第一章挤出成型设备

第一章挤出成型设备挤出成型又称挤压成型，它是将物料加热熔融成粘流态，借助螺杆的挤压作用，推动粘流态的物料，使其通过口模而成为截面与口模形状相仿的连续体的一种成型方法，为此而使用的设备称为挤出机。挤出成型是塑料成型的重要方法之一，此法可成型几乎全部热塑性塑料和部分热固性塑料。生产的产品有管、棒、丝、薄膜、板、电线电缆的包覆材、异型材和中空制品等。目前挤出成型产品约占热塑性塑料制品的40～50％。其特点是：生产过程连续化，生产效率高，设备成本低，产品质量均匀。一、挤出成型设备的组成及分类Brabender转矩流变仪（兼挤出造粒机）⒈挤出成型设备的组成⑴主机又称挤出机，与化纤机械中螺杆挤出机的结构基本相同，由挤压系统、传动系统、加热冷却系统和控制系统组成。⑵辅机①机头俗称口模，是挤出成型的模具，是制品成型的主要部件。熔料通过它获得一定的几何截面和尺寸。②定型装置稳定从机头挤出的制品的形状，并对其进行精整，从而得到尺寸更为精确的截面形状及更为光亮的制品表面。定型过程通常采用冷却和加压的方法来实现。③冷却装置对经定型后的制品实施进一步冷却，以获得最终制品的形状和尺寸。④牵引装置均匀地牵引制品，并对制品的截面尺寸进行拉伸控制，使挤出过程平稳地进行。⑤切割装置将连续挤出的硬制品按要求的长度及宽度进行裁切。⑥卷曲（或堆放）装置将连续挤出的软制品（薄膜、软管或单丝）卷绕成卷（或对硬制品进行堆放）。1－机头2－定型3－冷却4－牵引5－切割6－卷曲（或堆放）1－机头2－定型3－冷却4－牵引5－切割6－卷曲（或堆放）1－机头2－定型3－冷却4－牵引5－切割6－卷曲（或堆放）1－机头2－定型3－冷却4－牵引5－切割6－卷曲（或堆放）1－机头2－定型3－冷却4－牵引5－切割6－卷曲（或堆放）⒉挤出成型设备的分类⑴按螺杆数目分：无螺杆挤出机、单螺杆挤出机、双螺杆挤出和多螺杆挤出机。⑵按结构形式分：立式、卧式和阶式。⑶按可否排气分：排气式挤出机和非排气式（常规式）挤出机。⑷按用途分：制品成型挤出机、混炼造粒挤出机和压延机喂料挤出机。⑸按螺杆转速分：常规挤出机（100～300r/min）、高速挤出机（300～900r/min）和超高速挤出机（900～1500r/min）。按上述挤出机的结构及分类特点，可将其中部分挤出机的功能简述如下：①卧式挤出机。螺杆轴线为水平布置，其特点是重心低、稳定性好和便于操作维修，不足是占地面积较大。②立式挤出机。螺杆轴线为垂直布置，其重心较高，不易配置辅机，操作维修较困难，但占地面积较小。③排气式挤出机。在机筒中及后段设有排气口，有助于聚合物中的气体及挥发物脱除。④发泡挤出机。在机筒上开设有发泡剂加入装置，可成型发泡的挤出制品。⑤喂料挤出机。机筒可以摆动一个角度，主要用于给压延机均匀喂料。⑥阶式挤出机。由两台（以上）挤出机串联而成，主要用来回收造粒、脱挥或发泡成型加工。⑦电磁动态挤出机。是近年中国首创发明的利用电磁动态作用进行塑化的挤出机，特点是结构紧凑和节省电能。⑧可视化挤出机。是近年开发的在机筒上开设若干透明视窗的挤出机，主要用于研究不同螺杆结构或工艺条件下物料的塑化混炼过程。二、双螺杆挤出机⒈概述据称，第一台双螺杆挤出机是1869年在英格兰由Follows和Batts为制造香肠开发的。用于聚合物加工的第一台双螺杆挤出机是在二战之前在意大利由RobertoColombo和CarloPasquetti研制的。20世纪60年代以后，出现了在混炼、脱水、造粒、粉料直接成型和其他填料方面具有专门功能的双螺杆挤出机。70年代后，又出现了组合式的双螺杆挤出机，使其适用性得到了极大的增强，使用范围不断扩大，制造成本也不断降低。双螺杆挤出机的优点：①加料容易：可加入带状、粉状、糊状、粒状及玻璃纤维等物料，这是由于双螺杆挤出机是靠正位移原理输送物料的，其不可能有压力回流。而单螺杆挤出机则很难加入除粒状物料以外的其它种类物料。②物料停留时间短：仅为约单螺杆挤出机的一半，故特别适合于热敏性物料。