塑料成型工艺第六章-挤出成型

目的与要求：1.了解挤出成型原理。2.掌握挤出成型工艺过程及工艺参数。3.了解挤出成型产品。重点：挤出成型的工艺参数：时间、温度和压力。第六章挤出成型工艺

挤出成型又叫挤塑、挤压、挤出模塑。是借助螺杆和柱塞的挤压作用,使塑化均匀的塑料强行通过模口而成为具有恒定截面的连续制品。

将熔融的塑料自模具内以挤压的方式往外推出，而得到与模口相同几何形状的流体，冷却固化后，得到所要的零件。一、挤出成型基本原理加料在料筒中熔融塑化机头口模挤出定型冷却牵引切割控制系统挤出机组

挤出系统、传动系统、加热冷却系统、机身

机头、定型装置、冷却装置、牵引装置、切割装置、卷取装置辅机：挤出机：挤出成型设备－挤出机主机：通用专用（1）按挤出方式：螺杆式挤出机（连续式）和柱塞式挤出机（间歇式);(2)按螺杆数量：单、双、多螺杆挤出机；（3）按螺杆转速：普通、高速、超高速挤出机（4）按装配方式：整体式、分开式（5）按螺杆在空间布置位置：卧式、立式（6）排气式和非排气式

目前，生产中最常用的是卧式单螺杆非排气式挤出机

卧式单螺杆挤出机结构示意图1-机头连接法兰2-过滤网3-冷却系统4-加热系统5-螺杆6-料筒7-液压泵8-测速电动机9-推力轴承10-料斗11-减速器12-螺杆冷却装置（1）挤出系统（螺杆、机筒、料斗、机头）（2）传动系统（电动机，调速。减速装置）（3）加热冷却系统

（机筒外部、螺杆中心、料斗冷却）滤网：过滤机械杂质、未熔物料；增加料流阻力，提高混合、塑化效果口模：成型塑件外表面芯棒：成型塑件内表面机头：①改变熔融物料流动方向，使其由直线运动变为螺旋运动②产生必要的压力使制品压实③使物料进一步塑化均匀④成型制品，从而获得与口模相似的型材分流器：将圆柱形料流变为薄环状，便于进一步加热塑化挤出成型特点：连续成型，产量大，成本低，效率高设备结构简单，操作方便，应用广泛塑件面形状不变，模具结构简单，更换机头口模，生产不同形状的产品塑件尺寸稳定生产环境卫生,劳动强度低

适用的树脂材料：绝大部分热塑性塑料及部分热固性塑料，如PVC、PS、ABS、PC、PE、PP、PA、丙烯酸树脂、环氧树脂、酚醛树脂及密胺树脂等

应用：塑料薄膜、网材、带包覆层的产品、截面一定、长度连续的管材、板材、片材、棒材、打包带、单丝和异型材等等，还可用于粉末造粒、染色、树脂掺和等。§6.2

挤出成型工艺塑化成型定型1.原料的准备，塑化阶段干燥、去杂质处理2.挤出成型阶段塑料由料斗进入料筒后，随着螺杆的旋转而被逐渐推向机头方向。经过以下三个阶段：塑件的牵引、卷取和切割单螺杆挤出各段的作用:螺槽被松散的固体粒子（或粉末）所充满，物料开始被压实。a、由于阻力，物料被压实

由于螺槽逐渐变浅，以及滤网、分流板和机头的阻力，在塑料中形成了很高的阻力，把物料压得很密实。1）加料段——输送并开始压实物料2）压缩段——压实并熔融物料b、外热、内热的作用，物料熔融在料筒外热和螺杆、料筒对物料的混合、剪切作用所产生的内摩擦热的作用下，塑料的温度逐渐升高。对于常规三段全螺纹螺杆来说，大约在压缩段的三分之一处，与料筒壁相接触的某一点的塑料温度达到粘流温度，开始熔融。c、物料全部熔融，变为粘流态随着物料的向前输送，熔融的物料量逐渐增多。而未熔融的物料量逐渐减少，大约在压缩段的结束处，全部物料熔融而转变为粘流态，但这时各点的温度尚不很均匀。物料经过均化段的均化作用就比较均匀了，最后螺杆将熔融物料定量、定压、定温地挤入机头。

