第六章挤出成型

1、聚合物成型原理与工艺聚合物成型原理与工艺各章内容各章内容第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 聚合物的流变性质聚合物的流变性质 第三章第三章 聚合物流体在管和槽中的流动聚合物流体在管和槽中的流动 第四章第四章 聚合物加工过程中的结构变化聚合物加工过程中的结构变化第五章第五章 成型物料的配置成型物料的配置 第六章第六章 挤出成型挤出成型 第七章第七章 注塑成型注塑成型 第八章第八章 其它成型方法其它成型方法 第六章第六章 挤出成型挤出成型Back6.1 概述概述6.2 挤出机的基本结构挤出机的基本结构 6.2.1 单螺杆挤出机单螺杆挤出机 6.2.2 双螺杆挤出机双螺杆挤出机 6.2.3 单双螺杆

2、性能比较单双螺杆性能比较 6.2.4 其他挤出机其他挤出机 6.2.5 机头和口模机头和口模6.3 挤出原理挤出原理 6.3.1 单螺杆挤出原理单螺杆挤出原理 6.3.1.1 螺杆的几何参数螺杆的几何参数 6.3.1.2 加料段的固体输送理论加料段的固体输送理论 6.3.1.3 压缩段的熔融理论压缩段的熔融理论 6.3.1.4 均化段的熔体输送理论均化段的熔体输送理论 6.3.2 双螺杆挤出原理双螺杆挤出原理6.4几种制品的挤出工艺几种制品的挤出工艺 6.4.1 管材的挤出管材的挤出 6.4.2 吹塑薄膜的挤出吹塑薄膜的挤出 6.4.3 异型材的挤出异型材的挤出 6.4.4 板材的挤出板材的挤

3、出6.1 概述概述 挤出是塑料制品的重要成型方法之一。挤出是塑料制品的重要成型方法之一。 挤出通常是将挤出通常是将粉料或粒状粉料或粒状等形态的塑料通过挤出机的等形态的塑料通过挤出机的料斗加入到加热的料筒中，在料斗加入到加热的料筒中，在螺杆或柱塞的螺杆或柱塞的作用下，塑料作用下，塑料沿螺槽或料筒向前移动，并逐渐沿螺槽或料筒向前移动，并逐渐熔融而成为粘流体熔融而成为粘流体，然后，然后通过设置在料筒端部的通过设置在料筒端部的机头口模形成截面与口模形状机头口模形成截面与口模形状相仿相仿的连续体，最后经的连续体，最后经冷却定型冷却定型，便可得到所需形状的制品。，便可得到所需形状的制品。SJY-Z系列塑料

4、挤出异型材生产线系列塑料挤出异型材生产线 用挤出生产的塑料制用挤出生产的塑料制品主要有品主要有管材、棒材、板管材、棒材、板材、异型材、薄膜、单丝、材、异型材、薄膜、单丝、扁带、电线电缆和网扁带、电线电缆和网以及以及配上相应的辅机还可生产配上相应的辅机还可生产各类中空制品、编织袋等各类中空制品、编织袋等制品。制品。 挤出机组由挤出机主挤出机组由挤出机主机、机头口模和辅机等组机、机头口模和辅机等组成。成。 Back挤出产品挤出产品6.2 挤出机的基本结构挤出机的基本结构 挤出机是由挤出机是由挤出装置挤出装置(螺杆和料筒螺杆和料筒)、传动装置、加热冷却、传动装置、加热冷却系统系统等组成。挤出机主要有

5、单螺杆挤出机和双螺杆挤出机。等组成。挤出机主要有单螺杆挤出机和双螺杆挤出机。图图6-2 SJSZ系列锥形双螺杆挤出机系列锥形双螺杆挤出机 图图6-1 SJ系列塑料单螺杆挤出机系列塑料单螺杆挤出机 Back 挤出机的分类挤出机的分类 挤出机的分类：随着挤出机用途的增挤出机的分类：随着挤出机用途的增加，出现了各种挤出机，分类方法很加，出现了各种挤出机，分类方法很多。多。 1 1、 按螺杆数目的多少，可以分为单按螺杆数目的多少，可以分为单螺杆挤出机和多螺杆挤出机；螺杆挤出机和多螺杆挤出机； 2 2、 按可否排气，分为排气挤出机和按可否排气，分为排气挤出机和非排气挤出机；非排气挤出机； 3、 按螺杆的

6、有无按螺杆的有无， 可分为螺杆挤出机和无螺杆挤出机； 4、 按螺杆在空间的位置按螺杆在空间的位置， 可分为卧式挤出机和立式挤出机。 最常用的是卧式单螺杆非排气挤出机卧式单螺杆非排气挤出机。 6.2.1 单螺杆挤出机单螺杆挤出机 单螺杆挤出机是由一根阿基米德螺杆在加热的料筒单螺杆挤出机是由一根阿基米德螺杆在加热的料筒中旋转构成的。单螺杆挤出机的大小一般用中旋转构成的。单螺杆挤出机的大小一般用螺杆直径螺杆直径表示，表示，其基本结构包括：其基本结构包括：传动装置、加料装置、料筒和螺杆传动装置、加料装置、料筒和螺杆等几等几个部分。见图个部分。见图6-3 图图6-3 单螺杆挤出机结构单螺杆挤出机结构1-

7、电动机；电动机；2-减速装置；减速装置； 3-冷却水入口；冷却水入口；4-冷却水夹套；冷却水夹套；5-料斗；料斗；6-加热器；加热器；7-螺杆；螺杆；8-料筒；料筒；9-粗滤器；粗滤器；10-机头口模；机头口模；11-机座机座传动装置传动装置加料装置加料装置料筒料筒 传动装置是带动螺杆转动的部分，通常由传动装置是带动螺杆转动的部分，通常由电动机、电动机、减速机构和轴承减速机构和轴承组成。组成。 现代挤出机的传动装置都采用现代挤出机的传动装置都采用无级调速无级调速。以满足螺。以满足螺杆变速的要求。无级调速方法有：换向器电动机或直流杆变速的要求。无级调速方法有：换向器电动机或直流电动机：齿轮传动的

