第五章_挤出成型

第五章挤出成型

1、主要内容：概论、单螺杆挤出机的基本结构、挤出理论和几种制品的挤出工艺。

2、重点：挤出理论、粒料的制备

3、难点：挤出理论。

4、教学要求：

（1）掌握挤出理论，单螺杆挤出机的结构。

（2）掌握几种制品的挤出工艺。

挤出成型又称挤出模塑，是塑料重要的成型方法之一，绝大多数热塑性塑料均可用此法成型。

这种成型方法的特点是具有很高的生产率且能生产连续的型材，如管、棒、板、薄膜、丝、电线、电缆以及各种型材，还可用来混合、塑化、造粒和着色等。

挤出成型过程分两个阶段进行。

第一阶段将物料加热塑化，使呈粘流状态并在加压下通过一定形状的口模而成为截面与口模形状相仿的连续体；

第二阶段将这种连续体用适当的方法冷却、定型为所需产品。

物料的塑化和加压过程一般都是在挤出机内进行。挤出机按其加压方式可分为螺杆式和柱塞式两种。前者的特点是，借助螺杆旋转时螺纹所产生的推动力将物料推向口模。这种挤出机中通过螺杆强烈的剪切作用，促进物料的塑化和均匀分散，同时使挤出过程连续进行，因此可以提高挤出制品的质量和产量，它适用于绝大多数热塑性塑料的挤出。柱塞式挤出机中，通过粒筒加热塑化的物料，由柱塞推向口模。这种挤出机能够产生较大的压力，一般来说，其操作是间歇进行，物料的塑化程度和均匀性不如螺杆式挤出机，因此应用范围受限制。它适用于聚四氟乙烯，超高相对分子质量聚乙烯等塑料的挤出。

本章以螺杆式挤出机的挤出工艺及有关辅助设备为重点加以介绍。

5.1 单螺杆挤出机的基本结构和辅机

一、单螺杆挤出机基本结构

单螺杆挤出机基本结构，主要由传动系统、加料系统、挤压系统、加热系统、冷却系统以及机头和口模等部分组成

1、传动系统

传动系统是挤出机的重要组成部分之一。它的作用是在给定的工艺条件(如机头压力、螺杆转数、挤出量、温度等)下使螺杆具有必要的扭矩和转数均匀地回转而完成挤出过程。传动系统由电动机、减速装置、变速器及轴承系统组成。

常用的挤出机电动机有交流整流子电动机和直流电动机。减速器一般为定轴轮系减速器、齿轮减速器和涡轮减速器。国产挤出机有采用摆线针轮减速器的。

三相整流子电动机和普通齿轮减速器和涡轮减速箱组成的传动系统，运转可靠、性能稳定，控制、维修方便。电动机得到合理的利用，启动性能也很好，其调速范围有1:3, 1:6；1:160但由于调速范围大于1:3后电动机体积显著增大，成本也相应提高，故国内大都采用1:3的整流子电动机。

直流电动机和一般齿轮减速箱组成的传动系统的调速范围较宽。改变电枢电压时得到的是恒扭矩调速；改变激磁电压得到的是恒功率调速，此时随着转数的增加功率保持不变，而扭矩相应减少。为充分利用直流电动机这一特性，可用其恒扭矩调速段来加上硬Pvc等硬料，用恒功率调速段来加工较软的物料，这样可以合理利用电动机。但当直流电动机的转速低于100 - 200r /min时，其工作性能是不稳定的，而且在低速时电动机冷却能力也相应下降。为此，可以另加鼓风机进行强力冷却。

用直流电动机和摆线针轮减速器或行星齿轮减速器组成的传动系统具有紧凑、轻便、效率高、声响小的特点。2、加料系统加料系统是由加料斗和上料装置所组成的。加料斗的形式有圆锥形、圆柱形-圆锥形、矩形等。料斗侧面开有视镜孔以观察料位，料斗的底部有开合门以停止和调节加料量。料斗的上方可以加盖以防止灰尘、湿气及其他杂物进入。料斗的材料一般采用铝板和不锈钢板。料斗的容量至少应容纳1-1. 5h的挤出量。加料口的形状有矩形与圆形两种，一般多采用矩形。上料有人工上料和自动上料两种。自动上料装置主要有鼓风上料、弹簧上料、真空吸料等。

（1）鼓风上料器

鼓风上料器是利用风力将料吹人输料管，再经过旋风分离器进人料斗。这种上料方法适于输送粒料而不适于粉料。

（2）弹簧上料器

弹簧上料器由电动机、弹簧夹头、进料口及软管组成。电动机带动弹簧高速旋转，这时在弹簧的任何一点都产生轴向力和离心力，在这些力的作用下，物料被提升，到达进料口时，由于离心力的作用而进入料斗。它适于输送粉料、粒料以及块状料。这种送料器结构简单、轻巧、效率高，可靠，故应用范围广。但其输送距离小，在送料时可能出现"打管"现象而产生较大的噪音，软管易磨损，弹簧选用不当易损坏等。

