第七章擠出成型_pdf

1、擠出成型一、概述擠出成型是高分子材料加工領(lǐng)域中，是一個(gè)變化眾多，用途最廣，比重最大的成型工藝。擠出過程是使高分子材料的熔體在擠出機(jī)的螺桿擠壓作用下，通過具有一定形狀的口模而連續(xù)成型，所得的制品為恒定截面的連續(xù)型材。三大合成材料的擠出，沒有本質(zhì)上的區(qū)別，所用設(shè)備加工原理大同小異。擠出理論、工藝以塑料為多，故本節(jié)主要討論塑料的擠出成型。橡膠擠出壓出；合成纖維螺桿擠出紡絲；塑料主要熱塑性塑料的擠出，現(xiàn)也有熱固性。擠出成型的塑料制品都是連續(xù)的型材。如：管材、棒、板、片、帶、薄膜、單絲、電線電纜包層、異型材等。塑料上色，混煉，塑化造粒，共混改性等。以擠出為基礎(chǔ)的配合吹脹和雙軸拉伸：吹塑成型和拉幅成型。二

2、、工藝特點(diǎn)連續(xù)成型，產(chǎn)量大，生產(chǎn)率高。制品外形簡單，是斷面形狀不變的連續(xù)型材。制品質(zhì)量均勻密實(shí)，各向異性小，尺寸準(zhǔn)確性較好。適應(yīng)性很強(qiáng)：+幾乎適合除PTFE外所有熱塑性塑料。+只要改變機(jī)頭口模，就可改變制品形樣。+可用來塑化，造粒，染色，共混改性，也可同其他方法混合成型。此外，還可作壓延成型的供料。三、擠出成型基本過程1、塑化在擠出機(jī)那將固體塑料加熱或塑料之間的內(nèi)摩擦熱使其變成粘流態(tài)料。2、成型在擠出機(jī)的螺桿旋轉(zhuǎn)推擠作用下，通過具有一定形狀的口模，使粘流態(tài)料得到連續(xù)的型材。3、定型用適當(dāng)?shù)姆椒?，使擠出的連續(xù)型材冷卻定型為制品。四、擠出成型設(shè)備螺桿擠出機(jī)連續(xù)成型，最多。柱塞擠出機(jī)間歇成型，一般不

3、用。單螺桿螺桿式擠出機(jī) 雙螺桿多螺桿其中以單螺桿最常用，也較為簡單。第一節(jié)單螺桿擠出機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及其作用原理加料裝置傳動(dòng)系統(tǒng)擠出系統(tǒng)料筒螺桿機(jī)頭口模單螺桿擠出機(jī) 加熱和冷卻系統(tǒng)控制系統(tǒng)附屬裝置一、料斗即加料裝置，以保證物料向料筒供應(yīng)。有冷卻夾套，有定時(shí)定量自動(dòng)加料裝置。二、料筒是一個(gè)受壓的金屬圓筒，其外層有加熱和冷卻系統(tǒng)。料筒的作用：（34段）對塑料加熱；配合螺桿使塑料塑化。對塑料冷卻的目的：防止停車時(shí)，因過熱造成分解。三、螺桿是擠出機(jī)的在主要的部件，其結(jié)構(gòu)對擠出工藝有較為重要的影響，擠出不同高聚物有不同結(jié)構(gòu)形式的螺桿。1、螺桿的結(jié)構(gòu)2、螺桿的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)螺桿的直徑D；螺桿的長徑比LDs螺桿的

4、壓縮比A螺槽深度H螺旋角螺紋棱部寬E螺桿與料筒的間隙螺桿的直徑 D代表擠出機(jī)的規(guī)格。D，擠出機(jī)生產(chǎn)能力。螺桿的長徑比 LDs（1525）影響擠出機(jī)的產(chǎn)量和擠出質(zhì)量（衡量塑化效率）。LDs，塑料的停留時(shí)間，混合塑化效果。螺桿的壓縮比 A（25）A螺桿第一螺槽的容積 /螺桿最后螺槽的容積A的獲得：等距變深，等深變距，變深變距。A ，制品致密，排除物料中所含空氣的能力大。螺槽深度 H 圖正比于擠出量。H小，產(chǎn)生的剪切速率大，塑化效果好，但生產(chǎn)率低。H3KD，K0.020.06，D小K取大值，D大K取小值。螺旋角（1030 o） ，出料快，生產(chǎn)率，但停留時(shí)間短，塑化效果。螺桿在螺距直徑時(shí)最易加工，此時(shí)

