挤出成型

从输出工艺角度来考虑，关键是控制送料 段料筒和螺杆的温度，因为摩擦系数是随 温度而变化的，一些塑料对钢的摩擦系数 与温度的关系如图5—5所示。
如果物料与螺杆之间的摩擦力是如此之大， 以致物料抱住螺杆，此时挤出量Qs和移动速度 均为零，因为φ＝0。这时物料不能向前进行， 这就是常说的“不进料”的情况。如果物料与 螺杆之间的摩擦力很小，甚至可略而不计，面 对料筒的摩擦力很大，这时物料即以很大的移 动速度前进，即φ＝900。如果料在筒内开有纵 向沟槽，迫使物料沿令φ＝900方向前进，这是 固体输送速率的理论上限。一般情况即是在00 ＜φ＜900范围。在挤出过程中，如果不能控制 物料与螺杆和料筒的摩擦力为恒定值，势必引 起移动角变化，最后造成产率波动。
5.3 单螺杆挤出原理
挤出机达到稳定的产量和质量，一方面， 沿螺槽方向任一截面上的质量流率必须保持恒 定且等于产量，另一方面，熔体的输送速率应 等于物料的熔化速率。 因此，从理论上阐明挤出机中固体输送、熔化 和熔体输送与操作条件、塑料性能和螺杆的几 何结构之间的关系，无疑是有重要意义的。
5．３．1 固体输送理论 目前理论推导最为简单的是以固体对固体 的摩擦力静平衡为基础的。 基本假设： (1)物料与螺槽和料筒内壁所有边紧密接触， 形成固体塞或固体床，并以恒定的速率移动； (2)略去螺翅与料筒的间隙、物料重力和密度变 化等的影响； (3)蝶槽深度是恒定的，压力只是螺槽长度的函 数，摩擦系数与压力无关； (4)螺槽中固体物料像弹性固体塞一样移动。
图5—7所示螺槽截面上熔体膜和固体床内温 度分布情况； 熔体膜内的温度(T)分 布画数在边界条件y＝o、 T＝Tm和y＝δ、T＝Tb 时可表为：
从熔体膜进入单位界面的热量为：
固体床内的温度分布可在边界条件y＝o、T＝Tm和y Ts时推得为 ：
oo、T，
式(5—7)说明固体床的温度是按指数规律从熔点Tm下降到 固体床的起始温度。 在单位界面上从熔体膜传至固体 的热量为
塑化的方式：挤出工艺可分干法和湿法两 种 ； ①干法的塑化是靠加热将塑料变成熔体， 而塑化和加压可在同一个设备内进行。 ②湿法的塑化则是用溶剂将塑料充分软 化，因此塑化和加压必须分为两个独立的 过程，而且定型处理必须采用比较麻烦的 溶剂脱除，同时还得考虑溶剂的回收。
加压方式：分为连续和间歇两种。 连续式所用设备为螺杆挤出机， 间歇式为柱塞式挤出机。柱塞式挤出机 的主要部件是一个料筒和一个由液压操纵的 柱塞 螺杆数量 单螺杆挤出机，使用较多挤出机。 双螺杆，比较多 多螺杆挤出机，用于塑炼
2．加料装置 供料的形式有粒状、粉状和带状等 几种。加料装置一般都采用加料斗，料斗的容量至 少应能容纳一小时的用料。加料斗内应有切断料流、 标定料量和卸除余料等。上料装置。 3．料筒 料筒是挤出机主要部件之一，塑料的塑 化和加压过程都在其中进行。挤压时料简内的压力 可达55兆帕，工作温度一般为180~250℃，因此料 筒可看作是受压和受热的容器。 另外，一般挤出机在料筒和机头之间还设有粗滤器， 它是由带孔的合金钢板制成的，主要作用是使塑料 由旋转流动变为平直流动，且沿螺杆方向形成压力， 增大塑化的均匀性，过滤塑料中可能混入的杂质 (这在挤压回料时可能性更大)和阻止未塑化的物料 进入机头．
口模设计的主要因素：流道设计，结构设计、温度 控制 设计方法：经验设计为主，理论分析辅助 设计程序：首先分析流量分布、压力降、停留时间， 稳定流动状态，其次，制品形状尺寸、聚合物的稳 定性、模具的安装、结构形式。
圆孔形口模 类别：圆棒、单丝、造粒 流动特点：一维流动，沿半径变化，轴向不变 设计平直部分与直径的比小于１０
图5—3是 螺杆的展开图。 当螺杆转动一 转时，螺槽中 固体塞上的A 点移动到B点， 这时AB与螺杆 轴向垂直面的 夹角为φ，此 角常称为移动 角。
通过推导，可得固体输送速率(Qs)的计算公式为：
为了计算固体输送率Qs需要先知道移动角φ 的大小。其值可按下式计算：
