第七章-塑料挤出机

1第四章塑料挤出机本章内容2第一节挤出成型工作原理及挤出机组组成第二节挤出成型理论简介第三节挤出机结构与参数选用第四节挤出机辅机第五节其它类型挤出机3挤出成型是塑料加工的重要成型方法之一大部分热塑性塑料都可以用挤出成型的方法加工生产截面不变的连续产品，理论上可以无限长管、棒、板、薄膜、单丝、电线、异型材、中空制品等还可进行塑料的造粒、为吹塑备料等第一节挤出成型工作原理及挤出机组组成4一、挤出成型生产工艺及挤出机组组成（一）挤出成型生产工艺过程5（二）挤出机组冷却定型卷取（切断）挤出机（主机）辅机控制系统挤出机组牵引61、挤出机（主机）挤压系统传动系统加热冷却系统7挤出机主机82、辅机机头（口模）定型装置冷却装置牵引装置卷取装置切割装置93、控制系统由电器、仪表和执行机构组成。可控制主机和辅机的拖动电机、驱动油泵、液压缸等机构的动作。并检测主机和辅机的温度、压力等参数，最终实现对整个挤出机组的控制和对产品质量的控制。10二、挤出机的分类与型号表示1、国产塑料挤出机分类按螺杆数：单螺杆与多螺杆按是否排气：排气式与非排气式按有无螺杆：螺杆式与无螺杆式按螺杆位置：卧式与立式2、型号表示：SJ-65/20A塑料（S）挤出机（J），螺杆直径65mm，螺杆长径比20，第一次改进（A）113、挤出机的主要技术参数螺杆直径D（mm）螺杆的长径比L/D螺杆的转速范围（nmin~nmax）主螺杆的驱动电动机功率P（kW）挤出机成产能力Q料筒的加热功率E（kW）机器的中心高度H机器的外形尺寸12第二节挤出理论简介1、挤出理论用于描述物料在螺杆和口模中运动、变化规律的基本理论。2、工作过程与螺杆的职能分区固体输送、熔融、均化3、挤出理论的三种过程固体输送理论：描述加料区（固体输送区）内物料的固体输送过程熔融理论：描述过渡区（熔融区）的高弹态物料的变化过程熔体输送理论：描述挤出区（均化区）的粘流态熔体的输送过程13一、固体输送理论1、理论依据①固-固摩擦静力平衡②假设：物料为密度固定的固体塞子、塞子与所有面接触且摩擦系数恒定、摩擦系数无关密度而与温度有关、螺槽为等深矩形并忽略杆筒间隙、料筒相对螺杆转动。2、公式其中，Qs为固体输送率；n为转速；h1为螺槽深；W为螺槽平均宽度；Db为螺杆外径；e为螺棱法向宽度；θ为固体输送角；ψ为螺旋升角。14固体输送理论的结论1、Qs与n、h1成正比，与螺杆直径接近平方成正比；2、Qs随固体输送角的增大而增大。3、输送率与摩擦系数有关。欲达高输送率，需螺杆光滑、筒壁轴向系数小而周向系数大；4、输送区尽早建立较大压力有利于稳定输出；动力主要消耗在料筒摩擦上；物料的性质和形状影响输送率、压力的建立和温升。应用：纵向锥度并开槽、强力冷却15二、熔融理论1、理论依据①冷却实验②假设：过程稳定、固相为均匀连续体、熔融体温度范围窄故与固相分界明确、螺槽截面为矩形、固体塞子厚度无限且密度不变、速度不变。2、公式熔融区长度为：16熔融理论的结论对熔融区长度的影响：1、物料性能比热容↓、导热系数↑、密度↑、熔融潜热↓、熔融温度↓，则使ZT变小。2、工艺条件挤出量G：增则使熔融的发生和结束均推迟，ZT加长，末端温度波幅增大，质量变坏。3、螺杆几何参数螺槽渐变度、螺棱料筒间隙应用：背压控制、渐变螺槽、间隙控制17三、熔体输送理论1、理论依据①如何保证塑料在均化段完全塑化，并使其定压、定量和定温地从机头挤出，以获得稳定的产量和高质量的产品。②假设：等温牛顿流体、粘度密度不变、层流、不可压缩、等螺距、矩形等深槽并忽略曲率、因槽宽大故速度沿螺槽不变、螺筒转动。2、熔体的流动正流、逆流、横流、漏流3、流量公式Q=Qz-Qp-QL18熔体输送理论的流量分析1、螺杆转速n、直径D2、均化段长度L3、螺棱宽度e3、螺棱螺筒间隙δ03、均化段螺槽深度h3h3增1倍，则Qz增1倍，而Qp增7倍，有一个最优点。4、出口处压力p2一定的逆流和漏流有利于均化与混合。