第七章-挤出成型

第七章挤出成型一、概述挤出成型在高分子材料加工领域中，是一个变化众多，用途最广，比重最大的成型工艺。挤出过程是使高分子材料的熔体在挤出机的螺杆挤压作用下，通过具有一定形状的口模而连续成型，所得制品为恒定截面的连续型材。挤出成型制品三大合成材料的挤出，没有本质上的区别，所用设备加工原理大同小异。挤出理论、工艺以塑料为多，故本节主要讨论塑料的挤出成型。第一页，编辑于星期三：十六点二十六分。橡胶挤出压出；合成纤维螺杆挤出纺丝；塑料主要是热塑性塑料的挤出，现也有热固性挤出成型的塑料制品都是连续的型材。如：管材、棒材、板材、片材、带、薄膜、单丝、电线电缆包层、异型材等。挤出造粒塑炼上色，混炼，塑化造粒，共混改性等。以挤出为基础的配合吹胀和双轴拉伸：吹塑成型和拉幅成型。第二页，编辑于星期三：十六点二十六分。二、工艺特点▲连续成型，产量大，生产效率高。▲制品外形简单，是断面形状不变的连续型材。▲制品质量均匀密实，各向异性小，尺寸准确性较好。▲适应性很强：▲几乎适合除PTFE外所有热塑性塑料。▲只要改变机头口膜，就可改变制品形状。▲可用来塑化、造粒、染色、共混改性，也可同其他方法混合成型。此外，还可做压延成型的供料挤出压延第三页，编辑于星期三：十六点二十六分。三、挤出成型基本过程1、塑化在挤出机内将固体塑料加热并依靠塑料之间的内摩擦热使其成为粘流态物料。2、成型在挤出机螺杆的旋转推挤作用下，通过具有一定形状的口模，使粘流态物料成为连续的型材。3、定型用适当的方法，使挤出的连续型材冷却定型为制品。第四页，编辑于星期三：十六点二十六分。四、挤出成型设备螺杆式挤出机连续成型，用处最多。柱塞式挤出机间歇成型，一般不用。（UHMWPE、PTFE）螺杆式挤出机单螺杆单螺杆挤出机双螺杆双螺杆挤出机

多螺杆行星螺杆挤出机其中以单螺杆最常用，也较为简单。第五页，编辑于星期三：十六点二十六分。第一节单螺杆挤出机的基本结构及其作单螺杆挤出机传动系统挤出系统加热和冷却系统控制系统附属装置加料装置料筒螺杆机头口模用原理单螺杆挤出机的基本结构第六页，编辑于星期三：十六点二十六分。一、料斗即加料装置，以保证物料向料筒供料。有冷却夹套，有定时定量自动加料装置。二、料筒是一个受压的金属圆筒，其外层有加热冷却系统。料筒的作用：（3～4段）▲对塑料加热：▲配合螺杆使塑料塑化对塑料冷却的目的：防止停车时，因过热造成分解。第七页，编辑于星期三：十六点二十六分。三、螺杆是挤出机最主要的部件，其结构对挤出工艺有重要影响，挤出不同高聚物有不同结构形式的螺杆。1、螺杆的结构第八页，编辑于星期三：十六点二十六分。2、螺杆的几何结构参数螺杆的直径D螺杆的压缩比A螺杆角螺杆与料筒的间隙螺杆的长径比L/Ds螺槽深度H螺纹棱部宽度Eθ第九页，编辑于星期三：十六点二十六分。▲螺杆的直径D代表挤出机的规格。D，挤出机的生产能力。▲螺杆的长径比L/Ds（15～25）影响挤出机的产量和挤出质量（衡量塑化效率）。L/Ds，塑料的停留时间，混合塑化效果。▲螺杆的压缩比A（2～5）A＝螺杆第一螺槽的容积/螺杆最后螺槽的容积A的获得：等距变深，等深变距，变深变距。A，制品致密，排除物料中所含空气的能力大。第十页，编辑于星期三：十六点二十六分。螺槽深度H正比于挤出量。H小，产生的剪切速率大，塑化效果好，但生产率低。H3＝KD，K＝0.02～0.06，D小K取大值，D大K取小值。螺旋角（10～30o）θ，出料快，生产率，但停留时间短，塑化效率。螺杆在螺距＝直径时最容易加工，此时，＝17o41’。螺纹棱部宽度Eθ影响漏流，进而影响产量螺杆与料筒的间隙θ第十一页，编辑于星期三：十六点二十六分。3、螺杆的作用输送物料螺杆转动时，物料在旋转的同时受到轴向压力，向机头方向流动以挤出成型。传热塑化物料与料筒配合，使物料接触传热面并不断更新，在料筒外加热与螺杆摩擦作用下软化、熔融为粘流态。混合与均化物料与料筒和机头相配合产生强大的剪切作用，使物料混合均匀、塑化完全。第十二页，编辑于星期三：十六点二十六分。螺杆沿长度方向一般分为三段，各段的作用和结构是不同的：（1）加料段L1靠近料斗一端，在该段对物料主要起传热软化、输送作用。无压缩作用。是固体输送。L1长度：结晶型塑料：熔点前，难压缩，▲L1较长。无定形塑料：随T，形变，有压缩，▲