（3）真空吸料装置真空吸料装置有利于排除物料中的水分和气体。由于它是靠物料自重进料，不能避免进料不均匀现象，除非设置强制加料螺旋。

3、挤压系统（1）螺杆挤出机的挤压系统由螺杆和粒筒所组成。螺杆是关键性部件，通过它的转动，料筒内的物料才能发生移动，得到增压和部分的摩擦热量，混匀后定量定压地输送到机头而成型。根据塑料在挤出机中物料的三种状态变化过程及螺杆各部位的工作要求，通常将挤出机的螺杆分为加料段L1 (又称固体输送段)、熔融段L2(又称压缩段)和均化段L3(又称计量段)三段。这种螺杆称为常规全螺纹螺杆或三段式螺杆(见图5-2)。虽然目前已出现许多新型螺杆，其中有四段、五段等，根据挤出原理给予各段以新的职能。但是三段式螺杆则是最基本的。

（2）料筒

料筒作为挤压系统的组成部分，和螺杆共同完成对塑料的固体输送、熔融和定量定压输送作用。料筒的结构形式关系到热量传递的稳定性和均匀性，并影响固体输送率。

料筒结构分为整体式和组合式（又称分段式)。整体式料筒结构，易保证较高的制造和装配精度，简化装配工作，便于加热冷却系统的设置和拆装，而且热量沿轴向分布比较均匀，但是这种料筒的加工设备要求较高，当内表面磨损后难以复修。组合式料筒是由几段料筒组合而成，便于改变料筒长度，适应不同长径的螺杆。排气式挤出机多用这种料筒，便于设置排气段。组合式料筒的加工要求很高，

料筒各段多采用法兰螺栓联接，难以保持加热均匀性，增加热损失，对加热冷却系统的设置和维修不便。

由于塑料在塑化和挤压过程中温度可达250度，压力达到55MPa，料筒的材质必须具有较高的强度、坚韧和耐腐蚀。料筒通常是由钢制外壳和合金钢内衬共同组成。衬套磨损后可以拆除和更换。衬套和料筒要配合好，以保证整个料筒壁上热传导不受影响，料筒和衬套间不能相对运动，又要保证能方便地拆出。根据挤出过程的理论和实践证明，增加料筒内表面的摩擦系数可提高塑料的输送能力，因此，挤出机料筒的加料段内开设有纵向沟槽和靠近加料口的一段料筒内壁做成锥形。轴向沟槽的数量与料筒直径的大小有关。槽数太多，会导致物料回流使输送量下减。槽的形状有长方形的、三角形的或其他形状的。

这种开槽料筒与未开槽的料筒相比，具有输送率高、挤出量对机头压力变化的敏感性小等特点。但由于需要采用强力冷却而消耗很大能量，在料筒加料段末端可能产生极高的压力，有损坏带有沟槽的薄壁料筒的危险；螺杆磨损较大；挤出性能对原料的依赖性较大。因此在小型挤出机上采用此结构受到限制。

料筒加料口的形状及开设位置对加料性能有很大影响。加料口应保持物料自由、高效地加人料筒不易产生架桥，便于设置冷却系统和利于清理。

4、加热冷却系统

为使塑料在加工工艺所要求的温度内挤出，一般挤出机上都设有加热冷却系统装置及测量、控制温度的仪器仪表。

（1）挤出机的加热目前挤出机的加热方法有载热体加热、电阻加热和电感应加热等。由于挤出机的料筒较长，挤出工艺对料筒在轴线方向的温度有一定要求，根据螺杆直径和长径比的大小，将料筒分为若干区段进行加热。机头可视其类型和大小设定加热段。

（2）挤出机的冷却冷却装置是保证塑料在工艺要求的范围内稳定挤出的一个重要部分，它与加热系统又是密切联系而不可分割的。

随着挤出机向高速高效发展，螺杆转速不断提高，物料在料筒内所受的剪切和摩擦会加剧，因此对料筒和螺杆必须进行冷却。在料筒的加料段和料斗座部位设冷却装置是为加强这段固体物料的输送。

l)料筒的冷却料筒冷却方法有风冷和水冷两种。风冷的特点是冷却比较柔和、均匀、干净，但风机占有空间体积大，其冷却效果易受外界气温的影响。一般用十中小型挤出机较为合适。与风冷相比，水冷的冷却速度快、体积小、成本低。但易造成急冷，水一般都未经过软化处理，水管易出现结垢和锈蚀现象而降低冷却效果或被堵塞、损坏等。

2)螺杆冷却螺杆冷却的目的是利于物料的输送，同时防止塑料因过热而分解。通入螺杆中的冷却介质为水或空气。在最新型挤出机上，螺杆的冷却长度是可以调整的。根据各种塑料的不同加工要求，依靠调整伸进螺杆的冷却水管的插人长度来提高机器的适应性。

3)料斗座的冷却挤出机工作时，进料口温度过高，易形成"架桥"，进料不畅，严重时不能进料，因此，加料斗座应设置冷却装置并防止挤压部分的热量传到止推轴承和减速箱，保证挤出机的正常工作。冷却介质多采用水。

5、分流板、过滤网

在料筒和口模连接处设置分流板(又称多孔板)和过滤网，其作用是使物料流由旋转运动变为直线运动，阻止杂质和未塑化物料通过并增加料流背压，使制品更加