8、无级变速装置；传动装置及电动机电动机：齿轮传动的无级变速装置；传动装置及电动机变频调速等。变频调速等。 加料装置都采用加料装置都采用料斗料斗。料斗的容量最好能容纳一小时的用。料斗的容量最好能容纳一小时的用料。料斗内应有切断料流、标定料量和卸除余料等装置。较料。料斗内应有切断料流、标定料量和卸除余料等装置。较好的料斗还设有定时、定量供料及干燥等装置。好的料斗还设有定时、定量供料及干燥等装置。 料筒是挤出机主要部件之一，塑料的塑化和加压过程料筒是挤出机主要部件之一，塑料的塑化和加压过程都在其中进行。挤出时料筒的压力可达都在其中进行。挤出时料筒的压力可达55MPa，工作温，工作温度度180300 。

9、 排气、加热、冷却、耐磨、耐腐蚀等。排气、加热、冷却、耐磨、耐腐蚀等。螺杆螺杆 螺杆是挤出机的关键部件。螺杆是挤出机的关键部件。 通过它的转动，料筒内的塑料才能发生移动，得到通过它的转动，料筒内的塑料才能发生移动，得到增压和产生部分的热量增压和产生部分的热量( (摩擦热摩擦热) )。 螺杆的几何参数，如直径、长径比、各段长度比例螺杆的几何参数，如直径、长径比、各段长度比例及螺槽深度等，对螺杆的工作特性均有重大的影响。见及螺槽深度等，对螺杆的工作特性均有重大的影响。见图图6-46-4。计量段计量段压缩段压缩段送料段送料段H1seH3DL图图6-4 螺杆示意图螺杆示意图H1-加料段螺槽深度加料段螺

10、槽深度 H3-计量段螺槽深度计量段螺槽深度 D-螺杆直径螺杆直径 - -螺旋角螺旋角 L-螺杆长度螺杆长度 e-螺棱宽度螺棱宽度 s一螺距一螺距螺杆的直径螺杆的直径(D)(D)和长径比和长径比(L/D)(L/D) 螺杆直径是螺杆基本参数之一。指螺杆外径，螺杆直径是螺杆基本参数之一。指螺杆外径，用用D D表示，单位毫米。它取决于制品的形状大小表示，单位毫米。它取决于制品的形状大小及生产率。挤出机的规格常用螺杆的外径表示；及生产率。挤出机的规格常用螺杆的外径表示；另外，螺杆的其它参数如长度、螺槽深度和螺棱另外，螺杆的其它参数如长度、螺槽深度和螺棱宽度与直径有关。宽度与直径有关。 长径比长径比(L/

11、D)(L/D)是螺杆的有效长度是螺杆的有效长度(L)(L)与其直径与其直径之比，它是表征螺杆特性的另一重要参数。之比，它是表征螺杆特性的另一重要参数。螺杆各段的功能螺杆各段的功能 通用螺杆有通用螺杆有加料、压缩和计量加料、压缩和计量三个段，有时称为标准三个段，有时称为标准螺杆或计量型螺杆。它的螺纹螺杆或计量型螺杆。它的螺纹( (旋旋) )角为角为17.617.6、螺距等于、螺距等于直径的螺杆。直径的螺杆。加料段加料段 从入口开始，长度为从入口开始，长度为48D，螺槽很深，螺槽很深，(H1)为为0.100.15D。 该段为固体输送，该段为固体输送，其主要功能是从加料斗攫取物料传送给其主要功能是从

12、加料斗攫取物料传送给压缩段，同时使物料受热。压缩段，同时使物料受热。 为使物料得到最好的输送为使物料得到最好的输送：减少物料与螺杆的摩擦而增大物料减少物料与螺杆的摩擦而增大物料与料筒的切向摩擦，并在螺杆中心与料筒的切向摩擦，并在螺杆中心通水冷却。通水冷却。 压缩段压缩段 压缩段，又称过渡段，是螺杆中部的一段。压缩段，又称过渡段，是螺杆中部的一段。 主要功能：主要功能：将粒状固体逐渐压实并软化为连续的熔体。将粒状固体逐渐压实并软化为连续的熔体。同时还将夹带的空气向加料段排出，此外还有使物料受热和同时还将夹带的空气向加料段排出，此外还有使物料受热和前移前移 。 螺杆设计：螺杆设计：通常使这一段螺槽

13、深度通常使这一段螺槽深度逐渐减小逐渐减小，直至计量，直至计量段的螺槽深度段的螺槽深度(H3)。这样，既有利于制品的质量，也有利于。这样，既有利于制品的质量，也有利于物料的升温和熔化。物料的升温和熔化。 压缩比：压缩比：将加料段一个螺槽的容积与计量段一个螺槽容将加料段一个螺槽的容积与计量段一个螺槽容积之比称为螺杆的压缩比。对于等螺距螺杆，压缩比为积之比称为螺杆的压缩比。对于等螺距螺杆，压缩比为H1/H3，其值为，其值为24。 计量段，又称均化段，长度为计量段，又称均化段，长度为610D。螺槽比较浅，深。螺槽比较浅，深度为度为0.020.06D。 主要功能：使熔体进一步主要功能：使熔体进一步塑化均

14、匀，并使料流定量、定塑化均匀，并使料流定量、定压由机头和口模的流道挤出压由机头和口模的流道挤出。计量段计量段 螺旋角的大小与物料的形状有关。螺旋角的大小与物料的形状有关。 30的螺旋角最适合于细粉状塑料；的螺旋角最适合于细粉状塑料； 15左右适合于方块料；左右适合于方块料； 17 左右则适合于球、柱状料。左右则适合于球、柱状料。 根据公式推导，螺旋角为根据公式推导，螺旋角为30时产率最高。但从制时产率最高。但从制造考虑，通常以螺距等于直径的最易加工，这时螺旋角造考虑，通常以螺距等于直径的最易加工，这时螺旋角为为17.6 ，而且对产率的影响不大，螺杆的螺旋方向一，而且对产率的影响不大，螺杆的螺旋

