挤出成型

第六章挤出成型挤出成型是高分子材料加工领域中变化最多，生产率高、适应性强、用途广泛、所占比重最大的成型加工方法。挤出成型又称挤出模塑，是塑料重要的成型方法之一，绝大多数热塑性塑料均可用此法成型。这种成型方法的特点是具有很高的生产率且能生产连续的型材，如管、棒、板、薄膜、丝、电线、电缆以及各种型材，还可用来混合、塑化、造粒和着色等。挤出设备有螺杆挤出机和柱塞式挤出机机，前者为连续式，后者为柱塞式，螺杆挤出机又分为单螺杆挤出机和多螺杆挤出机，单螺杆挤出机是最基本的和最重要的。第一节单螺杆挤出机基本结构及作用第二节挤出成型原理第三节反应性挤出第四节橡胶的挤出第五节合成纤维的螺杆挤出熔融纺丝挤出成型定义：在挤压作用下物料受热熔化，强行通过口模，截面恒定，连续型材。适用：所有的热塑性塑料，部分热固性塑料，可生产管、薄膜、线缆包复物及其型材占热塑性塑料制品：40~50%挤出机可用于混合、造粒和着色、共混第六章挤出成型挤出工艺分类1.按塑化方式分为：干法和湿法a.干法：依靠加热将塑料变成熔体优点：塑化、加压，可在同一设备中进行，制品定型处理简单。b.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。优点：可避免塑料受热降解，塑化比较均匀。缺点：定型处理较复杂，因为必须考虑溶剂的脱出和回收。由于干法比湿法优越，故挤出成型采用干法挤出工艺，而湿法仅用于硝酸纤维素和少量醋酸纤维素塑料等的成型。第六章挤出成型挤出成型单螺杆挤出机的基本结构挤出成型原理挤出成型工艺与过程挤出产品：薄膜（包装膜、农膜）挤出产品：管材挤出产品：片材产品，其他产品波纹管气垫片板片材挤出机挤出成型过程分两个阶段进行。第一阶段将物料加热塑化，使呈粘流状态并在加压下通过一定形状的口模而成为截面与口模形状相仿的连续体；第二阶段将这种连续体用适当的方法冷却、定型为所需产品。第一节单螺杆挤出机基本结构及作用单螺杆挤出机由传动系统、挤出系统、加热和冷却系统、控制系统等组成。图6-1.P118传动部分：通常由电动机、减速箱和轴承等组成。要求螺杆转速稳定，螺杆转速范围一般为10-100转/分钟，而电机转速在1000转/分，故要配备减速箱。单螺杆挤出机单螺杆挤出机1、加料系统加料系统是由加料斗和上料装置所组成的。加料斗的形式有圆锥形、圆柱形-圆锥形、矩形等。料斗侧面开有视镜孔以观察料位，料斗的底部有开合门以停止和调节加料量。料斗的上方可以加盖以防止灰尘、湿气及其他杂物进入。料斗的材料一般采用铝板和不锈钢板。料斗的容量至少应容纳1-1.5h的挤出量。加料口的形状有矩形与圆形两种，一般多采用矩形。在加料与机筒连接处要用冷却装置，以防此处粉体熔融2、料筒料筒作为挤压系统的组成部分，和螺杆共同完成对塑料的固体输送、熔融和定量定压输送作用。料筒的结构形式关系到热量传递的稳定性和均匀性，并影响固体输送率。由于塑料在塑化和挤压过程中温度可达250度，压力达到55MPa，料筒的材质必须具有较高的强度、坚韧和耐腐蚀。料筒通常是由钢制外壳和合金钢内衬共同组成。衬套磨损后可以拆除和更换。衬套和料筒要配合好，以保证整个料筒壁上热传导不受影响，料筒和衬套间不能相对运动，又要保证能方便地拆出。根据挤出过程的理论和实践证明，增加料筒内表面的摩擦系数可提高塑料的输送能力，因此，挤出机料筒的加料段内开设有纵向沟槽和靠近加料口的一段料筒内壁做成锥形。轴向沟槽的数量与料筒直径的大小有关。槽数太多，会导致物料回流使输送量下减。槽的形状有长方形的、三角形的或其他形状的。料筒的冷却料筒冷却方法有风冷和水冷两种。风冷的特点是冷却比较柔和、均匀、干净，但风机占有空间体积大，其冷却效果易受外界气温的影响。与风冷相比，水冷的冷却速度快、体积小、成本低。但易造成急冷，水一般都未经过软化处理，水管易出现结垢和锈蚀现象而降低冷却效果或被堵塞、损坏等。三.螺杆是单螺杆挤出机中主要的部件。1.