机头内的口模是个成型部件，物料通过它便获得一定截面的几何形状和尺寸。3）均化段——均化、挤出固体输送区:固体状态熔融区:两相共存熔体输送区:全部为熔体这几个区不一定完全和前面介绍过的螺杆的加料段，压缩段，均化段相一致。3.塑件的定型与冷却阶段管材的定径方法：定径套、定径环、定径板4.塑件的牵引、卷取和切割在冷却得同时，连续均匀地将塑件引出。牵引速度略大于挤出速度不同的塑件，牵引速度不同。二、挤出成型工艺参数温度挤出速度压力牵引速度1.温度温度是挤出过程得以进行的重要条件之一。物料从加入料斗到最后成型为制品是经历了一个复杂的温度过程的。（低—高）

由上图可见，螺杆的温度轮廓线比料筒的温度轮廓线低，而比物料温度轮廓线高。1.温度a、热量来源物料与物料之间、物料与螺杆、料筒之间的剪切、摩擦产生的热量；料筒外部加热器提供的热量。b、温度的调节温度的调节是靠挤出机的加热冷却系统和控制系统进行的。一般说来：加料段—低温输送。为加大输送能力，不希望加料段温度升得过高，相反有时要冷却；压缩段和计量段—高温熔融。为了促使物料熔融，均化，物料要升到较高的温度。c、温度波动MD方向的温度不均匀性（轴向温度波动）沿物料流动方向温度的波动情况，称之为物料流动方向的温度波动。波动情况因测试点不同会有不同。有的波动达10oC左右。TD方向的温度不均匀性（径向温差）垂直于物料流动方向的截面内各点之间的温度有时也不一致，称之为径向温差。有的螺杆头部的径向温差竟达10oC以上。温度波动对挤出质量的影响制品产生残余应力、各点强度不均匀、表面灰暗无光泽等。努力方向是尽可能减少或消除这种波动和温差。产生这种波动和温差的原因：如加热冷却系统不稳定，螺杆转数的变化等,但以螺杆设计的好坏影响最大。普通三段螺杆存在的问题

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，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。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。

原理：在螺杆熔融段再附加一条螺纹，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。分离型（屏障型）螺杆物料流经过销钉时，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。销钉型螺杆

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。双螺杆

和单螺杆挤出机相比，双螺杆挤出机的特点是1、较高的固体输送能力和挤出产量

2、自洁能力；3、混合塑化能力高；4、较低的塑化温度，减小分解可能；5、结构复杂，成本高。

2.压力a、压力的建立挤出成型时，沿料筒轴线方向，在物料内部要建立起不同压力，主要由以下两个方面的因素造成的：压缩比的存在：螺槽深度的改变、料筒上的沟槽深度变化、螺距的改变等。分流板、滤网和口模产生的阻力。压力的建立是物料得以经历物理状态变化、得到均匀密实的熔体、并最后得到成型制品的重要条件之一。图中为常规三段螺杆和料筒加料段内壁不开沟槽的挤压系统的压力轮廓曲线，压力峰值位于计量段开始处（或其前后）。

如果将沿料筒轴线方向（包括口模）测得各点的物料压力值作为纵坐标，以料筒轴线为横坐标，作一曲线，即可得到压力轮廓线。b、影响压力的因素b、影响压力的因素影响各点压力数值和压力轮廓线形状的因素很多：

机头、分流板、滤网的阻力；加热冷却系统；螺杆转数；螺杆和料筒的结构研究挤出过程的压力轮廓曲线对挤出过程的了解和改进螺杆、料筒的设计有着重要意义。c、压力波动对制品的影响若深入研究每一压力测试点的压力，也会发现，压力随着时间发生周期性的波动，这种波动对制品的质量同样有不利影响。比如：压力的波动会造成流量的波动；会使制品的径向尺寸变化不均；造成制品内部应力不均匀等；努力的方向应当是减少、消除这种波动。3.挤出速度

