塑料成型工艺学第五章

第五章挤出成型5.1概述一、挤出成型也称挤压模塑或挤塑，即借助螺杆或柱塞的挤压作用，使受热熔化的塑料在压力推动下，强行通过口模而成为具有恒定截面的连续型材的一种成型方法。挤出法几乎能成型所以热塑性塑料和某些热固性塑料。5.1概述生产的制品：管材、板材、薄膜、线缆包覆物及塑料与其它材料的复合材料等。5.1概述挤出制品占热塑性塑料制品的40～50％，此外还可以用于塑化造粒、着色和共混等。二、挤出成型分类1.按塑化方式分：（1）干法：靠加热（2）湿法：仅用于硝酸纤维素和少数醋酸纤维素等。用溶剂将塑料充分软化。5.1概述2.按加压方式分：（1）连续式：螺杆式挤出机单螺杆双螺杆借助螺杆旋转产生压力和剪切力，使物料充分塑化和混合均匀，通过型腔（口模）而成型。5.1概述（2）间歇式：柱塞式挤出机借助柱塞压力，将事先塑化好的物料挤出口模而成型。5.2挤出设备挤出设备一般是由挤出机、机头和口模、辅机等几部分组成的。5.2.1螺杆挤出机挤出机由挤出装置（螺杆和料筒）、传动机构和加热冷却系统等主要部分组成。一、单螺杆挤出机单螺杆挤出机是由一根阿基米德螺杆在加热的料筒中旋转构成的。大小一般用螺杆直径来表示。5.2.1螺杆挤出机5.2.1螺杆挤出机1.传动装置带动螺杆转动的部分。通常由电动机、减速箱和轴承等组成。在挤出过程中，要求螺杆转速稳定，不随螺杆负荷的变化而变化，以保证制品质量均匀一致。但在不同的场合下，又要求螺杆能变速，以达到一台设备能适应挤出不同塑料或不同制品的要求。传动部分采整流子电动机、直流电动机等装置达到无级变速。螺杆转速为：10～100转/分钟。设有良好的润滑系统和迅速制动的装置。5.2.1螺杆挤出机2.加料装置供料一般采用粒料、粉料和带状料等几种。装料设备通常使用锥形加料斗，其容积至少能容纳1小时的用料。5.2.1螺杆挤出机料斗底部有截断装置，以便调整和切断料流。侧面有视孔和标定计量的装置。有些料斗带有减压或加热装置、搅拌器、自动上料或加料装置。5.2.1螺杆挤出机5.2.1螺杆挤出机3.料筒挤出机的主要部件之一。为一金属圆筒，一般用耐温耐压、强度较高、坚固耐磨、耐腐的合金钢或内衬合金钢的复合钢筒制成。塑料的塑化和加压过程都在其中进行。外部设有分区加热和冷却装置。加热：电阻、电感或其它方式。冷却：风冷或水冷。5.2.1螺杆挤出机5.2.1螺杆挤出机4.螺杆挤出机的关键部件，直接关系到挤出机的应用范围和生产率。通过螺杆的转动，对塑料产生挤压作用，塑料在料筒中才能产生移动、增压和从摩擦取得部分热量，塑料在移动过程中得到混合和塑化，粘流态的熔体在被压实而流经口模时，取得所需形状而成型。5.2.1螺杆挤出机由于塑料品种很多、性质各异，因此为适应加工不同塑料的需要，螺杆的种类很多，结构上也有差异，以便能对塑料产生较大的输送、挤压、混合和塑化作用。表示螺杆结构特征的基本参数有直径、长径比、压缩比、螺距、螺槽深度、螺旋角、螺杆与料筒的间隙等。5.2.1螺杆挤出机（1）螺杆的直径（D）长径比（L/D）5.2.1螺杆挤出机①螺杆直径（D）根据所制制品的形状、大小及需要的生产率来决定的。一般45～150mm，螺杆直径增大，加工能力提高，挤出机的生产率与螺杆直径D的平方成正比。5.2.1螺杆挤出机②长径比（L/D）螺杆工作部分有效长度与直径之比。通常为18～25。L/D大，能改善物料温度分布，有利于塑料的混合和塑化，并能减少漏流和逆流，提高挤出机的生产能力。L/D大，螺杆适应能力强，能用于多种塑料的挤出。5.2.1螺杆挤出机但L/D过大，使塑料受热时间增长而降解；螺杆自重增加，自由端挠曲下垂，引起料筒与螺杆间擦伤，使制造加工困难，增大功率消耗。过短的螺杆，容易引起混炼的塑化不良。（2）螺旋角（）螺纹与螺杆横断面的夹角。5.2.1螺杆挤出机随增大，挤出机的生产能力提高，但剪切作用和挤压力减小通常在10～30〫之间。