塑料成型共工藝第五章-擠出模塑課件

第五章擠出模塑ExtrusionMolding

2023/7/16內(nèi)容簡介：擠出成型是借助螺桿的擠壓作用,使塑化均勻的塑料強行通過機頭成為的連續(xù)制品，如管、板、絲、薄膜、電線電纜等。擠出成型是塑料成型加工中重要方法之一。本章重點：5.2單螺桿擠出原理5.5幾種制品的擠出工藝：吹塑薄膜、管材第五章擠出成型1、擠出成型的基本概念塑料的擠出成型：擠出成型又叫擠塑、擠壓、擠出模塑。用加熱（干法）或濕法（溶劑）使塑料成為流動狀態(tài)，然后在機械力（壓力,借助螺桿和柱塞的擠壓）作用下，使塑化均勻的塑料通過塑模（俗稱機頭）制成具有恒定截面連續(xù)的制品。

5.1概述(summarize)擠出過程：物料料筒內(nèi)熔融塑化—機頭口模擠出成型—冷卻定型2.適用的樹脂材料

絕大部分熱塑性塑料及部分熱固性塑料，如PVC、PS、ABS、PC、PE、PP、PA、丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂及密胺樹脂等3.擠出制品

塑料薄膜、網(wǎng)材、帶包覆層的產(chǎn)品、截面一定、長度連續(xù)的管材、板材、片材、棒材、打包帶、單絲和異型材等等，還可用于粉末造粒、染色、樹脂摻和等。幾種典型制品的生產(chǎn)線(productionline)擠出片材生產(chǎn)線Sheet/filmextrusion

擠出線纜包覆成型生產(chǎn)線Overjacketingextrusion擠出吹塑薄膜生產(chǎn)線

Blowfilmextrusion4.擠出成型的主要特點

①

設(shè)備成本低，投資少收效快。②

生產(chǎn)效率高，擠出機單機產(chǎn)量較高。③

可連續(xù)化生產(chǎn)，可一機多用。④

產(chǎn)品質(zhì)量均勻、密實，而且能生產(chǎn)較復雜的產(chǎn)品（異型材）。5.擠出成型的分類連續(xù)式：連續(xù)式可采用單螺桿擠出機和雙螺桿擠出機

間歇式：間歇式采用柱塞式擠出機（壓力大），用于PTFE等

5.2擠出設(shè)備ExtrusionMachinery

一臺擠出設(shè)備通常由主機（擠出機Extruder）、機頭和口模、輔機及其控制系統(tǒng)組成。通常這些組成部分統(tǒng)稱為擠出機組(extrusionset)。是擠出成型過程中的關(guān)鍵設(shè)備，它的規(guī)格及工藝控制直接影響擠出過程的產(chǎn)量的質(zhì)量。Extruder1、單螺桿擠出機的結(jié)構(gòu)由擠出系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和加熱冷卻系統(tǒng)三部分組成。5.2.1單螺桿擠出機(single-screwextruder)（1）傳動（驅(qū)動）系統(tǒng)

DriveMotor

作用：

TurnstheScrewProvidespowerfortheprocess

為驅(qū)動螺桿轉(zhuǎn)動，并保證螺桿轉(zhuǎn)動所需的力矩和轉(zhuǎn)速，由減速箱和電機、軸承組成。

要求：a.恒扭矩

b.穩(wěn)定轉(zhuǎn)速

c.無級調(diào)速及范圍

DriveMotor

調(diào)速的方法：a.三相異步整流子電機。效率高、啟動性好、穩(wěn)定性好，最大功率125KW。體積大，成本高故障率高。b.直流電機。改變電電壓時可得到恒扭矩調(diào)速，改變激磁電壓得到恒功率調(diào)速。低速工作不穩(wěn)定。c.機械無級變速器與異步電機配用。穩(wěn)定性好，維修簡單。最大功率＜20KW。d.液壓馬達。傳動特性軟，啟動慣性小。制造精度高。e.變頻調(diào)速。三相異步電機和變頻器，節(jié)能。

