第三章--挤出成型(新)

第三章挤出成型主要内容3.1概述3.2单螺杆挤出理论3.3螺杆挤出机的结构及选用方法3.4挤出成型过程3.5几种制品的挤出成型3.6挤出成型的发展3.1概述1.挤出成型(ExtrusionMolding)是指用机械运动施加力迫使高分子材料流体通过成型装置(机头、口模)，定型为具有恒定截面的连续型材的一种成型方法。加料输送压缩塑化定型加料：粉料、粒料，聚合物分散体等性状的挤出用物料，通过加料斗，依靠自重或强制加料器作用，进入料筒与螺杆的螺槽或柱塞构成的空间，在螺棱或柱塞的推动下向前挤出。输送：施力部件强制推进物料的作用。压缩：因施力部件强制推挤物料、流道的横断面积逐渐减小及机头处阻力元件增压作用，挤出机对物料产生的压实作用。塑化：将固体高分子材料转变为组成均匀、温度均匀、无可挥发性气体和空气的，具有良好的可塑性的流体的过程。湿法挤出成型干法挤出成型定型：高分子材料熔体通过具有一定截面形状的机头(口模)，冷却固化的过程。固体输送固体熔融熔体混合熔体泵送口模成型制品定型制品冷却制品切割第一阶段第二阶段3.1概述2.工艺特点：挤出成型生产工艺分干法和湿法；挤出过程分连续和间歇式挤出；挤出成型工艺控制参数除与挤出温度、压力、速率有关外，挤出机结构参数、冷却、牵引等控制因素都会影响制品的质量；挤出机因机头及辅机不同，可生产多种产品；挤出成型工艺按用途可分为：挤出制品成型和成型用原料配制。3、挤出成型加工历史3.1概述1845,R.A.Brooman柱塞式挤出机第一个工业挤出过程采用柱塞挤压材料，18世纪90年代英国的J.Bramah用这种方法生产铅管。挤出机是一种泵，在泵的功能基础上能够用于其他多种工艺过程。PVC管生产线板材生产线薄膜生产线a.挤出过程：将固体颗粒或粉末加入挤出机的料斗，在料简预热，干燥；物料在运动过程中与料筒、螺杆、以及物料与物料之间相互摩擦、剪切，产生大量的热，这时物料由玻璃态→高弹态→粘流态转变；熔融物料被螺杆输入通过具有一定形口模后成型，进入冷却定型装置，再经过牵引，获得最终的制品尺寸。最后根据需要切割成一定长度的制品，再堆放在堆放架上。4.举例：挤出硬管生产线b.方框图聚合物熔融(挤出机)成型(口模)定型(定型装置)冷却（水或风冷装置）牵引(牵引机）切割(切割机)堆放(堆放装置)。c.流程图图2—2挤出硬管生产线1、挤出机2、口模3、定型装置4、冷却水槽5、牵引机6、切割机7、堆放装置5.挤出成型设备及主要技术参数⑴挤出成型设备的组成a.主机：挤压系统（螺杆和机筒）、传动系统（传动马达、变速箱）、加热冷却系统（电加热、水冷、风冷）。b.辅机：机头（口模）、定型、冷却、牵引、切割、堆放或卷取装置。c.控制系统：主要由电器仪表和执行机构组成，其主要作用是：控制主、辅机的驱动电机，使其按操作要求的转速和功率运转，并保证主、辅机协调运行；控制主、辅机的温度、压力、流量和制品的质量；实现整个机组的自动控制。1、料斗即加料装置，向料筒的加料口提供物料。有保温夹套，有定时定量自动加料装置。2、料筒是一个受压，受热的金属圆筒，温度可达150-410°C，压力可达30-50Mpa，要求机筒的材料高强度，耐磨，耐腐蚀，通常由钢制外壳和合金钢内衬共同组成，其外层有加热和冷却系统。料筒的作用：对塑料加热；配合螺杆使塑料塑化。对塑料冷却的目的：防止停车时，因过热造成分解。瓣合式机筒：机筒由两瓣组成，用螺栓联接，便于研究和拆卸。但破坏了机筒加热的均匀性，增加了热损失。3、螺杆是挤出机的最主要部件，其结构对挤出工艺有重要影响，挤出不同高聚物有不同结构形式的螺杆。螺杆的结构：螺杆的几何结构参数⑵挤出机的主要技术参数螺杆直径D（20~350mm）长径比L/D（18~30）转速n（10~250r/min）电机功率（5.5~100kW）挤出能力Q（1.5~2200kg/h）等。挤出机的大小（3）螺杆的几何结构参数螺杆直径D：指外径，代表挤出机的规格。