第七章挤出成型.

第七章挤出成型概述单螺杆挤出机基本结构及作用挤出成型原理挤出成型工艺双螺杆挤出主要内容概述一、定义挤出成型亦称挤压模塑或挤塑，即借助螺杆或柱塞的挤压作用，使受热熔化的聚合物物料在压力推动下，强行通过口模而成为具有恒定截面的连续型材的成型方法。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。在合成树脂生产中，挤出机可作为反应器，连续完成聚合和成型加工。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二、挤出成型在聚合物加工中的地位突出的优点（1）塑化能力强（一台φ200挤出机产量可达700kg/小时，德国φ500挤出机产量高达20t/小时.）（2）生产效率高（适于大批量生产）（3）材料适应宽（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）（4）产品范围大，产品形状多样（能生产管材、棒材、板材、薄膜、单丝、电线、电缆、异型材，以及中空制品等截面形状单一的制品）设备简单,投资少,见效快近80％的塑料材料需要挤出成型，挤出设备广泛用于塑料材料的塑化、熔体输送和泵送加压，从而成为其他加工方法的基础。第一个阶段是使固态塑料塑化(即变成粘性流体)并在加压情况下使其通过特殊形状的口模而成为截面与口模形状相仿的连续体；第二阶段则是用适当的处理方法使挤出的连续体失去塑性状态而变为固体，即得所需制品。三、挤出过程可分为两个阶段玻璃态高弹态粘流态粘流态高弹态玻璃态第一阶段固体输送、固体熔融、固体混合、固体泵送第二阶段口模成型、制品定型、制品冷却、制品切割。四、挤出成型的分类按塑化方式分类：干法挤出、湿法挤出：按螺杆数目：单螺杆、双螺杆、多螺杆；按对塑料的加压方式不同：连续式（螺杆挤出机）、间歇式（柱塞式挤出机）按安装方式：立式、卧式。1.干法和湿法干法的塑化是靠加热将塑料变成熔体，而塑化和加压可在同一个设备内进行。其定型处理仅为简单的冷却。湿法的塑化则是用溶剂将塑料充分软化，因此塑化和加压必须分为两个独立的过程，而且定型处理必须采用比较麻烦的溶剂脱除，同时还得考虑溶剂的回收。它的适用范围仅限于硝酸纤维素和少数醋酸纤维素塑料的挤出。2.连续和间歇连续工艺所用设备为螺杆挤出机，塑料熔化的同时，受螺杆的搅拌而均匀分散，并不断前进，最后在口模处被挤到机外而形成连续体，冷却即成产品。间歇工艺为柱塞式挤出机。操作时，先将一批已经塑化好的塑料放在料筒内，而后借柱塞的压力将塑料挤出口模以外，料筒内塑料挤完后，即应退出柱塞以便进行下一次操作。优点是能给予塑料以较大的压力，缺点则是操作的不连续性，而且物料还要预先塑化，只有在挤压聚四氟乙烯塑料和硬聚氯乙烯大型管材方面有应用。3.按螺杆数目在挤出成型中，使用的螺杆挤出机主要有单螺杆挤出机和双螺杆挤出机。单螺杆挤出机双螺杆挤出机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加料装置、料筒、螺杆、机头、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置装动传置装料加筒料杆螺模口和头机螺杆挤出机的基本结构一、单螺杆挤出的基本结构单螺杆挤出机的基本结构包括：传动装置，加料装置、机筒、螺杆、机头和口模及温控装置等6个部分。1.传动装置传动装置是带动螺杆转动的部分，通常由电机，减速机构和轴承组成。电机：电磁调速，直流调速，变频调速，油压马达。减速器：摆线针轮式，齿轮减速器，蜗轮减速器目前我国挤出机的变速范围一般为1：6。挤出过程中，螺杆转动速率若有变化，即会引起塑料料流的压力波动。所以在正常操作条件下，不管螺杆的负荷是否发生变化，螺杆的转速都应维持不变，借以保持制品质量的稳定。但在不同的场合下，又要求螺杆的转速能够变级，以便用同一台挤出机挤压不同的制品或不同的塑料。