4 塑料挤出机

∂vx ∂vx ∂vx ∂P ∂τ xx ∂τ yx ∂τ zx ρ vx + vy + vz − + + =− ∂x ∂y ∂z ∂x ∂x ∂y ∂z
可压缩： 可压缩：发泡 发表《 发表《Nature》 》 创新来源于 敢于挑战权威
ρ vx


∂v y ∂x
24
（2）稳定流动与不稳定流动 ）
稳定流动：一切影响流体流动的因素都不随时间而改变。 稳定流动：一切影响流体流动的因素都不随时间而改变。
例如：挤出成型： 例如：挤出成型：
速率、温度、 速率、温度、压力
不稳定流动：影响流体流动的各种因素，随时间而改变。 不稳定流动：影响流体流动的各种因素，随时间而改变。
1872年 开始塑料成型工业 年 20世纪 年代：生产技术和方法的改进和扩展 世纪20年代 世纪 年代： 20世纪 年代开始：性能优良的制品 世纪50年代开始 世纪 年代开始： 目前： 目前：专门而较大的部门
19
塑料分类
热塑性塑料： 热塑性塑料：可反复受热软化或熔化 按受热行为分 热固性塑料：固化成型后、受热不熔化， 热固性塑料：固化成型后、受热不熔化， 强热分解
8
卷装软管
9
塑料管材机组
上海
10
SJ-3三色饮料吸管机
11
二、挤出机的分类与型号表示 按螺杆数目分：单螺杆、 双螺杆、多螺杆。
12
ห้องสมุดไป่ตู้
13
据是否有螺杆存在分为： 螺杆式挤出机和柱塞式挤出机。
据螺杆的运转速度分 普通型：100r/min以 下 高速：100—300r/min 超高速：300—1500
η 式中， 为剪切粘度(Pa·s) 式中， 为剪切粘度 符合上式的流体称为牛顿流体， 符合上式的流体称为牛顿流体，比例系数 称η 为牛顿粘度，它是流体本身固有的性质， 为牛顿粘度，它是流体本身固有的性质，其数值表 征了流体抵抗外力引起流动形变的能力。 征了流体抵抗外力引起流动形变的能力。
27
层流流速分布模型
例如： 例如：注射成型
25
（3）等温流动和非等温流动 ） 工艺温度、 工艺温度、黏性流动生热
（4）一维流动、二维流动和三维流动 ）一维流动、
26
2.3塑料的流变性 塑料的流变性
牛顿流动规律：温度一定时， 牛顿流动规律：温度一定时，低分子液体流 动时的切应力与切应变速率成正比，即： 动时的切应力与切应变速率成正比，
17
第二节 挤出理论简介
2.1塑料概述 塑料概述
2.2 流动的基本类型
2.3 非牛顿流动
2.4 挤出流动基本理论
18
2.1 塑料概述
塑料：以合成或天然高分子化合物为基本成分，在热及 塑料：以合成或天然高分子化合物为基本成分， 压力作用下塑化成型， 压力作用下塑化成型，制成一定形状且能满足不同领域 用途的一类有机材料。以合成高分子塑料为主,天然高 用途的一类有机材料。以合成高分子塑料为主 天然高 分子塑料很少。 分子塑料很少。
成型、挤出成型、压缩成型、 成型方法：注射（ 成型方法：注射（塑）成型、挤出成型、压缩成型、 压铸成型、吹塑成型等。 压铸成型、吹塑成型等。
22
随温度升高，聚合物将呈现玻璃态、高弹态、 随温度升高，聚合物将呈现玻璃态、高弹态、粘流态三 种状态。 种状态。
聚合物的物理状态与温度的关系 1－线性非结晶聚合物； －线性非结晶聚合物； 2－线形聚合物； －线形聚合物； 3－金属。 －金属。
按使用特点分
通用塑料：产量大、用途广、价格低、 通用塑料：产量大、用途广、价格低、日用品 和一般工农业品：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、 和一般工农业品：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、 聚苯乙烯、酚醛 聚苯乙烯、 工程塑料：具有很强耐热性、机械强度、 工程塑料：具有很强耐热性、机械强度、和耐磨 损性的塑料。产量小，性能高，用于制造轴承、 损性的塑料。产量小，性能高，用于制造轴承、 齿轮、替代金属和陶瓷等：聚酰胺、聚碳酸酯、 齿轮、替代金属和陶瓷等：聚酰胺、聚碳酸酯、 聚甲醛、 聚甲醛、ABS、聚四氟乙烯、聚砜、聚酰亚胺、 、聚四氟乙烯、聚砜、聚酰亚胺、 高密度聚乙烯、聚苯醚、聚苯硫醚、 高密度聚乙烯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚醚醚酮
2
（一） 挤出生产过程
观看挤出成型录像
模头（机头） 模头（机头） 定型模
