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挤出成型工艺和挤出机

1. 挤出成型工艺
1.1 挤出成型工艺:
在挤出机中经过加热、 加压而使物料以流动状态连续经过口模( 即机头) 成型的方法称挤出成型或挤塑。是塑料重要的成型方法之一。

1.2 挤出成型的特点:
① 设备成本低, 制造容易, 投资少, 上马快。
② 生产效率高, 挤出机的单机产量较高, 产率一般在几公斤～5吨/小时。
③ 连续化生产。能制造任意长度的薄膜、 管、 片、 板、 棒、 单丝、 异型材以及塑料与其它材料的复合制品等。
④ 生产操作简单, 工艺控制容易, 易于实现自动化。占地面积小, 生产环境清洁, 污染少。
⑤ 能够一机多用。挤出机也能进行混合、 造粒。

1.3 挤出成型可分为两个阶段:
第一阶段是使固态塑料变成粘性流体( 即塑化) , 并在加压情况下, 使其经过特殊形状的口模, 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, 即得到所需制品。

1.4 挤出成型工艺分类:
干法( 熔融法) — 经过加热使塑料熔融成型
① 塑化方式
湿法( 溶剂法) — 用溶剂将塑料充分软化成型( CN、 CA及纺丝)

连续式:
螺杆式挤出机, 借助螺杆旋转产生的压力和剪切力, 使物料充分塑化和均匀混合, 经过口模而成型, 可进行连续生产。

② 加压方式

间歇式:
柱塞式挤出机, 借助柱塞压力, 将事先塑化好的物料挤出口模而成型。仅用于粘度特别大, 流动性极差的塑料。如: PTFE, 成型温度下, 粘度为1010～1014泊( 一般熔融塑料的粘度范围为102～108泊) ; HUMWPE等。柱塞可提供很大的压力, 但形状不能太复杂, 不能加分流梭。间歇式生产。

2. 挤出设备
塑料的挤出, 绝大多数都是热塑性塑料, 而且又是采用连续操作和干法塑化的。故在设备方面多用螺杆式挤出机。螺杆式挤出机有单、 双( 或多螺杆) 之分。大部分用单螺杆挤出机, 只是粉料, RPVC 95%以上都用双螺杆挤出机。

2.1 单螺杆挤出机
2.1.1 单螺杆挤出机的组成:
由传动系统、 加料系统、 挤压系统、 机头和口模以及加热与冷却系统等组成。

2.1.1.1 传动系统:
作用是在给定的工艺条件( 如: 机头压力、 螺杆转数、 挤出量、 温度等) 下使螺杆具有必要的扭矩和转数均匀地回转而完成挤出过程。由电动机、 减速机构和轴承组成。
( 1) 、 要求:
① 正常操作状态下, 螺杆的转数都应维持不变, 以防止挤出量的波动, 以保持制品质量的稳定。
② 不同场合下( 材料的粘度大小、 螺杆所受的扭矩大小) 要求螺杆的转数能够变化( 否则扭矩太大, 螺杆易弯曲、 断裂) , 以便用一台挤出机挤压不同的制品和不同的塑料。应无级调速。
③ 应设有良好的润滑系统和迅速制动系统。如遇意外, 马上停机。
2.1.1.2 加料系统:
上料有人工上料和自动上料两种( 鼓风上料、 弹簧上料和真空上料) 。
① 供料的形式有粒料、 带状料和粉料等几种。加料装置一般常见加料料斗。料斗的容量至少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装置。
② 在减压下加料, 即真空加料装置。特别适用于加工易于吸湿的塑料和粉料( PA、 PC) , 防止粉料飞扬。
③ 料斗必须保证物料以一定的重量速率( 不是体积速率) 进入螺杆中塑化。在许多挤出机上物料的进料依靠重力。 在料斗上设置电磁动器能够消除”架桥”现象。在料斗中设置搅拌器或螺旋输送强制加料器可克服此缺点。

④ 在加料口周围设有冷却夹套, 借以排除高温料筒向料斗传热。否则, 料斗中的塑料会因升温而发粘, 以致引起加料不均或料流受阻。
2.1.1.3 挤压系统: 由螺杆和料筒组成。
① 螺杆: 螺杆是关键性部件, 是挤出机的心脏。
根据在挤出机中物料的三种状态变化过程及螺杆各部位的工作要求, 一般将挤出机的螺杆分为: 加料段L1( 固体输送段) 、 压缩段L2( 熔融段) 和计量段L3( 均化段) 三段。
由于一台挤出机的生产率、 塑化质量、 填加物的分散性、 熔体温度、 动力消耗等主要取决于螺杆的性能。因此设计最佳螺杆是很重要又颇难的问题, 螺杆的几何参数对螺杆的工作特性有重大的影响, 必须合理设计和选用。

( A) 直径D和长径比L/D
直径D是一个重要参量, 它是表征挤出机挤出量大小的参数之一 。
qv=ßDs3n
式中qv为生产能力( kg/h) ; Ds为螺杆直径( cm) ; n为螺杆转数( r/min) ; ß为经验出料系数, 取值范围为0.003～0.007。

