第五章擠出成型

1、第五章 擠出成型 擠出成型的特點(diǎn) 擠出成型設(shè)備 單螺桿擠出原理 單螺桿設(shè)計(jì)的改進(jìn) 雙螺桿擠出原理 擠出所需的機(jī)械功和熱量 幾種制品的擠出工藝概 述 擠出成型也稱擠出模塑、擠出、擠壓、擠塑。 它在熱塑性塑料加工領(lǐng)域中，是一種變化眾多、用途廣泛、所占比例很大的加工方法，由擠出制成的產(chǎn)品都是連續(xù)的型材，如管、板、絲、薄膜、電線電纜的涂覆和涂層制品等。 擠出成型雖然也可用于熱固性塑料的成型，但僅限于少數(shù)幾種塑料，且擠出制品的種類也有限。 擠出過程可分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段是使固態(tài)塑料塑化(即變成粘性流體)并在加壓情況下使其通過特殊形狀的口模而成為截面與口模形狀相仿的連續(xù)體； 第二階段則是用適當(dāng)?shù)奶幚矸?/p>

2、法使擠出的連續(xù)體失去塑性狀態(tài)而變?yōu)楣腆w，即得所需制品。 按照塑料塑化的方式不同，擠出工藝可分干法和濕法兩種。 干法的塑化是靠加熱將塑料變成熔體，而塑化和加壓可在 同一個(gè)設(shè)備內(nèi)進(jìn)行。其定型處理僅為簡單的冷卻。 濕法的塑化則是用溶劑將塑料充分軟化，因此塑化和加壓 必須分為兩個(gè)獨(dú)立的過程，而且定型處理必須采用比較麻 煩的溶劑脫除，同時(shí)還得考慮溶劑的回收。 濕法擠出雖有塑化均勻和避免塑料過度受熱方面的優(yōu)點(diǎn)， 但基于上述缺點(diǎn)，它的適用范圍僅限于硝酸纖維素和少數(shù) 醋酸纖維素填料的擠出。 擠出過程中，隨著對塑料加壓方式的不同，又可將擠出工藝分為連續(xù)和間歇兩種。 連續(xù)工藝所用設(shè)備為螺桿擠出機(jī)，間隙工藝為拄塞式

3、擠出機(jī)。 螺桿擠出機(jī)分為單螺桿擠出機(jī)和多螺桿擠出機(jī)，但使用較多的是單螺桿擠出機(jī)。 用螺桿擠出機(jī)進(jìn)行擠出時(shí)，裝入料斗的塑料，借轉(zhuǎn)動的螺桿進(jìn)入加料筒中(濕法擠出不用加熱)，由于料筒的外熱以及塑料本身和塑料與設(shè)備之間的剪切摩擦熱，遂使塑料熔化而呈為流動狀態(tài)。 與此同時(shí)，塑料還受螺桿的攪拌而均勻分散，并不斷前進(jìn)，最后塑料在口模處被螺桿擠到機(jī)外而形成連續(xù)體，經(jīng)冷卻凝固，即成產(chǎn)品。 柱塞式擠出機(jī)的主要部件是一個(gè)料筒和一個(gè)由液壓操縱的柱塞。 操作時(shí)，先將一批已經(jīng)塑化好的塑料放在料簡內(nèi)，而后借柱塞的壓力將塑料擠出口模以外 料筒內(nèi)塑料擠完后，即應(yīng)退出柱塞以便進(jìn)行下一次操作。 柱塞式擠出機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是能給予塑料以

4、較大的壓力， 它明顯的缺點(diǎn)則是操作的不連續(xù)性，而且物料還要預(yù)先塑化，因而應(yīng)用也很少，只有在擠壓聚四氟乙烯塑料和硬聚氯乙烯大型管材方面有應(yīng)用。 由上所述，塑料的擠出，絕大多致都是熱塑性塑料，而且又是采用連續(xù)操作和干法塑化的。此外，在設(shè)備方面，又以單燥桿擠出機(jī)應(yīng)用廣泛，所以本章即以此為重點(diǎn)擠出設(shè)備 擠出設(shè)備一般是由擠出機(jī)、機(jī)頭和口模、輔機(jī)等幾部分組成。螺桿擠出機(jī) 擠出機(jī)由擠出裝置（螺桿和料筒）、傳動機(jī)構(gòu)和加熱冷卻系統(tǒng)等主要部分組成。 螺桿擠出機(jī)的種類頗多，主要有單螺桿擠出機(jī)和雙螺桿擠出機(jī)以及多螺桿擠出機(jī)。單螺桿擠出機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 單螺桿擠出機(jī)是由一根阿基米德螺桿、料筒和輔機(jī)等構(gòu)成。 單螺桿擠出機(jī)的大

5、小一般用螺桿直徑的大小來表示，其基本結(jié)構(gòu)主要包括：傳動裝置、加料裝置、電氣控制裝置、料筒和螺桿等幾個(gè)部分。1 傳動裝置 傳動裝置就是帶動螺桿轉(zhuǎn)動的部分，通常是由電動機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和軸承等所組成。 擠出過程中，螺桿轉(zhuǎn)動速率若有變化，即會引起塑料料流的壓力波動。所以在正常操作條件下，不管螺桿的負(fù)荷是否發(fā)生變化，螺桿的轉(zhuǎn)速都應(yīng)維持不變，借以保持制品質(zhì)量的穩(wěn)定。 但在不同的場合下，又要求螺桿的轉(zhuǎn)速能夠變級，以便用同一臺擠出機(jī)擠壓不同的制品或不同的塑料。為滿足上述要求，擠出機(jī)的傳動裝置最好采用無級調(diào)速。 獲得無級調(diào)速的方法約有三種： (1) 整流子電動機(jī)或直流電動機(jī)，它既是驅(qū)動裝置又是變速裝置； (2)

6、常速電動機(jī)驅(qū)動的機(jī)械摩擦傳動，如用皮帶傳動或齒輪 傳動的無級變速裝置； (3) 用電動機(jī)驅(qū)動油泵，將油送至液壓馬達(dá)，改變泵的排油 量從而改變擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速。 衡量擠出機(jī)能量消耗指標(biāo)常用擠出每1公斤塑料所需千瓦小時(shí)數(shù)表示。 例如，在200-220度加工聚乙烯時(shí)所耗能量約為022-024千瓦小時(shí)/公斤。 擠出機(jī)所需的功率如表51所示。傳動裝置應(yīng)設(shè)有良好的潤滑系統(tǒng)和迅速制動的裝置。 2 加料裝置 供料的形式有粒狀、粉狀和帶狀等幾種。 加料裝置一般都采用加料斗。料斗的容量至少應(yīng)容納一小時(shí)的用料。加料斗內(nèi)應(yīng)有切斷料流、標(biāo)定料量和卸除余料等裝置。 較好的料斗還設(shè)有定時(shí)、定量供料及內(nèi)在干燥或預(yù)熱等裝置。此外

7、，也有采用在減壓下加料的，即真空加料裝置，這種裝置特別適用于加工易于吸濕的塑料和粉狀原料。 隨著擠出設(shè)備和工藝的改進(jìn)，以粉料供料的已愈來愈多。粉料和粒料可以依據(jù)本身的重量進(jìn)入加料孔，但隨著料層高度的改變，可能引起加料速度的變化，同時(shí)還可能產(chǎn)生“架橋”現(xiàn)象而使加料口缺料。在加料中設(shè)置攪拌器或螺旋輸送強(qiáng)制加料器可克服此缺點(diǎn)。 加料孔的形狀有矩形與圓形兩種。一般多用矩形，其長邊平行于軸線，長度為螺桿宜徑的1-1.5倍，在進(jìn)料側(cè)有7-15。的傾斜角。在加料孔周圍應(yīng)設(shè)有冷卻夾套，借以排除高溫料筒向料斗傳熱，否則，料斗中的塑料就會因升溫而發(fā)粘，以致引起加料不均或料流受阻的情況。 3 料 簡 料筒是擠出機(jī)主