式中：θb为螺杆顶部的螺旋角；θs根部螺旋角； θa为平均螺旋角； t为螺纹的导程；L为固体输送 段的铀向长度； fb为塑料与料筒表面的摩擦系数；fs为塑料与螺杆 的摩擦系数； P1，P2分别为固体输送段进、出口处的压力。
(3)螺杆上的螺旋角θ和螺翅宽度(e)，螺旋角的大 小与物料的形状有关。物料的形状不同，对送料段的 螺旋角要求也不一样。 (4)螺杆头部的形状 ，螺杆头部一般呈钝尖的锥 形，借以避免物料在螺杆头部停滞过久而引起分解。 5．机头和口模 机头是口模与料筒之间的过渡部 分，其长度和形状随所用塑料的种类、制品的形状、 加热方法及挤出机的大小和型式而定。 口模是制品横截面的成型部件，它是用螺栓或其它方 法固定在机头上的。如果口模和机头是一个整体，一 般就统称为机头。
4．螺杆 螺杆是挤出机的关键性部件。通 过它的转动，料简内的塑料才能发生移动， 得到增压和部分的热量(摩擦热)。螺杆的几 何参数，诸如直径、长径比、各段长度比例 以及螺槽深度等，对螺杆的工作特性均有重 大的影响 。 一般螺杆的结构如图5—2所示。
(1)螺杆的直径(D)和长径比(L／D) 螺杆直径是螺扦基本参数之一。使用时，它 是根据所制制品的形状大小及需要的生产率 来决定的。 表征螺杆特性的另一重要参数是螺杆的有效 长度(L)与其直径之比，即长径比(L／D)。 (2)螺杆各段的作用 按塑料在螺杆上运转的情况可分为送料、熔 化和计量三个区域 。
5.2.2 双螺杆挤出机 １、基本形式：两个相连孔道组成“∞”型截面的料
筒内有两根相互啮合或者相切的螺杆组成的挤出装 置。 ２、结构：传动、加料、料筒、螺杆等。
３、重要特征： 啮合与非啮合 同向转动与反向转动 平行螺杆与锥形螺杆 压缩比的实现形式： ①变动螺纹的高度或导程 ②螺纹的根径由小变大或者外经由大变小 ③螺纹头数由单头变成双头或三头。 螺杆是整体或者组合
综合式5—6和5—8当知单位界面上进、出热 量之差，也就是熔化物料耗去的热量为：
式中λ是塑料的熔化热。再考虑物料平衡，由界面处 进入熔体膜内的固体量应等于流出的熔体量。则得
式中ω定义为单位螺槽长的熔化速率。解出 式(5—9)的Vxy，代入式(5一l0)中，则 熔体膜的厚度6和熔化速率。可用固体床的宽 度x表示：
① 送料段 自塑料入口向前延伸一段的距 离(视挤出机的情况不同可有2～10D的变化) 为送料段 ② 熔化段(压缩段) 螺杆中部的一段为熔 化段。 ③ 计量段(均化段) 螺杆的最后一段为 计量段。 很明显，为了取得最好的效果，挤压不同塑 料，三段长短与结构都应结合塑料的特性和 所挤制品的类型来考虑。
5.3.2 固体熔化 塑料在挤出机中受外热和内热的作用而 升温，因此原为固体的塑料就逐渐熔化顶最 后完全转变成熔体。 1． 冷却实验和熔化机理 冷却实验是为了弄清塑料在挤出机中的熔化 过程。 塑料的熔化是这样进行的：由输送段送入的 料，在进入熔化区后即在前进过程中同已加 热的料筒表面接触，熔化即从接触部分开始
机头和口模结构的好坏，对制品的产量和质量 影响很大。其尺寸都根据实践经验或流变学知 识来确定。从工艺角度考虑 ： (1)口模定型部分是决定制品横截面的重要部 件 (2)过渡部分的流道应尽量平滑，使其呈流线 型，以免物料在流道中停滞而发生分解． (3)机头和口模应有足够的刚度，以免在工作 压力下使流道变形。
(3)固体床的分布 固体床的宽度X是顺着螺槽 向下的长度Z的函数。其间的关系可用螺槽方 向上固体床中微分体积内的物料平衡来得到， 其结果可用下式表示：
第五章
挤出成型
5．1 概 述 挤出成型：也称挤出模塑或挤出成型， 应用：热塑性塑料，由挤出制成的产品都是 连续的型材，如管、棒、丝、板、薄膜、电线 电缆的涂理和涂层制品等． 热固性塑料：仅限于少数几种塑料，且挤出 制品的种类也有限。
挤出过程：分为两个阶段： 第一个阶段是使固态塑料塑化(即变成 粘性流体)并在加压情况下使其通过特殊形 状的口模而成为截面与口模形状相仿的连 续体； 第二阶段则是用适当的处理方法使挤 出的连续体失去塑性状态而变为固体，即 得所需制品
