第五章擠出成型

1、第五章 擠出成型內(nèi)容簡介：內(nèi)容簡介： 擠出成型是借助螺桿的擠壓作用,使塑化均勻的塑料強行通過機頭（口模）而成為連續(xù)的制品，如管材、板材、絲、薄膜、電線電纜等。擠出成型是塑料成型加工的重要方法之一。根據(jù)對塑料的加壓方式不同，可分為連續(xù)式和間歇式；按塑料的塑化方式不同可分為干法和濕法兩種。本章重點：本章重點：1.單螺桿擠出原理2. 幾種制品的擠出工藝：吹塑薄膜、管材、拉伸產(chǎn)品、板與片、其它產(chǎn)品 定義：擠出成型又叫擠塑、擠壓、擠出模塑。是借助螺桿或柱塞的擠壓作用,使塑化均勻的塑料強行通過口模而成為具有恒定截面的連續(xù)制品。擠出管材生產(chǎn) 管材擠出的輔助設(shè)備擠出片材生產(chǎn)擠出線纜包覆成型 擠出吹塑薄膜擠出中

2、空吹塑成型塑料擠出成型工藝流程擠出過程：擠出過程：加料在螺桿中熔融塑化機頭口模擠出定型冷卻牽引切割擠出成型的特點: 連續(xù)化,效率高,質(zhì)量穩(wěn)定 應(yīng)用范圍廣 設(shè)備簡單,投資少,見效快 生產(chǎn)環(huán)境衛(wèi)生,勞動強度低 適于大批量生產(chǎn) 適用的樹脂材料： 絕大部分熱塑性塑料及部分熱固性塑料，如PVC、PS、ABS、PC、PE、PP、PA、丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂及密胺樹脂等 應(yīng)用： 料薄膜、網(wǎng)材、帶包覆層的產(chǎn)品、截面一定、長度連續(xù)的管材、板材、片材、棒材、打包帶、單絲和異型材等等，還可用于粉末造粒、染色、樹脂摻和等。由擠出機、機頭和口模、輔機等組成。5.1 擠出設(shè)備主要設(shè)備5.1.1 單螺桿擠出機的組成

3、單螺桿擠出機主要由傳動系統(tǒng)、加料系統(tǒng)、塑化系統(tǒng)、加熱與冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。 擠出系統(tǒng)是最主要的系統(tǒng)，它由料筒、螺桿、多孔板和過濾網(wǎng)組成。單螺桿擠出機的結(jié)構(gòu)傳動系統(tǒng)：是帶動螺桿轉(zhuǎn)動的部分，通常由電機、減速機構(gòu)以及軸承等組成；加料裝置：主要是料斗，但工廠都采用自動加料裝置，甚至帶有烘干、計量裝置等；料筒：包裹在螺桿外部的裝置，起到受熱受壓的作用，物料的塑化和加熱、加壓都在其中進行，大部分都有冷卻裝置（風(fēng)、水冷）；螺桿：利用它才能使料筒內(nèi)的塑料向前移動，得到加壓和熱量（摩擦熱）； 螺桿的直徑（D）和長徑比（L/D），長徑比決定了體積容量以及塑化的均勻性。 螺桿的主要參數(shù)螺桿的主要參數(shù)： D：螺

4、桿外徑； d：螺桿根徑； L：螺桿長度； ：螺距； ：螺槽寬度； ：壓縮比 ：螺紋寬度 ； ：螺槽深度； ：螺旋角； /D：長徑比。1-漸變型漸變型(等距不等深等距不等深)2-漸變型漸變型(等深不等距等深不等距)3-突變型突變型4-魚雷頭螺桿魚雷頭螺桿-加料段（固體輸送段加料段（固體輸送段）-壓縮段（熔融段）壓縮段（熔融段）-計量段（均化段）計量段（均化段）最常用的是等距不等深螺桿 螺桿形式和分段螺桿形式和分段螺旋角和螺棱寬度(e):螺旋角取決于料粒的形狀，例如30o對應(yīng)粉狀， 15o左右對應(yīng)方塊狀，17o左右對應(yīng)球狀和柱狀，螺桿頭部形狀：一般呈錐形，以避免在螺桿頭部停留過久而導(dǎo)致分解出現(xiàn)。5

