塑料挤出设备

塑料挤出设备第1页，课件共75页，创作于2023年2月第一节概述一、塑料挤出成型特点生产过程是连续的，因而其产品长度理论上可以无限长；生产效率高；应用范围广，大部分热塑性塑料都能用此法加工能生产的品种：管材、棒材、薄膜、单丝、电线、电缆、异型材以及中空制品等；投资少，收效快。回本章首页第2页，课件共75页，创作于2023年2月二、塑料挤出生产过程第3页，课件共75页，创作于2023年2月三、塑料挤出成型过程加料加热，熔融→粘流态(塑化)压力下通过口模（成型）第4页，课件共75页，创作于2023年2月四、挤出成型设备组成冷却定型卷取（切断）挤出机（主机）辅机控制系统挤出机组牵引第5页，课件共75页，创作于2023年2月1、挤出机（主机）挤压系统传动系统加热冷却系统第6页，课件共75页，创作于2023年2月2、辅机机头（口模）定型装置冷却装置牵引装置卷取装置切割装置第7页，课件共75页，创作于2023年2月3、控制系统由电器、仪表和执行机构组成。可控制主机和辅机的拖动电机、驱动油泵、液压缸等机构的动作。并检测主机和辅机的温度、压力等参数，最终实现对整个挤出机组的控制和对产品质量的控制。第8页，课件共75页，创作于2023年2月五、挤出机的分类与型号表示螺杆数量无螺杆(柱塞式)单螺杆双螺杆多螺杆螺杆空间位置卧式立式可否排气排气式挤出机：可排出物料中的水分、溶剂、不凝气体等非排气式挤出机：装配结构整体式挤出机：分开式挤出机：1、挤出机的分类第9页，课件共75页，创作于2023年2月柱塞式挤出机第10页，课件共75页，创作于2023年2月双螺杆式挤出机第11页，课件共75页，创作于2023年2月分开式挤出机第12页，课件共75页，创作于2023年2月2、塑料挤出机的型号基本型号辅助型号类别代号组别代号型别代号－▲主参数代号设计序号辅机型号：在主参数代号前加“F”和辅机的组、型代号；主参数为辅机主参数。SJSJ-150SJ-FM1700:牵引滚筒工作长度为1700mm的吹塑薄膜辅机第13页，课件共75页，创作于2023年2月挤出机实例：单螺杆机第14页，课件共75页，创作于2023年2月挤出机实例：双螺杆机第15页，课件共75页，创作于2023年2月挤出机实例：机组第16页，课件共75页，创作于2023年2月3、单螺杆挤出机的技术参数（1）螺杆直径D（mm）——指螺杆大径；（2）螺杆长径比L/D——指螺杆工作部分长度L与螺杆直径D之比；（3）螺杆转速范围nmin～nmax（r/min）——指螺杆可获得稳定的最小和最大的转速范围；（4）螺杆驱动电动机功率P（kW）；（5）挤出机生产能力（产量）Q（kg/h）比流量q＝Q实测/n实测，螺杆每转一周挤出机的生产能力；（6）料筒的加热功率E（kW）；常见国产挤出机规格……第17页，课件共75页，创作于2023年2月表第18页，课件共75页，创作于2023年2月第二节挤出理论简介1、挤出理论

用于描述物料在螺杆和口模中运动、变化规律的基本理论。2、工作过程与螺杆的职能分区

固体输送、熔融、均化3、挤出理论的三种过程

固体输送理论：描述加料区（固体输送区）内物料的固体输送过程

熔融理论：描述过渡区（熔融区）的高弹态物料的变化过程

熔体输送理论：描述挤出区（均化区）的粘流态熔体的输送过程第19页，课件共75页，创作于2023年2月一、固体输送理论1、理论依据

①固-固摩擦静力平衡

②假设：物料为密度固定的固体塞子、塞子与所有面接触且摩擦系数恒定、摩擦系数无关密度而与温度有关、螺槽为等深矩形并忽略杆筒间隙、料筒相对螺杆转动。2、公式其中，Qs为固体输送率；n为转速；h1为螺槽深；W为螺槽平均宽度；Db为螺杆外径；e为螺棱法向宽度；θ为固体输送角；ψ为螺旋升角。第20页，课件共75页，创作于2023年2月固体输送理论的结论1、Qs与n、h1成正比，与螺杆直径接近平方成正比；2、Qs随固体输送角的增大而增大。3、输送率与摩擦系数有关。欲达高输送率，需螺杆光滑、筒壁轴向系数小而周向系数大；4、输送区尽早建立较大压力有利于稳定输出；动力主要消耗在料筒摩擦上；物料的性质和形状影响输送率、压力的建立和温升。应用：

