塑料成型工艺第5章

第五章挤出成型ExtrusionMolding内容简介：挤出成型是借助螺杆的挤压作用,使塑化均匀的塑料强行通过机头成为的连续制品，如管、板、丝、薄膜、电线电缆等。挤出成型是塑料成型加工中重要方法之一。本章重点是掌握挤出设备、工艺过程、挤出理论和特点。难点是对单螺杆挤出原理的理解。挤出成型的制品(products)挤出成型的制品(products)几种典型制品的生产线(productionline)挤出片材生产线挤出线缆包覆成型生产线挤出吹塑薄膜生产线EPE发泡膜(珍珠棉)机组-发泡膜机组5.1概述一、挤出成型也称挤压模塑或挤塑，即借助螺杆或柱塞的挤压作用，使受热熔化的塑料在压力推动下，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。挤出法几乎能成型所有热塑性塑料和某些热固性塑料。生产的制品：管材、板材、薄膜、单丝、线缆包覆物及塑料与其它材料的复合材料等。挤出制品占热塑性塑料制品的40～50％，此外还可以用于塑化造粒、着色和共混等。二、挤出成型分类1.按塑化方式分：干法和湿法（1）干法：靠加热将塑料变成熔体，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。（2）湿法：用溶剂将塑料充分软化。塑化和加压须分为两个独立的过程，而且定型处理必须采用较麻烦的溶剂脱除，同时还得考虑溶剂的回收。仅用于硝酸纤维素和少数醋酸纤维素等。2.按是否排气分：可分为排气式挤出机和非排气式挤出机3.按加压方式分：连续式和间歇式（1）连续式：借助螺杆旋转产生压力和剪切力，使物料充分塑化和混合均匀，通过型腔（口模）而成型。（2）间歇式：柱塞式挤出机借助柱塞压力，将事先塑化好的物料挤出口模而成型。5.2挤出设备ExtrusionMachinery是挤出成型过程中的关键设备，它的规格及工艺控制直接影响挤出过程的产量的质量。一台挤出设备通常由主机（挤出机Extruder）、机头和口模、辅机及其控制系统组成。通常这些组成部分统称为挤出机组。挤压系统：主要由料筒和螺杆组成。塑料通过挤压系统而塑化成均匀的熔体，并在这一过程中所建立的压力下，被螺杆连续地定压定量定温地挤出机头。传动系统：它的作用是给螺杆提供所需的扭矩和转速。加热冷却系统：其功用是通过对料筒（或螺杆）进行加热和冷却，保证成型过程在工艺要求的温度范围内完成。5.2.1螺杆挤出机螺杆挤出机由挤出装置（螺杆和料筒）、传动机构和加热冷却系统等主要部分组成。挤出系统加热、冷却系统传动与控制系统一、单螺杆挤出机单螺杆挤出机是由一根阿基米德螺杆在加热的料筒中旋转构成的。挤出机大小一般用螺杆直径来表示。1.传动装置带动螺杆转动的部分。通常由电动机、减速箱和轴承等组成。在挤出过程中，要求螺杆转速稳定，不随螺杆负荷的变化而变化，以保证制品质量均匀一致。但在不同的场合下，又要求螺杆能变速，以达到一台设备能适应挤出不同塑料或不同制品的要求。传动部分采用无级变速。螺杆转速为：10～100转/分钟。设有良好的润滑系统和迅速制动的装置。2.加料装置供料一般采用粒料、粉料和带状料等几种。装料设备通常使用圆锥形和方锥形加料斗，其容积至少能容纳1小时的用料。料斗底部有截断装置，以便调整和切断料流。侧面有视孔和标定计量的装置。有些料斗带有减压或加热装置、搅拌器、自动上料或加料装置。加料孔周围应设有冷却夹套、以排除高温料筒向料斗传热，避免料斗中的塑料因升温而发粘，以致引起加料不均或料流受阻。3.料筒挤出机的主要部件之一，为一金属圆筒。挤压时料筒内的压力可达55MPa，工作温度一般为80一300℃，因此．料筒可看作是受压和受热的容器。制造料筒的材料须具有较高的强度、坚韧耐磨和耐腐蚀。塑料的塑化和加压过程都在其中进行。外部设有分区加热和冷却装置。加热：电阻、电感或其它方式。冷却：风冷或水冷。4.螺杆挤出机的关键部件，直接关系到挤出机的应用范围和生产率。