聚合物成型加工原理05PPT课件.ppt

1、第五章 挤出成型5.1 概述5.2 单螺杆挤出机的基本结构5.3 挤出机的发展5.4 挤出成型的工艺过程5.5 挤出理论5.6 挤出成型工艺（实例）7/16/20221 5.1 概述一.定义： 挤出成型又称挤出模塑或挤塑，它是借助螺杆或柱塞的挤压作用，使受热熔化的塑料在压力推动下，强行通过口模而成为具有恒定截面的连续型材的一种成型方法。7/16/20222挤出成型又叫挤塑、挤压、挤出模塑。7/16/20223管材7/16/20224挤出过程：加料在螺杆中熔融塑化机头口模挤出定型冷却牵引切割7/16/20225二.适用范围 1.热塑性塑料的成型： 几乎所有的热塑性塑料都可以用这种方法成型，如果挤

2、出机配备不同的机头和辅机，就可以生产各种管材、板材、薄膜、丝、异型材。 2.可用来生产电线、电缆等涂复或包复涂层制品。 3.塑料的制备 4.聚合物的共混、染色 5.热固性塑料的成型 6.反应挤出7/16/20226三.特点： 1.具有连续性： 生产作业连续性 产品连续性 2.容易实现机械化、自动化，生产效率高； 3.设备成本低，制品密实均匀。7/16/20227四.挤出工艺分类 1.按塑化方式分为：干法和湿法 a.干法：依靠加热将塑料变成熔体 优点：塑化、加压，可在同一设备中进行，制品定型处理简单。 b.湿法：依靠溶剂将塑料充分软化或溶胀，变成溶液，然后再进入挤出机加压成型。 优点：可避免塑料

3、受热降解，塑化比较均匀。 缺点：定型处理较复杂，因为必须考虑溶剂的脱出和回收。 由于干法比湿法优越，故挤出成型采用干法挤出工艺，而湿法仅用于硝酸纤维素和少量醋酸纤维素塑料等的成型。7/16/20228 2.按加压方式分为：连续法和间歇法 a.连续法：采用螺杆挤出。在螺杆挤出中，螺杆物料的塑化、混合、加压、成型是同时进行的，因此整个生产过程是一个连续过程。 b.间歇法：采用柱塞挤出。由柱塞做往复运动，对物料间歇施压，因此整个生产过程是不连续的。7/16/20229 5.2 单螺杆挤出机的基本结构 单螺杆挤出机主要由五部分组成：传动装置，加料装置，料筒，螺杆，机头和口模。7/16/202210一.

4、传动装置 1.作用：给螺杆提供扭矩，调节螺杆转速。 2.构成：主要包括电动机、减速器轴承等部件。 3.衡量传动装置好坏的指标： a.用挤出单位质量物料所消耗的功率数来衡量，即kWh/kg。 反映了结构设计的合理性，材质性能的好坏，值越小越好。 b.用挤出量来衡量传动装置的好坏，即kg/h。 反映了挤出机的综合性能。 7/16/2022114.对传动装置的要求 a.要求能提供稳定的转速； b.传动装置能够无级变速， 以适合挤出不同品种的塑料 和不同牌号的树脂。 实现方法：直流电机或整流子电动机； 常速电动机驱动的机械摩擦传动； 用电动机驱动油泵，将油送到液压马达。7/16/202212 二.加料

5、装置 主要是指料斗，大多数设备用的加料斗是圆锥形的，其容量至少要求能容纳1h的用料。底部有截断装置，以便调整和切断料流。侧面有视镜和标定计量的装置。 有些加料斗常有真空装置或加热装置，以便防止物料从空气中吸收水分。有些料斗有搅拌器，并能自动上料与加料。 料斗底部有冷却装置，防止搭桥。7/16/202213三.料筒 1.作用：输送物料，对物料进行加热、加压。 2.要求：耐温，坚韧，耐磨和耐腐。料筒常是钢制外壳和合金钢内衬共同组成的。 3.料筒的外部装置 a.加热装置：采用电阻丝加热，也可电感应加热，蒸汽或油加热。 b.冷却装置：空冷或水冷，其作用是防止进料口处的物料过热发粘，出现搭桥现象，使物料

6、供料不足。另外在紧急停车时，避免物料过热降解。7/16/202214四.螺杆 1.螺杆的作用： a.对物料进行输送和加压； b.混合、塑化、加热； c.定量挤出。 2.螺杆形状 a.渐变形螺杆：螺槽容积是逐渐变小。分为等距不等深螺杆和等深不等距螺杆。 b.突变形螺杆：螺槽容积是突然变小。7/16/2022157/16/202216 3.螺杆基本尺寸： a.直径：D，直径越大，加工能力越高。 b.长径比： L/D，螺杆有效长度与直径之比。 长径比大，可以使物料温度分布均匀，有利于塑料的混合；能减少漏流和逆流；可提高挤出机的生产能力；螺杆的适应性强，适合多种塑料的挤出。 但长径比也不能过大，否则会

7、使物料停留时间增长，物料容易受热降解；也会使螺杆的自重增加，自由端必然下重，容易引起螺杆和料筒间相互擦伤，也给加工带来困难；另外使挤出机的功率消耗增大。 7/16/202217c.螺旋角：指螺纹与螺杆槽截面间的夹角。 ，生产能力，塑料塑化。d.螺槽深度h：螺槽底到料筒内部一边之差。靠近料筒处较深，螺杆头部较浅。e.螺棱宽度e：垂直螺棱方向上的宽度。f.螺槽宽度W：垂直螺棱方向的螺槽宽度。g.螺杆与料筒的间隙。7/16/202218归纳： L、D：定值 、w、e：螺杆径向函数 h：螺杆轴向函数 ：时间函数7/16/202219 4.螺杆的分段： a.加料段：靠近料斗附近 作用：使塑料受热前移，将

