PAGE 1 PAGE 1 高分子材料挤出成型工艺 一、概述 挤出成型是高分子材料加工领域中变化众多、生产率高、适应能力强、用途广泛、所占比重最大的成型加工方法。挤出成型是使高聚物的熔体(或粘性流体)在挤出机的螺杆或柱塞的挤压作用下通过一定形状的口模而连续成型，所得的制品为具有恒定断向形状的连续型材。 挤出成型工艺适合于所有的高分子材料。塑料挤出成型亦称挤塑或挤出模塑，几乎能成型所有的热塑性塑料，也可用于热固性塑料，但仅限于酚醛等少数几种热固性塑料，且可挤出的热固性塑料制品种类也很少。塑料挤出的制品有管材、板材、捧材、片材、薄膜、单丝、线缆包裹层、各种异型材以及塑料与其他材料的复合物等。目前约50%的热塑性塑料制品是挤出成型的。 此外挤出工艺也常用于塑料的着色、混炼、塑化、造粒及塑料的共混改性等，以挤出为基础，配合吹胀、拉伸等技术则发展为挤出--吹塑成型和挤出--拉幅成型制造中空吹塑和双轴拉伸薄膜等制品。可见挤出成型是塑料成型最重要的方法。 橡胶的挤出成型通常叫压出。橡胶压出成型应用较早，设备和技术也很成熟，压出是使胶料通过压出机连续地制作成各种不一样的形状半成品的工艺过程，大范围的使用在制造轮胎胎面、内胎、胶管及各种断面形状复杂或空心、实心的半成品，也可用于包胶操作，是橡胶工业生产中的一个重要工艺过程。 在合成纤维生产中，螺杆挤出熔融纺丝，是从热塑性塑料挤出成型发展起来的连续纺丝成型工艺，在合成纤维生产中占有重要的地位。 挤出成型工艺特点： ?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，尺寸准确较好。 ?适应性很强： 几乎适合除了PTFE外所有的热塑性塑料。 只要改变机头口模，就可改变制品形状。 可用来塑化、造粒、染色、共混改性，也可同其它方法混合成型。此外，还可作压延成型的供料。 挤出成型的基础原理： 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。 高分子三大合成材料的挤出成型所用的设备和加工原理绝大多数都是相同的。鉴于挤出理论和工艺技术等方面的研究较多以塑料挤出为基础，近年来塑料挤出无论是设备还是工艺的发展，其深度和广度都有较大的提高，故本章以论述塑料挤出为重点，对橡胶压出和合成纤维的螺杆挤出纺丝，结合其本身的特点和制品的性能要求做讨论。 挤出设备有螺杆挤出机和柱塞式挤出机两大类，前者为连续式挤出，后者为间歇式挤出。 螺杆挤出机又可分为单螺杆挤出机和多螺杆挤出机，目前单螺杆挤出机是生产上用得最多的挤出设备，也是最基本的挤出机。多螺杆挤出机中双螺杆挤出机近年来发展最快，其应用也逐渐广泛。 柱塞式挤出机是借助柱塞的推挤压力，将事先塑化好的或由挤出机料筒加热塑化的物料从机头口模挤出而成型的。物料挤完后柱塞退回，再进行下一次操作，中产是不连续的，而且挤出机对物料没有搅拌混合作用，故生产上较少采用。但由于柱塞能对物料施加很高的推挤压力，只应用于熔融粘度很大及流动性极差的塑料，如聚四氟乙烯和硬聚氯乙烯管材的挤出成型。 第一节 单螺杆挤出机基本结构及作用 单螺杆挤出机是由传动系统、挤出系统、加热和冷却系统、控制管理系统等几部分所组成。此外，每台挤出机都有一些辅助设备。其中挤出系统是挤出成型的关键部分，对挤出成型的质量和产量起及其重要的作用。挤出系统最重要的包含加料装置、料筒、螺杆、机头和口模等几个部分。 单螺杆挤出机结构示意图 1-树脂 2-料斗 3-硬衬垫 4-热电偶 5-机筒 6-加热装置 7-衬套加热器 8-多孔板 9-熔体热电偶 10-口模 11-衬套 12-过滤网 13-螺杆 14-冷却夹套 一、加料装置 挤出成型的供料一般都会采用粒状科、粉状料和带状料。加料装置是保证向挤出机料筒连续供料的装置，形如漏斗、有圆锥形和方锥形，亦称料斗。料斗的底部与料筒连接处是加料孔，该处有截断装置，能调整和截断料流。 在加料孔的周围有冷却夹套，用以防止高温料筒向料斗传热，避免料斗内塑料升温发粘而引起加料不均和料流受阻情况出现。料斗的侧面有玻璃视孔及标定计量的装置。有些料斗还有能防止塑料从空气中吸收水分的预热干燥和真空减压装置，以及带有能克服粉状塑料产生”架桥”现象的搅拌器及能够定时定量自动上料或加料的装置。 二、料 筒 又叫机筒，是一个受热受压的金属圆筒。物料的塑化和压缩都是在料筒中进行的。挤出成型时的工作时候的温度一般在180?290℃。料筒内的压力可达55MPa。在料筒的外面设有分段加热和冷却的装置，以便对塑料加热和冷却。加热一般分三至四段，常用电阻或电感应加热，也有采用远红外线加热的。冷却的目的是防止塑料的过热或停车时须对塑料快速冷却，以免塑料的降解。冷却一般用风冷或水冷。