橡胶挤出工艺

1、橡胶挤出机压出工艺第十四章 压出工艺压出 （挤出） 是使高弹态的橡胶在挤出机机筒及转动的螺杆的相互作用下， 连续地制成各种不同形状半成品的工艺过程。应用：制造轮胎胎面、内胎胎筒、纯胶管、胶管内外层胶和电线电缆等半成品；也可用于胶料的过滤、造粒、生胶的塑炼、金属丝覆胶及上下工序的联动。挤出成型的特点：（ 1）操作简单、工艺控制较容易，可连续化、自动化生产，生产效率高，产品质量稳定。（ 2）应用范围广。通过挤出机螺杆和机筒的结构变化，可突出塑化、混合、剪切等作用中的一种，与不同的辅机结合，可完成不同工艺过程的综合加工。（ 3） 可根据产品的不同要求， 通过改变机头口型成型出各种断面形状的半成品。也

2、可通过两机（或三机）复合压出不同成分胶料或多色的复合胎面胶。（ 4）设备占地面积小、质量轻、机器结构简单、造价低、灵活机动性大。挤出机的分类：根据加工物料的不同可分为：橡胶挤出机和塑料挤出机；根据结构特征可分为：热喂料挤出机、冷喂料挤出机和排气冷喂料挤出机；根据螺杆数量可分为：单螺杆挤出机、双螺杆挤出机和多螺杆挤出机；根据工艺用途不同分为：压出挤出机、滤胶挤出机、塑炼挤出机、混炼挤出机、压片挤出机及脱硫挤出机等。§ 3.1 橡胶挤出机挤出机的规格用螺杆的外径表示，并在前面冠以“SJ”或“XJ”，S表示塑料;X表示橡胶；J表示挤出机。如SJ-90表示螺杆外径为90mmi勺塑料挤出机；而

3、 XJ-200表示螺杆外径为200mm勺橡胶挤出机。一挤出机结构挤出机结构通常由机筒、螺杆、加料装置、机头（口型）、加热冷却装置、传动系统等部分组成。挤出机的主要技术参数有：螺杆直径、长径比、压缩比、转速范围、螺杆结构、生产能力、功率等。1机筒机筒在工作中与螺杆相配合， 使胶料受到机筒内壁和转动螺杆的相互作用， 以保证胶料在压力下移动和混合，通常它还起热交换的作用。为了使胶料沿螺槽推进， 必须使胶料与螺杆和胶料与机筒间的摩擦系数尽可能悬殊，机筒壁表面应尽可能粗糙，以增大摩擦力，而螺杆表面则力求光滑，以减小摩擦系数和摩擦力。否则，胶料将紧包螺杆，而无法推向前进。（ 1）机筒的结构形式按结构可分为

4、整体式和组合式两种。（ 2）喂料口与旁压辊喂料口的结构与尺寸对喂料影响很大，而喂料情况往往影响挤出产量。在喂料口侧壁螺杆的一旁加一压辊构成旁压辊喂料， 此种结构供胶均匀， 无堆料现象，半成品质地致密，能提高生产能力，但功率消耗增加。2螺杆螺杆是挤出机的主要工作部件。 它在工作中产生足够的压力使胶料克服流动阻力而被挤出，同时使胶料塑化、混合、压缩，从而获得致密均匀的半成品。螺杆的分类：按螺纹头数分： 单头、 双头、 三头和复合螺纹螺杆。 双头螺纹螺杆用于压型挤出；单头螺纹螺杆多用于滤胶；复合螺纹螺杆多用于塑炼等。按螺纹方向分：有左旋和右旋两种，橡胶挤出机多用右旋螺纹螺杆。按螺杆外型分：有圆柱形、

5、圆锥形、圆柱圆锥复合形螺杆。圆柱形螺杆多用于压型和滤胶；圆锥形螺杆多用于压片和造粒；复合形螺杆多用于塑炼。按螺纹的结构形式分：普通型（如等深变距型或等距变深型），分流型（如销钉型），分离型（如副螺纹型）和复合型螺杆等。螺杆的结构：螺杆的结构分工作部分（指螺纹部和头部）和连接部分（指尾部），工作部分直接完成挤出作业， 尾部起支持和传动作用。 螺杆工作部分的主要参数有： 螺纹头数、压缩比、导程、槽深及螺纹升角等。1）长径比螺杆螺纹部分长度L与外直径D之比为长径比（L/D）,是挤出机的重要参数之一。 长径比大， 胶料在挤出机内走的路程长， 受到的剪切、 挤压和混合作用就大。热喂料挤出机的长径比一般在

