第七章 挤出成型_pdf资料

挤出成型一、概述挤出成型是高分子材料加工领域中，是一个变化众多，用途最广，比重最大的成型工艺。挤出过程是使高分子材料的熔体在挤出机的螺杆挤压作用下，通过具有一定形状的口模而连续成型，所得的制品为恒定截面的连续型材。三大合成材料的挤出，没有本质上的区别，所用设备加工原理大同小异。挤出理论、工艺以塑料为多，故本节主要讨论塑料的挤出成型。橡胶挤出－压出；合成纤维－螺杆挤出纺丝；塑料－主要热塑性塑料的挤出，现也有热固性。挤出成型的塑料制品都是连续的型材。如：管材、棒、板、片、带、薄膜、单丝、电线电缆包层、异型材等。塑料上色，混炼，塑化造粒，共混改性等。以挤出为基础的配合吹胀和双轴拉伸：吹塑成型和拉幅成型。二、工艺特点∗连续成型，产量大，生产率高。∗制品外形简单，是断面形状不变的连续型材。∗制品质量均匀密实，各向异性小，尺寸准确性较好。∗适应性很强：几乎适合除PTFE外所有热塑性塑料。只要改变机头口模，就可改变制品形样。可用来塑化，造粒，染色，共混改性，也可同其他方法混合成型。此外，还可作压延成型的供料。三、挤出成型基本过程1、塑化在挤出机那将固体塑料加热或塑料之间的内摩擦热使其变成粘流态料。2、成型在挤出机的螺杆旋转推挤作用下，通过具有一定形状的口模，使粘流态料得到连续的型材。3、定型用适当的方法，使挤出的连续型材冷却定型为制品。四、挤出成型设备螺杆挤出机－连续成型，最多。柱塞挤出机－间歇成型，一般不用。单螺杆螺杆式挤出机双螺杆多螺杆其中以单螺杆最常用，也较为简单。第一节单螺杆挤出机的基本结构及其作用原理加料装置传动系统挤出系统料筒螺杆机头口模单螺杆挤出机加热和冷却系统控制系统附属装置一、料斗即加料装置，以保证物料向料筒供应。有冷却夹套，有定时定量自动加料装置。二、料筒是一个受压的金属圆筒，其外层有加热和冷却系统。料筒的作用：（3～4段）∗对塑料加热；∗配合螺杆使塑料塑化。对塑料冷却的目的：防止停车时，因过热造成分解。三、螺杆是挤出机的在主要的部件，其结构对挤出工艺有较为重要的影响，挤出不同高聚物有不同结构形式的螺杆。1、螺杆的结构2、螺杆的几何结构参数∗螺杆的直径D；∗螺杆的长径比L／Ds∗螺杆的压缩比A∗螺槽深度H∗螺旋角∗螺纹棱部宽E∗螺杆与料筒的间隙∗螺杆的直径D代表挤出机的规格。D↑，挤出机生产能力↑。∗螺杆的长径比L／Ds（15～25）影响挤出机的产量和挤出质量（衡量塑化效率）。L／Ds↑，塑料的停留时间↑，混合塑化效果↑。∗螺杆的压缩比A（2～5）A＝螺杆第一螺槽的容积/螺杆最后螺槽的容积A的获得：等距变深，等深变距，变深变距。A↑，制品致密，排除物料中所含空气的能力大。∗螺槽深度H图正比于挤出量。H小，产生的剪切速率大，塑化效果好，但生产率低。H3＝KD，K＝0.02～0.06，D小K取大值，D大K取小值。∗螺旋角（10～30o），出料快，生产率↑，但停留时间短，塑化效果↓。螺杆在螺距＝直径时最易加工，此时，＝1741’。o∗螺纹棱部宽E影响漏流，进而影响产量。∗螺杆与料筒的间隙3、螺杆的作用∗输送物料螺杆转动时，塑料在旋转的同时受到轴向压力，向机头方向流动以挤出成型。∗传热塑化物料与料筒配合，使塑件接触传热面而不断更新，在料筒外加热与螺杆摩擦作用下软化、熔融为粘流态。∗混合与均化物料与料筒和机头相配合产生强大的剪切作用，使物料均匀混合，塑化好。在螺杆的全长部分各段作用及结构使不同的，一般分为三段：（1）加料段L1靠近料斗一端，在该段对塑料主要起传热软化、输送作用，无压缩作用。是固体输送。L1的长度：结晶型：熔点前，难压缩，L1较长。无定型：随T↑，形变↑，有压缩，L1不长。（2）压缩段L2螺杆的中段。物料在此段继续吸热软化、熔融，直到最后完全塑化，塑料在该段范围内可以进行较大程度的压缩。压缩作用的来源：渐变型：螺距变化；螺槽深度变化。突变型：等深等距深槽等深等距深槽（1～2个螺距过渡）压缩段的长度：结晶型塑料：Tm很窄，到Tm后，∴L2很短即可。