8、料斗供给的物料送往压缩段。 物料特征：固态 结构：等距等深(0.10-0.15D)，长度据情况而定(4-8D)。 7/16/202220b.压缩段：螺杆中部一段（5-15D） 作用： 加热熔化物料； 加压压实物料； 排除空气。7/16/202221物料状态：液相、固相共存 几何压缩比：第一个螺槽容积/最后一个螺槽的容积，大小取决于物理压缩比、物料进料时聚集状态和制品的状态。 =h1(D-h1)/h3(D-h3) 物理压缩比:指塑料制品的比重与原料比重之比。 一般几何压缩比(1.55)要大于物理压缩比(1.53)。 原因：避免发生缺料和漏料。 几何压缩比获得方法： 改变螺槽深度； 改变螺距； 同

9、时改变螺槽深度与螺距7/16/2022227/16/202223 c.均化段：螺杆最后一段 作用：使熔体塑化均匀；使料流定量、定压挤出。 物料特征：液态 结构：等距等深(0.02-0.06D)，长度据情况而定(6-10D)。7/16/202224螺杆头7/16/202225普通三段式螺杆存在的问题 目前，一般单螺杆多采用等距不等深螺杆，加料段常和均化段螺槽深度不变，压缩段螺槽逐渐变浅。这种螺杆可以满足一般的挤出成型，但存在以下几方面的问题：1.熔融效率低 熔融段熔体与固体床共同存在于一个螺槽中，减小了料筒壁与固体床的接触面积； 固体床随着熔融解体，部分碎片进入熔体中，很难从剪切获得热量，这样，

10、固体床不能彻底熔融； 另外，已熔物料与料筒壁接触，从料筒壁和熔膜处获取热量，温度继续升高过热。 2.压力、温度和产量波动大 固体输送时又与螺杆旋转产生较高频率的波动， 由于熔融过程的不稳定性产生低频波动， 温控系统的稳定性差或环境因素的变化引起的波动。 3.混合效果差，不能很好适应一些特殊塑料的加工或混炼、着色工艺过程。7/16/202226新型螺杆1、排气式螺杆主要适用于含水和易产生挥发组分的物料。排气原理：物料到排气段基本塑化，由于该段螺槽突然加深，压力骤降，气体从熔体中逸处，从排气口排出。7/16/2022277/16/2022282、分离型（屏障型）螺杆原理：在螺杆熔融段再附加一条螺纹

11、，将原来一个螺纹所形成的螺槽分为两个，将已熔物料和未熔物料尽早分离，促进未熔料尽快熔融。7/16/202229不同类型屏障型螺杆的比较： 7/16/2022303、销钉型螺杆原理：物料流经过销钉时，销钉将固体料或未彻底熔融的料分成许多细小料流，这些料流在两排销钉间较宽位置又汇合，经过多次汇合分离，物料塑化质量得以提高。销钉设置在熔融区，排列形状有人字形、环形等，销钉形状有圆柱形、菱形、方形等。7/16/2022317/16/2022324、混合螺杆在熔融段末或均化段增设置混合、混炼、剪切、均化等作用的元件，可以提高混合的均匀性、混炼效果好，混色均匀，分散性好。7/16/2022337/16/2

12、022347/16/2022357/16/202236五.机头和口模 1.机头：口模与料筒的过渡部分。 作用： i使旋转运动的熔体转变为平行直线流动； ii进一步塑化，将熔体平稳的导入口模； iii赋予必要的成型压力，保持制品密实。 构成：由过滤网、分流器、模芯及口模组成。 种类：直式和角式 7/16/2022372.口模：赋予制品横截面的工具，用螺栓或其它方法固定在机头上。7/16/2022387/16/2022397/16/2022407/16/2022417/16/2022427/16/202243六.辅助设备 1.挤出前处理物料设备，如预热、干燥等； 2.处理挤出物的设备； 3.控制生

13、产设备。7/16/202244 5.3 挤出机的发展一.双螺杆 1.结构： 2.优点：a.摩擦产生热量少； b.塑料所受剪切力均匀； c.螺杆输送能力大； d.挤出量稳定； e.料筒自洁。 3.缺点：结构复杂，投资大，维修保养烦。7/16/2022457/16/2022467/16/2022477/16/2022487/16/2022497/16/2022507/16/2022517/16/2022527/16/202253二.超高速挤出机 1.优点：产量高，重量轻，操作容易。 2.缺点：摩擦热大，料筒及螺杆冷却困难。三.组合螺杆挤出机7/16/202254 5.4 挤出成型的工艺过程一.原料

14、干燥 使水分含量在0.5%以下。二.挤出成型控制要点： 1.温度 料温来自加热和摩擦热。 料温高，有利于塑化，熔体流量增大，挤出物出料加快。但机头和口模温度不能过高，否则挤出物形状稳定性差，制品收缩率大，甚至引起制品发黄、有气泡等。 料温低，塑化差，功率消耗大。7/16/202255 2.压力： 机头压力大，可提高挤出熔体混合均匀性和稳定性，对产品致密程度好。因此在机头上设置多孔板、过滤网。 但压力不能太大，否则回压大，挤出量下降。 3.螺杆转速 转速，产量，剪切作用，有利于混合和塑化，但功率消耗。三.定型与冷却四.牵引与切割五.后处理7/16/202256 5.5 挤出理论一.挤出理论 凡是

