1-挤出机讲义

[挤塑成型过程]塑料挤出机挤出成型：也称挤出模塑或挤出成型，挤出成型是塑料成型加工的重要成型方法之一。大部分热塑性塑料和橡胶都能用此法进行加工。应用：热塑性塑料，由挤出制成的产品都是连续的型材，如管、棒、丝、板、薄膜、电线电缆等．热固性塑料：仅限于少数几种塑料，且挤出制品的种类也有限。挤出过程：分为两个阶段：第一个阶段是使固态塑料塑化(即变成粘性流体)并在加压情况下使其通过特殊形状的口模而成为截面与口模形状相仿的连续体；第二阶段则是用适当的处理方法使挤出的连续体失去塑性状态而变为固体，即得所需制品。塑化的方式：挤出工艺可分干法和湿法两种：①干法的塑化是靠加热将塑料变成熔体，而塑化和加压可在同一个设备内进行。②湿法的塑化则是用溶剂将塑料充分软化，因此塑化和加压必须分为两个独立的过程，而且定型处理必须采用比较麻烦的溶剂脱除，同时还得考虑溶剂的回收。加压方式：分为连续和间歇两种。连续式所用设备为螺杆挤出机。间歇式为柱塞式挤出机。柱塞式挤出机的主要部件是一个料筒和一个由液压操纵的柱塞。螺杆数量单螺杆挤出机，使用最多；双螺杆挤出机，使用比较多；多螺杆挤出机，兼有塑炼功能，使用不多。2.2挤出机的组成与分类为使成型过程得以进行，一台挤出机一般由下列各部分组成：1.主机2.辅机3.控制系统1、主机•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。加料系统•2、辅机•机头（口模、芯架等）：它是制品成型的主要部件，熔融塑料通过它获得一定的几何截面和尺寸。•定型装置：它的作用是将从机头中挤出的塑料的既定形状稳定下来．并对其进行精整，从而得到更为精确的截面形状、尺寸和光亮的表面。通常采用冷却和加压的方法达到这一目的。•冷却装置：由定型装置出来的塑料在此得到充分的冷却，获得最终的形状和尺寸。•牵引装置：其作用为均匀地牵引制品。并对制品的截面尺寸进行控制，使挤出过程稳定地进行。•3、控制系统（检测和控制）•挤出机的控制系统：它由各种电器、仪表和执行机构组成。根据自动化水平的高低，可控制挤出机的主机、辅机的拖动电机、驱动油泵、油（汽）缸和其它各种执行机构按所需的功率、速度和轨迹运行，以及检测、控制主辅机的温度、压力、流量，最终实现对整个挤出机组的自动控制和对产品质量的控制。•我们一般称由以上各部分组成的挤出装置为挤出机组。•转动装置•加料装置•料筒•机头和口模挤出机其它重要部分1．传动装置包括：电动机、减速机构和轴承等所组成。要求：无级调速，良好的润滑系统，迅速制动的装置。常用体系：①整流子电动机或直流电动机，它既是驱动装置，又是变速装置；②常速电动机驱动的机械摩擦传动，如用皮带传动或齿轮传动的无级变速装置；③用电动机驱动油泵，将油送至液压马达，改变泵的排油量从而改变挤出机螺杆转速。2．加料装置供料的形式有粒状、粉状和带状等几种。加料装置一般都采用加料斗，料斗的容量至少应能容纳一小时的用料。加料斗内应有切断料流、标定料量和卸除余料等。上料装置。3．料筒料筒是挤出机主要部件之一，塑料的塑化和加压过程都在其中进行。挤压时料简内的压力可达55兆帕，工作温度一般为180~250℃，因此料筒可看作是受压和受热的容器。另外，一般挤出机在料筒和机头之间还设有粗滤器，它是由带孔的合金钢板制成的，主要作用是使塑料由旋转流动变为平直流动，且沿螺杆方向形成压力，增大塑化的均匀性，过滤塑料中可能混入的杂质(这在挤压回料时可能性更大)和阻止未塑化的物料进入机头．4．机头和口模机头是口模与料筒之间的过渡部分，其长度和形状随所用塑料的种类、制品的形状、加热方法及挤出机的大小和型式而定。口模是制品横截面的成型部件，它是用螺栓或其它方法固定在机头上的。如果口模和机头是一个整体，一般就统称为机头。机头和口模结构的好坏，对制品的产量和质量影响很大。其尺寸都根据实践经验或流变学知识来确定。