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第五章塑料挤出机5.1概述学习挤出机的工作原理、构成了解挤出机的分类和主要技术参数掌握挤出机的型号规定5.1.1挤出成型的特点挤出成型也称挤压模塑或挤塑，它是在挤出机中通过加热、加压而使物料以流动状态连续通过口模成型的方法。挤出成型发展历史：1845年R.Brooman申请关于挤出成型的以古塔波胶为包覆层的电线的专利。该挤出机是柱塞式的。1879年英国人M.Gray取得第一个采用阿基米德螺线式螺杆挤出机专利。1935年德国机械制造商PaulTroestar生产出用于热塑性塑料的挤出机。1939年他们把塑料挤出机发展到了一个现阶段——现代单螺杆挤出机阶段。挤出成型的特点：①应用范围广。②生产过程连续。③生产效率高。④投资少、收效快。挤出成型的应用：挤出成型法主要用于热塑性塑料的成型，也可用于某些热固性塑料。挤出的制品都是连续的型材，如管、棒、丝、板、薄膜、电线电缆包覆层等。此外，还可用于塑料的混合、塑化造粒、着色、掺合等。挤出成型在聚合物加工中占据了重要位置。完全使用或在工艺中含有挤出过程的塑料制品的生产约占热塑性塑料制品总量的一半。挤出成型制品在农业、建筑业、石油化工、机械制造、医疗器械、汽车、电子、航空航天等领域都有应用。图5-1挤出成型产品5.1.2挤出机的工作原理及组成通常挤出成形过程包括三个阶段：塑化挤出成形冷却定形挤出机工作过程如下：塑料从料斗进入挤出机，在螺杆的转动作用下将其向前输送，塑料在向前移动的过程中，受到料筒的加热、螺杆的剪切和压缩作用使塑料熔融，并实现由玻璃态、高弹态及粘流态的三态变化。在加压的情况下，使处于粘流态的塑料通过具有一定的形状的口模而成为截面与口模形状相仿的连续体。然后冷却定型为玻璃态，得到所需的制件。图5-2挤出成型工作原理挤出机组各部分组成：主机辅机控制系统一、主机①挤出系统：主要由螺杆和料筒组成，是挤出机的关键部分。塑料通过挤出系统而塑化成均匀的熔体，并在这一过程中所建立的压力下，被螺杆连续地定量定压定温地挤出机头。②传动系统：驱动螺杆，使螺杆获得在工作过程中所需要的扭矩和转速，由各种大小齿轮、传动轴、轴承及电动机组成。③加热冷却系统：对料筒(或螺杆)进行加热和冷却，以保证成型过程在工艺要求的温度范围内完成。二、辅机①机头（口模）：它是制件成型的主要部件，熔融塑料通过它获得一定的几何截面和尺寸。②定型装置：它的作用是将从机头中挤出的塑料的既定形状稳定下来，对其进行精整，从而得到更为精确的截面形状、尺寸和光亮的表面。③冷却装置：由定型装置出来的塑料在此得到充分的冷却，获得最终的形状和尺寸。④牵引装置：其作用为均匀地牵引制件，并对制件的截面尺寸进行控制，使挤出过程稳定地进行。⑤切割装置：其作用是将连续挤出的制件切成一定的长度或宽度。⑥卷取装置：其作用是将软制件（薄膜、软管、单丝）卷绕成卷。作用：控制挤出机组的主机、辅机的拖动电动机，驱动液压泵、液压缸（或汽缸）和其他各种执行机构，使其满足工艺所要求的转速和功率，并保证主辅机能协调的运行，检测、控制主辅机的温度、压力、流量和制件的质量，实现整个挤出机组的自动控制。三、控制系统5.1.3挤出机的分类一、按挤出系统结构①螺杆式挤出机根据螺杆数目多少，又可以分为单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、多螺杆挤出机。根据螺杆在挤出机中的空间位置，又可以分为卧式挤出机和立式挤出机。②柱塞式挤出机二、按挤出机的装配结构①分开式挤出机②整体式挤出机——结构紧凑，需机械加工的零件数目少，占地面积小，是普遍通用的结构类型。三、按挤出机加工中是否排气①非排气式挤出机②排气式挤出机——可排出物料中的水分、溶剂、不凝气体等。