15、发生在螺杆加料段、压缩段和计量段上的基本理论均称为挤出理论。二.研究内容与目的 1.内容： a.研究物料在螺杆中的压力和温度分布规律； b.研究螺杆对物料的输送能力； c.研究螺杆的功率消耗； d.研究螺杆对物料的塑化效果。 7/16/2022572.目的： 找出物料变化运动与螺杆参数、挤出条件、物料本性之间的关系。3.生产上要解决的问题： a.塑化量； b.各段输送量； c.造成不稳定的定量计算； d.保证温度、组成均匀性； e.输出功率的大小。7/16/202258三.研究方法 1.静态观察法 指迅速冷却挤出机，将物料在挤出过程中的瞬间状态冻结在螺杆上，然后压出螺杆或打开料筒观察、测量、切

16、片、取样或摄影。 2.动态观察法 指在机筒上开孔，装上耐高温的玻璃，或做成透明机筒来观察挤出的真实过程。 3.模拟挤出过程的局部环节7/16/2022595.5.1 固体输送理论一.概述1.研究对象及目的 a.对象：加料段 b.目的：搞清输送量与物性、设备、工艺条件的关系，由此计算输送量，找出提高产量的途径。2.发展简史固体摩擦理论, 1956, Darnell, Mol, Tadmor粘性牵附理论, 1970, Chung能量平衡理论, 1971, Tedder7/16/202260二.简化与假设 1.从料斗到固体输送段的物料是被压实的无内变形的固体塞， 其内部每一点速度、密度一致； 2.螺

17、杆静止，料筒运动； 3.固体塞上的压力P仅仅是沿螺槽方向Z的函数，与V无关； 4.摩擦系数是一个常数，但固体与螺杆和机筒表面的摩擦系 数可以不同，作用在固体塞上的摩擦力符合：F=fP 5.忽略物料重力； 6.加料段等距等深，截面为矩形，螺杆与料筒间的间隙忽略； 7.等温过程。7/16/202261三.输送机理1.简单模型： 把固体塞限定在两块相对移动的平板间运动。 驱动力： Fb=PAbfb 阻 力： Fs=PAsfs a. Fs Fb, 固体塞减速，直到停止； b. Fs Fb, 固体塞加速，直到Vb； c. Fs= Fb, 固体塞处于稳定状态，以速度V运动。 VsVVb7/16/20226

18、2 2.与实际情况相似的模型 根据假设6得模型： Fb=AbfbP 驱动力：Fbz= Ab fbPcos(+) 阻 力：Fs=AsfsP 稳态下： Fs= Fbz AsfsP=AbfbPcos(+) 物料不动时， =0； 要使物料运动，则0，则： Asfs/ Abfb= cos(+) cos1 AsfsAbfb cos7/16/202263 又 cos Asfs 此即为固体塞运动条件。 当Ab fb Asfs 时，固体塞以Vz 沿螺槽移动，其轴向分速度为Vl 。 则：Qs= Vl A= Vl (/4)(Db2 Ds2)- (ieH/sin) Ds：螺槽底部直径 Db：料筒内径 e：螺棱宽度 ：

19、螺旋升角平均值 i：螺纹头数ZYX7/16/202265求 V1： Vz：固体塞沿螺槽运动速度 Vb：料筒移动速度 Vx：Vz与Vb相对速度 ：螺纹角 ：移动角 Vz= Vb + Vx tg =Vl/Vb - (Vl / tg) Vl = Vb tg tg/(tg+ tg) =NDb tg tg/(tg+ tg) 式中：N：转速； Db：料筒内径7/16/202266则： Qs=NDb tg tg/(tg+ tg) (/4)(Db2 Ds2）- (ieH/sin)又 Db2 Ds2= Db2 (Db22H)2=4H (DbH) W=(/i)(DbH)sin- e Qs=N2Db H (DbH)

20、 tg tg/(tg+ tg)( W / W + e)7/16/202267五.固体塞受力分析求移动角 1. F1=fbPWbdZb F1：料筒表面与固体塞间的摩擦力； P：物料承受压力； dZb：微元宽度； fb：固体塞与机筒的摩擦 数； Wb ：料筒内表面螺槽宽度。7/16/2022682. F2-F6=HWdP F2、F6：物料沿螺槽方向对微元固体塞的正压力 H：加料段螺槽深度 W：平均螺槽宽度 dP： F2与F6的压差 7/16/2022693. F8=PHdZ 而 F7=PHdZ + F* =F8+F* F7-F8=F* F7、F8：螺纹侧面对微元的正压力 P：给定Z处物料的压力 F

21、*：螺棱推进面作用在微元的附加力7/16/202270 4. F3=F7fs=（PHdZ+F*）fs F4=F8fs=PHdZfs F5=PWs fs dZ F3、F4：螺棱侧面对微元的摩擦力 F5：螺槽底面对微元固体塞的摩擦力7/16/2022715.另外两个力： F9：螺槽底面对微元正压力 F10：料筒表面对微元的正压力 两者大小相等，方向相反，所以相互抵消。7/16/2022726.为建立平衡方程，将各力分别对 l 轴向和径向投影： F1l=fbPWbdZbsin F1=fbPWbdZbcos (F2-F6) l= HWdP sin (F2-F6)= HWdP cos (F7-F8 )

22、l =F* cos (F7-F8 ) =F* sin F3 l =（PHdZ+F*）fs sin F3 =（PHdZ+F*）fs cos F4 l =PHdZfs sin F4 =PHdZfs cos F5 l =PWs fs dZ sin F5 =PWs fs dZ cos 7/16/2022737.由于固体塞具有不变的轴向速度分量，所以处于平衡状态。 即： F l=0 Ml=0 F1l+ (F2-F6) l+ (F7-F8 ) l + F3 l + F4 l + F5 l =0 F1Db/2 - (F2-F6)D/2 - (F7-F8 )D/2 - F3D/2 - F4D/2 - F5Ds

