郑州大学：塑料成型工艺学 郑国强(模具方向)――第五章 挤出成型

第五章挤出成型内容简介：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（口模）而成为连续的制品，如管材、板材、丝、薄膜、电线电缆等。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，可分为连续式和间歇式；按塑料的塑化方式不同可分为干法和湿法两种。本章重点：1.单螺杆挤出原理2.几种制品的挤出工艺：吹塑薄膜、管材、拉伸产品、板与片、其它产品定义：挤出成型又叫挤塑、挤压、挤出模塑。是借助螺杆或柱塞的挤压作用,使塑化均匀的塑料强行通过口模而成为具有恒定截面的连续制品。挤出管材生产管材挤出的辅助设备挤出片材生产挤出线缆包覆成型挤出吹塑薄膜挤出中空吹塑成型塑料挤出成型工艺流程•挤出过程：加料——在螺杆中熔融塑化——机头口模挤出——定型——冷却——牵引——切割挤出成型的特点:①连续化,效率高,质量稳定②应用范围广③设备简单,投资少,见效快④生产环境卫生,劳动强度低⑤适于大批量生产适用的树脂材料：绝大部分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、酚醛树脂及密胺树脂等应用：料薄膜、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，还可用于粉末造粒、染色、树脂掺和等。•由挤出机、机头和口模、辅机等组成。5.1挤出设备主要设备5.1.1单螺杆挤出机的组成单螺杆挤出机主要由传动系统、加料系统、塑化系统、加热与冷却系统、控制系统等组成。挤出系统是最主要的系统，它由料筒、螺杆、多孔板和过滤网组成。单螺杆挤出机的结构传动系统：是带动螺杆转动的部分，通常由电机、减速机构以及轴承等组成；加料装置：主要是料斗，但工厂都采用自动加料装置，甚至带有烘干、计量装置等；料筒：包裹在螺杆外部的装置，起到受热受压的作用，物料的塑化和加热、加压都在其中进行，大部分都有冷却装置（风、水冷）；螺杆：利用它才能使料筒内的塑料向前移动，得到加压和热量（摩擦热）；①螺杆的直径（D）和长径比（L/D），长径比决定了体积容量以及塑化的均匀性。螺杆的主要参数：D：螺杆外径；d：螺杆根径；L：螺杆长度；ｔ：螺距；Ｗ：螺槽宽度；ε：压缩比ｅ：螺纹宽度；ｈ：螺槽深度；φ：螺旋角；Ｌ/D：长径比。1-渐变型(等距不等深)2-渐变型(等深不等距)3-突变型4-鱼雷头螺杆Ⅰ-加料段（固体输送段）Ⅱ-压缩段（熔融段）Ⅲ-计量段（均化段）最常用的是等距不等深螺杆②螺杆形式和分段③螺旋角和螺棱宽度(e):螺旋角取决于料粒的形状，例如30o对应粉状，15o左右对应方块状，17o左右对应球状和柱状，④螺杆头部形状：一般呈锥形，以避免在螺杆头部停留过久而导致分解出现。5.1.2双螺杆挤出机的结构典型的双螺杆挤出机的螺杆：Colombo螺杆；锥型双螺杆；组合型双螺杆；5.2.2机头和口模※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比小于10※扁平口模一般用来生产厚度小于0.25mm的膜或板材※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※异形口模主要用来挤出不同横截面的制品※过滤板（网）的作用：Ⅰ.使物料由螺旋运动转变为平直运动。Ⅱ.过滤杂质和未熔化好的塑料颗粒。Ⅲ.使物料受到较大的剪切作用，以利于塑料塑化均匀。Ⅳ.使料筒和机头定位。※对机头结构的要求：Ⅰ.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，产量提高;D.太长，笨重，阻力大，Q降低。Ⅱ.机头中过渡部分应光滑，呈流线型。原因：防止物料的停滞和分解。Ⅲ.应设置调节装置，改善周边的流率分布。（厚度均匀）※物料处理设备主要指预热干燥等设备※挤出物处理设备主要指冷却、牵引、切割、卷取、检测设备※控制生产工艺的设备主要指各种测控设备5.2.2挤出机的辅助设备※设备调试※安全※清洗5.2.2挤出机的一般操作方法5.3单螺杆挤出原理学习目标：掌握挤出理论中影响生产和产品质量的因素5.3单螺杆挤出工作原理5.3.1固体输送加料段具有输送固体物料，兼有预压、预热作用。