等距螺杆：螺距等于直径，＝17〫41’5.2.1螺杆挤出机（3）压缩比螺杆加料段最初一个螺槽容积与均化段最后一个螺槽容积之比。表示塑料通过螺杆全长范围时被压缩的倍数。压缩比愈大，塑料受到的挤压作用愈大螺槽浅时，能对塑料产生较高的剪切速率，有利于料筒壁和物料间的传热，物料混合和塑化的效率高，但生产率降低。螺槽深时，情况相反。5.2.1螺杆挤出机因此，热敏性塑料，宜用深螺槽螺杆（如PVC）；熔体粘度高，热稳定性较高的塑料，宜用浅螺槽螺杆（如PA）。（4）螺杆的结构形式5.2.1螺杆挤出机①渐变型：等距不等深5.2.1螺杆挤出机②渐变型：等深不等距5.2.1螺杆挤出机③突变型5.2.1螺杆挤出机④鱼雷头螺杆5.2.1螺杆挤出机（5）螺杆各段的功能物料沿螺杆前移时，经历着温度、压力、粘度等的变化，这种变化在螺杆全长范围内是不同的，根据物料的变化特征，将螺杆分为以下三段：①加（送）料段将料斗供给的料送往压缩段。塑料在移动过程中，一般保持固体状态，由于受热而部分熔化。5.2.1螺杆挤出机挤出结晶聚合物最长，硬性无定形聚合物次之，软性无定形聚合物最短。螺槽容积可以保持不变。②压缩段（迁移段、过渡段）压实物料，使物料由固体转为熔融体，并排除物料中的空气。为适应将物料压实，将气体推回加料段和物料熔化时体积减小等特点，本段应对塑料产生较大的剪切作用和压缩，通常使螺槽容积逐渐缩减，缩减的程度由塑料的压缩率决定。5.2.1螺杆挤出机③均化段（计量段）将熔融的物料，定容（定量）定压地送入机头使其在口模中成型。螺槽容积恒定不变。为避免物料因滞留在螺杆头端面死角处引起分解，螺杆头部常设计成锥形或半圆形。有些螺杆的均化段是一表面完全平滑的杆体，称为“鱼雷头”，但也有刻上凹槽或铣刻成花纹的。5.2.1螺杆挤出机5.2.1螺杆挤出机鱼雷头具有搅拌和节制物料、消除流动脉冲现象的作用，并能增大物料的压力，降低料层厚度，改善加热状况，且能进一步提高螺杆塑化效率。5.2.1螺杆挤出机5.机头和口模机头的作用是将处于旋转运动的塑料熔体转变为平行直线运动，使塑料进一步塑化均匀，并将熔体均匀而平稳地导入口模，赋予必要的成型压力，使塑料易于成型和取得制品密实。口模为具有一定截面形状的通道，塑料熔体在口模中流动时取得所需形状，并被口模外的定型装置和冷却系统冷却硬化而成型。5.2.1螺杆挤出机机头与口模的组成部件包括过滤网、多孔板、分流器、模芯、口模和机颈等部件。（1）圆孔口模挤出塑料圆棒、单丝和造粒。具有圆形出口的横截面。典型的一维流动，同心圆上的轴向流速是相同。（2）扁平口模挤出法生产平膜和片材。5.2.1螺杆挤出机出口具有狭缝形的横截面。具有分配腔直管式口模：聚烯烃、聚酯鱼尾形口模：无死角，熔体粘度高，热稳定性差衣架式口模：停留时间一致，硬PVC5.2.1螺杆挤出机（3）环形口模挤出管子、管状薄膜、吹塑用型坯、涂布电线。出口具有环形截面。由口模套和芯模组成，有支架式直角式螺旋芯模式储料缸式5.2.1螺杆挤出机（4）异形口模异型制品（型材）：从任一口模（异形口模）挤出而得到具有不规则截面的半成品。有中空和开放式两大类。5.2.1螺杆挤出机二、双螺杆挤出机指在一根两相连孔道组成∞截面的料筒内由两根相互啮合或相切的螺杆组成的挤出装置。5.2.1螺杆挤出机双螺杆结构设计的差别：（1）啮合还是非啮合；（2）对啮合螺杆：同向转动还是反向转动；（3）螺杆是圆柱形还是锥形；（4）压缩比的实现是靠：螺纹高度或导程；根径由小变大或外径由大变小；螺纹头数变化。（5）螺杆是整体的还是组合的。5.2.1螺杆挤出机螺杆类型：（1）Colombo螺杆：螺杆分为三段，每一段有一混合室。加料段的外径和螺距最大；压缩段次之；均化段为最小。同一段中，螺杆是等径等距的。5.2.1螺杆挤出机（2）锥形双螺杆向外反向转动。从加料段到计量段，螺杆的外径和根径均匀地由大到小变化。螺杆各部分的长度、螺纹头数、螺槽数、螺棱宽度、螺棱形状等均有变化。