23、/2 =0 式中：Db、Ds：分别为料筒内径和螺杆根部的直径 D：平均直径7/16/202274经整理得： cos=Ksin+2(H1fs/ Wb fb ) sinb(K+tgD/Db) +(Ws fs/Wb fb)sinb(K+tgsDs/Db) + (WH1/Wb fbZb)sin(K+tgD/Db)ln(P2/P1) 其中： K= (D/Db)(sin+ fs cos)/(cos- fs sin) D=(Ds+Db)/2式中： Zb：螺槽长度 P1：加料段开始处压力 P2：加料段结束处压力 D：螺杆平均直径 7/16/202275为方便起见，将上式化简成： cos=Ksin+M 若以为定

24、值，则M与K成直线关系。则取不同的，做MK的关系图： 根据此图，可以 先计算 出K和M值，再直接查 图，就可以求出，再 求出Qs。7/16/202276六.固体输送理论基本方程的讨论 Qs=N2Db H(DbH) tg tg/(tg+ tg)( W / W + e) cos=Ksin+2(H1fs/ Wb fb ) sinb(K+tgD/Db) +(Ws fs/Wb fb)sinb(K+tgsDs/Db) + (WH1/Wb fbZb)sin(K+tgD/Db)ln(P2/P1) 这两个方程结合在一起称为固体输送理论基本方程。现在讨论各种因素对流量的影响。 7/16/2022771.N： Qs

25、N，提高转速可增大产量。但实际中，N增大一倍，Qs不一定增加一倍。原因是：N，摩擦力，温度而影响摩擦系数，也就影响到Qs。 2.H、Db 螺杆外径一定时，增加加料段螺槽深度有利于提高Qs。7/16/2022783.移动角 Qs tg tg /(tg + tg ) Qs tg /(tg /tg )+1 若，则tg ，而(tg /tg )， (tg /tg )+1 ，即Qs 。 Qs7/16/2022794.摩擦系数ffs/ fb 比值 ， M ， cos ， ，Qs 提高fb和降低fs的措施：a.提高螺杆光洁度；b.在料筒上开设纵向槽沟；c.降低螺杆温度，通冷却水；d.根据fb与温度关系，适当提

26、高加工温度。7/16/2022805.螺旋角 不考虑压力的上升，且假设fs=0，则： Qmax=N2Db H (DbH)( W / W + e) sin cos 再对求导，并令d Q/d =0，求得最佳=45。 但实际过程中， fs 0，同时压力的变化也是存在的，所以值不同。 7/16/202281假设fs fb ，P2P1，取不同的fs及，以tg tg/(tg+ tg)对作图，由于fs在0.40.6之间，最佳的范围是1720。目前常取=1741。7/16/202282 6. 压力 要保证P1的稳定性。 条件：料面高度 h料3D料口直径7/16/2022835.5.2 熔融理论一.研究对象及内

27、容 1.对象： 物料在压缩段上的熔融机理和运动规律。 2.目的： 求出塑料从熔化开始到结束所需的螺杆长度，以及它与物料性质、螺杆几何参数、操作条件的关系，从而为分析螺杆性能，进行螺杆设计和确定最佳工艺条件提供依据。7/16/202284二.熔融机理 1.冷却实验与熔融机理 将本色物料与着色物料混合后加入挤出机，当挤出稳定后，快速停机冷却料筒及螺杆，观察到物料的熔化情况：W7/16/202285 熔融区物料剖面： 由于外传热和摩擦热的共同作用，与料筒内表面接触的物料首先熔化，形成熔膜。 当熔膜厚度超过螺杆与料筒间隙时，熔膜被螺棱的推进面刮到螺槽中，并逐渐汇集成旋转的流动区，形成熔池。 在熔池的前

28、方是一些受热软化和半熔融的物料，而处于最前面的是完全没熔融的物料，这些半熔融和未熔融的物料称为固体床。 固相与液相的界面称为迁移面，熔化在此进行。热源：料筒壁传导和摩擦。7/16/202286 2.固体床宽度的变化 a.固体床分布函数 X/W=f(z) X：固体床宽度 W：螺槽宽度 z：螺槽方向距离 A点： X/ W=1 B点： X/ W=0W7/16/202287b.固体床崩溃 进行冷却实验时，常观察到z间距离还没到B点（ X/ W=0.3-0.4）时，固体床就解体了。未熔化的固体床变成许多固体碎块，与已熔化的物料混为一体，原来的熔池、熔膜以及它们与固体床的界面都消失了，这种现象称为固体床崩

29、溃。 发生原因： 固体床是被机筒拖拽向前； 螺槽中存在着很大压力梯度； 固体床与相邻的熔体具有不同的速度； 固体床是由压紧的固体粒子所组成，因此比较薄弱。7/16/202288还与聚合物的性质、物料颗粒大小、螺杆几何形状有关。采取措施： 选择长径比大的螺杆； 利用过滤网和多孔板阻止未熔化的固体碎块通过； 冷却螺杆，防止固体床破碎； 不要采用过高转速； 采用新型螺杆。7/16/202289三.数学分析 1. 坐标的确定 采用直角坐标系。 原点：固体床与熔膜分界面 X：垂直于螺棱方向 Y：沿螺槽深度方向 Z：沿螺槽方向2.假设 a.熔化过程是稳定的过程； b.固相是连续的均质体，没有崩溃现象，而且

30、螺槽的横截面为矩形； c.塑料的熔融温度范围很窄，因此固相与液相分界面很明显；ZYX7/16/202290 d. 熔体为牛顿流体； e. 热量只在螺槽深度方向传导，忽略其它方向的热传导和对流； f. 固体的熔化只是在界面处进行，熔池对固体的传热忽略不计； g. 熔化的物料由料筒表面的拖拽作用汇集到螺槽的推进面形成熔 池，固体床以恒定的速度Vsy进入界面； h. 固体床在Y方向上无限深； i. 其它所有物理性能都是常数。7/16/202291 通过上述假设，建立物理模型如图：W7/16/202292 2.公式推导 根据能量平衡、质量平衡原理推出熔化速度和固体床分布函数，最后求出熔化长度。.分界面