纵向锥度并开槽、强力冷却第21页，课件共75页，创作于2023年2月二、熔融理论1、理论依据

①冷却实验

②假设：过程稳定、固相为均匀连续体、熔融体温度范围窄故与固相分界明确、螺槽截面为矩形、固体塞子厚度无限且密度不变、速度不变。2、公式熔融区长度为：第22页，课件共75页，创作于2023年2月熔融理论的结论对熔融区长度的影响：1、物料性能

比热容↓、导热系数↑、密度↑、熔融潜热↓、熔融温度↓，则使ZT变小。2、工艺条件

挤出量G：增则使熔融的发生和结束均推迟，ZT加长，末端温度波幅增大，质量变坏。3、螺杆几何参数

螺槽渐变度、螺棱料筒间隙应用：

背压控制、渐变螺槽、间隙控制第23页，课件共75页，创作于2023年2月三、熔体输送理论1、理论依据

①如何保证塑料在均化段完全塑化，并使其定压、定量和定温地从机头挤出，以获得稳定的产量和高质量的产品。

②假设：等温牛顿流体、粘度密度不变、层流、不可压缩、等螺距、矩形等深槽并忽略曲率、因槽宽大故速度沿螺槽不变、螺筒转动。2、熔体的流动

正流、逆流、横流、漏流3、流量公式

Q=Qz-Qp-QL第24页，课件共75页，创作于2023年2月熔体输送理论的流量分析1、螺杆转速n、直径D

2、均化段长度L3、螺棱宽度e3、螺棱螺筒间隙δ0

3、均化段螺槽深度h3

h3增1倍，则Qz增1倍，而Qp增7倍，有一个最优点。4、出口处压力p2

一定的逆流和漏流有利于均化与混合。5、分析的应用：

第25页，课件共75页，创作于2023年2月螺杆工作时，压力从均化段开始处往后逐渐升高；螺杆出口处的压力为p，为最高压力处。螺杆出口接机头，即口模。机头中的压力分布：螺杆的出口或机头的入口处最高，往后逐渐降低，至机头出口降至零。四、挤出机的综合工作点口模熔融段均化段p1p2p出料两部分分别讨论…第26页，课件共75页，创作于2023年2月流量公式化成：忽略均化段入口处压力，则Δp可用机头压力p代替，即可写成：1、螺杆特性线第27页，课件共75页，创作于2023年2月2、口模特性线机头的物料流率显然与机头压力成正比，即机头口模的流动方程为：口模特性线如OD1、OD2、OD3。其斜率k与口模的结构、滤网设置等有关。实际工作状态是螺杆特性线和口模特性线共同决定的。第28页，课件共75页，创作于2023年2月3、挤出机实际工作曲线1）实际工作图不再是直线2）考虑更多因素的实际工作图n1、n2：不同转速n2>n1k1：有压力调节，k2：则