8、要部件之一，塑料的塑化和加壓過程都在其中進(jìn)行。擠壓時(shí)料筒內(nèi)的壓力可達(dá)55兆帕，工作溫度一般為180-300，因此料筒可看作是受壓和受熱的容器。 制造料筒的材料必須具有較高的強(qiáng)度、堅(jiān)韌耐磨和面腐蝕。通常料筒是由鋼制外殼和合金鋼內(nèi)襯共同組成的。 它的外部設(shè)有分區(qū)加熱和冷卻的裝置，而且各自附有熱電偶和自動儀表等。 加熱的方法一般有電阻加熱和電感加熱等，后一種加熱效果較好，冷卻也方便，但成本較高。 擠出機(jī)雖然也可用油及蒸汽加熱，并在一定溫度范圍內(nèi)具有加熱均勻的優(yōu)點(diǎn)。但由于裝置復(fù)雜，溫度控制范圍有限，且有增加制品污染的機(jī)會等缺點(diǎn)，現(xiàn)在很少采用。 料筒通常還沒有冷卻系統(tǒng)，其主要作用是防止塑料過熱，或者是在

9、停車時(shí)使之快速冷卻，以免樹脂降解或分解。 料筒一般用空氣或水來冷卻，某些擠出機(jī)的料筒或加熱器上所附置的冀片就是為增加風(fēng)冷的效率而設(shè)的。 就冷卻效率來說，用冷水通過嵌在料筒上的銅管來冷卻是合算的。但用冷水冷卻易造成急冷，發(fā)生結(jié)垢、生銹等不良現(xiàn)象。 4 螺 稈 螺桿是擠出機(jī)的關(guān)鍵性部件。通過它的轉(zhuǎn)動，料簡內(nèi)的塑料才能發(fā)生移動，得到增壓和部分的熱量(摩擄熱)。 螺桿的幾何參數(shù)，諸如直徑、長徑比、各段長度比例以及螺槽深度等，對螺桿的工作特性均有重大的影響，因此，特將螺扦的基本參數(shù)和其作用簡介如下。一般操桿的結(jié)構(gòu)如圖52所示。 (1) 螺桿的直徑(D)和長徑比(LD) 螺桿直徑是螺桿基本參數(shù)之一。使用時(shí)

10、，它是根據(jù)成型制品的形狀大小及需要的生產(chǎn)率來決定的。因此，擠出機(jī)大小的規(guī)格常用螺桿的外徑來表示，另外，螺桿的其它參數(shù)如長度、螺槽深度和螺棱寬度等，其尺寸均與直徑有關(guān)系，而且大多用它們與直徑之比來表示。 表征螺桿特性的另一重要參數(shù)是螺桿的有效長度(L)與其直徑之比，即長徑比(LD)。 增大長徑比可使塑料塑化更均勻，因而可提高螺桿轉(zhuǎn)速以增大擠出量，所以目前世界各國的螺桿都有增大長徑比的趨勢，最大的競有達(dá)到43的。 但是，增大長徑比會結(jié)擠出機(jī)的制造與裝配帶來一些因難。目前，長徑比一般以在25左右居多。(2) 螺桿的分段及其作用 按塑料在螺桿上運(yùn)轉(zhuǎn)的情況可分為加料、熔化（壓縮）和均化（計(jì)量）三段，有時(shí)

11、就稱為三段式螺桿，這種螺桿就是通用螺桿，或標(biāo)準(zhǔn)螺桿（計(jì)量螺桿）。 螺桿在這三個(gè)區(qū)的作用是不同的，現(xiàn)按其先后的次序予以敘述。 加料段 加料段是自塑料入口向前延伸一段的距離，其長度約為48D。 在這段中，塑料依然是固體狀態(tài)。 這段螺桿的主要作用是使塑料受熱前移，向熔化段輸送物料，因而螺槽容積可以維持不變，一般做成等距等深的。螺槽深度(H1)，一般為0.1-0.15D，螺距(S)為1一1.5D。 另外，為使塑料有最好的輸送條件，要求減少物料與螺桿的摩擦而增大物料與料筒的切向摩擦， 為此可采取的方法有：在料筒與塑料接觸的表面開設(shè)縱向溝槽；提高螺桿表面光潔度，并在螺桿中心通水冷卻。 熔化段(壓縮段) 螺

12、桿中部的一段為熔化段。 塑料在這段中，除受熱和前移外，即由粒狀固體逐漸壓實(shí)并軟化為連續(xù)狀的熔體，同時(shí)還將夾帶的空氣向加料段排出。 為了適應(yīng)這一變化，通常使這一段螺槽逐漸縮?。u變），這樣既有利于制品的質(zhì)量，也有利于塑料的升溫和熔化。 螺槽縮小的程度是由塑料的壓縮比決定的。壓縮比可分為物理壓縮比和幾何壓縮比 所謂塑料物理壓縮比是指制品的比重與進(jìn)料的表現(xiàn)密度之比。 在螺桿設(shè)計(jì)上把壓縮段開始處的一個(gè)螺槽容積和終止處的一個(gè)螺槽容積之比稱為幾何壓縮比。 幾何壓縮比的值并不完全與物料的壓實(shí)程度相吻合。螺桿的幾何壓縮比取決于所加工的塑料種類、進(jìn)料時(shí)的聚集狀態(tài)和擠出制品的形狀。粉狀的壓縮比應(yīng)比粒料為大，在擠出

13、薄壁型材時(shí)壓縮比應(yīng)比擠出厚壁制品為大。 計(jì)量段(均化段) 螺桿的最后一段為計(jì)量段。 這段的作用是使熔體進(jìn)一步塑化均勻，并使料流定量、定壓、定溫由機(jī)頭流道均勻擠出。 所以這段稱為計(jì)量段。這段螺槽的截面可以是恒等的，但比前兩段都小，其深度(H3)為0.02-0.06D。 這段的長度與塑料種類有關(guān)。某些熱敏性塑料(如聚氯乙烯)，就不宜在這段作過久的停留。(3) 螺桿上的螺旋角和螺棱寬度(e) 螺旋角的大小與物料的形狀有關(guān)。 物料的形狀不同，對加料段的螺旋角要求也不一樣。 理論和實(shí)驗(yàn)證明，30的螺旋角最適合于細(xì)粉狀塑料； 15左右適合子方塊料； 而17左右則適合于球、柱狀料。 在計(jì)量段，根據(jù)公式推導(dǎo)，

14、螺旋角為30時(shí)產(chǎn)率最高。 不過，從螺桿的制造方面考慮，通常以螺距等于直徑的最易加工，這時(shí)螺旋角為1741，而且對產(chǎn)率的影響不大，螺桿的螺旋方向一般為右旋。螺棱的寬度一般為0.08-0.12D，但在螺槽的的底部則較寬，其根部應(yīng)用圓弧過渡。(4) 螺桿頭部的形狀 螺桿頭部一股呈鈍尖的錐形，以避免物料在螺桿頭部停滯過久而引起分解。 螺桿也有作成能在軸向變位的，如此則在螺稈頭部還可起到調(diào)整壓力的作用。 螺桿頭部也可以是魚雷狀的，稱為魚雷頭或平準(zhǔn)頭。 平準(zhǔn)頭與料筒的間隙通常小于它前面螺槽深度，其表面也可開成溝槽或滾成特殊的花紋。這種螺桿對塑料的混合和受熱都會產(chǎn)生良好的效果，且有利于增大料流壓力和消除脈動

15、現(xiàn)象，常用來擠壓粘度大、導(dǎo)熱性不良或熔點(diǎn)較為明顯的塑料。雙螺桿擠出機(jī) 單螺桿擠出機(jī)由于其螺桿和整個(gè)擠出機(jī)設(shè)計(jì)簡單，制造容易，價(jià)格便宜。因而在塑料加工工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。 但是隨著塑料工業(yè)的發(fā)展，在加工新型塑料(及其共混物)和硬聚氯乙烯粉料時(shí)，單螺桿擠出機(jī)顯露出較大的局限性，這主要表現(xiàn)在以下幾方面： 由于單螺桿擠出機(jī)的輸送作用主要靠摩擦，故其加料性能受到限制，粉料、玻璃纖維、無機(jī)填填等較難加入； 由于單螺桿排氣擠出機(jī)物料在排氣區(qū)的表面更新作用較小，因而排氣效果較差； 單螺桿擠出機(jī)不適于某些工藝過程如聚合物的著色。 因?yàn)檫@些過程要求物料在料筒中的停留時(shí)間既短又要不變。單螺桿擠出機(jī)中物料停留時(shí)間一般