5、.1.2 雙螺桿擠出機的結(jié)構(gòu)典型的雙螺桿擠出機的螺桿：Colombo螺桿；錐型雙螺桿；組合型雙螺桿；5.2.2 機頭和口模圓孔口模 主要用來生產(chǎn)棒材、單絲造粒，口模平直部分長度和直徑比小于10扁平口模 一般用來生產(chǎn)厚度小于0.25mm的膜或板材環(huán)形口模 一般用來生產(chǎn)管材、管狀薄膜、吹塑用型胚以及電線電纜異形口模 主要用來擠出不同橫截面的制品 過濾板（網(wǎng)）的作用過濾板（網(wǎng)）的作用： . 使物料由螺旋運動轉(zhuǎn)變?yōu)槠街边\動。 . 過濾雜質(zhì)和未熔化好的塑料顆粒。 . 使物料受到較大的剪切作用，以利于塑料塑化均勻。 . 使料筒和機頭定位。 對機頭結(jié)構(gòu)的要求：對機頭結(jié)構(gòu)的要求： . 口模定型部分應(yīng)有適當(dāng)長度

6、口模定型部分應(yīng)有適當(dāng)長度。 A. 使物料處于穩(wěn)定流動; B.減小熔體彈性和出口膨脹； C. L長，產(chǎn)量提高; D.太長，笨重，阻力大，Q降低。 .機頭中過渡部分應(yīng)光滑，呈流線型機頭中過渡部分應(yīng)光滑，呈流線型。 原因原因：防止物料的停滯和分解。 . 應(yīng)設(shè)置調(diào)節(jié)裝置，改善周邊的流率分布應(yīng)設(shè)置調(diào)節(jié)裝置，改善周邊的流率分布。（厚度均勻） 物料處理設(shè)備物料處理設(shè)備 主要指預(yù)熱干燥等設(shè)備擠出物處理設(shè)備擠出物處理設(shè)備 主要指冷卻、牽引、切割、卷取、檢測設(shè)備控制生產(chǎn)工藝的設(shè)備 主要指各種測控設(shè)備5.2.2 擠出機的輔助設(shè)備設(shè)備調(diào)試設(shè)備調(diào)試 安全安全清洗清洗 5.2.2 擠出機的一般操作方法5.3 單螺桿擠出原

7、理 學(xué)習(xí)目標(biāo)：學(xué)習(xí)目標(biāo)：掌握擠出理論中影響生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量的因素 5.3 單螺桿擠出工作原理5.3.1 固體輸送 加料段具有輸送固體物料，兼有預(yù)壓、預(yù)熱輸送固體物料，兼有預(yù)壓、預(yù)熱作用作用。 要使制品質(zhì)量、產(chǎn)量穩(wěn)定，須滿足以下兩個條件： 1. 熔體的輸送速率等于固態(tài)物料的熔化速率 2. 沿螺桿軸向任一截面物料的質(zhì)量流率等于擠出機生產(chǎn)率 目前對此理論的推導(dǎo)最為簡單的是以固體對固體的摩擦力靜平衡為基礎(chǔ)的。 物料在該段類似于物料在該段類似于“彈性固體塞彈性固體塞”，固體，固體塞在螺槽內(nèi)的運動就如螺帽在螺絲上的運塞在螺槽內(nèi)的運動就如螺帽在螺絲上的運動一樣動一樣。 如旋轉(zhuǎn)螺絲，而螺帽上無壓力，則螺帽跟著螺

