高分子材料擠出成型

1、第七章 擠出成型本章重點：n擠出成型的概念n擠出成型的用途n本章以論述塑料擠出為重點n重點以單螺桿擠出機的結(jié)構(gòu)特點來討論擠出成型原理和工藝n擠出成型，擠出模塑，是塑料重要的成型方法之一，是使高聚物熔體（或粘性流體）在擠出機的螺桿或柱塞的擠壓作用下通過一定形狀的口模而連續(xù)成型，所得的制品為具有恒定斷面形狀的連續(xù)型材。n它可用于擠出塑料制品，如管材、板材、棒材、片材、薄膜。各種異型材以及塑料和其它材料的復(fù)合物等，也常用于塑料的著色、混煉、塑化、造粒及塑料的共混改性等。n橡膠擠出壓出 合成纖維螺桿擠出紡絲 塑料擠出主要以熱塑性塑料為主n擠出成型的特點操作簡單，工藝易控，可連續(xù)化、工業(yè)化、自動化生產(chǎn)，

2、生產(chǎn)效率高 應(yīng)用范圍廣，廣泛應(yīng)用于塑料、橡膠、合成纖維的成型加工，也常用于塑料的著色、混煉、塑化、造粒及塑料的共混改性等。 擠出吹塑成型，中空吹塑制品 擠出拉幅成型，雙軸拉伸薄膜 產(chǎn)品形狀多樣設(shè)備簡單，投資少，占地面積小n擠出成型的設(shè)備柱塞式擠出機借助柱塞的推擠壓力，將事先塑化好的或由擠出機料筒加熱塑化的物料從機頭口模擠出成型的。物料被擠完后柱塞退回，再進(jìn)行下一次操作，擠出機對物料沒有攪拌混合作用 擠出機能夠產(chǎn)生較大的壓力，一般來說，其操作是間歇進(jìn)行，物料的塑化程度和均勻性不如螺桿式擠出機，因此應(yīng)用范圍受限制。它適用于聚四氟乙烯，超高相對分子質(zhì)量聚乙烯等塑料的擠出。螺桿式擠出機 借助螺桿旋轉(zhuǎn)時

3、螺紋所產(chǎn)生的推動力將物料推向口模。這種擠出機中通過螺桿強烈的剪切作用，促進(jìn)物料的塑化和均勻分散，同時使擠出過程連續(xù)進(jìn)行，因此可以提高擠出制品的質(zhì)量和產(chǎn)量，它適用于絕大多數(shù)熱塑性塑料的擠出。第一節(jié) 單螺桿擠出機基本結(jié)構(gòu)及作用1 傳動系統(tǒng)2 擠出系統(tǒng)擠出成型系統(tǒng)的關(guān)鍵部分n加料裝置n料筒n螺桿n機頭n口模3 加熱系統(tǒng)：采用電阻絲加熱，也可電感應(yīng)加熱，蒸汽或油加采用電阻絲加熱，也可電感應(yīng)加熱，蒸汽或油加熱。熱。4 冷卻系統(tǒng)：空冷或水冷，其作用是防止進(jìn)料口處的物料過熱空冷或水冷，其作用是防止進(jìn)料口處的物料過熱發(fā)粘，出現(xiàn)搭橋現(xiàn)象，使物料供料不足。另外在緊急停車時，發(fā)粘，出現(xiàn)搭橋現(xiàn)象，使物料供料不足。另外

4、在緊急停車時，避免物料過熱降解。避免物料過熱降解。 單螺桿擠出機基本結(jié)構(gòu)置裝動傳置裝料加筒料桿螺?？诤皖^機一. 加料裝置及作用n有些加料斗還配備真空裝置或加熱裝置，以便防止物料從空氣中吸收水分。有些料斗有振動攪拌器，并能自動上料與加料。n料斗底部有冷卻夾套，防止“架橋”。n主要是指料斗，大多數(shù)設(shè)備用的加料斗是圓錐形的，其容量至少要求能容納1h的用料。底部有截斷裝置，以便調(diào)整和切斷料流。側(cè)面有玻璃視鏡和標(biāo)定計量的裝置。二. 料筒n作用：輸送、塑化、壓縮 1.工作溫度 180290 2.壓力 55MPa 3.設(shè)有分段的加熱和冷卻裝置 4.長徑比 L/D= 1524 5.制造材料： 耐磨、耐腐蝕、高