6、38 之间， 而冷喂料挤出机的长径比一般为 817，甚至达到20。（ 2）压缩比螺杆加料端的螺槽容积与出料端的螺槽容积之比为压缩比， 它表示胶料在挤出机中可能受到的压缩程度。比值越大，半成品致密性越好。压缩比的大小视挤出机的用途而异。压缩比过大，虽然可保证半成品质地致密，但挤出过程的阻力增大， 胶料升温高易产生焦烧， 且影响产量； 压缩比过小影响半成品致密程度。热喂料挤出机常用压缩比为 1.31.4 ，有时可达1.61.7 ；冷喂料挤出机常用压缩比为 1.71.8 ，有时可达1.92.0 。（3）螺纹导程S与开角a同一螺纹连续转一圈相应点间的距离称螺纹导程。 当螺纹直径确定后， 螺纹导程不但决

7、定了升角，而且影响螺纹槽的容积，它们的关系为：（3-1）（3-2）式中 F 螺纹槽纵截面积； i 螺纹头数。当S增大时，a也增大，此时吃料方便，产量高，但过大可能造成塑化不均，影 响半成品质量，且螺力f加工也困难；当 S减小时，a也减小，此时轴向压力大， 胶料在机筒内停留时间延长，塑化均匀，半成品质量好，但螺纹容积小，产量下降。螺纹开角a一般为1235o,螺纹导程S为（0.51） Do（ 4）螺纹槽深度h螺纹槽深度减小时， 胶料速度梯度增大， 有利于胶料的剪切塑化， 但胶料升温高、产量小，增大h 可提高产量，但过大时产量增加并不显著，且影响螺杆的强度。一般h= （0.180.25） D,螺杆直

8、径大时系数取大值。（ 5）螺杆头部形状螺杆头部形状选择应有利于胶料流动， 防止产生死角而引起胶料焦烧。 螺杆头部形状有四种：平头螺杆头、弹头型螺杆头、锥型螺杆头和球型螺杆头。平头螺杆头其顶端有死角，多用于滤胶机上；锥型螺杆头无死角，有利于胶料流动，且不 易焦烧。3机头机头对不同的挤出工艺（如压型、滤胶、混炼、造粒等），其作用与结构也不相同。 对压型挤出机的机头来说， 其主要作用是： 使胶料由螺旋运动变为直线运动；使机筒内的胶料在挤出前产生必要的挤出压力， 以保证挤出半成品密实； 使胶料进一步塑化均匀；使挤出半成品成型。（ 1）机头的类型按机头的结构分：有芯型机头和无芯型机头。按与螺杆的相对位置

9、分：直向机头、直角机头和斜角机头。按机头用途不同分：内胎机头、胎面机头、电缆机头等。按机头内胶料压力大小分：低压机头、中压机头、高压机头。（ 2）机头的结构橡胶挤出机的机头结构主要分为圆筒形、扁平形、 T型和Y型。a.内胎挤出机头（圆筒形）用以制造各种空心制品，如胶管、内胎、密封条等等。这种结构的机头又分为可调整口型和可调节芯型。b.胎面挤出机头（扁平形）用以制造轮胎胎面。这种机头又分为整体式和复合式两种。c.电线、电缆挤出机头（T型和Y型）用以制造电线电缆绝缘层，轮胎钢丝圈及胶管包胶等。其结构一般有两种形式：直角机头和斜角机头。二挤出机的选用橡胶挤出机的选用， 由所需半成品的断面大小和厚薄来

10、决定。 对于压出实心或圆形中空半成品，一般口型尺寸约为螺杆直径的 0.30.75 左右。口型过大，螺杆推力小，机头内压力不足，排胶不均匀，半成品形状不规整；口型过小，压力太大，速度虽快些，但剪切作用增加，引起胶料生热，增加胶料焦烧的危险。§ 3.2 挤出过程原理一工作原理挤出成型是在一定条件下将具有一定塑性的胶料通过一个口型连续压送出来， 使它成为具有一定断面形状的产品的工艺过程。胶料沿螺杆前移过程中， 由于机械作用及热作用的结果， 胶料的粘度和塑性等均发生了一定的变化， 成为一种粘性流体。 根据胶料在挤出过程中的变化， 一般将螺杆工作部分按其作用不同大体上分为喂料段、压缩段和挤出段

