高分子合成材料成型加工 第四章

1第四章挤出成型NORTHEASTPETROLEUMUNIVERSITYChapter4ExtrusionMoldingShuJingCopyright20112第四章挤出成型内容简介概述单螺杆挤出机的基本结构挤出成型原理双螺杆挤出机挤出成型工艺与过程典型制品的挤出成型挤出成型的新进展3第四章挤出成型•挤出成型又叫挤塑、挤压、挤出模塑，是高分子材料的熔体在挤出机的螺杆或柱塞的挤压作用下，使塑化均匀的塑料强行通过具有一定形状的口模而连续成型，所得的制品为具有恒定截面的连续型材。4.1概述44.1挤出成型—概述•高分子材料加工领域中一个变化众多，用途最广，比重最大的成型工艺，几乎能成型所有热塑性塑料和某些热固性塑料。挤出制品占塑料制品的60％以上。•对挤出机配备不同的机头和辅机，可生产各种管材、板材、薄膜、丝、异型材、线缆包复物及其型材。•还可用于塑化造粒、着色和共混等；也可同其他方法混合成型；可作压延成型的供料。•三大合成材料的挤出，没有本质上的区别，所用设备加工原理大同小异。54.1挤出成型—概述•连续成型，产量大，适于大批量生产;•容易实现机械化、自动化，生产效率高;•制品外形简单，是断面形状不变的连续型材;•制品质量均匀密实，各向异性小，尺寸准确性较好，质量稳定;•设备简单，投资少，见效快，成本低；•应用范围广。工艺特点6•按塑化方式：干法和湿法挤出工艺分类4.1挤出成型—概述（1）干法：依靠加热将塑料变成熔体。塑化、加压可在同一设备中进行，制品定型处理简单。（2）湿法：依靠溶剂将塑料充分软化或溶胀，变成溶液，然后再进入挤出机加压成型。可避免塑料受热降解，塑化比较均匀；但定型处理较复杂，必须考虑溶剂的脱出和回收。干法比湿法优越，挤出成型基本都采用干法挤出，湿法仅用于硝酸纤维素和少量醋酸纤维素塑料等的成型。7（1）连续法采用螺杆式挤出机，借助螺杆旋转产生的压力和剪切力，使物料充分塑化和混合均匀，并将物料推向型腔（口模）而成型。螺杆物料的塑化、混合、加压、成型是同时进行的。可提高挤出制品的质量和产量，适用于绝大多数热塑性塑料。（2）间歇法采用柱塞式挤出机，由柱塞做往复运动，对物料间歇施压，将通过粒筒加热塑化的物料挤出口模而成型。物料的塑化程度和均匀性不如螺杆式挤出机，因此应用范围受限制。适用于PTFE，超高分子量PE等。挤出工艺分类•按加压方式：连续法和间歇法4.1挤出成型—概述84.1挤出成型—概述物料(粒料或粉料)→加入挤出机→物料被加热并向前输送→物料变成熔体被挤出→熔体进入机头口模成型→定型→冷却→牵引→切割(卷取）挤出成型的一般过程9挤出设备4.1挤出成型—概述挤出设备主机（挤出机）辅机定型装置冷却装置牵引装置切割装置卷取或堆放装置10挤出机螺杆挤出机柱塞挤出机单螺杆双螺杆多螺杆（连续成型，最多）（间歇成型，一般不用）（最常用，最通用）（行星螺杆挤出机）4.1挤出成型—概述11挤出设备4.1挤出成型—概述挤出机的规格型号，常用代号来表示。•SJ-30×25BSJ：表示挤出机；30：表示螺杆直径；25：表示螺杆长径比；B：表示机器结构或参数改进后标志。•SJW-250×10螺杆直径250mm，长径比为10的塑料挤出喂料机。•SJZ-90×20表示螺杆直径90mm，长径比为20的塑料挤出造粒机。12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。4.2单螺杆挤出机基本结构及作用第四章挤出成型134.2挤出成型—单螺杆挤出机基本结构及作用单螺杆挤出机传动系统挤出系统加热和冷却系统控制系统附属装置加料装置料筒螺杆机头和口模144.2挤出成型—单螺杆挤出机基本结构及作用15（一）传动部分•作用：带动螺杆转动，给螺杆提供扭矩，调节螺杆转速。•构成：主要包括电动机、减速器和轴承等部件。•衡量指标：（1）挤出单位重量物料所消耗的功率（kW/kg）反映结构设计的合理性，材质性能的好坏，值越小越好。（2）单位时间的挤出量（kg/h）反映挤出机的综合性能。