从工艺角度考虑：(1)口模定型部分是决定制品横截面的重要部件(2)过渡部分的流道应尽量平滑，使其呈流线型，以免物料在流道中停滞而发生分解．(3)机头和口模应有足够的刚度，以免在工作压力下使流道变形。挤塑过程的三个主要参量及其波动三个主要波动•温度及其波动•压力及其波动•产量及其波动关系：互相制约、互相影响原因：影响：温度或者热量的来源？主要有哪些波动？危害是什么？压力来源？1.螺杆结构设计不合理2.机筒结构设计不合理3.机头结构设计不合理4.加热冷却系统不稳定5.螺杆转速控制不稳定6.物料量的加入不稳定1.残余应力，强度不均，变形开裂2.颜色不均，甚至变色3.表面灰暗无光泽4.形状和尺寸不准确三大挤塑理论和相应的数学模型计量段(均化段)熔化段(压缩段)送料段固体输送理论固体熔化(压缩)理论熔体输送(计量)理论为获得最大的固体输送速率，可从挤出机结构和挤出工艺两个方面采取措施。1、从挤出机结构角度来考虑，增加螺槽深度是有利的，但会受到螺杆扭矩的限制。2、降低塑料与螺杆的摩擦系数(f)也是有利的，增大塑料与料筒的摩擦系数，也可以提高固体输送速率。控制机筒和螺杆的温度与表面粗糙度从输出工艺角度来考虑，关键是控制送料段料筒和螺杆的温度，因为摩擦系数是随温度而变化的，一些塑料对钢的摩擦系数与温度的关系如图所示。挤塑机辅机作用：是将连续挤出的已获得初步形状和尺寸的制品进行定型，再通过进一步的冷却，使之由高弹性态最后转变为室温下的玻璃态，从而达到一定的表面质量，最终成为可供使用的制品或半成品。一、制管和异型材的辅机辅机由机头、定型装置、冷却装置、牵引装置、夹紧切割装置等组成。管材辅机吹膜辅机板材、片材辅机挤塑机辅机二、挤出机的辅助设备辅助设备三类：1．挤压前处理物料的设备2．处理挤出物的设备3．控制生产条件的设备三类设备不仅随制品的种类、对制品质量的要求以及自动化程度等的不同面有差别，而且每一种设备的类型也有不同的形式。（1）机头分为直型和弯型两种。实践证明：口模形状和挤出制品的界面形状有很大关系。（2）定型装置从机头挤出的制品处于熔融状态，(温度很高)，在重力作用下容易变形，因此在机头后必须立即冷却，以使制品定型。定型装置分为外径定型和内径定型两种。1）外径定型是国内普遍采用的方法，又分为内压定型和真空定型。内压定型法：是在机头芯棒的肋上打孔，向管内或型材内通入压缩空气，由气体压力的作用，使管壁与定径套壁接触，定径套靠水冷却，使管初步冷却然后进入水槽内进一步冷却定型。真空定型法：由真空定型套、冷却水槽、真空泵、电机、管道等组成。采用在制品与定型套之间抽真空，使制品与定型套接触冷却的方法。2）内径定型靠芯棒冷却定型的方法。冷却水通入芯棒，同时使制品与芯棒接触冷却。为适应收缩，芯棒一般制作成锥形，锥度为0.6％；与外径定型相比：内径定型的内表面光滑，外径定型的外表面光滑。（3）冷却装置制品由定型装置出来后，并未完全冷却，还需要继续降温。冷却装置：浸浴法与喷淋法。1）浸浴式冷却水槽图4-190，冷却水槽长2～6m，冷却水从制品的最后一段流入，即逆流法，使制品逐渐冷却。（用于小口径管或异型材），水应埋没制品。2）喷淋式冷却箱图4-191，用于较大截面的制品，由几个喷淋管喷水冷却。（4）牵引装置作用：给挤出管提供一定的牵引力，牵引速度。均匀稳定地将制品引出。牵引装置必须满足：a、速度无级调节；常采用直流电动机和变频调速电动机。b、牵引力、速度保持恒定；直接影响管材的壁厚；c、对制品的夹持力能够调节牵引速度一般比挤出速度略快1%-10%。牵引装置分履带式、滚轮式两种。a、履带式牵引装置由2～6条可调节的履带组成，均匀地分布在管材地四周。主要用于大直径和薄壁管材的牵引。b、滚轮式牵引装置由2～5对牵引滚轮组成，下轮为主动轮，上轮为从动轮。此种牵引装置轮与管子地接触面小，适合于管径较小地制品（100mm以下），但设备简便。