面交界部位，熔体积用量多于其它部位。交界部位熔体冷却收缩大，型材壁面产生纵向缩痕，影响产品外观。挤出这种异型材壁面产生缩痕是不可避免的，但是设计型材断面形状可采用装饰掩盖处理，以减弱缩痕缺陷给型材外观质量造成的影响。如图所示（a），异型材缩痕部位设计成梯形凹槽形状。如图所示（b），异型材缩痕部位设计成条形装饰肋。如图所示（c），异型材缩痕部位设计成条状锯齿形装饰肋。（2）中空异型材断面壁厚中空异型材断面壁厚均匀仍然是设计中空异型材的重要原则。断面壁厚不均匀会引起挤出制品断面形状改变，下图（a）、（b）、（c）所示为芯部具有圆形孔的中空异型材。由于孔壁面厚薄不均匀，挤出连续体端面各部分冷却收缩变形量不同，使中空异型材挤出成型后断面上的孔并非圆形，如下图（d）所示，圆形管孔壁面有一矩形凹槽，凹槽造成圆形管壁局部变薄，挤出连续体薄壁部位收缩变形小于其它部位，使挤出圆形管制品内孔并非圆形。如图所示几种典型的硬质PVC挤出中空异型材断面形式，虽然断面形状较复杂，但断面各部分壁厚基本相等，均可挤出成型高外观质量的产品，都是挤出中空异型材断面的最佳设计形式。下图所示为中空异型材内侧凸台或筋，内侧凸台或筋的尺寸不能借助定型装置定型，只能自由冷却凝结固化，因此，设计中空异型材断面尽量不用内侧凸台或筋，若必须有内侧凸台或筋，它们的尺寸公差值应大些。如图中（a）所示，中空异型材内侧凸台或筋的设计高度一般小于或等于异型材断面厚度，如图中（b）所示，中空异型材内侧凸台不应设计成中空形式，中空凸台挤出成型特别困难，凸台尺寸精度无法控制。（3）挤出异型材转角及转角半径挤出异型材外转角由口模阴角形成，熔体进入口模在尖锐阴角处出现“架桥”现象，熔体不能进入角顶，自然形成一定曲率半径的圆角，该圆角称为“成型圆角”，如图所示。挤出异型材“成型圆角”最小曲率半径实验测定值约为0.4mm。设计异型材应适当增大外圆角半径，这样，有利于熔体在口模阴角处的流动。减少或消除挤出异型材外角处的翘曲和局部应力集中。适宜的外圆角半径应不小于异型材端面壁厚。一般情况，设计异型材的内、外圆角，取R＝T＋r。挤出异型材内转角由芯棒阳角形成。异型材尖锐内转角相当于人工切口，切口根部产生应力集中易引发裂纹，尤其是硬质热塑性塑料异型材。挤出异型材内圆角最小曲率半径不小于0.4mm。如图所示，内圆角半径设计推荐值按异型材端面壁厚选择。挤出塑料异型材转角半径与塑料品种有关，对于聚烯烃及尼龙类塑料，转角半径宜选大些，对于硬质聚氯乙稀、ABS及纤维素等塑料，转角半径可小些。3、复合异型材设计（1）共挤出复合异型材设计两种不同性能和颜色或同种不同颜色的热塑性塑料，通过共挤出成型工艺制造复合异型材，这种型材称为共挤出复合异型材。共挤出系统有两台挤出机分别挤出两种塑料熔体同时通过一个机头和口模成型复合异型材。共挤出复合异型材具有综合性能好、美观、减少组件装配件数等优点。同时，同种塑料不同颜色的共挤出复合异型材具有彩色嵌条的装饰效果。a．热塑性塑料的共挤出相容性热塑性塑料共挤出复合异型材，两种塑料在熔用状态下通过同一机头和口模时熔接。因此，复合异型材不同塑料之间的粘接强度决定于两种塑料的相容性，相容性愈好，两者的粘接强度愈高；反之，相容性愈差，两者的粘接强度愈低，甚至会发生界面分离。设计共挤出复合异型材选择塑料品种极为重要。下表列出了热塑性塑料的共挤出相容性，供设计时参考。热塑性塑料共挤出相容性塑料硬PVC软PVCABSPEPPEVA（乙烯－乙烯乙酸酯）硬PVC好好好差差差软PVC好好差差差差