8、絲轉(zhuǎn)動而不前移。 若在螺帽上加一定壓力，再旋轉(zhuǎn)螺絲，則螺帽就會隨螺絲旋轉(zhuǎn)而前移。 成型時，塑料與螺桿的摩擦力應(yīng)小于塑料與料筒的摩擦力，也即螺桿的光潔度應(yīng)大于料筒的光潔度。否則，塑料只能抱著螺桿空轉(zhuǎn)打滑不能前移。 固體塞摩擦模型固體塞摩擦模型 受力分析受力分析 由上圖知：Fb= PAbfb，F(xiàn)s= PAsfs ，F(xiàn)bz=AbfbPcos。 穩(wěn)定流動時，F(xiàn)s= Fbz，則Asfs=Abfbcos Fs= Fbz=0，物料在料筒中不能發(fā)生任何流動。 Fs Fbz，物料被夾帶于螺桿中隨螺桿轉(zhuǎn)動不產(chǎn)生移動。 Fs Fbz，物料能在料筒與螺桿間產(chǎn)生相對運動。螺槽中固體輸送的理想模型螺槽中固體輸送的理想模型

9、(a) 和固體塞移動速度的矢量圖和固體塞移動速度的矢量圖(b) 假設(shè)條件： 物料與螺槽和料筒壁緊密接觸形成固體塞（床），以恒速移動； 略去物料重力、密度變化的影響； 磨擦系數(shù)恒定，壓力是螺槽長度的函數(shù)； 螺槽為矩形 經(jīng)過分析可看出物料的運動類似螺母運動。 提高固體輸送的措施 適當(dāng)提高螺桿轉(zhuǎn)數(shù)N和螺槽深度H; 采用錐形結(jié)構(gòu)料筒；在加料段料筒內(nèi)壁開設(shè)縱向溝槽（提高fb）；冷卻進料段防止物料提前軟化； 冷卻螺桿加料段（減小fs）,增加螺桿表面光潔度（減小fs） 加料段的送料量加料段的送料量 QsQs （摩擦力靜平衡）（摩擦力靜平衡） Qs應(yīng)為螺槽的橫截面積與軸向速度Va的乘積，可得: Qs=SVa=

10、/4 D2（D2h)2Va=h(D-h)Va（1） 由上圖的展開圖可見，螺桿轉(zhuǎn)動一周，物料在螺紋斜棱推力作用下，沿與斜棱垂直的方向由A移向B，AB在螺桿軸上的投影距離為l，物料在軸向的移動速度為Va；若螺桿的轉(zhuǎn)速為N，則 Va=lN 由上圖中螺桿的幾何關(guān)系可得出：D=b1+b2= lcot+lcot= l（cot+ cot）螺桿的展開圖螺桿的展開圖(a)和固體塞移動距離的計算和固體塞移動距離的計算(b) DcotcotL2D ()tantantantanh Dh NQ所以因此（2）DDtantancotcottantanaNNV（3） 影響加料段送料量的因素影響加料段送料量的因素： 物料的移動

11、角（前進角）的影響物料的移動角（前進角）的影響：0 900 =00時， 最小。 =900時， 最大。 但對成型來說都不現(xiàn)實！ 槽深槽深h的影響的影響： 在D不變時，h增大，提高。 減小減小fs，Q。 增大增大fb，Q。 選擇合適的螺旋角選擇合適的螺旋角,且使 最大時，Q。 D，Q， N ，Q 。 ， 。 tantantantan 適當(dāng)提高N和H; 采用錐形或強烈冷卻的進料段料筒結(jié) 構(gòu)； 在加料段料筒內(nèi)壁開設(shè)縱向溝槽（提高fb）； 冷卻螺桿加料段（減小fs）,增加螺桿表面光潔度（減小fs ）一等螺桿Ra=0.8m,優(yōu)等0.4m。 在螺桿中心通冷卻水，以降低螺桿表面的摩擦系數(shù) 影響加料段送料量的因

