6-1挤出.ppt

1、第六章 挤出成型,塑料的一次成型,一次成型是指通过加热使塑料处于粘流态的条件下, 经过流动、成型和冷却硬化，而将塑料制成各种形状的产品的方法； 二次成型则是将一次成型所得的片、管、板材加热使其处于类橡胶态，通过外力作用使其形变而成型为各种较简单形状，再经冷却定型而得的产品；,挤出成型,定义：在挤压作用下物料受热熔化，强行通过口模，截面恒定，连续型材 。 适用：所有的热塑性塑料，部分热固性塑料， 可生产管、薄膜、线缆包复物及其型材 占挤出制品：4050% 挤出机可用于混合、造粒和着色、共混,挤出成型,单螺杆挤出机的基本结构 挤出成型原理 挤出成型工艺与过程,6.1单螺杆挤出机基本结构及作用,挤出

2、机类型 单螺杆挤出机是由传动系统、挤出系统、加热和冷却系统、控制系统等几部分组成 挤出系统主要包括传动、加料装置、料筒、螺杆、机头和口模等几个部分,口模机头 螺杆料筒 加料装置 传动,控温,单螺杆挤出机结构示意图 1-机座 2-电动机 3-传动装置 4-料斗 5-料斗冷却区 6-料筒 7-料筒加热器 8-热电偶控温点 9-螺杆 10-过滤网及多孔板 11-机头加热器 12-机头 13-挤出物,一、传动部分 包括电动机、减速箱、轴承 要求：转速稳定，不随螺杆负荷变化，保证制品均一 在不同场合可变速，以适用各种塑料制品。 二、加料装置 锥形料斗 粉料、粒料容积可容纳1h的用量 有截断装置、侧面有视

3、孔、计量装置 有些有真空装置 有加热装置（防止吸水） 有搅拌器，能自动加料,三、料筒,金属圆筒， 耐热、耐压、强度高、坚固耐磨、耐腐蚀的合金钢或内衬合金钢的复合钢管制成； 料筒长度是直径的1530倍，使物料得到充分加热和塑化； 足够厚、刚度、内壁光滑、有时也刻有沟槽、有加热装置、冷却装置、温度显示和控制装置，一般是、电磁震荡控制,四、螺杆,最主要部件，直接关系到挤出机应用范围及生产率。 通过螺杆的转动对塑料产生挤压作用，塑料在料筒中产生移动、增压、摩擦取得部分热量，使塑料在移动过程中得到混合和塑化，粘流态的熔体被压实而流经口模时，取得所需形状而成型。 要求：高强度、耐热、耐腐蚀的合金钢制成。,

4、直径D、长径比（L/D）、压缩比、螺距t、螺槽深度h,螺杆的基本参数,直径D 45150，也有30150mm，科研到15150mm，D越大，加工能力越大，生产效率越高。 长径比（L/D） 通常为1825，小的可达到1:30甚至1:35。 L/D越大，有利于塑化和混合，减少漏流和逆流，生产能力大，且螺杆适应性强。 但L/D增大，加工时间长，降解，自重加大而使自由端下垂，易擦伤。,螺旋角与螺距t 越大, 挤出能力越大，剪切作用越小，=10-30，当t=D， =17 41时，螺杆一般是等螺距的，但也有不等螺距的。 压缩比 指螺杆加料段第一个螺槽的容积与均化段最后一个螺槽的容积之比， 表示塑料通过螺杆

5、的全过程被压缩的程度。 压缩比愈大，塑料受到挤压的作用也就愈大。,螺槽深度h h小，产生较高的剪切速率，有利于传热和塑化，但挤出生产率低； 热敏性塑料(如PVC)宜用深槽螺杆 熔体粘度低和热稳定性较高的塑料(如PA等)宜用浅槽螺杆。,螺杆与料筒的间隙 大，生产效率低，且不利于热传导并降低剪切速率，不利于物料的熔融和混合。 过小时，强烈的剪切作用易引起物料出现热力学降解。 一般 0.10.6mm为宜,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。 传热塑化物料 螺杆与料筒配合使物料接触传热面不断更新，在料筒的外加热和螺杆摩擦作用下，物料逐渐软化，熔融为粘流态。

