第12章-挤出工艺

第12章挤出工艺一、本章基本要求二、本章主要内容三、本章重点、难点提示四、复习思考题一、本章基本要求1、理解挤出工艺原理2、掌握挤出胀大及影响因素3、掌握常用制品的挤出工艺3、了解口型设计的原则和步骤4、了解常用橡胶的挤出特点二、本章主要内容§12.1橡胶挤出机§12.2挤出过程原理§12.3口型设计§12.4橡胶制品的挤出工艺§12.1橡胶挤出机橡胶挤出机一．橡胶挤出机的分类根据喂料方式分为：热喂料挤出机、冷喂料挤出机和排气冷喂料挤出机；根据螺杆数分为：单螺杆挤出机、双螺杆挤出机和多螺杆挤出机；根据用途不同分为：压出挤出机、滤胶挤出机、塑炼挤出机、混炼挤出机、压片挤出机及脱硫挤出机。二、挤出机的结构机筒传动系统加热冷却装置加料装置螺杆机头（口型）挤出机结构挤出机结构示意图螺杆机头机筒传动装置调温装置挤出机的技术参数功率生产能力螺杆结构转速范围压缩比长径比螺杆直径技术参数各部位的作用机筒：加热胶料，通过与螺杆的作用，移动、混合和塑化胶料。螺杆：主要工作部件，产生足够的压力使胶料挤出，同时使胶料塑化、混合、压缩。机头（口型）：改变胶料的运动形式，产生必要的挤出压力，赋予半成品必要的形状。加热冷却装置：控制加工温度。传动系统：改变螺杆转速。(1)机筒的结构形式按结构可分为整体式和组合式两种。(2)每段的温度控制1．机筒2．螺杆螺杆是挤出机的主要工作部件。它在工作中产生足够的压力使胶料克服流动阻力而被挤出，同时使胶料塑化、混合、压缩，从而获得致密均匀的半成品。螺杆的结构分工作部分（指螺纹部和头部）和连接部分（指尾部），工作部分直接完成挤出作业，尾部起支持和传动作用。螺杆工作部分的主要参数有：螺纹头数、压缩比、导程、槽深及螺纹升角等。螺杆的分类按螺纹头数分：单头、双头、三头和复合螺纹螺杆。双头螺纹螺杆用于压型挤出；单头螺纹螺杆多用于滤胶；复合螺纹螺杆多用于塑炼等。按螺杆外型分：有圆柱形、圆锥形、圆柱圆锥复合形螺杆。圆柱形螺杆多用于压型和滤胶；圆锥形螺杆多用于压片和造粒；复合螺杆多用于塑炼。按螺纹的结构形式分：普通型，分离型，分流型及复合型。螺杆的结构参数长径比:长径比大，胶料在挤出机内走的路程长，受到的剪切、挤压和混合作用就大。压缩比:加料端螺槽与出料端螺槽容积之比。适应胶料体积变化；排除气体；压实物料；产生静压力。热喂料螺纹结构冷喂料螺纹结构3．机头对不同的挤出工艺（如压型、滤胶、混炼、造粒等），其作用与结构也不相同。对压型挤出机的机头来说，其主要作用是：使胶料由螺旋运动变为直线运动；使机筒内的胶料在挤出前产生必要的挤出压力，以保证挤出半成品密实；使胶料进一步塑化均匀,使挤出半成品成型。机头的类型与螺杆的相对位置口型的结构机头用途直向机头直角机头斜角机头有芯型机头芯型机头内胎机头胎面机头电缆机头机头内胶料压力低压机头中压机头高压机头机头结构图位于机头前部，控制半成品的规格尺寸和几何形状。通过变换口型，一台挤出机可以生产不同的制品。口型分类：a.实芯口型b.中空制品口型（有芯模及芯模支座）4.口型口型口型三．挤出机的选用•由所需半成品的断面大小和厚薄来决定。对于压出实心或圆形中空半成品，一般口型尺寸约为螺杆直径的0.3～0.75左右。•口型过大，螺杆推动力小，机头内压力不足，排胶不均匀，半成品形状不规整；•口型过小，压力太大，速度快，但剪切作用增加引起胶料生热，排胶慢，有焦烧的危险。§12.2挤出过程原理•工作原理•胶料在螺杆中的流动状态•胶料在机头内的流动状态•胶料在口型中的流动和压出膨胀•挤出机的生产能力挤出成型是在一定条件下将具有一定塑性的胶料通过一个口型连续压送出来,使它成为具有一定断面形状产品的工艺过程。胶料沿螺杆前移过程中，由于机械作用及热作用的结果，胶料的粘度和塑性等均发生变化，成为一种粘性流体。根据胶料在挤出过程中的变化，一般将螺杆工作部分按其作用不同大体上分为喂料段、压缩段和挤出段三部分。一.