随直径增大，生产能力提高。螺杆长径比L/D：螺杆的有效长度与螺杆直径之比。L/D大，温度分布好，混合均匀。影响挤出机的产量和挤出质量（衡量塑化效率）。L/D愈大，塑料的停留时间愈长，混合塑化效果愈好，但加工的难度增大。螺杆压缩比A：指加料段第一螺槽的容积与均化段最后一个螺槽容积之比。一般为2~5。A＝螺杆第一螺槽的容积/螺杆最后螺槽的容积A的获得：等距变深，等深变距，变深变距。螺槽深度H：H小，产生的剪切速率大，塑化效果好，但生产率低。螺槽深度与物料的稳定性有关，对剪切比较敏感的塑料如PE,PA适合选择较浅的螺槽，对剪切速率不太敏感的塑料如PVC,PC等，应选择较深螺槽。H＝KDK＝0.02～0.06，H为均化段的螺槽深度。n螺旋角θ：θ是螺纹与螺杆横截面之间的夹角，通常在100~300之间。随着θ增大，生产能力提高，挤压剪切作用减少。θ增大，出料快，生产率提高，但停留时间短，塑化效果下降。n螺纹棱宽度E：E大动力消耗大，E小漏流增加。一般E=0.08~0.12D.n螺杆与料筒的间隙δ：δ值大生产效率低，δ值过小时，强烈剪切，会引起过热降解，一般δ与螺杆直径之比为0.0005-0.002左右。3、螺杆的作用输送物料螺杆转动时，物料在旋转的同时受到轴向压力，向机头方向流动以挤出成型。传热塑化物料与料筒配合，使物料接触传热面并不断更新，在料筒外加热与螺杆摩擦作用下软化、熔融为粘流态。混合与均化物料与料筒和机头相配合产生强大的剪切作用，使物料混合均匀、塑化完全。螺杆沿长度方向一般分为三段，各段的作用和结构是不同的：（1）加料段L1靠近料斗一侧，在该段对物料主要起传热软化、输送作用，无压缩作用，是固体输送。L1的长度：结晶型塑料：熔点前，难压缩，因此L1较长。无定形塑料：随T升高，形变增大，有压缩，因此L1较短。（2）压缩段L2螺杆的中段。物料在此段继续吸热软化、熔融，直到最后完全塑化，塑料在该段内可以进行较大程度的压缩。压缩段的长度：结晶型塑料：熔点范围很窄，到熔点后，粘度下降比较厉害，因此L2很短即可。无定形塑料：粘流温度范围较宽，所以L2较长。（3）均化段L3靠机头口模一侧。为等距等深的浅槽螺纹，其作用是把压缩段送来的已塑化的物料，在均化段的浅槽和机头回压下搅拌均匀，成为质量均匀的熔体，并且为定量定压挤出成型创造必要条件。（也称计量段）均化段要维持较高的而且稳定的压力，以保持料流稳定，因此应有足够的长度，可为螺杆全长的20～25%。（4）螺杆的形式a.普通螺杆等距变深螺杆等深变距螺杆变深变距螺杆渐变型：适用于无定形塑料突变型：适用于结晶性塑料b.特殊螺杆这些螺杆均化段设置有一些剪切混合元件，以达到促进混合、塑化和提高生产能力的目的。4、机头和口模机头和口模作用：使料流从螺旋运动变为平直运动。产生回压，利于进一步塑化，均化粘流态物料。产生必要的成型压力，使制品致密。成型制品，更换口模可改变制品断面的形状。机头与口模的组成部件：过滤网，多孔板，分流器，模芯，口模和机颈等。5、传动系统包括带动螺杆转动的电机和机械传动部件。6、附属设备塑料的输送、预热、干燥等预处理装置。挤出后制品的定型、冷却装置。牵引装置。卷绕或切割装置。控制设备等。6.挤出成型的特点：1)生产连续化可生产任意长度的管材、薄膜、电缆和纤维等。2)生产效率高单机产能高，如一台直径65mm的双螺杆挤出机（外形尺寸约2.5×1.8×1.7m），可年产PVC簿膜450t以上。3)应用范围广这种加工方法在橡胶、塑料、纤维的加工中都广为采用，还可用挤出法进行混合、塑化、造粒、着色等工艺过程。1)设备简单，投资少与注射成型、压延成型相比，挤出成型设备比较简单，制造较容易，设备费用较低，安装调试较方便。作业1.请举一个挤出成型在工业中应用的例子。3.2单螺杆挤出理论(Extrusionprinciple)概述挤出理论：是指描述物料在螺杆和口模中运动、变化规律的基本理论。在挤出成型过程中，物料通过螺杆和口模时，其状态变化、流动规律对加工的生产效率、产品质量和能量消耗起着重要的作用。