5、強度的合金鋼 碳鋼內(nèi)襯合金鋼三. 螺桿n作用：輸送、擠壓、剪切1.用耐熱、耐腐蝕、高強度的合金鋼制作2.表面高硬度、高光潔度3.轉(zhuǎn)速10120 rpm、無級變速4.幾何參數(shù)（1）螺桿直徑DS 外徑 30200mm之間 常見 60150mm (2) 螺桿的長徑比 一般 1525 以25居多 最大可達(dá)40長徑比一般 1525 以25居多 最大可達(dá)40?。簩λ芰系幕旌虾退芑焕螅焊纳扑芰系臏囟确植?，混合均勻，減少擠出時的漏流和逆流，提高擠出機的生產(chǎn)能力； 適應(yīng)性強，可用于多種塑料的擠出過大：熱敏性塑料因受熱時間太長而容易分解，螺桿的自重增加，制造和安裝都困難，擠出機的功率消耗增大（3）螺桿的壓縮比

6、A n定義：加料段第一個螺槽容積：均化段最后一個螺槽容積，表示物料通過螺桿的全過程被壓縮的程度n一般 25n獲得方法：采用等距變深、等深變距、變深變距螺槽（4）螺槽深度H 決定塑料的塑化及擠出效率n?。杭羟兴俾矢?，利于傳熱和塑化，但擠出生產(chǎn)效率低n熱敏性塑料深槽螺桿n熱穩(wěn)定性較高、熔體粘度低淺槽螺桿nH10.1 DS H3=0.020.06 DS（5）螺旋角 1030n定義：螺紋與螺桿橫截面之間的夾角 n 大，擠出機的生產(chǎn)能力提高，但螺桿對塑料的剪切擠壓作用減小n1030n實驗證明：n 30適合細(xì)粉狀物料；均化段的擠出產(chǎn)率最高n 15適合方塊狀物料n 17適合圓柱狀物料n 常用螺桿的17.7（

7、6）螺桿棱部寬E nE大：增加螺棱上動力消耗，有局部過熱的危險nE?。郝┝髟黾?，產(chǎn)量降低nE0.080.12 DS （7 ）螺桿與料筒的間隙 n大，生產(chǎn)效率低，剪切作用小，不利于熱傳導(dǎo)，不利于物料的熔融和混合n小，剪切作用大，容易引起物料熱力學(xué)降解n小直徑螺桿0.005 DSn大直徑螺桿0.002 DSn0.10.65mm1 1H H加加料料段段螺螺槽槽深深度度2 2H H計計量量段段落落槽槽深深度度 D D螺螺桿桿直直徑徑e e螺螺棱棱寬寬度度角角旋旋螺螺S S螺螺距距壓壓料料段段螺螺桿桿長長度度H HS S1 1H H2 2L L2 2L L加加料料段段1 1L L3 3L L段段量量計計

8、壓壓料料段段螺螺桿桿長長度度H HS S1 1H H2 2L L2 2L L加加料料段段1 1L L3 3L L段段量量計計3.螺桿的作用：n輸送物料輸送物料n傳熱塑化物料傳熱塑化物料n混合均化物料混合均化物料3.1加料段L1 n加熱送來的物料并輸送到壓縮段nL1 6065% L03.2壓縮段L2 n擠出和剪切加料段送來的物料，加熱物料使其轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴隗w，趕走塑料中的空氣及其它揮發(fā)成分，增大塑料的密度。n無定形塑料 L25565 L0n熔融溫度范圍寬的塑料PVC L2 =100L0 漸變螺桿n結(jié)晶型塑料，熔融溫度范圍窄, L2 =35DS 突變螺桿3.3 均化段 計量段n 將塑化均勻的物料在均化