工作原理挤出过程示意图1．喂料段：又称为固体输送段，此段从喂料口起至胶料开始熔融。胶料进入加料口后，在旋转螺杆的推挤作用下，在螺纹槽和机筒内壁之间作相对运动，并形成一定大小的胶团；2．压缩段：又称塑化段，此段从胶料开始熔融起至全部胶料产生流动止。接受由喂料段送来的胶团，将其压实、进一步软化，并将胶料中夹带的空气排出；3．压出段：又称计量段，把压缩段输送来的胶料进一步加压搅拌，此时螺纹槽中已形成完全流动状态的胶料。由于螺杆的转动促使胶料流动，并以一定的容量和压力从机头均匀挤出。二.胶料在螺杆中的流动状态把胶料的流动看成是顺流、倒流、漏流和环流的综合流动。顺流：由于螺杆转动促使胶料沿着螺纹槽向机头方向的流动，促使胶料挤出，又称为挤流。顺流对挤出产量有利。倒流：由于机头对胶料的阻力引起的，也称逆流。倒流引起挤出产量减少。漏流：在螺杆螺峰与机筒内壁间缝隙，由于机头阻力而引起的引起挤出产量减少。环流：又称横流，由于螺杆旋转时产生的推挤作用引起的流动,它与顺流成垂直方向，对产量无影响。但对胶料起着搅拌混炼、热交换和塑化的作用。顺流和逆流的综合速度分布漏流和环流示意图三．胶料在机头内的流动状态指胶料在离开螺纹槽后，到达口型板之前的流动。流动特点：由旋转运动变为直线运动；沿直径速度分布呈抛物线状。对机头的要求：内表面应该尽可能的光滑，以减少摩擦阻力；设计机头时尽量使胶料在整个流动方向上速度一致。四．胶料在口型中的流动和压出膨胀1．胶料在口型中的流动特点由于口型的截面一般比机头截面小，胶料在口型中形成的压力梯度很大，受到更强烈的剪切塑化作用；由于口型的厚度一般很薄，拉伸变形来不及恢复，压出后产生膨胀现象.四．胶料在口型中的流动和挤出膨胀2．挤出膨胀•产生的原因：入口效应速度梯度拉伸弹性变形来不及恢复挤出膨胀。•影响因素：口型结构：口型形状、口型（板厚度）壁长度；工艺因素：提高机头口型温度、降低挤出速度等；配方因素：生胶和配合剂的种类如高结构度炭黑、大用量的填充剂和增塑剂降低含胶率、胶料可塑性提高等。挤出胀大挤出膨胀率与剪切速率的关系五．挤出机的生产能力螺杆特性曲线Q=Qd-Qp-Ql=αN-(β+γ)P/η将Q～P作图，得表达螺杆几何特性的直线。机头特性曲线Q=KP/η将Q～P作图，得一表达机头特性的直线。当转速一定，k一定时，两直线的交点即为压出机的生产能力。螺杆－机头特性工作曲线K2机头特性曲线QP螺杆特性曲线K1N1N2N3螺杆特性曲线机头特性曲线PQ实际采用实测法和经验公式法：Q=V·G·αV:线速度；G：半成品每米重量；Q=β·D3·n·αn:转速；D:螺杆直径；α:设备利用系数§12.3口型设计口型设计的一般原则口型的具体设计1．影响胶料膨胀率的因素2．设计步骤3．设计举例一．口型设计的一般原则确定口型断面形状和压出半成品断面形状间的差异及半成品的膨胀程度；口型孔径大小或宽度应与螺杆直径相适应；口型要有一定的锥角。锥角大，压出压力大，压出速度快，半成品光滑致密，但收缩率大。口型内部应光滑,呈流线型,无死角,不产生涡流。口型长度要适当;在有些情况下,为防止胶料焦烧,可在口型边部适当开流胶口。二．口型的具体设计1.了解胶料的膨胀率2．设计步骤3．设计举例影响胶料膨胀率的因素1.胶种和配方：胶种不同，其挤出膨胀率不同；含胶率高的膨胀率大；无机填料膨胀率比炭黑小。2.胶料可塑度：胶料可塑度越大，挤出膨胀率越小；3.机头温度：机头温度高，挤出膨胀率小；4.挤出速度：挤出速度快，膨胀率大；5.半成品规格：半成品规格大的，膨胀率小；6.挤出方法：胶管管坯采用有芯挤出时，膨胀率比无芯挤出时要小。2．设计步骤先计算胶料的膨胀率B：一般用毛细管流变仪测。B=(D／DO)×100%D—压出物直径（mm）DO—毛细管直径（mm）根据膨胀率计算口型样板尺寸：3．