无压力调节Qu：观察制品均化度确

定的质量线Tmax、Tmin：最大允许和

最小可能的熔体温度W：经济挤出量下限线第29页，课件共75页，创作于2023年2月第三节挤出机结构与参数选用本节将介绍三个部分内容：一、挤压系统二、传动系统三、加热与冷却系统第30页，课件共75页，创作于2023年2月一、挤压系统挤压系统由以下几个部分组成：（一）螺杆（三）分流板和过滤网（二）料筒（四）加料装置第31页，课件共75页，创作于2023年2月（一）螺杆螺杆是完成塑料塑化和输送的关键部分。挤出机的生产率、塑化质量及动力消耗等都主要取决于螺杆的性能。常规螺杆（普通螺杆）新型螺杆第32页，课件共75页，创作于2023年2月1、常规螺杆的结构及参数塑料在挤出机中存在三种物理状态（玻璃态、高弹态和粘流态）的变化过程，每一状态对螺杆结构要求不同。为此，通常将挤出机的螺杆分成三段：加料段（固体输送段）熔融段（压缩段，或过渡段）均化段（计量段，或挤出段）。第33页，课件共75页，创作于2023年2月（1）螺杆类型的确定渐变型：热传导好、剪切小，适合热敏性物料如非结晶型塑料，如PS、PC、PVC、POM等，也可用于结晶型塑料。突变型：剪切大，适合粘度低、具突变熔点的结晶型塑料，如PE、PP、尼龙、ABS等聚烯烃类等塑料。第34页，课件共75页，创作于2023年2月（2）螺杆直径的确定螺杆直径已标准化。应根据所加工制品的断面尺寸，加工塑料的种类和所要求的生产率来选用一定直径的螺杆。一般生产率要求越高，制品断面尺寸越大，则螺杆直径越大。选用时参考经验表或按经验公式Q=βD3n计算。

Q(kg/h),D(cm),n(rpm),β=0.003～0.007（3）螺杆长径比的确定大则：有利于使塑化更充分更均匀，提高制品质量。有利于提高挤出机的生产能力。螺杆和料筒的加工制造和安装都较困难，功率消耗增大，成本高；影响挤出机的寿命；对热敏性塑料易产生热分解。第35页，课件共75页，创作于2023年2月（4）螺杆的分段及各段参数的确定1）加料段作用是将固态物料压实并输送给压缩段和均化段。输送能力是它的核心问题。加料段的输送能力应与后两段的熔化和均化能力相一致。螺纹升角ψ：理论上45°；

为了加工方便，取s＝D，则ψ＝17°42′螺槽深度h1：与固体输送能力、螺杆强度、物料压缩比有关。先确定h3，再由压缩比ε→h1加料段长度L1：由经验数据确定

非结晶型塑料：L1＝(0.1～0.25)

结晶型塑料：L1＝(0.3～0.65)L第36页，课件共75页，创作于2023年2月2）压缩段作用是进一步压实物料，排除气体并使物料熔融。物料熔融后密度增加以及在压力作用下物料被压缩，这就需要补偿其体积变化以保证物料到达均化段时具有足够的致密度，因此应有足够的压缩比。等距螺杆的几何压缩比为：几何压缩比（指螺杆）物理压缩比（指塑料）＞压缩比一般根据经验选取，表4—3L2以经验方法确定：非结晶型塑料：L2＝（0.5～0.6）L结晶型塑料：L2＝（3～5）D第37页，课件共75页，创作于2023年2月压缩段的渐变度描述螺杆从固体输送段过渡到均化段的变化速率。由熔融理论知道，渐变度的存在起加速熔融的作用。应当使渐变度与固体床的熔融速率相适应。（1）渐变度太大，易堵料；（2）渐变度太小，均化段螺槽中的熔体有可能充满不完全。设计不当将导致产量的波动。一般设计时，因物料的熔融速率无法预先知道，仍采用前述的压缩比概念。第38页，课件共75页，创作于2023年2月3）均化段作用是将来自压缩段的熔料相混合，使其温度、密度和粘度达到均匀，并且定压、定量、定温地输送到机头。h3的影响：应和压缩段的熔融能力相匹配。如果h3过大，使其潜在的熔料输送能力大于熔料能够充满的能力，压缩段未熔的物料有可能进入该段。残留的固相碎片若得不到进一步均匀塑化而挤入机头，就会影响制品质量。反之，若太浅则熔料受到的剪切过大，会使熔料温度升高，甚至过热分解。L3的影响：L3增大，可使物料均化时间延长，有利于物料的均匀混合，但过长会使加料段和压缩段在螺杆全长中所占比例变小，且对热敏性塑料易引起过热分解。这两个参数一般靠经验确定。h3＝（0.02～0.06）DL3＝（0.22～0.25）L(非结晶型)L3＝（0.25～0.35）L(结晶型)第39页，课件共75页，创作于2023年2月（5）螺杆头部结构应选择合理的螺杆头部形状，以使物料尽可能平稳地从螺杆进入机头，避免产生涡流，使局部滞留受热时间过长而产生热分解（滞料现象）。a、b:常用结构c、d:顶部死角，用于流动性好的塑料e、f:用于流动性差的热敏性塑料g、h:非对称头部防滞料i:用于粘度大、导热不良、熔点明显的物料j:挤电缆专用第40页，课件共75页，创作于2023年2月螺杆的工作条件恶劣(高温、高压、腐蚀、磨损并承受较大的扭矩)，因此，螺杆材料应具有较高的力学性能和较好的切削、热处理性能。常用的材料有45钢、40Cr、38CrMoAl，并经表面镀铬或氮化处理。使用最多的是38CrMoAl。也有的是在螺杆表面喷涂或堆焊耐磨耐腐合金以提高螺杆的使用寿命。（6）螺杆材料第41页，课件共75页，创作于2023年2月2、新型螺杆常规全螺纹三段螺杆存在的问题：