12、素影響加料段送料量的因素：5.3.2 固體熔融 研究目的：預(yù)測螺槽中未熔化物料量 熔化全部物料所需螺桿長度 熔融與螺桿參數(shù)、物料特性、工藝參數(shù)間的關(guān)系 冷卻試驗和熔融機理： 冷卻試驗：本色料+35%著色料擠出穩(wěn)定后停止并迅速冷卻螺桿和料筒取出螺桿、剝下物料切斷螺旋帶狀料并觀察截面形狀 現(xiàn)象： 熔融料呈流線型，未塑化料始終呈固態(tài) 固液兩相有一明顯分界線 固相逐漸消失，固體塑化完全集中在熔膜處 熔融機理： 加料段壓實逐漸熔融成一層熔膜超過后邊螺槽刮落于前側(cè)形成熔體池固體床減小直至物料完全熔融 主要作用主要作用 使物料熔融塑化。 壓實物料。 排出物料中的氣體。 螺桿的壓縮比螺桿的壓縮比()(): 定

13、義：定義：指螺桿加料段第一個螺槽容積與計量段最后一個螺槽容積之比。 對于常用的等距不等深螺桿的壓縮比常用加料段和計量段螺槽的橫截面積之比來表示。 幾何壓縮比幾何壓縮比 ： 工廠常用式 =0.93 h1/h3來表示。 2211 122333DdDhDdD h （3） 熔化過程熔化過程:圖圖3-6-11為固體物料在螺槽中的熔化過程示意為固體物料在螺槽中的熔化過程示意圖。圖。 固體物料在螺槽中的熔融過程固體物料在螺槽中的熔融過程 1-熔膜熔膜 2-熔池熔池 3-遷移面遷移面 4-熔融的固體粒子熔融的固體粒子 5-未熔融的固體粒子未熔融的固體粒子 熔膜熔膜： 與料筒（螺桿）表面接觸的固體物料，由于料筒

14、熱傳導(dǎo)和摩擦熱作用，首先熔化，形成一層熔膜。 熔池熔池： 逐漸熔化的物料，在料筒與螺桿的相對運動作用下，不斷向槽螺的推進面匯集，而形成漩渦狀的流動區(qū)，稱為熔池即液相。固體床：固體床： 熔池前面充滿著受熱軟化和半熔化后粘接在一起的固體粒子 ，和完全未熔化的固體粒子，總稱為固體床。 遷移面遷移面： 熔膜和固體床間的界面稱為遷移面。熔化過程主要在遷移面進行。 螺槽全長范圍固體床熔融過程示意圖螺槽全長范圍固體床熔融過程示意圖: 固體床在螺槽中的分布變化固體床在螺槽中的分布變化(a) 和固體床在螺桿熔融區(qū)的體積變化和固體床在螺桿熔融區(qū)的體積變化(b) 隨著塑料向機頭方向的移動，熔化過程逐漸進行。從始熔點

15、A起，固體床寬度逐漸減小，熔池寬度逐漸增大，直至B點時，固體床消失，即完成了熔化過程。（固體床深度的變化見下圖 ） 螺桿中聚丙烯熔融時固體床在螺槽中的深度變化曲線螺桿中聚丙烯熔融時固體床在螺槽中的深度變化曲線D=90mmN=60轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分分Q=71Kg/h螺桿壓縮段中物料的速度分布螺桿壓縮段中物料的速度分布(a) 和溫度分布和溫度分布(b)壓縮段速度和溫度的分布 料筒內(nèi)表面處，Vz最大。 熔膜中，Vz-在深度方向（Y）自上而下減小。 固體床中，各處Vz相等。 這是因為有熔結(jié)固體塊，粘度大，移動困難，差別不明顯。 靠近螺桿的熔膜中，Vz在Y方向自上而下減小，直至螺桿處，Vz=0。 粒料加人擠出機后

16、, 固體粒子以松散狀態(tài)向前運動, 同時粒子之間存在相互滑移。隨著內(nèi)部壓 力的建立, 松散的粒子漸漸被壓實, 粒子間隙縮小,粒子相互運動的自由度減小 進入熔融段后, 粒子受熱發(fā)生粘連, 但粒子間界面仍然很清楚。由于熱、力的作用使粒子發(fā)生變形, 粒子間的空隙逐漸被填充, 如圖所示。從圖可以看出, 粒子中心的顏色接近固體顏色, 粒子周邊的顏色半透明, 接近熔體顏色, 這表明粒子中心部分的溫度低于周邊溫度, 同一粒子內(nèi)部存在溫度差。因此對每一個粒子而言, 其熔融過程是從外向內(nèi)進行的。可視化研究熔融實驗結(jié)果 熔體有四種形式的流動：F 正流正流： 正流(拖曳流)Qd(cm3/h)，沿螺槽向機頭方向的流動。