通过螺杆的转动，对塑料产生挤压作用，塑料在料筒中才能产生移动、增压和从摩擦取得部分热量，塑料在移动过程中得到混合和塑化，粘流态的熔体在被压实而流经口模时，取得所需形状而成型。由于塑料品种很多、性质各异，因此为适应加工不同塑料的需要，螺杆的种类很多，结构上也有差异，以便能对塑料产生较大的输送、挤压、混合和塑化作用。表示螺杆结构特征的基本参数有直径、长径比、压缩比、螺距、螺槽深度、螺旋角、螺杆与料筒的间隙等。（1）螺杆的直径（D）和长径比（L/D）①螺杆直径（D）我国挤出机的螺杆直径标准:30、45、65、90、120、150、200。一般情况下，螺杆的直径应符合此系列，螺杆直径的大小一般根据所加工制品的断面尺寸，加工塑料的种类和所要求的生产率确定。一般45～150mm，螺杆直径增大，加工能力提高，挤出机的生产率与螺杆直径D的平方成正比。②长径比（L/D）螺杆工作部分有效长度与直径之比。通常为18～25。1增加螺杆长径比，塑料在螺杆中的停留时间增加，塑化的更加均匀，故可以提高螺杆转速来提高产量。2长径比加大后螺杆、料筒和装配等比较困难和复杂。3塑料挤出机一般选择L/D=18，20，25，30，40，45L/D大，能改善物料温度分布，有利于塑料的混合和塑化，并能减少漏流和逆流，提高挤出机的生产能力。L/D大，螺杆适应能力强，能用于多种塑料的挤出。但L/D过大，使塑料受热时间增长而降解；螺杆自重增加，自由端挠曲下垂，引起料筒与螺杆间擦伤，使制造加工困难，增大功率消耗。过短的螺杆，容易引起混炼的塑化不良。（2）螺旋角（）和螺棱宽度（e）螺旋角是螺纹与螺杆横断面的夹角。随增大，挤出机的生产能力提高，但剪切作用和挤压力减小螺旋角的大小与物料的形状有关:细粉状塑料：30°左右；方块料：15°左右；球、柱状料：17°左右。通常以螺距等于直径的最易加工．这时螺旋角为17.6°，＝17°41’，而且对产率的影响不大，螺杆的螺旋方向，一般为右旋。螺棱的宽度一般为0.08—0.12D，但在螺槽的底部则较宽，其根部应用圆弧过渡。（3）压缩比螺杆加料段最初一个螺槽容积与均化段最后一个螺槽容积之比。压缩比为2－5。表示塑料通过螺杆全长范围时被压缩的倍数。压缩比愈大，塑料受到的挤压作用愈大螺槽浅时，能对塑料产生较高的剪切速率，有利于料筒壁和物料间的传热，物料混合和塑化的效率高，但生产率降低。螺槽深时，情况相反。作用：将物料压缩，排除气体，建立必要的压力，保证物料到达螺杆末端时有足够的致密度。几何压缩比要大于物理压缩比获得压缩比的方法：等距变深、锥形螺杆、等深不等距，不等深不等距等。其中等距变深螺槽是最常用的方法。热敏性塑料，宜用深螺槽螺杆（如PVC）；熔体粘度高，热稳定性较高的塑料，宜用浅螺槽螺杆（如PA）。(4)螺杆头部的形状螺杆头部一般呈钝尖的锥形①渐变型：等距不等深（5）螺杆的结构形式②渐变型：等深不等距③突变型（5）螺杆各段的功能物料沿螺杆前移时，经历着温度、压力、粘度等的变化，这种变化在螺杆全长范围内是不同的，根据物料的变化特征，将螺杆分为以下三段：①加（送）料段（固体输送理论）作用：对料斗送来的塑料进行加热，同时输送到压缩段.塑料在移动过程中，一般保持固体状态。加料段的长度随塑料品种而异：挤出结晶聚合物最长，硬性无定形聚合物次之，软性无定形聚合物最短。加料段螺杆对塑料一般没有压缩作用，故螺距和螺槽的深度都可以保持不变，螺槽深度也较深，因此加料段通常是等深等距的深槽螺纹螺杆。②压缩段（迁移段、过渡段）作用:对加料段送来的料起挤压和剪切作用.进一步压实物料，使物料由固体转为熔融体，并排除物料中的空气。为适应将物料压实，将气体推回加料段和物料熔化时体积减小等特点，本段应对塑料产生较大的剪切作用和压缩，通常使螺槽容积逐渐缩减(减小螺距及螺槽深度)，缩减的程度由塑料的压缩率决定。压缩段的长度与塑料的性质、塑料的压缩率有关。无定形塑料压缩段较长，为螺杆全长的55％一65％，熔融温度范围宽的塑料其压缩段最长，宜用渐变螺杆；结晶型塑料，熔融温度范围较窄，压缩段较短，为3—5D，宜用突变螺杆。