第三章擠出理論

1、5 第二節(jié) 單螺桿擠出成型基本原理 1、擠出成型基本熱機械歷程 聚合物成型熱機械歷程 固體（制品） 固體（原料） 熔體（液體） 6 2、擠出過程的物態(tài)變化 熱塑性塑料的三態(tài)變化 第二節(jié) 單螺桿擠出成型基本原理 熱塑性塑料在恒定壓力、 不同溫度下存在著三種物 理狀態(tài)：玻璃態(tài)、高彈態(tài)、 粘流態(tài) 當(dāng)溫度升高到 高分子材料 的分解溫度TdTd時，材料開 始分解或降解，故不存在 氣態(tài) 7 第二節(jié) 單螺桿擠出成型基本原理 （1）玻璃態(tài)（glassy state）:TTg 在此狀態(tài)下，高聚物呈較剛硬的固體，在外力 作用下，變形量很小，而且形變?yōu)槠諒椥巫儯?因為在此狀態(tài)的變形只限于塑料內(nèi)部分子鍵角、 鍵長的變

2、化 在此狀態(tài)的塑料成型，一般只采用一些機械加 工的方法，如車、銑、刨等，但機械加工精度 很差。 玻璃化溫度：Tg 8 第二節(jié) 單螺桿擠出成型基本原理 （2）高彈態(tài)（elastic state)：TgTTf 在此狀態(tài)的高聚物為柔軟而具有彈性的固體，在此 狀態(tài)下高聚物的形變可達原長的510倍，這是因為 卷曲的形態(tài)轉(zhuǎn)化為延伸的形態(tài)， 但分子與分子結(jié)構(gòu) 上總的排列依然不變。 若要將高彈的塑料加工 成制品，可采用熱壓、熱彎熱壓、熱彎、 熱拉伸和真空吸塑熱拉伸和真空吸塑 、氣壓成型、氣壓成型等加工方法，一些化 工企業(yè)用塑料管道、塔器、貯藏的外殼一般均采用 加熱至 高彈態(tài)的成型的方法，冰箱內(nèi)膽、塑料天花 板

3、、包裝盒（快餐盒、食品盒）也是采用這種方法 粘流溫度 Tf 9 第二節(jié) 單螺桿擠出成型基本原理 （3）粘流態(tài)（viscous flow state）TTf 聚合物發(fā)生了相態(tài)變化，有固態(tài)變成液體，處于 黏流態(tài)的高聚物在外力作用下，發(fā)生的形變?yōu)椴?可恢復(fù)的永久形變，而且形變大小隨時間的變化 而增大。一個很小的外力，只要足夠長的時間就可 以達到任意的形變。 主要因為在此狀態(tài)下，外力作用時，材料的分子 間可以發(fā)生相對運動，同時同一分子鏈又有分子 鏈段的運動，分子之間的相對位移是一種永久的 形變，即粘性形變。而分子鏈的運動是一種既有 粘性形變，又有彈性形變的粘彈性運動 10 d ： 第二節(jié) 單螺桿擠出成

4、型基本原理 在此狀態(tài)，可采用注射成型、擠出成型、壓延成注射成型、擠出成型、壓延成 型、吹塑成型、壓制成型型、吹塑成型、壓制成型等加工方法，絕大多數(shù) 的塑料制品都是在黏流態(tài)流動成型的 結(jié)晶型塑料的高彈態(tài)并不明顯，沒有明確的黏流 溫度，而是當(dāng)溫度高于熔融溫度Tm時，則開始融 化，完全熔化時則進入黏流態(tài) Tm （或Tf ）T 高分子材料的成型加工溫度范 圍越寬，成型加工越容易 嚴(yán)格的溫度轉(zhuǎn)變點是不存在的，均是有一個范 圍，而且與應(yīng)力的大小、作用時間和速度有關(guān) 11 第二節(jié) 單螺桿擠出成型基本原理 擠出過程的物料的形態(tài)變化 物料在擠出過程中，根據(jù)其運動和狀態(tài)變化可分 為三個區(qū)域： 固體輸送區(qū)： 物料呈

5、固態(tài)，物料 在向前運動中被壓實。 熔融區(qū)： 物料開始熔融至完全熔融。 熔體輸送區(qū) 已熔物料的混合、攪拌、并定壓、定量輸送 借助可視化研究，朱復(fù)華等提出了三段七區(qū)理論 12 第二節(jié) 單螺桿擠出成型基本原理 擠出螺桿的分段及基本參數(shù) 為了適應(yīng)擠出過程中物態(tài)的變化，通常把擠出螺 桿也劃分并加工成三段，分別為加料段、壓縮段 和計量段，三段參數(shù)各不相同。課三段式螺桿 螺桿的基本參數(shù) 品 13 第二節(jié) 單螺桿擠出成型基本原理 擠出螺桿的分段及基本參數(shù) 14 15 第二節(jié) 單螺桿擠出成型基本原理 在擠出成型加工中，我們希望，物料變化的三個區(qū) 域與螺桿的三段一一對應(yīng)、完全吻合，這樣能達到 最大的產(chǎn)量和最佳的質(zhì)