5、， 1741。o螺紋棱部寬E影響漏流，進(jìn)而影響產(chǎn)量。螺桿與料筒的間隙3、螺桿的作用輸送物料螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，塑料在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)受到軸向壓力，向機(jī)頭方向流動(dòng)以擠出成型。傳熱塑化物料與料筒配合，使塑件接觸傳熱面而不斷更新，在料筒外加熱與螺桿摩擦作用下軟化、熔融為粘流態(tài)。混合與均化物料與料筒和機(jī)頭相配合產(chǎn)生強(qiáng)大的剪切作用，使物料均勻混合，塑化好。在螺桿的全長部分各段作用及結(jié)構(gòu)使不同的，一般分為三段：（1）加料段 L1靠近料斗一端，在該段對塑料主要起傳熱軟化、輸送作用，無壓縮作用。是固體輸送。L1的長度：結(jié)晶型：熔點(diǎn)前，難壓縮， L1較長。無定型：隨 T ，形變，有壓縮， L1不長。（2）壓縮段 L2螺桿的中

6、段。物料在此段繼續(xù)吸熱軟化、熔融，直到最后完全塑化，塑料在該段范圍內(nèi)可以進(jìn)行較大程度的壓縮。壓縮作用的來源：漸變型：螺距變化；螺槽深度變化。突變型：等深等距深槽等深等距深槽（12個(gè)螺距過渡）壓縮段的長度：結(jié)晶型塑料：Tm很窄，到Tm后，L2很短即可。無定型塑料：Tf較寬， L2較長。（3）均化段 L3靠機(jī)頭口模一端。為等距等深的淺槽螺紋，其作用是把壓縮段送來的已塑化的物料，在均化段的淺槽和機(jī)頭回壓下攪拌均勻，成為質(zhì)量均的熔體，并且為定量定壓擠出成型創(chuàng)造必要條件。（也稱計(jì)量段）均化段要維持較高的而且穩(wěn)定的壓力，以保持料流穩(wěn)定，因此應(yīng)有足夠的長度，可為螺桿全長的2025。4、螺桿的形式等距變深等深

7、變距漸變型圖普通型螺桿螺紋突變型螺桿分三段高效專用單頭雙頭多頭錐型螺桿頭部可避免物料分解魚雷頭混合和受熱效果好圖5、螺桿的選用（1）材料對結(jié)晶型塑料：突變型螺桿等距不等深；對無定型塑料：漸變型螺桿等距不等深（2） LD對硬塑料，塑化時(shí)間長，LD大些；對粉末料，要求多塑化一些時(shí)間，應(yīng)LD大；對結(jié)晶型塑料，LD大。（3）A根據(jù)不同的塑料選用不同的壓縮比。例：硬料，A小；軟料，A大。（硬PVC，A23；軟PVC，A34）；四、機(jī)頭和口?？梢宰鳛橐粋€(gè)整體來看，機(jī)頭和口模作用：使料流從螺旋運(yùn)動(dòng)變?yōu)槠街边\(yùn)動(dòng)。產(chǎn)生回壓，利于進(jìn)一步塑化，均化粘流態(tài)物料。產(chǎn)生必要的成型壓力，使制品致密。成型，更換口?？筛淖冎破?/p>

8、斷面的形狀。機(jī)頭與口模的組成部件：過濾網(wǎng)，多孔板，分流器，模芯，口模和機(jī)頸等。機(jī)頭中還有校正和調(diào)整裝置，能調(diào)整和校正模芯與口模的同心度、尺寸和外觀。機(jī)頭可分為：直向機(jī)頭用于擠管、片、其他型材。角式機(jī)頭擠薄膜、線纜包復(fù)物、吹塑制品。五、傳動(dòng)系統(tǒng)包括帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)的電力和機(jī)械傳動(dòng)部。六、附屬設(shè)備+塑料的輸送、預(yù)熱、干燥等預(yù)處理裝置。+擠出后制品的定型、冷卻裝置。+牽引裝置。+卷繞或切割裝置。+控制設(shè)備等。另外，附屬設(shè)備因制品的不同而不同。如：擠吹。擠出成型原理熱塑性塑料在擠出過程中的變化：靜態(tài)變化：固體彈性體粘流（熔融）體的形變。動(dòng)態(tài)變化：在螺桿和料筒間沿螺槽向前流動(dòng)。T、P、的變化；有化學(xué)結(jié)構(gòu)和物

