塑料的挤出成型工艺

第三章塑料挤出成型工艺第一节概述第二节挤出机第三节挤出成型原理第四节几种制品的挤出成型工艺第三章塑料的挤出成型工艺第一节概述一.挤出成型：借助于螺杆的旋转挤压作用，使受热熔融塑化的塑料在压力推动下连续通过机头口模，经冷却定型而得到具有特定断面形状的连续制品的成型方法。二.挤出成型在塑料成型加工工业中的地位1.挤出成型塑料制品产量约占总产量的50%，挤出成型设备产量约占塑料成型机械总产量的30%。2.几乎所有的热塑性塑料和一些热固性塑料均可用挤出机成型（如酚醛塑料、脲醛塑料等）。3.挤出成型制品多。（1）.管、棒、膜、丝、板、网、带等。（2）.各种异型材，如楼梯扶手、塑料门窗等。（3）.中空制品，如桶、灯笼、包装容器等。（4）.电线、电缆等。（5）.为压延成型喂料，造粒等。三.挤出成型的主要特点：1．设备投资少，便于土法上马。2．连续化生产，自动化程度高，生产效率高。3．产品质量均匀、紧密。4.操作简单，工艺控制容易，可以一机多用。四.挤出成型发展趋势1.大型化、高挤出速度、多效能、自动化、连续化。2.复合共挤出、异型共挤出、挤出发泡等。第二节挤出机一单螺杆挤出机主要参数二单螺杆挤出机主要类型三单螺杆挤出机主要构造四双螺杆挤出机简介第二节挤出机一、单螺杆挤出机的主要参数1．螺杆长径比（L/D）指螺杆的有效长度（有螺纹部分长度）与螺杆外径之比。L：螺杆有效长度；D：螺杆外径。2.转速范围：（nmax~nmin，转/分）3．产率：Q（Kg/h）与挤出机型号有关。4.电机功率(N)：单位为千瓦。5.加热功率(E)：单位为千瓦。6.加热段数(B)：多为三段加热，也有5~6段加热的。7．机器中心高(H)：螺杆中心线距地面的距离。二、单螺杆挤出机的规格型号1．原一机部标准：（JB-1291-73）（1）SJ-X（90）：表示螺杆外径为x（90）mm的单螺杆塑料（S）挤出机（J）。如经多次改型，则表示为SJ-X（90）A、B、C。系列产品有SJ-30（45、65、90、120、150、200、250）（2）S-JZ：表示塑料挤出造粒机。（3）JW-Y（250）：表示螺杆外径为Y（250）mm的喂料挤出机。2．轻工部标准(82年苏州会议).。SJ-150×25（D×L/D）：表示螺杆外径为150mm，螺杆长径比为25的塑料挤出机。三单螺杆挤出机的基本结构：单螺杆挤出机是目前应用最广泛的挤出机，其结构如图3-6-1所示。图3-6-1单螺杆挤出机结构示意图1-机座2-电动机3-传动装置4-料斗5-料斗冷却区6-料筒7-料筒加热器8-热电偶控温点9-螺杆10-过滤网及多孔板11-机头加热器12-机头13-挤出物1．螺杆：（1）螺杆的主要参数：D：螺杆外径；d：螺杆根径；L：螺杆长度；ｔ：螺距；Ｗ：螺槽宽度；ε：压缩比ｅ：螺纹宽度；ｈ：螺槽深度；φ：螺旋角；Ｌ/D：长径比。图3-6-3螺杆结构的主要参数（2）螺杆的分段图3-6-2几种螺杆的结构形式1-渐变型(等距不等深)2-渐变型(等深不等距)3-突变型4-鱼雷头螺杆Ⅰ-加料段（固体输送段）Ⅱ-压缩段（熔融段）Ⅲ-计量段（均化段）(3)螺杆的分类Ⅰ.等距不等深螺杆:A.特点:a.h1、h3不变，h1h3，t不变，只是h2变小，以获得对物料的压实。b.h1大，进料易，产率Q高，但螺杆易折断。.原因：加料段负荷大，d小，强度低，所以ε不能太大。c.因t不变，则传热面积不变，对物料输送、传热、塑化有利，机加工方便。所以应用最广泛。B.分类：a.渐变型:h2是逐渐变小的,压缩段较长。头部压力稳定,料流稳定,制品质量好。主要适用PVC等非晶高聚物、(熔程较宽的结晶高聚物)。原因：由玻璃态向粘流态转变时，高弹态范围较宽。b.突变型:h2突然变小,压缩段很短,只有1~2D。L3较长。（使熔体更为均匀）主要适用于聚酰胺、聚乙烯等结晶高聚物。c.鱼雷头型螺杆:特点：计量段没有螺纹，剪切作用大，塑化效果好。（但易使物料分解）适用范围：PS、PE、PA、PMMA、PDVC等。