15、方向一般为般为右旋右旋。 螺棱的宽度一般为螺棱的宽度一般为0.080.12D，但在螺槽的底部，但在螺槽的底部则较宽，其根部应用圆弧过渡。则较宽，其根部应用圆弧过渡。螺杆上的螺旋角和螺棱宽度螺杆上的螺旋角和螺棱宽度(e)(e) 螺杆头部的形状对成型加工也有影响。螺杆头部的形状对成型加工也有影响。 一般，螺杆头部呈一般，螺杆头部呈钝尖的锥形钝尖的锥形，以避免物料在螺杆，以避免物料在螺杆头部停滞过久而引起分解。头部停滞过久而引起分解。 鱼雷头或平准头形：鱼雷头或平准头形：它与料筒的间隙通常小于它前它与料筒的间隙通常小于它前面螺槽的深度，其表面也可开成沟槽或滚成特殊的花纹。面螺槽的深度，其表面也可开成

16、沟槽或滚成特殊的花纹。这种螺杆对塑料的混合和受热都会产生良好的效果，被这种螺杆对塑料的混合和受热都会产生良好的效果，被用来用来挤压粘度大、导热性不良或熔点较为明显挤压粘度大、导热性不良或熔点较为明显的塑料。的塑料。螺杆头部的形状螺杆头部的形状Back6.2.2 双螺杆挤出机双螺杆挤出机 双螺杆挤出机是指在一根两相连孔道组成双螺杆挤出机是指在一根两相连孔道组成“”截面的料筒内截面的料筒内由两根相互啮合或相切的螺杆所组成的挤出装置；由两根相互啮合或相切的螺杆所组成的挤出装置； 双螺杆挤出机由双螺杆挤出机由传动装置、加料装置、料筒和螺杆传动装置、加料装置、料筒和螺杆等几部分等几部分组成。组成。 图图

17、6-5 双螺杆挤出机示意图双螺杆挤出机示意图1- -连接器连接器 2- -过滤器过滤器 3- -料筒料筒 4- -螺杆、螺杆、5- -加热器加热器6- -加料器加料器 7- -支座支座 8- -上推轴承上推轴承 9- -减速器减速器 10- -电动机电动机最重要的差别是螺杆结构的设计最重要的差别是螺杆结构的设计 一、两根螺矸是啮合的还是非啮合的；一、两根螺矸是啮合的还是非啮合的； 二、在啮合型双螺杆中，螺杆是同向转动，还是反向转动；二、在啮合型双螺杆中，螺杆是同向转动，还是反向转动； 三、螺杆是圆柱形三、螺杆是圆柱形( (平行双螺杆平行双螺杆) )还是锥形；还是锥形； 四、实现压缩比的途径：四

18、、实现压缩比的途径：变动螺纹的高度或导程。变动螺纹的高度或导程。螺杆根螺杆根径由小变大或外径由大变小。径由小变大或外径由大变小。螺纹的头数由单头变成二头或三头；螺纹的头数由单头变成二头或三头； 五、螺杆是整体的还是组合的。五、螺杆是整体的还是组合的。 因此，双螺杆挤出机的螺杆结构要比单螺杆挤出机的复杂得多。因此，双螺杆挤出机的螺杆结构要比单螺杆挤出机的复杂得多。图图6-6生产聚氯乙烯管材的双螺杆挤出机的功能区生产聚氯乙烯管材的双螺杆挤出机的功能区垂直加料器垂直加料器混合混合均化均化凝胶化凝胶化压力的压力的建立建立排气排气约约束束预输送预输送凝胶化凝胶化压力的压力的建立建立剪切剪切混合混合输送输

19、送进料进料加热供给能量加热供给能量 Colombo型双螺杆型双螺杆 图图6-5 所示的最早的双螺杆，螺杆分为三段，每一分段有一混所示的最早的双螺杆，螺杆分为三段，每一分段有一混合室，加料段的外径和螺距为最大，压缩段次之，均化段为最小，合室，加料段的外径和螺距为最大，压缩段次之，均化段为最小，从而组成压缩比。从而组成压缩比。 图图6-6 根据加工硬聚氯乙烯管材的需要，已开发出具有多种功根据加工硬聚氯乙烯管材的需要，已开发出具有多种功能能(进料、剪切、混合、排气和均化等进料、剪切、混合、排气和均化等)的双螺杆挤出机。的双螺杆挤出机。锥形双螺杆锥形双螺杆 挤出机是向外反向转动的。从加料段到计量段，螺

20、杆的外径和挤出机是向外反向转动的。从加料段到计量段，螺杆的外径和根径均匀地由大到小。通过螺杆各部分的长度、螺纹头数、螺槽数、根径均匀地由大到小。通过螺杆各部分的长度、螺纹头数、螺槽数、螺棱宽度、螺棱形状等的变化，实现对物料的输送、压缩、排气、螺棱宽度、螺棱形状等的变化，实现对物料的输送、压缩、排气、混合与塑炼。混合与塑炼。图图6-7 Anger型锥形双螺杆型锥形双螺杆(a) “单单”锥型螺杆系统锥型螺杆系统(b)” 双双”锥型螺杆系统锥型螺杆系统 它是由不同数目的具有不同功能的螺杆元件它是由不同数目的具有不同功能的螺杆元件(输送、剪切、混输送、剪切、混合、压缩和捏合等元件合、压缩和捏合等元件)

21、按一定要求和顺序装到带导键或三角形芯按一定要求和顺序装到带导键或三角形芯轴上组合而成的，它可以连续输送、塑化、均化、加压、排气，以轴上组合而成的，它可以连续输送、塑化、均化、加压、排气，以灵活适应特定用途。灵活适应特定用途。组合型双螺杆组合型双螺杆非啮合型双螺杆非啮合型双螺杆图图6-8 ZSK型双螺杆型双螺杆 它在结构上类似于两根平行单螺杆在料筒中转动，但两根螺它在结构上类似于两根平行单螺杆在料筒中转动，但两根螺杆反向转动并相切。按照整体结构又可分为单阶和双阶两种形式。杆反向转动并相切。按照整体结构又可分为单阶和双阶两种形式。表表 双螺杆挤出机的类型和用途双螺杆挤出机的类型和用途啮合型挤出机同