17、由于螺桿轉(zhuǎn)動，塑料在螺桿根部與機筒間形成相對運動造成的，它決定擠出量的大??；F 逆流：逆流： 逆流（反流）Qp，與Qd相反的流動。由機頭、多孔板等阻力元件對熔體的反壓力造成，也叫壓力流，隨機頭壓力的升高而增加；F 環(huán)流：環(huán)流： 橫流（環(huán)流）Qt,由分速度Vbx引起的在螺槽內(nèi)與正流垂直的流動。對總擠出量影響不大，可忽略不計，但對熔體的混合、塑化、熱交換起重要作用；F 漏流：漏流： 漏流Ql，由機頭阻力元件引起的物料反向流動，沿螺桿與料筒間隙向加料口方向流動，可降低擠出量。正常情況很小0.10.6mm，Ql小，但磨損嚴(yán)重時，Ql的增加與平方成正比。5.3.3 熔體輸送理論5.3.5 單螺桿擠出機生

18、產(chǎn)能力分析5.3.6 螺桿和口模的特征曲線5.3.7 擠出率的影響因素5.3 單螺桿結(jié)構(gòu)設(shè)計的改進學(xué)習(xí)目標(biāo)：學(xué)習(xí)目標(biāo)：了解如何提高塑化效果、混合分散效果 5.4 普通三段式螺桿存在的問題 目前，一般單螺桿多采用等距不等深螺桿，加料段常和均化段螺槽深度不變，壓縮段螺槽逐漸變淺。這種螺桿可以滿足一般的擠出成型，但存在以下幾方面的問題：熔融效率低熔融效率低 熔融段熔體與固體床共同存在于一個螺槽中，減小了料筒壁與固體床的接觸面積； 固體床隨著熔融解體，部分碎片進入熔體中，很難從剪切獲得熱量，這樣，固體床不能徹底熔融； 另外，已熔物料與料筒壁接觸，從料筒壁和熔膜處獲取熱量，溫度繼續(xù)升高過熱。壓力、溫度和

19、產(chǎn)量波動大壓力、溫度和產(chǎn)量波動大 固體輸送時又與螺桿旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生較高頻率的波動， 由于熔融過程的不穩(wěn)定性產(chǎn)生低頻波動， 溫控系統(tǒng)的穩(wěn)定性差或環(huán)境因素的變化引起的波動。 混合效果差混合效果差不能很好適應(yīng)一些特殊塑料的加工或混煉、著色工藝過程。5.4.1 新型螺桿 排氣式螺桿排氣式螺桿 主要適用于含水和易產(chǎn)生揮發(fā)組分的物料，或易夾雜氣體的物料。排氣原理排氣原理： 物料到排氣段基本塑化，由于該段螺槽突然加深，壓力驟降，氣體從熔體中逸處，從排氣口排出。這就要求排氣段處的壓力非常低，此外，氣體或水份的排出受擴散過程控制，而擴散過程受溫度影響，因此要求排氣段物料的溫度盡可能高，即處于熔融狀態(tài)。 5.4.2 分

20、離型（屏障型）螺桿原理： 在螺桿熔融段再附加一條螺紋，將原來一個螺紋所形成的螺槽分為兩個，將已熔物料和未熔物料盡早分離，促進未熔料盡快熔融。不同類型屏障型螺桿的比較 5.4.3 銷釘型螺桿基本原理基本原理： 物料流經(jīng)過銷釘時，銷釘將固體料或未徹底熔融的料分成許多細小料流，這些料流在兩排銷釘間較寬位置又匯合，經(jīng)過多次匯合分離，物料塑化質(zhì)量得以提高。銷釘形狀銷釘形狀 設(shè)置在熔融區(qū)，排列形狀有人字形、環(huán)形等，銷 釘形狀有圓柱形、菱形、方形等。5.4.4 混合螺桿 在熔融段末或均化段增設(shè)置混合、混煉、剪切、均化等作用的元件，可以提高混合的均勻性、混煉效果好，混色均勻，分散性好。其它螺桿5.4 雙螺桿原