31、上单位的热量平衡 经熔膜进入分界 由分界面每单位 分界面位单位面 面每单位面积上 面积上传入固相 积上塑料熔融消 的热量 内的热量 耗的热量 即： Km(dT/dy)y=0- Ks(dT/dy)y=0=Vsys （1）式 Km、Ks：分别为液相和固相塑料的导热系数 ：固相塑料熔化潜热 s：固相密度 (dT/dy)y=0：分别为熔膜内和固相内的温度分布梯度7/16/202293 a.熔膜温度分布函数 T=T（y）= -(Vj2/2Km2)Y2 +(Tb-Tm)/ + (Vj2/2Km)Y +Tm （2）式 Km(dT/dy)y=0=(Tb-Tm)Km/ + Vj2/2 （3）式 这个式子表示单位

32、面积上经熔膜流入到分界面的热量。 式中： Tb：料筒温度 Tm：塑料熔点 ：熔体表观粘度 ：熔膜厚度 Vj：料筒内表面速度Vb与固体床Vsz的矢量差7/16/202294b.固体床温度分布函数 T=T（y）=（Tm-Ts）exp(y sCsVsy/Ks) +Ts （4）式 固体床中任意点温度可由上式计算。 Ks(dT/dy)y=0= sCsVsy （Tm-Ts） （5）式 式中： Cs：固体塑料的比热 Vsy：固体进入液相的速度 将（3）式和（5）式代入（1）式中得到分界面上热量平衡方程： (Tb-Tm)Km/ + Vj2/2 -sCsVsy （Tm-Ts） = Vsys 7/16/20229

33、5熔膜内z向单位长度上的质量平衡 单位时间内： 有固相沿Y方向加入 由熔膜流入熔池 熔膜的新熔化的物料量 的物料量即： Vsys X=Vbx m /2 （6）式 式中： Vbx ：料筒内表面速度在X方向的分速度 m ：熔融物料的密度 X：固体床宽度 Vbx /2 ：平均速度 7/16/202296将上式数值定义为单位螺槽长度上的熔化速率，用表示： = Vsys X= Vbx m /2 将（1）、（6）式联立得： =2Km(Tb-Tm)+ Vj2X/ Vbx mCs(Tm-Ts)+1/2 （7）式 = Vbx mKm(Tb-Tm)+ Vj2/2X/2 Cs(Tm-Ts)+1/2 =X1/2 （8

34、）式 其中 =Vbx mKm(Tb-Tm)+ Vj2/2 /2 Cs(Tm-Ts)+1/2 7/16/202297固相dz距离上的质量平衡求固体床分布函数 单位时间内： 流入dz段的 流出dz段的 dz段上分界面处 固相物料量 固相物料量 固相的熔化量 即： - s Vsz d（HX）=dz (10)式 d（HX）/ dz = - / (s Vsz) a.渐变型螺杆的固体床分布函数 H=H1-AZ （11）式 H：螺槽深度 H1：Z=0时螺槽深度 A： 螺槽锥度7/16/202298 将（11）式与 =X1/2代入（10）式得： （ H1-AZ）dX/dz XA= - X1/2/ s Vsz

35、令 u= X1/2/并整理得： du/dz uA/ 2（ H1-AZ）= - /2 （ H1-AZ） s Vsz （13）式 利用初始条件：X（0）=X1，解得： X/ W=(X1 / W)/A (/A -1)H1/( H1-AZ)1/22 （14）式 式中： 无因次数群=W1/2/(X1/ W)1/2(G/H1) （15）式 质量流量G=Vsz WH1 s (16) 式 （14）式为渐变型螺槽的固体床分布函数。将边界条件X=0，Z=ZT代 入其中得熔化长度： ZT= (2A/)H1/7/16/202299 b.对等深螺槽的固体床分布函数为： X/W=(1 Z/ ZT)2 X1/ W 或 X/

36、W=(1 Z /2H）2 X1/ W （18）式 将X=0， Z=ZT代入其中得熔化长度： ZT=2H1/ （19）式 当外界条件一样时， 一样时，比较（19）（17）式，发现渐变型螺槽熔化长度比等深螺槽短一些。 7/16/2022100 3.公式的讨论与应用 以等深螺槽为例： 将（15）式 代入（19）式得： ZT=2G/ W1/2 （20）式从上式得出结论： N，G， ZT。 对于易产生固体床崩溃的物料，不易采用太高的转速，否则可能产生塑化不良现象。如果要增大产量，又要保持熔化区的长度不变，就要增大。方法是将料筒温度Tb和物料温度Ts和螺杆的转速同时提高。 熔融理论的主要应用： 可以帮助我

37、们选择螺杆，设计校核螺杆，以及帮助确定合理的工艺条件。7/16/20221015.5.3 熔体输送理论一.研究内容、对象、简介 1.对象： 均化段。 2.内容： 研究熔体输送量与螺杆参数、工艺条件、物料性质间的关系，以及在螺杆均化段如何保证塑料的彻底塑化，如何保证定量、定压、定温的从挤出机挤出，获得稳定的产量和高质量的制品。 3.发展： 研究较早，较成熟，应用得较多。7/16/2022102二.流动分析 熔体在均化段中的流动是拖拽流动和压力流动的总和。将这种总和看成由四种流动形式所组成，即：正流、逆流、横流、漏流。 1.正流用QD表示 是由螺杆相对料筒运动所产生的流动，可看成物料粘附在料筒表面