螺杆直径与所生产制品尺寸之间的关系
螺杆直径 30 45 65 90 120 150
硬管直径 3-30 10-45 20-65 30-120 50-130 80-300
薄膜直径 50-300 100-500 400-900 700-1200 700- 700-3000
挤板宽度 400-800 700-1200 1000-1400 1200-2500

L/D: 螺杆的有效长度与其直径之比。
根据加工物料的性能和制品质量的需求来考虑 , 以前L/D=20～26; 现在L/D=24～36; 最大的可达43。L/D=25, 可得到较高的产率。同时又避免了熔体过热和热敏性料降解。

( B) 螺杆各段的作用及参数的设定
按塑料在螺杆上的运转情况可分为加料、 压缩和计量三个区域, 螺杆在这三个区的作用是不同的。
( a) 加料段( 供料段、 固体输送段)
自塑料入口向前延伸的一段螺杆称为加料段, 在加料段中物料依然是固态。它的主要作用是使物料受热、 受压、 前移。螺槽容积能够维持不变, 等距等深。加料段的输送能力与螺槽深度H1及该段的长度L1有关。
先确定均化段螺槽深度H3, 再由螺杆的几何压缩比来计算H1。
结晶聚合物, L1=( 30%～50%) L
非晶聚合物, L1=( 10%～25%) L
熔点高, 导热性差, 热焓大的聚合物, L1要取长一些。PP的L1比HDPE长。
( b) 压缩段( 熔融段)
螺杆中部的一段, 作用是压实物料和熔融物料。该段螺槽容积逐渐减小。压缩比ε, 它是螺杆加料段第一个螺槽容积与均化段最后一个螺槽容积之比。
ε =( D-H1) H1/( D-H3) H3
≈0.93 H1/ H3
ε的大小对制品的密实性和排除物料中所含空气的能力等影响很大。ε大, 制品密实, 排气能力强。物理压缩比, 是指塑料受热熔融前后的密度之比, 设计时压缩比多根据经验选取。它取决于所加工的塑料种类、 进料时的聚集状态和挤出制品的形状。粉料的应比粒
料大; 薄壁型材比厚壁制品大。

RPVC( 粒) 2～3 PE 3～4
RPVC( 粉) 3～4 PP 2.5～4
SPVC( 粒) 3～5 PS 2～2.5
SPVC( 粉) 3.2～3.5 PC 2.5～3
PA 6 3.5 POM 2.8～4
PA 66 3.7 ABS 1.6～2.5
压缩段长度L2, 当前多以经验方法确定。
非晶聚合物, L2=( 50%～60%) L;
结晶聚合物, L2=( 3～5) D。
( c) 计量段( 均化段)
螺杆的最后一段。其作用是使熔料进一步塑化均匀, 并使料流定量、 定压由机头流道均匀挤出。这段螺槽的截面能够是横定的。但比前两段都小。
H3与物料的热稳定性、 螺杆的塑化效率及压缩比有关, 它对螺杆的混合效率和生产的最大压力有很大影响。
浅—有利于塑化, 但生产效率低;
深—挤出量大, 但对机头压力敏感, 挤出不稳定。
实际确定时, 按H3=( 0.025～0.06) D选取。对于直径较大的螺杆, 取小值, 反之则取大值。H3确定之后, 根据确定的ε计算加料段螺槽深度H1。
计量段的长度与塑料的种类有关, 某些热敏性塑料就不宜在这段作过久的停留, 而聚烯烃等又能以这段的作用取得较好的均化。L3=( 20%～25%) L

[计算]
（1） 根据产品的种类和尺寸确定螺杆直径D;
（2） 根据L/D=( 24~36) , 确定长径比, 以确定L;
（3） L=L1+L2+L3;
求L1: 结晶聚合物, L1=( 30%～50%) L
非晶聚合物, L1=( 10%～25%) L
求L2: 结晶聚合物, L2=( 3～5) D
非晶聚合物, L2=( 50%～60%) L
求L3: L3=L-L1+L2
（4） 螺槽深度H1和H3
求H3: H3=( 0.025～0.06) D
求H1: ε =( D-H1) H1/( D-H3) H3≈0.93 H1/ H3

为了取得最好的效果, 挤压不同的塑料, 三段长短与结构都应结合塑料的特性及所挤制品 的类型来考虑。理论研究的重点是螺杆的加料段、 压缩段和计量段的长度和螺槽深度的优化。几乎任何螺杆挤压任何塑料都是可行的。唯一的判断标准, 则是挤出量及制品质量是否都达到最高水平。

( C) 螺杆头部的形状
熔融物料从螺槽进入机头流道时, 从旋转流动变成直线流动。螺杆头部一般呈纯尖的锥形。借以避免物料在螺杆头部停滞过久而分解。鱼雷状, 它与料筒的间隙一般小于它前面的螺槽深度( 40%～50%) H3, 其长度约为3～5D。对塑料的混合和受热都会产生良好的效果, 利于增大料流压力和消除波动现象, 常见来挤压粘度大, 导热性不良或熔点较为明显的塑料。如PS、 PA和有机玻璃等, 也适合聚烯烃塑料造粒等。

