第六章挤出成型

聚合物成型原理与工艺各章内容第一章绪论第二章聚合物的流变性质第三章聚合物流体在管和槽中的流动第四章聚合物加工过程中的结构变化第五章成型物料的配置第六章挤出成型第七章注塑成型第八章其它成型方法第六章挤出成型Back6.1概述6.2挤出机的基本结构6.2.1单螺杆挤出机6.2.2双螺杆挤出机6.2.3单双螺杆性能比较6.2.4其他挤出机6.2.5机头和口模6.3挤出原理6.3.1单螺杆挤出原理6.3.2双螺杆挤出原理6.4几种制品的挤出工艺6.4.1管材的挤出6.4.2吹塑薄膜的挤出6.4.3异型材的挤出6.4.4板材的挤出20世纪30年代后期，双螺杆挤出机是由意大利人研制出的。在初始阶段，由于对双螺杆挤出机的工作机理认识不足，并且在机器的设计和制造方面遇到的一些难于解决问题，直到20世纪60年代后期，开发了适合应用于双螺杆挤出机的专用推力轴承，解决了在两根螺杆间较小空间内轴承轴向和径向都具有较强的承载能力问题，使得双螺杆挤出机在机械结构上非常可靠。6.3.2双螺杆挤出原理双螺杆挤出机的两个主要应用领域是：热敏性材料的挤出成型，如PVC管材和型材；特种聚合物的加工，如共混、排气、化学反应等。用于型材挤出的双螺杆具有相互啮合的螺棱、螺槽，并在较低的转速下操作，约为10r/min以内。由于双螺杆挤出机还被设计成许多特殊结构的元件，可任意组合和更换，所以特别适合一些特种聚合物的加工。啮合型同向旋转式双螺杆挤出机可用于共混、连续化学反应以及排气挤出。这类挤出机在高速下运行，最大螺杆转速范围为300~600r/min。螺杆啮合情况：(1)双螺杆挤出机的结构图6-23双螺杆挤出机的螺杆啮合情况图6-24双螺杆挤出机的螺槽纵横向开放与封闭(a)-纵向开放；(b)-纵向封闭；(c)-横向开放纵向开放：物料可以从一根螺杆沿螺槽流到另一根螺杆的螺槽。纵向封闭：两根螺杆上各自形成若干个互不相通的腔室，一根螺杆的螺槽完全被另一根螺杆的螺棱堵死。横向开放：若横过螺棱物料有通道，物料可以从同一根螺杆的一个螺槽流向相邻的另一个螺槽，或一根螺杆的一个螺槽中的物料可流到另一根螺杆的相邻两个螺槽中。(a)-非啮合(b)-部分啮合(c)-全啮合双螺杆挤出机与单螺杆挤出机一样，承担输送、塑化、混合与混炼聚合物的工作，但在工作原理上与单螺杆有许多不同点。双螺杆挤出机输送物料的原理与其啮合与否，纵横向开放与否和开放程度，以及螺杆的旋转方向有关。双螺杆挤出机输送物料的原理即不同于单螺杆挤出机，又不完全等同于柱塞或齿轮泵的正位移输送。所谓正位移输送是指移动的外部表面置换了系统中的部分液体的输送方式。(2)双螺杆挤出机的工作原理非啮合双螺杆挤出机因两根螺杆不能形成封闭的或半封闭的腔室，无正位移输送条件，其输送机理类似于单螺杆挤出机，物料与料筒、螺杆的摩擦因数、物料的粘性力是控制输送量的主要因素。啮合型双螺杆挤出机视具体结构不同，而表现不同程度的正位移输送特性。螺槽纵横向封闭越好或共轭性越好，正位移输送特性越强。全啮合、螺槽纵横向完全封闭的，才能实现完全的正位移输送。若螺槽纵向或横向有一定程度的开放，就会丧失一定的正位移输送能力，因为在压力梯度作用下，物料会流经这些开放通道，即会产生漏流。正位移输送能力的损失，有利于混合能力或其它性能(如排气)的提高。①啮合异向旋转双螺杆挤出机物料被封闭在由一个导程的螺槽与机筒内壁所形成的形状如“C”字形空间，称为C形室。图6—24(b)。A共轭纵横向皆封闭的矩形螺槽式中vL-—物料轴向移动速度t—螺纹的导程;n—螺杆的转速当螺杆转动一周，C形室中的物料向前移动一个导程，它沿螺杆轴线移动的速度为：ntvL图6—24全啮合纵横向皆封闭异向双螺杆中的物料异向旋转啮合双螺杆挤出机的理论挤出量为：式中V—单个C形小室的体积VnQ21—螺杆A；2—螺杆B尽管由于机械加工和专门设计，存在许多间隙，存在漏流，但双螺杆挤出机对物料的输送能力是很强的，效率也很高。如图6—25，在啮合异向转动的双螺杆啮合处取一点A，A是螺杆1螺棱顶部与螺杆2螺槽底部相接近处。