38、流动，因此是拖拽流动。它在螺槽深度方向的速度分布是线性变化的。7/16/2022103 2.倒流（逆流、反流）Qp 是由于装置机头、过滤网、过滤板阻碍物料的正向流动，从而在机头区域产生很大压力，而在螺槽 产生压力梯度，使物料产生回流。 倒流的速度分布按抛物线关系变化，使产量降低。 3.横流QT 沿X方向流动。横流使物料在螺槽内产生翻转流动，形成环流，因此它在螺槽两侧Y方向也有局部流动。横流对产量无影响，但可促进物料的混合、搅拌、热交换，有利于物料的均化和塑化。 4.漏流QL 是由压力梯度在螺杆与料筒间隙处形成的倒流，方向沿螺杆的轴向，由机头朝料斗方向流动。漏流的增大会减小挤出的产量，但由于量小

39、得多，所以常忽略不计。 7/16/2022104 实际的流动是这四种流动的组合。就一个塑料质点而言，其真正的流动轨迹是螺旋形。 根据上面的分析，挤出机的生产量主要受QD、Qp、QL的影响，其关系是： Qm= QD+Qp+QL7/16/2022105三.均化段熔体输送能力的数学解析式 1.假设： a.在均化段中塑料全部熔融，没有固相存在，并且熔体的流动是属于牛顿流体，它在螺槽中的流动完全处于层流状态； b.整个挤出过程是等温过程，粘度不发生变化； c.螺槽宽度与深度之比大于10，W/H10； d.流体不可压缩且密度不变； e.机筒运动，螺杆静止，物料 在料筒表面处速度最大，在螺槽底部速度为0；

40、f.压力只是沿螺槽方向Z的函数。7/16/20221062.理论公式的推导7/16/20221077/16/2022108稳定状态时：因为粘度不变，根据假设，P只是Z的函数，故： (dV2/dy2)= dP/dz (4)式 对（4）式进行两次积分： V=(1/2)(dP/dz)y2+Ay+B (5)式 7/16/2022109积分边界条件是： 当 y=0, V=0, 即 B=0 当y=H, V=Vz 代入（5）式得 V=Vzy/H + (1/2)(dP/dz)(y2-yH) （6）式 根据（6）式画出正流和 逆流的速度分布图：7/16/2022110 将（6）式代入 Q=0H VWdy ,得均

41、化段生产率为： Q=Vz WH/2 (WH3/12)(dP/dz) (7)式 Vz：物料沿螺槽方向的最大速度，Vz= NDbcos。 W：螺槽宽度， W=Dbsin。 dz：微元体沿螺槽方向长度，dz=dl/sin，dl为单元轴向长度。当螺杆尺寸、工艺条件不变，粘度不变时，压力梯度作为不变数值处理： dP/dl=P/l= P/L3 代入（7）式得： Q=2Db2NH3sincos /2 DbH33 sin2 P/12L3 （8）式7/16/2022111若考虑压力的影响，则： Q=2D2NH3sincos /2 DbH33 sin2 P/12L3 2Db23tg P/12eL3 （9）式 Db

42、：螺杆外径 ：料筒与螺杆间隙 N：转速 e：螺纹轴向宽度 H3：均化段螺槽深度 ：螺旋角 ：粘度 P：压力降 L3：均化段长度7/16/2022112四.生产力公式讨论 1.螺杆和口模特性曲线 将（8）式写成： Qm=AN B P/ （10）式 式中A、B只与螺杆参数有关。 以N为参数，对Q P作图得螺杆特性曲线： 当压力为0时，Q最大，Q=QD 7/16/2022113除考虑螺杆的影响外，还要考虑口模的影响。 熔料通过口模的流量公式简写成： Qm=K P/ （11）式 K：与口模的几何结构有关的参数 P： 机头上的压力降 将（11）式改写成： P/ = Q/ K 7/16/2022114代入

43、（10）式得： Q=A/1+（B/K）N （12）式 再令（11）=（10）式，得： P=A/（K+B）N （13）式 若用机头压力代替 P，共同作图得：7/16/2022115 从图中可以看出： a.对于机头特性曲线，P，则Q； b.对螺杆曲线，P，则Q。 对同一挤出机，从螺杆和口模中挤出的物料必须相等，所以生产力应该是螺杆和口模特性曲线的交点，称为挤出机的综合工作点A。此时的压力为PA，产量为QA。 当改变N（K）时，为维持原生产率，就必须同时相应改变K（N）。 7/16/20221162.影响挤出机生产能力的主要因素 转速与生产力的关系 由Q=A/1+（B/K）N 可知，QN，因此提高转

44、速是提高产量的重要途径之一。 螺杆几何尺寸与生产能力 a.直径D： QD2，因此增大D也是增加产量的重要途径之一。7/16/2022117 b.螺槽深度 QDH，QpH3，所以增大H，反而有害。 另外，螺槽深度与机头阻力有关。7/16/2022118 从图中可以看出： 当机头阻力小时，深螺槽有较大的生产能力； 当机头阻力大时，浅螺槽有较大的生产能力。 另外，浅螺槽的螺杆适应性强；深螺槽在模具中，当阻力增大时，压力的微小变化就使挤出量迅速减少。 c.均化段长度L3的影响 L3，倒流、漏流，总生产能力。 d. 的影响 因为漏流流量正比于的三次方，所以，Q。 0.0020.005D7/16/2022

45、119五.挤出理论的局限性 1.许多假设，计算值与实际值有偏差； 2.三段输出量与质量关系没有解决； 3.固体段长度、均化段长度没有完整的公式； 4.熔池的起始点无法计算； 5.把实际的连续过程人为的分为三段。7/16/2022120 5.6 挤出成型工艺（实例） 工艺是指从原料（聚合物、助剂）转变为合格的制品所用的手段，相应的措施与条件。5.6.1 管材的挤出管材是塑料挤出成型的主要产品之一。挤管就是将粒状或粒状塑料从料斗加入挤出机，经加热成熔融的料流，螺杆旋转的推力使熔融料通过机头的环形通道形成管状物，经冷却定型成为管材的生产过程。 挤管的工艺流程图：7/16/20221217/16/20

