第06挤出原理—单螺1

1、第六章第六章 挤出工程挤出工程单螺杆塑化挤出原理单螺杆塑化挤出原理 6.1 6.1 挤出机的主要功能分析挤出机的主要功能分析 螺杆挤出机的主要功能螺杆挤出机的主要功能 通过螺杆的旋转运动通过螺杆的旋转运动, ,在较短的时间内将螺杆与机筒之间的物料在较短的时间内将螺杆与机筒之间的物料 从喂料口输送到口模端从喂料口输送到口模端, ,使物料从低温到高温至熔融，并产生压缩、使物料从低温到高温至熔融，并产生压缩、 混合及排气作用。以下进行功能说明混合及排气作用。以下进行功能说明: : 2 4 图图6-1 6-1 料斗中物料流动的各种状态料斗中物料流动的各种状态 （a a）正常流动；（）正常流动；（b b

2、）架桥）架桥 （c c）漏斗流动）漏斗流动 （d d）空心管）空心管 1.加料加料 塑料塑料: :通过通过料斗料斗送料送料, ,物料在物料在自重自重或或强制力强制力作用被送入挤出机。作用被送入挤出机。 因物料多为因物料多为粉状或粒状粉状或粒状, , 在用喂料斗中容易形成架桥，主要考虑物在用喂料斗中容易形成架桥，主要考虑物 料的内摩擦作用，设计料斗的锥角大小。料的内摩擦作用，设计料斗的锥角大小。 橡胶橡胶: : 通过喂料口送料通过喂料口送料, ,物料在物料在自重自重或或强制力强制力作用被送入挤出作用被送入挤出 机。因物料多为机。因物料多为条状或片状条状或片状, , 在用喂料输送过程中容易形成打滑

3、、在用喂料输送过程中容易形成打滑、 饥饿喂料或返胶，主要考虑物料的粘性作用，及喂料口的结构形式。饥饿喂料或返胶，主要考虑物料的粘性作用，及喂料口的结构形式。 5 2.输送输送 理论理论螺杆每转动一转，物料将往前输送一个导程。螺杆每转动一转，物料将往前输送一个导程。 但不可能。但不可能。为什么？为什么？ 输送量主要输送量主要取决于取决于： 聚合物与聚合物与机筒机筒之间的摩擦因数之间的摩擦因数f fb b 物性、温度、粗糙度物性、温度、粗糙度 聚合物与聚合物与螺杆螺杆之间的摩擦因数之间的摩擦因数f fs s物性、温度、粗糙度物性、温度、粗糙度 聚合物与聚合物与聚合物聚合物之间的摩擦作用之间的摩擦作

4、用相对速度相对速度 3. 压缩压缩 压缩压缩 改变传热效率、改变传热效率、 熔融速率、熔融速率、 排气排气 挤出压力产生：挤出压力产生： 螺槽深度的变化螺槽深度的变化 分流板、过滤网分流板、过滤网 口模截面面积口模截面面积 物料与筒壁及螺杆之间的摩擦作用物料与筒壁及螺杆之间的摩擦作用 （相当于阀）（相当于阀） 6 图图6-2 6-2 沿螺杆全长压力分布曲线沿螺杆全长压力分布曲线 1.1.低压机头；低压机头； 2.2.中压机头；中压机头； 3.3.高压机头高压机头 4.IKV4.IKV系统系统 7 8 图图6-3 6-3 熔融过程熔融过程 1 螺纹推进面螺纹推进面 2 2 熔池熔池 3 3 熔膜

5、熔膜 4 4 固体固体 W W 螺槽宽度螺槽宽度 X X固相宽度固相宽度 4. 熔融熔融 (塑化）塑化） 物料进入机筒时的温度是室温或稍高物料进入机筒时的温度是室温或稍高 塑料：塑料： 几转后压力升高，靠近筒壁的物料温度达到几转后压力升高，靠近筒壁的物料温度达到熔融点熔融点， 形成形成熔膜熔膜 熔池熔池熔池逐渐加宽熔池逐渐加宽 固体床宽度从宽到零固体床宽度从宽到零 橡胶：橡胶：几转后压力升高，几转后压力升高，靠近筒壁的物料温度达到靠近筒壁的物料温度达到软化点软化点，产生产生粘弹粘弹 粘流粘流从外到内从外到内 9 5. 混合混合 在固体输送段视物料为固体塞时，不会产生混合，但实际加工在固体输送段