其相对速度为：双螺杆的自洁性可以证明，B点处VrB与VrA数值相等，方向相反。由于啮合处的速度差，使得一个螺棱对另一螺槽中的物料有清理作用，使得物料不易粘于螺杆上，这被认为是双螺杆良好的自洁性。vrA—A点处两螺杆侧间隙之间的相对速度Rb—螺杆外半径Rs—螺杆根半径sbrARRnv2式中：图6-25啮合区的速度分析B纵向开放的双螺杆C形室中物料被旋转着的螺杆拖曳着朝向两螺杆相遇的部位，此处物料压力大大增加。由于没有其它通道，物料中的一部分就由这一部位的间隙挤压至啮合区，再进入啮合区的另一侧。两螺杆之间有物料交换，物料通过侧间隙时受到很大的剪切，混合作用加强。C纵横向皆开放的双螺杆两根螺杆的运动将部分物料拉入两根螺杆之间的间隙中，所形成的速度分布、压力分布和剪切速率分布。提高啮合异向双螺杆挤出、机的混合效果。②啮合同向旋转双螺杆挤出机该挤出机纵向必须开放，否则螺杆会由于发生干涉而不能啮合。其螺槽宽度要大于螺棱宽度，在纵向留下一定的通道。纵向开放程度越大，正位移输送能力损失越多，而摩擦拖曳和粘性拖曳所起的作用越大。但无论纵向开放程度多大，物料沿螺槽流动时在螺棱处仍受阻，改变流向，因而还有一定的正位移输送能力。(a)-纵向开放；(b)-纵向封闭；(c)-横向开放具有塑化均匀、混合性能好的优点③双螺杆挤出剂中的功能元件输送元件具有—般螺纹结构，主要起输送物料的作用。图6-26啮合同向旋转双螺杆中物料的流动A输送元件图6-27啮合同向旋转双螺杆的输送元件(a)螺槽和螺棱宽度接近相等，可在较短的长度内建立起较高的压力；(b)纵横向开放较大的输送元件，混合较好，但漏流量大，物料停留时间分布较宽；(c)纵向开放、横向封闭的共轭螺纹元件，具有较强的输送作用，但混合效果差。(a)螺槽为等深变距，螺棱宽度由薄变厚，双重作用使螺糟体积变小，起到压缩作用；(b)等深变距，螺距连续变小，起到压缩作用。B压缩元件图6-29混炼元件(a)偏心圆形；(b)菱形；(c)曲边三角形C混合混炼元件在聚合物的混合与混炼中，多采用积木式同向旋转的双螺杆挤出机，在以下的应用中取得良好效果。A热塑性塑料的共混改性不同的聚合物在双螺杆中依靠扩散、对流、剪切的方式实现混合。B填充塑料采用中等螺距和较小压缩比，配以较强的破碎混炼元件，促使无机填料均匀地分散到聚合物熔体中，经排气后，再次均化塑炼，得到均匀的填充聚合物。C纤维增强纤维增强聚合物在双螺杆中的混合过程，需在混炼过程中剪断玻璃纤维，其相关的混炼元件都设计成带有一定的倾角。D热固性塑料及粉末的塑炼采用较大螺距，并适当地串联某些混炼元件。为了防止物料因温度过高在机内固化，螺杆长径比、压缩比都较小。④物料加工物料在双螺杆中的平均停留时间为单螺杆挤出机的1/2，而且停留时间的分布范围也仅为单螺杆挤出机的1/5左右。由于物料停留时间分布窄，所有物料在机筒内所经历的物理、化学过程大体相同，因此，混合物各部分的性能会更均匀。⑤双螺杆挤出机中物料停留时间的分布图6-28停留时间的分布情况1-双螺杆挤出物料2-单螺杆挤出物料同向与异向双螺杆的区别:同向双螺杆的两根螺杆是完全相同的，螺纹方向一致，由于同向旋转双螺杆在啮合处的速度方向相反，一根螺杆要把物料拉入啮合间隙，而另一根螺杆把物料从间隙中推出，所以物料从一根螺杆转到另一根螺杆呈∞形前进。啮合区具有很高剪切速度、很好的自洁功能；异向双螺杆的两根螺杆是对称的，由于旋转方向的不同，一根螺杆上物料螺旋前进的道路被另一根罗根的螺棱堵死，不能形成“∞”形运动。6.4几种制品的挤出工艺管材是用于输送液体、固体、气体，并可以作为电线、电缆护套和结构材料。挤出管材的主要聚合物有：聚氯乙烯(硬质与软质)、聚乙烯、聚丙烯、ABS、聚酰胺、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、天然胶、丁腈胶和橡胶、塑料的混合物。塑料、橡胶管材的突出优点是：相对密度小；电绝缘性、化学稳定性优良；安装、施工方便，维修容易；单位能耗低，成本低廉。