9、理結(jié)構(gòu)的變化；一、擠吹過程和螺桿各段的職能由于塑料在擠出過程中，在螺桿的全程中其形變特點(diǎn)和流動(dòng)情況是不同。把塑料在擠出機(jī)內(nèi)的流動(dòng)沿螺桿往機(jī)頭方向分三段來討論。加料段：主要是固體輸送，形變小的很；壓縮段：相遷移段，有熔融變化，形變大，流動(dòng)次要；均化段：是熔體輸送，流動(dòng)是主要的。二、擠出理論1、固體輸送理論加料段的主要作用是固體輸送。主要是流動(dòng)。塑料：未熔化，疏松的固體，表面發(fā)粘結(jié)塊，形變不大。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)物料與螺桿的摩擦作用力物料沿螺槽的向前運(yùn)動(dòng)軸向水平運(yùn)動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)的軸向分力螺桿表面的摩擦力大物料旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)料筒表面的切向摩擦力小螺桿表面的摩擦力小料筒表面的切向摩擦力大物料軸向水平運(yùn)動(dòng)為了提高軸向水平

10、運(yùn)動(dòng)：螺桿表面光潔度；螺桿中心通冷卻水物料與螺桿表面的摩擦力料筒內(nèi)壁光滑；加料段特設(shè)縱向溝槽物料與料筒表面的切向摩擦力2、熔化理論（塑料的熔化過程）塑料在壓縮段是從固體狀態(tài)到完全熔化狀態(tài)，同時(shí)要受到壓縮作用，在該段，物料溫升快，料內(nèi)摩擦作用大，壓縮作用大。在壓縮段塑料由固相 液相轉(zhuǎn)變相遷移段。物料受到擠壓：壓縮比的作用逐漸溶化物料受熱：料筒加熱摩擦熱（1）熔化過程壓縮料筒熱摩擦熱相互粘結(jié)固體粒子緊密堆砌的固體床溶化當(dāng)熔膜的厚度大于螺紋間隙時(shí)，熔膜被料筒表面“拖拽”而匯集于熔池。同時(shí)，固體床又以一定的速度沿Y方向移向分界面，加以補(bǔ)充形成新的熔膜，以保證狀態(tài)穩(wěn)定。（2）相遷移面熔化區(qū)內(nèi)固體和熔體相

11、的界面稱為相遷移面。溶化發(fā)生在相遷移面上。（3）熔化長度從熔化開始到固體床的寬度降到零止的螺槽總長。熔化速度越高，溶化長度越短。（4）模型假設(shè)擠出過程是穩(wěn)定的。這個(gè)固相為均勻的連續(xù)體。塑料的熔融溫度范圍很窄。（5）熔化理論可歸結(jié)為熔化物料的熱源料筒加熱熔膜內(nèi)摩擦熱這些熱量通過熔膜傳導(dǎo)到遷移面固體粒子在分界面上熔化沿螺槽深度方向物料的溫度分布和速度分布為：3、熔體輸送理論均化段物料是均一的粘流狀態(tài)，它關(guān)系到擠出產(chǎn)量和質(zhì)量，對這段主要研究物料的流動(dòng)是一種拖拽流動(dòng)。均化段螺槽：螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于推擠作用，塑料沿Z方向移動(dòng)，但由于機(jī)頭回壓，塑料又有反壓流動(dòng)，使均化段料流復(fù)雜，一般認(rèn)為，物料在均化段有四種

12、流動(dòng)，即正流、逆流、橫流、漏流，擠出流量使這四種流動(dòng)的總和。（1）正流按Z方向，是沿螺槽向機(jī)頭口模方向的流動(dòng)，是均化段熔體流動(dòng)的主流，以QD表其體積流率。（2）逆流按Z的反方向，沿螺槽向加料口方向的流動(dòng)，這是受機(jī)頭口模阻力造成的反壓流動(dòng)，以Qp表其體積流率。（3）橫流粘流態(tài)料在螺槽與料筒之間，沿垂直水平方向的環(huán)流，是由于螺桿旋狀推擠作用造成的，以QT表示。（4）漏流塑料熔體從螺桿與料筒的間隙中流動(dòng)，沿螺桿的軸向的流動(dòng)，是由于機(jī)頭、口模的回壓造成的，以QL表示。塑料在擠出機(jī)內(nèi)的流動(dòng)，其擠出量Q是上述四種流動(dòng)綜合的結(jié)果。如果忽略環(huán)流（QT）的影響，則均化段熔體的輸送量（流率）為：Q均QD（QpQL