9、段螺槽和機頭回壓作用下進(jìn)一步攪拌塑化均勻，并定量定壓的通過機頭口模擠出成型。一般無壓縮作用。4.螺桿形式：n普通螺桿：采用等距變深、等深變距、變深變距螺槽n高效專用螺桿 L/ DS 大、熔融效率低、塑化混合均勻4 機頭和口模 P224圖7-8n 使粘流態(tài)物料從螺旋運動變?yōu)槠叫兄本€運動，并穩(wěn)定地導(dǎo)入口模而成型n產(chǎn)生回壓，使物料進(jìn)一步均化，提高制品質(zhì)量n產(chǎn)生必要的成型壓力，獲得結(jié)構(gòu)密實和形狀準(zhǔn)確的制品n粗濾器、過濾網(wǎng) 作用：使物料流由旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，阻止雜質(zhì)和未塑化物料通過并增加料流背壓，使制品更加密實。其中粗濾器還起支撐過濾網(wǎng)的作用，但在擠出硬聚氯乙烯等粘度大而穩(wěn)定性差時，一般不用過濾網(wǎng)。

10、4 其它輔助設(shè)備n擠出機輔助設(shè)備大致可分為以下三類：1、擠壓前物料處理的設(shè)備(如預(yù)熱、干燥等)一般用于吸濕性塑料。干燥設(shè)備有烘箱或沸騰干燥器等。有的干燥設(shè)備直接設(shè)置在加料斗上。2、擠出物的處理設(shè)備如用作冷卻、牽引、卷取、切斷和檢驗設(shè)備。3、控制生產(chǎn)條件的設(shè)備指各種控制儀表，如溫度控制器、電動機啟動裝置、電流表、螺桿轉(zhuǎn)數(shù)表和測定機頭壓力的裝置等。 以上三類設(shè)備不僅隨制品的種類。對制品質(zhì)量的要求及自動化程度不同而異，而且每一類設(shè)備又有許多的形式。產(chǎn)生回壓，使物料進(jìn)一步均化，提高制品質(zhì)量第二節(jié) 擠出成型原理一. 擠出過程和螺桿各段的職能：二、擠出理論根據(jù)塑料在擠出機中的物理狀態(tài)變化和流動行為，建立n

11、固體輸送理論n熔化理論n熔體輸送理論1.固體輸送理論該理論是以固體對固體的摩擦靜力平衡為基礎(chǔ)建立起來的。為研究方便，假定：物料與螺槽和料筒內(nèi)壁緊密接觸，形成具有彈性的固體塞，并以恒定的速度移動；固體塞與料筒表面、螺槽底面和側(cè)面的摩擦因數(shù)是一個常數(shù)，可取不同值；忽略料筒與螺棱之間的間隙，螺槽是矩形的并且深度不變，固體塞的密度不變。根據(jù)以上假定，作出螺槽中固體輸送的理想模型為研究擠出機加料段物料的輸送。n加料段的主要作用是固體輸送加料段的主要作用是固體輸送 n塑料：未熔化、疏松的固體，表面發(fā)粘結(jié)塊，塑料：未熔化、疏松的固體，表面發(fā)粘結(jié)塊，形變不大形變不大n物料沿螺槽的向前運動物料沿螺槽的向前運動旋

12、轉(zhuǎn)運動旋轉(zhuǎn)運動物料與螺桿的摩擦作用力物料與螺桿的摩擦作用力軸向水平運動軸向水平運動-螺桿旋轉(zhuǎn)時的軸向分力螺桿旋轉(zhuǎn)時的軸向分力它們共同作用的結(jié)果，使物料沿螺槽向機頭方向它們共同作用的結(jié)果，使物料沿螺槽向機頭方向前進(jìn)前進(jìn) n當(dāng)物料與螺桿表面的摩擦力大、與料筒表面的切向摩擦力小 固體塞以旋轉(zhuǎn)運動為主n當(dāng)物料與螺桿表面的摩擦力小、與料筒表面的切向摩擦力大 固體塞以軸向水平運動為主n固體塞運動受到螺桿與料簡表面之間摩擦力的控制n為了提高固體輸送效率，可以采取以下措施在螺桿直徑不變時，增大螺槽深度；減小物料與螺桿的靜摩擦因數(shù)；增大塑料與料筒的靜摩擦因數(shù)；選擇合適的螺旋角2.熔化理論n它是研究塑料在擠出機螺