固体输送能力低，熔融效率低且不彻底，塑化混炼不均匀，压力、温度、挤出速率波动大等。（1）分离型螺杆在压缩段设置一条附加螺纹（也称副螺纹），其外径小于主螺纹，将原螺槽一分为二，一条与加料段相通(固相槽)，另一条与均化段相通(液相槽)，由于主副螺纹螺矩不等，使液相槽逐渐变宽，至均化段时达到整个螺槽宽度，而固相槽变窄最后为零。4312第42页，课件共75页，创作于2023年2月（2）屏障型螺杆是在普通螺杆的某一部位(一般在螺杆头部附近)设置屏障段，使未熔的残余固体不能通过，并促使其熔融和均化的一种螺杆。第43页，课件共75页，创作于2023年2月（3）分流型螺杆在普通螺杆的某一部位设置分流元件(如销钉或沟槽、孔道等)，将螺槽内的料流多次分割，以改变物料的流动状态，从而促进熔融、增强混炼和均化。第44页，课件共75页，创作于2023年2月（二）料筒1、料筒的结构形式（1）整体式料筒在整体材料上加工出来，容易保证较高的制造精度和装配精度，可简化装配工作，便于加热冷却装置的设置和装拆，料筒受热均匀。但对加工设备和加工技术要求较高，且内表面磨损后不易修复。第45页，课件共75页，创作于2023年2月（2）分段（组合）式料筒将料筒分成几段加工，再用法兰或其它形式联接起来。其加工较整体式容易，且便于改变螺杆长径比，但分段多，难以保证各段的同轴度，连接处热损失大，加热的均匀性较差，加热冷却系统的设置和维修也不方便。多用在实验性挤出机和排气挤出机上。第46页，课件共75页，创作于2023年2月（3）双金属料筒为了节约贵重材料，大、中型挤出机的料筒常在一般碳素钢或铸钢的基体内部镶一段可更换的合金钢衬套，以便磨损后更换，或是在料筒内离心浇铸一层约2mm厚的合金层。这种料筒的使用寿命较长。第47页，课件共75页，创作于2023年2月（4）料筒的新型结构生产中为提高加料段的固体输送效率，以充分发挥各种新型螺杆的工作效能，常采用一些新型结构，如：在料筒内壁开纵向沟槽、将内壁做成锥形并开槽；加大料筒表面切向摩擦系数和物料通过面积；对加料段强力冷却。第48页，课件共75页，创作于2023年2月2、加料口加料口的形状和位置对加料性能有很大影响。加料口的形式必须和物料的形状相适应，应能使物料顺利地加入料简而不产生“架桥”现象。加料口的形状(俯视)有圆形、方形，也有矩形的。一般情况多用矩形的。其长边平行于料筒轴线，长度约为螺杆直径1.3～1.8倍。当采用机械搅拌强制加料时多用圆形的加料口。适于带状料，不适于粒料和粉料多用于简易式挤出机多用于简易式挤出机第49页，课件共75页，创作于2023年2月3、料筒与机头的联接形式铰链螺栓连接螺钉连接剖分连接冕形螺母连接第50页，课件共75页，创作于2023年2月（三）分流板与过滤网使料流由螺旋运动变为直线运动；阻止未熔融的粒子和杂质进入口模；形成背压，提高熔料压力，保证塑化质量。分流板同时还对过滤网起支承作用，但在挤出粘度大而热稳定性差的塑料时一般不用过滤网，甚至也不用分流板。分流板孔眼分布原则：使流过分流板的物料流速均匀。孔眼直径一般3～7mm。厚度一般为料筒内径的20％左右。过滤网一般20～120目，1～5层。第51页，课件共75页，创作于2023年2月（四）加料装置作用：给挤出机供料。组成：料斗和上料部分。1、料斗一般做成对称的；料斗侧面开有示镜孔；料斗底部设开合门；料斗上方加盖；材料用轻便、耐腐蚀、易加工材料，一般多用铝板和不锈钢板；料斗容积一般为挤出机1～1.5h的挤出量。第52页，课件共75页，创作于2023年2月2、加料方法(1)重力加料——物料依靠自身的重量进入料筒。(2)强制加料——在料斗中设置搅拌器或螺旋桨叶等装置，使料斗中的物料强制进入挤出机。第53页，课件共75页，创作于2023年2月3、上料方法上料指的是将松散物料加到料斗中。人工上料——不需设置上料装置，多用在小型机。自动上料鼓风上料弹簧上料真空上料运输带传送上料回节首螺旋输送机上料第54页，课件共75页，创作于2023年2月二、传动系统1、驱动功率和转速范围的确定（1）驱动功率的确定a）无精确算法，一般按均化段功率为基础加以放大估算，N总=KN，根据物料K=1.2~4b）按实践总结归纳的数据选取，见表4－4（2）转速范围及其确定能无级调速——控制挤出质量及与辅机配合一致有一定的调速范围——使挤出机适应各种加工情况大多数挤出机调速范围为6：1。