螺杆的结构螺杆是一根笔直的有罗纹的金属圆棒，见图6-2P120转速一般为10-120r/min。2.螺杆的几何结构参数（1）螺杆直径Ds外径，30-200mm之间，通常为60-150mm。（2）螺杆的长径比L/Ds，L/Ds通常为15-25。L/Ds大，能改善塑料的温度分布，混合更均匀，并可减少挤出时的逆流和漏流，L/Ds小，对混合和塑化不利，L/Ds比一般以25居多。（3）螺杆的压缩比A指加料段的第一个螺槽的容积与均化段最后一个螺槽的容积之比，它表示塑料通过螺杆的全过程被压缩的程度。压缩比在2-5之间。常用塑料的压缩比见表物料压缩比物料压缩比硬PVC（粒）2.5硬PVC（粉）3-4PE3-4PS2-2.5PMMA3PP3.7-4ABS1.8POM4PA63.5PA663.7（4）螺槽深度h影响塑料的塑化及挤出效率，h小时，对塑料可产生较高的剪切速率，有利于传热和塑化，但挤出生产率降低。因此，对热敏性塑料（如PVC）宜用深槽螺杆，而熔体粘度低和热稳定性较高的塑料（如PA等）宜用浅槽螺杆。（5）螺旋角θ螺纹与螺杆截面之间的夹角，随着θ的增大，挤出机的生产效率提高，但螺杆对塑料的挤压剪切作用减少，通常介于10°-30°之间。出于机械加工方便，一般取17.7°。（6）螺纹棱部宽EE太小会使漏流增加，产量降低（7）螺杆与料筒的间隙其大小影响挤出机的生产能力和物料的塑化。图7-3螺杆冷却螺杆冷却的目的是利于物料的输送，同时防止塑料因过热而分解。通入螺杆中的冷却介质为水或空气。在最新型挤出机上，螺杆的冷却长度是可以调整的。根据各种塑料的不同加工要求，依靠调整伸进螺杆的冷却水管的插入长度来提高机器的适应性。要求：螺杆表面光洁，温度要低一些。3.螺杆的作用（1）输送物料（2）传热塑化物料（3）混合均化物料根据物料在螺杆的全场范围各段是不同的。螺杆分为三段A.加料段对料斗送来的塑料进行加热，为固体状态。加料段的长短随塑料的品种而异，结晶型的塑料占全长60-65%，无定型10-15%加料段对塑料无压缩作用，为等深等距。B.压缩段相迁移段，挤压和剪切，螺槽容积逐渐减少。等深不等距：螺杆加工困难。等距不等深最多一种。长短与加料段相反。P222图7-4C.均化段计量段将塑化的物料在螺槽和机头的回压作用下，进一步搅拌塑化均匀。为等深等距渐变型、突变性。4.螺杆的形式见P222-223图7-57-6双螺杆销钉冷喂料螺杆螺杆头部四.机头和口模机头是口模和料筒的连接部分，口模是制品的成型部件，通常总称为机头。机头和口模的组成部件有过滤网、多孔板、分流器、模芯等部件。作用为：1.使粘流态物料从螺旋运动变为平行直线运动2.产生回压，使物料进一步均化。3.产生必要的成型压力P122，图6-5B.机头与口模：滤网、多孔板、分流器、模芯、口模和机颈等。★作用：机头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，并导入口模。口模给予塑料熔体所需的形状。★组成：二、辅助设备挤出机辅助设备大致可分为以下三类：1、挤压前物料处理的设备(如预热、干燥等)一般用于吸湿性塑料。干燥设备有烘箱或沸腾干燥器等。有的干燥设备直接设置在加料斗上。2、挤出物的处理设备如用作冷却、牵引、卷取、切断和检验设备。3、控制生产条件的设备指各种控制仪表，如温度控制器、电动机启动装置、电流表、螺杆转数表和测定机头压力的装置等。以上三类设备不仅随制品的种类。对制品质量的要求及自动化程度不同而异，而且每一类设备又有许多的形式。6.1.2挤出成型原理（1）固体输送（主要发生在加料段）*依靠力：压力流动拖曳流动*W.H.Darnell等认为，料筒与螺杆间的固体离子连续整齐地排列着，并塞满了螺槽，形成“弹性固体”。受力情况：Fs—螺杆对固体塞的摩擦力，推力；Fb—料筒对固体塞的摩擦力，阻力。Fbz—Fb在Z轴方向上的分力。流动的基本条件：FbzFsQ=V·vaQ—单位时间内固体物料的流动体积；va—物料前进速度；V—螺槽截面积。