要使制品质量、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目前对此理论的推导最为简单的是以固体对固体的摩擦力静平衡为基础的。物料在该段类似于“弹性固体塞”，固体塞在螺槽内的运动就如螺帽在螺丝上的运动一样。①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。②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。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，塑料只能抱着螺杆空转打滑不能前移。固体塞摩擦模型受力分析由上图知：Fb=PAbfb，Fs=PAsfs，Fbz=AbfbPcosφ。稳定流动时，Fs=Fbz，则Asfs=Abfbcosφ①Fs=Fbz=0，物料在料筒中不能发生任何流动。②FsFbz，物料被夹带于螺杆中随螺杆转动不产生移动。③FsFbz，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(a)和固体塞移动速度的矢量图(b)•假设条件：①物料与螺槽和料筒壁紧密接触形成固体塞（床），以恒速移动；②略去物料重力、密度变化的影响；③磨擦系数恒定，压力是螺槽长度的函数；④螺槽为矩形•经过分析可看出物料的运动类似螺母运动。•提高固体输送的措施①适当提高螺杆转数N和螺槽深度H;②采用锥形结构料筒；在加料段料筒内壁开设纵向沟槽（提高fb）；冷却进料段防止物料提前软化；③冷却螺杆加料段（减小fs）,增加螺杆表面光洁度（减小fs）加料段的送料量Qs（摩擦力静平衡）Qs应为螺槽的横截面积与轴向速度Va的乘积，可得:Qs=SVa=π/4[D2－（D－2h)2]Va=πh(D-h)×Va（1）由上图的展开图可见，螺杆转动一周，物料在螺纹斜棱推力作用下，沿与斜棱垂直的方向由A移向B，AB在螺杆轴上的投影距离为l，物料在轴向的移动速度为Va；若螺杆的转速为N，则Va=l×N由上图中螺杆的几何关系可得出：πD=b1+b2=l·cotθ+l·cotφ=l（cotθ+cotφ）螺杆的展开图(a)和固体塞移动距离的计算(b)DcotcotL2D()tantantantanhDhNQ所以因此（2）DDtantancotcottantanaNNV（3）影响加料段送料量的因素：①物料的移动角（前进角）的影响：0≤φ≤900Ⅰφ=00时，φ最小。Ⅱφ=900时，φ最大。但对成型来说都不现实！！！②槽深h的影响：在D不变时，h增大，θ提高。③减小fs，Q↑。④增大fb，Q↑。⑤选择合适的螺旋角θ,且使最大时，Q↑。⑥D↑，Q↑，N↑，Q↑。⑦φ↑，θ↑。tantantantan①适当提高N和H;②采用锥形或强烈冷却的进料段料筒结构；在加料段料筒内壁开设纵向沟槽（提高fb）；③冷却螺杆加料段（减小fs）,增加螺杆表面光洁度（减小fs）一等螺杆Ra=0.8μm,优等0.4μm。④在螺杆中心通冷却水，以降低螺杆表面的摩擦系数影响加料段送料量的因素：5.3.2固体熔融※研究目的：①预测螺槽中未熔化物料量②熔化全部物料所需螺杆长度③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：本色料+3~5%着色料挤出——稳定后停止并迅速冷却螺杆和料筒——取出螺杆、剥下物料——切断螺旋带状料并观察截面形状※现象：①熔融料呈流线型，未塑化料始终呈固态②固—液两相有一明显分界线③固相逐渐消失，固体塑化完全集中在熔膜处※熔融机理：加料段压实——逐渐熔融成一层熔膜——超过后边螺槽刮落于前侧形成熔体池——固体床减小——直至物料完全熔融主要作用①使物料熔融塑化。②压实物料。③排出物料中的气体。螺杆的压缩比(ε):定义：指螺杆加料段第一个螺槽容积与计量段最后一个螺槽容积之比。对于常用的等距不等深螺杆的压缩比常用加料段和计量段螺槽的横截面积之比来表示。