13、）與螺桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)、T、P、有關(guān)。宏觀上看只有物料沿螺桿的螺槽軌跡運(yùn)動(dòng)：三、單螺桿擠出機(jī)產(chǎn)生能力的計(jì)算1、實(shí)測法在擠出機(jī)上測出制品從機(jī)頭口模中擠出的線速度，由此來確定產(chǎn)量，準(zhǔn)確客觀不通用。Q60vg2、按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算對擠出機(jī)產(chǎn)生能力進(jìn)行多次實(shí)際調(diào)查、實(shí)測，并分析總結(jié)而得，不全面。QD n33、按固體輸送理論計(jì)算把擠出機(jī)內(nèi)的物料看成是一個(gè)固體塞子，把物料的運(yùn)動(dòng)看成象螺母在螺桿上移動(dòng)。Q 0.06 cosDaFn'相當(dāng)于一個(gè)螺距內(nèi)的螺槽容積4、按粘性流體流動(dòng)理論計(jì)算把擠出機(jī)內(nèi)的物料當(dāng)作粘流體，把物料的運(yùn)動(dòng)看作是粘流體流動(dòng)，來計(jì)算生產(chǎn)能力。即為均化段熔體的流率： QQD（QpQL）幾個(gè)假設(shè)：

14、塑料的流動(dòng)是滯流（層流），為牛頓流動(dòng)塑料的溫度沒有變化，當(dāng)然其粘度也不變此段的螺槽寬與深度之比>10根據(jù)：物料在螺桿中的速度分布；螺桿的幾何尺寸；熔體在管道中的流動(dòng)方程式。計(jì)算：三種流動(dòng)的流率：2D2hsincosn Dh3sin2p 2D23tgpQ=212 L12 ELQAnB·P/A和B只與螺桿的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)。如果考慮塑料的非牛頓型性，若刪去QL，應(yīng)為：2D2hsincosn Dh sin K p+ m Lm 2 m 1Q=+2m 1(m + 2)2比較兩式可以看出，第一項(xiàng)完全相同，第二項(xiàng)不同，說明塑料的流變性能僅與逆流項(xiàng)有關(guān)。四、螺桿特性曲線和機(jī)頭口模特性曲線螺桿特性曲

15、線：由式 QAnB·P/，A、B為常數(shù)， 與溫度有關(guān)。指定擠出機(jī)，在等溫條件下操作，用不同的螺桿速率n，可作Qp坐標(biāo)圖，得一系列具有負(fù)斜率的平行直線螺桿特征曲線。而塑料熔體，通過機(jī)頭和口模時(shí)的體積流率，可以根據(jù)牛頓液體在簡單園管中的流動(dòng)方程來表示：Q = K pK機(jī)頭和口模的阻力常數(shù)。這也是通過原點(diǎn)的直線方程，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線口模的特征曲線。兩組曲線的交點(diǎn)是操作點(diǎn)。利用這種圖，可以求出指定擠出機(jī)，配合不同的機(jī)頭口模時(shí)的擠出量。五、擠出流率的影響因素1、物料壓力P與Q的關(guān)系+ A：A，P+ ：螺桿與料筒的間隙： ，P+ h3：螺槽深： h3 ，

16、P+ K：機(jī)頭口模的阻力，K，P正流與P無關(guān)，逆流和漏流與P成正比。P Q ，但有利于塑化。2、螺桿轉(zhuǎn)速n與Q的關(guān)系A(chǔ)KnQ=K + B對一定的機(jī)器，擠出量與螺桿轉(zhuǎn)速成正比3、螺桿幾何尺寸對生產(chǎn)能力的關(guān)系主要是螺槽深和均化段長度。（1）螺槽深h3正流與h成正比，逆流與h成正比。3深槽螺桿的擠出量717受壓力的影響大。（2）均化段長度L3L長，受模具阻力的影響就小。7184、物料溫度T與Q的關(guān)系溫度的變化直接影響物料的粘度，從我們前面推導(dǎo)出的公式來看， Q與無關(guān)。在機(jī)頭和口模尺寸不變的情況下，粘度大的螺桿對其產(chǎn)生的壓力高：P=BA+nK 結(jié)論：Q與溫度T也無關(guān)。實(shí)際上，T的變化相當(dāng)于影響了均化段

17、的長度。五、機(jī)頭口模的阻力與Q的關(guān)系機(jī)頭口模的助理與口模的截面尺寸和長度有關(guān)，也影響擠出量Q。物料流動(dòng)時(shí)受到阻力，大體上與口模的截面積成反比，與長度成正比。阻力愈小，擠出量受壓力的影響愈大。QABCp口模阻力：A<B<C擠出成型工藝一、擠出工藝流程熱塑性塑料 預(yù)熱和干燥 擠出機(jī)加熱 開動(dòng)螺桿 加料 調(diào)整 擠出成型 定型 冷卻 牽引 卷取（切割） 后處理 擠出制品1、原料的準(zhǔn)備、預(yù)熱和干燥粒狀塑料含有水份，成型前需預(yù)熱和干燥。干燥要求：一般塑料：水份< 0.5高溫下易水解的塑料，如尼龍（PA）、滌綸（PET）等：水份< 0.03%預(yù)熱和干燥的方式：烘箱、烘房，可抽真空干燥