5、分析的应用：19螺杆工作时，压力从均化段开始处往后逐渐升高；螺杆出口处的压力为p，为最高压力处。螺杆出口接机头，即口模。机头中的压力分布：螺杆的出口或机头的入口处最高，往后逐渐降低，至机头出口降至零。四、挤出机综合工作点口模熔融段均化段p1p2p出料两部分分别讨论…20流量公式化成：忽略均化段入口处压力，则Δp可用机头压力p代替，即可写成：1、螺杆特性线212、口模特性线pnQ）（21机头的物料流率显然与机头压力成正比，即机头口模的流动方程为：口模特性线如OD1、OD2、OD3。其斜率k与口模的结构、滤网设置等有关。实际工作状态是螺杆特性线和口模特性线共同决定的。223、综合工作点1）实际工作图不再是直线2）考虑更多因素的实际工作图n1、n2：不同转速n2n1k1：有压力调节，k2：则无压力调节Qu：观察制品均化度确定的质量线Tmax、Tmin：最大允许和最小可能的熔体温度W：经济挤出量下限线23第三节挤出机结构与参数选用本节将介绍三个部分内容：一、挤压系统二、传动系统三、加热与冷却系统24一、挤压系统挤压系统由以下几个部分组成：（一）螺杆（三）分流板和过滤网（二）料筒（四）加料装置25（一）螺杆螺杆是完成塑料塑化和输送的关键部分。挤出机的生产率、塑化质量及动力消耗等都主要取决于螺杆的性能。常规螺杆（普通螺杆）新型螺杆261、常规螺杆的结构及参数塑料在挤出机中存在三种物理状态（玻璃态、高弹态和粘流态）的变化过程，每一状态对螺杆结构要求不同。为此，通常将挤出机的螺杆分成三段：加料段（固体输送段）熔融段（压缩段，或过渡段）均化段（计量段，或挤出段）。27（1）螺杆类型的确定渐变型：热传导好、剪切小，适合热敏性物料如非结晶型塑料，如PS、PC、PVC、POM等，也可用于结晶型塑料。突变型：剪切大，适合粘度低、具突变熔点的结晶型塑料，如PE、PP、尼龙、ABS等聚烯烃类等塑料。28（2）螺杆直径的确定螺杆直径已标准化。应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来选用一定直径的螺杆。一般生产率要求越高，制品断面尺寸越大，则螺杆直径越大。选用时参考经验表或按经验公式Q=βD3n计算。Q(kg/h),D(cm),n(rpm),β=0.003～0.007（3）螺杆长径比的确定大则：有利于使塑化更充分更均匀，提高制品质量。有利于提高挤出机的生产能力。螺杆和料筒的加工制造和安装都较困难，功率消耗增大，成本高；影响挤出机的寿命；对热敏性塑料易产生热分解。29（4）螺杆的分段及各段参数的确定1）加料段作用是将固态物料压实并输送给压缩段和均化段。输送能力是它的核心问题。加料段的输送能力应与后两段的熔化和均化能力相一致。•螺纹升角ψ：理论上45°；为了加工方便，取s＝D，则ψ＝17°42′•螺槽深度h1：与固体输送能力、螺杆强度、物料压缩比有关。先确定h3，再由压缩比ε→h1•加料段长度L1：由经验数据确定非结晶型塑料：L1＝(0.1～0.25)结晶型塑料：L1＝(0.3～0.65)L302）压缩段作用是进一步压实物料，排除气体并使物料熔融。物料熔融后密度增加以及在压力作用下物料被压缩，这就需要补偿其体积变化以保证物料到达均化段时具有足够的致密度，因此应有足够的压缩比。等距螺杆的几何压缩比为：几何压缩比（指螺杆）物理压缩比（指塑料）＞压缩比一般根据经验选取，表4—3L2以经验方法确定：非结晶型塑料：L2＝（0.5～0.6）L结晶型塑料：L2＝（3～5）D31压缩段的渐变度描述螺杆从固体输送段过渡到均化段的变化速率。由熔融理论知道，渐变度的存在起加速熔融的作用。应当使渐变度与固体床的熔融速率相适应。（1）渐变度太大，易堵料；（2）渐变度太小，均化段螺槽中的熔体有可能充满不完全。设计不当将导致产量的波动。一般设计时，因物料的熔融速率无法预先知道，仍采用前述的压缩比概念。323）均化段作用是将来自压缩段的熔料相混合，使其温度、密度和粘度达到均匀，并且定压、定量、定温地输送到机头。