无定型塑料：Tf较宽，L2较长。（3）均化段L3靠机头口模一端。为等距等深的浅槽螺纹，其作用是把压缩段送来的已塑化的物料，在均化段的浅槽和机头回压下搅拌均匀，成为质量均的熔体，并且为定量定压挤出成型创造必要条件。（也称计量段）均化段要维持较高的而且稳定的压力，以保持料流稳定，因此应有足够的长度，可为螺杆全长的20～25％。4、螺杆的形式等距变深等深变距渐变型图普通型螺杆螺纹突变型－螺杆分三段高效专用单头双头多头锥型螺杆头部可避免物料分解鱼雷头混合和受热效果好图5、螺杆的选用（1）材料对结晶型塑料：突变型螺杆——等距不等深；对无定型塑料：渐变型螺杆——等距不等深（2）L／D对硬塑料，塑化时间长，L／D大些；对粉末料，要求多塑化一些时间，应L／D大；对结晶型塑料，L／D大。（3）A根据不同的塑料选用不同的压缩比。例：硬料，A小；软料，A大。（硬PVC，A＝2～3；软PVC，A＝3～4）；四、机头和口模可以作为一个整体来看，机头和口模作用：∗使料流从螺旋运动变为平直运动。∗产生回压，利于进一步塑化，均化粘流态物料。∗产生必要的成型压力，使制品致密。∗成型，更换口模可改变制品断面的形状。机头与口模的组成部件：过滤网，多孔板，分流器，模芯，口模和机颈等。机头中还有校正和调整装置，能调整和校正模芯与口模的同心度、尺寸和外观。机头可分为：直向机头——用于挤管、片、其他型材。角式机头——挤薄膜、线缆包复物、吹塑制品。五、传动系统包括带动螺杆转动的电力和机械传动部。六、附属设备塑料的输送、预热、干燥等预处理装置。挤出后制品的定型、冷却装置。牵引装置。卷绕或切割装置。控制设备等。另外，附属设备因制品的不同而不同。如：挤－吹。挤出成型原理热塑性塑料在挤出过程中的变化：静态变化：固体弹性体粘流（熔融）体的形变。动态变化：在螺杆和料筒间沿螺槽向前流动。T、P、的变化；有化学结构和物理结构的变化；一、挤吹过程和螺杆各段的职能由于塑料在挤出过程中，在螺杆的全程中其形变特点和流动情况是不同。把塑料在挤出机内的流动沿螺杆往机头方向分三段来讨论。加料段：主要是固体输送，形变小的很；压缩段：相迁移段，有熔融变化，形变大，流动次要；均化段：是熔体输送，流动是主要的。二、挤出理论1、固体输送理论加料段的主要作用是固体输送。主要是流动。塑料：未熔化，疏松的固体，表面发粘结块，形变不大。旋转运动－物料与螺杆的摩擦作用力物料沿螺槽的向前运动轴向水平运动－螺杆旋转时的轴向分力螺杆表面的摩擦力大物料旋转运动⇑料筒表面的切向摩擦力小螺杆表面的摩擦力小料筒表面的切向摩擦力大物料轴向水平运动⇑为了提高轴向水平运动：∗螺杆表面光洁度⇑；∗螺杆中心通冷却水－物料与螺杆表面的摩擦力⇓∗料筒内壁光滑；∗加料段特设纵向沟槽－物料与料筒表面的切向摩擦力⇑2、熔化理论（塑料的熔化过程）塑料在压缩段是从固体状态到完全熔化状态，同时要受到压缩作用，在该段，物料温升快，料内摩擦作用大，压缩作用大。在压缩段塑料由固相→液相转变－－相迁移段。物料受到挤压：压缩比的作用逐渐溶化物料受热：料筒加热＋摩擦热（1）熔化过程压缩料筒热＋摩擦热相互粘结固体粒子紧密堆砌的固体床溶化当熔膜的厚度大于螺纹间隙时，熔膜被料筒表面“拖拽”而汇集于熔池。同时，固体床又以一定的速度沿Y方向移向分界面，加以补充形成新的熔膜，以保证状态稳定。（2）相迁移面熔化区内固体和熔体相的界面称为相迁移面。溶化发生在相迁移面上。（3）熔化长度从熔化开始到固体床的宽度降到零止的螺槽总长。熔化速度越高，溶化长度越短。（4）模型假设∗挤出过程是稳定的。∗这个固相为均匀的连续体。∗塑料的熔融温度范围很窄。（5）熔化理论可归结为∗熔化物料的热源－－料筒加热＋熔膜内摩擦热∗这些热量通过熔膜传导到迁移面∗固体粒子在分界面上熔化∗沿螺槽深度方向物料的温度分布和速度分布为：3、熔体输送理论均化段物料是均一的粘流状态，它关系到挤出产量和质量，对这段主要研究物料的流动——是一种拖拽流动。