16、較長，而且各部分物料停留時(shí)間也不相等又如熱固性粉料、涂料的混合，對溫度、壓力等條件要求嚴(yán)格，單螺桿擠出機(jī)達(dá)不到這些要求。 為解決上述問題，出現(xiàn)了雙螺桿擠出機(jī)。在雙螺桿擠出機(jī)的機(jī)簡中，并排安放兩根螺桿，故稱雙螺桿擠出機(jī)。圖5-3為雙螺桿擠出機(jī)的示意圖。圖5-3雙螺桿擠出機(jī)示意圖 雙螺桿擠出機(jī)是指在一根兩相連孔組成“ ”截面的料筒內(nèi)由兩根相互嚙合或相切（或非嚙合）的螺桿所組成的擠出裝置。 由圖5-3可知，它由機(jī)筒、螺桿、加熱器、機(jī)頭連接器(包括篩板即多孔板)、傳動裝置(包括電動機(jī)、減速箱和止推軸承)、加料裝置(包括料斗、加料器和加料器傳動裝置)和機(jī)座等部件組成。各部件職能與單螺桿擠出機(jī)相似。 雙螺

17、桿擠出機(jī)按兩根螺桿的相對位置，可以分為嚙合型與非嚙合型，如團(tuán)5-4所示。 嚙合型又可按其嚙合的程度分為部分嚙合與全嚙合型。 圖5-4 螺桿嚙合類型a-非嚙合型 b-部分嚙合型 c-全嚙合型（緊密嚙合型）全嚙合雙螺桿的中心距Ar十R， 式中r為螺桿根半徑， R為螺桿頂半徑。 部分嚙合雙螺桿的中心距Ar十R。 非嚙合型雙螺桿的中心距A2R。 非嚙合型的雙螺桿擠出機(jī)，其工作原理基本與單螺桿擠出機(jī)相似，實(shí)際使用少。 雙螺桿擠出機(jī)按螺稈旋轉(zhuǎn)的方向不同，可分為同向旋轉(zhuǎn)與反向旋轉(zhuǎn)兩大類。 反向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿擠出機(jī)又可分為向內(nèi)和向外的兩種。如圖5-5所示。 圖5-5 雙螺桿的旋轉(zhuǎn)方式a一向內(nèi)反向旋轉(zhuǎn) b一向外反

18、向旋轉(zhuǎn) c同向旋轉(zhuǎn) 雙螺桿擠出機(jī)除了按旋轉(zhuǎn)方向的特征來分外，還可按螺桿結(jié)構(gòu)來區(qū)分，常見的有： （1）Colombo型 螺桿分為三段，每一段有一加料室，加料段的外徑和螺距為最大，壓縮段次之，均化段為最小。在同一段中螺桿是等徑等距的。這是早期開發(fā)的雙螺桿擠出機(jī)，如今已根據(jù)需要開發(fā)出多種功能的雙螺桿擠出機(jī)。（2）錐型雙螺桿 這類擠出機(jī)是向外反向轉(zhuǎn)動的。從加料段到計(jì)量段螺桿的外徑和根徑均勻地由大到小。通過螺桿各部分的長度、螺紋頭數(shù)、螺槽數(shù)、螺棱寬度、螺棱形狀等的變化，實(shí)現(xiàn)對物料的輸送、壓縮、排氣、和混合與塑煉。 這種錐型雙螺桿擠出機(jī)的優(yōu)點(diǎn)： （a） 剪切速率沿口模方向減小； （b） 安裝推力軸承的空間

19、較大。 缺點(diǎn)是制造困難。（3） 組合型雙螺桿 這種螺桿是由不同數(shù)目的具有不同功能的螺桿元件按一定要求和順序組合起來的。它可以連續(xù)輸送、塑化、均化、加壓、排氣，以靈活適應(yīng)特定用途。 這種配料用的雙螺桿擠出機(jī)具有強(qiáng)大的剪切力，能剪斷和分散填料、顏料和玻璃纖維。雙螺桿擠出機(jī)的工作原理 雙螺桿擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)雖然和單螺扦擠出機(jī)很相似，但在工作原理上，它們之間存在著很大的差異，不同類型的雙螺桿擠出機(jī)，其工作原理也不完全相同。 下面將雙螺稈擠出機(jī)的各種特性及其形成的原因進(jìn)行分析和討論。 一、強(qiáng)制輸送 物料在雙螺桿擠出機(jī)中向前輸送的原理和在單螺桿擠出機(jī)中有些不同。 在單螺桿擠出機(jī)中，物料前移的動力，主要依額賴于

20、物料與機(jī)筒和螺桿間摩擦系數(shù)的差值。假如，物料與機(jī)筒內(nèi)壁的摩擦系數(shù)太小，則螺桿轉(zhuǎn)動時(shí)，物料將抱住螺桿一齊轉(zhuǎn)動，使螺紋不能發(fā)揮其推進(jìn)的作用，物料不能向前輸送。 但在反向旋轉(zhuǎn)全嚙合的雙螺桿擠出機(jī)中則不同，兩根螺桿相互嚙合。嚙合處，一根螺桿的螺紋插入另一根螺桿的螺槽中使連續(xù)的螺槽被分為相互隔離的C形小室。螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，隨著嚙合部分的軸向移動，C形小室也沿著軸向前移，螺桿每轉(zhuǎn)一圈，C形小室就前移一個(gè)導(dǎo)程的距離，C形小室中的物料，由于受嚙合螺紋的推力，使物料抱住螺桿旋轉(zhuǎn)的趨勢受到阻礙，并被螺紋推向前移。 根據(jù)雙螺桿的旋轉(zhuǎn)方向、嚙合程度和螺紋參數(shù)的不同，雙螺桿的嚙合部分可構(gòu)成在橫方向和長度方向是全開的或全閉的

21、，或長度方向是開的，而橫方向是閉的。因而形成的C形小空可以是相互連通的，也可以是完全封閉的。螺桿運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，部分物料可以通過通道相互混合。 理想的全嚙合反向旋轉(zhuǎn)雙螺桿的C形小室是完全封閉的，小室中的物料跟著小室一齊前移，輸送過程中不會產(chǎn)生倒流或滯流，因此具有最大的強(qiáng)制輸送性。 全密嚙合同向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿，由于兩根螺桿在嚙合處的螺紋相反，如圖5-6b所示，螺槽中的物料可以通過嚙合螺紋間的通道進(jìn)入另一根螺桿的螺槽。嚙合螺紋對螺槽中物料的阻力，同樣有推進(jìn)物料的作用。 由于雙螺桿擠出機(jī)具有強(qiáng)制輸送的特點(diǎn)，不論其螺槽是否填滿，輸送速度基本保持不變，不易產(chǎn)生局部積料、堵塞排氣孔，這對排氣擠出機(jī)具有重要意義。 同

22、時(shí)，螺桿嚙合處對物料的剪切過程使物料的表層得到不斷的更新，增進(jìn)了排氣效果，因此雙螺桿排氣擠出機(jī)比單螺桿排氣擠出機(jī)具有更好的排氣性能。 圖5-6 嚙合螺紋a反向旋轉(zhuǎn)雙螺桿嚙合螺紋b同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿嚙合螺紋ab 二、混合作用 要了解雙操桿擠出機(jī)的混合作用，必須了解物料在螺槽中的流動情況及影響流動的因素。 為了簡便，把雙螺桿的橫斷面看成是兩個(gè)相交的圓盤如圖5-7所示，設(shè)相交處為雙螺桿的嚙合區(qū)，在嚙合區(qū)螺紋任意點(diǎn)對螺槽的相對速度，可用下面兩式進(jìn)行計(jì)算。 對反向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿： 5-7 雙螺桿旋轉(zhuǎn)圖 a一反響旋轉(zhuǎn) bN同向旋轉(zhuǎn)式中n螺桿轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)分) R1嚙合區(qū)某點(diǎn)與螺桿1軸心間的距離(厘米) R2嚙合區(qū)某點(diǎn)