6、视物料为固体塞时，不会产生混合，但实际加工 物料在固体输送也有物料在固体输送也有颗粒之间颗粒之间的的混合混合，但很少考虑其混合作用。，但很少考虑其混合作用。 是否有混合作用，主要看螺槽的是否有混合作用，主要看螺槽的充满程度充满程度。 理论上主要考虑在理论上主要考虑在熔体输送段的混合作用熔体输送段的混合作用，这种混合作用产生于相，这种混合作用产生于相 对运动的层与层之间。对运动的层与层之间。 混合不但使物料发生混合不但使物料发生分散分散与与分布混合分布混合，也使物料的各部分之间，也使物料的各部分之间 产生产生热量混合热量混合。 混合能使物料分散、温度趋于均匀，分子量通过剪切趋于一致。混合能使物料

7、分散、温度趋于均匀，分子量通过剪切趋于一致。 所以所以挤出段挤出段有时也称有时也称均化段均化段。 6. 排气排气 排出的气体有排出的气体有3 3种：种： 粉料颗粒之间夹杂着的空气粉料颗粒之间夹杂着的空气 空气中吸附的水分空气中吸附的水分水蒸气水蒸气加热加热 颗粒内部一些低熔点物质颗粒内部一些低熔点物质 增塑剂增塑剂 熔融后气体才能克服熔体表面张力而逸出。熔融后气体才能克服熔体表面张力而逸出。 远离料斗，无法通过料斗排出。远离料斗，无法通过料斗排出。使用排气挤出机使用排气挤出机 工程塑料（如工程塑料（如PAPA、ABSABS、PCPC等）都有这种现象等）都有这种现象 10 6.2 重要的几何因素

8、分析重要的几何因素分析 螺杆的几何结构直接决定螺杆的性能。设计螺杆的主要任务就螺杆的几何结构直接决定螺杆的性能。设计螺杆的主要任务就 是是确定其合理的几何形状及尺寸确定其合理的几何形状及尺寸。 一、螺杆的径向尺寸一、螺杆的径向尺寸 螺杆直径螺杆直径D Ds s为为螺杆外径螺杆外径，其名义尺寸与其名义尺寸与机筒机筒内内径径D Db b相等相等, ,螺螺 杆直径是螺杆挤出机的杆直径是螺杆挤出机的公称直径公称直径（因为它能大致反映挤出机的（因为它能大致反映挤出机的 生产能力）；生产能力）； ()2 fbs DDd=- f f 为螺杆与机筒间的 为螺杆与机筒间的单面间隙单面间隙 。 螺槽深度螺槽深度

9、H H 与螺槽内容料体积有关，是重要的几何参数。与螺槽内容料体积有关，是重要的几何参数。 当忽略径向间隙时，螺槽深度即为螺杆螺纹高度。当忽略径向间隙时，螺槽深度即为螺杆螺纹高度。 若忽略若忽略f f，则，则D Db b亦为亦为螺杆外径螺杆外径。 11 二、螺杆的轴向尺寸二、螺杆的轴向尺寸 螺纹导程螺纹导程T T；螺旋升角；螺旋升角；i i表示螺纹头数，当螺杆为单头螺杆时，表示螺纹头数，当螺杆为单头螺杆时， T= ST= S（螺距）（螺距） L L为螺杆为螺杆有效轴向有效轴向长度；长度；L L1 1为加料段长度；为加料段长度； L L2 2为熔融段长度；为熔融段长度； L L3 3为计量段（均化

10、段）长度。为计量段（均化段）长度。 L LD D为螺杆的长径比。为螺杆的长径比。 b b为为螺棱螺棱轴向宽度；轴向宽度； e e为螺杆为螺杆螺棱法向螺棱法向宽度；宽度； B B为为螺槽轴向螺槽轴向宽度；宽度； W W为为螺槽的法向螺槽的法向宽度；宽度； 图图6.2-1 6.2-1 螺杆几何参数螺杆几何参数 图图6.2-2 6.2-2 螺杆展开图螺杆展开图 12 在这些参数中，某些参数在在这些参数中，某些参数在径向径向上会有所变化上会有所变化 如如 bs WWW、和:W :f bs fff、和 螺纹沿螺纹沿螺槽方向螺槽方向展开的长度展开的长度 :ZZZZ sb 和、 上有上有横杠表示平均值横杠表