6、量 16 第二節(jié) 單螺桿擠出成型基本原理 在實際生產(chǎn)中，往往這三個區(qū)和這三個段不能完全 吻合 要對擠出過程的機理進行研究 找出物料性質(zhì)、工藝參數(shù)、設(shè)備參數(shù)與三個區(qū) 域長度的關(guān)系 從而使物料的三區(qū)與螺桿的三段吻合 17 第二節(jié) 單螺桿擠出成型基本原理 3、加料段固體輸送理論 固體輸送理論的研究內(nèi)容 主要是研究物料在加料段的輸送機理 以及影響物料輸送的各種因素 固體輸送理論的研究目的 以便改進螺桿設(shè)計，提高輸送效率和穩(wěn)定性 cot1cot1 21 hhD ctgctg DN Nlva tgtg tgNtghDDh Q )( 2 1 1、通過加大加料段的螺槽深度來實現(xiàn)提高輸送量通過加大加料段的螺槽深

7、度來實現(xiàn)提高輸送量QsQs 。 2 2、QsQs與與 成正比。成正比。 tgtg tgtg =0；反之，；反之， =90，流量達到理論上限；正，流量達到理論上限；正 常情況下，常情況下， 0 90. 對于大多數(shù)聚合對于大多數(shù)聚合 物：物：fs在在0.250.5，在在1720之間，一般之間，一般 取取1741 tgtg tgtg 3 3、螺桿表面摩擦系數(shù)越小（料筒的摩擦系數(shù)越大）螺桿表面摩擦系數(shù)越?。贤驳哪Σ料禂?shù)越大） ，QSQS越大。越大。 a a、增加螺桿表面光潔度；、增加螺桿表面光潔度； b、開縱向溝槽和加工出錐度開縱向溝槽和加工出錐度來來 實現(xiàn)提高輸送量實現(xiàn)提高輸送量Qs。但料筒內(nèi)壁仍

8、應(yīng)光滑。但料筒內(nèi)壁仍應(yīng)光滑. 4 4、增加加料段的長度會使產(chǎn)量的提高。、增加加料段的長度會使產(chǎn)量的提高。 控制螺桿與機筒的溫度控制螺桿與機筒的溫度 53 第二節(jié) 單螺桿擠出成型基本原理 5、熔體輸送理論 研究的意義 亦稱流體動力學(xué)理論，是研究在單螺桿計量 段如何保證物料的徹底塑化，并使之能定壓、定 量和定溫地從機頭擠出，以獲得穩(wěn)定的產(chǎn)量和高 質(zhì)量的擠出制品 54機械與汽車工程學(xué)院 第二節(jié) 單螺桿擠出成型基本原理 假設(shè)： 進入計量段的物料己全部熔融塑化 熔體為等溫牛頓流體，其黏度和密度不變 熔體流動是穩(wěn)定的層流 熔體是不可壓縮的 視螺槽為矩形，螺槽的曲率忽略 沿整個螺槽的速度分布不變。 55 第

9、二節(jié) 單螺桿擠出成型基本原理 計量段螺槽中的流動 正流正流（Qd）：是由物料受機筒的摩擦拖曳引起的，是由物料受機筒的摩擦拖曳引起的， 產(chǎn)生沿螺槽向機頭方向的運動，實質(zhì)是拖曳流動，起產(chǎn)生沿螺槽向機頭方向的運動，實質(zhì)是拖曳流動，起 擠出物料作用擠出物料作用 56機械與汽車工程學(xué)院 第二節(jié) 單螺桿擠出成型基本原理 壓力流（QpQp）：其流動方向與正流相反，是由機頭、 分流板和濾網(wǎng)等阻力元件產(chǎn)生的壓力引起的回流阻力元件產(chǎn)生的壓力引起的回流 橫流（Qx）：其螺紋方向垂直的流動使物料在螺槽 內(nèi)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)運動，形成環(huán)流。有利于物料的塑化和均化 漏流（QL）：一種在螺棱和機筒形成的間隙中沿螺桿 軸線分流板和濾網(wǎng)