h3的影响：应和压缩段的熔融能力相匹配。如果h3过大，使其潜在的熔料输送能力大于熔料能够充满的能力，压缩段未熔的物料有可能进入该段。残留的固相碎片若得不到进一步均匀塑化而挤入机头，就会影响制品质量。反之，若太浅则熔料受到的剪切过大，会使熔料温度升高，甚至过热分解。L3的影响：L3增大，可使物料均化时间延长，有利于物料的均匀混合，但过长会使加料段和压缩段在螺杆全长中所占比例变小，且对热敏性塑料易引起过热分解。这两个参数一般靠经验确定。h3＝（0.02～0.06）DL3＝（0.22～0.25）L(非结晶型)L3＝（0.25～0.35）L(结晶型)33（4）螺杆头部结构应选择合理的螺杆头部形状，以使物料尽可能平稳地从螺杆进入机头，避免产生涡流，使局部滞留受热时间过长而产生热分解（滞料现象）。a、b:常用结构c、d:顶部死角，用于流动性好的塑料e、f:用于流动性差的热敏性塑料g、h:非对称头部防滞料i:用于粘度大、导热不良、熔点明显的物料j:挤电缆专用34螺杆的工作条件恶劣(高温、高压、腐蚀、磨损并承受较大的扭矩)，因此，螺杆材料应具有较高的力学性能和较好的切削、热处理性能。常用的材料有45钢、40Cr、38CrMoAl，并经表面镀铬或氮化处理。使用最多的是38CrMoAl。也有的是在螺杆表面喷涂或堆焊耐磨耐腐合金以提高螺杆的使用寿命。（5）螺杆的材料选择352、新型螺杆常规全螺纹三段螺杆存在的问题：固体输送能力低，熔融效率低且不彻底，塑化混炼不均匀，压力、温度、挤出速率波动大等。（1）分离型螺杆在压缩段设置一条附加螺纹（也称副螺纹），其外径小于主螺纹，将原螺槽一分为二，一条与加料段相通(固相槽)，另一条与均化段相通(液相槽)，由于主副螺纹螺矩不等，使液相槽逐渐变宽，至均化段时达到整个螺槽宽度，而固相槽变窄最后为零。431236（2）屏障型螺杆是在普通螺杆的某一部位(一般在螺杆头部附近)设置屏障段，使未熔的残余固体不能通过，并促使其熔融和均化的一种螺杆。37（3）分流型螺杆在普通螺杆的某一部位设置分流元件(如销钉或沟槽、孔道等)，将螺槽内的料流多次分割，以改变物料的流动状态，从而促进熔融、增强混炼和均化。38（二）料筒1、料筒的结构形式（1）整体式料筒在整体材料上加工出来，容易保证较高的制造精度和装配精度，可简化装配工作，便于加热冷却装置的设置和装拆，料筒受热均匀。但对加工设备和加工技术要求较高，且内表面磨损后不易修复。39（2）分段（组合）式料筒将料筒分成几段加工，再用法兰或其它形式联接起来。其加工较整体式容易，且便于改变螺杆长径比，但分段多，难以保证各段的同轴度，连接处热损失大，加热的均匀性较差，加热冷却系统的设置和维修也不方便。多用在实验性挤出机和排气挤出机上。40（3）双金属料筒为了节约贵重材料，大、中型挤出机的料筒常在一般碳素钢或铸钢的基体内部镶一段可更换的合金钢衬套，以便磨损后更换，或是在料筒内离心浇铸一层约2mm厚的合金层。这种料筒的使用寿命较长。41（4）料筒的新型结构生产中为提高加料段的固体输送效率，以充分发挥各种新型螺杆的工作效能，常采用一些新型结构，如：在料筒内壁开纵向沟槽、将内壁做成锥形并开槽；加大料筒表面切向摩擦系数和物料通过面积；对加料段强力冷却。422、加料口加料口的形状和位置对加料性能有很大影响。加料口的形式必须和物料的形状相适应，应能使物料顺利地加入料简而不产生“架桥”现象。加料口的形状(俯视)有圆形、方形，也有矩形的。一般情况多用矩形的。其长边平行于料筒轴线，长度约为螺杆直径1.3～1.8倍。当采用机械搅拌强制加料时多用圆形的加料口。适于带状料，不适于粒料和粉料多用于简易式挤出机多用于简易式挤出机433、料筒与机头的联接形式铰链螺栓连接螺钉连接剖分连接冕形螺母连接44（三）分流板与过滤网使料流由螺旋运动变为直线运动；阻止未熔融的粒子和杂质进入口模；形成背压，提高熔料压力，保证塑化质量。分流板同时还对过滤