料筒要承受很高的压力，故要求有充足的强度和刚度，内壁光滑。料筒一般用耐磨、耐腐蚀、高强度的合金钢或碳钢内衬合金钢来制造。 料筒的长度一般为其直径的15?24倍。 三、螺杆 螺杆是挤出机最主要的部件，通过螺杆的转动，对料筒内塑料产生挤压作用，使塑料发生移动，得到增压，获得由摩擦产生的热量。螺杆的结构及形式对挤出成型合重要的影响，必然的联系到挤出机的应用场景范围和生产率。 1、螺杆的结构 螺杆是一根笔直的有螺纹的金属圆棒。螺杆是用耐热、耐腐蚀、高强度的合金钢制成的，其表面应有很高的硬度和光洁度，以减少塑料与螺杆的表面摩擦力，使塑料在螺杆与料筒之间保持良好的传热与运转状况。 螺杆的中心有孔道，可通冷却水，目的是防止螺杆因长期运转与塑料摩擦生热而损坏，同时使螺杆表面温度略低于料简，防止物料粘附其上，有利物料的输送。 一般的螺杆示意图 Ds-螺杆外径 Ls-螺距 H1-加料段螺槽深度 ?-螺旋角 H3-均化段螺槽深度 螺杆用止推轴承悬支在料筒的中央，与料筒中心线吻合，不应有明显的偏差。螺杆与料筒的间隙很小，使塑料受到强大的剪切作用而塑化。 螺杆由电动机通过减速机构传动，转速一般为10?120r/min，要求是无级变速。 2、螺杆的几何结构参数 螺杆的几何结构参数有直径、长径比、压缩比、螺槽深度、螺旋角、螺杆与料筒的间隙等，对螺杆的工作特性有重大的影响。 螺杆结构的主要参数 Ds-螺杆外径 Dh-料筒内径 Ls-螺距 H-螺槽深度 W-螺槽宽度 ?-螺旋角 E-螺纹棱部宽度 ?-间隙 L-螺杆长度 d-螺杆直径 (1)螺杆直径Ds：指其外径，通常在30?200mm之间，最常见的是60?150mm。随螺杆的直径增大，挤出机的生产能力提高，所以挤出机的规格常以螺杆的直径大小表示。 (2)螺杆的长径比L/Ds：指螺杆工作部分的有效长度L与直径Ds之比，此值通常为15?25，但近年来发展的挤出机有达40的，甚至更大。L/Ds大，能改善塑料的温度分布，混合更均匀，并可减少挤出时的逆流和漏流，提高挤出机的生产能力。L/Ds过小，对塑料的混合和塑化都不利。因此，对于硬塑料、粉状塑料或结晶型塑料要求塑化时间长，应选较大的L/Ds。L/Ds大的螺杆适应能力强，可用于多种塑料的挤出。但L/Ds大大，对热敏性塑料会因受热时间大长而易分解，同时螺杆的自重增加，制造和安装都困难，也增大了挤出机的功率消耗。目前，L/Ds以25居多。 (3)螺杆的压缩比A：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它表示塑料通过螺杆的全过程被压缩的程度。 A愈大，塑料受到挤压的作用也就愈大，排除物料中所含空气的能力就大。但A太大，螺杆本身的机械强度下降。压缩比一般在2?5之间。 压缩比的大小取决于挤出塑料的种类和形态，粉状塑料的相对密度小，夹带空气多，其压缩比应大于粒状塑料。另外挤出薄壁状制品时，压缩比应比挤出厚壁制品。 压缩比的获得主要是采用等距变深螺槽、等深度变距螺槽和变深变距螺槽等方法，其中等距变深螺槽是最常用的方法。 常用塑料适用的螺杆压缩比 (4)螺槽深度H：螺槽深度影响塑料的塑化及挤出效率，H小时，对塑料可产生较高的剪切速率，有利于传热和塑化，但挤出生产率降低。 热敏性塑料〔如PVC)宜用深槽螺杆，而熔体粘度低和热稳定性较高的塑料(如PA等)宜用浅槽螺杆。沿螺杆袖向各段的螺槽深度通常是不等的，加料段的短槽深度H1是个定值，一般H10.1Ds；压缩段的螺槽深H2是个变化值；均化段的短槽深H3是个定值，按经验H3=0.02?0.06Ds。 (5)螺旋角?：是螺纹与螺杆横截面之间的夹角，随着?的增大，挤出机的生产能力提高，但螺杆对塑料的挤压剪切作用减少。通常?介于10?300之间，螺杆中沿螺纹走向，螺旋角大小有所变化。 直径=螺距（Ds＝Ls）时，螺杆最容易加工，此时?＝17.70。，这是最常用的螺杆。 (6)螺纹棱部宽度：螺棱宽E大小会使漏流增加，导致产量降低，对低粘度的熔体更是如此；E太大会增加螺棱上的动力消耗，有局部过热的危险。一般取E=0.08?0.12Ds。在螺杆的根部取大值。 (7)螺杆与料筒的间隙?：其大小影响挤出机的生产能力和物料的塑化。?值大，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。但?过小时，强烈的剪切作用易引起物料出现热力学降解。—般?＝0.1?0.65mm为宜，对大直径螺杆，取?＝0.002Ds，小直径螺杆，取?=0.005Ds。 3、螺杆的作用 挤出成型时，螺杆的运转对物料产生如下三个作用： 1)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。 