13、桿的熔融段內(nèi)固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)的過程，并建立在熱力學(xué)、流變學(xué)基礎(chǔ)上的一種理論。它對于了解塑化的情況，指導(dǎo)螺桿熔融段的設(shè)計，控制工藝條件以保證制品的質(zhì)量是很重要的。然而，由于塑料在熔融段的多相性，其變化過程復(fù)雜，該理論尚處于發(fā)展階段，在這里作簡單的介紹。熔化過程 n由于外傳熱和摩擦熱的共同作用，與料筒內(nèi)表面接觸的物料首先熔化，形成熔膜。n當(dāng)熔膜厚度超過螺桿與料筒間隙時，熔膜被螺棱的推進(jìn)面刮到螺槽中，并逐漸匯集成旋轉(zhuǎn)的流動區(qū)，形成熔池。n在熔池的前方是一些受熱軟化和半熔融的物料，而處于最前面的是完全沒熔融的物料，這些半熔融和未熔融的物料稱為固體床。n固相與液相的界面稱為遷移面，熔化在此進(jìn)行。熱源：

14、料筒壁傳導(dǎo)和摩擦。膜膜熔熔池池熔熔床床體體固固熔融區(qū)物料剖面熔融區(qū)物料剖面n 熔化過程 壓縮相互粘結(jié)固體粒子- 緊密堆砌的固 料筒熱摩擦熱 體床 - 熔化同時，固體床又以一定的速度沿軸向移向分界面，加以補充形成新的熔膜，以保證狀態(tài)穩(wěn)定。 n相遷移面 熔化區(qū)內(nèi)固體相和熔體相的界面稱為相遷移面。熔化發(fā)生在相遷移面上。n熔化長度 從熔化開始到固體床的寬度降到零為止的螺槽總長。 熔化速度越高，熔化長度越短。 n模型假設(shè)：模型假設(shè)：擠出過程是穩(wěn)定的，即在擠出過程中螺槽內(nèi)的熔化物料與固體床的分界面位置是固定不變的。固體床是均勻的連續(xù)體，而且在螺槽的橫截面上為矩形。物料的熔融溫度范圍較窄，因此固液相之間的分

15、界面比較明顯。螺桿固定，料筒旋轉(zhuǎn)，當(dāng)熔膜厚度超過螺桿與料筒的間隙時，熔膜被料筒表面拖拽，匯集于熔池，同時固體床以恒定的速度移向分界面，以保持穩(wěn)定的狀態(tài)。固體粒子的熔化是在分界面上進(jìn)行的。n物料的溫度分布和速度分布n料筒表面 物料的速度最大n固體床物料的速度是相同的n螺桿表面物料的速度為零3、熔體輸送理論n均化段物料處于恒定密度的粘流狀態(tài)n均化段螺槽展開圖： P229圖7-17n螺桿旋轉(zhuǎn)時，由于推擠作用，塑料沿Z方向移動，但由于機頭回壓，塑料又有反壓流動，使均化段料流復(fù)雜，一般認(rèn)為，物料在均化段有四種流動，即正流、逆流、橫流、漏流，物料在均化段螺槽中的流動是這四種流動的總和。（1）正流Qv,D塑

