高分子材料成型加工 第七章 挤出成型.pdf

挤出成型一、概述挤出成型是高分子材料加工领域中，是一个变化 众多，用途最广，比重最大的成型工艺。挤出过程是使高分子材料的熔体在挤出机的螺杆挤 压作用下，通过具有一定形状的口模而连续成型，所得 的制品为恒定截面的连续型材。三大合成材料的挤出，没有本质上的区别，所用设 备加工原理大同小异。挤出理论、工艺以塑料为多，故 本节主要讨论塑料的挤出成型。橡胶挤出一压出；合成纤维一螺杆挤出纺丝；塑料一主要热塑性塑料的挤出，现也有热固性。挤出成型的塑料制品都是连续的型材。如：管材、棒、板、片、带、薄膜、单丝、电线电缆包层、异 型材等。塑料上色，混炼，塑化造粒，共混改性等。以挤出为基础的配合吹胀和双轴拉伸：吹塑成型 和拉幅成型。八工艺特点*连续成型，产量大，生产率高。*制品外形简单，是断面形状不变的连续型材。*制品质量均匀密实，各向异性小，尺寸准确性较好。*适应性很强：+几乎适合除PTFE外所有热塑性塑料。+只要改变机头口模，就可改变制品形样。+可用来塑化，造粒，染色，共混改性，也可同其 他方法混合成型。止匕外，还可作压延成型的供料。三、挤出成型基本过程1、塑化在挤出机那将固体塑料加热或塑料之间的内摩擦热使 其变成粘流态料。2、成型在挤出机的螺杆旋转推挤作用下，通过具有一定形状 的口模，使粘流态料得到连续的型材。3、定型川适当的方法，使挤出的连续型材冷却定型为制品。I、挤出成型设备螺杆挤出机一连续成型，最多。柱塞挤出机一间歇成型，一般不用。，单螺杆螺杆式挤出机双螺杆多螺杆其中以单螺杆最常用，也较为简单。第一节单螺杆挤出机的基本 结构及其作用原理单螺杆挤出机厂加料装置 料筒螺杆机头J 口模传动系统挤出系统 Y加热和冷却系统控制系统附属装置213鳍1 4L6/,8_ _物料流向埴蛆一/L 1 21 0图7-1单螺杆挤出机结构示意图1树脂2料斗3一硬衬垫4热电耦5机筒6加热装置 7衬套加热器8多孔板9熔体热电耦1 0口模H衬套 12一过滤网13螺杆14 一冷却夹套,、料斗即加料装置，以保证物料向料筒供应。有冷却夹套，有定时定量自动加料装置。:、料筒是一个受压的金属圆筒，其外层有加热和冷却系统。料筒的作用：（34段）*对塑料加热；*配合螺杆使塑料塑化。对塑料冷却的目的：防止停车时，因过热造成分解。三、螺杆是挤出机的在主要的部件，其结构对挤出工艺有较为 重要的影响，挤出不同高聚物有不同结构形式的螺杆。1、螺杆的结构图7-2螺杆示意图Dr-螺杆外径Ls一螺距Hi-加料段螺槽深度6一螺旋角H3均化段螺槽深度2、螺杆的几何结构参数*螺杆的直径D；*螺杆的长径比L/Ds*螺杆的压缩比A*螺槽深度H*螺旋角。*螺纹棱部宽E*螺杆与料筒的间隙3*螺杆的直径D代表挤出机的规格。dT,挤出机生产能力T。*螺杆的长径比L/Ds(1525)影响挤出机的产量和挤出质量(衡量塑化效率)。l/dsT,塑料的停留时间色 混合塑化效果T。*螺杆的压缩比A(25)A=螺杆第一螺槽的容积/螺杆最后螺槽的容积A的获得：等距变深，等深变距，变深变距。AT,制品致密，排除物料中所含空气的能力大。*螺槽深度H 图正比于挤出量。H小，产生的剪切速率大，塑化效果好，但生产率低。H3=KD,K=0.020.06,D小K取大值，D大K取小值。*螺旋角。（1030。）of,出料快，生产率色但停留时间短，塑化效果螺杆在螺距=直径时最易加工，此时，9=1741*螺纹棱部宽E影响漏流，进而影响产量。