2)传热塑化物料：螺杆与料筒配合使物料接触传热面一直更新，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。 3)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。 螺杆对物料所产生的作用在螺杆的全长范围内各段是不同的。根据物料在螺杆中的温度、压力、粘度等的变化特征，可将螺杆分为加料段、压缩段和均化段三段。 (1)加料段：加料段的作用是对料斗送来的塑料加热，同时输送到压缩段。塑料在该段螺槽从始至终保持固体状态。 加料段的长度随塑料品种而异，挤出结晶型热塑性塑料的加料段要求较长，使塑料有足够的停留时间，慢慢软化，该段约占螺杆全长的60%?65%。挤出无定形塑料的加料段较短，约占螺杆全长的10%?25%。但硬质无定形塑料也要求长一些，软质无定形塑料则较短。 加料段螺杆对塑料一般没有压缩作用，故螺距和螺槽的深度都能保持不变，螺槽深度也较探，因此加料段通常是等深等距的深槽螺纹螺杆。 (2)压缩段：又叫相迁移段，其作用是对加料段送来的料起挤压和剪切作用，同时使物料继续受热，由固体逐渐转变为熔融体，赶走塑料中的空气及其他挥发成分，增大塑料的密度，塑料通过压缩段后，应该成为完全塑化的粘流状态。 压缩段应能对塑料产生较大的压缩作用和剪切作用，该段螺槽容积应逐步减小。 压缩段的长度与塑料的性质、塑料的压缩率有关。无定形塑料压缩段较长，为螺杆全长的55%?65%，熔融温度范围宽的塑料其压缩段最长，如聚氯乙烯挤出成型用的螺杆，压缩段为螺杆全长的100%，即全长均起压缩作用，这样的螺杆叫做渐变螺杆。结晶型塑料，熔融温度范围较窄，压缩段较短，为3?5Ds。某些熔化温度范围很窄的结晶型塑料，如尼龙等，其压缩段更短，甚至仅为一个螺距的长度，这样的螺杆叫做突变螺杆。 (3)均化段：又叫计量段，其作用是将塑化均匀的物料在均化段螺槽和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。由于从压缩段来的物料已达到所需的压缩比，故均化段一般无压缩作用，螺距和槽深可以不变，这一段常常是等距等深的浅槽螺纹。 对于渐变形螺杆，本段螺杆螺距最小或槽深最浅，这种螺秆实际上无均化段，常用于聚氯乙烯等热敏性塑料。可避免粘流态物料在均化段停滞时间过长而导致分解。对于一般塑料，如聚乙烯、聚苯乙烯等，为了稳定料流，均化段应有足够的长度，通常是螺杆全长的20%?25%。 4、螺杆的形式 塑料的品种很多，性质各异。为了适应加工不同塑料的要求，螺杆的种类也很多，螺杆的结构及形式有很大的差别。螺杆—般分为普通螺杆和高效专用型螺杆。 (1)普通螺杆：是指常规全螺纹三段螺杆，这种螺杆应用最广，整根螺秆由三段组成，其挤出过程完全依靠全螺纹的形式完成。根据螺距和螺槽深度的变化，螺杆可分为等距变深螺杆、等深变距螺杆和变距变深螺杆。 等距变深螺杆制造容易，成本低；物料与料筒接触面积大，易于传热，有利于物料的压缩、熔融和塑化；进料段螺槽较深更有助于进料，因此这种螺杆应用最广。 等距变深螺杆按其螺槽深度变化的快慢(即压缩段的长短)又可分为等距渐变形螺杆和等距突变形螺杆。非晶型塑料宜选用渐变形螺杆，结晶型塑料宜选用突变形螺杆。 为得到较好的挤出质量，要求物料尽可能避免局部受热时间过长而产生热降解现象，能平稳地从螺杆进入机头，这与螺杆头部的形状有很大关系。螺杆头部一般设计为锥形成半圆形，以防止物料在螺杆头部滞流过久而分解。锥形头部的角度一般为1200。，对PVC等热敏性塑料，锥角为600。有的螺杆均化段是一段平行的杆体，常称为鱼雷头或平推头，其直径比前段螺槽根径略大，表面是光滑的，但也可有凹槽或浪花，甚至有锥形的突棱。鱼雷头螺杆具有搅拌和节制物料、消除料流脉动现象等作用，并能增大物料的压力，降低料层厚度，改善物料传热，进一步提升塑化效率。这种螺杆大多数都用在挤出粘度较大、导热性不良或有较明显熔点的塑料，如PS、有机玻璃、纤维素等。 常用螺杆头部形状 (a)大圆锥(1200) (b)锥体(锥角为600，适用于PVC) (c)半圆形 (d)鱼雷体 (2)高效螺杆：普通螺杆存在熔融效率低，塑化混合不均匀等缺点，往往不能很好适应些特殊塑料的加工或进行混炼、着色等工艺过程。目前常用的改进方法是加大长径比，提高螺杆转数，加大均化段的螺槽深度等，这些改进措施有一定的成效，但比较有限。 新型高效螺杆主要有屏障型螺杆、销钉型螺杆、波型螺杆、分配混合型螺杆、分离型螺杆和组合型螺杆。这些螺杆的共同特点是在螺杆的末端(均化段)设置一些剪切混合元件，以达到促进混合、熔化和提高产量的目的。 