23、與螺桿2軸心間的距離(厘米) 從上式可以看出，反向旋轉(zhuǎn)雙螺桿在嚙合處螺棱和螺槽的速度方向相同，但存在速度差，因此被螺紋帶入嚙合間隙的物料將受到螺棱和螺槽間的擠壓和研磨，使物料得到混合和棍煉。 對同向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿： 同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿在嚙合處，螺棱和螺槽的速度方向相反，相對速度比反向旋轉(zhuǎn)的大，因此對嚙合區(qū)物料的剪切速度、剪切力也大，混煉效果比反向旋轉(zhuǎn)雙螺桿的好。 由于同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿在嚙合處的速度方向相反，一根螺桿要把物料拉入嚙合間隙，而另一根螺桿把物料從間隙中推出，結(jié)果使物料從一根螺桿轉(zhuǎn)到另一根螺桿如圖58b，呈“”形前進(jìn)，料流的方向改變，有助于物料的混合和均化。圖5-8 物料在雙螺桿螺槽中的流動情

24、況 a一反向旋轉(zhuǎn) b一同向旋轉(zhuǎn) 物料封閉在C形小室中，不能相互混合，因此要使螺槽中的物料相互混合，設(shè)計(jì)嚙合螺紋時(shí)C形小室間必須存在通道，使C形小室中的物料流經(jīng)通道相互混合。流過量的大小與通道的大小、物料的壓差、螺扦的轉(zhuǎn)向、物料的粘度等等因素有關(guān)。 近十幾年來為了強(qiáng)化混煉，雙螺桿擠出機(jī)中采用了各種結(jié)構(gòu)的混合與剪切元件，更增強(qiáng)了雙螺桿擠出機(jī)的混煉機(jī)能。 三、自潔性能 粘附在螺槽上的積料，如果滯留時(shí)間太長，將引起物料的降解，嚴(yán)重?fù)p害制品的質(zhì)量。因此對積料應(yīng)及時(shí)清除，尤其對熱敏性塑料，更為重要。 反向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿，在嚙合處，螺紋和螺槽間，存在速度差，在相互擦離的過程中，相互剝離粘附在螺桿上的物料，使螺

25、桿得到自潔。 同向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿，在嚙合處螺紋和螺槽的速度方向相反，相對速度很大，因此有相當(dāng)高的剪切速度，它能刮去各種積料，其自潔作用比反向旋轉(zhuǎn)的更有效。四、壓延效應(yīng) 將料加入向內(nèi)反向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿時(shí)，由于物料的重力和物料與螺桿表面的摩擦力，使加入的物料，很快被螺桿拉入嚙合間隙。物料在間隙中受到螺棱和螺槽間的研磨和滾壓作用，此作用與壓延機(jī)上的滾壓作用相似，故稱壓延效應(yīng)”。 在間隙中受擠壓的物料，產(chǎn)生使螺桿分離的反壓力， 迫使螺桿變形，如圖5-9所示。變形處將會加速螺桿與機(jī)筒的磨損，隨著螺桿轉(zhuǎn)速的增加，壓延效應(yīng)也增加，加速了磨損。過度的變形將造成螺稈的刮卡，因此向內(nèi)反向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿只能在較低的轉(zhuǎn)速下

26、工作。圖5-9 壓延效應(yīng)圖5-10 所示為物料通過反向旋轉(zhuǎn)雙螺桿嚙合間隙時(shí)料流壓力與速度分布的曲線圖 由于反向旋轉(zhuǎn)雙螺桿存在壓延效應(yīng)，使它只能在較低的轉(zhuǎn)速下工作，一般轉(zhuǎn)速范圍在8-50轉(zhuǎn)分。 同向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿擠出機(jī)，由于嚙合處兩根螺桿的速度方向相反因此沒有明顯的壓延效應(yīng)。圖5-10 反向旋轉(zhuǎn)雙螺桿嚙合處料 流壓力與速度分布圖 a速度分布曲線 b一壓力分布曲線它對磨損和超載的敏感性，比反向旋轉(zhuǎn)雙螺桿小得多，因此可以在高達(dá)300轉(zhuǎn)分的轉(zhuǎn)速下工作。 雙螺桿擠出機(jī)由于具有以上特點(diǎn)，因此物料在雙螺桿中的擠出過程與在單螺桿中有所不同。 1 進(jìn)料過程 雙螺桿擠出機(jī)的進(jìn)料能力與很多因素有關(guān)，其中，螺桿的轉(zhuǎn)向起

27、著重要作用。 向內(nèi)反向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿，加入螺槽的物料，被旋轉(zhuǎn)的螺桿帶動，有直接被拉入嚙合間隙的趨勢，因此壓延效應(yīng)嚴(yán)重，容易造成超載，進(jìn)料性能差。 向外反向旋轉(zhuǎn)雙螺桿，因?yàn)橄蛲鈨蓚?cè)旋轉(zhuǎn)加入的物料被旋轉(zhuǎn)的螺桿帶到嚙合螺紋的下面，因此壓延效應(yīng)比向內(nèi)反向旋轉(zhuǎn)的小，進(jìn)料能力大。 同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿因?yàn)橹挥幸粋?cè)能進(jìn)料，因此進(jìn)料能力也不及向外反向旋轉(zhuǎn)雙螺桿，但由于它沒有壓延效應(yīng)，因此可以在較高轉(zhuǎn)速下工作，提高了進(jìn)料量。 2 塑化過程 物料在雙螺桿擠出機(jī)中塑化所需的熱量來源，除了和單螺桿擠出機(jī)相同的部分外，物料在嚙合間隙中，受嚙合螺紋的剪切、擠壓和混合，產(chǎn)生熱量，并使熱量均化。 間隙的大小，對塑化質(zhì)量影響很大。 間

28、隙小，剪切力大，但通過的物料量減少；間隙大，通過的物料量增加，但剪切力減小。 雙螺桿假如采用特殊的剪切與混合元件，物料可以得到更好地混煉，充分利用剪切熱。 由于雙螺桿擠出機(jī)具有強(qiáng)制輸送和自潔的特性，使物料在機(jī)筒中停留的時(shí)間短而均勻。 又由于雙螺桿擠出機(jī)具有良好的混合性能，使物料得到的熱量及時(shí)均化，加速了物料的塑化速度，減少了料溫的波動，提高了擠出物的產(chǎn)量和質(zhì)量。 由于雙螺桿擠出機(jī)具有以上特性，使物料在雙螺桿中停留的時(shí)間短而且均勻，物料所經(jīng)歷的變化過程比較接近，不易產(chǎn)生局部陣解變質(zhì)，產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量得到提高，而單耗降低，這對加工熱敏性塑料，需要加熱時(shí)間短的物料具有特別重要的意義。所以雙螺稈擠出機(jī)

29、盡管結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但它仍然得到了普遍的重視和迅速地發(fā)展。 機(jī)頭是口模與料筒之間的過渡部分，其長度和形狀隨所用塑料的種類、制品的形狀、加熱方法及擠出機(jī)的大小和型式而定。 口模是制品橫截面的成型部件，它是用螺栓或其它方法固定在機(jī)頭上的。如果口摸和機(jī)頭是一個(gè)整體，一般就統(tǒng)稱為機(jī)頭。 機(jī)頭和口模結(jié)構(gòu)的好壞，對制品的產(chǎn)量和質(zhì)量影響很大，其尺寸都根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)或流變學(xué)知識來確定。這里只從工藝角度提出一般應(yīng)該注意事項(xiàng)。機(jī)頭和口模 口模 一般可分為三個(gè)功能區(qū)：口模分配腔、引流道和口模成型段（模唇）。 口模分配腔是把流入口模的聚合物熔體均勻分配在整個(gè)橫截面上，并承接由熔體輸送設(shè)備出口送來的料流； 引流道是使聚合物