16、料熔體在料筒和螺桿之間沿著螺槽方向朝機頭方向的流動。它是由旋轉(zhuǎn)螺桿的擠壓所造成的，其體積流量用Qv,D表示。 （2）逆流Qv,p 其流動方向與正流相反，它是由機頭、多孔板、過濾板等阻力引起的壓力梯度所造成，又稱為壓力倒流，其體積流率以Qv,p表示。（3）橫流Qv,T 它是熔體沿著垂直于螺紋壁的流動，它使物料在螺槽內(nèi)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)運動，而形成環(huán)流。它對擠出量的影響可忽略，但對擠出過程中熔體的混合和熱交換作用卻很大。 （4）漏流Qv,L由于壓力梯度在螺桿與料筒間隙處所形成的倒流，其方向是沿著螺桿的軸向,其體積流率Qv,L表示。n根據(jù)流動分析，影響擠出機生產(chǎn)能力的是正流、逆流、漏流，橫流對擠出量沒有影響n

17、擠出機的生產(chǎn)能力表示為nQv=Qv,D -Qv,p - Qv,L三、單螺桿擠出機的生產(chǎn)率n實測法在擠出機上測出制品從機頭口模中擠出的線速度，由此來確定產(chǎn)量，準(zhǔn)確實觀不通用。 Q60*V*G*an按經(jīng)驗公式計算對擠出機生產(chǎn)能力進(jìn)行多次實際調(diào)查、實測，并分析總結(jié)而得，不全面。 Q*D3 *nn固體輸送理論把擠出機內(nèi)的物料看成是一個固體塞子，把物料的運動看成象螺母在螺桿上移動。n按粘性流體流動理論計算把擠出機內(nèi)的物料當(dāng)作粘性流體，把物料的運動看作是粘性流體流動，來計算生產(chǎn)能力。 物料在螺桿中的速度分布；螺桿的幾何尺寸；熔體在管道中的流動方程式計算：三種流動的流率： 如果考慮塑料的非牛頓型性，若刪去漏

18、流，應(yīng)為：比較兩式可以看出，第一項完全相同，第二項不同，說明塑料的流變性能僅與逆流項有關(guān)。 四. 螺桿和機頭（口模）的特定曲線n給定擠出機，在等溫條件下操作，用不同的螺桿速率n，可作Qp坐標(biāo)圖，得一系列具有負(fù)斜率的平行直線螺桿特性曲線。n兩組曲線的交點是給定的螺桿、口模、螺桿轉(zhuǎn)速，擠出機的綜合工作點。 n利用這種圖，可以求出指定擠出機，配合不同的機頭口模時的擠出量。 五. 影響擠出機生產(chǎn)率的因素：1.機頭壓力n當(dāng)機頭壓力p0 可獲最大擠出量n當(dāng)機頭口模封閉時無擠出量 機頭最大壓力降2.螺桿轉(zhuǎn)速：在機頭和螺桿的尺寸一定時，擠出量與螺桿轉(zhuǎn)速成正比。 3.螺桿幾何尺寸3.1螺桿直徑D 生產(chǎn)率qv D

19、23.2螺槽深度H 正流qvD H qvp H33.3 均化段長度 LL長，漏流和逆流減少，受口模阻力的影響就小。擠出量增加。 4 物料溫度n溫度的變化直接影響物料的粘度，從我們前面推導(dǎo)出的公式來看，Q與無關(guān)。 n在機頭和口模尺寸不變的情況下，粘度大的物料，螺桿對其產(chǎn)生的壓力高： n結(jié)論：Q與溫度T也無關(guān)。 n實際上，T的變化相當(dāng)于影響了均化段的長度。5 機頭口模的阻力n物料流動時受到阻力，大體上與口模的截面積成反比，與長度成正比。阻力愈小，擠出量受壓力的影響愈大。 第三節(jié) 擠出成型工藝一、擠出工藝流程 熱塑性塑料 預(yù)熱和干燥 擠出機加熱 開動螺桿 加料 調(diào)整 擠出成型 定型 冷卻 牽引 卷取