几种新型高效螺杆的混合部件 (a)斜槽屏障 (b)销钉 (c)环型屏障(d)直槽屏障 (e)分离型屏障 四、机头和口模 机头是口模与料筒的过渡连接部分，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。 机头和口模的作用为： 1)使粘流态物料从螺旋运动变为平行直线运动，并稳定地导人口模而成型。 2)产生回压，使物料进一步均化，提高制品质量。 3)产生必要的成型压力，以获得结构密实和形状准确的制品。 在机头和料筒之间有粗滤器和过滤网。粗滤器也叫多孔板，是一块多孔的金属圆扳，孔眼的大小和板的厚度随料简的直径增大而加大；过滤网为2—3层的铜丝或不锈钢丝网。两者的作用是改变塑料的旋转运动为乎直运动，过滤粘流态料中可能混入的机械杂质和未熔化的或分解焦化的物料，同时增大料流压力，保证挤出制品致密，提高质量。 为了获得塑料成型前必要的压力，机头和口模的流道型腔应逐步连续地缩小，过渡到所要求的成型截面形状。机头内塑料流道应光滑，呈流线型，不存在死角。为了能够更好的保证料流的稳定以及消除熔接缝，口模应有一定长度的平直部分。 挤出机机头和口模示意图 1-挤出机 2-口模 3-模唇调节器 4-口模成型段 5-抛物调节排 机头与口模的组成部件： 过滤网；多孔板；分流器；模芯；口模和机颈等。 机头中还有校正和调整装置，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、共挤吹塑料。 五、传动系统：包括带动螺杆转动的电机和物理运动部件。 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。 第二节 挤出成型原理 在挤出成型的过程中，塑料经历了固体—弹性体—粘流(熔融)体的形变过程，在螺杆和料筒之间，塑料沿着螺槽向前流动。在此过程中，塑料有温度、压力、粘度，甚至化学结构的变化，因此挤出过程中塑料的状态变化和流动行为相当复杂。多年来，许多学者进行了大量的实验研究工作，提出了多种描述挤出过程的理论，有些理论已基本上获得应用。但是各种挤出理论都存在不同程度的片面性和缺点，因此，挤出理论还在不断修正、完善和发展中。 一、挤出过程和螺杆各段的职能 由高分子物理学知道，高聚物存在三种物理状态，即玻璃态、高弹态和粘流态，在一定条件下，这三种物理状态会发生相互转变。固态塑料由料斗进入料筒后，随着螺杆的旋转而向机头方向前进，在这过程中，塑料的物理状态是发生明显的变化的。根据塑料在挤出机中的三种物理状态的变化过程及对螺杆各部件的工作要求，通常将挤出机的螺杆分成加料段(固体输送区)、压缩段(熔融区)和均化段(熔体输送区)三段。对于这类常规全螺纹三段螺杆来说，塑料在挤出机中的挤出过程能够最终靠螺杆各段的基本职能及塑料在挤出机中的物理状态变化过程来描述。 塑料在挤出机中的挤出过程示意图 1、加料段 塑料自料斗进入挤出机的料筒内，在螺杆的旋转作用下，由于料筒内壁和螺杆表面的摩擦作用向前运动，在该段，螺杆的职能主要是对塑料进行输送并压实，物料仍以固体状态存在，虽然由于强烈的摩擦热作用，在接近加料段的末端，与料筒内壁相接触的塑料已接近或达到粘流温度，固体粒子表面有些发粘，但熔融仍未开始。这一区域称为迟滞区，是指固体输送区结束到最初慢慢的出现熔融的一个过渡区。 2、熔融段 塑料从加料段进入熔融段，沿着螺槽继续向前，由于螺杆螺槽的容积逐渐变小，塑料受到压缩，进一步被压实，同时物料受到料简的外加热和螺杆与料简之间的强烈的剪切搅拌作用，温度不断升高，物料逐渐熔融，此段螺杆的职能是使塑料进一步压实和熔融塑化，排除物料内的空气和挥发份。在该段．熔融料和未熔料以两相的形式共存，至熔融段末端，塑料最终全部熔融为粘流态。 3、均化段 从熔融段进入均化段的物料是已全部熔融的粘流体。在机头口模阻力造成的回压作用下被进一步混合塑化均匀，并定量定压地从机头口模挤出，在该段，螺杆对熔体进行输送。 二、挤出理论 目前应用最广的挤出理论是根据塑料在挤出机三段中的物理状态变化和流动行为来进行研究的，建立了固体输送理论、熔融理论和熔体输送理论。 1、固体输送理论 物料自料斗进入挤出机的料筒内，沿螺杆向机头方向挪动。首先经历的是加料段，物料在该段是处在疏松状态下的粉状或粒状固体，温度较低，粘度基本上无变化，即使因受热物料表面发粘结块，但内部仍是坚硬的固体，故形变不大。在加料段主要对固体塑料起螺旋输送作用。 固体输送理论是以固体对固体的摩擦静力平衡为基础建立起来的。该理论认为物料与螺槽和料简内壁所有面紧密接触，形成具有弹性的固体塞子，并以一定的速率移动。物料受螺杆旋转时的推挤作用向前移动能分解为旋转运动和轴向水平运动，旋转运动是由于物料与螺杆之间的摩擦力作用被转动的螺杆带着运动，轴向水平运动则是由于螺杆旋转时螺杆斜棱对物料的推力产生的轴向分力使物料沿螺杆的轴向移动。