10、等對熔體的反壓造成的流動。由于間 隙很小，故在正常情況下，漏流較之正流小很多 57 第二節(jié) 單螺桿擠出成型基本原理 流率（Q）： 討論 正流Qd與螺桿直徑 D、螺槽深度h3和螺桿桿轉(zhuǎn)數(shù)n成正比， 而與壓力梯度無關(guān) 壓力流Qp ，正比于螺槽深度h3的三次方和壓力之差，與螺 槽長度L3和黏度1成反比 漏流QL ，正比于0的三次方和壓力之差（P2P1）和螺槽 長度 L3、黏度2 和螺棱寬度e成反比 58 第二節(jié) 單螺桿擠出成型基本原理 對比于Qd和Qp，可見計量段螺槽深度h3對擠出量Q 的影 響較復(fù)雜，如h3增加一倍，Qd 增加一倍，但Qp卻增加至8 倍；因此，在確定h3時應(yīng)考慮這一點。 Qp 和Q

11、L 越大，擠出量越小，但計量段長度L3增加可以減 少Q(mào)p和QL，故有利于擠出量的提高； 漏流QL正比于0的三次方，顯然0 增加一點，擠出 量就會明易降低，因此，螺桿和機筒磨損太大時，生產(chǎn) 很不經(jīng)濟； 螺紋升角對生產(chǎn)率影響是很復(fù)雜的，因為螺紋升角 與Qd、Qp及QL 均成正比。一般說來，當(dāng)螺紋升角在 25 30時，擠出量最大。但確定螺紋升角，主要還是要考慮 螺桿的制造方面的問題； 在其它條件不變時，生產(chǎn)率Q將隨螺桿直徑和螺桿轉(zhuǎn)速n 的提高而提高。 59 第二節(jié) 單螺桿擠出成型基本原理 60 第二節(jié) 單螺桿擠出成型基本原理 確定擠出機的工作點 簡化計量段的流率方程： 若螺桿不變，通過改變螺桿轉(zhuǎn)速，

12、就會得到螺桿 的特性線(計量段熔體流率與壓力的關(guān)系曲線)： 正流流率常數(shù)；倒流流率常數(shù)；漏流流率常數(shù) 它們均與螺桿的幾何參數(shù)有關(guān)，對于給定螺桿，其為常數(shù) 61 第二節(jié) 單螺桿擠出成型基本原理 假定熔體為牛頓流體，其通過機頭的流動方程為： 61 第二節(jié) 單螺桿擠出成型基本原理 62 第二節(jié) 單螺桿擠出成型基本原理 把螺桿特性線和口模特性線畫到一張圖上，其交點 被稱為擠出機的工作點 在給定的螺桿和口模 下，工作點會因螺桿的轉(zhuǎn) 速的改變而改變； 在給定的螺桿下，若 更換機頭，工作點C也 會隨之改變。 64 第二節(jié) 單螺桿擠出成型基本原理 螺桿、機頭的聯(lián)合設(shè)計 （1）在低壓區(qū) PPc 即安裝有高阻力的

13、機頭，配以計量段螺槽淺的螺 桿，將會得到較高的擠出產(chǎn)量 淺的螺桿擠出量通常對機頭阻力變化的敏感性較 ?。輻U特性較硬）；計量段較短螺桿對熔體壓力 較敏感 65 第二節(jié) 單螺桿擠出成型基本原理 綜合考慮： 流率、壓力 假塑性材料，為拋物線 制品質(zhì)量和溫度等其它條件 （2）理論公式： 66 第二節(jié) 單螺桿擠出成型基本原理 生產(chǎn)中生產(chǎn)率的確定 （1）經(jīng)驗公式： 67 第二節(jié) 單螺桿擠出成型基本原理 擠出理論小結(jié) 根據(jù)擠出理論，可以得知 提高擠出機加料段的固體輸送能力是提高擠出機螺桿 生產(chǎn)能力的先決條件 而螺桿的熔融塑化能力則是提高螺桿生產(chǎn)能力和保證 制品質(zhì)量的關(guān)鍵 此外，擠出機螺桿的三區(qū)段的工作能力必須均衡， 才能使螺桿達到最佳的工作效能；螺桿的固體輸送能力與 熔融塑化能力必須匹配 現(xiàn)代螺桿擠出機的生產(chǎn)能力之所以能獲得飛速的提 高，其中個很里要的原因就是充分采取有效的改進措施， 強化固體輸送能力，提高熔融能力，并在此前提下，保證 螺桿能有更多的均化能力 68 第二節(jié) 單螺桿擠出成型基本原理 可以認(rèn)為現(xiàn)代的三段七區(qū)擠出理論已充分揭示了擠出過程 中物料性質(zhì)，操作工藝條件和螺桿、機筒的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)間的 相互關(guān)系，以及它們對擠出機的生產(chǎn)能力，功率消耗及產(chǎn)品質(zhì) 量的影響關(guān)系。這些已經(jīng)對正確設(shè)計擠出機，特別是對螺桿和 機筒的設(shè)計和改進發(fā)揮了重要的指導(dǎo)作用（如導(dǎo)致了各種新型 高效