几何压缩比：工厂常用式ε=0.93h1/h3来表示。2211122333DdDhDdDh（3）熔化过程:图3-6-11为固体物料在螺槽中的熔化过程示意图。固体物料在螺槽中的熔融过程1-熔膜2-熔池3-迁移面4-熔融的固体粒子5-未熔融的固体粒子①熔膜：与料筒（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。②熔池：逐渐熔化的物料，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，称为熔池即液相。③固体床：熔池前面充满着受热软化和半熔化后粘接在一起的固体粒子，和完全未熔化的固体粒子，总称为固体床。④迁移面：熔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。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(a)和固体床在螺杆熔融区的体积变化(b)随着塑料向机头方向的移动，熔化过程逐渐进行。从始熔点A起，固体床宽度逐渐减小，熔池宽度逐渐增大，直至B点时，固体床消失，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D=90mmN=60转/分Q=71Kg/h螺杆压缩段中物料的速度分布(a)和温度分布(b)压缩段速度和温度的分布①料筒内表面处，Vz最大。②熔膜中，Vz在深度方向（Y）自上而下减小。③固体床中，各处Vz相等。这是因为有熔结固体块，粘度大，移动困难，差别不明显。④靠近螺杆的熔膜中，Vz在Y方向自上而下减小，直至螺杆处，Vz=0。粒料加人挤出机后,固体粒子以松散状态向前运动,同时粒子之间存在相互滑移。随着内部压力的建立,松散的粒子渐渐被压实,粒子间隙缩小,粒子相互运动的自由度减小进入熔融段后,粒子受热发生粘连,但粒子间界面仍然很清楚。由于热、力的作用使粒子发生变形,粒子间的空隙逐渐被填充,如图所示。从图可以看出,粒子中心的颜色接近固体颜色,粒子周边的颜色半透明,接近熔体颜色,这表明粒子中心部分的温度低于周边温度,同一粒子内部存在温度差。因此对每一个粒子而言,其熔融过程是从外向内进行的。可视化研究熔融实验结果熔体有四种形式的流动：正流：正流(拖曳流)Qd(cm3/h)，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；逆流：逆流（反流）Qp，与Qd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；环流：横流（环流）Qt,由分速度Vbx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、热交换起重要作用；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加料口方向流动，可降低挤出量。正常情况很小0.1～0.6mm，Ql小，但磨损严重时，Ql的增加与平方成正比。5.3.3熔体输送理论5.3.5单螺杆挤出机生产能力分析5.3.6螺杆和口模的特征曲线5.3.7挤出率的影响因素5.3单螺杆结构设计的改进学习目标：了解如何提高塑化效果、混合分散效果5.4普通三段式螺杆存在的问题目前，一般单螺杆多采用等距不等深螺杆，加料段常和均化段螺槽深度不变，压缩段螺槽逐渐变浅。这种螺杆可以满足一般的挤出成型，但存在以下几方面的问题：※熔融效率低熔融段熔体与固体床共同存在于一个螺槽中，减小了料筒壁与固体床的接触面积；固体床随着熔融解体，部分碎片进入熔体中，很难从剪切获得热量，这样，固体床不能彻底熔融；另外，已熔物料与料筒壁接触，从料筒壁和熔膜处获取热量，温度继续升高过热。※压力、温度和产量波动大固体输送时又与螺杆旋转产生较高频率的波动，由于熔融过程的不稳定性产生低频波动，温控系统的稳定性差或环境因素的变化引起的波动。※混合效果差不能很好适应一些特殊塑料的加工或混炼、着色工艺过程。5.4.1新型螺杆※排气式螺杆主要适用于含水和易产生挥发组分的物料，或易夹杂气体的物料。排气原理：物料到排气段基本塑化，由于该段螺槽突然加深