转速受制于螺杆的线速度：与塑料的塑性有关。第55页，课件共75页，创作于2023年2月2、传动系统的组成直流电动机交流整流子电动机减速器联轴器螺杆定速电动机机械有级变速机械无级变速液压无级变速带或联轴器第56页，课件共75页，创作于2023年2月3、挤出机常用的传动系统1）三相整流子电动机和普通齿轮减速器组成的传动系统可靠、稳定、易维护、范围多为3：1、可与有级调速结合以扩大范围2）直流电动机和一般齿轮减速器组成的传动系统体积小、效率高、范围可达16：13）液压马达和交流感应电动机配合实现无级调速的传动系统特性软、起动惯性小、可对螺杆起过载保护4）变频调速调速方便、范围很大第57页，课件共75页，创作于2023年2月三、加热与冷却装置1、加热装置作用：按挤出工艺要求，提供熔融物料所需的热能。热源料筒外部加热器提供的热能塑料与料筒内壁、螺杆以及塑料之间相对运动所产生的摩擦剪切热加热方法液体加热（载体加热）蒸汽加热电加热远红外线加热电阻加热感应加热料筒的加热应分段进行，以适应物料的塑化特性。第58页，课件共75页，创作于2023年2月液体加热（载体加热）方法：先将液体(水、油和有机溶剂或其混合物)加热，再由它们加热料筒。低于200℃时用矿物油作为加热介质，高于200℃时一般用有机溶剂。温度控制：用改变恒温液体的流量来实现。优点：是加热均匀稳定，温度波动小。缺点：加热系统比较复杂，有的液体加热温度过高时有燃烧的危险，有的液体还易分解出有毒气体，故应用不太广泛。第59页，课件共75页，创作于2023年2月电阻加热——利用电流通过电阻丝产生大量的热量来加热料筒和机头有较大的温度梯度，加热不均匀传热时间长类型包括：a.带状加热器b.陶瓷加热器c.云母加热器d.铸铝加热器e.铸铜加热器第60页，课件共75页，创作于2023年2月感应加热——通过电磁感应在料筒内产生电涡流使料筒发热来加热塑料温度的调节和控制较灵敏，从而有较大的温度灵敏性，对制品的质量有利。加热均匀，温度梯度小。加热时间短，效率高，大约比电阻加热省30％的电能。使用寿命长。加热温度受感应线圈绝缘性能的限制；径向尺寸大；成本高；装拆不方便。第61页，课件共75页，创作于2023年2月远红外线加热利用远红外线辐射元件发出的远红外线被加热物体所吸收，直接转变为热能而加热塑料的一种新型加热技术，其加热效率高。远红外线不需要介质就可以直接到达被加热物体，能量损失小。远红外线可以透入到被加热物体内部，使物体表面和内部温度同时升高，则使加热温度均匀而有利于制件质量的提高。第62页，课件共75页，创作于2023年2月2、冷却装置挤出机冷却系统也是为保证塑料在成型过程中所需的温度而设置的。料筒螺杆料斗座（1）料筒的冷却风冷水冷主要采用空气冷却，料筒表面要形成一定的通道，以便冷风均匀地通过料筒表面。主要采用自来水，料筒表面加工出螺旋状的沟槽，用以缠绕冷却水管。比较柔和、均匀、干净。需配备鼓风机等设备，故其成本高。冷却系统体积庞大。所用装置简单。冷却速度较快，易造成急冷，而且水一般末经软化，水管易出现结垢和锈蚀现象，从而降低冷却效果，故完善的水冷却系统所用水应经过化学处理。第63页，课件共75页，创作于2023年2月（2）料斗座的冷却加强固体物料的输送能力；阻止挤压系统的热量传往推力轴承和减速箱，保证挤出机正常工作条件；一般用水冷却。（3）螺杆的冷却有利于加料段物料的输送有利于防止塑料在均化段过热分解第64页，课件共75页，创作于2023年2月第四节挤出机辅机主要介绍：1、概述2、挤管辅机3、吹塑成型辅机第65页，课件共75页，创作于2023年2月一、概述一、辅机的作用将从机头连续挤出并已获初步形状和尺寸的高温熔体冷却，并在一定的装置中定性，在通过进一步冷却，使之由高弹态转变为室温下的玻璃态，达到一定的表面质量，成为符合要求的制品或半成品。二、辅机的类型1、按工艺：冷却定型（或吹胀）装置、冷却装置、牵引装置、切割装置、堆放卷取设备等；2、按制品：吹膜辅机、挤管辅机、吹塑中空制品辅机、挤板辅机、拉丝辅机、…。三、挤出典型工艺流程…第66页，课件共75页，创作于2023年2月二、挤管辅机主要用于塑料管的生产，如PVC、PE、PP、ABS、PC、F4等。（一）管材挤出过程图见上页a、b

