第四章 塑料挤出机

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新型螺杆
a.分离型螺杆 在压缩段增设了一条附加的副螺纹，将熔融物料和未 熔物料分离，从而促进未熔物料的熔化。
b.屏障型螺杆 在普通螺杆中设置屏障段，使未熔的固体不能通过。 这样，熔融的与未熔的分开，物料越过间隙时，受到剪 切作用，促进熔融。在大多数情况下，屏障段都设置在 靠近螺杆的头部
c.销钉螺杆
螺杆断面形状有两种： 矩形：装填面积大，机械加工容易，适合于加热段； 锯齿形：有利于塑料流动和塑化搅拌，能避免物料滞留， 适合于压缩段和均化段。
(5)螺杆材料
要求： 力学性能高，有足够的强度，以适应高温、高 压的工作条件； 机械加工性能好，有较好的切削加工和热处理 性能； 耐腐蚀，抗磨损； 取材容易。 常用的有：45钢；40Cr；合金结构钢；渗氮的 38CrMoAl等。
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料斗
料斗底部装有截断装置，以便调整和切断料流，料 斗的侧面装有视孔和标定计量装置 。
机头和模具
机头由合金钢内套和碳素钢外套构成，机头内装有 成型模具，机头的作用是将旋转运动的塑料熔体转变为 平行直线运动，均匀平稳的导入模套中，并赋予塑料以 必要的成型压力。
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塑料挤出机的分类
按螺杆数量分： 单螺杆、双（多）螺杆挤出机
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结论：1、挤出机的螺杆越粗、加料段的螺槽越深、工作时 转速越高，则螺杆的输送能力就越强； 2、固体的输送率同螺杆表面与物料的摩擦系数、料筒内表 面与物料的摩擦系数有关； 3、固体输送区的动力主要消耗在料筒上，且转变为摩擦热； 4、物料的性质，料粒的几何形状对固体输送率、压力的建 立以及料温的升高都有直接的影响； 5、要达到较高的输送效率，需要有很光滑的螺杆表面和轴 向摩擦力很小而切向摩擦很大的料筒内表面。
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熔体输送理论 熔体输送理论研究如何保证塑料在均化段完全塑化，并使 其定压、定量和定温的从机头挤出，以获得稳定的质量和 高质量的产品。 结论：1、为提高挤出机的生产效率，可采用提高螺杆转 速，加大螺杆直径，增大均化段长度和螺棱宽度，减小料 筒与螺杆间隙等方法； 2、熔体在料筒出口处所受的压力越大，熔体粘度越 小，则逆流和
一般确定在20～30范围内。 太大，机器本身长度增加，螺杆易产生变形； 太小，则塑料塑化不充分。
普通螺杆由于结构简单、制造容易等特点，在生产中 获得了广泛的应用。随着塑料工业的高速发展，对生产 提出了更高的要求。 普通螺杆存在一些问题，如固体输送效率低、熔融效率 低且不彻底，塑化混炼不均匀，压力、温度和产量波动 大等，不能充分满足生产的要求。为了克服上述缺点， 人们在 生产实践中开发出了各种新型螺杆。这些螺杆在 不同方面和不同程度上克服了普通螺杆所存在的缺点， 提高了挤出量，改善了塑化质量，减少了产量波动。 目前常用的新型螺杆有以下三类：分离型螺杆、屏障 型螺杆和分流型螺杆。
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熔融理论 熔融理论研究塑料从固态转变为熔融状态的规律，对螺杆熔融 段的设计有指导意义。
熔融理论有多种学术观点，其中塔莫尔(Tadmor)和克莱因(Klein) 提出的理论最具代表性。
结论：1、物料性能对熔融区长度的影响：比热容小、导热系 数大、密度高、熔融潜热和熔融温度低的物料熔融较快，所需 的熔融区长度较小。 2、工艺条件对熔融区长度的影响：挤出量的增加使熔 融的发生和结束均延迟，且末端温度波动幅度增大。 3、螺杆长度对熔融区长度的影响：在其它条件相同的 情况下，螺槽的渐变度起着加速熔融的作用。
在螺槽中设置一些销钉， 将固体物料打碎，破坏熔 池，打乱固、液相，并将 料流反复切割，改变料流 的方向和速度，使固体和 熔体充分混合，增大固体 碎片与熔体的接触传热面 积，促进物料的塑化均匀 和分散。
螺杆头部结构 在螺杆头部，物料的运动由螺旋流动变为 直线运动。要求物料平稳地进入机头，避免滞 料而产生过热分解现象。因此，应选择合理的 螺杆头部形状。