11、示平均值 下标下标b b或或s s分别表示按螺杆外径或螺杆根径计算所得到的数值分别表示按螺杆外径或螺杆根径计算所得到的数值 如果没有下标如果没有下标b b或或s s，则一般按螺杆的，则一般按螺杆的外圆外圆进行计算。进行计算。 13 6.3 固体输送理论固体输送理论 单螺杆挤出机是聚合物加工的重要设备，其性能在很大程度单螺杆挤出机是聚合物加工的重要设备，其性能在很大程度 上取决于上取决于螺杆的设计螺杆的设计和和操作条件操作条件。 挤出机内的区域，是根据物料的三种状态划分的。挤出机内的区域，是根据物料的三种状态划分的。 固体固体 输送过程输送过程 固体固体固固- -液（熔体）液（熔体） 熔融熔融

12、（塑化）过程（塑化）过程 熔体（粘流）熔体（粘流） 熔体熔体 输送过程输送过程 增压、计量过程增压、计量过程 14 固体输送理论：固体输送理论： （机理）（机理） 摩擦作用摩擦作用 单螺杆挤出机的输送机理单螺杆挤出机的输送机理; ; 正位移输送正位移输送双螺杆挤出机的输送机理双螺杆挤出机的输送机理; ; 粘性牵附粘性牵附 熔膜剪切熔膜剪切 熔融理论：熔融理论：剪切传热为主剪切传热为主 筒壁导热筒壁导热 考虑固体熔体输送考虑固体熔体输送运用质量与运用质量与 能量守恒能量守恒 研究是建立这三个方面理论上研究是建立这三个方面理论上 熔体输送理论：熔体输送理论： 近似于近似于流体输送流体输送，流体动力

13、学理论解释，流体动力学理论解释 增压、泵送增压、泵送运用粘性拖曳、动量守恒运用粘性拖曳、动量守恒 1515 国内外的单螺杆塑化挤出机固体输送理论研究主要集中在固体颗国内外的单螺杆塑化挤出机固体输送理论研究主要集中在固体颗 粒体系密度（粒体系密度（固体床固体床还是还是散离体散离体）和）和摩擦系数摩擦系数的研究，因为它们的研究，因为它们 为更好地预测为更好地预测固体输送量、压力、产量固体输送量、压力、产量等提供等提供理论依据理论依据，并指导，并指导 固体输送段的设计及工艺操作。固体输送段的设计及工艺操作。 固体输送理论的四大学派固体输送理论的四大学派 新理论都是在前人基础上的进展，各有创新。新理论

14、都是在前人基础上的进展，各有创新。 、固体摩擦理论（固体输送过程分析）、固体摩擦理论（固体输送过程分析） 19561956年年 Danell-Mol Danell-Mol 建立的固体摩擦理论，经典理论应用广泛建立的固体摩擦理论，经典理论应用广泛 19701970年年 Chung Chung 郑氏郑氏 粘性牵附理论粘性牵附理论 19711971年年 Tedder Tedder （特得尔）提出的能量平衡理论（特得尔）提出的能量平衡理论 19961996年年 朱复华提出的非塞流理论朱复华提出的非塞流理论 物理模型物理模型 在固体输送过程中，把物料看成是被压实的、没有变形的在固体输送过程中，把物料看成

15、是被压实的、没有变形的 且充满螺槽的固体塞（密度且充满螺槽的固体塞（密度不变），不变），使物料前进的作用力主使物料前进的作用力主 要是摩擦力要是摩擦力，所以该理论被称为，所以该理论被称为固体摩擦理论固体摩擦理论。 1616 1.1.简化假设简化假设 (2)(2)受力条件假设受力条件假设 假设压力只有螺槽方向有变化假设压力只有螺槽方向有变化P=PP=P（z z），），PPPP（x,y)x,y) 摩擦系数不变，符合库仑定律摩擦系数不变，符合库仑定律 F=fN F=fN 忽略重力忽略重力 fb 物料与机筒间的摩擦系数物料与机筒间的摩擦系数 fs 物料与螺杆间的摩擦系数物料与螺杆间的摩擦系数 固体输送

16、过程分析（基本方程固体输送过程分析（基本方程) ) (1)(1)几何条件假设几何条件假设 加料段螺槽看成是加料段螺槽看成是等距等深等距等深的，忽略螺棱与机筒之间的间隙的，忽略螺棱与机筒之间的间隙 (3)(3)摩擦系数假设摩擦系数假设 1717 V V1 1=D n=D n （6 63 31 1） V V1 1：螺杆线速度（牵连速度）：螺杆线速度（牵连速度） V V2 2：物料（固体塞）相对于螺杆速度：物料（固体塞）相对于螺杆速度 V V3 3：物料的绝对速度。：物料的绝对速度。 312 VVV=+ Qs=Qs=V VA A （6 63-23-2） （6 63-33-3） 2. 2. 运动分析运