6、混合均化物料 螺杆与料筒和机头相配合产生强大剪切作用，使物料进一步均匀混合，并定量定压由机头挤出。,螺杆的分段,加料段 其作用是对塑料进行加热，同时输送到压缩段。在该段塑料始终保持固体状态。 压缩段 相迁移段，其作用是对物料起挤压和剪切作用，使物料熔融。 均化段 计量段，其作用是将塑化均匀的物料在均化段螺槽相机头回压作用下进一步搅拌塑化均匀，并定量定压地通过机头口模挤出成型。,机头,使粘流态物料从螺旋运动变为平行直线运动，并稳定地导入口模而成型。 产生回压，使物料进一步均化，提高制品质量。 将熔体平稳均匀地送入口模 产生必要的成型压力，以获得结构密实和形状准确的制品,机头是口模与料筒的过渡连接

7、部分，口模是制品的成型部件，通常机头和口模是一个整体，习惯上统称为机头。 机头的作用为：口模为具有一定截面形状的通道.塑料熔体在口模中流动时取得所需形状并被模外的定型装置和冷却装置冷却硬化而成型. 机头和口模包括过滤网、多孔板、分流器、模芯、口模、机颈,机头中的多孔板能使机头和料筒对中定位，并能支撑过滤网和对熔体产生反压等。 机头中还设有校正和调整装置，能调整和校正模芯与口模的同心度、尺寸和外形。 在生产管材或吹塑薄膜时，通过机颈和模芯可引入压缩空气。,按照料流方向与螺杆中心线有无夹角，可将机头分为直角机头、角式机头。 直角机头：挤管、片和其他型材； 角式机头：薄膜、线缆包复物和吹塑制品。,六

8、、辅助设备,1）原料输送和预处理设备 2）定型和冷却设备 3）牵引装置 4）切断装置 5）辊卷装置 6）控制设备,二、挤出成型原理,固体-弹性体-粘流(熔融)体的形变过程 温度、压力、粘度，甚至化学结构发生变化 根据塑料在挤出机三段中的物理状态变化和流动行为建立了固体输送理论、熔融理论和熔体输送理论。,固体输送理论,塑料不是一个质点的运动。而是所有的粒子连接在一起，塞满了螺槽，形成所谓“弹性固体”，固体塞。,固体塞运动分析,设P为螺槽中体系压力，固体塞-料筒的摩擦系数为fb，固体塞与料筒的接触面积为Ab 则固体塞-料筒摩擦力为Fb=P fbAb，固体塞-螺杆的摩擦力为Fs=P fsAs 当螺杆

9、转动时，螺杆斜棱对固体塞产生推力P，使固体塞沿垂直于斜棱的方向运动，其速度为Vx ，轴向的分力使固体塞沿轴向以速度Va移动。螺杆旋转时表面速度为Vb ，如果螺杆看成长静止不动的，而将料筒看成是以速度Vb对螺杆作相向的切向运动，其结果也是一样的。 Vz是Vb+Vx的矢量和，它使固体塞沿z轴方向移动,Fs=P fsAs Fbz=Fbcos = P fbAb cos 当Fs = Fbz =0，物料不发生任何运动 当Fs Fbz , 物料随螺杆移动, 也不发生轴向运动 只有当Fbz Fs 才发生运动 这就说明固体塞的运动受到摩擦力的控制 因此正确控制摩擦力可提高固体输送段的送料能力,输送能力的计算,挤

10、出机加料段的送料能力用送料量Q表示，其值应为螺杆 一个螺槽的容积V与送料速度Va的乘积, 即： Q = VVa = /4D2-(D-2h)2 Va Val N Q = 2Dh(D-h)N tgtg/ (tg+tg) 090 为增大送料量，则 D, h, fs, fb, 使tgtg/(tg+tg)最大,熔化(相迁移)过程,熔化区内既存在固体料又存在熔融料 流动与输送中物料有相变化发生 塑料在挤出机中的熔化主要是在压缩段完成的，因而可以研究塑料在该段由固体转变为熔体的过程和机理。,温度和转矩与塑炼时间的关系,(1)在料温和摩擦热作用下，粒子表面最早溶化并发生粘 结，表面破坏; 聚合物分子热运动加速