5.2.1螺杆挤出机（3）组合型双螺杆由不同数目的具有不同功能的螺杆元件按一定要求和顺序装到带导键或三角形芯轴上组合而成的。可以连续输送、塑化、均化、加压、排气。5.2.1螺杆挤出机（4）非啮合型双螺杆类似两根平行单螺杆在料筒中转动，但两根螺杆反向转动并相切。分为单阶和双阶两种形式。5.2.1螺杆挤出机5.2.1螺杆挤出机三、挤出机的辅助设备1.原料输送、干燥等预处理设备；2.定型和冷却设备，如定型装置、水冷却装置、空气冷却装置；3.用于连续地、平稳地将制品接出的可调速牵引装置；4.成品切断和辊卷装置；5.控制设备等。5.2.1螺杆挤出机四、挤出机的一般操作方法1.开车前准备的工作；2.机器运行开始的工作；3.停车时的工作；4.清理设备。注意：电、热、机械转动、笨重部件装卸等。5.3单螺杆挤出原理5.3.1固体输送以固体对固体的摩擦力静平衡为基础。假设：（1）物料与螺槽和料筒内壁所有边紧密接触，形成固体塞或固体床，并以恒定的速率移动；（2）略去螺棱与料筒的间隙，物料重力和密度变化等的影响；5.3.1固体输送（3）螺槽深度是恒定的，压力只是螺槽长度的函数，摩擦系数与压力无关；（4）螺槽中固体物料像弹性固体塞一样移动，受周围的螺杆和料筒表面之间的摩擦力控制，只有物料与螺杆之间的摩擦力小于物料与料筒之间的摩擦力时物料才能沿轴向前进，否则物料将与螺杆一起转动。5.3.1固体输送P：螺槽中体系的压力；Ab、As：固体塞与料筒和螺杆间的压力；fb、fs：摩擦系数；Fb、Fs：摩擦力。5.3.1固体输送固体输送率Qs：dRieRVQsbsRRapL)sin2(Rs、Rb：螺槽底部和顶部半径；e:螺棱宽度；a：平均螺旋角；i:螺纹头数。5.3.1固体输送bpLVbpLVtanbpLVsinbpLbpLVVVtantanbV5.3.1固体输送则：bbfbfbsHDNHDQtantan)tan)(tan(2N：螺杆转数；b：料筒表面处的螺旋角；Db：螺杆外径；Hf：螺槽深度。5.3.1固体输送可见：固体输送率与螺杆的几何尺寸和移动角有关。通常在0≤≤90゜范围，＝0时，Qs为零，－90゜时，Qs为最大。5.3.1固体输送因此，为了增大输送量，可以采取以下措施：（1）螺杆直径不变时，增大螺槽宽度（2）减小聚合物与螺杆的摩擦系数fs（3）增大聚合物与料筒的摩擦系数fb，如：料筒内开设纵向沟槽；锥形开槽料筒（4）减小螺旋角b，使为最大bbtantantantan（5）从工艺角度上考虑送料段料筒和螺杆的温度5.3.2固体熔化塑料在挤出机中的塑化过程是很复杂的。1.冷却实验和熔化机理本色塑料着色塑料（3～5％）加热挤出稳态停车迅速冷却塑料凝固剥下塑料进行分析5.3.2固体熔化由实验观察到在一个螺槽中固体物料的熔化过程：与料筒表面接触的固体粒子，由于料筒的传导热和摩擦热的作用，首先熔化，并形成一层薄膜，称为熔膜。这些不断熔融的物料，在螺杆与料筒的相对运动下，不断向螺纹推进面汇集，从而形成漩涡状的流动区，称为溶池。5.3.2固体熔化在溶池的前边充满着受热软化和半熔融后粘结在一起的固体粒子和尚未完全熔结和温度较低的固体粒子，统称为固体床。沿螺槽前移的过程中，固体床宽度逐渐减小，直至全部消失。从熔化开始到固体床的宽度下降到零的总长度，称为熔化区的长度。一般的，熔化速率越高，熔化长度越短。5.3.2固体熔化综上可知：塑料的整个熔化过程是在螺杆熔融区进行的，塑料的整个熔化过程直接反映了固相宽度沿螺槽方向变化的规律，这种变化规律，决定于螺杆参数、操作条件和塑料的物性等。5.3.3熔体输送一、简化的流动方程1.熔体在均化段输送中的流动形式（1）正流沿着5.4单螺杆结构设计的改进一、排气式螺杆可连续从聚合物中抽出挥发物、单体、低聚物、缩聚反应物、配料时的挥发组分、水分。在料筒上设置一个或多个排气孔。二、屏障型螺杆在压缩段的螺纹旁再加一道辅助螺纹，将主螺纹的前缘分为熔体槽，后缘分为固体槽，实现熔体与固体的分离。5.4单螺杆结构设计的改进Mailefer螺杆5.4