挤出成型序论和固体输送课件

第三章挤出成型认识挤出机认识挤出成型过程

挤出机（加料、熔融、泵送）成型口模定型冷却牵引切割堆放机头在挤出成型过程中，影响产品质量和产量的关键设备挤出机，而在挤出机中，螺杆又称为挤出机的心脏。认识挤出成型过程第一节概述一、挤出成型特点二、挤出成型设备三、单螺杆挤出理论简介一、挤出成型应用在当今世界四大材料体系（木材、硅酸盐、金属和聚合物）中，聚合物和金属是应用最广和最重要的两种材料，以树脂为例，其产量超过了一万吨，按体积来讲，已和钢铁并驾齐驱。而在这一亿吨树脂中，大约80%都要经过螺杆挤出这一重要的工艺来加工。挤出机几乎成为任何一个与塑料有关的企业或研究所最基本的装备之一，另外在建材、食品、纺织、军工、金属和造纸等工业部门也得到了广泛的应用。直接成型：直接挤出膜、板、管、丝和型材等制品。坯料加工：中空吹塑、热成型等坯料的挤出加工物料混合：在填充、增强、共混、改性等复合材料和聚合物合金生产过程中，螺杆挤出在很大程度上取代了开炼和密炼等常规工艺。做为前处理工序：树脂输送、脱水、排气、干燥、预塑和造粒等前处理工序中，无论是大型的树脂厂，还是中小型的制品厂，几乎都采用了挤出工艺。反应挤出

:

动态交联、发泡、接枝、嵌段、聚合反应等。

门窗型材2、挤出成型的特点螺杆挤出机能将一系列化工基本单元过程—

如固体输送、增压、熔融、排气、脱湿、熔体输送和泵出等物理过程，交联、发泡、接枝、嵌段、调节相对分子量、甚至聚合反应等化学过程集中在挤出机内的螺杆上来进行。挤出机逐步取代了一些由多台经典的化工设备组成的生产线，实现了生产的连续化

—

带来的是生产率的提高和能耗的降低，减少了生产面积和工人的数量，易于实现生产的自动化，还有较好的劳动条件和较少的环境污染，降低了生产成本。优点连续化效率高应用广投资少二、挤出成型设备挤出机传动系统挤压系统加热冷却系统一挤出机1、挤压系统挤压系统—加料加料

—料斗中的架桥和空心现象挤压系统固体输送

—存在固体的输送率压缩

—熔融、排气、建立系统压力熔融

—机筒传热和物料的剪切热混合

—熔融、排气、建立系统压力排气

—空气、水蒸气、挥发份固体输送2、传动系统减速器马达二、挤出机的辅机设备辅机牵引装置定型装置口模冷却装置堆放切割装置三、控制系统塑料挤出机的控制系统包括加热系统、冷却系统及工艺参数测量系统，主要由电器、仪表和执行机构（即控制屏和操作台）组成。其主要作用是：控制和调节主辅机的拖动电机，输出符合工艺要求的转速和功率，并能使主辅机协调工作；检测和调节挤塑机中塑料的温度、压力、流量；实现对整个机组的控制或自动控制。

挤出机组的电气控制大致分为传动控制和温度控制两大部分，实现对挤塑工艺包括温度、压力、螺杆转数、螺杆冷却、机筒冷却、制品冷却和外径的控制，以及牵引速度、整齐排线和保证收线盘上从空盘到满盘的恒张力收线控制。4、挤出机的主要技术参数螺杆直径D螺杆的长径比L/D螺杆的转速rpm电机功率kW机器的生产能力kg/h机筒的加热功率和分段数机器的中心高和外形尺寸挤出机的规格JWM挤出机规格螺杆

直径长径比L/D最大挤出量(PET)(kg/h)螺杆转速(r/min)机头压力(MPa)传动

功率

KW加热功率(KW)加热段加热电压（V）中心高(mm)C型中心高（mm）D型重量（t）25/25φ2525:1820-9015-252.533220340

0.845/25φ4525:13820-9015-257.583220340

165/25φ6525:18020-9015-2518.52052203403301.380/25φ8025:112020-8015-25373052205105601.690/25φ9025:122020-8015-25453052205105601.8105/25φ10525:130020-7015-25554052206105603120/25φ12025:144020-6015-25754862206606004130/25φ13025:150020-6015-25904862206606004135/25φ13525:15500-6015-25905763806606004150/25φ15025:170020-6015-251107263807106255160/25φ16025:178020-6015-251328463807106256180/25φ18025:1105020-5015-25180110738080080010200/25φ20025:1140020-5015-2522015073801000100012三、单螺杆挤出理论简介通过对挤出过程的研究，形成一整套描述物料在螺杆和口模中的流动、变形规律的基本理论，用于指导生产和设计新的机台。国外的历史:20世纪30年代以后国内的历史：20世纪70年代以后研究方法：g函数群和f函数群二、单螺杆挤出理论1、螺杆长度方向上的划分加料段