11、，粒子开始膨胀， 这时所对应时间为tA，转矩最小为MA。 (2)随塑炼时间增大，热量增加使温度上升，物料粘度增 大，以至到时间tB时机械功增至最大值MB。 (3)温度进一步升高，塑料熔融加速，粘度减小，并逐渐 转化为螺秆挤压作用下的粘性流动，螺杆转矩下降，达 到时间tC，物料与粘度都达均一平衡状态； (4)当塑炼时间到达tD时，塑料出现热机械阵解与交联， 机械功和温度又有所上升。,熔化过程的实验研究,(2)一个螺槽中固体物科的熔化过程,从图中可看出: (1)与料简表面接触的固体粒子由于料筒的传导热和摩擦热的 作用，首先熔化，并形成一层薄膜，称为熔膜. (2)这些不断熔融的物料，在螺杆与料筒的相

12、对运动的作用下，不断向螺纹推进面汇集，形成旋涡状的流动区，称为熔池. (3)在熔池的前边充满着受热软化和半熔融后粘结在一起的固 体粒子和尚未完全熔结和温度较低的固体粒子, 这两种粒子统 称为固体床. (4)熔融区内固相与液相的界面称为迁移面,随着塑料往祝头方向的输送，熔融过程逐渐进行.自熔融区始点(相交 点)A开始，固相宽度逐渐减少，液相宽度则逐渐增加，直到熔化区终 点(相变点)B，固相宽度就减小到零。螺槽的整个宽度内均将为熔融物 充满。从熔化开始到固体床的宽度降到零为止的总长，称为熔化长度。 一般讲熔化速率越高则熔化长度越短；反之就越长。在熔化区域中， 固体床沿挤出方向逐渐减小。 从上述的熔

13、化实验研究可知： (1)塑料的整个熔化过程是在螺杆熔融区进行的 (2)沿挤出方向固体床宽度逐渐减小直到为零,其减小部分被熔融所占有 (3)沿挤出方向固体床厚度逐渐减小直到为零,其减小部分形成熔膜 (4)熔化作用发生在熔膜和固体床的界面上,有一部分发生在固相与熔池的迁移面.,3. 熔化理论的物理模型 假设： (1)挤出过程是稳定的，即在挤出过程中螺杆上某一螺槽内的分界面位置固定不变. (2)整个因相为均匀连续体； (3)塑料的熔融温度范围较窄，因此固液相之间的分界 面比较明显； (4)螺槽与固相的横断面都是矩形的。,熔体输送理论,以Q1代表送料段的送料速率，Q2代表压缩段的熔化速率， Q3代表均

14、化段的挤出速率, 如果Q1Q2Q3这时挤出 机就处于供料不足的操作状态，生产不正常; 假如QlQ2Q3，操作稳定; 但三者之间不能相差太大，否则均化段压力太大，出现 超负荷，操作也会不正常。,熔体在均化段的流动包括四种主要形式： (1)正流 是物料沿螺槽方向(z方向)向机头的流动，这是均化段熔体的主流，是拖电流动，它起挤出物料的作用； (2)逆流 沿螺槽与正流方内相反(z方向)的流动，它是由机头口模、过滤网等对料流的阻碍所引起的反压流动，它将引起挤出生产能力的损失 正流和逆流的综合称为净流，是汇流和逆流的种速度的代数和,(3)横流 物料沿X轴和Y轴两方向在螺槽内往复流动，也是螺杆旋转时螺杨的推