单螺杆挤出理论包括：固体输送理论熔融理论熔体输送理论挤出理论的目的、意义和研究方法1.设计目的：使三区三段吻合，研究物料在螺杆和口模中的物态变化及运动规律。2.研究方法：建立物理模型—数学模型—理论公式—讨论分析、实验验证—修正。3.研究的意义：寻求聚合物加工中提高产量、提高塑化质量、降低能耗的有效途径，为聚合物挤出过程改进工艺和改进设备提供依据。主要内容3.2.1挤出理论的准备知识3.2.2加料段的固体输送理论3.2.3压缩段的熔融理论3.2.4均化段的熔体输送理论3.2.1挤出理论的准备知识3.2.1.1物料通过挤压系统的运动及物态变化1.挤压系统的主要作用：连续、稳定输送物料；将固体物料塑化成熔融物料；使物料的温度和组成一致。加料段—进行高分子物料的固体输送压缩段—压缩物料，并使物料熔融均化段—对熔融物料进行搅拌和混合，定量定压挤出。2.物料经历三种力学状态n玻璃态、高弹态、粘流态。3.物料三区根据物料运动和状态变化分为：n固体输送区——固体物料输送；n熔融区——物料升温，压实，排气，塑化；n熔体输送区——混合，定压，计量输送。4.螺杆三段：加料段;压缩段;计量段要使制品质量、产量稳定，须满足以下两个条件：熔体的输送速率=固态物料的熔化速率沿螺杆轴向任一截面物料的质量流率=挤出机生产率3.2.2加料段的固体输送理论3.2.2.3固体塞输送角（前进角）3.2.2.4某些因素的讨论3.2.2.2输送率的计算（输送方程）3.2.2.1基本假设固体输送理论是以固体对固体的摩擦力静平衡为基础建立起来的，推导时假设：①物料是被压实的固体塞、充满整个螺槽；②固体塞所受压力仅为螺槽流道长度的函数；③摩擦因数f一定，作用于固体的摩擦力符合库伦定律F=f·P；④忽略固体塞密度变化，物料重力的影响；⑤加料螺槽截面为矩形，且槽深不变。3.2.2.1基本假设图7-10固体塞摩擦模型如果物料与螺杆之间的摩擦力很大，此时挤出量为零；因为移动角=0，物料不向前移动，不进料；如果物料与螺杆之间的摩擦力很小，而对料筒的摩擦力很大，此时物料移动速度很大，即移动角=90°。这是固体输送理论的上限。一般情况是在0—90°范围，挤出过程要控制物料与螺杆，机筒的摩擦力为定值，否则引起移动角变化，造成产率波动。V2-固体塞沿螺槽方向速度V1-螺杆转动速度V3-绝对速度VL-V3的轴向分量VL=固体输送段生产率计算：固体输送率Q=VL×FF:垂直于VL的螺槽流道截面积固体塞输送速率Q与螺杆几何尺寸的关系：Hf−螺槽深度Db−螺杆外径n−螺杆转速Φ−螺杆外径处的螺旋角θ−物料的移动角tantantantanfbfb2HDnHDQ提高固体输送率的措施：1.移动角θtgφ·tgθtgθ+tgφ若θ↑，即Q↑。∴Q∝θ影响移动角θ的因素：螺杆结构参数，摩擦因数，压力。Q∝2.摩擦系数f在螺杆结构参数确定，以及工艺参数设定后，移动角只与摩擦因数有关。a.提高螺杆光洁度；涂F4b.在料筒上开设纵向槽沟，提高物料与机筒之间的摩擦因数；c.降低螺杆温度，通冷却水；d.根据摩擦因数与温度的关系，适当提高加工温度。控制螺杆和机筒温度，高聚物与金属的摩擦系数是温度的函数，不同物料不同温度下的摩擦系数可通过实验得到。c.螺旋升角φ在其它条件相同的情况下当最大时，Q最大。螺旋角对Q的影响，也可以从这一项反映出来。bbtgtgtgtgfs螺杆静摩擦因数总结：为获得最大的固体输送速率从挤出机结构来考虑：a.增加螺槽深度是有利的，但会受到螺杆扭矩的限制。其次，降低塑料与螺杆的摩擦系数也是有利的。再者，增大塑料与料筒的摩擦系数，也可以提高固体输送速率，但要注意会引起物料停滞甚至分解，因此料筒内表面还是要尽量光洁。b.采用最佳螺旋角(17.41°)。从挤出工艺角度来讲：控制加料段料筒和螺杆的温度是关键，因为静摩擦系数是随温度而变化的。概述塔莫尔（Tadmor）首先用数学分析方法建立数学模型。研