固体输送压缩段压缩物料，并使物料熔融塑化计量段对熔融物料进行搅拌和混合，同时稳定、定量地向口模输送料流。加料段压缩段计量段熔体输送段熔融段固体输送段3、螺杆的名词术语Db

螺杆外径Ds螺杆根径H1加料段深度H3计量段深度B螺槽轴向宽度螺旋升角t螺纹导程i螺纹头数e螺棱轴向宽度e’螺棱法向宽度L螺杆长度L1加料段长度L2压缩段长度L3计量段长度Ds螺纹参数:W为螺槽的法向宽度W=Bcos=(t/i-e)cos=t/i·cos–e’－螺棱顶端与机筒内壁间的间隙。螺旋线展开螺旋线展开长度－Z螺纹展开图渐变度A=(h1-h3)/Z2

；

Z2

－压缩段螺纹展开长度；h1，h3分别为加料段深度和计量段深度轴线3、挤出理论的研究内容研究螺槽内流体的速度、压力、温度分布的规律.计算螺杆对物料的输送能力及螺杆的功率消耗.评价螺杆对物料的混合与塑化效果.4、挤出理论

固体输送理论熔融理论熔体输送理论第二节挤出成型理论一、固体输送理论二、熔融理论三、熔体输送理论一、固体输送理论固体在螺杆中存在着两种状体：散粒体和固体塞。相应地存在着两种固体输送状态：塞流输送和非塞流输送。在大多数情况下，塞流输送占据着固体输送段长度的绝大部分。一、固体输送理论可视化实验结果非塞流和塞流固体输送的重大区别在于对物料运动形式的假设上。塞流理论认为，物料是密实、无间隙的整块固体，而非塞流理论认为，物料是松散的、颗粒之间有间隙的、存在着相对运动的散粒体。按物理性质来说，散粒体是介于固体和液体之间的一个物理体系。一、固体输送理论1、基本假设条件2、流场分析3、固体输送方程4、固体塞的输送角

(前进角)θ5、固体输送理论的讨论6、对固体塞摩檫理论的修正7、非塞流理论8、固体输送段的功率计算第二节挤出成型理论目的：定量计算固体输送率，探索其影响因素.发展概况：1956年Darnell和Mol

通过固体对固体摩擦的静力平衡，建立了固体输送理论。

1972年Broyer和Tadmor

对上述理论进行了修正，得到Darnell-Mol

理论，成为研究物料在螺杆挤出过程中固体输送的经典理论。一、固体输送理论第二节挤出成型理论一、固体输送理论达涅耳(Darnell)-莫尔(Mol)理论固体摩擦理论第二节挤出成型理论（3）摩檫系数是常数，但物料与螺杆和机筒内表面的摩檫系数不同；（4）忽略固体塞密度的变化，重力的影响，螺棱顶部和机筒表面间隙的影响；（5）加料段螺槽截面为矩形，且槽深不变。（1）物料是已被压实的无内变形的固体塞；（2）固体塞所受的压力仅沿螺槽方向有变化；1、基本假设条件第二节挤出成型理论A－Axyz02、流场分析第二节挤出成型理论固体塞形貌AAA机头机头AA就是理论力学中运动分析原理2、流场分析固体塞运动分析建立坐标：静坐标建立在机筒上;动坐标建立在螺杆上.第二节挤出成型理论机头VLV1V2V3θ牵连速度V1－动坐标相对于静坐标的速度。相对速度V2－物料相对于动坐标的速度。绝对速度V3－物料相对于静坐标的速度。轴向速度VL－物料沿轴向移动速度。绝对速度＝牵连速度＋相对速度

V3=V1+V2V2V1V3VL几种速度分析：第二节挤出成型理论3、固体输送方程VL-轴向速度；

-输送角A-垂直于VL的螺槽流道截面积固体输送率Qs＝VL·A（1）第二节挤出成型理论n－－螺杆转速3、固体输送方程V2V1V3VL垂直于VL的螺槽流道截面积计算：垂直轴向的截面积A第二节挤出成型理论螺槽的法向宽度i＝1,将W代入A方程（2）整理固体输送方程固体输送率Qs＝VL·A（1）*（2）s－－－（3）第二节挤出成型理论忽略e’,固体输送速率Q的近似计算公式:（5）固体输送方程写成比流率的形式：第二节挤出成型理论4、固体塞的输送角

(前进角)θ

通过受力分析,求出固体塞的输送角

(前进角)θ

推力

F2、F6螺棱间挤压力F7、F8摩擦力物料与侧壁F3、F4物料与螺杆基部F5物料与机筒内壁

F1进行力和力矩的平衡计算4、固体塞的输送角

(前进角)θF1是运动着的微元和机筒内壁面的摩擦力微元周围的料对微元的正压力F2和F6螺棱对微元的正压力F8和F7：Fd是推进面作用在微元上的正推力4、固体塞的输送角