15、挤作用和阻挡作用所造成的，仅限于在每个螺槽内的环流，对总的挤出生产率影响不大但对于物料的热交换、混合和进一步均匀塑比影响很大 (4)漏流 物料在螺杆和料筒的间隙沿着螺杆的轴向往料斗方向的流动、它头和门模等对物料的阻力所产生的反压流动，由于螺杆和料筒间的间隙很小，故在般情况下漏流流率要比正流和逆流小很多。,挤出机的生产率 Q=QD-QP-QL 均化段熔体输送理论作如下假定： (1)进入均化段的物料是全部熔融塑化的等温牛顿流体 (2)在流动过程中无粘度和密度的变化，流动是稳定状态下的层流, 流体是不可压缩的， (3)螺槽为矩形的，该段螺槽宽度与深度之比大于10，如果螺槽很浅, 对物料流动影响不大。

16、,一般漏流值不大，计算时可以略去,四、螺杆和机头的特征曲线与挤出机生产率的关系,1.螺杆特性曲线 均化段熔融塑料流动方程式QAN-BP/ 当N一定时， Q与P成直线关系。不同的转速N，就可得到Q-P的系列的平行直线。这些平行直统称为“螺杆特性曲线” 。 2. 塑料熔体(假定为牛顿液体)通过机头和口模时的体积流率可用以下流动方程简单表示： Q = K P/ K为阻力常数，对圆形口模：K = D2/128(L+4D) 对环形口模: K = C平均t3/12L 对狭缝形口模：K = Wt3/L,螺杆和机头(口模)的特性曲线,虽然改变口模尺寸,K就不相同, 不同的直线表示塑料熔体通过不同的机头和口模时

17、，挤出量和压力降之间的关系，这种直线称为口模(机头)的特性曲线。两组直线的交点就是操作点. 这说明了挤出机配合不同机头和口模时,其挤出量的相互关使用极为方便，只需二点就可决定。,对假塑性液体: QAN-BK (P)m Q = K K (P)m 螺杆和口模的特性曲线不是直线而是抛物线,(1) 挤出量与螺杆转数、压力(口模阻力)关系 n, Q n不变时，Q=An-PB/ 模具阻力增大(即口模尺寸减小), Q减小 Q不变，口模尺寸减小,压力降增加(设备载荷问题),3.螺杆特性曲线与挤出量和压力降的关系可知,(2) 螺槽深浅对物料的压力、挤出量和温度的影响,深螺槽:斜率大 Q对P变化敏感 浅螺槽:斜率

18、小 Q对P变化不敏感 即低压时深螺槽Q大于浅螺槽; 高压时浅螺槽Q大于深螺槽,h1,h2,h3,h1h2h3,深h, P增大则T变化大 浅h, P增大则T变化不大,h1h2h3,h1,h2,h3,故深螺槽易造成物料温度波动,(3)均化段的长度对挤出量的影响,均化段长, Q对压力的敏感性小 均化段短, Q对压力的敏感性大,L1L2L3,L1,L2,L3,(4)机头的阻力大小对Q的影响,阻力小, Q对P敏感，波动大 好处: 提高Q 坏处: 小的P波动就会影响挤出量,三、挤出成型工艺与过程,原料的准备和预处理 挤出成型 定型与冷却 牵引和卷取(切割） 热处理 后处理,原料干燥,(1)原料中的水分 (

19、2)从外界吸收的水分 影响挤出过程的正常进行和制品的质量 (1) 制品出现气泡 (2)表面晦暗等缺陷 (3)物理机械性能降低 (4)挤出无法进行 通常控制水分含量在0.5以下,挤出成型,1). 挤出机各部分工艺条件是不同的 2). 挤出机工艺条件与聚合物有关 如同是管材, 聚合物不同,挤出条件就不同.同是生产3mm厚,内径25mm的管材, 软PVC的生产工艺和ABS就不相同.,软PVC ABS 加料段温度 90-100 160-165 压缩段 120-130 170-175 均化段 130-140 175-180 机头温度 150-160 175-180 口模温度 170-180 190-19

20、5 螺杆: 长径比 16-21 15-20 压缩比 1.5:1 23:1 转速(转/分) 20 10,3). 挤出工艺还与产品的形状有关 如同是ABS、管材和棒材就不是相同 管材 棒材 加料段温度 160165 160170 压缩段温度 170175 170175 均化段温度 175180 175180 机头温度 175180 150160 口模温度 190195 170180,4). 挤出工艺条件对产品质量的影响 主要是温度和剪切作用 料温高，小，利于塑化，出料速度大 但机头口模温度高，则形状稳定性下降，制品收缩率上升，制品发黄、气泡，挤出不正常 料温下降，则高，机头压力大，挤出物密实，形状