（二）冷却定型装置1、外径定径法内压充气法真空定径法2、内径定径法第67页，课件共75页，创作于2023年2月1、冷却的作用

在冷却定型后继续冷却至室温，以免使已冷却表面温度升高而导致变形。2、冷却方式

空冷、水冷，使冷却后管温约30℃。3、水冷法（1）冷却水槽

2～4段、逐段降温

弯曲问题（半没、全没、浮力）（2）喷淋冷却

设3～6根、前端水孔密

换热好、适合大管径（三）冷却装置4、水槽或水箱长度影响因素：水温、管温、管壁厚、牵引速度、塑料种类；结晶型聚合物的长度一般为PVC的2倍；一般1.5～6m。第68页，课件共75页，创作于2023年2月（四）牵引装置1、牵引装置的作用给由机头出来的已获初步形状和尺寸的管子提供一定的牵引力和速度，均匀地引出管材，并通过牵引速度的变化适当地调节管子的壁厚。2、牵引速度对质量的影响过快：壁薄、拉断过慢：壁变厚、堵塞3、常用牵引装置的工作原理1）滚轮式2）履带式3）橡胶带式第69页，课件共75页，创作于2023年2月（五）吹塑成型辅机中空制品用途用途广泛；常用原料有PE、PVC、PS、PP、PC等1、生产型坯的方法：挤出法、注射法、压缩法2、挤出吹塑成型过程

挤出型坯、引入模具、模具闭合、吹胀、开模3、中空吹塑模具