( D) 螺杆的形式
常规全螺纹螺杆分为渐变型螺杆和突变型螺杆。渐变型螺杆: 由加料段较深螺槽向均化段较浅螺槽的过渡, 是在一个较长的螺杆轴向距离内完成的; 适用于热敏性塑料, 如PVC, 也可用于结晶性塑料, 如聚烯烃、 POM等。 而突变型螺杆的上述过渡是在一个较短的螺杆轴向距离内完成的。适用于粘度低、 熔点较明显的结晶性塑料, 如聚酰胺、 聚烯烃。而对粘度较高的塑料易引起局部过热、 故不适用于PVC、 PC等塑料。

② 料筒
料筒作为挤压系统的组成部分, 和螺杆共同完成对塑料的固体输送、 熔融和定量定压输送作用。料筒的结构形式关系到热量传递的稳定性和均匀性, 并影响固体输送率。料筒结构分为整体式和组合式( 又称分段式) 根据挤出过程的理论和实践证明, 增加料筒内表面的摩
擦系数可提高塑料的输送能力, 因此, 挤出机料筒的加料段内开设纵向沟槽和靠近加料口的一段料筒内壁做成锥形。
③ 分流板、 过滤网
在料筒和口模连接处设置分流板( 又称多孔板) 和过滤网, 其作用是使物料流由旋转运动变为直线运动, 阻止杂质和未塑化物料经过并增加料流背压, 使制品更加密实。其中分流板还起支撑过滤网的作用, 但在挤出RPVC等粘度大而稳定性差的塑料时, 一般不用过滤网。分流板与螺杆头部应有适当距离, 距离过大, 易造成物料积存, 导致热敏性塑料分解; 距离过小料流不稳定, 影响制品质量。一般为0.1D。当制品质量要求较高的压力时, 如生产电缆、 透明制品、 薄膜、 单丝等一般应设置过滤网。

2.1.1.4 机头和口模
机头是口模与料筒之间的过渡部分, 其长度和形状取决于物料的种类、 制品的形状、 加热方式及挤出机的大小形式等。
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。
机头和口模结构是否合理, 对制品的产量和质量影响很大, 其尺寸根据加工经验和流变学知识来确定。决定一个口模好坏的基本因素有四个: 内部流道长度; 流道呈流线型; 口模材料; 加热的均匀性。
① 从工艺角度提出一些应注意的事项:
( A) 口模定型部分是决定制品横截面的重要部件, 料流不能紊乱, 流道要有足够的长度以使料流产生相当的压力, 从而保证制品密实并消除拼缝线; 也不要太长, 否则会降低产量, 一般, 定型部分的长度( L) 与其缝隙宽度( T) 之间的比值L/T=8~30
( B) 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留而分解。
( C) 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, 在机头结构上应有能调解周边流率分布的装置, 以保证制品的尺寸。

2.2 双螺杆挤出机
2.2.1 双螺杆挤出机的应用:
用于混炼、 造粒、 粉料直接挤出以及玻璃纤维或其它填料的填充增强改性等方面。
2.2.2 双螺杆挤出机的类型及工作原理
啮合型
①两根螺杆的相对位置
非啮合型

同向旋转
②螺杆的旋转方向
反向旋转

2.2.3 啮合型双螺杆挤出机工作特点:
①在单螺杆挤出机中, 物料主要靠物料与料筒内壁和螺杆间摩擦力之差向前输送的。但啮合型双螺杆挤出机在低转速下, 具有高的输送能力, 在较高的温度和较大的摩擦因数范围内具有可控性且能确定挤出速率, 产生较少的摩擦热, 允许低温操作, 物料滞留时间短, 动力要求较低并具有较强的进料能力。由于双螺杆挤出机具有低温挤出特点, 在热敏性塑料聚氯乙烯加工中的应用越来越多。
(A) 反向旋转全啮合双螺杆挤出机中, 两根螺杆相互啮合, 在啮合处一根螺杆的螺纹插入另一根螺杆的螺槽中, 使其在物料输送过程中不会产生倒流或滞流, 无论螺槽是否添满, 输送速度基本保持不变, 具有较大的强制输送性。同时, 螺杆啮合处对物料的剪切过程使物料的表层得到不断地更新, 增进了排气效果。
(B) 全啮合同相旋转双螺杆, 物料方向从一根螺杆转向另一根螺杆。使物料呈” ∞”形前进, 从而使料流的方向不断得到改变, 有助于物料的混合和均化, 同时能刮去各种积料, 使螺杆得到自洁, 故常见于混料, 造粒等。

2.3 单、 双螺杆挤出机性能的比较
① 双螺杆挤出机是靠正位移原理输送物料, 没有压力回流( 逆流) , 挤出量与机头压力几乎没有关系。
② 物料在双螺杆中停留时间短, 由于表面更新作用, 排气性能优异。生产能力高。
③ 具有良好的剪切、 混合性能, 使物料得到的热量及时均化, 加速物料的塑化速度, 减少料温波动, 可提高挤出物的产量和质量。

料一经进入螺杆, 立即被强制地向前推进, 物料无后退、 打滑的余地, 易发生超载、 停转事故。