22、向转动挤出机低速挤出机(型材挤出)高速挤出机(配料、脱气)反向转动挤出机锥形挤出机(型材挤出)圆柱形挤出机(型材挤出)非啮合型挤出机反向转动挤出机(配料)同轴挤出机(挤出)6.2.3 单、双螺杆性能的比较单、双螺杆性能的比较双螺杆挤出机的优点双螺杆挤出机的优点(1) 物料停留时间短物料停留时间短(2) 摩擦热小，温度易于控制。摩擦热小，温度易于控制。(3) 输送效率高，挤出稳定性好。输送效率高，挤出稳定性好。(4) 良好的自洁作用。良好的自洁作用。(5) 容易加料，排气性好，低的功率消耗。容易加料，排气性好，低的功率消耗。(6) 严格控制定量加料。严格控制定量加料。Back0nQ0nt0nP0

23、PQ双双双双单单单单(高)单(低)图图6-9 单、双螺杆性能的比较单、双螺杆性能的比较Q-产量；产量；t-物料温度；物料温度；P-机头口膜压力；机头口膜压力；n-螺杆转速螺杆转速Back6.2.3 其他挤出机其他挤出机(1) 多螺杆挤出机多螺杆挤出机(2) 注塞式挤出机注塞式挤出机 行星挤出机能耗低、停留时间短、物料接触面积大有利于热交行星挤出机能耗低、停留时间短、物料接触面积大有利于热交换、防止降解，适用于热敏性塑料。换、防止降解，适用于热敏性塑料。 四螺杆时挤出机主要用于聚合物溶液挤出，有利于排除溶剂。四螺杆时挤出机主要用于聚合物溶液挤出，有利于排除溶剂。行星齿轮段行星齿轮段图图6-10

24、行星辊式挤出机行星辊式挤出机图图6-11 四螺杆挤出机四螺杆挤出机Back 口模是装在挤出机末端的有孔部件，它使挤出物形成规定的横口模是装在挤出机末端的有孔部件，它使挤出物形成规定的横截面形状。截面形状。 筛板也是口模组合装置的组成部分，它是由多孔圆板组成，并筛板也是口模组合装置的组成部分，它是由多孔圆板组成，并安装在料筒和口模体之间。安装在料筒和口模体之间。 筛板的主要作用是使物料由旋转运动变为直线运动，增加反压、筛板的主要作用是使物料由旋转运动变为直线运动，增加反压、支撑过滤网等。支撑过滤网等。 过滤网的作用是过滤熔融料流和增加料流阻力，以滤去机械杂过滤网的作用是过滤熔融料流和增加料流阻力

25、，以滤去机械杂质和提高混合或塑化效果。质和提高混合或塑化效果。 口模一般由口模分配腔、引流道和口模成型段口模一般由口模分配腔、引流道和口模成型段(模唇模唇)这三个功能这三个功能各异的几何区组成各异的几何区组成(图图6-12)。6.2.5 机头和口模机头和口模图图6-12 挤片口模的结构挤片口模的结构 1-分配腔分配腔 2-引流道引流道 3-模唇模唇 4-模唇调节器模唇调节器 5-扼流棒扼流棒 用于挤出塑料圆棒、单丝和造粒等，具有圆形出口的横截面，用于挤出塑料圆棒、单丝和造粒等，具有圆形出口的横截面，这就是圆孔口模。典型的一维流动。若圆孔平直部越短，则熔体的离这就是圆孔口模。典型的一维流动。若圆

26、孔平直部越短，则熔体的离模膨胀越大。图模膨胀越大。图6-13单丝口模。单丝口模。(1) 圆孔口模圆孔口模图图6-13 单丝口模单丝口模1-熔体入口熔体入口 2-分流管分流管 3-喷丝孔喷丝孔 用挤出法生产平膜用挤出法生产平膜(厚度小于厚度小于0.25mm)和片材和片材(厚度大于厚度大于0.25mm)的口模，在其出口都具有狭缝形的横截面。根据分配腔的几何形状不的口模，在其出口都具有狭缝形的横截面。根据分配腔的几何形状不同，扁平口模可分成直支管式口模同，扁平口模可分成直支管式口模(T型口模型口模)、鱼尾形口模、鱼尾形口模(扇形口模扇形口模)和衣架式口模三种和衣架式口模三种(图图6-14)。(2)

27、扁平口模扁平口模图图6-14 扁平口模扁平口模 1-直支管式口模直支管式口模 2-鱼尾形口模鱼尾形口模 3衣架式口模衣架式口模 用于挤出管子、管状薄膜、吹塑用型坯和涂布电线的口模，在用于挤出管子、管状薄膜、吹塑用型坯和涂布电线的口模，在其出口都具有环形截面，这类口模称为环形口模。这种环形流道是由其出口都具有环形截面，这类口模称为环形口模。这种环形流道是由口模套和芯模组成的。根据口模套与芯模间的连接形式不同，可分为口模套和芯模组成的。根据口模套与芯模间的连接形式不同，可分为支架式口模、直角式口模、螺旋芯模式口模和储料缸式口模等，如图支架式口模、直角式口模、螺旋芯模式口模和储料缸式口模等，如图6-

28、15。(3) 环形口模环形口模 图图6-15 环形口模环形口模 A-支架式支架式 B-直角式直角式 C-螺旋芯模式螺旋芯模式 D-储料缸式储料缸式 异形口模用于挤出异形制品异形口模用于挤出异形制品(或称型材或称型材)。 由于聚合物熔体具有粘弹性，加之壁厚不一定均匀和边界条件由于聚合物熔体具有粘弹性，加之壁厚不一定均匀和边界条件的复杂，要分析异形口模中的流变行为，并用以指导口模设计是很困的复杂，要分析异形口模中的流变行为，并用以指导口模设计是很困难的。因此，异形口模设计目前主要还是靠经验，反复修模，以达到难的。因此，异形口模设计目前主要还是靠经验，反复修模，以达到所需制品的形状。所需制品的形状。

29、(4) 异形口模异形口模 图图512 异形口模异形口模 A板式口模板式口模 B流线型口模流线型口模 Back6.3 挤出原理挤出原理 在挤出成型过程中，物料通过螺杆和口模时，在挤出成型过程中，物料通过螺杆和口模时，其状态的变化、流动规律对加工的生产率、质量和其状态的变化、流动规律对加工的生产率、质量和能量消耗具有重要作用。能量消耗具有重要作用。 基础理论是一门较新的科学，发展较晚。直到基础理论是一门较新的科学，发展较晚。直到20世纪世纪50年代末才有可喜的突破。年代末才有可喜的突破。 单螺杆基础理论可按单螺杆基础理论可按固体输送固体输送、熔化和熔体输熔化和熔体输送送三个过程进行分析，机理比较复