旋转运动和轴向运动的同时作用的结果，使物料沿螺槽向机头方向前进。 固体塞的移动情况是旋转运动还是轴向运动占优势，主要决定于螺杆表面和料筒表面与物料之间的摩擦力的大小。只有物料与螺扦之间的摩擦力小于物料与料筒之间的摩擦力时，物料才沿轴向前进；否则物料将与螺杆一起转动，因此只要能正确控制物料与螺杆及物料与料筒之间的静摩擦因数，即可提高固体输送能力。 为了更好的提高固体输送速率，应降低物料与螺杆的静摩擦因数，提高物料与料筒的径向静摩擦因数。要求螺杆表面有很高的光洁度，在螺杆中心通入冷却水，适当降低螺杆的表面温度，因为固体物料对金属的静摩擦因数是随温度的降低而减小的。 2、熔化理论 由加料段送来的固体物料进入压缩段，在料筒温度的外加热和物料与物料之间及物料与金属之间的摩擦作用的内热作用下而升温，同时逐渐受到慢慢的变大的压缩作用，固体物料逐渐熔化，最后完全变成熔体，进入均化段。在压缩段既存在固体物料又存在熔融物料，物料在流动过程中有相变化发生，因此在压缩段的物料的熔化和流动情况很复杂，给研究带来许多困难。 (1)熔化过程：当固体物料从加料段进入压缩段时，物料是处在逐渐软化和相互粘结的状态，与此同时慢慢的变大的压缩作用使固体粒子被挤压成紧密堆砌的固体床。固体床在前进过程中受到料简外加热和内摩擦热的同时作用，逐渐熔化。首先在靠近料筒表面处留下熔度层，当熔膜层厚度超过料筒与螺棱之间隙时，就会被旋转的螺棱刮下并汇集于螺纹推力面的前方，形成熔他，而在螺棱的后侧则为固体床。随着螺杆的转动，来自料筒的外加热和熔膜的剪切热不断传至来熔融的固体床，使与熔膜接触的固体粒子熔融。在沿螺槽向前移动的过程中，固体床的宽度逐渐减小，直至全部消失，即完成熔化过程。 (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，大多数熔化均发生在此分界面上，它实际是由固体相转变为熔体相的过渡区域。熔体膜形成后的固体熔化是在熔体膜和固体床的界面(相迁移面)处发生的，所需的热量一部分来源于料筒的外加热，另一部分则来源于螺杆和料筒对熔体膜的剪切作用。 (3)熔化长度：挤出过程中，在加料段内是充满未熔融的固体粒子，在均化段内则充满着已熔化的物料，而在螺杆中间的压缩段内固体粒子与熔融物共存，物料的熔化过程就是在此区段内进行的，故压缩段又称为熔化区。在熔化区，物料的熔融过程是逐渐进行的，自熔化区始点A开始，固体床的宽度将逐渐减小，熔池的宽度逐渐增加，直到熔化区终点B，固体床的宽度下降到零，进入均化段，固体床消失，螺槽全部充满熔体。从熔化开始到固体床的宽度降到零为止的总长度，称为熔化长度。 固体床在螺槽中的分布 3、熔体输送理论 从压缩段送入均化段的物料是具有恒定密度的粘流态物料，在该段物料的流动已成为粘性流体的流动，物料不仅受到旋转螺杆的挤压作用，同时受到由于机头口模的阻力所造成的反压作用，物料的流动情况很复杂。 通常把物料在螺槽中的流动看成由下面四种类型的流动所组成： (1)正流：是物料沿螺槽方向向机头的流动，这是均化段熔体的主流，是由于螺杆旋转时螺棱的推挤作用所引起的，从理论分析上来说，这种流动是由物料在深槽中受机筒摩擦拖曳作用而产生的，故也称为拖曳流动，它起挤出物料的作用。 (2)逆流：沿螺槽与正流方向相反的流动，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，故又称压力流动，它将引起挤出生产能力的损失。 (3)横流：物料沿x轴和y轴两方向在螺槽内往复流动，也是螺杆旋转时螺棱的推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、混合和进一步的均匀塑化影响很大。 (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，它也是由于机头和口模等对物料的阻力所产牛的反压流功。 三、挤出机的生产率 塑料在挤出机中的运动情况相当复杂，影响其生产能力因素很多，因此要精确计算挤出机的生产率较困难。目前挤出机生产率的计算方式有如下几种： 1、实测法 在实际生产的挤出机上测出制品从机头口模中挤出来的线速度，由此来确定机台的产量。 2、按经验公式计算 对挤出机的生产能力进行多次实际调查和实测，并分析总结得出经验公式。 qm＝?D3n 式中 ?--系数，一般?＝0.003?0.007； D--螺杆直径，cm； n--螺杆转速，r/min。 3、按固体输送理论计算 此法是把挤出机内的物料看成是一个固体塞子，把物料的运动看成像螺母在螺杆移动。 4、按粘性流体流功理论计算 此法是把挤出机内的物料当作粘性流体，把物料的运动看作是粘性流体流动。