L1不长。第十三页，编辑于星期三：十六点二十六分。（2）压缩段L2螺杆的中段。物料在此段继续吸热软化、熔融，直到最后完全塑化，塑料在该段内可以进行较大程度的压缩。压缩作用的来源：渐变形：螺距变化、螺槽深度变化。突变型：等深等距深槽等深等距浅槽（1～2个螺距过渡）压缩段的长度：结晶型塑料：Tm很窄，到Tm后，▲

L2很短即可。无定型塑料：Tf较宽，▲

L2较长。η第十四页，编辑于星期三：十六点二十六分。（3）均化段L3靠机头口模一端。为等距等深的浅槽螺纹，其作用是把压缩段送来的已塑化的物料，在均化段的浅槽和机头回压下搅拌均匀，成为质量均匀的熔体，并且为定量定压挤出成型创造必要条件。（也称计量段）均化段要维持较高的而且稳定的压力，以保持料流稳定，因此应有足够的长度，可为螺杆全长的20～25%。第十五页，编辑于星期三：十六点二十六分。4、螺杆的形式螺杆普通型高效专用渐变型突变型－螺杆分三段等距变深等深变距图7-5螺杆头部锥型鱼雷头可避免物料分解混合和受热效果好图7-6第十六页，编辑于星期三：十六点二十六分。5、螺杆的选用（1）材料对结晶型塑料：突变型螺杆等距不等深对无定型塑料：渐变型螺杆等距不等深（2）L/D对硬塑料，塑化时间长，L/D大些；对粉末料，要求多塑化一些时间，应L/D大；对结晶型塑料，L/D大。（3）A根据不同的塑炼选用不同的压缩比。例：硬料，A小；软料，A大。（硬质PVC，A=2~3;软质PVC，A=3~4）第十七页，编辑于星期三：十六点二十六分。四、机头和口模可以作为一个整体来看。机头和口模作用：▲

使料流从螺旋运动变为平直运动。▲

产生回压，利于进一步塑化，均化粘流态物料。▲产生必要的成型压力，使制品致密。▲成型制品，更换口模可改变制品断面的形状。图7-8第十八页，编辑于星期三：十六点二十六分。机头与口模的组成部件：过滤网、多孔板、分流器、模心，口模和机颈等。机头中还有校正和调整装置，能调整校正和模芯与口模的同心度、尺寸和外观。机头可分为：直通式机头挤管材、片材、其它型材。直角式机头挤薄膜、线缆包复物、吹塑制品。偏移式机头共挤薄膜、共挤型材、共挤吹塑。第十九页，编辑于星期三：十六点二十六分。五、传动系统包括带动螺杆转动的电机和机械传动部件。六、附属设备▲塑料的输送、预热、干燥等预处理装置。▲挤出后制品的定型、冷却装置。▲牵引装置。▲卷绕或切割装置。▲控制设备等。另外，附属设备因制品的不同而不同。如：挤出－吹塑。第二十页，编辑于星期三：十六点二十六分。第二节挤出成型原理热塑性塑料在挤出过程中的变化：静态变化：固体弹性体粘流（熔融）体的变形。动态变化：在螺杆和料筒间沿螺槽向前流动。挤出过程中有：T、P、的变化；化学结构和物理结构的变化。η第二十一页，编辑于星期三：十六点二十六分。一、挤出过程和螺杆各段的职能由于塑料在挤出过程中，在螺杆的全程中其形变特点和流动情况是不同的。把塑料在挤出机内的流动沿螺杆往机头方向分为三段来讨论。加料段：固体输送区，物料形变很小；压缩段：熔融区，物料压缩形变大，熔融流动次要；均化段：熔体输送区，熔融流动是主要的。图7-9第二十二页，编辑于星期三：十六点二十六分。二、挤出理论1、固体输送理论加料段的主要作用是固体输送。塑料：未溶化、疏松的固体，表面发粘结块，形状不大。物料沿螺槽的向前运动旋转运动－物料与螺杆的摩擦作用力轴向水平运动－螺杆旋转时的轴向分力物料螺杆表面的摩擦力大料筒表面的切向摩擦力小旋转运动第二十三页，编辑于星期三：十六点二十六分。物料螺杆表面的摩擦力小料筒表面的切向摩擦力大轴向水平运动为了提高轴向水平运动：▲