5.2.4 挤出机的辅助设备 辅助设备三类： 1．挤压前处理物料的设备 2．处理挤出物的设备 3．控制生产条件的设备 三类设备不仅随制品的种类、对制品质量 的要求以及自动化程度等的不同面有差别， 而且每一种设备的类型也有不同的形式。
5.2.5
挤出机的一般操作方法
1、准备工作 2、加热(提前２小时) 3、上紧机头 （温度生高后紧固） 4、开车启动 ，严格低速启动 5、停车， 将挤出机内的塑料尽可能挤完，以便下次操 作。挤压时应注意的安全项目有：电、热、机械 的转动和笨重部件的装卸等。 拆除时应先拆出螺杆，后拆料筒，而安装时 则应先装料筒，后装螺杆。
5．2 挤出设备
挤出成套设备：挤出机（主机） 机头和口模、定型 辅助机等部分组成。
5.2.1单螺杆挤出机 基本结构： •转动装置 •加料装置 •料筒 •螺杆 •机头和口模 公称尺寸: • 螺杆直径(mm)
1．传动装置 包括：电动机、减速机构和轴承 等所组成。 要求：无级调速，良好的润滑系统，迅速 制动的装置。常用体系： ①整流子电动机或直流电动机，它既是驱动装 置，又是变速装置； ②常速电动机驱动的机械摩擦传动，如用皮带 传动或齿轮传动的无级变速装置； ③用电动机驱动油泵，将油送至液压马达，改 变泵的排油量从而改变挤出机螺杆转速。
如图5—6所示熔体膜形成后的固体熔化是在熔体膜 和固体床的界面处发生的，所需的热量一部分来源 于料筒的加热器；另一部分则来自螺杆和料筒对熔 体膜的剪切作用。
2．数学模型 研究熔化理论的主要目的是为 了预测螺槽中任何一点末熔化物料的量，熔 化全部物料所需螺杆的长度，以及这两个变 量对物料物性、螺杆的几何形状和操作条件 的依赖关系。为了简明地说明这个问题，现 以牛顿液体的模型为例进行分析。 (1)模型假设 (2)固体的熔化速率 ，从上面的分析已知物 料在螺槽内的熔化是发生在熔体—固体界面 上的。如果以界面为难，则其进出热量之差 即为物料熔化耗去的热量。
4、双螺杆挤出机的类型 （1）Colombo型双螺杆挤出机 早期开发的机型，三段螺杆：进料、压缩排气、均化。 螺距每段不等，大、中、小。各段螺距相等 现在根据硬聚氯乙烯的需要进行各种改进。
(2) 锥型双螺杆 向外反向旋转，各段的外径和根径由大到小，通 过各部分的长度、头数、槽数、螺棱宽度变化 实现压缩、排气、混合、塑炼。 推力轴承安装空间大、扭距大。制造难度大
螺旋角的选用： 简化：略去输送端压力降的影响，在fs＝ fb情况下， 正切函数：tgφtgθb／(tgφ十tgθb)对 螺旋角θ作图，
因为Qs与正切函数成正比，所以正切函 数最大时，输送量也最大。从图中可见 Θ＝17~20度时，可以得到最大输送量。
获得最大的固体输送速率，可从挤出机结构和 挤出工艺两个方面采取措施 。 1、从挤出机结构角度来考虑，增加螺槽深度 是有利的，但会受到螺杆扭矩的限制 2、降低塑料与螺扦的摩擦系数(f)也是有利的， 增大塑料与料筒的摩擦系数，也可以提高固体 输送速率
(3)、组合型双螺杆 不同螺杆元件：输送、混合、剪切、压缩、捏合 装配：导键、三角形芯轴 实现功能：塑化、均化、加压、排气 特点：实现强剪切力
(4) 非啮合型双螺杆 两根平行单螺杆，反向旋转，相切。
双螺杆挤出机的通常类型和用途（表）
5.2.3 机头和口模
口模：挤出机末端的有孔部件，使得挤出物形 成规定的横截面形状。 多孔板（筛板）：旋转变直线，增压，支撑滤 网，滤去杂质。 口模组成：分配腔，引流道，口模成型段
扁平口模 制品：平膜小于0.25mm片材（大于0.25mm） 流道结构：圆形 狭缝型，三种形式
环型口模 制品：管子、管状薄膜、吹塑型坯、电线（缆） 流道结构：支架、直角、螺旋芯模、储料缸
异型口模 异型制品：从任一口模挤出而得到的具有不规则 截面的半成品，开放式、中空式。 设计特点：流变指导、经验设计、反复修模