挤出生产过程简图
3
模具所挤出实验平台
4
供料区
过渡区
压缩区
成型区
模头结构简图
5
真空
真空
型材
冷却水
真空
真空
定型模结构简图
6
观看 塑料异型材挤出模具照片 塑料微管挤出模具照片
7
（二）挤出机组成
• 1.主机:挤出系统、传动系统 加热冷却系统 • 2. 辅机：机头 、冷却装置、牵引装置、切 割装置、卷取装置 • 3. 控制系统：转速、功率、协调运行、检 测、温度、压力、流量。
14
按挤出机的装配结构分:整体式、分开式。
整体式：结构紧凑、机加工件少、占地小、普遍。
15
按螺杆所处位置分：卧式、立式。
按加工过程中是否排气:排气式、 非排气式
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四、单螺杆挤出机的技术参数 螺杆直径 螺杆长径比 螺杆转速范围 驱动电动机功率 料筒加热段数 料筒加热功率 挤出机生产率 机器的中心高 机器的外形尺寸 SJ—120
∂ ∂ ∂ ( ρ vx ) + ( ρ v y ) + ( ρ vz ) = 0 ∂x ∂y ∂z
31
2.4.2运动方程（ Navier—Stokes方程）
动量守恒原理在流体运动中的表现形式。 对于聚合物来说，重力和惯性力比作用在流体上的 其他力小得多，可以忽略，并且熔体不可压缩 熔体不可压缩，则 熔体不可压缩 运动方程可以表示如下：
ρ Cv vx

∂v ∂v ∂v ∂v − τ xy x + y + τ xz x + z ∂z ∂x ∂y ∂x
∂v ∂v + τ yz y + z ∂z ∂y
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2.4.4流变方程
定量描述聚合物熔体流动行为的本构方程 本构方程 在聚合物加工成型中，常用的有以下几种模型： 在聚合物加工成型中，常用的有以下几种模型： （1）Power-Law模型 （2）Prandtl-Eyring模型 （3）Carreau模型 （4）Vinogrador-Malkin模型 （5）Herschel-Bulkley模型
21
塑料的成型加工
线型分子链——热塑性塑料 热塑性塑料 线型分子链 树脂(粒状、粉状、或液态低聚物） 树脂 粒状、粉状、或液态低聚物） 粒状 体型分子链——热固性塑料 热固性塑料 体型分子链 原料 添加剂 润滑剂、着色剂、增塑剂、填料 润滑剂、着色剂、增塑剂、 其它特种添加剂 稳定剂：热稳定剂、光稳定剂、 稳定剂：热稳定剂、光稳定剂、抗氧剂
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2.4.3能量方程 根据能量守恒定律，系统能量的变化率等于进 入该系统的内能、功、热之和，可表示为：
通常假设挤出流动过程为常温流动，没有热量交换。 通常假设挤出流动过程为常温流动，没有热量交换。
∂T ∂T ∂T + vy + vz ∂y ∂z ∂x ∂v ∂q ∂q ∂q ∂v ∂P ∂vx ∂v y ∂vz ∂vx = − x + y + z −T + + − τ xx + τ yy y + τ zz z ∂x ∂y ∂z ∂x ∂y ∂z ∂T ρ ∂x ∂y ∂z
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第三节挤出机的结构与参数选择
第二节
挤出机的结构
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一、螺杆 （一）螺杆的分段 塑料存在：玻璃态、高弹态、粘流态。对应三段式螺杆 1、加料段 有加料区和固体输送区所组成 旋转、摩擦，输送压实。主要参数：螺旋升角、螺槽深度及加料 段长度
36
2、熔融段 压实熔融物料，空气压到加料口 螺槽变浅、过滤网、分流板、机头阻力，高压。外热、混合、 剪切、升温。 主参数：压缩比，熔融断长度。 3、均化段 作用：将已熔物料定量、定压、定温的压到机头中去。 参数：螺槽深度、长度。 （二）普通螺杆的结构 全螺纹。分为三种： （1）等距渐变螺杆 开始到最后螺槽逐渐变浅 （2）等距突变螺杆
28
塑料成形中， 塑料成形中，大多数塑料熔体都 是非牛顿流体， 是非牛顿流体，它们中大部分近似服 从指数流动规律： 从指数流动规律：
式中， －稠度系数； 式中，K－稠度系数； n－非牛顿系数。 －非牛顿系数。