30、熔體呈流線型地流入最終的口模出口； 口模成型段是賦予擠出物以適當(dāng)?shù)臋M截面形狀，并消除在前兩區(qū)所形成的不均勻流動。 影響口模設(shè)計(jì)的主要因素有：口模內(nèi)部流道的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)材料和溫度控制的均勻性。 口模設(shè)計(jì)工程目的是在給定尺寸均勻性限度內(nèi)，在最高可能產(chǎn)率下得到所需的制品形狀。 目前口模設(shè)計(jì)是根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)和理論分析相結(jié)合進(jìn)行的。從流變學(xué)的角度考慮，在設(shè)計(jì)前應(yīng)計(jì)算：流量分布、壓力降和停留時(shí)間，以及有無不穩(wěn)定流動現(xiàn)象，以便決定流道尺寸。 除了理論計(jì)算之外，還要根據(jù)制品的形狀和尺寸、聚合物的熱穩(wěn)定性以及擠出生產(chǎn)線與口模的相對位置，選擇口模的結(jié)構(gòu)和形式。 進(jìn)行了以上工作以后就可以進(jìn)行口模設(shè)計(jì)了。 值得指出的是：

31、目前廣泛采用的理論模型是以粘性流動模型為基礎(chǔ)的。 實(shí)際上，聚合物熔體是粘彈性流體，它的出口膨脹效應(yīng)對口模設(shè)計(jì)和制品形狀都有重要的作用，但目前對此問題還研究不夠，特別是異型口模的設(shè)計(jì)仍需借助實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。 口模可分為：圓孔口模、扁平口模、環(huán)形口模和異形口模。 圓孔口模：具有圓形出口的橫截面，主要產(chǎn)品有：圓棒、單絲、材料改性造粒等。 扁平口模出口具有狹縫形的橫截面。主要產(chǎn)品是平膜（厚度 小于0.25mm）和片材(厚度大于0.25mm)。 扁平口模可分為直支管式口模（T型口模）、魚尾形口模 （扇形口模）和衣架式口模 環(huán)形口模出口是環(huán)形截面。主要產(chǎn)品有：管材、管狀膜、吹 塑用型坯和涂覆電線電纜的口模。 環(huán)

32、形口模是由口模套和芯模組成的。根據(jù)口模套和芯模間的 連接形式，可分為支架式口模、直角式口模、螺旋 芯模式口模等。 異形口模的橫截面呈不規(guī)則形狀，一般生產(chǎn)異形制品。擠出機(jī)的輔助設(shè)備擠出機(jī)的輔助設(shè)備大致可分為以下三類：（1） 擠壓前處理物料的設(shè)備(如預(yù)熱、干燥等)，一般用于 吸濕性塑料，進(jìn)行干操的設(shè)備可以是烘箱或沸騰干操 器，也可以用真空加料斗。（2） 處理擠出物的設(shè)備，如用作冷卻、牽引、卷取、切斷 和檢驗(yàn)等的設(shè)備。（3） 控制生產(chǎn)條件的設(shè)備，也就是各種控制儀表，如溫度 控制器，電動機(jī)啟動裝置、電流表、螺桿轉(zhuǎn)速表和測 定機(jī)頭壓力的裝置等。 以上三類設(shè)備不僅隨制品的種類、對制品質(zhì)量的要求以及自動化程

33、度等的不同面有差別，而且每一種設(shè)備的類型也有不同的形式。 擠壓不同制品的操作方法是各不相同的，以下僅簡單地舉述擠壓各種制品的共同工序和方法。 供擠出用的塑料最好先進(jìn)行干燥，必要時(shí)還需預(yù)熱。 開車以前應(yīng)換上潔凈的粗濾器和濾網(wǎng)，并在壓力表中加足潤滑脂。 隨后對擠出機(jī)需要加熱部分進(jìn)行加熱，并開通料斗底部的冷卻夾套。 當(dāng)各段達(dá)到規(guī)定溫度時(shí)，對機(jī)頭部分的銜接處、螺栓均應(yīng)檢查并乘熱擰緊，以避免在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生漏料。擠出機(jī)的一般操作方法 而后開動擠出機(jī)并進(jìn)行進(jìn)料。開始速度不宜快，料也不要加足，并應(yīng)時(shí)時(shí)注意電流計(jì)、壓力表和進(jìn)料的情況。 當(dāng)塑料熔體被擠出之前，任何人均不得處于口模的正前方。 塑料擠出后，即須將擠出物

34、慢慢引上冷卻和牽引設(shè)備，并開動這些設(shè)備。然后根據(jù)控制儀表的指示值和對擠壓制品的要求，將各部分作相應(yīng)的調(diào)整，以便整個(gè)擠出操作達(dá)到正常的狀態(tài)。 停車時(shí)，一般都將擠出機(jī)內(nèi)的塑料盡可能擠完，以便下次操作。遇熱穩(wěn)定性差的塑料時(shí)，一定要將機(jī)內(nèi)物料擠完，以免損害設(shè)備。必要時(shí)可用軟聚氯乙烯或含無饑填料較多的聚苯乙烯和聚乙烯等塑料通過最后擠出來清理料筒和螺桿。但不必通過機(jī)頭、口模和粗濾器，這些部件是在拆除后進(jìn)行消理的。 擠出薄膜或板材時(shí)，也有在擠出機(jī)滿載的情況下停車的。 采用這種方法應(yīng)防止空氣進(jìn)入料筒，以免物料氧化而在繼續(xù)生產(chǎn)時(shí)影響制品的質(zhì)量。 清理擠出設(shè)備時(shí)，只能采用銅絲刷、銅刀和壓縮空氣吹管等工具，一般很少

35、用溶劑來清理。若需要采用，最好用四氫化萘，但成本較高。 濾網(wǎng)可用火燒的方法處理。 擠壓時(shí)應(yīng)注意的安全項(xiàng)目有電、熱、機(jī)械的轉(zhuǎn)動和笨重部件的裝卸等。 拆除時(shí)應(yīng)先拆出螺桿，后拆料筒，而安裝時(shí)則應(yīng)先裝料筒，后裝螺桿。 為使擠出機(jī)達(dá)到穩(wěn)定的產(chǎn)量和質(zhì)量，一方面，沿螺槽方向任一截面上的質(zhì)量流率必須保持恒定且等于產(chǎn)量，另一方面，熔體的輸送速率應(yīng)等于物料的熔化速率。 如果不能實(shí)現(xiàn)這些條件，就會引起產(chǎn)量波動和溫度波動。因此，從理論上闡明擠出機(jī)中固體輸送、熔化和熔體輸送與操作條件、塑料性能和螺桿的幾何結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，無疑是有重要意義的。 固體輸送理論 目前對這段理論推導(dǎo)得最為簡單的是以固體對固體的摩擦力靜平衡為基礎(chǔ)

36、的。推導(dǎo)時(shí)假設(shè)： (1)物料與螺槽和料筒內(nèi)壁所有邊緊密接觸，形成固體塞擠出理論或固體床，并以恒定的速率移動；略去螺翅與料筒的間隙，物料重力和密度變化等的影響； 螺槽深度是恒定的，壓力只是螺槽長度的函數(shù)，摩擦系 數(shù)與壓力無關(guān)；(4) 螺槽中固體物料像彈性固體塞一樣移動。 固體塞的移動是受固體周圍的螺桿和料簡表面之間的 摩擦力控制的，只有物料與螺桿之間的摩擦力小于物 料與料簡之間的摩擦力時(shí)物料才能沿軸向前進(jìn)，否則物(2) 料將與螺桿一起轉(zhuǎn)動。 圖511是螺桿的展開圖。 當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)時(shí)，螺槽中固體塞上的A點(diǎn)移動到B點(diǎn)，這時(shí)AB與螺桿軸向垂直面的夾角為,此角常稱為移動角。 通過推導(dǎo)，可得固體輸送速率