目前常用變頻和直流兩種

1）加料裝置（feed）加料斗hopper和上料器組成加料斗：

a.普通料斗

b.有攪拌器的加料斗

c.強制加料

d.帶干燥裝置自動上料：彈簧、鼓風、真空、群控。

（2）擠壓系統(tǒng)ExtrusionSystem加料裝置（feed）群控示意圖

作用：輸送物料，對物料進行加熱、加壓。

要求：耐溫，堅韌，耐磨和耐腐。料筒常是鋼制外殼和合金鋼內(nèi)襯共同組成的。料筒的外部裝置

a.加熱裝置：采用電阻絲加熱，也可電感應(yīng)加熱，蒸汽或油加熱。

b.冷卻裝置：風冷或水或油冷，其作用是防止進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，避免物料過熱降解。2)料筒（螺筒）（barrel）3)螺桿(screw)Screwconnectedtodrivelinkage,Insidebarrel

①.螺桿的作用：

a.對物料進行輸送和加壓；

b.混合、塑化、加熱；

c.定量擠出。ExtrusionScrews螺桿(screw)②

螺桿形狀

a.漸變形螺桿：螺槽容積是逐漸變小。分為等距不等深螺桿和等深不等距螺桿。這種螺桿壓縮段較長，螺槽深度逐漸變淺主要用于加工非晶型塑料，如PVC。

b.突變形螺桿：螺槽容積是突然變小。壓縮段較短，螺槽深度變化較大。主要用于加工結(jié)晶型塑料，PP、PE、PA。

變距等深螺桿：主要用于橡膠加工

等距變深螺桿：主要用于塑料成型、橡膠成型

變深變距螺桿：加工困難，應(yīng)用很少?

魚雷頭torpedo：高粘物料螺桿(screw)③螺桿參數(shù)③螺桿參數(shù)a.螺桿直徑D

螺桿直徑分螺桿外徑D、內(nèi)徑Ds和平均直徑Da，螺桿直徑不僅是螺桿的主要參數(shù)，也是擠出機的規(guī)格參數(shù)。螺桿直徑D與生產(chǎn)能力Q有關(guān)。

Q=βD2N

如何確定擠出機的規(guī)格（螺桿直徑確定）？

一般根據(jù)加工制品的斷面尺寸和所要求的生產(chǎn)率來決定。用大規(guī)格機器生產(chǎn)小型制品是很不經(jīng)濟的，而且會由于機頭壓力過高造成機器的損壞，但是用小直徑螺桿擠出機生產(chǎn)大型制品也是很困難的。因此生產(chǎn)機器與制品應(yīng)當匹配。

螺桿直徑與加工制品的范圍螺桿直徑(mm) 硬管直徑(mm) 吹膜直徑(mm) 擠板寬度(mm)Φ30 3~30 50~300 Φ45 0~45 100~500Φ65 20~65 400~900 400~800Φ90 30~120 700~1200 700~1200Φ120

50~180 ~2000 1000~1400Φ150

80~300 ~3000 1200~2500Φ200 120~400 ~4000b.螺桿長徑比（L/Dratio）

工作長度與螺桿直徑之比，它也是擠出機規(guī)格參數(shù)之一。對于加工不同制品，L/D選擇也不同。粉料造粒，L/D大些；廢料造粒，L/D小些；吹模成型，L/D大些。一般長徑比為15～25，發(fā)展趨勢大的長徑比。Length(L)Diameter(D)③螺桿參數(shù)增加L/D的作用：①

螺桿加壓充分，制品的物理力學性能可提高。②

由于物料塑化好，制品的外觀質(zhì)量也好。在轉(zhuǎn)速一定下，L/D↑，物料在螺桿中運動時間↑，物料塑化和混合效率↑③

擠出量可提高20-40%，且擠出量也較穩(wěn)定。L/D↑，可以相應(yīng)提高轉(zhuǎn)速，生產(chǎn)能力↑④

有利于粉料成型。

但對于一些熱敏性材料（如PVC）受熱時間過長產(chǎn)生分解，而且L/D↑，功耗N↑，加工制造困難，螺桿壽命↓。③螺桿參數(shù)

一般螺桿分為三段，即:

加料段（供料段）壓縮段（熔化段）均化段（計量段）c.螺桿的分段及各段的功能zonesExtrusionScrewsVaryingscrewsfordifferentresins/applicationsPolyethyleneScrewColdFeederStuffScrewFoodIndustryScrewFeedCompressionMeteringMaterialFlow螺桿的分段①加料段（固體輸送段）Feedzone

：Alsocalledsolidsconveying.Thiszonefeedstheresinintotheextruder.靠近料斗附近作用：使塑料受熱前移，將料斗供給的物料送往壓縮段。

preheatpolymerandconveyittothesubsequent物料特征：固態(tài)結(jié)構(gòu)：等距等深(0.10-0.15D)，screwdepthisconstant,長度據(jù)情況而定(L1=4-8D)。要求：ⅰ固體輸送能力應(yīng)稍高于或等于熔融段或均化段的工作能力。