11、三部分。各段工作特点如下：1喂料段： 又称为固体输送段，此段从喂料口起至胶料熔融开始。胶料进入加料口后， 在旋转螺杆的推挤作用下， 在螺纹槽和机筒内壁之间作相对运动， 并形成一定大小的胶团。2压缩段：又称为塑化段，此段从胶料开始熔融起至全部胶料产生流动止。压缩段接受由喂料段送来的胶团， 将其压实、 进一步软化， 并将胶料中夹带的空气向喂料段排出。3压出段：又称为计量段，把压缩段输送来的胶料进一步加压搅拌，此时螺纹槽中已形成完全流动状态的胶料。 由于螺杆的转动促使胶料流动， 并以一定的容量和压力从机头流道均匀挤出。二胶料在挤出段中的流动状态一般把胶料在挤出段中的流动看成是顺流、倒流、漏流和环流的

12、综合流动。顺流：由于螺杆转动促使胶料沿着螺纹槽向机头方向的流动，它促使胶料挤出，又称为挤流。 它的速度分布近似直线， 在螺杆表面速度最大， 在机筒内壁速度近似为零。顺流对挤出产量有利。倒流： 由于机头对胶料的阻力引起的， 也称压力倒流或逆流。 胶料顺着压力梯度沿螺杆通道而产生倒流。倒流引起挤出产量减少。漏流： 在螺杆螺峰与机筒内壁间缝隙， 由于机头阻力而引起的， 它与顺流方向相反，它引起挤出产量减少，见图 3-1 。环流： 又称为横流， 由于螺杆旋转时产生的推挤作用引起的流动， 它与顺流成垂直方向，促使胶料混合，对产量无影响，见图 3-2 。环流对胶料起着搅拌混炼、热交换和塑化的作用。3-1

13、漏流流动示意图1机筒；2螺杆3-2 环流流动示意图1机筒；2螺杆图 3-3 顺流和逆流的综合速度分布（a）顺流；（b）逆流；（c）顺流和逆流的综合速度分布；1一机筒内壁；2螺杆；h一螺槽深度三胶料在机头内的流动状态胶料在机头内的流动，是指胶料在离开螺纹槽后，到达口型板之前的流动。胶料在螺杆螺纹槽中的流动是呈螺旋状前进的， 但从螺杆头端出来进入机头流道时， 料流形状发生了急骤的变化， 即由旋转运动变为直线运动， 而且由于胶料具有一定的粘性， 其流动速度在流道中心要比靠近机头内壁处快得多， 其速度分布呈抛物线状。机头压力： 在机头流道所形成的对物料的压力， 该压力在通过机头时， 逐渐下降。当物料挤

14、出口模时，下降为零。机头压力的成因： （ 1）由过滤网和过滤板的阻力形成； （ 2）由机头口模流道内壁摩擦及流道收缩而形成。机头的结构要使胶料在由螺杆到口型的整个流动方向上受到的推力和流动速度尽可能保持一致。为此，机头内的饿流道应呈流线型，无死角或停滞区，不存在任何湍流。四胶料在口型中的流动和压出膨胀1胶料在口型中的流动胶料经机头流道进入口型后，通过口型时受到更强烈的剪切塑化后挤出口型外。因此，口型内的流动状态及口型结构尺寸决定了制品的最终形状和质量。胶料是在机头所形成的流体静压力作用下流过口型的， 因此， 胶料在口型中的流动只表现为轴向运动。 由于口型厚度一般很薄， 胶料在口型中形成的压力梯