37、(Qs)的計(jì)算公式為:圖511 螺桿的展開圖式中: 為移動角； b為螺桿外徑處的螺旋角；Hl為螺槽深度； D為螺桿的外徑；N為螺桿的轉(zhuǎn)速。 為了計(jì)算固體輸送率Qs，需要先知道移動角 的大小。其值可按下式計(jì)算： 式中 s為螺桿根部的螺旋角； a為平均螺旋角； t為螺翅的導(dǎo)程；L為固體輸送段的軸向長度；fb為塑料與料筒表面的摩擦系數(shù)； fs為塑料與螺桿的摩擦系數(shù)； P1，P2分別為固體輸送段進(jìn)、出口處的壓力。 從方程(51)知，固體輸送速率不僅與DH1(DH1)N成比例，而且也與正切函數(shù)成比例前者是容易理解的，而與后者的關(guān)系則比較復(fù)雜。 因?yàn)橐苿咏桥c螺桿和料筒的幾何參數(shù)、摩擦系數(shù)(fs，fb)和固

38、體輸送段的壓力降均有聯(lián) 系見式(53)。 為簡化計(jì)，略去輸送端壓力降的影響，并在fsfb的情況下將tg tg b /(tg 十tg b)對螺旋角 作圖，如圖5-12示。 從圖中可見，如果fs已定，則正切函數(shù)；會在特定的螺旋角處出現(xiàn)極大值。另一方面，最佳螺旋角是隨摩擦系數(shù)的降低而增大的。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)知，大多數(shù)塑料的fs在0.25-0.50范圍內(nèi)，因此最佳螺旋角應(yīng)為17-20 。圖5-12 正切函數(shù)與螺旋角的關(guān)系 為了獲得最大的固體輸送速率，可從擠出機(jī)結(jié)構(gòu)和擠出工藝兩個(gè)方面采取措施。 從擠出機(jī)結(jié)構(gòu)角度來考慮： （1） 增加螺槽深度是有利的，但會受到螺桿扭矩的限制。 （2） 降低塑料與螺桿的摩擦系數(shù)(

39、fs)也是有利的，這就 需要提高螺桿的表面光潔度，不過這是容易達(dá)到的。 （3）增大塑料與料筒的摩擦系數(shù)（fb），也可以提高固 體輸送速率?；诖?，料筒內(nèi)表面似乎應(yīng)該粗糙些， 但這會引起物料停滯甚至分解，因此料簡內(nèi)表面還 是要盡量光潔。 提高料筒摩擦系數(shù)的有效辦法是： (a)料筒內(nèi)開設(shè)縱向溝槽； （b）采用錐形開槽的料筒。（4） 決定螺桿螺旋角時(shí)雖應(yīng)采用其最佳值，但必須注意制 造上的方便，為此，一般選用的螺旋角為1741。 從擠出工藝角度來考慮，關(guān)鍵是控制送料段料筒和螺桿的溫度，因?yàn)槟Σ料禂?shù)是隨溫度而變化的，一些塑料對鋼的摩擦系數(shù)與溫度的關(guān)系如圖513所示。從公式(52)知：在螺桿的幾何參數(shù)確定

40、之后，移動角只與摩擦系數(shù)有關(guān)。圖5-13塑料對鋼的摩擦系數(shù)與溫度的關(guān)系 如果物料與螺桿之間的摩擦力是如此之大，以致物料抱住螺桿，此時(shí)擠出量Qs和移動速度均為零，因而 =0。這時(shí)物料不能向前進(jìn)行，這就是常說的“不進(jìn)料”的情況。 如果物料與螺桿之間的摩擦力很小，甚至可略而不計(jì)，而對料筒的摩擦力很大，這時(shí)物料即以很大的移動速度前進(jìn)，即 =90。 如果在料筒內(nèi)開有縱向溝槽，迫使物料沿=90方向前進(jìn)，這是固體輸送速率的理論上限。一般情況下是在0 90 范圍。 在擠出過程中，如果不能控制物料與螺桿和料筒的摩擦力為恒定值，勢必引起移動角變化，最后造成產(chǎn)率波動。熔化理論 塑料在擠出機(jī)中受外熱和內(nèi)熱(物料之間和

41、物料與設(shè)備之間的摩擦作用)的作用而升溫，因此原為固體的塑料就逐漸熔化而最后完全轉(zhuǎn)變成熔體。 于此不難想像其中必然有一個(gè)固體和熔體共存的區(qū)域，即熔化區(qū)或相變區(qū)。由于這一區(qū)域是兩相共存的，給研究帶來許多圖難，所以直到1967年始才提出較為合理的理論。理論的推導(dǎo)是很復(fù)雜的，這里只給予簡單的介紹。 1 冷卻實(shí)驗(yàn)和熔化機(jī)理 冷卻實(shí)驗(yàn)是為了弄清塑料在擠出機(jī)中的熔化過程，實(shí)驗(yàn)時(shí)，將本色塑料和著色塑料(3-5)的混合物進(jìn)行擠出。當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，立即停止擠出并迅速冷卻螺桿和料簡，使機(jī)內(nèi)塑料凝固。然后將螺桿與凝固的物料一起從料筒中推出，物料從螺桿上剝下。切斷所得到的螺旋狀料帶并觀察物料的熔化情況。如果這種冷卻操作進(jìn)

42、行很快，則可從切片中觀察到擠出機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的原來狀態(tài)，也既是熔化物料和部分混合物會呈現(xiàn)出流動的軌跡，而末熔化的物料則仍然保持原來的固體狀態(tài)。 有關(guān)熔融區(qū)的研究是近十幾年的事。到目前為止，仍處于發(fā)展階段。下面我們重點(diǎn)介紹由ZTadmor和IK1ein所建立的熔融理論。 該熔融理論是在擠出機(jī)上進(jìn)行的大量冷卻實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出來的。冷卻實(shí)驗(yàn)是這樣進(jìn)行的： 將著色物料(或炭黑)和本色的物料加入擠出機(jī)中，待擠出過程穩(wěn)定后，快速停車并驟冷料筒(如果可能，也冷卻螺桿)，抽出螺桿(如果是剖分料筒可將料筒打開)。 （現(xiàn)在可采用可視化螺桿進(jìn)行觀察） 將螺旋狀的已冷卻的塑料帶從螺桿上剝下，這時(shí)可以發(fā)現(xiàn)：已熔的和局部

43、混合的聚合物將呈現(xiàn)流線，而未熔的物料將保持初始的固態(tài)。然后垂直于螺紋方向切取截面，如圖513所示(圖中所取截面是每隔半圈螺紋截取的)。 由圖可見，一個(gè)截面內(nèi)有三個(gè)區(qū)域：固態(tài)塑料(白色)，我們稱之為固體床，熔池(黑色)，以及接近料筒表面的熔膜(黑線)。 在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，熔膜是從第七個(gè)螺槽開始出現(xiàn)的，大約在第九個(gè)螺槽出現(xiàn)熔池，隨著物圖 5 -13 驟冷料筒實(shí)驗(yàn)取樣料向前輸送。熔池逐漸加寬，固體床相應(yīng)變窄，至第二十個(gè)螺槽，熔體充滿整個(gè)螺槽，固體床消失。 基于以上的實(shí)驗(yàn)觀察，Tadmor和IKlein建立了熔融區(qū)中物料的熔化模型，如圖5-14所示。 圖5-14 熔融模型（a）螺槽橫斷面 I （b）螺槽展

44、開 它假定： （1）擠出過程是穩(wěn)定的，即在擠出過程中螺槽內(nèi)的固相與液相的分界面位置以及任何截面上的速度分布、溫度分布都不隨時(shí)間而變化； （2）整個(gè)固相為一均勻連續(xù)體(忽略固體床破碎的可能性)； （3）塑料的熔融溫度范圍較窄，因此固液相之間的分界面比較明顯； （4）螺槽的橫截面是矩形的； （5）從傳熱角度認(rèn)為固體塞子的厚度無限，其密度不變，速度不變，橫過固體床寬度熔膜的厚度不變。 在做了上面的假定后，熔融過程就是這樣進(jìn)行的： 由料斗加入的物料經(jīng)過固體輸送區(qū)被壓實(shí)成固體床。固體床在前進(jìn)過程中同已加熱的料筒表面接觸時(shí)逐漸升溫并開始熔融，在料筒表面形成一層熔膜，當(dāng)熔膜的厚度超過螺桿與料筒的間隙時(shí)，旋轉(zhuǎn)