加料段主要参数
螺旋升角Φ：一般取17～20°。
加料段主要参数
螺槽深度h1 ：
h1越大，输送能力越大，但螺杆强度降低。 h1的大小，根据均化段螺槽深度和螺杆的几何压缩比
来计算。
加料段主要参数
加料段长度L1：由经验公式确定
对非结晶型塑料：L1＝（0.1~0.25）L； 对结晶型塑料：L1＝（0.6~0.65）L。
（1）主机
a.挤出系统：主要由螺杆和料筒组成，是挤出机
的关键部件。
b.传动系统：螺杆的驱动机构，由各种大小齿轮、 传动轴、电机组成。 c.加热冷却系统：对料筒和螺杆进行加热和冷却， 以保证成型过程在工艺要求的范围内进行。
（2）辅机
a.机头（口模）：制件的成型部件，熔融塑料通过它获得 形状和尺寸。 b.定型装置：使从机头中挤出的塑料，既定的形状得以稳 定。 c.冷却装置：冷却定型后的塑料，获得最终的形状和尺寸。 d.牵引装置：均匀地牵引制件，并对制件的截面尺寸进行 控制。 e.切割装置：将连续挤出的制件切成一定的长度和宽度。 f.卷起装置：将软制件（薄膜、软管、单丝）卷绕成卷。
（1）加热系统
常用的方式有液体加热、蒸汽加热、电 加热和远红外加热。 a.液态加热 先将液态（水、油、有机溶剂）加热， 再由液体加热料筒。温度控制用调节流量 或改变液体温度的方法来实现。其特点是 加热稳定。但加热系统复杂，应用不广泛。
b.电加热
电阻加热： 利用电流通过 电阻丝产生大 量的热量来加 热料筒和机头。 图示为铸铝加 热器，电阻丝 采用氧化镁粉 绝缘，外壳为 铸铝。
a、b（球体，球体-流线型锥体）应用最广泛； c、d（大圆锥，扇形体）顶端有死角，多用于挤出流动性好的塑料； e （锥体）多用于挤出流动性差的塑料； f、g：头部不对称，有助于防止物料滞留； h：光滑鱼雷头与料筒之间的间隙较小，混合剪切作用好，用于挤出 粘度大、导热性不良的塑料。 i：螺杆头部带有螺纹，使物料借助螺纹而运动，多用于挤电缆。
突变型螺杆的压缩段较短，对物料能产生较大的剪切作用，适 用于低粘度、具有突变熔点的结晶型塑料。对高粘度塑料容易引起 局部过热，不宜使用。
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a.加料段：输送固体物料给压缩段和均化段。
1、挤出机的螺杆越粗、 加料段的螺槽越深、工作 时转速越高，则螺杆的输 送能力就越强； 4、要达到较高的输 送效率，需要有很光 滑的螺杆表面和轴向 摩擦力很小而切向摩 擦很大的料筒内表面 （纵向沟槽和锥度）。
2.挤出机工作原理及组成
工作过程： 塑料从料斗进入挤出机，在螺杆的转动作用
下将其向前输送。塑料在向前移动的过程中，受到料筒
的加热、螺杆的剪切和压缩作用，发生熔化，并实现由 玻璃态向粘流态的变化。粘流态塑料通过具有一定形状 的口模，成为截面与口模形状相仿的连续体，然后冷却 定型为玻璃态，得到所需制件。
第四章 塑料挤出机
§4－1概述
1.挤出成型的特点
（1）应用范围广：大部分热塑性塑料和部分热固性塑料 均可用挤出法进行加工。可加工管材、板材、棒材、薄 膜、电缆、异型截面型材等。在塑料制件成型加工中， 挤出成型占一半以上。 （2）生产过程连续：可根据需要生产出任意长度的制件。 （3）生产效率高：挤出机年平均生产能力为注塑机的三 倍。
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§4－3 挤出机结构
1.螺杆 挤出机的生产率、塑化质量、填加物的分散性、 熔体温度、动力消耗等，主要决定于螺杆的性能。 （1）螺杆的分段 螺杆常分为三段：加料段；压缩段；均化段
普通螺杆是指从加料段至均化段为全螺纹的三段式结构的螺杆， 其主要任务是完成塑料塑化和输送。 普通全螺纹三段螺杆分为渐变型螺杆和突变型螺杆两类。 渐变型螺杆大多用于非结晶型塑料的加工，它对大多数塑料能 提供较好的热传导，对物料的剪切作用小，而且可以控制，适用于 热敏性塑料，也可用于结晶型塑料。
b.压缩段（熔融段）
压实、熔融物料。并使固体料粒间的空气压回家加料 口排出。
1、足够的压缩比（不同材料表4-3） 2、一定的长度（结晶型和非结晶型）
c.均化段
将在压缩段已熔融的物料定量、定压、定温地挤到机 头中去。
均化段参数