6.4.1管材的挤出挤出成型方法可以生产多种多样的连续制品——管、棒、型材、板、片、薄膜、丝等，每一种制品的工艺、设备和生产技术都各具特色，下面介绍几种常见挤出制品的成型工艺及设备。6.4.1.1管材挤出的主要设备⑴机头机头一般由三种类型A直通式机头1-橡皮塞2-定径套3-口模4-芯模5-调节螺栓6-分流锥7-芯模支架8-模体9一栅板图6-29直通式机头物料在机头和挤出机流动方向一致，是一种使用普遍的机头。机头料流与挤出机料流方向呈直角。这种结构芯棒的一端为支承端，由于不存在分流器支架，熔料从机头一端进入到芯棒对面汇集，只可能产生一条接缝线。这种结构为内径定型法挤管提供方便，但芯棒设计难度较大。B直角机头图6-30直角机头料流先流过一个弯形流道再进入机头一侧，料流包芯棒后沿机头轴线方向流出。这种设计可使管材的挤出方向与挤出机呈任意角度；亦可与挤出机螺杆轴线相平行。它非常适合大口径管的高速挤出，但机头结构比较复杂，造价较高。C偏心机头图6-31偏心机头1-进水2-空气3-出水4-机头连接圈5-绝缘材料6-空气通道6-水冷却套⑵定型装置内压法1-芯棒2-口模3-定径套4-管子5-塞子图6-31内压定径管材的定型大体有两种方式：定外径的方式和定内径的方式。我国塑料管材尺寸规定为外径公差，故多采用定外径的方式定型。真空法真空法采用管外抽真空，使管材表面吸附在定型套内壁冷却定外径尺寸的方法。1-水槽2-口模3-芯模4-密封圈5-定型管6-密封盖7-测压阀8-喷雾环图6-32管式真空定型装置从冷却定型套出来的管材，未得到充分冷却，为防止变形，必须排出管壁中的余热，使之达到或接近室温。冷却方法有多种。⑶冷却装置浸没式水槽1-进水管2-排水管3-轮子4-隔板5-槽体6-支架7-螺丝撑杆图6-33浸没式水槽喷淋式水槽1-喷水头2-导轮3-支架4-轮子5-导轮调整机构6-手轮7-箱体8-箱盖图6-34喷淋式水槽⑷牵引装置1-皮带轮2-履带3-塑料管图6-35滚轮式牵引机构图6-36履带式牵引示意图⑸切割装置切割装置是将连续挤出的管材，根据需要长度自动或半自动切断的设备。6.4.1.2管材挤出成型工艺压缩空气压力和真空度：若为真空定型套定型，真空度一般为0.4~0.07MPa若为内压法外径定型，一般压缩空气为002~0.05MPa,压力要稳定。螺杆转数：单螺杆挤出机8~25r/min；双螺杆挤出机15~30r/min.牵引速度：一般比机出现速度快1%~10%，根据管材的比厚调节。树脂捏合造粒双螺杆挤出成型过筛助剂称量单螺杆挤出冷却定型切割牵引成品混合5~10min，物料升温到120℃，加发泡剂停止加热，再混合5~10min。挤出机加热段：135~145℃、170~180℃、180~190℃；机头温度为165~175℃；口模温度145~155℃；螺杆转数14~18r/min。6.4.1.3聚氯乙烯发泡管材的成型⑴原料及配方⑵工艺流程⑶成型条件物料配比(质量比)物料配比(质量比)聚氯乙烯100填料5~10稳定剂3~5发泡剂0.2~0.8润滑剂0.5~3其他助剂0~10表6-1低法泡聚氯乙烯管的生产配方挤出配料口模成型喷淋冷却真空定型牵引发泡管材⑷管材性质表6-2低法泡聚氯乙烯管主要性能项目测试结果外观光滑、无裂口、杂质等密度/g.cm-30.8~1.1拉伸强度/MPa21断裂伸长率/%38落球冲击200g/1.7m三根管无破裂6.4.2吹塑薄膜的挤出吹塑薄膜是将塑料挤成薄壁胚，并趁热用压缩空气将其吹胀，径定型的薄膜。一般薄膜厚度为0.01~0.25mm。吹塑法生产薄膜的树脂品种有：聚氯乙烯、聚乙烯、聚偏二氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。6.4.2.1吹塑薄膜挤出的主要设备⑴机头几种常见机头：图6-38十字形机头1-口模2-分流锥3-调节螺钉4-进气管5-模体分流器支架机头内存料少，不易分解机头内存料大，易分解图6-37芯棒式机头1-芯棒轴2-口模3-调节螺钉4-压空管入口5-机颈图6-