在挤出机内只有在均化段的物料才是粘性流体，因此在挤出机正常工作时，螺杆均化段的流动速率可以看作是挤出机的挤出流量，影响均化段流率的因素也就是影响挤出机生产率的因素。应该说这种计算法最能代表真正的挤出机生产能力，因为物料流出均化段就是流出挤出机。 四、螺杆和机头(口模)的特性曲线 挤出成型时是在有机头口模的情况下进行的，要了解挤出过程的特性，需将螺杆和机头结合起来进行讨论。 图中两组直线的交点就是适于该机头口模和螺杆转速下挤出机的综合工作点，亦即在给定的螺杆和口模下，当螺杆转速一定时，挤出机的机头压力和流率应符合这一点所表示的关系。 五、影响挤出机生产率的因素 1、机头压力与生产率的关系 正流流率与压力无关，逆流和漏流流率则与压力成正比。因此，压力增大，挤出流率减小，但对物料的进一步混合和塑化有利。在实际生产中，增大了口模尺寸，即减小了压力降，挤出量虽然提高，但对制品质量不利。 2、螺杆转速与生产率的关系 在机头和螺杆的几何尺寸一定时，螺杆转速与挤出机的生产率成正比；目前出现的超高速挤出机，能大幅度地提高挤出机的生产能力。 3、螺杆几何尺与与生产率的关系 (1)螺杆直径D。挤出机流率接近于与螺杆直径D的平方成正比。 (2)螺槽深度。正流与H成正比，而逆流与H3成正比。深槽螺杆的挤出量对压力的敏感性大。 (3)均化段长度。均化段长度L增加时，逆流和漏流减少，挤出生产率增加。 4、物料温度与生产率的关系 理论上，挤出生产率与粘度无关，也与料温无关。但在实际生产中，当温度有较大幅度变化时，挤出流率也有一定变化，这种变化是由于温度的变化而导致物料塑化效果有所影响，这相当于均化段的长度有了变化，从而引起挤出生产率的变化。 5、机头口模的阻力与生产率的关系 物料挤出时的阻力与机头口模的截面积成反比，与长度成正比，即口模的截面尺寸越大或口模的平直部分越短，机头阻力超小，这时挤出产率受机头内压力变化的影响就越大。因此一般要求口模的平直部分有足够的长度。 第三节 挤出成型工艺 挤出成型大多数都用在热塑性塑料制品的成型，多数是用单螺杆挤出机按干法连续挤出的操作办法来进行成型的。适用于挤出成型的热塑性塑料品种很多，挤出制品的形状和尺寸也各不相同，挤出不同制品的操作方法各不相同，但是挤出成型的工艺流程则大致相同。 一、挤出工艺流程 各种挤出制品的生产的基本工艺流程大体相同，一般来说包括原料的准备、预热、干燥、挤出成型、挤出物的定型与冷却、制品的牵引与卷取(或切割)，有些制品成型后还需经过后处理。 1、原料的准备和预处理 用于挤出成型的热塑性塑料大多数是粒状或粉状塑料，由于原料中可能含有水分，将会影响挤出成型的正常进行，同时影响制品质量，例如出现气泡，表面晦暗无光，出现流纹，力学性能降低等。因此，挤出前要对原料进行预热相干燥。不一样的种类塑料允许含水量不同。 通常,对于一般塑料，应控制原料的含水量0.5%以下； 对于高温下易水解的塑料，如尼龙（PA）、涤纶（PET）等，水分含量0.03%;此外，原料中的机械杂质也应尽可能除去。 原料的预热和干燥一般是在烘箱或供房内进行，可抽线、挤出成型 首先将挤出机加热到预定的温度，然后开动螺杆，同时加料。初期挤出物的质量和外观都较差，应根据塑料的挤出工艺性能和挤出机机头口模的结构特点等调整挤出机料筒各加热段和机头口模的温度及螺杆的转速等工艺参数，以控制料筒内物料的温度和压力分布；根据制品的形状和尺寸的要求，调整口模尺寸和同心度及牵引等设备装置，以控制挤出物离模膨胀和形状的稳定性，进而达到最终控制挤出物的产量和质量的目的，直到挤出达到正常状态即做正常生产。 物料的温度大多数来源于料筒的外加热，其次是螺杆对物料的剪切作用和物料之间的摩擦。当进入正常操作后，剪切和摩擦产生的热量甚至变得更加重要。 温度上升，物料粘度降低。有利于塑化，同时降低熔体的压力，挤出成型出料快，但如果机头和口模温度过高，挤出物形状的稳定性较差，制品收缩性增大，甚至引起制品发黄，出现气泡，成型不能顺顺利利地进行； 温度降低，物料粘度增大，机头和口模压力增加。制品密度大，形状稳定性高，但挤出膨胀较严重。可以适当增大牵引速度以减少因膨胀而引起制品的壁厚增加。但是，温度不能太低，否则塑化效果差，且熔体粘度太大而增加功率消耗。 口模和型芯的温度应该—致，若相差较大，则制品会出现向内或向外翻甚至扭歪等现象。 增大螺杆的转速能强化对塑料的剪切作用，有利产塑料的混合和塑化，且大多数塑料的熔融粘度随螺杆转速的增加而降低。 3、定型与冷却 热塑性塑料挤出物离开机头口模后仍处在高温熔融状态，具有很大的塑性变形力，应立即进行定型和冷却。如果定型和冷却不及时，制品在自身的重力作用下就会变形，出现凹陷或扭曲等现象。