30、杂，至今仍在不三个过程进行分析，机理比较复杂，至今仍在不断研究和发展。断研究和发展。 5.3.1 单螺杆挤出原理单螺杆挤出原理挤出过程：挤出过程：加料加料在螺杆中熔融塑化在螺杆中熔融塑化机头口模挤出机头口模挤出定型定型冷却冷却牵引牵引切割切割单螺杆挤出机的组成 普通螺杆结构参数，见图普通螺杆结构参数，见图6-13 5.3.1.1 螺杆的几何参数螺杆的几何参数D-螺杆直径；螺杆直径； L/D-长径比；长径比；H1和和H3-螺槽深度；螺槽深度；S-螺距；螺距；i-螺纹头数；螺纹头数；B-螺槽轴向宽度螺槽轴向宽度 。图图6-13 普通螺杆的基本结构普通螺杆的基本结构DsH3eA-A旋转旋转erRtB

31、H1L1L2L3LDs-螺杆外径螺杆外径(一般的螺杆直径一般的螺杆直径)；Dg-螺杆根径；螺杆根径；D-螺杆平均直径。螺杆平均直径。L1-加料段长度加料段长度L2-压缩段长度压缩段长度L3-计量段长度计量段长度图图6-14螺纹参数与展开图螺纹参数与展开图t-导程；导程；e- 螺棱轴向宽度；螺棱轴向宽度； e- 螺棱法向宽度；螺棱法向宽度；W-螺槽法向宽度；螺槽法向宽度；Z-螺纹沿螺槽方向展开的长度；螺纹沿螺槽方向展开的长度；b、s分别表示螺杆外径和螺杆根径。分别表示螺杆外径和螺杆根径。bbDttgeiteitBWbbbbbcoscoscosbbbbDtZcossin螺杆参数之间的关系：螺杆参数

32、之间的关系： 1956年开始对固体输送进行研究。达年开始对固体输送进行研究。达涅耳涅耳(Darnell)和莫耳和莫耳(Mol)根据固体对固体根据固体对固体的摩擦平衡建立了固体输送理论，称为达的摩擦平衡建立了固体输送理论，称为达涅耳涅耳-莫耳理论。莫耳理论。 C. I. Chung 1970年提出年提出能量平衡理论。能量平衡理论。W. Tedder1971年提出黏性年提出黏性牵附理论。牵附理论。 5.3.1.2 加料段的固体输送理论加料段的固体输送理论达涅耳达涅耳- 莫耳理论的假设莫耳理论的假设 固体输送段中的物料是已被压实的无内变形固体输送段中的物料是已被压实的无内变形的固体塞，同时充满于整个

33、螺槽中；的固体塞，同时充满于整个螺槽中； 固体塞所受的压力仅沿螺槽方向有变化；固体塞所受的压力仅沿螺槽方向有变化；摩擦因数是一个常数，但在螺杆和机筒表面摩擦因数是一个常数，但在螺杆和机筒表面的摩擦因数可以是不同的，作用于固体塞上的摩的摩擦因数可以是不同的，作用于固体塞上的摩擦力符合库伦定律擦力符合库伦定律F=fP(式中：式中：F-摩擦力；摩擦力；f-摩擦摩擦因数因数; P正压力正压力)； 忽略固体塞密度的变化以及忽略螺槽中物料忽略固体塞密度的变化以及忽略螺槽中物料的重力和忽略螺棱顶面与机筒间隙的影响；的重力和忽略螺棱顶面与机筒间隙的影响； 加料段螺槽截面为矩形，且槽深不变。加料段螺槽截面为矩形

34、，且槽深不变。固体输送的计算固体输送的计算 固体塞整体在旋转的螺杆和固定的机筒的作用下，向固体塞整体在旋转的螺杆和固定的机筒的作用下，向螺杆挤出方向运动，固体塞单元的运动分析见图螺杆挤出方向运动，固体塞单元的运动分析见图6-15。 图图6-15 固体塞运动分析固体塞运动分析 v1螺杆转动切线速螺杆转动切线速度；度； v2固体塞沿螺槽前固体塞沿螺槽前进的相对速度；进的相对速度； v3是是v1和和v2的矢量合，的矢量合，固体塞相对机筒的速度；固体塞相对机筒的速度； vL是沿螺杆前进的是沿螺杆前进的速度，是速度，是v3的分量。的分量。 固体塞的输送角固体塞的输送角 n为螺杆转数为螺杆转数 F为垂直于

35、为垂直于vL的的螺槽流道截面积螺槽流道截面积 图图6-16螺杆横截面图螺杆横截面图sin4122HeiDDFsb sin4122HeiDDtgtgtgtgnDFvQsbbbbL11224HDHDDbsbeHDiWbsin1eWWtgtgtgtgHDnHDFvQbbbbL112因为：因为：整理得：整理得：固体塞输送理论的基本方程固体塞输送理论的基本方程固体输送速率固体输送速率Q ：FvQLnDvb1bbbbbLtgtgtgtgnDtgtgtgtgvv1 Q与与n和和H1成正比，而与螺杆直径接近平方的关系。这种关成正比，而与螺杆直径接近平方的关系。这种关系与实验结果相近。系与实验结果相近。当螺纹宽

36、度很小时：当螺纹宽度很小时：bbbbtgtgtgtgHDnHDQ112eWWtgtgtgtgHDHDnQbbbb112bbbbtgtgtgtgHDHDnQ112若用比流速若用比流速(螺杆每转一转的流率螺杆每转一转的流率)来表示得：来表示得：公式公式 式中：式中：固体塞的输送角固体塞的输送角(前进角前进角) 输送角输送角(或前进角或前进角)是前面公式中是前面公式中的一个参数，需想办法求得。的一个参数，需想办法求得。 对螺槽中截取的固体塞微元进行对螺槽中截取的固体塞微元进行受力分析，将输送过程视为匀速运动，受力分析，将输送过程视为匀速运动，通过力和力矩平衡求得通过力和力矩平衡求得角。角。图图6-1