③均化段（计量段）：（熔体输送理论）作用：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，并定量定压地通过机头口模挤出成型。由于从压缩段来的物料已达到所需的压缩比，故均化段一般无压缩作用，螺距和槽深可以不变，这一段常常是等距等深的浅槽螺纹。对于渐变形螺杆，本段螺杆螺距最小或槽深最浅，这种螺杆实际上无均化段。为避免物料因滞留在螺杆头端面死角处引起分解，螺杆头部常设计成锥形或半圆形。有些螺杆的均化段是一表面完全平滑的杆体，称为“鱼雷头”，但也有刻上凹槽或铣刻成花纹的。鱼雷头具有搅拌和节制物料、消除流动脉冲现象的作用，并能增大物料的压力，降低料层厚度，改善加热状况，且能进一步提高螺杆塑化效率。5.机头和口模机头的作用是将处于旋转运动的塑料熔体转变为平行直线运动，使塑料进一步塑化均匀，并将熔体均匀而平稳地导入口模，赋予必要的成型压力，使塑料易于成型和取得制品密实。口模为具有一定截面形状的通道，塑料熔体在口模中流动时取得所需形状，并被口模外的定型装置和冷却系统冷却硬化而成型。口模一般由口模分配腔、引流道和口模成型段(“模唇”)这三个功能各异的几何区组成(图5—7)。机头与口模的组成部件包括过滤网、多孔板、分流器、模芯、口模和机颈等部件。使料流由螺旋运动变为直线运动，阻止为熔融的物料粒子进入口模，滤去金属杂质等，此外它还能提高融体压力，使制品比较密实，当物料通过孔眼时得到进一步塑化，以控制塑化质量。1机头的作用：熔体由螺旋运动变成直线运动，均匀导入口模，还产生必要的压力，使塑料易于成型，所得制品密实。2口模作用：熔体在口模中流动时取得所需形状。3机头口模的组成：过滤器，多孔板，分流器（分流器支架），口模，模芯，机颈。4多孔板作用：1机头和料筒对中。2支承过滤网。3对熔体产生反压。（1）圆孔口模挤出塑料圆棒、单丝和造粒。具有圆形出口的横截面。典型的一维流动，同心圆上的轴向流速是相同。出口具有狭缝形的横截面。具有分配腔直管式口模(T型口模)：熔体在这种口模内的停留时间在中部和两侧相差很大。聚烯烃、聚酯鱼尾形口模(扇形口模)：口模的流道没有死角，流道内的容积小而减小了熔体的停留时间。熔体粘度高，热稳定性差,PVC衣架式口模：停留时间分布较一致。硬PVC（2）扁平口模挤出法生产平膜和片材。（3）环形口模挤出管子、管状薄膜、吹塑用型坯、涂布电线。出口具有环形截面。由口模套和芯模组成有支架式：熔体经分流梭再绕过支架后汇合成管状物从环形流道挤出，汇合处的熔接痕就会影响到制品质量直角式：熔体的流程是不等的，在模唇部分的压力降和流率也不同，进而影响厚度分布。螺旋芯模式:克服支架式和直角式口模在挤管和吹制管膜中所出现的熔接痕而研制的。储料缸式：（4）异形口模异型制品（型材）：从任一口模（异形口模）挤出而得到具有不规则截面的半成品。有中空和开放式两大类。三、挤出机的辅助设备1.原料输送、干燥等预处理设备；2.定型和冷却设备，如定型装置、水冷却装置、空气冷却装置；3.用于连续地、平稳地将制品接出的可调速牵引装置；4.成品切断和辊卷装置；5.控制设备等。四、挤出机的一般操作方法1.开车前准备的工作；2.机器运行开始的工作；3.停车时的工作；4.清理设备。注意：电、热、机械转动、笨重部件装卸等。5.3单螺杆挤出原理挤出机中固体输送、熔化和熔体输送与操作条件、塑料性能和螺杆的几何结构之间的关系是重要的。5.3.1固体输送（Darnel-Mol理论）以固体对固体的摩擦力静平衡为基础。假设：（1）物料与螺槽和料筒内壁所有边紧密接触，形成固体塞或固体床，并以恒定的速率移动；（2）略去螺棱与料筒的间隙，物料重力和密度变化等的影响；（3）螺槽深度是恒定的，压力只是螺槽长度的函数，摩擦系数与压力无关；（4）螺槽中固体物料像弹性固体塞一样移动，受周围的螺杆和料筒表面之间的摩擦力控制，只有物料与螺杆之间的摩擦力小于物料与料筒之间的摩擦力时物料才能沿轴向前进，否则物料将与螺杆一起转动。固体输送率Qs：dRieRVQbsRRapLs