为满足上述要求，挤出机的传动装置最好采用无级调速。直流电动机－摆线针轮减速器调速电动机－无级变速器整流子电动机－涡轮减速箱油压马达－齿轮减速器2.加料装置料斗：一般利用园柱形，园锥形，园柱－园锥形等，料斗内应设有切断断流，卸除余料,干燥，预热装置等装置。加料方式：重力上料，强制上料普通料斗真空料斗供料的形式有粒状、粉状和带状等几种。料斗的容量至少应容纳一小时的用料。加料斗内应有切断料流、标定料量和卸除余料等装置。较好的料斗还设有定时、定量供料及内在干燥或预热等装置。粉料和粒料可以依据本身的重量进入加料孔，但随着料层高度的改变，可能引起加料速度的变化，同时还可能产生“架桥”现象而使加料口缺料。强制喂料料斗3.机筒（1）机筒材质机筒是挤出机的主要部件之一，物料的塑化和加压都在其中进行，压力可达30～55MPa,温度150～410℃（180～290℃），因此机筒可看作受热、受压容器，要求高强度，耐磨，耐腐蚀，通常机筒由钢制外壳和合金钢内衬共同组成，目前多采用38CrMoAl和Xaloy合金。（2）机筒结构形式①整体式：便于加热，冷却系统的设置与拆装，而且加热在轴向分布上较为均匀单螺杆挤出机整体式机筒锥形双螺杆挤出整体式机筒②组装式：由几段机筒组装而成，各段用法兰螺栓联接在一起，破坏了机筒加热的均匀性，增加了热损失。③瓣合式：机筒由两瓣组装而成，用螺栓连接在一起，便于螺杆拆卸和研究，但同样破坏了机筒加热的均匀性，增加了热损失。平行双螺杆挤出机的瓣合式机筒4.螺杆螺杆结构固体输送段（加料段）L1熔融段（压缩段）L2均化段（计量段）L3图7-1螺杆示意图阿基米德螺杆螺杆是一根笔直的有螺纹的金属圆棒。是挤出机的关键部件。通过它的转动，料简内的塑料才能发生移动，得到增压和部分的热量(摩擦热)。螺杆的几种形式等距不等深螺杆，等深不等距螺杆，不等深不等距螺杆(2)螺杆的分段及其作用按塑料在螺杆上运转的情况可分为加料、熔化（压缩）和均化（计量）三段，有时就称为三段式螺杆，这种螺杆就是通用螺杆，或标准螺杆（计量螺杆），螺距等于D。①加料段加料段是自塑料入口向前延伸一段的距离，其长度约为4—8D。在这段中，塑料依然是固体状态。螺杆的主要作用是使塑料受热前移，向熔化段输送物料，因而螺槽容积可以维持不变，一般做成等距等深的。螺槽深度(H1)，一般为0.1-0.15D，螺距(S)为1一1.5D。另外，为使塑料有最好的输送条件，要求减少物料与螺杆的摩擦而增大物料与料筒的切向摩擦，为此可采取的方法有：在料筒与塑料接触的表面开设纵向沟槽；提高螺杆表面光洁度，并在螺杆中心通水冷却。②熔化段(压缩段)螺杆中部的一段为熔化段。塑料在此段由粒状固体逐渐压实并软化为连续状的熔体，同时还将夹带的空气向加料段排出。通常，这一段螺槽逐渐缩小（渐变），有利于制品的质量，也利于塑料的升温和熔化。螺槽缩小的程度是由塑料的压缩比决定的。压缩比可分为物理压缩比和几何压缩比。所谓塑料物理压缩比是指制品的比重与进料的表现密度之比。在螺杆设计上把压缩段开始处的一个螺槽容积和终止处的一个螺槽容积之比称为几何压缩比。几何压缩比的值并不完全与物料的压实程度相吻合。螺杆的几何压缩比取决于所加工的塑料种类、进料时的聚集状态和挤出制品的形状。粉状的压缩比应比粒料为大，在挤出薄壁型材时压缩比应比挤出厚壁制品为大。③计量段(均化段)螺杆的最后一段为计量段。这段的作用是使熔体进一步塑化均匀，并使料流定量、定压、定温由机头流道均匀挤出。所以这段称为计量段。这段螺槽的截面可以是恒等的，但比前两段都小，其深度(H3)为0.02-0.06D。这段的长度6-10D，与塑料种类有关。某些热敏性塑料(如聚氯乙烯)，就不宜在这段作过久的停留。（3）螺杆各段的分配比例（4）螺杆的主要参数①螺杆直径（D）螺杆直径是指螺纹的公称直径，表示挤出机的大小规格，目前国内广泛使用为30、45、65、90、120、150、180、200、250、300㎜的挤出机，螺杆直径的选择视制品截面而定。