21、理 學(xué)習(xí)目標(biāo)：學(xué)習(xí)目標(biāo)：簡單了解雙螺桿擠出機的特點 和單螺桿擠出機相比，雙螺桿擠出機的特點是： 較高的固體輸送能力和擠出產(chǎn)量； 自潔能力； 混合塑化能力高； 較低的塑化溫度，減小分解可能； 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。 5.4.1 5.4.1 雙螺桿擠出的特點雙螺桿擠出的特點5.7 幾種典型的擠出工藝 管材管材 中空吹塑中空吹塑 吹塑薄膜吹塑薄膜 雙向拉伸薄膜雙向拉伸薄膜5.7.1 管材的成型 機頭和口模機頭和口模 濾網(wǎng)濾網(wǎng) 過濾機械雜質(zhì)、未熔物料；增加料流阻力，提高混合、塑化效果。由若干片疊在一起的30120目不銹鋼網(wǎng)組成，用多孔板支承。 多孔板（篩板、分流板）多孔板（篩板、分流板）厚度為螺桿直徑的1

22、/31/5，上邊鉆有36mm的中間疏、兩邊密的同心圓孔，距螺桿頭部0.1D,即約為計量段一個螺槽容積，太大易積料分解，太小料流不穩(wěn)定。 分流器（魚雷頭）分流器（魚雷頭）將圓柱形料流變?yōu)楸…h(huán)狀并便于進一步加熱塑化。大型分流器內(nèi)設(shè)加熱器，支架用以支承分流器及芯棒，同時使料流分束以加強攪拌，小型分流器與芯棒做為一體。 此外還有多腳架和芯棒。 直通式直通式熔體在機頭中流動方向與螺桿軸向一致結(jié)構(gòu)簡單易制造適于硬、軟PVC, PE, PA 直角式直角式(偏移式偏移式)熔體在機頭中流動方向與螺桿軸向垂直從料筒流出的熔體繞過芯模再向前流動，會產(chǎn)生一條分流痕，流動阻力小，料流穩(wěn)定，出料均勻，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面

23、積大。適于PP、PE及尺寸要求嚴(yán)格的管材3 旁側(cè)式旁側(cè)式 熔體經(jīng)過一個近似直角的過渡區(qū)才流入機頭阻力大，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。 兩種擠出圓管的定徑方法兩種擠出圓管的定徑方法 (上上)內(nèi)壓空氣定徑法內(nèi)壓空氣定徑法 (下下) 外真空定徑法外真空定徑法 1-機頭機頭 2-定徑套定徑套 3-水冷卻槽水冷卻槽 4-管狀制品管狀制品 5-密封塞密封塞 定型定型l冷卻冷卻 冷卻水槽和噴林水箱冷卻水槽和噴林水箱l牽引牽引 常用滾輪和履帶兩種，且有較大的夾持常用滾輪和履帶兩種，且有較大的夾持力力l 管材擠出成型的步驟管材擠出成型的步驟 準(zhǔn)備管坯擠出冷卻定徑牽伸切割l擠出前的準(zhǔn)備工作擠出前的準(zhǔn)備工作： 根據(jù)管材要求，選擇適當(dāng)機頭（口模），并將其安裝好。包括分流器、芯模、口模、過濾板、網(wǎng)等。 初步調(diào)整口模初步調(diào)整口模、芯模同心，并使機頭、冷卻定徑、牽引、切割等裝置一致。 將應(yīng)加熱的部件將應(yīng)加熱的部件加熱，開通料斗底部冷卻水。 當(dāng)達到要求的溫度時當(dāng)達到要求的溫度時，趁熱將各部分擰緊，以防漏料。 檢查各部分運動是否正常、漏流、堵塞等。 5. 管坯擠出管坯擠出： 操作