*螺杆与料筒的间隙33、螺杆的作用*输送物料螺杆转动时，塑料在旋转的同时受到轴向压力，向 机头方向流动以挤出成型。*传热塑化物料与料筒配合，使塑件接触传热面而不断更新，在料 筒外加热与螺杆摩擦作用下软化、熔融为粘流态。*混合与均化物料与料筒和机头相配合产生强大的剪切作用，使物料 均匀混合，塑化好。在螺杆的全长部分各段作用及结构使不同的，一般 分为三段：（1）加料段Li靠近料斗一端，在该段对塑料主要起传热软化、输 送作用，无压缩作用。是固体输送。Li的长度：结晶型：熔点前，难压缩，.Li较长。无定型：随Tf,形变色 有压缩，.Li不长。（2）压缩段L2螺杆的中段。物料在此段继续吸热软化、熔融，直到 最后完全塑化，塑料在该段范围内可以进行较大程度的压 缩。压缩作用的来源：渐变型：螺距变化；螺槽深度变化。突变型：等深等距深槽-等深等距深槽（12个螺距过渡）压缩段的长度：结晶型塑料：Tm很窄，至虹m后.-.l2很短即可。无定型塑料：Tf较宽，.L2较长。（3）均化段L3靠机头口模一端。为等距等深的浅槽螺纹，其作用是 把压缩段送来的已塑化的物料，在均化段的浅槽和机头回 压下搅拌均匀，成为质量均的熔体，并且为定量定压挤出 成型创造必要条件。（也称计量段）均化段要维持较高的而且稳定的压力，以保持料流稳 定，因此应有足够的长度，可为螺杆全长的2025%。4、螺杆的形式等距变深渐变型Y 图普通型J I等深变距螺杆Y I突变型一螺杆分三段I高效专用单头 螺纹Y双头I多头锥型螺杆头部j可避免物料分解j鱼雷头混合和受热效果好图5、螺杆的选用(1)材料对结晶型塑料：突变型螺杆等距不等深；对无定型塑料：渐变型螺杆等距不等深(2)L/D对硬塑料，塑化时间长，L/D大些；对粉末料，要求 多塑化一些时间，应L/D大；对结晶型塑料，L/D大。(3)A根据不同的塑料选用不同的压缩比。例：硬料，A小；软料，A大。(硬PVC,A=23；软PVC,A=34)；四、机头和口模可以作为一个整体来看，机头和口模作用：*使料流从螺旋运动变为平直运动。*产生回压，利于进一步塑化，均化粘流态物料。*产生必要的成型压力，使制品致密。*成型，更换口模可改变制品断面的形状。机头与口模的组成部件:过滤网，多孔板，分流器，模芯，口模和机颈等。机头中还有校正和调整装置，能调整和校正模芯与口 模的同心度、尺寸和外观。机头可分为：直向机头用于挤管、片、其他型材。角式机头挤薄膜、线缆包复物、吹塑制品。五、传动系统包括带动螺杆转动的电力和机械传动部O六、附属设备+塑料的输送、预热、干燥等预处理装置。+挤出后制品的定型、冷却装置。+牵引装置。十卷绕或切割装置。+控制设备等。另外，附属设备因制品的不同而不同。如：挤一吹。挤出成型原理热塑性塑料在挤出过程中的变化：静态变化：固体-弹性体-粘流（熔融）体的形变。动态变化：在螺杆和料筒间沿螺槽向前流动。有 t、p、”的变化；化学结构和物理结构的变化；一、挤吹过程和螺杆各段的职能由于塑料在挤出过程中，在螺杆的全程中其形变特点和 流动情况是不同。把塑料在挤出机内的流动沿螺杆往机头方 向分三段来讨论。加料段:主要是固体输送，形变小的很；压缩段:相迁移段，有熔融变化，形变大，流动次要;均化段:是熔体输送，流动是主要的。二、挤出理论1、固体输送理论加料段的主要作用是固体输送。主要是流动。