单位时间内由挤出机头和口模中挤出的塑化好的物料量或塑件长度。它表示挤出能力的高低。4.牵引速度牵引速度与挤出速度相当，可略大于挤出速度。牵引比

——牵引速度与挤出速度的比值，其值等于或大于1。§6.3

挤出管材成型工艺一、挤出管材工艺控制要点1.温度的控制挤出成型温度是促使成型物料塑化和塑料熔体流动的必要条件。对物料的塑化及制品的质量和产量有着十分重要的影响。在各段温度设定应考虑以下几个方面：一是聚合物本身的性能，如熔点，分子量大小和分布，熔体指数等。其次考虑设备的性能。有的设备，进料段的温度对主机电流的影响很大。再次，通过观察管模头挤出管坯表面是否光滑。有无气泡等现象来判断。

挤出成型所需控制的温度是机筒温度、机颈温度、口模温度。

机筒温度分布，从喂料区到模头可能是平坦分布，递增分布，递减分布及混合分布。主要取决于材料物点和挤出机的结构。表6-2常见管材成型温度（单位：℃）

口模设置温度，口模和芯模的温度对管子表面光洁度有影响，在一定的范围内，口模与芯模温度高，管子表面光洁度高。通常来讲，口模出口的温度不应超过220

度。螺杆转速是控制挤出速率，产量和制品质量的重工参数。单螺杆挤出机的转速增加，产量提高。剪切速率增加，熔体表观粘度下降。有利于物料的均化。同时由于塑化良好，使分子间的作用力增大，机械强度提高。但螺杆转速过高，电机负载过大，熔体压力过高，剪切速率过高，离模澎胀加大，表面变坏，且挤出量不稳。

2.螺杆转速

螺杆转速的调节可根据螺杆结构和所加工的材料、产品的形状和辅机的冷却速度而定。4.压缩空气的压力压力应大小适当。5.定径装置、冷却装置的温度3.牵引速度牵引速度应与挤出速度相匹配。

通常正常生产时，牵引速度应比管材挤出速度快1％～10％左右。二、挤出管材常出现的不正常现象三、挤出管材操作规则1.开车前的准备事项(1)机头和定径套的安装(2)设置挤出机各段和机头加热温度，开启电热器，升温至设定温度后，保持30～60min，使机筒和机头内外温度一致。(3)检查和调整挤管生产线各个机台，应保证各装置中心位置对准，启动运转正常，检查水、气管路通畅。2.开车(1)料斗中保持一定的料位。(2)观察物料的塑化状态和管坯壁厚的均匀度，根据塑化情况调整加热温度(3)校正同心度(4)检查和调整压缩空气压力、流量(内压定径时)和真空度(真空定径时)，调整螺杆转速、牵引速度。(5)观察管材外观，测量管材外径和壁厚，调整各工艺环节。3.停车(1)停止加料或卸出料斗中存料，将机筒中物料尽量挤净，停止加热。(2)关闭冷却水进水阀、压缩空气机或真空泵、牵引机等。(3)拆机头，并清理一、硬质聚氯乙烯塑料管材硬质聚氯乙烯塑料简称为PVC-U，也可用UPVC来表示。1.原材料的选用硬质聚氯乙烯管材，应选用悬浮聚合的高型号的树脂，如通常以SG-5型树脂为主要原料，也可选用SG-6型树脂和SG-4型树脂。由于PVC树脂热稳定性差，配方中应加入适量的热稳定剂。主要包括：铅盐稳定剂、有机锡稳定剂、金属皂类稳定剂、稀土复合稳定剂。为克服PVC-U脆性较大及流动性较差的弱点，配方中应加入适量的增韧剂和润滑剂等。应根据稳定体系选择润滑剂的种类。目前用于PVC-U管材的较好的加工改性剂是聚丙烯酸酯类(ACR)，其作用是促进物料的熔融，改善物料的流变性能。硬管生产过程比较简单，主要分为三个过程。一是成型料准备过程。二是挤出成型过程。三是定型包装过程。2.成型工艺参数(1)混合机工艺参数表6-6高速混合机工艺参数(2)开炼机工艺参数(3)挤出机温度表6-7开炼机工艺参数表6-8加工硬聚氯乙烯管挤出机温度参数(单位：℃)(4)螺杆冷却螺杆冷却应控制出水温度不低于70～80℃。(5)螺杆转速