均化段螺槽：螺杆旋转时，由于推挤作用，塑料沿Z方向移动，但由于机头回压，塑料又有反压流动，使均化段料流复杂，一般认为，物料在均化段有四种流动，即正流、逆流、横流、漏流，挤出流量使这四种流动的总和。（1）正流按Z方向，是沿螺槽向机头口模方向的流动，是均化段熔体流动的主流，以QD表其体积流率。（2）逆流按Z的反方向，沿螺槽向加料口方向的流动，这是受机头口模阻力造成的反压流动，以Qp表其体积流率。（3）横流粘流态料在螺槽与料筒之间，沿垂直－水平方向的环流，是由于螺杆旋状推挤作用造成的，以QT表示。（4）漏流塑料熔体从螺杆与料筒的间隙中流动，沿螺杆的轴向的流动，是由于机头、口模的回压造成的，以QL表示。塑料在挤出机内的流动，其挤出量Q是上述四种流动综合的结果。如果忽略环流（QT）的影响，则均化段熔体的输送量（流率）为：Q均＝QD－（Qp＋QL）与螺杆的结构参数、T、P、有关。宏观上看只有物料沿螺杆的螺槽轨迹运动：三、单螺杆挤出机产生能力的计算1、实测法在挤出机上测出制品从机头口模中挤出的线速度，由此来确定产量，准确客观不通用。Q＝60⋅v⋅g⋅2、按经验公式计算对挤出机产生能力进行多次实际调查、实测，并分析总结而得，不全面。Q＝⋅D⋅n33、按固体输送理论计算把挤出机内的物料看成是一个固体塞子，把物料的运动看成象螺母在螺杆上移动。Q0.06⋅cos⋅Da⋅F⋅⋅n⋅'相当于一个螺距内的螺槽容积4、按粘性流体流动理论计算把挤出机内的物料当作粘流体，把物料的运动看作是粘流体流动，来计算生产能力。即为均化段熔体的流率：Q＝QD－（Qp＋QL）几个假设：∗塑料的流动是滞流（层流），为牛顿流动∗塑料的温度没有变化，当然其粘度也不变∗此段的螺槽宽与深度之比10根据：物料在螺杆中的速度分布；螺杆的几何尺寸；熔体在管道中的流动方程式。计算：三种流动的流率：2D2h⋅sincosn−Dh3⋅sin2⋅p−2D23⋅tg⋅pQ=212L⋅12EL⇓Q＝An－B·P/A和B只与螺杆的结构尺寸有关。如果考虑塑料的非牛顿型性，若删去QL，应为：2D2h⋅sincosn−Dhsin⋅K⋅p⎛⎞m⎝⎠Lm2m1Q=2m1(m2)2比较两式可以看出，第一项完全相同，第二项不同，说明塑料的流变性能仅与逆流项有关。四、螺杆特性曲线和机头口模特性曲线螺杆特性曲线：由式Q＝An－B·P/，A、B为常数，与温度有关。指定挤出机，在等温条件下操作，用不同的螺杆速率n，可作Q－p坐标图，得一系列具有负斜率的平行直线——螺杆特征曲线。而塑料熔体，通过机头和口模时的体积流率，可以根据牛顿液体在简单园管中的流动方程来表示：Q=K⋅pK－机头和口模的阻力常数。这也是通过原点的直线方程，如果口模尺寸不同，K值不同，斜率不同，可以作出一系列的直线——口模的特征曲线。两组曲线的交点是操作点。利用这种图，可以求出指定挤出机，配合不同的机头口模时的挤出量。。五、挤出流率的影响因素1、物料压力P与Q的关系A：A↑，P↑：螺杆与料筒的间隙：，P↑h3：螺槽深：h3↓，P↑K：机头口模的阻力，K↑，P↓正流与P无关，逆流和漏流与P成正比。PQ↓，但有利于塑化。2、螺杆转速n与Q的关系A⋅K⋅nQ=KB对一定的机器，挤出量与螺杆转速成正比3、螺杆几何尺寸对生产能力的关系主要是螺槽深和均化段长度。（1）螺槽深h3正流与h成正比，逆流与h成正比。3深槽螺杆的挤出量7－17受压力的影响大。（2）均化段长度L3L长，受模具阻力的影响就小。7－184、物料温度T与Q的关系温度的变化直接影响物料的粘度，从我们前面推导出的公式来看，Q与无关。在机头和口模尺寸不变的情况下，粘度大的螺杆对其产生的压力高：P=BA⋅nK⋅结论：Q与温度T也无关。实际上，T的变化相当于影响了均化段的长度。五、机头口模的阻力与Q的关系机头口模的助理与口模的截面尺寸和长度有关，也影响挤出量Q。物料流动时受到阻力，大体上与口模的截面积成反比，与长度成正比。阻力愈小，挤出量受压力的影响愈大。QABCp口模阻力：ABC挤出成型工艺一、挤出