4.2挤出成型—单螺杆挤出机基本结构及作用16（一）传动部分•要求（1）要提供稳定的转速；（2）不随螺杆负荷变化，能够无级变速，保证制品均一，以适合挤出不同品种的塑料和不同牌号的树脂。螺杆转速一般为10～100r/min。实现方法：（a）直流电机或整流子电动机；（b）常速电动机驱动的机械摩擦传动；（c）电动机驱动油泵，将油送到液压马达。4.2挤出成型—单螺杆挤出机基本结构及作用17（二）加料装置主要指料斗。供料一般采用粒料、粉料和带状料等。装料设备通常使用锥形加料斗，其容量1h的用料。料斗底部有截断装置，以便调整和切断料流。侧面有视镜和标定计量的装置。有些加料斗常有减压或加热装置，以便防止物料从空气中吸收水分。有些料斗有搅拌器，并能自动上料与加料。底部有冷却装置，防止搭桥。4.2挤出成型—单螺杆挤出机基本结构及作用18（三）料筒挤出机的主要部件之一，金属圆筒。4.2挤出成型—单螺杆挤出机基本结构及作用19•作用输送物料，对物料进行加热、加压和塑化。•要求（1）耐热、耐压、强度高、坚固耐磨、耐腐蚀、足够厚度、内壁光滑、有时也刻有沟槽。通常由钢制外壳和合金钢内衬共同组成。（2）长度是直径的15~30倍，以保证物料充分加热和塑化均匀。（三）料筒4.2挤出成型—单螺杆挤出机基本结构及作用20•外部装置（1）分区加热装置采用电阻丝加热，也可电感应加热，蒸汽或油加热。（2）冷却装置空冷或水冷，作用是防止进料口处的物料过热发粘，出现搭桥现象，使物料供料不足；另外在紧急停车时，避免物料过热降解。（3）温度显示和控制装置一般是电磁震荡控制。（三）料筒4.2挤出成型—单螺杆挤出机基本结构及作用21（四）螺杆•挤出机的最主要部件，直接关系到挤出机的应用范围及生产率。•通过螺杆的转动对塑料产生挤压作用，塑料在料筒中产生移动、增压、摩擦取得部分热量，使塑料在移动过程中得到混合和塑化，粘流态的熔体被压实而流经口模时，取得所需形状而成型。•要求用高强度、耐热、耐腐蚀的合金钢制成。4.2挤出成型—单螺杆挤出机基本结构及作用22•螺杆的作用（1）对物料进行输送和加压螺杆转动时，物料在旋转的同时受到轴向压力，向机头方向流动（2）混合、塑化、加热螺杆与料筒配合使物料接触传热面不断更新，在料筒的外加热和螺杆摩擦作用下，物料逐渐软化，熔融为粘流态。螺杆与料筒和机头相配合产生强大剪切作用，使物料进一步均匀混合。（3）定量挤出塑化混合均匀的物料定量定压由机头挤出。（四）螺杆4.2挤出成型—单螺杆挤出机基本结构及作用23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。螺杆渐变型螺杆突变型螺杆（螺槽容积逐渐变小）（螺槽容积突然变小）等距不等深螺杆等深不等距螺杆鱼雷头螺杆（四）螺杆4.2挤出成型—单螺杆挤出机基本结构及作用24（四）螺杆4.2挤出成型—单螺杆挤出机基本结构及作用①渐变型：无定型、热敏性塑料加工、也可用结晶型。②突变型：熔点突变、粘度低的塑料。如PA、PE、PP，不适于PVC等热敏性塑料。25基本参数：直径（D）、长径比（L/D）、压缩比、螺距（t）、螺槽深度（h）、螺旋角（φ）、螺杆与料筒的间隙（δ）等。（四）螺杆4.2挤出成型—单螺杆挤出机基本结构及作用26基本参数•不仅是螺杆的主要参数，也是挤出机的规格参数。•一般45~150mm，也有30~150mm，科研用到15~150mm。•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。•一般根据加工制品的形状、大小及需要的生产率来决定。用大规格机器生产小型制品很不经济的，且会由于机头压力过高造成机器损坏；用小直径螺杆挤出机生产大型制品也是很困难的。生产机器与制品应当匹配。