20、（切割） 后處理 擠出制品 1、原料的準(zhǔn)備和預(yù)處理、原料的準(zhǔn)備和預(yù)處理n 粒狀或粉狀塑料含有水份，成型前粒狀或粉狀塑料含有水份，成型前需預(yù)熱和干燥。需預(yù)熱和干燥。n水份水份 擠出速度 n后處理后處理熱處理熱處理調(diào)濕處理調(diào)濕處理二. 典型擠出制品成型工藝：1. 塑料管材擠出n關(guān)鍵設(shè)備部件 機頭和口模n管材的定徑和冷卻借助壓縮空氣將管狀物緊密地接觸在定型套內(nèi)借助壓縮空氣將管狀物緊密地接觸在定型套內(nèi)壁上。壁上。n用抽真空的方法使管材外壁與定徑套內(nèi)壁緊密貼合管材的牽引和切割管材的牽引和切割牽引時，速度應(yīng)與擠出速度相配合，一般牽引時，速度應(yīng)與擠出速度相配合，一般牽引速度稍大于擠出速度，并且速度要均牽引速

21、度稍大于擠出速度，并且速度要均勻，最好要與擠出速度同步變化。勻，最好要與擠出速度同步變化。2. 塑料薄膜的擠出吹塑n平擠上吹 P241圖7-30n平擠下吹n平擠平吹 n管坯擠出n機頭和口模n吹脹與牽引吹脹比 D2/D1牽伸比 v2 / v1吹塑薄膜的厚度b/（）n薄膜的冷卻冷卻線距離n薄膜的卷繞3.塑料板材擠出1mm 板材第四章 雙螺桿擠出一.雙螺桿擠出機的結(jié)構(gòu)與分類雙螺桿擠出機的螺桿類型n雙螺桿擠出機的轉(zhuǎn)動方向二.雙螺桿擠出機的工作原理1.同向嚙合型（1）緊密嚙合型同向旋轉(zhuǎn)（CICO）圖736 圖737（2）自沾式同向旋轉(zhuǎn)（CSCO）2.異向嚙合型3.非嚙合型雙螺桿擠出機 三 雙螺桿擠出機和

22、單螺桿擠出機的差別 n物料的傳送方式n物料的流動速度場n物料的停留時間分布n四 雙螺桿擠出機的應(yīng)用n聚合物混合與混煉熱塑性塑料的共混改性聚合物填充纖維增強熱固性塑料及粉末的塑煉n成型加工第五節(jié)第五節(jié) 熱固性塑料擠出熱固性塑料擠出一.熱固性塑料擠出成型的基本原理特點n工藝溫度高壓n設(shè)備往復(fù)式液壓機二二.與熱塑性塑料擠出機比較與熱塑性塑料擠出機比較n離模形狀和擠出形狀n生產(chǎn)率第六節(jié)第六節(jié) 反應(yīng)性擠出反應(yīng)性擠出一.反應(yīng)性擠出n概念n設(shè)備：螺桿擠出機n特征n品種：聚烯烴、PET、PA-6、POM、PMMA二.反應(yīng)性擠出加工的反應(yīng)類型及制備聚合物類型1.本體聚合2.接枝反應(yīng)3.鍵間形成共聚物反應(yīng)4.偶聯(lián)

23、/交聯(lián)反應(yīng)5.可控降解反應(yīng)三三.反應(yīng)性擠出加工對設(shè)備的要求及工藝控制要反應(yīng)性擠出加工對設(shè)備的要求及工藝控制要點點n同向嚙合型雙螺桿或多螺桿擠出機n黏度n停留時間n聚合熱n脫揮第七節(jié)第七節(jié) 橡膠的壓出橡膠的壓出n橡膠的壓出成型是半成品成型，半成品生橡膠的壓出成型是半成品成型，半成品生產(chǎn)還需要硫化才能最終成為制品。產(chǎn)還需要硫化才能最終成為制品。 n 主要產(chǎn)品：內(nèi)胎、胎面、膠管、電線電纜主要產(chǎn)品：內(nèi)胎、胎面、膠管、電線電纜包膠層等。包膠層等。 n 橡膠壓出的設(shè)備、加工原理與塑料擠出類橡膠壓出的設(shè)備、加工原理與塑料擠出類似，但有其本身特點。似，但有其本身特點。 一.壓出機1.機身2.螺桿3.機頭與口型二.壓出工藝熱喂料壓出1.膠料熱煉n 粗煉 45 輥距12mm