37、7固体塞微块受力分析固体塞微块受力分析sbsbbbssbbbsbctgDDKfWfWctgDDKffWHKsinsin2sincos101lnsin1PPctgDDKfZHWWbbbssincoscossinssbffDDKMKsincos简写式：简写式： M为上面的后三项的总和。第一项为固体塞与螺纹的前缘为上面的后三项的总和。第一项为固体塞与螺纹的前缘和后缘两侧的摩擦影响；第二项为固体塞对螺杆和料筒摩擦的和后缘两侧的摩擦影响；第二项为固体塞对螺杆和料筒摩擦的影响；第三项为固体塞所受压力变化的影响。影响；第三项为固体塞所受压力变化的影响。固体塞输送理论的基本方程固体塞输送理论的基本方程方程式连

38、接方程式连接1；方程式连接；方程式连接2方程式连接方程式连接3 图图6-18输送角的计算图输送角的计算图K(作用在固体塞上的力比作用在固体塞上的力比)M(螺杆的几何项螺杆的几何项)根据计算的根据计算的M和和K可查图可查图6-186-18，获得，获得。MKsincos根据：根据：可得：可得：2221K1sinKMKM对固体输送理论方程中的某些因素的讨论对固体输送理论方程中的某些因素的讨论 当当 =0时，时，Q=0，说明固体塞的绝对速度，说明固体塞的绝对速度v3沿螺杆圆周切线方向，沿螺杆圆周切线方向，它同螺杆一齐转动，而不沿螺杆轴向前进。它同螺杆一齐转动，而不沿螺杆轴向前进。 要提高固体输送率要提

39、高固体输送率Q，就要尽量增大输送角，就要尽量增大输送角。 为了进一步深入理解固体输送理论的基本方程式，现作如为了进一步深入理解固体输送理论的基本方程式，现作如下的讨论。下的讨论。(A) 输送角输送角的讨论的讨论 当螺杆参数一定时，输送角当螺杆参数一定时，输送角是影响生产率的重要因素。输送是影响生产率的重要因素。输送角角是螺杆结构参数、摩擦因数以及压力这些因素的函数。是螺杆结构参数、摩擦因数以及压力这些因素的函数。 (B) 摩擦因数摩擦因数f 的讨论的讨论 当当增大时，意味着增大时，意味着M值下降，值下降，K值下降。值下降。这说明塑料对螺杆的这说明塑料对螺杆的摩擦因数摩擦因数fs应尽量小。而塑料

40、对机筒的摩擦因数应尽量小。而塑料对机筒的摩擦因数fb应尽量大。应尽量大。a 控制螺杆与机筒的表面加工控制螺杆与机筒的表面加工b 控制螺干与机筒的温度控制螺干与机筒的温度 (D) 物料压力的讨论物料压力的讨论A为复杂表示式为复杂表示式 上式说明，加料段落槽中任一点压力上式说明，加料段落槽中任一点压力p随流道长度随流道长度Zb成指数成指数关系增长，与第一个螺槽中的起始压力关系增长，与第一个螺槽中的起始压力p0成正比。但若成正比。但若p0=0时，时，仍能建立起压力。仍能建立起压力。(C) 螺旋升角螺旋升角 的讨论的讨论bbtgtgtgtg当当最大时，固体输送率最大时，固体输送率Q达到最大值。达到最大

41、值。例如：当例如：当Db=50mm，H1=10mm，fs=fb=0.250.50，压力无变化。，压力无变化。当螺旋当螺旋 升角升角 =1720之间时，之间时，Q最大。最大。根据固体塞输送理论的基本方程，可获得：根据固体塞输送理论的基本方程，可获得：bZAppexp0 固体输送段消耗的功率是比较大的，有时可以达到整个螺杆固体输送段消耗的功率是比较大的，有时可以达到整个螺杆消耗功率的消耗功率的60左右。因此，对它研究也是固体输送理论的一个重左右。因此，对它研究也是固体输送理论的一个重要内容。要内容。 为推导能量消耗的关系式，假定螺杆静止而机筒旋转，这时为推导能量消耗的关系式，假定螺杆静止而机筒旋转

42、，这时只有一个外力只有一个外力(即固体塞作用在机筒上的摩擦力即固体塞作用在机筒上的摩擦力)作用在机筒上，这作用在机筒上，这个力与图个力与图6-17中的中的F1大小相等而方向相反。大小相等而方向相反。 F1=pfbWbdzb 由此，机筒旋转所消耗的能量便是该力乘以机筒运动速度在由此，机筒旋转所消耗的能量便是该力乘以机筒运动速度在该力方向的速度分量。该力方向的速度分量。 固体输送段的功率消耗固体输送段的功率消耗pdzWfnDdebbbbWcos对上式从对上式从0到到Zb范围进行积分得在长度为范围进行积分得在长度为Zb上的总能量消耗。上的总能量消耗。cosbmbbbWZpWfnDe00lnppppp

43、m式中的式中的pm为为:对数平均压力对数平均压力 由此可见，固体输送段能量的消耗正比于压力由此可见，固体输送段能量的消耗正比于压力pm、转速、转速n和摩和摩擦因数擦因数fb。总能量消耗包括四项：。总能量消耗包括四项： A 物料与机筒表面因摩擦作用而消耗的能量物料与机筒表面因摩擦作用而消耗的能量ewb B 物料与螺杆根径表面因的摩擦作用而消耗的能量物料与螺杆根径表面因的摩擦作用而消耗的能量ews C 两螺棱侧面上所消耗的能量两螺棱侧面上所消耗的能量ewf D 由于压力上高而消耗的能量由于压力上高而消耗的能量ewp.cosbmbbbWpWfWsWbWZpWfnDeeeee 试根据下述条件和螺杆的几

44、何参数，试根据下述条件和螺杆的几何参数，求挤出机挤尼龙时螺杆求挤出机挤尼龙时螺杆每转一转的固体输送量每转一转的固体输送量Q/n。 该固体输送段在下列各种情况下的压力都不升高，同时设：该固体输送段在下列各种情况下的压力都不升高，同时设： 忽略螺杆和固体塞间的摩擦作用；忽略螺杆和固体塞间的摩擦作用； 螺杆和机筒的摩擦因数相等，但螺纹侧壁与固体塞的摩擦可螺杆和机筒的摩擦因数相等，但螺纹侧壁与固体塞的摩擦可以忽略；以忽略；fs=fb=0.25 螺杆和机筒的摩擦因数相等，但螺纹后缘与固体塞的摩擦可螺杆和机筒的摩擦因数相等，但螺纹后缘与固体塞的摩擦可忽略；忽略；fs=fb=0.25 螺杆和机筒的摩擦因数相