h3=(0.025~0.06)Db； L3=(0.2~0.25)L h3越大，输送能力越大，可能有未熔融的固态碎片挤 入机头；反之， h3越小，输入能力低，会降低产量； L3越长，均化时间越长，压力、温度、产量的波动小， 但压缩段和均化段在螺杆全长中占的比例过小，不利 于物料熔融，还可能热敏性塑料过热分解。
（2）加料装置
加料口应能保证物料 持续不断地进入料筒， 不产生“架桥”现象。 常用的加料口形式见 图，其中，以d、f为 最常见。
料筒与机头的联接 形式：
铰链联接：最常用的
形式，机头拆卸快速 方便； 螺钉联接 剖分联接 冕形螺母联接
§4-4挤出机其它部件
1.加热、冷却系统
为保证塑料始终能在其加工工艺所要求的范围 内熔融，挤出机上必须设置加热和冷却系统。 塑料在挤出的过程中获取热量有二个方式：一 是料筒外部加热器提供的热量；二是摩擦剪切 热。 加热段大部分热量来自外部加热器；均化段大 部分热量来自摩擦剪切热。因此，为控制各段 温度，必须分段加热和冷却。
塑 料 挤 出 机
按螺杆位置分： 立式和卧式挤出机
按螺杆转速分： 普通、高速和超高速挤出机
按是否排气分： 排气式和非排气式挤出机
按装配机构分： 整体式和分开式挤出机
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§4－2挤出理论简介
普通螺纹螺杆的三个职能区 固体输送区：物料由旋转的螺杆作用，通过料筒内壁和螺杆 表面的摩擦作用，向前输送并逐步被压实，但仍处于固体状 态。 熔融区：一方面由于螺纹深度减小使物料进一步被压缩，另 一方面在料筒外部加热和螺杆剪切、摩擦热的作用下，物料 开始熔融。至熔融区末，物料全部熔融。 均化区：进一步将熔体均匀塑化，并使其定量、定压、定温 的从机头挤出。
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固体输送理论 固体输送理论研究加料区的固体输送规律，对提高挤出机加 料段的固体输送效率和挤出机的生产能力有重要意义。 固体输送理论有多种学术观点，其中达涅尔(Darnell)和莫耳 (Mol)提出的以固体的摩擦静力平衡为基础的理论最具代表性。
假设：1、螺槽中被压实的物料像固体塞子一样移动，其密度 不变； 2、塞子与所有面相接触，且塞子与各个边的摩擦系数 是一个常数，但螺杆与料筒对塞子的摩擦系数不同； 3、摩擦系数与压力无关，仅为温度的函数； 4、螺槽为等深矩形的，并忽略料筒与螺棱的间隙； 5、料筒相对螺杆运动，螺杆相对静止不动。
2.料筒
仅次于螺杆的重要零部件，与螺杆配合共同完成物料 输送、熔融和定量定压挤出任务。料筒的结构形式，关 系到热量传递的稳定性和均匀性。 （1）料筒的结构 料筒的结构存在三种形式： 整体式； 组合式； 双金属式。
a.整体式料筒
料筒由一整块材料加工，容易保证较高的装配精度，简 化装配工作，且料筒受热均匀。缺点是料筒长度大，加 工要求高，且料筒内表面磨损后难以修复。
由于电阻加 热是通过料 筒传递至塑 料上的，料 筒厚度方向 上会形成一 个温度梯度， 传热时间长。
感应加热： 通过电磁感应，在料筒内形成电涡流， 而使料筒发热，以加热料筒中的塑料。 电流通过线圈时，会产生磁力线。改变 电流方向，磁力线方向变化，相当于料筒 切割磁力线，就会在料筒中产生感应电动 势，从而引起二次电压和感应电流，这种 电流也叫涡流。涡流将料筒当作电阻，通 过时产生热量。由于是在整个料筒厚度上 产生热量，故，梯度小，加热速度快。 原理示意见图。
（3）控制系统
控制机组的电机、液压系统和其它执行机构，
使其转速和功率满足工艺要求；
检测、控制主辅机的温度、压力、流量和制件
质量，实现整个机组的自动控制。
挤出机的主要零部件 螺杆 是挤塑机的最主要部件，它直接关系到挤塑机的应用 范围和生产率，由高强度耐腐蚀的合金钢制成 机筒（料筒）
是一金属圆筒，一般用耐热、耐压强度较高、坚固耐 磨、耐腐蚀的合金钢或内衬合金钢的复合钢管制成。机 筒与螺杆配合，实现对塑料的粉碎、软化、熔融、塑化、 排气和压实，并向成型系统连续均匀输送胶料。一般机 筒的长度为其直径的15～30倍，以使塑料得到充分加热和 充分塑化为原则。
b.组合式料筒
图5－21。料筒由几段连接而成，其长度可根据需要改变， 以适应不同长径比的螺杆，加工容易。但加热系统和冷 却系统的设置不方便。
c.双金属筒式
图5－22。料筒由内外层构成，外层为碳素钢或铸钢，而 内层为合金钢衬套，或浇铸一层合金，以提高料筒的耐 磨性，延长使用寿命，同时节省贵重金属材料。