螺杆表面光洁度；▲螺杆中心通冷却水－物料与螺杆表面的摩擦力▲料筒内壁光滑；▲加料段特设纵向沟槽－物料与料筒表面的切向摩擦力第二十四页，编辑于星期三：十六点二十六分。2、熔化理论（塑料的熔化过程）塑料在压缩段是从固体状态到完全熔化状态，同时要受到压缩作用，在该段，物料温升快，物料内摩擦作用大，压缩作用大。在压缩段塑料由固相液相转变相迁移段。物料受到挤压：压缩比的作用物料受热：料筒加热＋摩擦热逐渐熔化第二十五页，编辑于星期三：十六点二十六分。（1）熔化过程相互粘结固体粒子紧密堆砌的固体床熔化压缩料筒热＋摩擦热当熔膜的厚度大于螺纹间隙时，熔膜被料筒表面“拖拽”而汇集于熔池。同时，固体床又以一定的速度沿Y方向移向分界面，加以补充形成新的熔膜，以保证状态稳定。第二十六页，编辑于星期三：十六点二十六分。（2）相迁移面熔化区内固体相和熔体相的界面称为相迁移面。熔化发生在相迁移面上。（3）熔化长度从熔化开始到固体床的宽度降到零为止的螺槽总长。熔化速度越高，熔化长度越短。第二十七页，编辑于星期三：十六点二十六分。（4）模型假设▲挤出过程是稳定的。▲固体床是均匀的连续体。▲塑料的熔融范围很窄。▲熔化物料的热源料筒加热＋熔膜内摩擦热▲这些热量通过熔膜传导到相迁移面▲固体粒子在分界面上熔化▲沿螺槽深度方向物料的温度分布和速度分布为：（5）熔化理论可归为第二十八页，编辑于星期三：十六点二十六分。第二十九页，编辑于星期三：十六点二十六分。3、熔体输送理论均化段物料是均一的粘流状态，它关系到挤出产量和质量，对该段主要研究物料的流动是一种拖曳流动。均化段螺槽：图7-17螺杆旋转时，由于推挤作用，塑料沿Z方向移动，但由于机头回压，塑料又有反压流动，使均化段料流复杂，一般认为，物料在均化段有四种流动，即正流、逆流、横流、漏流，挤出流量是这四种流动的总和。第三十页，编辑于星期三：十六点二十六分。（1）正流按Z方向，是沿螺槽向机头口模方向的流动，是均化段熔体流动的主流，以QD表其体积流率。（2）逆流按Z的反方向，沿螺槽向加料口方向的流动，这是受机头口模阻力造成的反压流动，以QP表其体积流率。第三十一页，编辑于星期三：十六点二十六分。（3）横流粘流态料在螺槽与料筒之间，沿垂直－水平方向的环流，是由于螺杆的螺旋状推挤作用造成的，以QT表示。（4）漏流塑料熔体在螺杆与料筒的间隙中流动，是沿螺杆轴向的流动，是由于机头、口模的回压造成的，以QL表示。第三十二页，编辑于星期三：十六点二十六分。熔体在均化段作组合流动，挤出量Q是上述四种流动综合的结果。如果忽略环流（QT）的影响，则均化段熔体的输送量（流率）为：与螺杆的结构参数、T、P、有关。宏观上看只有物料沿螺杆螺槽的轨迹运动。图7-19η Q=QD－(QP＋QL)第三十三页，编辑于星期三：十六点二十六分。三、单螺杆挤出机产生能力的计算1、实测法在挤出机上测出制品从机头口模中挤出的线速度，由此来确定产量，准确实观不通用。2、按经验公式计算对挤出机生产能力进行多次实际调查、实测，并分析总结而得，不全面。Q=60··G·Q=·D3·第三十四页，编辑于星期三：十六点二十六分。3、按固体输送理论计算把挤出机内的物料看成是一个固体塞子，把物料的运动看成象螺母在螺杆上移动。Q=0.06··A·Daπρ··cos相当于一个螺距内的螺槽容积第三十五页，编辑于星期三：十六点二十六分。4、按粘性流体流动理论计算把挤出机内的物料当作粘性流体，不把物料的运动看作是粘性流体流动，来计算生产力。即为均化段熔体的流率：Q＝QD－（QP+QL）几个假设：塑料的流动是滞留（层流），为牛顿流动塑料的温度没有变化，当然其粘度也不变此段的螺槽宽度与深度之比＞10第三十六页，编辑于星期三：十六点二十六分。根据：物料在螺杆中的速度分布；螺杆的几何尺寸；熔体计算：三种流动的流率：A和B只与螺杆的结构尺寸有关。在管道中的流动方式。第三十七页，编辑于星期三：十六点二十六分。如果考虑塑料的非牛顿型性，若删去QL，应为：比较两式可以看出，第一项完全相同，第二项不同，说明塑料的流变性能仅与逆流项有关。第三十八页，编辑于星期三：十六点二十六分。四、螺杆特性曲线和机头口模特性曲线螺杆特性曲线：由式，A、B为常数，