（5）切割装置a、自动或手动圆锯切割机由行程开关控制夹持器和电动锯片。夹持器夹住制品之后，锯座与制品同步运动，锯片开始切割，切断后夹持器松开返回原处。（适用于切200mm直径以下的管）b、行星切割装置锯片不仅自转，而且围绕管的直径旋转，锯片可以是一个也可以是几个。适用于切大口径管。挤出成型工艺参数包括温度、压力、挤出速率和牵引速度等。1.温度温度是挤出成型得以顺利进行的重要条件之一。从粉状或粒状的固态物料开始，高温制品从机头中挤出，经历了一个复杂的温度变化过程。严格来讲，挤出成型温度应指塑料熔体的温度，但该温度却在很大程度上取决于料筒和螺杆的温度，一小部分来自在料筒中混合时产生的摩擦热，所以经常用料筒温度近似表示成型温度。由于料筒和塑料温度在螺杆各段是有差异的，为了使塑料在料筒中输送、熔融、均化和挤出的过程顺利进行，以便高效率地生产高质量制件，关键问题是控制好料筒各段温度，料筒温度的调节是靠挤出机的加热冷却系统和温度控制系统来实现的。机头温度必须控制在塑料热分解温度以下，而口模处的温度可比机头温度稍低一些，但应保证塑料熔体具有良好的流动性。此外，成型过程中温度的波动和温差，将使塑件产生残余应力、各点强度不均匀和表面灰暗无光泽等缺陷。产生这种波动和温差的因素很多，如加热、冷却系统不稳定，螺杆转速变化等，但以螺杆设计和选用的好坏影响最大。表9-1是几种塑料挤出成型管材、片材和板材及薄膜等的温度参数。表9-1热塑性塑料挤出成型时的温度参数塑料名称挤出温度/℃原料中水分控制/%加料段压缩段均化段机头及口模段丙烯酸类聚合物室温100~170~200175~210≤0.025醋酸纤维素室温110~130~150175~190＜0.5聚酰胺（PA）室温~90140~180~270180~270＜0.3聚乙烯（PE）室温90~140~180160~200＜0.3硬聚氯乙烯（HPVC）室温~60120~170~180170~190＜0.2软聚氯乙烯及氯乙烯共聚物室温80~120~140140~190＜0.2聚苯乙烯（PS）室温~100130~170~220180~245＜0.12.压力在挤出过程中，由于料流的阻力，螺杆槽深度的变化，以及过滤网、过滤板和口模等产生阻碍，因而沿料筒轴线方向，在塑料内部产生一定的压力。这种压力是塑料变为均匀熔体并得到致密塑件的重要条件之一。增加机头压力可以提高挤出熔体的混合均匀性和稳定性，提高产品致密度，但机头压力过大将影响产量。和温度一样，压力随时间的变化也会产生周期性波动，这种波动对塑件质量同样有不利影响，螺杆转速的变化，加热、冷却系统的不稳定都是产生压力波动的原因。为了减少压力波动，应合理控制螺杆转速，保证加热和冷却装置的温度控制精度。3.挤出速率挤出速率（亦称挤出速度）是单位时间内挤出机口模挤出的塑料质量（单位为kg/h）或长度（单位为m/min）。挤出速度的大小表征着挤出生产能力的高低。影响挤出速度的因素很多，如机头、螺杆和料筒的结构、螺杆转速、加热冷却系统结构和塑料的特性等。理论和实践都证明，挤出速率随螺杆直径、螺旋槽深度、均化段长度和螺杆转速的增大而增大，随螺杆末端熔体压力和螺杆与料筒间隙增大而增大。在挤出机的结构和塑料品种及塑件类型已确定的情况下，挤出速率仅与螺杆转速有关，因此，调整螺杆转速是控制挤出速率的主要措施。挤出速率在生产过程中也存在波动现象，这将影响塑件的几何形状和尺寸精度。因此，除了正确确定螺杆结构和尺寸参数之外，还应严格控制螺杆转速，严格控制挤出温度，防止因温度改变而引起挤出压力和熔体粘度变化，从而导致挤出速度的波动。4.牵引速度挤出成型主要生产连续的塑件，因此必须设置牵引装置。从机头和口模中挤出的塑件，在牵引力作用下将会发生拉伸取向。拉伸取向程度越高，塑件沿取向方向的拉伸强度也越大，但冷却后长度收缩也大。通常，牵引速度可与挤出速度相当。牵引速度与挤出速度的比值称牵引比，其值必须大于1。