21、稳定性好, 但离模膨胀变大; 料温过低，则粘度过大，功率消耗变大。 口模和模芯温度不能相差太大，挤出物就会出现内翻或外翻,4). 挤出工艺条件对产品质量的影响 转速N上升，剪切力上升，有利于塑化、混合，且粘度下降，混合效果好。 但由于压力也相应增大，后期流量反而减小。,定型和冷却不及时，制品在自身重力作用下，就会发生形变。大多数情况下定型与冷却往往是同时进行的； 管材和异形型材有定型过程 薄膜、单丝、线缆包复物等则不需定型 板材和片材，通过一对压辊压平来定型和冷却,3.制品的成型与冷却,管子的定型方法可用定径套、定径环和定 径板等也有采用水冷却定径的。 冷却速度低及定型慢，由于自重下垂，质量下

22、降 冷却速度高及定型快，聚集态结构不同，质量可能也不能满足要求 如PS、LDPE和UPVC等， 冷却过快时，制品有内应力等，并降低外观质量； 对软质或结晶的塑料，则应较快冷却，否则制品极易变形。,牵引的目的： A 消除离模膨胀效应 B 避免堵塞口模，破坏挤出的连续性 C 解决挤出物发生的形变 型式：滚轮式和履带式 牵引速度：一般应稍大于挤出速度，对制品进行适度拉伸，牵引速度均匀,4.牵引和热处理,2. 热处理 在TgTf(或Tm)间进行热处理(热定型) 目的：提高薄膜 的尺寸稳定性 减少使用中的热收缩率,见P134135 1）管材挤出 2）片材和板材的挤出 3）纸张涂复 4）线缆包复 5）挤出

23、吹塑,5. 生产工艺流程,6. 挤出工艺发展趋势 1）两极化发展 小：5-10mm 大：1000mm 2）高速 8001000转/分 3）多功能 主机、辅机，多种制品 4）自动化 计算机控制 5）连续化 6）螺杆高效化 双螺杆方向发展,反应性挤出,反应性挤出(Reactive extrusion)是聚合物反应性加工的一种技术，是指聚合物单体或低聚物熔体在螺杆挤出机内发生物理变化的同时发生化学反应，从而挤出直接获得高聚物或制品的一种新的工艺方法。,反应性挤出,与传统的釜式反应需经聚合、分离、纯化、再挤出造粒和成型加工相比，此技术将单体原料的连续合成反应和聚合物的熔融加工合并为一体，在短暂的螺杆挤

24、出停留时间内一步形成所需的材料或制品，其优势显而易见：设备投资低，生产周期短，能耗低，无溶剂后处理过程，环境污染小，可小批量也可大批量进行连续反应和加工生产。,反应性挤出加工的反应类型,适用于反应性挤出并已试验可行的反应类型有六类： (1)本体聚合 从一种单体、多种混合物、低相对分子质量的预聚物或单体与预聚物的混合物出发，通过加聚或缩聚，制备得到高相对分子质量的聚合物。 加聚实例有：聚氨酯、聚酰胺、聚丙烯酸酯和相关共聚物、聚苯乙烯和相关共聚物、聚烯烃、聚硅氧烷、聚环氧化合物、聚甲醛等；缩聚实例有：聚醚酰亚胺、聚酯等。 (2)接枝反应 由聚合物与单体得到接枝型或共聚型聚合物的反应。例子有：PS-马来酸酐，EVA丙烯酸，聚烯烃马来酸酐等。,(3)链间形成共聚物反应 由两种或两种以上聚合物通过离子键或共价键形成接技或嵌段共聚物的反应。如PS-聚烯烃。 (4)偶联歧联反应 由带有多官能偶联或支化剂的聚合物通过链增长或支化提高相对分子质量的反应；由带有缩合剂的聚合物通过链增长提高相对分子质量的