一般螺杆直径增大，螺杆转速减小；同一台挤出机，加工管材直径增大，则螺杆转速下降。(7)牵引速度(8)定径方法3.所需主要设备(1)挤出机的选择选择挤出机型号应根据硬管直径、挤出量并与辅机配合使用。表6-9单螺杆挤出机的最佳挤出量(单位：kg/h)（2）螺杆类型及主要参数（3）机头模具的选择（4）硬管辅机的选用二、软聚氯乙烯管材1.软聚氯乙烯管材（SPVC）配方软聚氯乙烯管材选用聚合度较高的SG—2、SG—3型树脂。2.工艺流程3.成型工艺参数4.挤出软管常出现的不正常现象、产生原因及解决办法常用机头和口模形式机头：机头和口模常连为一体,通称机头,包括过滤网、多孔板、分流梭（有时与模芯结合为一个部件）、模芯、口模等机头的作用：改变熔融物料的流动方向，使其由螺旋变为直线运动；产生必要的压力使制品密实；使物料进一步塑化均匀；成型制品。滤网screen，过滤机械杂质、未熔物料；增加料流阻力，提高混合、塑化效果。由若干片叠在一起的30~120目不锈钢网组成，用多孔板支承。多孔板（筛板、分流板）厚度为螺杆直径的1/3~1/5，上边钻有φ3~6mm的中间疏、两边密的同心圆孔，距螺杆头部0.1D,即约为计量段一个螺槽容积，太大易积料分解，太小料流不稳定。分流器（鱼雷头），将圆柱形料流变为薄环状并便于进一步加热塑化。大型分流器内设加热器，支架用以支承分流器及芯棒，同时使料流分束以加强搅拌，小型分流器与芯棒做为一体。1.直通式熔体在机头中流动方向与螺杆轴向一致，结构简单易制造。适于硬、软PVC,PE,PA挤管机头2.直角式熔体在机头中流动方向与螺杆轴向垂直从料筒流出的熔体绕过芯模再向前流动，会产生一条分流痕，流动阻力小，料流稳定，出料均匀，但其结构复杂，占地面积大。适于PP、PE及尺寸要求严格的管材3.旁侧式熔体经过一个近似直角的过渡区才流入机头阻力大，结构更复杂。上述几种机头由于存在分流器支架,会产生熔接线,影响制品外观及质量消除熔接线的方法:

适当加大口模平直段(成型段)长；增大分流器支架与出料口的距离；使进口角(扩张角)大于出口角(收缩角)；加大机头进口处截面与出口截面比;采用异型芯棒(目的是增大料流阻力)。4.筛孔板式：(生产聚烯烃类大管时,可克服自重产生的薄厚不均现象)无分流梭和芯模,物料经筛孔板进入口模成型段可保证物料充分熔融、塑化无熔接痕，强度高，结构紧凑，占地面积小。挤出机的加热冷却系统一.加热料筒熔融段和机头外部方式有电、液体和蒸汽加热。二.冷却螺杆加料段逆向通冷却水以加大输送能力加料口下方用冷却水冷却，防止热量传向传动侧烧坏电机，并防止料斗中“架桥”料筒非工作侧用鼓风机带走过多的热量防止物料分解。几种制品的挤出工艺一.管材的挤出（棒材、板材、异型材挤出类似）(一)挤出流程及主要辅助设备常见的是圆管，材料有PE、PP、PCPA软质PVC、ABS,国内以PE、PP、软质PVC、ABS等为主，是国际公认的金属管替代品，也是绿色节能产品1.生产流程:机头挤出，冷却定型、冷却、牵引、切割或卷曲2.定型(定径)作用：将机头挤出材料的形状稳定下来，得到更为精确的截面形状、尺寸和表面粗糙度，有内定径和外定径法两种(1)内径定径法一般用于直角机头上，连在口模芯模上内通冷却水，定型套有0.6%~1%锥度，长80~300mm,外径比管材内径大2%~4%，利于收缩后尺寸在控制范围内并保证管材内壁粗糙度(2)外定径法（我国常用方法）真空定径：管外抽真空而将管外壁吸附在冷却定型套内壁上内压法定径：管内加压缩空气，管外加冷却定型套4.牵引装置橡胶带式滚轮式履带式几种管材生产工艺1.PE管材优点突出，成型加工容易，具有良好的韧性、无毒、耐腐蚀、耐寒性和电性能广泛用于自来水管、煤气管、排污管、灌溉管