③排气性能优异：由于双螺杆挤出机啮合部分的有效混合，使物料的表面更新能力较强，故易于设置排气口使物料中的气体排除。④优异的塑化和混合：由于双螺杆的互相啮合，物料在挤出过程中进行着较单螺杆挤出机中更为复杂的运动，物料因此可获得良好的塑化和混炼。⑤低的比功率消耗：约为单螺杆的一半。⑥螺杆特性硬：流率对机头压力变化不敏感。当然，双螺杆挤出机的制造费用较单螺杆挤出机要高许多，一次设备投资较大。⒉双螺杆挤出机的结构和分类⑴结构主要由双螺杆、机筒（其上开设有主加料口、侧加料口及至少一个排气口）、排气装置（通常可有1～3个）、定量加料器（包括料斗、加料螺杆及机筒、加料器传动系统）、加热器、机头连接体（包括多孔板及自动换网器）、主机传动装置（包括电机、减速分配箱和安全销等）、机座以及电控仪表等组成。⑵分类①按螺杆旋转方向可分为同向旋转和异向旋转两大类。而异向旋转的双螺杆挤出机又可分为内翻式和外翻式两种。需要特别注意的是同向旋转双螺杆和异向旋转双螺杆的工作机理和用途各不相同，购买及使用时要注意区分，否则难以达到最佳效能。②按两根螺杆啮合与否分为啮合型与非啮合型两类。其中啮合型按啮合程度又可分为部分啮合型与全啮合型两种。③按两根螺杆轴线的相对位置划分可分为平行双螺杆挤出机和锥形双螺杆挤出机。④按螺杆为整体或组合划分目前，在生产实践中使用的同向旋转的双螺杆挤出机的螺杆大都为组合式。其可通过改变螺杆元件的组合，实现能加工不同种类聚合物材料的特点。⑶双螺杆挤出机工作原理①啮合型同向旋转双螺杆挤出机该种机在塑料工业中应用十分广泛。工作原理：ⅰ物料自料斗经定量加料器加入机筒后，按照旋转方向，可从一根螺杆的螺槽经啮合区的间隙流入另一根螺杆的螺槽，形成螺旋的”∞”形向前运动，于是从加料口至机头存在着通道。ⅱ在啮合处，螺纹和螺槽的速度相反，物料相对速度很大，承受很大的剪切，有利于混合，且能刮去料槽内的积料，故具有较好的混炼和自洁作用。ⅲ由于啮合处两根螺杆的速度方向相反，因此能在上下啮合区形成平衡的压力，螺杆的轴承及机筒承载均匀，故可在高达300r/min的转速下工作。ⅳ由于两根螺杆互相啮合，对物料输送有强制的推力，故螺杆内的物料可以不充满螺槽地向前输送。ⅴ螺杆啮合处对物料的剪切过程使物料的表层得到不断的更新，具有很好的脱挥排气性能。②啮合型异向旋转双螺杆挤出机工作原理：ⅰ由于两根螺杆的旋转方向不同，一根螺杆中物料旋转前进的道路被另一根螺杆堵死，故不能形成”∞”运动。在啮合处，一根螺杆的螺纹插入另一根螺杆的螺槽中，使连续的螺槽被分割成互相隔离的C形小室。螺杆旋转时，随着啮合部分的轴向移动，C形小室也沿着轴向前移，螺杆每转一圈，C形小室就前移一个导程的距离，故自机筒加料口到机头不存在连续通道。ⅱ少量物料被拉入两螺杆之间的径向间隙，受到螺棱和螺槽间的研磨和滚压作用，此作用与压延机上物料的滚压作用相似，故称为“压延效应”。由于压延作用，使机筒壁和轴承受力不均匀，使机筒和轴承局部受压磨损，故其只能在较低（10～100r/min）的转速下工作。ⅲ在啮合区，物料在互相擦离过程中，可以剥离粘附在螺杆上的物料，具有较强的自洁性。ⅳ由于物料呈密闭C形小室往前强制输送，故机头压力较高，适用于制品的挤出成型。ⅴ混炼剪切作用较弱，故适用于热敏料和需要受热时间短的物料的成型。③非啮合型双螺杆挤出机由于两根螺杆不相啮合，料流在螺杆间为4种流动的组合。图中1为轴向漏流，其值较大；2为环形漏流，是从一根螺杆流向另一根螺杆；3为拖曳流；由于螺杆异向旋转，物料将在A处受阻，故产生第4种拖曳环流。这几种流动使物料经受强烈的反混剪切作用。但这种非啮合型双螺杆没有自洁作用，故一般仅用于混料。三、挤出机头⒈机头的作用与分类⑴机头的作用机头是挤出机的主要成型部件，它包括机头体、分流器、分流器支架、芯棒、口模、调节螺丝等。其主要作用是：①使物料由机筒螺杆间的螺旋运动变为直线运动。②形成必要的成型压力，保证制品密实。③使物料进一步塑化均匀。④成型制品。⑵机头的分类①按用途可分为：吹膜机头、挤管机头、挤板机头、挤异型材机头、造粒机头、吹塑中空制品机头、抽丝机头、电缆机头、织网机头、多色制品机头及螺旋耐压管挤出机头等。