Ⅱ.等深不等距螺杆：A.计量段h3太大，塑化效果不好。原因：螺槽越深，物料受到的剪切作用越小。B.传热面积减小，不利于传热、塑化。原因：因为螺距变小了。C.生产率Q降低，料流不稳定。D.适用于L/D大的小型挤出机。原因：因加料段d较大，螺杆强度高。Ⅲ.几种新型螺杆：A．屏障型螺杆：在熔融段的螺纹旁再加一道辅助螺纹，将主螺槽分为熔体槽和固体槽两部分。B．销钉螺杆：在熔融段的末端及计量段，设置一组或几组销钉。C．波纹螺杆：螺槽根部是偏心的，偏心部位沿轴向呈螺旋形移动。D．分配混合型螺杆：在螺杆末端镶上一个特制的静态混合器。E．组合型螺杆：由不同的剪切元件、混合元件和输送元件等组合而成。2.机头和口模（1）.机头的分类：Ⅰ.直通机头：挤出机螺杆轴向与口模中料流方向一致。主要用于大、小不同直径的管材，小径薄膜，丝，棒等。Ⅱ.角式机头（弯机头）A.直角机头：挤出机螺杆轴向与口模中料流方向成直角。主要用于吹塑薄膜，对内径要求严格的管材，中空成型等。B.线缆包复式机头：用于电线、电缆的包皮的包复。Ⅲ.鱼尾式机头：衣架式机头、窄缝型机头等。主要用于挤出片材、双向拉伸薄膜等。（2）过滤板（网）的作用：Ⅰ.使物料由螺旋运动转变为平直运动。Ⅱ.过滤杂质和未熔化好的塑料颗粒。Ⅲ.使物料受到较大的剪切作用，以利于塑料塑化均匀。Ⅳ.使料筒和机头定位。（3）对机头结构的要求：Ⅰ.口模定型部分应有适当长度。A.使物料处于稳定流动;B.减小熔体弹性和出口膨胀；C.L长，产量提高;D.太长，笨重，阻力大，Q降低。Ⅱ.机头中过渡部分应光滑，呈流线型。原因：防止物料的停滞和分解。Ⅲ.应设置调节装置，改善周边的流率分布。（厚度均匀）四双螺杆挤出机1双螺杆挤出机的主要特点（1）加料容易。（正位移原理，没有压力回流）。（2）停留时间短。适合于易固化或易凝胶的着色和混料。（3）排气性能好。（4）自洁性能好。（5）混合、塑化效果优异。（6）比功率消耗低。（7）容积效率高，螺杆特性线硬，流率对口模压力变化不敏感。2双螺杆挤出机主要参数（1）螺杆直径/mm:国外多在28--340mm。（2）螺杆长径比：整体式：过去多为7—18，有增大趋势。组合式：可达36：1以上。（3）螺杆的转向：同向（混料），异向（生产制品）。（4）螺杆承受的扭矩（5）推力轴承的承载能力（6）驱动功率、加热功率和加热段数。3双螺杆挤出机的工作原理（1）非啮合型全螺纹螺杆区段的流动情况（2）啮合同向的螺纹段中的流动情况（3）异向回转啮合型双螺杆中物料的运动4双螺杆挤出机的发展（1）提高使用可靠性，扩大应用范围。（2）降低挤出机的磨损。（3）加强挤出原理研究。（4）加强结构制造及控制方面的研究。（5）在双螺杆挤出机的基础上，进一步开展多螺杆挤出机的研究。第三节挤出成型原理一固体输送理论二熔融理论三熔体输送理论第三节挤出成型原理一、加料段（固体输送段）1．主要作用：输送固体物料，兼有预压、预热作用。2．加料段长度L1的确定原则：（1）结晶塑料L1最长。（2）硬质非结晶塑料L1较长。（3）软质非结晶塑料L1最短。（4）一般情况下，L1、L2和L3的分配：塑料类型L1L2L3非晶塑料10~25%50~65%20~25%结晶塑料50~65%1—2D25~35%3．物料在加料段的流动状况（图3-6-6）图3-6-6固体塞摩擦模型（1）物料在该段类似于“弹性固体塞”，固体塞在螺槽内的运动就如螺帽在螺丝上的运动一样。Ⅰ如旋转螺丝，而螺帽上无压力，则螺帽跟着螺丝转动而不前移。Ⅱ若在螺帽上加一定压力，再旋转螺丝，则螺帽就会随螺丝旋转而前移。（2）成型时，塑料与螺杆的摩擦力应小于塑料与料筒的摩擦力，也即螺杆的光洁度应大于料筒的光洁度。否则，塑料只能抱着螺杆空转打滑不能前移。图3-6-7螺槽中固体输送的理想模型(a)和固体塞移动速度的矢量图(b)（3）受力分析A.由图3-6-6，3-6-7知：Fb=PAbfb，Fs=PAsfs，Fbz=AbfbPcosφ。B．