塑料：未熔化，疏松的固体，表面发粘结块，形变不大。/旋转运动一物料与螺杆的摩擦作用力物料沿螺槽/的向前运动轴向水平运动一螺杆旋转时的轴向分力/螺杆表面的摩擦力大 物料（卜旋转运动n、料筒表面的切向摩擦力小J螺杆表面的摩擦力小物料轴向水平运动n、料筒表面的切向摩擦力大J为了提高轴向水平运动：*螺杆表面光洁度*螺杆中心通冷却水一物料与螺杆表面的摩擦力u*料筒内壁光滑；*加料段特设纵向沟槽一物料与料筒表面的切向摩擦力n2、熔化理论（塑料的熔化过程）塑料在压缩段是从固体状态到完全熔化状态，同时 要受到压缩作用，在该段，物料温升快，料内摩擦作用 大，压缩作用大。在压缩段塑料由固相-液相转变一一相迁移段。物料受到挤压：压缩比的作用、逐渐溶化物料受热：料筒加热+摩擦热(1)熔化过程压缩料筒热+摩擦热相互粘结固体粒子紧密堆砌的固体床溶化图7-9熔化理论模型X(z)固体床宽度 W一螺槽宽度 Tl料筒温度 Tm物料的熔点Ts-固体床的初始温度1 一料筒熔膜2螺杆熔膜3固体床4 一熔池当熔膜的厚度大 于螺纹间隙时，熔 膜被料筒表面“拖拽”而汇集于熔池。同时，固体床 又以一定的速度沿Y 方向移向分界面，加以补充形成新的 熔膜，以保证状态 稳定。(2)相迁移面熔化区内固体和熔体相的界面称为相迁移面。溶化发生在相迁移面上。(3)熔化长度从熔化开始到固体床的 宽度降到零止的螺槽总长。熔化速度越高，溶化长 度越短。(4)模型假设*挤出过程是稳定的。*这个固相为均匀的连续体。*塑料的熔融温度范围很窄。(5)熔化理论可归结为*熔化物料的热源一一料筒加热+熔膜内摩擦热*这些热量通过熔膜传导到迁移面*固体粒子在分界面上熔化*沿螺槽深度方向物料的温度分布和速度分布为:螺槽深度H/cm螺杆|熔膜 固体床 熔膜料简堤杠 底膜_固体床_熔膜 料简.-1-图7-11螺杆压缩段中物料的温度分布 图7-12螺杆压缩段中物料的速度分布3、熔体输送理论均化段物料是均一的粘流状态，它关系到挤出产量和 质量，对这段主要研究物料的流动是一种拖拽流动。均化段螺槽：螺杆旋转时，由于推挤作用，塑料沿z方向移动，但 由于机头回压，塑料又有反压流动，使均化段料流复杂，一般认为，物料在均化段有四种流动，即正流、逆流、横 流、漏流，挤出流量使这四种流动的总和。(1)正流按Z方向，是沿螺槽向机头口模方向的 流动，是均化段熔体流动的主流，以Qd表 其体积流率。(2)逆流按Z的反方向，沿螺槽 向加料口方向的流动，这是 受机头口模阻力造成的反压 流动，以Qp表其体积流率。(3)横流粘流态料在螺槽与料筒之 间，沿垂直一水平方向的环流,是由于螺杆旋状推挤作用造 成的，以Qt表示。(4)漏流塑料熔体从螺杆与料筒的 间隙中流动，沿螺杆的轴向的 流动，是由于机头、口模的回 压造成的，以Ql表示。口(d)/，/J/77/7A(e)塑料在挤出机内的流动，其挤出量Q是上述四种流动 综合的结果。如果忽略环流（QP的影响，则均化段熔体的输送量（流率）为：（=Qd（Qp+Ql）与螺杆的结构参数、T、p、n有关。宏观上看只有物料沿螺杆的螺槽轨迹运动:三、单螺杆挤出机产生能力的计算1、实测法在挤出机上测出制品从机头口模中挤出的线速度，由 此来确定产量，准确客观不通用。Q=60vga2、按经验公式计算对挤出机产生能力进行多次实际调查、实测，并分析 总结而得，不全面。