46、22122可供生产管材的塑料原料有：聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、ABS、聚酰胺；聚碳酸酯等。目前国内生产的管材以聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等材料为主。塑料管材有以下优点：相对密度小，仅为金属的15、18，耐化学腐蚀性好，电器绝缘性优良。耐磨性好。塑料管广泛用作各种液体、气体输送管，尤其是某些腐蚀性液体和气体，如自来水管、排行管、农业排灌用管、化工管道、石油管、煤气管等。7/16/2022123成型中需要考虑的问题：一.主机的选择 原则：在挤出管材或棒材时，口模通道的横截面料筒横截面的40%。 挤出机规格与管材尺寸范围的关系挤出机规格456590120150200管材外径范围202050407090

47、160160 250200 5007/16/2022124二.机头与口模 1.机头的作用： 使挤出机连续提供的熔化的和具有压力的塑料熔体通过其特定的流道进入口模而形成特定的结构或形状。 2.机头分类：a.偏移式：对内径尺寸精度要求高时采用 b.直通式：通常情况下采用3.直通式机头组成：分流梭、支架、芯棒、口模套等 分流梭与芯棒 a.组成：圆头部分、斜坡部分、平直部分7/16/20221257/16/2022126b.分流梭作用： 把圆柱形的料流分成圆环形的薄层； 固定芯棒； 通压缩空气c.斜坡作用：使物料松弛，消除合流痕迹，进一步压缩。 d.平直部分作用： 继续弥补熔接痕； 调节流速，稳定料流

48、； 赋予制品外形。7/16/2022127 部件尺寸确定 a.口模与芯棒平直部分长度L1 根据经验，L1=(1.53)D, D是管子外径。对于薄壁管，L1=(1030)t，t是管子壁厚。其具体数值与物料性能、管壁薄厚、管径大小、挤出机功率大小有关。 一般，大管径取下限，硬管取小值，软管取大值。 7/16/2022128b.口模内径、芯棒外径 根据经验，对PVC，口模内径比管子外径大5%， 对HDPE，口模内径比管子外径大10%。 7/16/2022129c.压缩比与拉伸比 压缩比是分流梭环形通道面积与口模通道面积之比。 根据经验，压缩比取512，小管径取大一些，大管径取小一些。7/16/202

49、2130 拉伸比是指口模与芯模在稳流定型区的环隙截面积与管材环状截面积的比值。 反映：管材从高温型坯到冷却定型之后的截面变形程度（牵引作用的结果），以及在纵向可能获得的取向程度和拉伸强度。 7/16/20221317/16/2022132三.定型 1.定型方法： a.外径定型：借助压缩空气将管状物紧密的接触在定型套内壁上。 b.内径定型： 7/16/20221332.外径定型 a.定型套尺寸确定： 根据经验，外径定型套的长度一般取内径的三倍，而定型套的内径应略大于管材外径尺寸，一般不大于2mm。b.冷却 定型套上的冷却水系统，进水方式是由定型套出口端进入，由进口端流出，而且采用螺旋式流入，冷却

50、水速度依材料而定。（控制出口水温）7/16/20221347/16/2022135四.冷却方式： a.冷却水槽：将冷水分成24段，以便调节冷却速度。 b.喷淋：对于大管子或密度小于1的塑料，采用此法。7/16/2022136五.牵引 牵引时，速度应与挤出速度相配合，一般牵引速度稍大于挤出速度，并且速度要均匀，最好要与挤出速度同步变化。 V: 牵引速度(m/min), Q: 挤出量(kg/h), : 密度(g/cm3), d: 管材外径(mm), s: 管壁厚度(mm)V=16.7Q/s(d-s)7/16/20221377/16/2022138 壁厚512131313工 艺 条 件机筒温度 后（

51、）801009010016016520024025026090100 中（）140150110120170175240250260270120130 前（）160170120130175180230255260280130140机头温度160170130135175180200220220240150160口模温度160180130140190195200210200210170180螺杆转速121610.510.51520管材尺寸硬PVC高压PEABSPC尼龙1010软PVC管材外径952432.532.531.331内径851925.525.52525六.操作条件 介绍几种常见聚合物挤管工

52、艺条件7/16/2022139口模内径95.724.5333344.832芯棒外径85.419.1262638.525平直长度1206050874560定型套内径96.525333331.7 长度300160250250拉伸比1.041.11.020.971.51.2定型套与口模间距2520207/16/2022140管材成型工艺要点：温度控制7/16/2022141小结：要生产符合尺寸要求的管子，在工艺上有一些重要措施： a.增加口模内径，平直长度的控制要适合； b.定型套的内径、长度要适合； c.对挤出物加以适当的牵引，来调节管子尺寸； d.控制一定的冷却速度； e.物料温度、压力要均匀。

53、7/16/20221427/16/20221437/16/20221445.6.2 吹塑薄膜的挤出 制备塑料薄膜的方法有吹塑成型、压延法、双向拉伸法、流涎法等。其中吹塑的优点： a.设备简单，投资少，见效快，便于土法上马； b.薄膜经牵引和吹胀，其纵向和横向强度高； c.操作简单，无边料，废料少，成本低； d.通过控制泡状物中空气量和螺杆转速，较易调节薄膜宽度和厚度。 缺点： a.厚度均匀性差； b.冷却速度较慢，薄膜透明性差，产量低。7/16/2022145薄膜产品：包装膜、农膜7/16/2022146一.吹塑薄膜的生产方式 根据薄膜牵引方式不同分为平挤上吹法 、下吹法和平吹法。 1.上吹法