(前进角)θ螺棱侧面对微元的摩擦力F3和F4，螺槽底面对微元的摩擦力F5将上述的8个力分解为轴向分力FiL和切向分力Fiθ假设在等深螺槽中的固体输送的加速度为零从螺杆几何关系可以得到通过受力分析,求出固体塞的输送角

(前进角)-θ固体塞的输送角

(前进角)θ方程（6）（7）（8）固体塞的输送角

(前进角)θ方程为了减少计算量，Θ的计算图图1、与M(螺杆与物料参数的集合项)5、固体输送理论的讨论

M=f(螺杆几何参数，fb,fs,P1,P0)K=f(螺杆几何参数，fs)测定fb,fs,P1,P0M和KQS测定QS和fsMP1,P0

(1)总体意义

K测定fb第二节挤出成型理论

M0,QQmax最大的固体输送率（fs=0,P1/P0=1，未建立压力)(2)输送角θ的大小当θ=0,Qs=0，物料抱轴旋转。当θ

增大时,意味着K、M值下降，Qs。

从K值的计算可得ctgθ=tgb实际上fs=0，Qs也达不到Qmax。第二节挤出成型理论为了提高生产率，使θ

增加，则M值要下降。摩檫因数fs/fb下降时，M值下降。控制螺杆和料筒的表面加工精度可使fsfb

螺杆尽量光滑

料筒开槽。b.控制螺杆与机筒的温度。摩檫因数fs/fb的控制方法:(3)摩檫因数f第二节挤出成型理论降低螺杆表面的粗糙度提高机筒内表面摩擦系数：料筒开槽，使得机筒摩擦系数可以增加4~5倍左右控制螺杆与机筒的温度金属与聚合物的摩檫系数是温度的函数,而且有一个极大值。控制螺杆与机筒的温度第二节挤出成型理论控制螺杆与机筒的温度第二节挤出成型理论当其最大时，Qs达到最大。(4)螺纹升角对于大多数聚合物，fs在0.25~0.5间，螺纹升角在17º～20º之间，一般取17º41’.第二节挤出成型理论存在着最佳螺纹升角(5)螺槽深度和螺杆的转速H增大，n加快，Qs增高。第二节挤出成型理论(6)物料压力式中：固体输送区物料压力分布:第二节挤出成型理论PZb理论实际P0讨论：第二节挤出成型理论初始压力Jannssen考虑初始压力P0＝gy物料压力P0yyc料位高度第二节挤出成型理论(7)物料的颗粒形态第二节挤出成型理论6、对固体塞摩檫理论的修正为了精确计算，考虑螺槽中压力的各向异性系数，如果令螺槽方向的压力为p作用在机筒内表面的压力：作用在螺槽底面的压力：作用在螺槽侧面的压力：一般在计算中，取对固体塞摩檫理论的修正固体塞密度的变化螺槽深度和固体塞密度变化的影响螺槽深度变化，在螺槽中会产生一些附加力，需要对摩擦理论进行修正。螺槽深度变浅，压力增高，密度增大，附加力对螺槽中压力会产生影响，压力分布方程:螺槽深度和固体塞密度变化的影响式中A1、A2、B1、B2中的h1随Z的增加而变化。结论：在锥形螺槽中压力建立的比等深快；螺槽锥度对压力建立的影响随流率增高而增大。螺槽深度和固体塞密度变化的影响7、非塞流理论（1）非塞流固体输送理论的物理模型a、假设条件

(a)物料是松散的，颗粒之间有间隙，存在着相对运动的散粒体。

(b)散粒体具有一定的流动性，并且仅在一定范围内能保持其形状。第二节挤出成型理论b流场分析

(a)不能满足压力各向同性的假设；

(b)用多维压力和速度场描述输送过程；

(c)随散粒体内部挤压力和摩擦力的增加，粒间相对运动消弱，直至转换成塞流。(1)非塞流固体输送理论的物理模型非塞流理论模型第二节挤出成型理论螺槽中的颗粒料以立方小块代替。非塞流理论模型非塞流理论模型非塞流理论模型(2)研究结果（a)螺槽中散粒体的速度分布（b）非塞流输送向塞流输送的转换fi为物料的内摩擦系数。fi增大向塞流输送过渡。（c）摩擦系数对固体输送率的影响塞流理论：fb<fs,Q=0非塞流理论：无论fb、fs的大小如何，Q预测均不为零。（d）螺杆参数对生产率的影响塞流理论：H1增加，Q增大非塞流理论：有最佳槽深。螺旋升角最佳为45°大于目前的17°40’。第二节挤出成型理论（e）压力的建立及fb与系统压力的关系按塞流理论:加料段末端压力会大到无法置信的地步，与实际不相符。非塞流理论：末端压力不会大于5MPa。

fbfs

或fiPG螺杆转速/r•min-1

实测生产率/kg•h-1

非塞流理论生产率/kg•h-1

Darnell-Mo