与温度有关。给定挤出机，在等温条件下操作，用不同的螺杆速率n，可作Q－p坐标图，得一系列具有负斜率的平行直线螺杆特性曲线。η第三十九页，编辑于星期三：十六点二十六分。而塑料熔体，通过机头和口模时的体积流率，可以根据牛顿流体在简单圆管中的流动方程来表示：Q=K·η∆ΡK－机头和口模的阻力常数。这也是通过原点的直线方程，如果口模尺寸不同，K值不同，斜率不同，可以作出一系列的直线口模的特性曲线第四十页，编辑于星期三：十六点二十六分。两组曲线的交点是操作点。利用这种图，可以求出指定挤出机，配合不同的机头口模时的挤出量。第四十一页，编辑于星期三：十六点二十六分。五、挤出流率的影响因素1、机头压力P与流率Q的关系A：A，P：螺杆与料筒的间隙：，Ph3：螺槽深：h3，PK：流动常数：K,P正流与P无关，逆流和漏流与P成正比。PQ，但有利于塑化。第四十二页，编辑于星期三：十六点二十六分。2、螺杆转速n与流率Q的关系对于一定的机器，挤出量与螺杆转速成正比。3、螺杆几何尺寸与生产能力的关系主要是螺杆直径、螺槽深度和均化段长度。Q=AKB+K·n第四十三页，编辑于星期三：十六点二十六分。（1）螺槽深度H正流与H成正比，逆流与H3成正比。深槽螺杆的挤出量受压力的影响大第四十四页，编辑于星期三：十六点二十六分。（2）均化段长度LL长，漏流和逆流减少，受口模阻力的影响就小。第四十五页，编辑于星期三：十六点二十六分。4、物料温度T与流率Q的关系温度的变化直接影响物料的粘度，从我们前面推导出的公式来看，Q与无关。η在机头和口模尺寸不变的情况下，粘度大的物料，螺杆对其产生的压力高：结论：Q与温度T也无关。实际上，T的变化相当于影响了均化段的长度。∆P＝AnB+K·η第四十六页，编辑于星期三：十六点二十六分。5、机头口模的阻力与流率Q的关系机头口模的阻力与口模的截面尺寸和长度有关，也影响挤出量Q。物料流动时受到阻力，大体上与口模的截面积成反比，与长度成正比。阻力愈小，挤出量受压力的影响愈大。第四十七页，编辑于星期三：十六点二十六分。第三节挤出成型工艺一、挤出工艺流程热塑性塑料预热和干燥挤出机加热开动螺杆加料调整挤出成型定型冷却牵引卷取（切割）后处理挤出制品第四十八页，编辑于星期三：十六点二十六分。1、原料的准备和预处理粒状或粉状塑料含有水份，成型前需预热和干燥。干燥要求：一般塑料：水份＜0.5％高温下易水解的塑料，如尼龙（PA）、涤纶（PET）等：水份＜0.03％预热和干燥的方式：烘箱、烘房，可抽真空干燥。第四十九页，编辑于星期三：十六点二十六分。2、挤出成型挤出成型是连续成型工艺，关键是初期的调整，要调整到正常挤出。主要调整：工艺条件：温度（料筒各段、口模）速度（螺杆转速、牵引速度）设备装置：口模尺寸同心度第五十页，编辑于星期三：十六点二十六分。挤出制品的质量决定于工艺条件，关键在于塑化情况（取决于温度和剪切情况）：温度料筒外的加热螺杆对物料的剪切产生的摩擦热（主要）T，，利于塑化，T，挤出物形状稳定性差；T，，机头压力，制品致密，形状稳定，易出现离模膨胀效应，T，塑化差，质量差。速转n,剪切，利于塑化，，但料筒中物料的压力。▲▲ηηη第五十一页，编辑于星期三：十六点二十六分。3、定型和冷却（同时进行）管材、异型材独立的定型装置板材、片材压辊定型薄膜、单丝、线缆包覆无需定型，直接冷却定型方法：管材：定径套（外径定型、内径定型）原理：管胚内外形成压力差。冷却速度：硬质塑料：慢些，以避免内应力。软质塑料、结晶塑料：快些。（熔体粘度低）第五十二页，编辑于星期三：十六点二十六分。4、牵引拉伸及后处理牵引拉伸目的：消除离模膨胀效应，引离。牵引速度>挤出速度后处理热处理（Tg～Tf间热定型）：提高尺寸稳定性减少热收缩率（解取向）消除内应力▲▲▲▲▲第五十三页，编辑于星期三：十六点二十六分。二、几种制品的挤出工艺1、管材的挤出