ⅱ壓實固體顆?；蚍哿希懦鰵怏w減少固體間的縫隙，有利于傳熱。加料段長度的選擇熔點高、導熱性差、熱焓大的聚合物加料段的長度取長一些，反之短一些。例如：HDPE、PP、PS。松密度g/cm3密度g/cm3物理壓縮比熔點℃導熱系數(shù)w./m.T達到“標準”的擠出溫度所需熱量kJ/kgPPHDPEPS0.510.540.590.900.961.051.771.781.781701351350.220.43-0.510.16690(250℃)690(220℃)505(220℃)物理壓縮比＝密度/松密度螺桿的分段②壓縮段（熔融段）Compressionzone(transitionzoneorMeltzone):螺桿中部一段（L2=3-15D）

作用：加熱熔化；加壓壓實物料；排除空氣。螺桿的分段物料狀態(tài)：液相、固相共存結(jié)構(gòu)：螺槽深度減小，存在壓縮比。meltsharply:veryshortcompressionzonemeltgradually:

verylongcompressionzone要求：物料得到進一步壓縮，排出氣體和揮發(fā)物；完成有松散料轉(zhuǎn)變成熔體的密度的變化。(HDPE松密度0.5g/cm3，190℃0.76g/cm3,20℃0.92g/cm3）螺桿的分段幾何壓縮比：e＝h1/h3

第一個螺槽容積/最后一個螺槽的容積，大小取決于物理壓縮比、物料進料時聚集狀態(tài)和制品的狀態(tài)。一般幾何壓縮比(1.5～5)要大于物理壓縮比(1.5～3)。原因：避免發(fā)生缺料和漏料。

幾何壓縮比獲得方法：改變螺距；改變螺槽深度；同時改變螺槽深度與螺距；錐形螺桿。螺桿的分段螺桿的分段

常用塑料的壓縮比如下：

UPVC（粒料）

2.5

UPVC（粉料）

3－4

軟PVC（粒料）

3－4

軟PVC（粉料）

3－5

PE

3－4

PP

2.5－4

PS

2－4

ABS

1.6－2.5

PA-6

3.5

PA-1010

3

PMMA3POM2.8-4

PC2.5-3PA-63.5

PA-663.7PA-112.6-4.7螺桿的分段

③均化段(計量段）Meteringzone：螺桿最后一段constantscrewdepthhomogenizethemeltsupplytothedieregionmaterialwhichisofhomogeneousqualityatconstantT&P

作用：使熔體塑化均勻；使料流定量、定壓擠出。物料特征：液態(tài)

結(jié)構(gòu)：等距等深(H3=0.02-0.06D)，長度據(jù)情況而定(L3=6-10D)。增大L3的長度，物料在均化段的停留時間長，物料的剪切作用增加，有利于對物料的分散和混合。但不利于低溫擠出，熱敏性樹脂易分解。

均化段槽深h3也是一個重要參數(shù)，它對擠出機的塑化質(zhì)量和混煉質(zhì)量、機器的生產(chǎn)率、功率消耗和螺桿強度都有直接影響。對PE、PP能承受高剪切作用的，h3可選小些；而PVC、熱穩(wěn)定差，h3可選大些。這樣，剪切發(fā)熱減小，一般:h3=(0.025-0.06)D

當ε和h3確定后，加料段槽深h1為：螺桿的分段塑料加料段壓縮段均化段無定形塑料10-25%50-65%20-25%結(jié)晶性塑料50-65％0-15%25-30%表4螺桿的三段長度表螺桿的分段螺桿參數(shù)d.螺桿上的螺旋角PitchAngleθ和螺棱寬度Flightwidthe