15、度很大。2压出膨胀胶料是粘弹性体， 当它流过口型时， 同时经历粘性流动和弹性变形。 胶料由机头进入口型时，一般是流道变窄，流速增大，在流动方向上形成速度梯度。这种速度使胶料产生拉伸弹性变形。 当口型流道较短时胶料拉伸变形来不及恢复， 压出后产生膨胀现象。（即压出物的直径大于口型直径，而轴向出现回缩）。压出膨胀量主要取决于胶料流动时可恢复变形量和松弛时间的长短。影响压出膨胀的因素：（ 1）工艺因素口型形状、口型（板厚度）壁长度、机头口型温度、压出速度等。（ 2）配方因素生胶和配合剂的种类、用量、胶料可塑性等。一般来说， 胶料可塑性小、 含胶率高、 压出速度快， 胶料、 机头和口型温度低时，压出物

16、的膨胀率（或收缩率）就大。五挤出机的生产能力根据流动分析，影响挤出机生产能力的是顺流Qd逆流Qp和漏流QL横流对挤出量没有影响， 但对挤出过程中物料的混合和热交换的作用却很大。 故挤出机的生产能力Q可表示为：（3-3）1螺杆特性曲线如果把胶料看成为牛顿型流体 （即粘度不随剪切应力和剪切速率变化） ， 在等温和层流条件下，不考虑螺纹侧壁的影响，可得出：（3-4 ）（3-5）（ 3-6 ）式中 N一螺杆转速，r/s ； P一螺杆末端胶料的压力（机头压力），Pan”一胶料粘度， Pa.s ；a、B、丫一随螺杆规格尺寸而变的系数，cm3因此，挤出机的压出量为:3-7)当胶料得粘度”一定，挤出机规格一定

17、（即a、屋丫为常数）时，由式（3-7）可知，压出量Q与螺杆的转速成正比，与机头压力成反比。将 QP乍图，得到一 直线，该直线表达了螺杆的几何特性，称为螺杆特性曲线。2机头特性曲线从螺杆输送来的胶料总要机头口型才能压出。 当胶料流过机头口型时， 可按流体力学在层流时的流量公式计算出压出量：（ 3-8 ）式中Q一通过机头口型的流量，cm3/min； P一机头压力，Pa；”一胶料粘度，Pa.s；k一机头口型系数，cm3,与机头，口型大小和形状有关。k值越大，机头口型阻 力越小。若胶料粘度一定，口型尺寸一定，则机头的流量与机头压力成正比。式（ 3-8 ）是一个直线方程，它表达了机头口型的特性，称为机头

18、特性曲线。采用式（ 3-7 ）和（ 3-8 ）作图，见图 3-4 ，当转速一定， k 一定时，两直线的交 点即为压出机的生产能力。图 3-4 螺杆和口模的特性曲线（牛顿流体）§ 3.3 口型设计一口型设计的一般原则（ 1）根据胶料在口型中的流动状态和压出变形分析，确定口型断面形状和压出半成品断面形状间的差异及半成品的膨胀程度； （ 2）口型孔径大小或宽度应与挤出机螺杆直径相适应，压出实心或圆形半成品时， 口型孔的大口宜为螺杆直径的 1/33/4 。 对于变平形的口型 （如胎面胶等） ，一般相当于螺杆直径的 2.53.5 倍。（ 3）口型要有一定的锥角，口型内端口型应大，出胶口端口径应

19、小。锥角大， 压出半成品光滑致密，但收缩率大。（ 4）口型内部应光滑，呈流线型，无死角，不产生涡流。（ 5）在有些情况下，为防止胶料焦烧，可在口型边部适当开流胶口（ 6）对硬度较高，焦烧时间短的胶料，口型应较薄；对于较薄的空心制品或再 生胶含量较多的制品，口型应厚。二口型的具体设计要掌握口型的设计首先要了解胶料的膨胀率。影响胶料膨胀率的因素很多：（ 1）胶种和配方：胶种不同，其挤出膨胀率不同；含胶率高挤出膨胀率大；无机填料膨胀率比炭黑小。（ 2）胶料可塑度：胶料可塑度越大，挤出膨胀率越小；（ 3）机头温度：机头温度高，挤出膨胀率小；（ 4）挤出速度：挤出速度快，膨胀率大；（ 5）半成品规格：半