图5-3单螺杆挤出机图5-4卧式单螺杆挤出机结构图1、机头连接法兰2、过滤板3、冷却水管4、加热器5、螺杆6、料筒7、液压泵8、测速电动机9、推力轴承10、料斗11、减速箱12、螺杆冷却装置图5-5锥形双螺杆塑料挤出机图5-6双螺杆挤出机1、机头连接器2、分流板3、料筒4、加热器5、螺杆6、加料器7、料斗8、加料器传动机构9、推力轴承10、减速器11、电动机图5-7聚合物动态三螺杆挤出机图5-8三螺杆挤出机结构——“一”字排列的不等径不等长三螺杆图5-9三螺杆挤出机结构——三角形排列的三螺杆图5-11立式挤出机结构1、料斗2、螺杆3、料筒4、机头5、传动装置6、机座图5-10立式挤出机图5-12胶管管材柱塞挤出机图5-13柱塞式挤出机1、压缩空气2、加料螺杆3、搅拌器4、液压缸5、柱塞杆6、柱塞头7、绝热层8、加热9、加热器支承管10、模管11、制件12、冷却水13、热电偶图5-14单螺杆塑料排气挤出机5.1.4单螺杆挤出机的技术参数与型号一、单螺杆挤出机的技术参数①螺杆直径Ds：指螺杆的外径，单位为mm。②螺杆长径比L/Ds：其中L为螺杆的工作部分长度，Ds为螺杆直径。③螺杆的转速范围：Nmax～Nmin，单位为r/min。④驱动电动机功率：P，单位为kW。⑤料筒加热段数：B。⑥料筒加热功率：Pe，单位为kW。⑦挤出机生产率：Q，单位为kg/h。⑧机器的中心高：H，指螺杆中心线到地面的高度，单位为mm。⑨机器的外形尺寸：长、宽、高，单位为mm。二、塑料挤出机的型号挤出机的型号按类、组、型分类编制，分别用类、组、型别名称中有代表性的汉字拼音字头字母表示。型号由基本型号和辅助型号两部分组成。表示方法如下：图5-15塑料挤出机型号表示方法辅机型号表示方法：编写辅机型号是利用主机型号第四项前加字母“F”，以示从属该主机的辅机。当配备多种辅机时，则采用辅机代号“F”后再加上设备特征字头（用汉语拼音大写字母表示）。图5-16挤出机辅机机组型号示例：（1）SJ-150表示：螺杆直径150mm，长径比为20∶1的塑料挤出机。与SJ-150相配的辅机SJ-FMl700，表示上吹法，牵引辊筒工作长度为1700mm的塑料吹塑薄膜辅机，其中FM为辅机代号。型号示例：（2）SJF-65×30S——塑料（类别）J——挤出机（组别）F——发泡(品种)65×30——螺杆直径65(mm),长径比30：1（规格参数）5.2挤出机的结构学习挤出机的关键零部件：螺杆、料筒、加料装置、加热和冷却系统等的结构特点掌握挤出机各种变形结构的用途5.2.1螺杆螺杆是挤出机的心脏，是挤出机的关键部件，螺杆的性能好坏，决定了一台挤出机的生产率、塑化质量、填加物的分散性、熔体温度、动力消耗等。图5-17螺杆一、螺杆的分段1、塑料及塑料三态塑料有热固性和热塑性二大类，热固性塑料成型固化后，不能再加热熔融成型。而热塑性塑料成型后的制品可再加热熔融成型其它制品。热塑性塑料随着温度的改变，产生玻璃态、高弹态和粘流态三态变化，随温度重复变动，三态产生重复变化。♪三态中聚合物熔体不同的特征：玻璃态——塑料呈现为刚硬固体；热运动能小，分子间力大，形变主要由键角变形所贡献；除去外力后形变瞬时恢复，属于普弹形变。高弹态——塑料呈现为类橡胶物质；形变由链段取向引起大分子构象舒展作出的贡献，形变值大；除去外力后形变可恢复但有时间依赖性，属于高弹形变。粘流态——塑料呈现为高粘性熔体；热能进一步激化了链状分子的相对滑移运动；形变不可逆，属于塑性形变。♪塑料加工与塑料三态：塑料玻璃态时可切削加工。高弹态时可拉伸加工，如拉丝纺织、挤管、吹塑和热成型等。粘流态时可涂复、滚塑和注塑等加工。当温度高于粘流态时，塑料就会产生热分解，当温度低于玻璃态时塑料就会产生脆化。当塑料温度高于粘流态或低于玻璃态趋向时，均使热塑性塑料趋向严重的恶化和破坏，所以在加工或使用塑料制品时要避开这二种温度区域。2、三段式螺杆塑料在挤出机中存在三种物理状态——玻璃态、高弹态和粘流态的变化过程，每一状态对螺杆结构要求不同。为适应不同状态的要求，通常将挤出机的螺杆分成三段：加料段L1(又称固体输送段)熔融段L2(称压缩段)均化段L3(称计量段)这就是通常所说的三段式螺杆。塑料在这三段中的挤出过程是不同的。