螺旋角：30°時適合于細粉狀。加料段：15°方塊料

17°球、柱狀料計量段：30°產(chǎn)率最高。

θ＝17.6°對產(chǎn)率影響不大。螺棱的寬度：e0.08-0.12De大：占據(jù)螺槽容積，增加螺桿的功率局部過熱

e?。合魅趼堇鈴姸?，增大漏流。螺棱的形狀：矩形和鋸齒形。

螺紋導程T、螺距s、螺紋頭數(shù)i和螺旋角θ

導程：螺桿旋轉(zhuǎn)一周，螺棱上任意一點沿軸向前進的距離為導程。

螺距：螺桿相鄰兩螺棱間的距離。

螺紋頭數(shù)：螺桿頭或尾螺棱的個數(shù)。

螺旋角：螺棱與螺桿橫截面之間的夾角，它們之間的關(guān)系：e.螺桿的頭部結(jié)構(gòu)螺桿的頭部結(jié)構(gòu)也非常重要，半園頭、錐頭應(yīng)用較廣，螺桿前需裝過慮板，常用于PE、PP、軟質(zhì)PVC等。尖頭主要適用于硬質(zhì)PVC，以防止物料因滯留而分解。魚雷頭主要用于擠出粘度大、導熱不良及有明顯熔點的樹脂如PS、PA、PMMA以及聚烯烴造粒。螺桿參數(shù)螺桿的頭部結(jié)構(gòu)

帶螺紋的錐體球體－流線型錐體扇形體球體錐體螺桿參數(shù)Torpedo4）機頭(HeadZone)TheportionofthemachineattheendofthebarrelHolds/containsthedieHeadZone

機頭和口模常連為一體,通稱機頭,包括過濾網(wǎng)、多孔板（篩板）、分流梭（有時與模芯結(jié)合為一個部件）、模芯、口模等。ⅰ.機頭的結(jié)構(gòu)機頭的結(jié)構(gòu)機頭的結(jié)構(gòu)濾網(wǎng)過濾機械雜質(zhì)、未熔物料；增加料流阻力，提高混合、塑化效果。由若干片疊在一起的30-120目不銹鋼網(wǎng)組成，用多孔板支承。多孔板（篩板、分流板）厚度為螺桿直徑的1/3-1/5，上邊鉆有φ3-6mm的中間疏、兩邊密的同心圓孔，距螺桿頭部0.1D,即約為計量段一個螺槽容積，太大易積料分解，太小料流不穩(wěn)定。分流器spreader（魚雷頭），將圓柱形料流變?yōu)楸…h(huán)狀并便于進一步加熱塑化。大型分流器內(nèi)設(shè)加熱器，支架用以支承分流器及芯棒，同時使料流分束以加強攪拌，小型分流器與芯棒做為一體。①

使物料由螺旋運動變?yōu)橹本€運動。流道應(yīng)呈流線型，不能急劇擴大和縮小，避免死角和滯留，機頭型腔達▽8以上，表面光滑。②

產(chǎn)生必要的成型壓力，確保產(chǎn)品密實。消除因分流器支架造成的拼接縫。③

使物料通過機頭進一步塑化。④成型制品。

因此，機頭要有一定的壓縮比。由于機頭和制品斷面形狀有差異，機頭應(yīng)當有一定的成型長度。ⅱ.機頭的作用DieThe“mold”fortheextrusionprocessDieInput(machine)sideOutputsidea.加熱（heating）料筒熔融段和機頭外部方式有電、液體和蒸汽加熱。b.冷卻（cooling）螺桿加料段逆向通冷卻水以加大輸送能力加料口下方用冷卻水冷卻，防止熱量傳向傳動側(cè)燒壞電機，并防止料斗中“架橋”料筒非工作側(cè)用鼓風機帶走過多的熱量防止物料分解。（3)擠出機的加熱冷卻系統(tǒng)國內(nèi)表示法：?SJ—30X25BSJ

—表示擠出機；30：表示螺桿直徑；25：表示螺桿長徑比；B：表示機器結(jié)構(gòu)或參數(shù)改進后標志。?SJW—250X10

螺桿直徑250mm長徑比為10的塑料擠出喂料機。?SJZ—90X20

表示螺桿直徑90mm長徑比為20的塑料擠出造粒機。2、單螺桿擠出機的規(guī)格5.2.2單螺桿擠出過程擠出過程：預處理料加料——在螺桿中熔融塑化——口模擠出——定型——冷卻——牽引——切割要使制品質(zhì)量、產(chǎn)量穩(wěn)定，須滿足以下兩個條件：熔體的輸送速率=固態(tài)物料的熔化速率沿螺桿軸向任一截面物料的質(zhì)量流率=擠出機生產(chǎn)率4．總結(jié)提高螺桿進料段固體輸送速率的措施從工藝上：

1.提高螺桿的轉(zhuǎn)速N 2.適當提高加料段物料的溫度和降低螺桿的溫度，有利于增加物料與料筒的摩檫率，減少物料與螺桿的摩檫率。從設(shè)備上: 3.增大螺桿的直徑

4.增大螺槽的深度

5.選用最佳方向角

6.