29
不同类型流体的流动曲线
不同类型流体的流变曲线
30
2.4 挤出流动基本理论 2.4.1连续性方程 连续性方程（Continuity Equation）是质量 守恒原理在流体运动中的表现形式。 在挤出成型过程中，熔体在模头内的流动为 稳态流动，密度与时间无关，连续性方程可用下 式表示：
37
2、等深变距螺杆
强度好、可增转速
少
3、变深变距螺杆
机加工难
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39
40
(三)螺杆头部结构
常用
流动型好料
流动性差料 挤粘度大、导热 不良或有明显熔 点料
防物料滞留 挤电缆
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（四）螺杆材料 耐高温、耐磨损、耐腐蚀、高强度，切削性能好，热处理性能 好。 45，40Cr、氮化钢、38CrMoAl等。 高强度耐磨耐腐蚀合金钢：34CrAlNi、31CrMo12等。 表面喷涂强化。 （五）新型螺杆 熔融效率低、挤出量不高、塑化混炼不均、压力波动、温度波 动、产量波动大。不适应特殊料。 1、分离型螺杆 压缩段增设副螺纹 熔融料、未熔料早 分离 2、屏障螺杆 设置屏障段 3、销钉螺杆 设销钉 4、组合螺杆 有带加料段的螺杆本体和螺杆元件组成。
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2.2 流动的基本类型
绝大多数的塑料成型都是在熔融状态下进行的， 绝大多数的塑料成型都是在熔融状态下进行的，认识熔体 成型过程的流动类型是模具设计的前提和基础。 成型过程的流动类型是模具设计的前提和基础。
（1）层流和湍流 ）
高聚物熔体在成型条件下雷诺数Re很少大于 ，一般呈现 高聚物熔体在成型条件下雷诺数 很少大于1， 很少大于 层流状态。 层流状态。 因为高聚物熔体黏度高。但是在一些特殊场合， 因为高聚物熔体黏度高。但是在一些特殊场合，如小浇口 的型腔注入大型腔，会出现弹性引起的湍流。 的型腔注入大型腔，会出现弹性引起的湍流。
20
塑料制品分类
按几何形状： 按几何形状：管、膜、片、板 按用途： 按用途：绳、带、袋、人革、日用制品、泡沫塑、电缆、建 人革、日用制品、泡沫塑、电缆、 材……
塑料品质指标： 塑料品质指标：
（1）物理性能指标：密度、吸水性、光学性能、热性能、电性能、 ）物理性能指标：密度、吸水性、光学性能、热性能、电性能、 防磁性、 防磁性、消音性等 （2）机械性能指标：抗张强度、抗弯强度、冲击强度、疲劳强度、 ）机械性能指标：抗张强度、抗弯强度、冲击强度、疲劳强度、 剪切伸长、伸长率、弹性模量、耐磨性、 剪切伸长、伸长率、弹性模量、耐磨性、硬度等 （3）稳定性能指标：耐老化性、耐化学品性、耐热性、耐燃性、 ）稳定性能指标：耐老化性、耐化学品性、耐热性、耐燃性、 耐生物作用性能等
第四章 塑料挤出机
第一节 挤出生产原理及挤出机组成
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聚合物挤出成型和注射成型是高分子材料产 品制造领域的两大加工技术， 品制造领域的两大加工技术，其中挤出成型能够 模塑成型所有的热塑性塑料和某些热固性塑料， 模塑成型所有的热塑性塑料和某些热固性塑料， 主要应用于管材 线材、板材、棒材、 管材、 主要应用于管材、线材、板材、棒材、片材和异 制品的成型。 型材制品的成型 型材制品的成型。 由于挤出成型具有效率高、投资少、制造方 由于挤出成型具有效率高、投资少、 便、连续性生产和环境清洁等优点而成为塑料制 品主要的成型方法之一， 品主要的成型方法之一，成型的塑料制品已广泛 应用于医疗、通讯、农业、建筑、石油化工、 应用于医疗、通讯、农业、建筑、石油化工、轻 工等国民经济的各个行业。据统计， 工等国民经济的各个行业。据统计，挤出制品的 产量已占整个塑料制品总产量的40%以上。 以上。 产量已占整个塑料制品总产量的 以上
+ vy
∂v y ∂y
+ vz
∂v y ∂P ∂τ xy ∂τ yy ∂τ zy =− − + + ∂z ∂y ∂x ∂y ∂z
ρ vx


∂vz ∂v ∂v ∂P ∂τ xz ∂τ yz ∂τ zz + v y z + vz z = − − + + ∂x ∂y ∂z ∂z ∂x ∂y ∂z