设计举例几何形状规则的制品的口型设计先在规定的操作条件（温度、压出速度等）下，选一个接近制品尺寸的现有口型，用规定胶料压出一段坯料，计算出膨胀率，由此膨胀率确定出新设计制品口型的尺寸，然后按略小于此口型尺寸开模、试验、修模，直到符合设计要求为止。几何形状不规则制品（如胎面）的口型设计各部位的宽度和厚度除以膨胀率。§12.4挤出工艺一．热喂料挤出工艺1．胶料热炼和供胶2．挤出3．挤出物的冷却4．常见制品的挤出工艺过程二．冷喂料挤出工艺1．优点2．特点3．冷喂料挤出工艺三．其它类型挤出机热喂料挤出工艺热喂料挤出工艺一般包括胶料热炼、供胶、挤出、冷却、裁断接取等工序。胶料热炼和供胶挤出挤出物的冷却1.胶料热炼和供胶热炼使混炼胶均匀性和热塑性进一步提高，易于挤出，获得规格准确、表面光滑的制品。第一步粗炼，辊温45℃，辊距1～2mm，补充混炼,提高胶料的均匀性；第二步细炼，辊温60～70℃，辊距5～6mm，增加胶料的热塑性。供胶或喂料应连续而且均匀，供胶前不宜停放过长注意：压出中空制品的胶料要防止过度热炼，以免挺性太差，引起半成品变形。加热设备：按操作规程预热机筒、螺杆及机头口型到规定的温度。保证胶料在挤出机的工作范围内达到热塑性流动状态。调节口型：开始供胶后，要调节挤出机口型位置和接取速度，并测定和观察挤出半成品的尺寸、表面状态（光滑程度、有无气泡等）、厚薄均匀程度等，直至完全符合工艺要求的公差范围为止。控制温度：在调口型的同时，应调好机台温度，一般口型最高，机头次之，机筒最低。调节速度：要根据压出物的要求调整压出速度及螺杆转速。压出快，膨胀率和收缩率大，表面粗糙，易焦烧。2.挤出3．挤出物的冷却冷却的目的防止半成品存放时自硫；使胶料恢复一定的挺性，防止变形；使半成品冷却收缩定形,稳定其断面尺寸。冷却方式：喷淋和水槽冷却（40℃）。挤出大型的半成品（胎面），一般须经预收缩处理后才进入冷却槽。4．常见制品的挤出工艺过程胎面的挤出工艺整体挤出：一台挤出机、一个配方，扁平或圆形口型挤出；或两个配方、两台挤出机，复合机头挤出。分层挤出：两方三块或三方四块。轮胎胎面复合挤出内胎的挤出工艺其机头分为芯型和口型两部分。芯型和口型间间隙的大小决定了内胎胎筒的厚度和大小。胎筒厚度的调节方式：（1）调节口型式；（2）调节芯型式。滤胶机气门嘴胶垫的制备：铜嘴检查酸碱处理烘干胶条裁片称量刷片晾干模压硫化检查折弯垫片打毛涂糊烘干铜嘴检查酸碱处理烘干胶条裁片称量刷片晾干模压硫化检查折弯垫片打毛涂糊烘干滤胶热炼加硫压出冷却贴气门嘴胶垫定长裁断检查停放半成品检查打眼二次割头成型硫化滤胶热炼加硫压出冷却贴气门嘴胶垫定长裁断检查停放半成品检查打眼二次割头成型硫化二．冷喂料挤出工艺优点节省热炼设备，投资和生产费用较低，易于实现机械化、自动化。冷喂料压出对压力的敏感性小；胶料的热历程短，温度较高时不易焦烧；简化工艺，挤出物更均匀；应用范围广，灵活性大。目前冷喂料挤出在电线、电缆、胶管等小规格制品挤出方面逐渐取代了热喂料挤出机。a.螺杆的长径比大（8～17），压缩比大（1.6～1.8），螺杆除了压缩、输送物料外，还有塑化作用。b.常用的螺杆结构为主、副螺纹型，即分离型螺杆，固体、流体物料分离，能充分塑化物料。c.机身尾部有加料辊，由于螺杆摩擦产生热量；与螺杆间有速比，有利于物料均匀进入机筒。d.功率大。冷喂料挤出工艺的特点冷喂料挤出工艺冷喂料挤出工艺与热喂料有所不同。加料前通蒸汽，开快转速，诗文度迅速升高到120℃，然后放冷却水，在2分钟内使各部位的温度调节到规定值。然后加料。各部位常用温度：螺杆35℃；加料段35～50℃；塑化段40～60℃；挤出段50～70℃；机头和口型80～100℃。三．其它类型挤出机排气式挤出机传递式螺杆挤出机挡板式螺杆挤出机高强力型螺杆挤出机销钉型挤出机槽穴式挤出机§12.5挤出半成品的收缩及质量问题一．影响挤出工艺的因素1．生胶的组成与性质（1）适当选择生胶品种（2）加入补强填充剂（3）在胶料中加入再生胶（4）在胶料中加入油膏类软化剂（5）胶料可塑性大，容易流动，挤出收缩率小。