当Fbz=Fs=0时，物料不发生任何移动；FbzFs，螺杆带动物料转动而不移动。其中：N—螺杆转数，Φ—展开后的螺线角，Φ+θ=90o，l—螺杆转动一周物料移动距离的轴向投影。22)2(4hDDVctgctgDNNlva，故，tgtgtgNtghDDhQ)(2∴，故N↑，D↑，h↑，Q↑第二节挤出成型原理一.挤出理论1.固体输送理论固体输送理论是以固体对固体的静摩擦静力为基础建立起来的，物料向前推移过程中，由于物料与螺杆、物料与机筒之间的摩擦以及粒料相互之间的碰撞和摩擦，同时挤出机由背压等影响，物料不可能呈现像自由质点那样的螺旋运动。在机筒和螺杆之间的这些由于受热而粘连在一起的固体粒子，是一个一个地连续地整齐地排列着、并塞满了螺槽，形成所谓“固体塞”即弹性固体。物料受螺杆旋转时的推挤作用向前移动可以分解为旋转运动和轴向水平运动，旋转运动是由于物料和螺杆之间的摩擦力作用被转动的螺杆带着运动，轴向水平运动是由于螺杆旋转时螺杆斜棱对物料的推力产生的轴向分力使物料沿螺杆的轴向移动，旋转运动和轴向运动的同时作用的结果，使物料向机头方向前进。固体塞的移动是旋转运动还是轴向水平运动优势，主要取决于螺杆表面和料筒表面与物料之间的摩擦力的大小，只有物料与螺杆之间的摩擦力小于物料与机筒之间的摩擦力时，物料才能沿轴向移动；否则，物料将与螺杆一齐转动。为了提高固体输送效率，应降低物料与螺杆之间的摩擦系数，提高物料与机筒之间的摩擦系数。方法：螺杆应光滑，通冷却水；机筒开沟槽。加料段的固体送料量Q与螺杆几何尺寸的关系：2.压缩段熔融理论Z.Tadom从1959年提出：见图6-11，126，与机同表面接触的固体粒子由于受机筒的传热和摩擦的作用表面先熔化，并形成一层薄膜，随熔化薄膜厚度的增加，最后被螺纹刮下形成熔池，在固相和液相的界面成为相迁移面。固体层越来越薄，进入均化段。从熔化开始到熔化完全称熔化长度。它反映固体的熔化速度。tantantantan)(2NhDDhQ（2）熔化过程①整个熔化过程：②一个螺槽中固体物料的熔化过程：固体物料充满螺槽→→→→形成熔膜→→→→→→→→→→→→螺纹刮下熔体进入熔池→→因熔池中的熔体挤压而使固体床形变，径向加厚，固体进入熔膜以补充熔体流入熔池→→不断往复逐渐熔化。（δ—螺杆与料筒间隙）热传导当熔膜厚度δ3.熔体输送理论对应均化段粘流态物料，物料在螺槽中的流动看成四种类型的流动所组成。A.正流是物料沿螺槽方向向机头的流动，均化段熔体的主流。B.逆流沿螺槽与正流方向相反的流动，它是由机头、过滤网等对物流的阻碍所引起的反压流动，又称压力流动，引起生产能力的损失。正流与逆流的综合称为净流。C.横流物料沿X轴Y轴二方向在螺槽内往复流动，环流。D.漏流物料在螺杆和料筒的间隙沿着螺杆的轴向向料斗方向的流动。（3）均化段—熔体输送：设：Q1—送料速率；Q2—压缩段熔化速率；Q3—均化段挤出速率。当Q1≥Q2≥Q3，均化段为控制区，操作平稳；若Q1Q2Q3，供料不足。★流态：①正流（QD）；②逆流（机头、口模的反压引起的反压流动，QP）；③横流（环流，QT）；④漏流（QL）A.若熔体为牛顿型：Q—挤出及生产率（cm3/sec）；D—螺杆直径（cm）；N—螺杆转速（round/sec）；h—均化段螺槽深度（cm）；ф—旋转角（o）；e—螺纹斜棱宽度（cm）；ΔP—均化段料流压力降（kg/cm2）；δ—螺杆与料筒间隙（cm）；η—塑料熔体粘度（kg·sec/cm2）；L—均化段长度（cm）。Q=QD-（QP+QL）其中，2sincos22hNDQDLPDhQP12sin23eLPtgDQL12322，，*一般QL值不大，实际计算时常略去。若令，，用机头压力P代替ΔP，则有：Q=AN-B(P/η)→螺杆特征曲线。对某一特定螺杆，A、B为常数。B.若熔体为非牛顿型：则式中，K—流动常数，m—常数。2sincos22hDALDhB12sin2