Q=BD3 n3、按固体输送理论计算把挤出机内的物料看成是一个固体塞子，把物料的运动看成象螺母在螺杆上移动OK DaQ=0.06-FpnpfCOS0相当于一个螺距内的螺槽容积4、按粘性流体流动理论计算把挤出机内的物料当作粘流体，把物料的运动看作 是粘流体流动，来计算生产能力。即为均化段熔体的流率：Q=Qd-（Qp+Ql）几个假设：*塑料的流动是滞流（层流），为牛顿流动*塑料的温度没有变化，当然其粘度也不变*此段的螺槽宽与深度之比10根据：物料在螺杆中的速度分布；螺杆的几何尺寸；熔体 在管道中的流动方程式。计算：三种流动的流率：兀？d?h sinOcosG TtDhsin2 0Ap 兀？d23 3 g.jgQ,2 12r|L 12 r|ELQ=AnBP/r|A和B只与螺杆的结构尺寸有关。如果考虑塑料的非牛顿型性，若删去Ql，应为:TiDh sinGcosO 7iDhm+sinm+0(Apm-n-K-2(m+2)2m+1 V L J比较两式可以看出，第一项完全相同，第二项不同，说 明塑料的流变性能仅与逆流项有关。四、螺杆特性曲线和机头口模特性曲线螺杆特性曲线：由式Q=AnB.P/r|，A、B为常数，”与温度有关。指定挤出机，在等温条件下操作，用不同的螺杆速率n,可作Qp坐标图，得一系列具有负斜率的平行直线 螺杆特征曲线。螺杆转速D4 口模尺寸(S/BG/&尚煜王垢挤出压力（p）/MPa而塑料熔体，通过机头和口模时的体积流率，可以 根据牛顿液体在简单园管中的流动方程来表示：K机头和口模的阻力常数。这也是通过原点的直线方程,如果口模尺寸不同，K值不 同，斜率不同，可以作出一 系列的直线口模的特征 曲线。螺杆转速D口模尺寸(S/GEQ)、/助煜田垢挤出压力(p)/MPa图7-16螺杆和口模特性曲线 螺杆转速：nxn2n3n4 口模尺寸：D1D2D3(k,k2%周）(2)均化段长度L3L长，受模具阻力 的影响就小。压力p/MPa图7-18均化段长度对挤出 生产率的影响(LiL2L3)4、物料温度T与Q的关系温度的变化直接影响物料的粘度，从我们前面推导 出的公式来看，Q与n无关。在机头和口模尺寸不变的情况下，粘度大的螺杆对 其产生的压力高：An p=-T|B+K结论：Q与温度T也无关。实际上，T的变化相当于影响了均化段的长度。五、机头口模的阻力与Q的关系机头口模的助理与口模的截面尺寸和长度有关，也 影响挤出量Q。物料流动时受到阻力，大体上与口模的截面积成反 比，与长度成正比。阻力愈小，挤出量受压力的影响愈 大。口模阻力：AB 加料段-压缩段-均化段-过滤网-粗滤口-分流梭-被分流梭支架分为若干支流-离开支架料流重新混合-进入管芯口模间的环形通道-口模挤出-定径管定径-冷却水槽-牵引-切割(3)主要控制因素+温度主要是保证塑化，挤管的温度比挤压其他制品均低。+定径冷却目的：保护几何尺寸稳定；方法：用定径套。+牵引牵引速度要均匀，牵引速度依赖于挤出速度。2、吹塑薄膜的挤出生产薄膜的方法：吹塑、压延、流延、拉幅。吹塑的实质：挤出+吹胀。吹塑工艺：吹塑薄膜、中空吹塑。吹塑薄膜方法：平挤上吹、平挤下吹、平挤平吹。工艺过程:塑料熔体 经环隙型口模挤出 一 薄壁管状物牵引上升至一定距离后，通过导向夹板而被牵引辑夹扰所挤管状物在离开口模和被夹扰的一段距离内 由管芯中心孔所通入的压缩空气吹胀成泡状物由空气冷却由夹持辑引出几个关键问题：n吹塑比衡量吹胀程度。（横向拉伸作用的大小）n牵伸比拉伸作用（纵向）。