根据不同的制品有不问的定型方法、大多数情况下，冷却和定型是一起进行的，只有在挤出管材和各种异型材时才有—个独立的定型装置，挤出板材和片材时，往往挤出物通过一对压辊，也是起定型和冷却作用，而挤出薄膜、单丝等不必定型，仅通过冷却便可以了。 未经定型的挤出物必须用冷却装置使其及时降温，以固定挤出物的形状和尺寸，已定型的挤出物由于在定型装置中的冷却作用并不充分，仍必须用冷却装置，使其进一步冷却。冷却一般都会采用空气或水冷，冷却速度对制品性能有较大影响，硬质制品不能冷得太快，否则易引起内应力，并影响外观，对软质或结晶型塑料则要求及时冷却，以免制品变形。 4、制品的牵引和卷取(切割) 热塑性塑料挤出离开口模后，由于有热收缩和离模膨胀双重效应，使挤出物的截面与口模的断面形状尺寸并不一致。 因此在挤出热塑性塑料时，要连续而均匀地将挤出物牵引出，其目的一是帮助挤出物及时离开口模，保持挤出过程的连续性，二是调整挤出型材截面尺寸和性能。 牵引的速度要与挤出速度相配合，通常牵引速度略大于挤出速度，这样一方而起到消除由离模膨胀引起的制品尺寸变化，另一方而对制品有一定的拉伸作用。牵引的拉伸作用可使制品适度进行大分子取向，从而使制品在牵引方向的强度得到一定的改善。 各种制品的牵引速度是不同的，通常挤出薄膜和单丝需要较快的速度，牵伸度较大，制品的厚度和直径减小，纵向断裂强度提高。挤出硬制品的牵引速度则小得多，通常是根据制品离口模不远处的尺寸来确定牵伸度。 定型冷却后的制品根据制品的要求做卷绕或切割。软质型材在卷绕到给定长度或质量后切断；硬质型材从牵引装置送出达到—定长度后切断。 5、后处理 有些制品挤出成型后还需进行后处理，以提高制品的性能。 后处理最重要的包含热处理和调湿处理。 在挤出较大截面尺寸的制品时，常因挤出物内外冷却速率相差较大而使制品内有较大的内应力，这种挤出制品成型后应在高于制品的使用温度10?20℃或低于塑料的热变形温度10?20℃的条件下保持一定时问，进行热处理以消除内应力。 有些吸湿性较强的挤出制品，如聚酰胺，在空气中使用或存放过程中会吸湿而膨胀，而且这种吸湿膨胀过程需很久才可以做到平衡，为了加速这类塑料挤出制品的吸湿平衡，常备在成型后浸入含水介质加热进行调湿处理，在此过程中还可使制品受到消除内应力的热处理，对改善这类制品的性能十分有利。 二、典型挤出制品成型工艺 各种塑料挤出制品的成型，均是以挤出机为主机，使用不相同形状的机头口模，改变挤出机辅机的组成来完成的。典型的塑料挤出制品包括管材、棒材、板材、吹塑薄膜和塑料电线、塑料管材挤出 管材是塑料挤出制品中的主要品种，有硬管和软管之分。用来挤管的塑料品种很多，主要有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、尼龙、ABS和聚碳酸酯等。 目前，国内以聚氯乙烯为主，下面就以硬聚氯乙烯管材作简单介绍。 管材挤出的基本工艺是：由挤出机均化段出来的塑化均匀的塑料，经过过滤网、粗滤器而达分流器，并为分流器文架分为若干支流，离开分流器文架后再重新汇合起来，进入管芯口模间的环形通道，最后通过口模到挤出机外而成管子，接着经过定径套定径和初步冷却，再进入冷却水槽或具有喷淋装置的冷却水箱，进一步冷却成为具有一定口径的管材，最后经由牵引装置引出并根据相关规定的长度要求而切割得到所需的制品。 管材挤出装置由挤出机、机头口模、定型装置、冷却水槽、牵引及切割装置等组成，其中挤出机的机头口模和定型装置是管材挤出的核心部件。 (1)机头和口模：机头是挤出管材的成型部件，大体上可分直通式、直角式和偏移式三种，其中用得最多的是直通式机头，机头包括分流器、分流器支架、管芯、口模和调节螺钉等几个部分。 分流器又称鱼雷头，粘流态塑料经过粗滤板而达分流器，塑料流体逐渐形成环形，并使料层变薄，有利于塑料的进一步均匀塑化。 分流器支架的作用是支撑分流器及管芯。在小型挤出机中，分流器和分流器支架都做成一个整体；支架与机头是连接的。为支撑分流器，支架上有分料筋，塑料流过时被分料筋分开再汇合，有可能形成熔接痕，因此分料筋要造成流线型，而且，在强度允许的情况下，其宽度与长度应尽可能小些。在分流器支架内没有导线孔与进气孔，以便分流器和管芯内部装电热器时通入导线或通入压缩空气。 管芯(型芯)是挤出的管材内表向的成型部件，随管子型祥不同有不同的形式，一股为流线型，以便粘流态塑料的流动。管芯通常是早分流器支架处与分流器连接。粘流由塑料经过分流器支架后进入管芯与口模之间，管芯经过一定的收缩成为平直的料道。 管材的内外径应分别等于管芯的外径和口模的内径，但实际上从口模出来的管材由于牵引和冷却收缩等因素，将使管子的截面缩小一些：另一方面，在管材离开口模后，压力降低，塑料因弹性恢复而膨胀。