20、成品规格大的，膨胀率小；（ 6）压出方法：胶管管坯采用有芯压出时，膨胀率比无芯压出时要小。由于影响压出膨胀的因素很多， 所以口型很难一次设计成功， 需要边试验、 边修 正，最后得到所需要的口型。（一）几何形状规则的制品（胶管、内胎、圆棒、方形条等）口型设计几何形规则的制品口型设计比较简单， 首先在规定的操作条件 （温度、 压出速度等）下，选一个接近制品尺寸的现有口型，用规定胶料压出一段坯料，计算出膨胀率， 由此膨胀率确定出新设计制品口型的尺寸， 然后按略小于此口型尺寸开模、试验、修模，直到符合设计要求。口型直径=（设计内径+制品壁厚x 2） /挤出膨胀率（二）几何形状不规则制品（胎面、异型胶条

21、等）的口型设计各部位的宽度和厚度除以膨胀率。§ 3.4 橡胶制品的压出工艺一热喂料压出工艺热喂料挤出工艺一般包括胶料、挤出冷却、裁断接取等工序。（一）胶料热炼和供胶热炼使混炼胶均匀性和热塑性进一步提高， 易于挤出， 并获得规格准确表面光滑 的制品。热炼分两步进行：第一步粗炼，辗温 45C,辗距12mm提高胶料的均匀性；第二步细炼， 辊温 6070， 辊距56mm， 增加胶料的热塑性。在供胶或喂料时应连续而且均匀， 以免造成供胶脱节或过剩， 经细炼后的胶料在供胶前不宜停放过长，以免影响热塑性。（二）压出操作中的主要工艺条件在挤出操作开始前，要按挤出机操作规程预热机筒、螺杆及机头口型。开

22、始供胶后， 要调节挤出机的转速、 口型位置和接取速度， 并测定和观察挤出半成品的尺寸、表面状态（光滑程度、有无气泡等）、厚薄均匀程度等，直至完全符合工艺要求的公差范围为止。挤出操作中的主要工艺条件：（ 1）胶料的可塑性供挤出用胶料的可塑度为 0.250.4 （冷喂料挤出为 0.30.5 ）。胶料可塑性小，则流动性不好，挤出后半成品表面粗糙、膨胀大；但可塑度太大，半成品缺乏挺性、容易变形。（ 2）挤出机温度：挤出机各段温度直接影响到挤出工艺的正常进行和制品的质量。 挤出机温度随不同部位不同胶料而有差异。挤出机一般以口型温度最高，机头次之，机筒最低。采用这种控温方法， 有利于机筒进料， 可获得表面

23、光滑、 尺寸稳定和收缩较小的挤出物。（ 3）挤出速度：挤出速度通常是以单位时间内挤出物料体积或质量来表示， 对一些固定产品， 也可用单位时间挤出长度来表示。 同一机台， 当挤出胶料中生胶含量低或挤出性能较好时，挤出速度可选取较高的范围，反之取低速范围。（ 4）挤出物的冷却：冷却的目的： 防止半成品存放时自硫；使胶料恢复一定的挺性，防止变形；使半成品冷却收缩定形。冷却方式： 喷淋和水槽冷却。 为防骤冷 （冷却程度不一导致变形不规则； 喷霜） ，常采用40左右的温水冷却，然后进一步降至2030。（三）挤出工艺过程1胎面的挤出工艺胎面胶采用挤出方法成型的优点： 胎面胶质量较高， 更换胎面尺寸规格比较

24、容易，劳动生产率高。胎面胶分为胎冠、胎冠基部层和胎侧三部分。胎面胶的挤出方法，可分为整体挤出和分层挤出两类。胎面整体挤出：（ 1）用一种胶料，在一台挤出机上用变平机头成型；（ 2）用两种胶料、两台挤出机、用复合机头挤出。两种胶料为胎冠料和胎侧（包括胎冠基部层）料，或胎冠（包括基部层）和胎侧料。分层挤出： 用两台挤出机、 两种胶料， 分别压出胎冠和胎侧 （包括胎冠基部层）在运输传送带上热贴合， 并经多圆盘活络辊压实为一整体。 目前生产上多采用此法。 此外， 还有采用三种胶料分别制造胎冠、 胎冠基部层和胎侧复合胎面的挤出方法（三方四块）。胎面分层压出联动装置一般包括挤出机及附属的热炼供胶装置、 胎