②长径比（L/D）长径比是螺杆的有效长度与螺杆直径之比，常见的长径比有15、20、25、30等，长径比加大后，螺杆长度增加，物料相对停留时间增加。塑化更充分均匀，但加工难度增大，故应为求在较低长径比的条件下获得优质高产。最大的竞有达到40，长径比一般以在25左右居多。③压缩比（ε）螺杆加料段第一个螺槽容积和均化段最后一个螺槽容积之比称为压缩比。压缩比的获得有以下方法：①等矩不等深②等深不等矩③不等距不等深④综合结构螺杆。普通螺杆压缩比：3311)()(hhDhhD④螺槽深度(h)螺槽深度与物料的热稳定性有关，对剪切比较敏感的低粘度物料如PE、PA适合选择较浅的螺槽，对剪切速率不太敏感的高粘度物料如PVC，PC等，应选择较深螺槽。一般hs＝KD（hS为均化段螺槽深度）K——常数取0.02～0.06⑤螺距（s）螺旋角（￠）螺距是两个相邻螺纹间的距离，螺旋角是螺旋线与螺杆中心线垂直面之夹角。螺杆直径一定时，螺距就决定了螺旋角或螺旋角就决定了螺距，s=πDtg￠.理论和实验证明，30º的螺旋角最适合于细粉状塑料；15º左右适合子方块料；而17º左右则适合于球、柱状料。在计量段，根据公式推导，螺旋角为30º时产率最高。从制造角度考虑，对于普通等距不等深螺杆，常取螺距等于螺杆直径，此时螺旋角为17o42′⑥螺杆的头部结构一般呈钝尖的锥形，避免物料在螺杆头部停滞过久而引起分解。螺杆轴向变位，则在可调整压力表面开沟或滚花，对混合和受热都好，利于增大料流压力和消除脉动现象，常用来挤压粘度大、导热性不良或熔点较为明显的塑料。（5）螺杆的结构形式渐变式－无定型聚合物突变式－结晶型聚合物常规三段式螺杆的缺点在常规三段螺杆加料段物料为固态，均化段时物料为液态，而压缩段为固、液两态并存于螺槽中，随着固态物料的不断减少，当其强度不足以抵抗外力作用时，固体物料就会破碎而混到液体物料中。而塑料的导热性较差，完全将这些固体碎片熔融是很困难的，也是很慢的。这样就会形成一部分物料不能彻底熔融，导致温差，塑化也不均匀。常规三段螺杆存在着温度波动，必然也会造成压力波动和产量波动大的问题。（6）几种新型螺杆分离型螺杆（SeparatorScrew)屏障型螺杆（BarrierScrew）分流型螺杆（DiffluentScrew）①分离型螺杆这类螺杆是在螺杆的压缩段附加一条螺纹，这两条螺纹把原来一条螺纹形成的螺槽分成两个螺槽，一条螺槽与加料段螺槽相通，用来输送固态物料；另一条螺槽与均化段相通，用于液态物料的输送。这就避免了单螺纹螺杆固液共存于一个螺槽引起的温度波动。ParrScrewKimScrewMailleferScrew②屏障型螺杆所谓屏障型螺杆就是在螺杆的某部位设立屏障段，使未熔的固态物料不能通过，并促使固态物料熔融的一种螺杆。通常情况下，屏障段设在均化段与压缩段相交处。屏障型螺杆的雏形自从1967年出现第一个屏障型混炼段以来，国内外对它进行了许多研究，出现了各种变型的混炼段或混炼头。a-斜槽型屏障b-三角模型屏障ab图a所示的为斜槽型屏障段，由于斜槽结构，增加了对物料的推进作用。图b为三角槽型的混炼段，进、出料槽宽度从宽变窄，出料槽从窄变宽。对进入的物料起压缩作用，越过屏棱障之后起膨胀作用，有利于混合和塑化。③分流型螺杆这类螺杆的某—部位设置许多突起部分、沟槽或孔道，将螺槽内的料流分割，以改变物料的流动状况，改进熔融状况，增强混炼和均化作用，如销钉螺杆即是它们的代表。Saxton混炼头Dulmage混炼头菠萝混炼头销钉螺杆的作原理销钉螺杆是在普通螺杆的熔融段或均化段一定位置上设置一些销钉(按一定方式排列)，物料流经销钉时，销钉将含有固体料流或未彻底溶融的料流分成许多细小的料流，如图2所示。这些细小的料流在两排销钉之间比较宽阔的位置上又汇合在一起，经过第二排销钉时又被分成许多细小的料流，然后又汇合。经过这样的过程越多，料流中的固