挤出管子的收缩及膨胀的大小与塑料性质、离开口模前后的温度、压力及牵引速度等有关，管材最终的尺寸一定要通过定径套冷却定型和牵引速度的调节而确定。 (2)管材的定径和冷却。管材挤出后，温度仍然很高，为得到准确的尺寸和几何形状以及表面光洁的管子，应立即进行定径和冷却，以使其定型。 外径定型是使挤出的管子的外壁与定径套的内壁相接触而起定型作用的，为此，可用向管内通入压缩空气的内压法或在管子外壁抽真空法来实现外径定型。 内压法进行外径定型的定径套如图所示。定型时，可通过分料筋的孔道通入很多压力的压缩空气(一般为0.05--0.3MPa表压)。并在挤出的管端或管内封塞。定径套的外壁为夹套，内通冷却水以冷却管子，经定径后的管子离开定径套时不再变形。 2、吹塑薄膜的挤出 (1)机头和口模。吹塑薄膜的主要设备为单螺杆挤出机，其机头口模的类型主要有转向式的直角型和水平向的直通型两大类，结构与挤出管材的差不多，作用是挤出管状坯料 (2)吹胀与牵引。在机头处有通入压缩空气的气道，通入气体使管坯吹胀成膜管，调行压缩空气的通入里能控制膜管的膨胀程度。 由于吹塑和牵仲的同时作用，使挤出的管坯在纵横两个方向都发生取向，使吹塑薄膜具有一定的机械强度。因此，为得到纵横向强度均等的薄膜，其吹胀比和牵伸比最好是相等的。不过在实际生产中往往都是用同一环形间隙口模，靠调节不同的牵引速度来控制薄膜的厚度，故吹塑薄膜纵横向机械强度并不相同，一般都是纵向强度大干横向强度。 (3)薄膜的冷却。吹塑薄膜是连续成型的过程，管还挤出吹胀成膜管后必须不断冷却固化定型为薄膜制品，以保证薄膜的质量和提高严量，因此，膜管在吹胀成型后要马上得到良好的冷却。目前最常用的方法是在挤出机头之后，在管膜外面设冷却风环。 在吹塑聚乙烯薄膜时，接近机头处的膜管是透明的，但在高于机头约20cm处的膜管就显得较浑浊。膜管在机头上方开始变得浑浊的距离称为冷凝线距离(或称冷却线距离)。膜管浑浊的原因为大分子的结晶和取向。 (4)薄膜的卷绕。膜管经冷却定型后，先经人字导向板夹平，再通过牵引夹辊，而后由卷绕辊卷绕成薄膜制品；人宇板的作用是稳定已冷却的膜管，不让它晃动，并将它压平。牵引夹辊是由一个橡胶辊和一个金属辊组成，其作用是牵引和拉伸薄膜。牵引辊到口模的距离对成型的过程和管膜性能有一定影响，其决定了膜管在压叠成双折前的冷却时间，这一时间与塑料的热性能有关。 3、塑料板材挤出 塑料板、片与薄膜之间是没有严格的界限的，通常把厚度在0.25mm以下的称为平膜，在0.25?1mm的称为片材，1mm以上的则称为板材。 塑料板材的生产常用挤出成型工艺，用挤出法生产板材的方法有两种：较老的方法是利用挤管的方法先挤出管子，随即将管于剖开，展平而牵引出板材，此法可用于软板生产。目前，常用狭缝机头直接挤出板材(硬板或软板)。挤板工艺也适用于片材和平膜的挤出。 塑料经挤出机从狭缝机头挤出成为板坯后，即经过三辊压光机、切边装置、牵引装置、切割装置等，最后得到塑料板材。 如果在压光机之后再装有加热、压波、定型等装置，则可得塑料瓦楞板。 板材挤出的狭缝机头的出料口既宽又薄，塑料熔体由料筒挤入机头，由于流道由圆形变成狭缝形，一定要采取措施使熔体沿口模宽度方向有均匀的速度分布，即要使熔体在口模宽度方向上以相同的流速挤出，以保证挤出的板材厚度均匀和表面平整。 压光机的作用是将挤出的扳材压光和降温,并难确地调整板材的厚度，故它与压延机的构造原理有点相同，对辊筒的尺寸精度和光洁度要求比较高，并能在一些范围内可调速，能与板材挤出相适应。辊筒间距能调整，以适应挤出板材厚度的控制，压光机与机头的距离应尽量靠近，否则板坯易下垂发皱，光洁度不好，同时在进入压光机前易散热降温而对压光不利。 从机头出来的板坯温度比较高，为防止板材产生内应力而翘曲，应使板材缓慢冷却，要求压光机的辊简有一定的温度。经压光机定型为一定厚度的板材温度仍较高，故用冷却导辊输送板材，让其进一步冷却，最后成为接近室温的板材。 在牵引装置的前面，有切边装置习切去小规则的板边，并将板衬切成规定的宽度。 牵引装置通常是内—对或两村牵引辊组成，每对牵引辊通常又是由一个表向光滑的钢辗和一个具有橡胶表面的钢辊组成，牵引装置一般与压光机同速，能微调，以控制张力。 切割装置用以将板材裁切成规定的长度。 第四节 橡胶的压出成型 挤出也是橡胶加工的一种成型工艺，橡胶的挤出与塑料的挤出在设备和加工原理方面基本相似，但橡胶挤出有其本身的特点。 橡胶挤出(习惯上叫橡胶压出)是在压出机(挤出机)中对混陈胶加热与塑化，通过螺杆的旋转，使胶料在螺杆和机筒筒壁之间受到强大的挤压作用，不断向前推进，并借助于口型(口模)压出具有一定断面形状的橡胶半成品。在橡胶制品

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