图7-24管材挤出塑料挤出成型的主要产品。PVC、PE、PP、ABS、PA、PC等。工艺过程：粒状或粉状的塑料挤出机经加热熔融借螺杆的推力使熔融物料通过机头的环形通道形成管状物经冷却定型牵引切割制品第五十四页，编辑于星期三：十六点二十六分。（1）挤出设备及装置挤出机、机头、定型装置、冷却水槽、牵引设备、切割装置，关键部件是机头口模和定型装置。机头分流梭及支架管芯口模等图7-25图7-26第五十五页，编辑于星期三：十六点二十六分。A、分流梭（分流器）作用：1）使料流成环形，料流从螺旋直形。2）使料层变薄，有利于塑化均匀。B、分流梭支架作用：支撑分流梭及管芯。中、小型机头分流梭与分流梭支架为一个整体。C、管芯作用：是挤出管材内表面成型部件。D、口模作用：是成型管材外表面的部件。第五十六页，编辑于星期三：十六点二十六分。（2）管材挤出的工艺及控制塑料加料段压缩段均化段过滤网多孔板分流梭被分流梭支架分为若干支流离开支架料流重新汇合进入管芯口模间的环形通道口模挤出定径套定径冷却水槽牵引切割第五十七页，编辑于星期三：十六点二十六分。（3）主要控制因素温度主要是保证塑化，挤管的温度比挤压其它制品均低。定径冷却目的：保护几何尺寸稳定；方法：用定径套。图7-27图7-28图7-29牵引牵引速度要均匀，牵引速度依赖于挤出速度。▲▲▲第五十八页，编辑于星期三：十六点二十六分。2、吹塑薄膜的挤出：生产薄膜的方法吹塑、压延、流延、拉幅。吹塑的实质：挤出＋膨胀。吹塑工艺：吹塑薄膜、中空吹塑。吹塑薄膜的方法：平挤上吹、平挤下吹、平挤平吹。图7-30挤出吹塑设备第五十九页，编辑于星期三：十六点二十六分。工艺过程：塑料熔体经环隙型口模挤出薄壁管状物牵引上升至一定距离后，通过导向夹板而被牵引辊夹持所挤管状物在离开口模和被夹持的一段距离内有管芯中心孔所通入的压缩空气吹胀成泡状由空气冷却由夹持辊引出第六十页，编辑于星期三：十六点二十六分。几个关键问题：吹胀比衡量吹胀程度。（横向拉伸作用的大小）牵伸比拉伸作用（纵向）。薄膜的冷却大多用风环冷却。图7-32吹塑成型▲▲▲第六十一页，编辑于星期三：十六点二十六分。3、塑料板材挤出板材挤出挤出剖开展平板材狭缝机头直接挤板（对流变