17、动分析求出固体输送率求出固体输送率Q Q 1818 其中其中V V是是V V3 3在在z z方向的投影速度方向的投影速度 A A：垂直于：垂直于 z z 的截面积的截面积 ：牵引角牵引角 b: :外圆计算的螺旋升角外圆计算的螺旋升角 W：螺槽平均宽螺槽平均宽 22 11 1 4() sin bsb b DDHDH WDHe 1 / b V tg VV tg （6 63-43-4） 22 1 4sin bs ieH ADD 1 bb bb tgtgtgtg VVDn tgtgtgtg 2 11 1 b sbb i b tgtgW QVAD nHDH tgtgWe 2 11 b sbb b tgt

18、gW QnVA nD HDH tgtgWe Qs/nQs/n为每一转的为每一转的固体输送量固体输送量 （6 63-7) 3-7) （6 63-5)3-5) （6 63-6) 3-6) H H：螺纹高度：螺纹高度 图图6 63-23-2 1919 3. 3. 受力分析受力分析求出牵引角求出牵引角（输送角输送角） F F1 1：运动微元体和机：运动微元体和机筒内表面筒内表面的的摩擦力摩擦力，与，与V V3 3方向相反，大小为：方向相反，大小为： 1bb Ff pW dz= F F3 3、F F4 4：螺棱两侧螺棱两侧面对微元体的面对微元体的摩擦力摩擦力 371 () sds FF fpH dzFf

19、=+ 481ss FF fpf H dz= F F5 5：螺杆：螺杆底部底部对微元体的对微元体的摩擦力摩擦力 5ss Fpf W dz= F F2 2、F F6 6：微元体：微元体前后前后物料对微元体物料对微元体 的的正压力正压力 261 FFH Wdp F F7 7、F F8 8：螺棱螺棱对微元体的对微元体的正压力正压力 71d FpH dzF=+ 81 FpH dz= 7811d FFpH dzFpH dz 2020 各个与螺杆轴线成一定角度的力各个与螺杆轴线成一定角度的力 都能分解成两个力都能分解成两个力 与轴线与轴线平行平行的力的力 与轴线与轴线垂直垂直的力的力 将螺槽中微元体所受到的

20、将螺槽中微元体所受到的所有的力所有的力进行平衡进行平衡 压力压力 推力推力 摩擦力摩擦力 力平衡力平衡 0F 力矩平衡力矩平衡 0M 由力平衡及力矩平衡得由力平衡及力矩平衡得 21 1 1 2sin sin 1 si cossin nln s b bbb ss s bbb bbbb s fD Kctg WfD fD Kctg WfD HWD Kctg W H W K fD p pz （6 63-83-8） 后三项总和为后三项总和为MM 螺棱侧面螺棱侧面的摩擦的摩擦 螺杆低面螺杆低面的摩擦的摩擦 压力增加压力增加 2121 对所得公式进行简化对所得公式进行简化： cossinKM （6 63-9

21、3-9） s i nc o s c o ss i n s bs fD K Df （6 63-103-10） 经三角变换经三角变换 22 2 1 sin 1 KMK M K （6 63-113-11） 为减少计算工作量为减少计算工作量, ,计算出计算出K K、M M值，查出值，查出角。角。 （图（图6 63-33-3） 2222 4.4.关于牵引角关于牵引角的讨论的讨论 (1) (1) 影响牵引角影响牵引角的因素的因素 2 11 b sbb b tgtgW QVAD nHDH tgtgWe 2 11 b sbb b tgtgW QnVA nD HDH tgtgWe 已知上述各数值时，可以计算每转

22、的固体输送率。已知上述各数值时，可以计算每转的固体输送率。 当给定固体输送率可以计算压力梯度当给定固体输送率可以计算压力梯度( (与压力梯度有关与压力梯度有关) ) 或改变螺杆设计或改变螺杆设计 22 2 1 sin 1 KMK M K =0，M=1 Qs=0 要使要使增加增加，使使 K K、M M尽可能减小尽可能减小 f fb b增加增加， f fs s减小减小。 牵引角牵引角是影响挤出生产率的重要参数，它取决于螺杆是影响挤出生产率的重要参数，它取决于螺杆几何参数几何参数、摩擦摩擦 系数系数及固体输送段的及固体输送段的压力增加压力增加情况。情况。 （6.3-6） （6.3-7） 2323 当不考虑摩擦当不考虑摩擦f fs s=0, =0, 不考虑压力上升不考虑压力上升, ,固体输送率可以达到最大。固体输送率可以达到最大。 2 max11 sincos sbbbb W QVAD nHDH We 21 1 1 cossin2sin s