45、等。螺杆和机筒的摩擦因数相等。fs=fb=0.25 螺杆的几何参数为：螺杆的几何参数为： 机筒内径机筒内径Db=4.5cm 螺杆根部直径螺杆根部直径Ds=3.2cm 螺纹导程螺纹导程t=4.5cm 螺纹宽度螺纹宽度e =0.45cm 螺槽深度螺槽深度H1 =(Db-Ds)/2=0.65cm 平均直径平均直径D=Db-H1=3.85cm 螺杆的螺纹头数螺杆的螺纹头数i=1 该条件下尼龙的密度该条件下尼龙的密度0.475g/cm3 计算举例计算举例解：解：Dttg根据公式：根据公式：有：有：Dtarctan根据题的条件：根据题的条件：422085. 314. 35 . 4arctanarctanD

46、t41175 . 414. 35 . 4arctanarctanbbDt41242 . 314. 35 . 4arctanarctanssDt根据公式：根据公式：eitWcos有：有：cmeitWbb84. 345. 04117cos15 . 4coscmeitWss63. 345. 04124cos15 . 4coscmeitW77. 345. 04220cos15 . 4cos因此有：因此有：A 根据根据条件求条件求Q/nQ/n可知：可知：p=p0及及fs=0根据公式得：根据公式得：从上述公式可以看出：从上述公式可以看出：要获得最大输送率要获得最大输送率Qmax，最佳螺旋升角应为：，最佳螺

47、旋升角应为：根据该条件下尼龙的密度根据该条件下尼龙的密度0.475g/cm3ctgK tgDDKbbbtgtgDDctg即有：即有：b90根据公式得：根据公式得：eWWHDHDnQbbbbcossin1121132min8 .2845. 077. 377. 34117cos4117sin3034. 065. 05 . 465. 05 . 4rcmnQ11min7 .13475. 08 .28rgnQ因此：因此：45bB 根据根据 条件求条件求Q/nQ/n可知：可知：p=p0及及fs=fb=0.25，并略去螺纹两侧摩擦的影响，并略去螺纹两侧摩擦的影响根据公式得：根据公式得： 得：得：根据公式，略

48、去螺纹两侧摩擦的影响，可得：根据公式，略去螺纹两侧摩擦的影响，可得：5866. 04220sin25. 04220cos4220cos25. 04220sin5 . 485. 3sincoscossinssbffDDK6273. 041245 . 42 . 35866. 04117sin84. 356. 3sinctgctgDDKWWMsbsbbs4516. 05688. 016273. 05688. 06273. 05688. 011K1sin222222KMKM1526根据公式有：根据公式有：根据公式得：根据公式得：eWWtgtgtgtgHDHDnQbbbb112132min43. 945

49、. 077. 377. 3411715264117152665. 05 . 465. 05 . 4cmtgtgtgtg11min229. 9475. 043. 9rgnQ因此有：因此有：C 根据根据条件条件求求Q/n同理求得：同理求得：可知：可知：p=p0及及fs=fb=0.25，并略去螺纹一侧摩擦的影响，并略去螺纹一侧摩擦的影响根据公式得：根据公式得：sbsbbsbbbctgDDKWWctgDDKWHMsinsin17762. 06273. 041175 . 485. 35866. 04117sin84. 365. 0ctgM302. 05688. 017762. 05688. 07762.

50、 05688. 011K1sin222222KMKM0418eWWtgtgtgtgHDHDnQbbbb112132min29.1645. 077. 377. 3411704184117041865. 05 . 465. 05 . 4cmtgtgtgtg11min74. 7475. 029.16rgnQ因此有：因此有：D 根据根据条件条件求求Q/n同理求得：同理求得：eWWtgtgtgtgHDHDnQbbbb112可知：可知：p=p0及及fs=fb=0.25，考虑全部摩擦的影响，考虑全部摩擦的影响根据公式得：根据公式得：0247. 0sinsin21sbsbbsbbbctgDDKWWctgDDK

51、WHM011675688. 019247. 05688. 09247. 05688. 011K1sin222222KMKM246132min518. 845. 077. 377. 34117246411724665. 05 . 465. 05 . 4cmtgtgtgtg11min046. 4475. 0518. 8rgnQ 从该题的解析可以看出，摩擦因数对挤出机的生产效率影响很大，在其它从该题的解析可以看出，摩擦因数对挤出机的生产效率影响很大，在其它条件不变时，随螺杆摩擦因数的减小，则条件不变时，随螺杆摩擦因数的减小，则M减小，减小，增大，则增大，则Q/n增大。增大。 5.3.1.3 压缩段的

52、熔融理论压缩段的熔融理论 在压缩段物料被逐渐软化熔融，变成连续的粘性流体，并将物在压缩段物料被逐渐软化熔融，变成连续的粘性流体，并将物料压实、排除物料中的气体。料压实、排除物料中的气体。 在螺杆的挤出理论中，压缩段的机理最难确定，因为在这一段在螺杆的挤出理论中，压缩段的机理最难确定，因为在这一段中既存在固体物料，又存在熔融物料。中既存在固体物料，又存在熔融物料。 从从1959年开始，在丰富的生产实践和科学实验基础上，由马多年开始，在丰富的生产实践和科学实验基础上，由马多克克(B-H.Maddock)和斯特里和斯特里(L.F. Street)提出了单螺杆挤出机的熔融提出了单螺杆挤出机的熔融理论理

53、论-又称为相迁移理论；又称为相迁移理论； 1966年，塔莫尔在前人定性分析的基础上用数学分析方法建立年，塔莫尔在前人定性分析的基础上用数学分析方法建立了数学模型；了数学模型； 1971年年1974年，年，C.I.Chung、R.C.Donovan对数学模型中若对数学模型中若干问题提出修正；干问题提出修正； 1976年，年，J.T.Lindt按动力学观点提出了新的熔融理论模型等。按动力学观点提出了新的熔融理论模型等。 这里仅介绍熔融过程中的牛顿模型。这里仅介绍熔融过程中的牛顿模型。 根据压缩段的熔融理论，可以预测熔融区的熔融状态，预测固根据压缩段的熔融理论，可以预测熔融区的熔融状态，预测固体物料