25、面的压出运输带、胎面贴合用多圆盘活络辊、标记辊、检查秤、收缩辊道、冷却水槽、吹风干燥器、胎面定长称量裁断装置、胎面堆放装置等。2滤胶工艺一般薄壁或质量要求高的制品， 要求去除胶料中的杂质， 以免影响制品的气密性和抗撕裂性。滤胶工艺中，胶料内不能加入硫黄、超速级促进剂，以防胶料温度过高时产生焦烧。胶料过滤前要在开炼机上热炼， 以增加热塑性。 热炼和供胶方法与一般挤出机相同。滤胶机各部分温度，机筒为4050，机头为6090，滤板处为6080。过滤后NR交料温度不超过130C,掺用30%SBRj胶料，也不超过140C。过滤后的胶料，可用开炼机压片降温，并按工艺要求加入硫黄和促进剂。二冷喂料挤出优点：

26、节省热炼设备，易于实现机械化、自动化，而且由于主机强化了螺杆的剪切及塑化作用， 使胶料获得均匀的温度和可塑度； 改善了挤出制品的质量， 提高了表面光洁度， 挤出半成品具有较稳定一致的尺寸规格； 冷喂料压出队压力的敏感性小；应用范围广，灵活性大；冷喂料挤出机的投资和生产费用较低。目前冷喂料挤出在电线、 电缆、 胶管等小规格制品挤出方面逐渐取代了热喂料挤出机。冷喂料挤出工艺与热喂料有所不同，加热前应先将各部位的温度调节到规定值。各部位常用温度如下：螺杆<35；加料段3550；塑化段4060；挤出段5070；机头和口型80100。冷喂料挤出常采用冷喂料排气挤出机，其特点是在挤出过程中排除胶料中

27、的气体，提高胶料的致密性，减少胶料中的气孔，降低胶料的挤出膨胀率。三.其它类型挤出机挤出随着橡胶工业的发展，目前又出现了很多特种用途的挤出机， 以满足橡胶生产的1W-0（一）排气式挤出机挤出该类挤出机的螺杆由加料段、第一计量段、排气段和第二计量段组成。由排气挤出机挤出的半成品，气孔少，产品密实。排气挤出机常与微波或盐浴硫 化设备组成连续硫化流水线，生产电线、电缆、密封条等挤出产品。（二）传递式螺杆挤出机挤出传递式螺杆挤出机又称为剪切式混炼挤出机，主要用于胶料的补充混炼，胎面压 出及压延机供胶。该挤出机的螺纹槽深度由大渐小乃至无沟槽， 而机筒上的槽由小至大，互相配合， 一般在挤出机上这样的变化有

28、24个区段。当螺杆转动时，胶料在螺杆与机筒的 槽沟内互相交替，不断更新对胶料的剪切面，致使胶料产生强烈的剪切作用，从 而导致十分有效的混炼效果。（三）挡板式螺杆挤出机挤出挡板式螺杆挤出机可用于快速大容量密炼机排料后补充混炼，也可以用于压出胎 面及最终混炼。挡板式螺杆挤出机的主要工作部分是一个带有横向挡板和纵向挡板的多头螺杆， 胶料在挤出过程中多次被螺纹和挡板进行分割、汇合、剪切、搅拌，完成混合作 用。（四）高强力型螺杆挤出机挤出（五）销钉型挤出机挤出销钉型挤出机装有穿过机筒并指向螺杆轴线的销钉。 该类挤出机由于胶料的流动 与传递均伴随着一个低的剪切梯度， 所以胶料的掺混程度与均匀现象特别好， 温 升也不太高。（六）槽穴式挤出机挤出槽穴式橡胶挤出机|在挤出机内有许多槽穴，胶料在挤出机内要经过许多槽穴， 挤出时胶料在挤出机内受到两种不同的作用。§ 3.5 压出半成品的收缩及质量问题一影响压出工艺的因素1生胶的组成与性质（ 1）适当选择生胶品种，在常用的橡胶品种中，SBR、 CR、 IIR 的收缩率都大于NR和 BR（ 2）加入补强填充剂，降低生胶含胶率，减少胶料的弹性变形。炭黑粒径的大小对胶料的收缩率无影响， 而结构性和用量对收缩率有显著的影响。 炭黑的结构性越高、用量越大，压出收缩率越小；补强性低的各向异性的粒子（如陶土、碳酸镁等）压出收缩率也小。（ 3）在胶