n薄膜的冷却大多用风环冷却。3、塑料板材挤出一挤管一剖开展平板材板材挤出狭缝机头直接挤板（对流变性能要求高）,平膜法一一挤厚篇-拉伸拉幅薄膜成型；、管膜法一一挤管坯-拉伸橡胶的压出成型橡胶的压出成型是半成品成型，半成品生产还需要硫 化才能最终成为制品。主要产品：内胎、胎面、胶管、电线电缆包胶层等。橡胶压出的设备、加工原理与塑料挤出类似，但有其本身特点。一、压出机压出机的结构大致与塑料挤出相似。压出前混炼胶必须热炼，已具可塑度。压出机不负担传热塑化的主要作用，仅起进一步恒 温与均化胶料的作用。胶料已具较高密度（混炼胶）。L/D较小，螺杆较短，45。防止焦烧A较小,1.31.7。压出机变化螺杆的形式可作滤胶，塑炼，混炼及压 型等工艺操作。二、压出成型工艺1、混炼胶料的热炼热炼一塑化，提高可塑性，以条状或厚片状进入压出 机。热炼温度：7080。2、压出成型胶料在挤出机内，保温、均化、增加成型可塑性，通 过口型压出，得橡胶半成品。3、冷却迅速冷却（2535以下），防止焦烧和变形。水冷。三、影响压出的因素1、胶料的组成和性质胶料中生胶含量大，压出速度慢，收缩大。填充剂用量色 压出性能改善，收缩减小，压出速度个。软化剂大多能加快压出速度。胶料的可塑性可大些，流动性好，压出速度个。2、压出机的特征主要是口型尺寸。口型尺寸/螺杆直径=0.30.75 口型过大，机头内压力不足，半成品形状不规整。口型过小，压力太大，剪切力大，易焦烧。3、压出温度即成型温度，胶料成型时一般控制在7080。TT,粘性色操作困难，易焦烧。各段温度控制：口型处,机头,机筒4、压出速度指单位时间压出和胶料体积或重量。压出速度应恒定。5、压出物的冷却冷却目的：+获得所需要的断面尺寸+防止焦烧冷却速度：不宜骤冷，以免收缩不一。图7-3螺杆结构的主要参数以一螺杆外径Dl料筒内径L一螺距H一螺槽深度W-螺槽宽度6-螺旋角E一螺纹棱部宽度台一间隙L一螺杆长度d一螺杆根径返回图7-4渐变形螺杆（a）和突变形螺杆（b）返叵图7-5常用螺杆头部形状(a)大圆锥(120)(b)锥体(锥角为60,适用于PVC)(c)半圆形(d)鱼雷体返回15图7-7挤出机机头和口模示意图1挤出机2II模3模唇调行器4TI模成型段5扼流调节排冷却料斗区迟体床熔池体输送区区熔融区熔体输送区图7-8塑料在挤出机中的挤出过程1图7-13螺槽展开图1 一料筒2一螺杆根部3一螺翅/./.yz777777777777T77T77图7-15熔体在螺槽中的组合流动情况图7-20管材挤出工艺示意图1螺杆2机筒3多孔板4接口套5一机头体6芯棒.7调节螺钉8口模9定径套10冷却水槽11 一链子12塞子13牵引装置14夹紧装置15塑料管子2返回图7-21分流器与管芯示意图1芯棒2分流器支架3一分流器TH图 7-22口模示意图图7-26吹塑薄膜工艺示意图1挤出料筒2过滤网3多孔板4风环5芯模 6一冷凝线 7、12导相 8橡胶夹根9一夹送辑10一不锈钢夹相（被动）11一处理棒 13均衡张紧辑14收卷辑15一模环16模头17空气入口18加热器19树脂20膜管返叵冷水 冷水压缩空气图7-23内压法外径定径装置 1一挤出机2机头口模3定径套4塞子返回冷水抽真空3冷却力2 1rr调节距离冷水抽真空冷却图7-24真空定径装置1模头2冷却区I3冷却区n 4一冷却区in图7-25内径定型装置1芯模2一口模3定径套4管子返回