稳定流动时，Fs=Fbz，则Asfs=AbfbcosφC．Fs=Fbz=0，物料在料筒中不能发生任何流动。FsFbz，物料被夹带于螺杆中随螺杆转动不产生移动。FsFbz，物料能在料筒与螺杆间产生相对运动。（4）.减小Fs措施：Ⅰ.螺杆要镀铬或磨光。应该到▽7以上，可以使产量提高1/3。Ⅱ.在料筒上开设纵向沟槽。一般为8~12条，深为0.5mm。这样光洁度可以高些，以免物料发生分解。Ⅲ.在螺杆中心通水冷却。原因：因为温度降低，摩擦系数降低。4.加料段的送料量Qs（摩擦力静平衡）Qs应为螺槽的横截面积与送料速度Va的乘积，可得Qs=VVa=π/4[D2－（D－2h）2]Va（3-6-2）=πh（D-h）×Va图3-6-8螺杆的展开图(a)和固体塞移动距离的计算(b)由图3-6-8的展开图可见，螺杆转动一周，物料在螺纹斜棱推力作用下，沿与斜棱垂直的方向由A移向B，AB在螺杆轴上的投影距离为l，物料在轴向的移动速度为Va；若螺杆的转速为N，则Va=l×N。由图3-6-8中螺杆的几何关系可求出：πD=b1+b2=l·cotθ+l·cotφ=l（cotθ+cotφ）πD所以l=（3-6-3）cotθ+cotφπDNπDNtanθ·tanφ因此Va==（3-6-4）cotθ+cotφtanφ+tanθ由式3-6-2和式3-6-4可得到加料段送料量与螺杆几何尺寸的下述关系：π2Dh（D-h）NtanθtanφQ=（3-6-5）tanθ+tanφ5．影响加料段送料量的因素：（1）前进角的影响：0≤θ≤900Ⅰθ=00时，Q=0。Ⅱθ=900时，Q最大。（2）槽深h的影响：在D不变时，h增大，Q提高。（3）减小fs，Q↑。（4）增大fb，Q↑。tanθtanφ（5）选择合适的螺旋角φ,且使tanθ+tanφ最大，Q↑。（6）D↑，Q↑。（7）.N，Q↑。。二、熔融段1．主要作用（1）.使物料熔融塑化。（2）.压实物料。（3）.排出物料中的气体。2.螺杆的压缩比(ε):（1）定义：螺杆加料段第一个螺槽容积与计量段最后一个螺槽容积之比。对于常用的等距不等深螺杆的压缩比常用加料段和计量段螺槽的横截面积之比来表示。（2）几何压缩比：D2-d12D1h1ε==D2-d32D3h3工厂常用式ε=0.93h1/h3来表示。（3）几何压缩比的确定原则：Ⅰ粉料的ε应大于粒料的ε。（常为4~5）原因：因粉料的压缩率比粒料的压缩率大。Ⅱ薄制品的ε应大于厚制品的ε。Ⅲ塑料的压缩率大，ε也应大。Ⅳ常用塑料的压缩比（引自《塑料成型工艺学》P57）常用塑料的的压缩比4熔融(压缩)段长度的确定：（1）非晶高聚物的L2应最长。原因：高弹区范围宽，粘流转变范围宽，可达总长65%。（2）结晶高聚物：熔程宽，L2较长，可达总长的40%，如聚乙烯。熔程窄，L2较短，常为1~2D，如聚酰胺、PET为5D。5塑料的熔化（相迁移）过程：（1）塑炼时料温和机械功与塑炼时间的关系，如图3-6-9所示。MB温度转矩转矩MCMAtAtBtCtD时间图3-6-9塑炼时料温与机械功和塑炼时间的关系ⅠtA时，转距为MA（最小）特征：表面熔化发粘，被破坏，分子热运动加速，粒子开始膨胀，转矩最小。原因：料温和摩擦热作用。ⅡtB时，转距为MB（最大）原因：塑炼时间↑，热量↑，T↑（但尚低），η↑。ⅢtC时，转距为MC，料温和粘度处于平衡状态。原因：温度升高，熔融加速，η减小，逐渐转化为螺杆挤压作用的粘性流动，转矩降低。tC时，完全熔化，趋于平衡。ⅣTD时，出现（热降解）与交联，转矩和温度升高。（2）冷却试验由图3-6-10可见：Ⅰ螺杆加料口附近为固体粒子充满。Ⅱ均化段被塑料熔体充满。Ⅲ螺杆中间部分，则为两相共存。由上可见，塑料熔化过程是在熔融段进行的。图3-6-10螺槽全长范围固体床熔融过程示意图:固体床在螺槽中的分布变化(a)和固体床在螺杆熔融区的体积变化(b)（3）熔化过程:图3-6-11为固体物料在螺槽中的熔化过程示意图。图3-6-11固体物料在螺槽中的熔融过程