54、完全熔化所需要的螺杆长度，并分析螺杆性能、进行螺杆设体物料完全熔化所需要的螺杆长度，并分析螺杆性能、进行螺杆设计、确定最佳工艺条件等提供科学的依据。计、确定最佳工艺条件等提供科学的依据。 A 实验观察实验观察 为了了解高聚物材料在挤出机螺杆中变化的复杂行为，为了了解高聚物材料在挤出机螺杆中变化的复杂行为，Tadmor和和Klein等人作过精密的实验观察。他们进行挤出过程的各种观察实验。等人作过精密的实验观察。他们进行挤出过程的各种观察实验。归纳起来可有如下三种方法：归纳起来可有如下三种方法： 图图6-19 螺槽中物料的熔融过程螺槽中物料的熔融过程1-液相液相(熔体熔体) ；2-固相固相(未熔物

55、料未熔物料)；3-加料口；加料口；4-螺棱推进面；螺棱推进面；5-熔池；熔池；6-熔膜；熔膜；7-已加热的固体；已加热的固体；8-温度较低的固体温度较低的固体顶出螺杆法顶出螺杆法 剖分机筒法剖分机筒法 透明机筒法透明机筒法 根据实验观察，螺槽中物料由固态转化为熔融态的物理过程见下图：根据实验观察，螺槽中物料由固态转化为熔融态的物理过程见下图： 为表征高聚物熔融过程中固相宽度沿螺槽方向变化的规律，根据上为表征高聚物熔融过程中固相宽度沿螺槽方向变化的规律，根据上述实验结果的观察和分析，作如下假设：述实验结果的观察和分析，作如下假设： 挤出过程是稳定的挤出过程是稳定的(螺槽内的固相和液相分界面位置固

56、定不变螺槽内的固相和液相分界面位置固定不变)； 整个固相为均质连续体；整个固相为均质连续体； 高聚物的熔融温度范围较窄，因而固液相之间的分界面明显；高聚物的熔融温度范围较窄，因而固液相之间的分界面明显； 螺槽横截面为矩形，固相物料的横截面也为矩形；螺槽横截面为矩形，固相物料的横截面也为矩形； 外部加热的热量由机筒表面传入，并按热传导方式通过熔膜和固、外部加热的热量由机筒表面传入，并按热传导方式通过熔膜和固、液相的界面；液相的界面； 剪切热仅在熔膜内产生；剪切热仅在熔膜内产生； 熔池对固体床的传热忽略不计；熔池对固体床的传热忽略不计； 固体粒子的熔化仅在固、液相界面进行；固体粒子的熔化仅在固、液

57、相界面进行； 沿螺槽沿螺槽x和和z两个方向的传热不予考虑，而且在热传导计算中，认两个方向的传热不予考虑，而且在热传导计算中，认为固体床的厚度无限大；为固体床的厚度无限大； 熔融体为牛顿流体，所有物理性质都是常数；熔融体为牛顿流体，所有物理性质都是常数；从上述熔融过程的实验研究可知：从上述熔融过程的实验研究可知： 塑料的全部熔融过程是在螺杆熔化段内进行的；塑料的全部熔融过程是在螺杆熔化段内进行的； 整个熔化过程直接反映为固相宽度沿螺槽方向距离变化的规律；整个熔化过程直接反映为固相宽度沿螺槽方向距离变化的规律； 固相宽度沿螺槽方向距离的变化规律，决定于螺杆参数、操作工固相宽度沿螺槽方向距离的变化规

58、律，决定于螺杆参数、操作工艺条件和塑料的物理性质。艺条件和塑料的物理性质。B 数学分析数学分析 螺杆静止，机筒表面以速度螺杆静止，机筒表面以速度vb运动，熔化的物料由于机筒表运动，熔化的物料由于机筒表面的拖曳作用汇集于熔池内，而固相物料则以一定速度面的拖曳作用汇集于熔池内，而固相物料则以一定速度vsy沿沿y方向方向进入分界面转化为液相，以补充熔膜中进入熔池的液相物料，因进入分界面转化为液相，以补充熔膜中进入熔池的液相物料，因而熔膜厚度而熔膜厚度在固体床宽度方向为定值；在固体床宽度方向为定值； 螺槽内的固相物料以一定速度螺槽内的固相物料以一定速度vsz沿沿z向前移。向前移。根据上述假设，可获得下

59、面的熔融理论的物理模型：根据上述假设，可获得下面的熔融理论的物理模型： 图图620 熔融理论的物理模型熔融理论的物理模型 1-分界面；分界面；2-熔膜；熔膜；3-固相；固相；4熔池；熔池；5-螺纹推进面螺纹推进面 a. dz距离上固相物料的质量平衡距离上固相物料的质量平衡 分析见图分析见图6-21所示，单位时间内流人所示，单位时间内流人dz段的固相物料量为：段的固相物料量为：式中：式中：s固相物料密度固相物料密度 H1、H2分别为分别为dz段开始和终止处段开始和终止处的螺槽深度。若螺槽等深，则的螺槽深度。若螺槽等深，则H1=H2=H；若螺槽深度渐变，则若螺槽深度渐变，则H2=H1-Adz，A为

60、渐为渐变度。变度。图图6-21 dz6-21 dz距离上固相距离上固相物料的质量平衡物料的质量平衡固固液液单位时间内流出单位时间内流出dz的固相物料量为：的固相物料量为：dz段上分界面处，在单位时间段上分界面处，在单位时间内固相物料熔化量为：内固相物料熔化量为：11XHvszs22XHvszsdzX1、X2分别为分别为dz开始和终止处固相物料的宽度开始和终止处固相物料的宽度 。单位螺槽长度上的固体熔化速率单位螺槽长度上的固体熔化速率Vsz已在假设已在假设中有所说明，此值可以根据稳定挤出条件用下式计算：中有所说明，此值可以根据稳定挤出条件用下式计算：式中式中 G挤出机稳定挤出时的质量生产率挤出机