（1）螺杆直径（D）（四）螺杆4.2挤出成型—单螺杆挤出机基本结构及作用27螺杆直径(mm)硬管直径(mm)吹模直径(mm)挤板宽度(mm)Φ303~3050~300Φ4510~45100~500400~800Φ6520~65400~900700~1200Φ9030~120700~12001000~1400Φ12050~180~20001200~2500Φ15080~300~3000Φ200120~400~4000螺杆直径与加工制品的范围（1）螺杆直径（D）（四）螺杆4.2挤出成型—单螺杆挤出机基本结构及作用28（2）长径比（L/D）•螺杆工作部分有效长度与直径之比。•通常为18~25，一般以20居多。•转速一定下，L/D大，能改善物料温度分布，物料在螺杆中运动时间长，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；且螺杆适应性强，能用于多种塑料的挤出。（四）螺杆4.2挤出成型—单螺杆挤出机基本结构及作用29•L/D过大，加工时间长，塑料受热时间长而降解；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，螺杆寿命减少。•过短的螺杆，容易引起混炼的塑化不良。•对于加工不同制品，L/D选择也不同。粉料造粒，L/D大些；废料造粒，L/D小些；吹模成型，L/D大些。（2）长径比（L/D）（四）螺杆4.2挤出成型—单螺杆挤出机基本结构及作用304.2挤出成型—单螺杆挤出机基本结构及作用（四）螺杆（3）螺旋角Φ•螺纹与螺杆横断面的夹角，一般为Φ=10~30°。•越大，挤出机的挤出能力越大，生产能力提高，但剪切作用和挤压力减小，对塑料的塑化性能降低。•螺距t=D，Φ=1741时，螺杆一般是等螺距的，但也有不等螺距的。•螺旋方向一般为右旋。31（4）压缩比•指螺杆加料段第一个螺槽的容积与均化段最后一个螺槽的容积之比，表示塑料通过螺杆的全过程被压缩的程度。•作用是压实物料，排除物料中的气体，产生必要的挤出压力，保证熔体在螺杆出口处有足够的致密。压缩比愈大，塑料受到挤压的作用也就愈大。•压缩比随物料的不同而不同，一般ε=2～5之间。（四）螺杆4.2挤出成型—单螺杆挤出机基本结构及作用32（4）压缩比PVC（粒料）2.5PVC（粉料）3~4软PVC（粒料）3~4软PVC（粉料）3~5PE3~4PP2.5~4PS2~4ABS1.6~2.5PA-63.5PA-101~3常用塑料的压缩比•获得压缩比的方法：(a)改变螺槽深度；(b)改变螺距；(c)同时改变螺槽深度与螺距。（四）螺杆4.2挤出成型—单螺杆挤出机基本结构及作用33（5）螺槽深度h•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。•热敏性塑料(如PVC)宜用深槽螺杆。•熔体粘度低和热稳定性较高的塑料(如PA等)宜用浅槽螺杆。（四）螺杆4.2挤出成型—单螺杆挤出机基本结构及作用34（6）螺杆与料筒的间隙δ•δ大，生产效率低，且不利于热传导并降低剪切速率，不利于物料的熔融和混合。•δ过小，强烈的剪切作用易引起物料热力学降解。•一般δ＝0.1~0.6mm为宜（四）螺杆4.2挤出成型—单螺杆挤出机基本结构及作用35螺杆的分段物料沿螺杆前移时，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，将螺杆分为三段：（1）加（送）料段；（2）压缩段（迁移段）；（3）均化段（计量段）。（四）螺杆4.2挤出成型—单螺杆挤出机基本结构及作用36（1）加（送）料段•靠近料斗附近•作用：使塑料受热前移，将料斗供给的物料送往压缩段。•物料特征：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。•长度随塑料种类不同，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（等距等深）。•送料能力受螺旋角Φ影响较大。粉料：30°，方状料：15°，圆球料：17°。（四）螺杆4.2挤出成型—单螺杆挤出机基本结构及作用37•螺杆中部一段，也称迁移段、过渡段。•作用：（a）加热熔化物料，使物料由固体转为熔融体；（b）加压，压实物料；（c）排除物