54、：牵引方向与机头垂直，方向向上。 优点：适用吹大口径的宽幅薄膜，牵引稳定，操作方便，占地面积小。 缺点：泡管周围的热空气流向上，而冷空气流向上，对泡管冷却不利，导致制品透明性差，尤其对粘度小的塑料进行吹塑不适宜。 7/16/20221472.下吹法：牵引方向与机头垂直，方向向下。 优点：有利于冷却，制品透明性好，适合粘度小的塑料。 缺点：对比重较大的物料易拉断，费用高。 7/16/20221483.平吹法：牵引方向与机头平行。 优点：不存在转向问题，因此适合粘度高、热稳定性差的塑料。 缺点：a.主机和辅机在一个平面上，占地面积大； b.存在横向下垂问题，且薄膜厚度不均。7/16/2022149

55、7/16/2022150二.挤出机 生产吹塑薄膜的挤出机都是单螺杆挤出机，其大小的选择是根据薄膜的厚度和宽度而定。 挤出机与薄膜口模尺寸的经验关系挤出机大小薄膜口模直径薄膜折径45200)150015050020007/16/2022151三.机头与口模 （一）种类：侧面进料式、中心进料式、螺旋式、旋转机头、复合机头。 1.侧面进料式 熔融物料先分成两股流，并沿棒芯上升，在某点A又重新汇合，并继续沿环行通道到达口模，被挤成管坯，经压缩空气的吹胀而成膜。 7/16/20221527/16/20221537/16/2022154优点： a.机头内存料少，不易过热分解，适宜加工PVC； b.结构简单

56、，制造容易； c.料流在机头内只有一条熔接缝。 缺点： a.料流需经直角拐弯，使物料各处流速不等，薄膜厚度不均匀； b.芯棒轴受物料的侧压力，易“偏中”，使口模环行狭缝宽度比一致，影响薄膜厚度的均匀性。7/16/20221552.中心供料式 a.分类： 水平式：适用于平挤平吹法 直角式：用于平挤上吹或下吹法 b.优点：由于芯棒周围所受料流压力较均匀，故无“偏中”现象， 薄膜厚度均匀。适宜加工热稳定性好的塑料。 c.缺点： 不易加工热敏性大的塑料； 有较多熔接痕，影响质量。7/16/20221567/16/2022157 3.螺旋式 料流从底部中心进入，分成48股流向边缘，此几股分别流入多头螺纹

57、的螺槽并沿螺槽螺旋上升。在成型区以前几股汇合，在流动过程中, 着几股料在此间隙形成漏流。 优点： a.料流在机头内没有拼缝； b.机头内压力较大，薄膜的物理机械性能较好； c.薄膜厚度均匀； d.机头安装及操作方便； e.机头结构较坚固。 7/16/20221587/16/20221594.旋转机头 芯棒或口模旋转，或口模与芯棒以相反方向同时旋转。此类机头可实现卷取平整，但不能从根本上解决薄膜厚度不均问题。5.复合机头 用两台或两台以上的挤出机共挤出，给一个复合机头供料，生产多色或多层复合吹塑薄膜。此法工艺设备简单，生产效率高，复合牢固，成本低。7/16/2022160（二）机头工艺设计 除考

58、虑挤出机结构要求的基本要求外，还要考虑以下工艺要求： 1. 机头环形口模直径由吹胀比和薄膜折径而定。 吹胀比： =Dp/Dk ：吹胀比，Dp：吹胀后薄膜直径，Dk：环形口模直径 而 Dp=2/， 是薄膜折径 故 = 2/Dk=0.637 /Dk =1.57Dk Dk=0.637 / 通常： 为1.53(超薄薄膜可达56)7/16/20221612.口模与芯棒间的环形缝隙宽度h应控制一定的大小，其值与牵引比b、吹胀比a和薄膜厚度有关。 b=VD/VQ VD=Q/2 VQ=Q/Dkh b：牵引比 VD：牵引速度 VQ：挤出速度 Q：挤出成型机生产率 ：薄膜厚度 h：缝隙宽度 ：熔融塑料密度7/16

59、/2022162 b= Dkh /2 或 b= h /a h=ab 通常h为0.41.2mm或0.8-1mm. 一般：牵引比b控制在46, 吹胀比控制在1.53, 模口间隙: h= (1.53) (46) (618) 生产厚膜时取下限。 7/16/20221633.为消除熔接缝，使物料压力稳定、均匀的挤出，定型段的高度通常应为环形缝隙宽度的15倍以上。料流通道不能过短，通常物料从分流的汇合点至模口的垂直距离应不小于分流处芯棒直径的2倍。 4.对于芯棒式机头，在可能的情况下，应使芯棒轴的直径大一些，以提高其刚度，减小“偏中”的可能性，并且口模的调节螺钉不宜少于6个。7/16/2022164三.生

60、产工艺流程及控制 以平挤上吹法为例： （一）生产工艺流程 1.加热：通过加热器将挤出成型机和机头加热到所需温度，然后保温一定时间。 2.加料及挤出：先加入少量物料，使螺杆低速转动，当熔融物通过机头并吹胀成管泡后，提速并把料斗加满。7/16/20221657/16/2022166 3.提料：将通过机头的熔融物料集中在一起，并将它提起，同时通入少量空气，以防止相互粘在一起。 4.喂辊：将提起的管泡喂入夹辊，通过夹轴将管泡压成薄膜，再通过导辊送入卷取。 5.充气：喂辊后，将空气通入管泡吹塑，直到达到要求的幅宽为止。 6.调整：薄膜的厚薄公差可通过模唇间隙、冷却风环风量及牵引速度的调整而得到纠正，薄膜