45、著的螺桿的棱面就把熔體刮落，匯集于螺紋推力面的前方，而形成熔池。隨著螺桿的轉(zhuǎn)動，來自加熱器的熱量和熔膜中的剪切熱不斷傳至未熔融的固體床，使與熔膜相接觸的固體粒子熔融。 固體床逐漸變窄，熔池逐漸變寬。大約在進(jìn)入計(jì)量段處，固體床消失，螺槽全部為熔體充滿。最后，經(jīng)過均化段(此為熔體區(qū))螺桿將熔體定壓定量定溫地送至機(jī)頭。 從熔化開始到固體床的寬度下降到零的總長度，稱為熔化區(qū)的長度。 熔體膜形成后的固體熔化是在熔體膜和固體床的界面處發(fā)生的，所需的熱量一部分來源于料筒的加熱器；另一部分則來自螺桿和料筒對熔體膜的剪切作用。 數(shù)學(xué)模型 研究熔化理論的主要目的是： （1）為了預(yù)測螺槽中任何一點(diǎn)未熔化物料的量；

46、（2）熔化全部物料所需螺桿的長度； （3） 未熔化物料和螺桿長度對物料物性、螺桿的幾 何形狀和操作條件的依賴關(guān)系。 為了簡明地說明這個(gè)問題，現(xiàn)以牛頓液體的模型為例進(jìn)行分析。(1) 模型假設(shè) 為了使圖5-14所表示的模型易于用數(shù)學(xué)處理，特作如下的假沒： 熔化過程是穩(wěn)定的； 熔化物料與固體床有明顯的界面； 固體床是連續(xù)均勻的，而且在螺槽的橫截面上為矩形； 外加熱由料筒內(nèi)表面導(dǎo)入，并按傳導(dǎo)方式通過熔體膜 和固體熔體的界面； 剪切所產(chǎn)生的熱是在熔體膜內(nèi)進(jìn)行的； 熔體池對固體床的傳熱略而不計(jì)； 固體粒子的熔化是在界面處進(jìn)行的；熔化的物料由于料筒表面的拖曳作用而聚集在螺棱的前側(cè)，固體床則以恒定的速度進(jìn)入界

47、面，并保持穩(wěn)態(tài)；沿螺槽X和Z兩個(gè)方向的傳熱不予考慮，且在傳導(dǎo)計(jì)算中設(shè)固體床的厚度是無限的；熔體為牛頓液體；所有物理性能都是常數(shù)。（2）固體的熔化速率 從上面的分析已知物料在螺槽內(nèi)的熔化是發(fā)生在熔體-固體界面上的。 如果以界面為準(zhǔn)，則其進(jìn)出熱量之差即為物料熔化耗去的熱量。 為找出單位界面上熔化速率與操作條件、物理性能和固體床的寬度之間的關(guān)系，需要先知道熔體膜和固體中的溫度分布以及從中進(jìn)、出的熱量。 圖515所示螺槽截面上熔體膜和固體床內(nèi)溫度分布情況，熔體膜內(nèi)的溫度(T)分布函數(shù)在邊界條件y0，TTm和y= ，T=Tb時(shí)可表示為：圖5-15 熔體膜和固體床內(nèi)的溫度分布 l-料筒表面 2-熔體膜 3

48、-界面式中：y是離界面的距離； 是熔體膜的厚度；Tb是料筒溫度；Tm是物料的熔點(diǎn)；km是導(dǎo)熱系數(shù)；Vj是物料在料筒內(nèi)表面速度(Vb)矢量與固體床速度(Vsz)矢量之差； 是粘度，無因次群 Vi2km(TbTm)通稱為勃林克曼準(zhǔn)數(shù)；它表示由剪切所生熱量與溫差為TbTm時(shí)由料簡導(dǎo)入的熱量的比率。如果勃林克曼準(zhǔn)數(shù)大于2，則料筒與界面之間的某一位置的溫度可出現(xiàn)比Tb更高的值，其原因在于剪切生熱的數(shù)量較大。 從熔體膜進(jìn)入單位界面的熱量為： 固體床內(nèi)的溫度分布可在邊界條件y=0、TTm和y 、T Ts時(shí)推得為： 式(57)說明固體床的溫度是按指數(shù)規(guī)律從熔點(diǎn)Tm下降到固體床的起始溫度。在單位界面上從熔體膜傳

49、至固體的熱量為： 綜合式56和58，可知單位界面上進(jìn)、出熱量之差，也就是熔化物料耗去的熱量為： 式中 是塑料的熔化熱 再考慮物料平衡，由界面處進(jìn)入熔體膜內(nèi)的固體量應(yīng)等于流出的熔體量，則得： 式中 定義為單位螺槽長的熔化速率。解出式(59)的Vsy，代入式(5一l0)中，則熔體膜的厚度 和熔化速率 可用固體床的寬度X表示： 由定義的變量群是熔化速率的量度，即值大則熔化速率高。 這一方程的分子正比于熔化時(shí)供熱的速率，而分母則正比于固體從其本身溫度(Ts)變?yōu)闇囟龋═m）的熔體時(shí)所需的熱量。(3) 固體床的分布 固體床的寬度X是順著螺槽向下的長度Z的函數(shù)。其間的關(guān)系可用螺槽方向上固體床中微分體積內(nèi)的

50、物料平衡來得到，其結(jié)果可用下式表示：這個(gè)微分方程對漸變螺槽相等深螺槽有不同的解。 對于漸變螺槽，其深度一般呈直線下降，即HH1-AZ，式中H1是Z為零時(shí)的螺槽深度，而A為螺槽的錐度，解上式則得漸變螺槽的固體床分布：漸變螺槽熔化區(qū)的長度為對于等深螺槽來說，固體床分布和熔化區(qū)長度的關(guān)系則為：式中G是質(zhì)量流率， 是無因次解。 如果熔化是在Z0處開始的，則式(515)中的固體床寬度(X1)就是螺槽寬度(W)，這時(shí)漸變螺槽和等深螺槽的固體床分布就分別為： 這樣，固體床分布，X/W在漸變螺槽時(shí)即為無因次群A的函數(shù)， 而在等深螺槽時(shí)則只是ZZT的函數(shù)。圖58中示出了不同A 時(shí)的固體床分布曲線。 從圖516可

51、以看出，固體的分布形狀是依賴于A 值的。 對于等深螺槽A =0，固體床分布呈拋物線。當(dāng)A 增大時(shí)曲線即由凹曲線逐漸變成凸曲線。 在極限情況A 1時(shí)，固體床寬度保持不變，形狀是階梯函數(shù)。一般情況A 1，固體床寬度是連續(xù)下降的。圖516 固體床的分布曲線應(yīng) 用 上述理論對工藝控制和螺桿設(shè)計(jì)都具有重要意義。 以等深螺槽為例說明其在工藝控制中的作用。從式(5一16)和(520)可得：(523) 上述關(guān)系式的最重要結(jié)果是，熔化區(qū)的長度正比于質(zhì)量流率(G)。 因此，如果要增大流率而又保持熔化區(qū)的長度不變（以保持不變的質(zhì)量為前提），這就需要改變其它操作條件以使 值取得與流率等量的增加。 從（5-13）知，

52、增大 的方法是將料筒的溫度Tb、物料溫度Ts和螺桿轉(zhuǎn)速分別或同時(shí)提高，但僅憑提高螺桿轉(zhuǎn)速一種辦法是不容易達(dá)到目的的，因?yàn)檫@樣所增加的剪切熱常不足以補(bǔ)償產(chǎn)量的增加。 其次，在設(shè)計(jì)螺桿時(shí)可根據(jù)熔化理論算出熔化區(qū)的長度，從而使熔化段的設(shè)計(jì)較為簡化和合理。但必須指出，用理論計(jì)算的固體床寬度和熔化區(qū)長度與用實(shí)驗(yàn)測得值還有一定差距，見圖517。圖5-17 固體床的計(jì)算值與實(shí)際值的比較由圖可知： 固體床寬度計(jì)算值比理論值小。 誤差的原因是所用數(shù)學(xué)模型的許多假設(shè)與實(shí)際不合。 例如，熔體是非牛頓液體，固體床的厚度是有限的，物理性能有變化，螺槽不是矩形等。 因此，在這一基礎(chǔ)上又有人提出了各種修正模型。當(dāng)然，修正過