图5-18普通三段式螺杆加料段熔融段均化段（1）加料段加料段由加料区和固体输送区所组成。塑料由料斗进入料筒后。随着螺杆的旋转运动及料筒内壁和螺杆表面的摩擦作用，将充满螺槽的松散固体或粉末粒子向前输送并压实。加料段螺杆的主要参数：①螺旋升角ψ一般取17°～20°。②螺槽深度H1，是在确定均化段螺槽深度后，再由螺杆的几何压缩比ε来计算。③加料段长度L1由经验公式确定：对非结晶型高聚物L1＝(10%～20%)L对于结晶型高聚物L1＝(60%～65%)L（2）熔融段熔融段的作用是压实、熔融物料，使包围在塑料内的空气压回到加料口处排出（或经排气口排出），并改善塑料的热传导性能。当塑料从加料段得到初步的压实，再进入熔融段后，随着塑料继续被推向前进方向，由于螺槽逐渐变浅，以及过滤网、分流板和机头的阻力，在塑料中形成了很高的压力，把塑料压得很密实。同时，在料筒外热和螺杆、料筒对物料的混合、剪切作用所产生的内摩擦热的作用下，塑料的温度不断升高。随着物料的向前输送，熔融的塑料量逐渐增多，而未熔融的物料量逐渐减少，大约在压缩段的结束处，全部塑料熔融而转变为粘流态。熔融段螺杆的主要参数：①压缩比ε：一般指几何压缩比，它是螺杆加料段第一个螺槽容积和均化段最后一个螺槽容积之比。ε=(Ds-H1)H1/(Ds-H3)≈H1/H3式中，H1——H3——均化段最后一个螺槽的深度②熔融段长度L2由经验公式确定：对非结晶型高聚物L2＝55％～65％L对于结晶型高聚物L2＝(1～4)Ds（3）均化段塑料经过熔融段，至末端处转变为粘流态，各点处的温度并不相同。该段的作用是将来自压缩段的已熔物料定量定压定温地挤到机头中去。均化段螺杆的重要参数：①螺槽深度H3由经验公式确定H3＝(0.02～0.06)Ds②长度L3由下式确定L3＝(20%～25%)L根据熔体输送理论，熔体在螺杆均化段的流动有四种形式，熔融物料在螺槽中的流动是这四种流动的组合：正流——塑料熔体在料筒和螺杆间沿着螺槽方向朝机头方向的流动。逆流——流动方向与正流相反，由机头、多孔板、过滤板等阻力引起的压力梯度所造成。横流——熔体沿着垂直于螺纹壁方向的流动，影响挤出过程中熔体的混合和热交换作用。漏流——由于压力梯度在螺杆与料筒间隙处形成的倒流，沿螺杆轴向方向。二、普通螺杆的结构常规全螺纹三段螺杆按其螺纹升程和螺槽深度的变化，可分为三种形式：等距变深螺杆等深变距螺杆变深变距螺杆1、等距变深螺杆等距变深螺杆从螺槽深度变化的快慢可分为两种形式：①等距渐变螺杆：从加料段开始至均化段的最后一个螺槽的深度是逐渐变浅的螺杆。在较长的熔融段上，螺槽深度是逐渐变浅的。②等距突变螺杆：即加料段和均化段的螺槽深度不变，在熔融段处的螺槽深度突然变浅的螺杆。2、等深变距螺杆等深变距螺杆是指螺槽深度不变，螺距从加料段第一个螺槽开始至均化段末端是从宽渐变窄的。等深变距螺杆的特点是由于螺槽等深，在加料口位置上的螺杆截面积较大，有足够的强度，有利于增加转速，从而可提高生产率。但螺杆加工较困难，熔料倒流量较大，均化作用差，较少采用。3、变距变深螺杆变深变距螺杆是指螺槽深度和螺纹升角从加料段开始至均化末端都是逐渐变化的，即螺纹升程从宽逐渐变窄，螺槽深度由深逐渐变浅的螺杆。该螺杆具有前面两种螺杆的特点，但机械加工较困难，目前较少采用。三、螺杆头部结构螺杆头部的形状和几何尺寸，决定了物料能否平衡的从螺杆进入机头，能否避免滞流，以免局部物料受热时间过长而产生热分解现象等。不同形状的螺杆头，在挤塑过程中，塑料从螺杆进入机头时的流动方式也不同。图5-19常见的螺杆头部结构四、螺杆材料螺杆是挤出机的关键部件，作为螺杆的材料必须具备耐高温、耐磨损、耐腐蚀、高强度等特性，同时还应具有切削性能好、热处理后残余应力小、热变形小等特点。对于挤出机螺杆的材料，具体有如下几点要求：①力学性能高。要有足够的强度，以适应高温、高压的工作条件，提高螺杆的使用寿命。②机械加工性能好。要有较好的切削加工性能和热处理性能。③耐腐蚀和抗磨性能好。④取材容易。我国常用的螺杆材料有4