②按制品挤出方向可分为：直通式机头和直角式机头。前者机头内料流方向与挤出机螺杆轴向一致，后者机头内料流方向与挤出机螺杆轴向呈一定角度，通常为90°，也有呈45°和30°的。③按机头内压力大小可分为：低压机头（料流压力小于4MPa）、中压机头（料流压力为4～10MPa）和高压机头（料流压力在10MPa以上）⒉吹塑薄膜机头吹塑薄膜机头即吹膜机头。生产厚度为0.005～0.100㎜的薄膜可用挤出法、压延法和拉伸法等成型。而挤出法加工简单、成本低廉、生产率高。因此半数以上薄膜用此法生产。尤其是聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、含增塑剂的聚氯乙烯、醋酸纤维素等热塑性塑料薄膜，更多用此法生产。＊⑴侧进料芯棒式机头来自挤出机的熔融物料经过设置在挤出机机筒与机头连接处的多孔板后，经机颈到达芯棒轴。在芯棒轴的阻挡下，熔融物料被分为两股沿芯棒分流线流动，在芯棒尖处又重新汇合。汇合后的物料沿机头环形缝隙挤出成管坯。芯棒内通入压缩空气，将管坯吹胀。这种机头的优点是：机头内存料少，不易过热分解；结构简单，易制造，只有一条拼缝线。但由于在机头的通道中需作90°转弯，转弯处物料流动距离不等，故粘度不均，最终影响到薄膜厚度的均匀性；而且芯棒易产生“偏中”现象，从而使靠近进料一侧的薄膜出现单边偏厚现象。⑵螺旋芯棒式机头属于中心进料式机头，为解决侧进料机头的偏中现象而设计。这种机头的芯棒轴上开设有一条或多条螺纹流道。来自挤出机的物料从机头中心进入，之后按螺纹流道的数目而分成多股料流，最后料流从环形间隙中挤出而形成膜管。优点：可避免芯棒偏中现象，且料流呈螺旋形分散，使混合程度大大提高，消除了薄膜的合缝线，且其厚度均匀性得以改善。缺点：物料在芯棒中停留时间较长，不适于加工热稳定性差的物料。且体积较大，不适合吹制大规格口径的薄膜。⒊管材机头⑴直通式管机头这种机头最显著的特征是有某种形式的分流器支架支撑着分流器。熔料从挤出机挤出后经多孔板、过滤网、分流器支架分成若干股料流，然后再汇合，最后进入由芯棒和口模形成的环形通道，经一定长度的定型套连续地挤出管材。这种机头的结构简单，制造容易，但物料经过分流器支架时形成的分流痕迹不易消除，且机头较长，结构笨重。一般适用于成型硬、软聚氯乙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯等塑料管材。⑵直角式机头特点是内部不设分流器支架，熔体在机头中包围芯棒流动成型，因此只产生一条分流痕迹。直角机头最突出的优点是：挤出机机筒容易接近芯棒上端，芯棒容易被加热，与它配合的冷却装置，可以同时对管材的内外径进行冷却定型，所以定型精度较高；另外，流动阻力小，料流较稳定，出料较均匀，生产率高，成型质量好。但结构复杂，制造困难，生产占地面积大。适用于成型聚乙烯、聚丙烯等管材。⑶旁侧式机头综合了直通式和直角式机头的优点。在这种机头中，物料经过二次改变方向，消除直角机头一次变向所产生的不均衡现象。挤出方向与螺杆轴方向一致，故占地面积比直角式小。但这种机头结构更复杂，挤出成型时料流阻力较大。⒋板材、片材挤出机头一般挤出成型可生产板厚为0.25～20㎜，宽度为1～1.5m（最宽可达4m）的板材或片材。通常将厚度为0.25～1㎜的称为片材，厚度大于1㎜的叫板材。板、片材成型机头常见的有以下四种：⑴鱼尾机头其型腔呈鱼尾状，熔体从机头中部进入后呈鱼尾状散开挤出。由于进料处的压力、速度比两端大，而且两端热量损失大，造成中部与两端的压力差、温度差及熔体粘度差，导致出料时中间多，两端少，即制品厚度不均。为解决这一问题，通常在机头型腔内设置阻流器或阻力调节装置，以增大物料在型腔中的阻力，使物料沿机头全宽方向流速均匀一致。鱼尾机头机构简单，制造容易，物料易流动，适用于加工高粘度、热稳定性差的塑料。也适用于低粘度塑料，如聚烯烃等。但这种机构不适宜加工宽幅制品。一般用于加工宽500㎜，厚1～3mm