53、的數(shù)學(xué)式是更接近于實(shí)際情況的，但計(jì)算更為復(fù)雜。 從圖中可見，在相變初期，計(jì)算的熔化速率比實(shí)測的大，而在后期則小。熔化區(qū)的計(jì)算長度也比實(shí)測的要長些。如果在計(jì)算時(shí)將錐度加大40，則計(jì)算結(jié)果即與實(shí)驗(yàn)較為一致。這是一項(xiàng)可取的修正。 計(jì)量段中熔體輸送的理論是單螺桿擠出理論中研究得最早而又最充分的。 開始是以兩塊無限的平行扳之間的等溫牛頓流體為對象，其后又?jǐn)U展到非牛頓液體。 當(dāng)然，這依然是在極為簡化的情況下來處理這一問題的。 隨著研究的深入，理論模型更接近于實(shí)際的，不過它的復(fù)雜程度則更大。 這里只就其中最為簡單的進(jìn)行討論。應(yīng)該指出，由最簡單的理論公式計(jì)算得到的結(jié)果仍具有一定的準(zhǔn)確性，而且計(jì)算簡便。熔體輸送

54、(計(jì)量)理論1. 最簡流動方程 熔體在螺桿計(jì)量段的流動有正流、逆流、橫流和漏流四種。 (1) 正流 正流是塑料在料筒和螺桿之間沿著Z軸(見圖518)向口模方向的流動，它是由旋轉(zhuǎn)螺桿的擠壓所造成的。所以有時(shí)也稱為拖曳流動。通常以Qd表示正流的流量(體積單位時(shí)間) 。圖5-18 螺糟的幾何形狀1-料筒 2-螺桿根部 3-螺棱 (2) 逆流 逆流是料流壓力梯度所引起的流動。 由于料流壓力是隨著料流前進(jìn)而逐漸增大的，所以逆流的方向與正流相反，通常以Qp表示逆流的流量。 (3) 橫流 橫流是塑料沿著X軸所發(fā)生的流動，其流量以Qt表示。 它是一種與螺紋方向垂直的流動。當(dāng)這種流動到達(dá)螺紋側(cè)面時(shí)被擋回，便沿著

55、螺槽側(cè)面向上流動，又為料筒所擋，形成環(huán)環(huán)流。（4）漏流 漏流也是壓力梯度造成的，但它所指的是物料從螺翅與料筒之間的間隙( )沿著螺桿軸向料斗方向流出的料量，通常以QL表示。漏流的量一般很小。上述四種流動方式，實(shí)際上都不是以單獨(dú)形式出現(xiàn)的，而是這些方式的組合流動。 所以就一個(gè)塑料的質(zhì)點(diǎn)來說，它既不會有真正的倒退，也不會有封閉的環(huán)流。 真實(shí)的流動是以螺旋形的軌跡出現(xiàn)的，其形狀與一根嵌在螺槽中的鋼絲彈簧相仿。有關(guān)這些結(jié)論，在實(shí)驗(yàn)中均己得到證實(shí)。 四種流動方式中決定擠出機(jī)擠出量的是Qd、Qp和QL，如果以Qm表示擠出量，則其關(guān)系可寫為； (524) 橫流或環(huán)流雖對擠出量沒有影響，但對擠出過程中塑料的混

56、合和熱交換的作用卻很大。 如果塑料熔體是牛頓液體、其流動型式是層流，流動時(shí)的溫度恒定(當(dāng)然它的密度也不會變化)，螺槽寬度與深度之比大于10、壓力梯度為常數(shù)，則在略去螺桿上很小的e值和漏流QL的情況下，理論的分析就可大大簡化，所得結(jié)果就是通用于單螺旋螺桿均化段的最簡單流動方程，即： 式中N為螺桿的轉(zhuǎn)速； P為汁量段料流的壓力降；L為計(jì)量段的長度； 為塑料熔體的粘度；D為螺桿直徑；Hz為計(jì)量段螺帽深度； 為螺旋角。 眾所周知，大多數(shù)塑料熔體均是假塑性液體，因此式(595)須改為： 式中k為流動常數(shù)，m為流動行為指致，其余符號與式(525)相同。必須注意，式(525)和(526)的右邊第一項(xiàng)是完全相

57、等的。 從式(525)和式(526)都可以看出，塑料的流變性能僅出現(xiàn)在第二項(xiàng)(即逆流項(xiàng))而與第一項(xiàng)(即正流項(xiàng))無關(guān)。 如果擠出采用的塑料是流動性較大的(亦即較小或k較大的)則擠出量(Qm)對壓力的敏感性就較大，這說明該材料用擠出成型是不十分相宜的。 此外，還可以看出，正流與螺槽深度(Hz)成正比，而逆流則與它的三次方或多次方成正比。 因此，在壓力較低時(shí)，用淺槽螺桿的擠出量會比用深槽螺桿時(shí)低而當(dāng)壓力高，到一定程度后，其情況正相反。 這一推論說明：淺槽螺桿對壓力的敏感性不很顯著，能在壓力波動的情況下擠出比較均勻的制品。 但螺槽也不能太淺，否則容易燒傷塑料。 2. 螺桿和口模的特性曲線 為簡單起見，

58、 式(525)又可寫為下式： 式中A和B都只與螺桿結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，對指定的擠出機(jī)在等溫下的操作情況來說，除Qm與P外，式(527)中其它符號都是常數(shù)，這樣式(527)就為直線方程。 如果將它繪在Qm P坐標(biāo)圖上，就可得到一系列具有負(fù)斜率的平行直線這些直線常稱為螺桿特性曲線(如圖519)。 當(dāng)壓力為零時(shí)(也就是對料流不加限制，意即不裝機(jī)頭和口模)，Qm的值最大，這種情況下的Qm就等于Qd。 塑料熔體(假定它是牛頓流體)通過機(jī)頭和口模的流動的方程可以簡寫為：圖5-19 螺桿和口模的特性曲線 (牛頓液體)(5一28) 式中：K為常數(shù)，與機(jī)頭和口模的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。 P為料流通過機(jī)頭和口模的壓力降。 如果

59、進(jìn)入計(jì)量段的料流壓力與口模處出料的壓力相等(絕大多數(shù)的擠出都是這種情況)，則式(528)中的 P即與式(527)中的 P相等。 采用同一坐標(biāo)而將(528)繪出，就可得到象圖519所示的另一組直線，如D1，D2，D3，等，不同的直線表示用不同的機(jī)頭和口模，也就是K值不同，這種直線稱為口模特性曲線。 圖519中兩組直線的交點(diǎn)就是操作點(diǎn)。利用這種圖可以求出指定擠出機(jī)配合不同機(jī)頭和口模時(shí)的擠出量，使用極為方便。因?yàn)橹本€只需兩點(diǎn)就可決定。 將式(527)和式(528)聯(lián)立而消去P即得： 從式(529)知，擠出機(jī)(帶有機(jī)頭和口模)的擠出量(Qm)，僅與螺桿轉(zhuǎn)速以及螺桿、機(jī)頭和口模的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，而與塑料的

60、粘度無關(guān)。 不與粘度聯(lián)系的理由是： 在機(jī)頭和口模尺寸不變的情況下，也就是式(528)中的K值不變，粘度大的塑料，螺桿對它所產(chǎn)生的壓力高；粘度小時(shí)，其情況正相反。因此，從式(529)即可看出，料流通過機(jī)頭和口模時(shí)流量即可保持不變。 壓力隨粘度增大而上升的關(guān)系，可以從下式得到說明：式(530)是將式(529)和式(528)聯(lián)立再消去Qm而得到的。 事實(shí)上，粘度發(fā)生較大的變化時(shí)，Qm也會發(fā)生一定的變化。這種變化主要是由于送料和壓縮兩段的變化所造成的。常規(guī)螺桿的改進(jìn)1 評價(jià)螺桿的標(biāo)準(zhǔn) 評價(jià)螺桿的標(biāo)準(zhǔn)也隨著對擠出過程認(rèn)識的深化而逐漸明確和完善起來。由前面對擠出過程的分析可以看出，至少應(yīng)當(dāng)從以下幾個(gè)方面評