18、。2、擠出成型擠出成型是連續(xù)成型工藝，關(guān)鍵是初期的調(diào)整，要調(diào)整到正常擠出。主要調(diào)整：工藝條件：溫度（料筒各段、口模）速度（螺桿轉(zhuǎn)速、牽引速度）設(shè)備裝置：口模尺寸同心度擠出制品的質(zhì)量決定于工藝條件，關(guān)鍵在于塑化情況（取決于溫度和剪切情況）：料筒外的加熱溫度螺桿對物料的剪切產(chǎn)生的摩擦熱（主要）T，利于塑化，T ，擠出物形狀穩(wěn)定性差；T ， ，機(jī)頭壓力，制品致密，形狀穩(wěn)定，易出現(xiàn)離模膨脹效應(yīng)，T ，塑化差，質(zhì)量差。轉(zhuǎn)速n ，剪切，有利塑化， ，但料筒中物料的壓力。3、定型和冷卻（同時(shí)進(jìn)行）管材、異型材獨(dú)立的定型裝置板材、片材壓輥定型薄膜、單絲、線纜包覆無需定型，直接冷卻定型方法：管材：定徑套（外徑定

19、型、內(nèi)徑定型）原理：管坯內(nèi)外形成壓力差。冷卻速度：硬質(zhì)塑料：慢些，以免內(nèi)應(yīng)力。軟質(zhì)塑料、結(jié)晶塑料：快些。（熔體粘度低）4、牽引拉伸及后處理牽引拉伸目的：+消除離模膨脹效應(yīng)，+引離。牽引速度 >擠出速度后處理熱處理（TgTf間熱定型）：+提高尺寸穩(wěn)定性+減少熱收縮率（解取向）二、幾種制品的擠出工藝1、管材的擠出塑料擠出成型的主要產(chǎn)品。PVC、PE、PP、ABS、PA、PC等。工藝過程：粒狀或粉狀的塑料擠出機(jī)經(jīng)加熱熔融形成管狀物制品借螺桿的推力使熔融料通過機(jī)頭的環(huán)形通道經(jīng)冷卻定型牽引切割（1）擠出設(shè)備及裝置擠出機(jī)，機(jī)頭，定型裝置，冷卻水槽，牽引設(shè)備，切割裝置，較為主要的是機(jī)頭。分流梭及支架機(jī)

20、頭 管芯口模等A、分流梭作用：1）使塑料形狀，料流從螺旋直行。2）使料層變薄，有利塑化均勻。B、分流梭支架作用：支撐分流梭及管芯。中、小型機(jī)頭分流梭與分流梭支架為一個(gè)整體。C、管芯作用：是擠出管材內(nèi)表面的成型部件。D、口模作用：是成型管材外表面的部件。（2）管材擠出的工藝及控制塑料加料段壓縮段分流梭均化段過濾網(wǎng)粗濾口被分流梭支架分為若干支流離開支架料流重新混合進(jìn)入管芯口模間的環(huán)形通道口模擠出定徑管定徑 冷卻水槽牽引切割（3）主要控制因素+溫度主要是保證塑化，擠管的溫度比擠壓其他制品均低。+定徑冷卻目的：保護(hù)幾何尺寸穩(wěn)定；方法：用定徑套。+牽引牽引速度要均勻，牽引速度依賴于擠出速度。2、吹塑薄膜的擠出生產(chǎn)薄膜的方法：吹塑、壓延、流延、拉幅。吹塑的實(shí)質(zhì)：擠出吹脹。吹塑工藝：吹塑薄膜、中空吹塑。吹塑薄膜方法：平擠上吹、平擠下吹、平擠平吹。工藝過程：塑料熔體經(jīng)環(huán)隙型口模擠出薄壁管狀物牽引上升至一定距離后，通過導(dǎo)向夾板而被牽引輥夾擾所擠管狀物在離開口模和被夾擾的一段距離內(nèi)由管芯中心孔所通入的壓縮空氣吹脹成泡狀物由空氣冷卻由夾持輥引出幾個(gè)關(guān)鍵問題：吹塑比衡量吹脹程度。（橫向拉伸作用的大小）牽伸比拉伸作用（縱向）。薄膜的冷卻大多用風(fēng)環(huán)冷卻。3、塑料板材擠出擠管剖開展平板材板材擠出狹縫機(jī)頭直接擠板（對流變性能要求高）平膜法擠厚篇拉