挤出机原理

②、三段式螺杆
塑料在挤出机中存在三种物理状态——玻璃态、高弹态和粘流态的变化过程，每一状态对螺杆结构要求不同。
c.为适应不同状态的要求，通常将挤出机的螺杆分成三段：
加料段L1(又称固体输送段)
熔融段L2(称压缩段)
均化段L3(称计量段)
这就是通常所说的三段式螺杆。塑料在这三段中的挤出过程是不同的。
① 衬套式料筒：料筒内配上可更换的合金钢衬套。节省贵重金属，衬套可更换，提高了料筒的使用寿命。但其设计、制造和装配都较复杂。
② 浇铸式料筒：在料筒内壁上离心浇铸一层大约2mm厚的合金，然后用研磨法得到所需要的料筒内径尺寸。合金层与料筒的基体结合得很好，且沿料筒轴向长度上的结合较均匀，既没有剥落的倾向，又不会开裂，还有极好的滑动性能，耐磨性高，使用寿命长。
螺旋角Φ是螺纹与螺杆横断面的夹角，随Φ增大，挤出机的生产能力提高，
但对塑料产生的剪切作用和挤压力减小，通常螺旋角介于10°到30°之间，沿螺杆长度的变化方向而改变，常采用等距螺杆，取螺距等于直径，Φ的值约为17°41′
最常见的螺杆直径D大约为45~150毫米。螺杆直径增大，挤出机的加工能力也相应提高，挤出机的生产率与螺杆直径D的平方呈正比。螺杆工作部分有效长度与直径之比（简称长径比，表示为L/D）通常为18~25。L/D大，能改善物料温度分布，有利于塑料的混合和塑化，并能减少漏流和逆流。提高挤出机的生产能力，L/D大的螺杆适应性较强，能用于多种塑料的挤出；但L/D过大时，会使塑科受热时间增长而降解，同时因螺杆自重增加，自由端挠曲下垂，容易引起料简与螺杆间擦伤，并使制造加工困难；增大了挤出机的功率消耗。过短的螺杆，容易引起混炼的塑化不良。
在挤出机中，一般情况下，最基本和最通用的是单螺杆挤出机主要包括：传动、加料装置、料筒、螺杆、机头和口模等五个部分。
传动部分
传动部分通常由电动机，减速箱和轴承等组成。在挤出的过程中，螺杆转速必须稳定，不能随着螺杆负荷的变化而变化，这样才能保持所得制品的质量均匀一致。但是在不同的场合下又要要求螺杆可以变速，以达到一台设备可以挤出不同塑料或不同制品的要求。因此，本部分一般采用交流整流子电动机、直流电动机等装置，以达到无级变速，一般螺杆转速为10~100转/分。
a.三态中聚合物熔体不同的特征：
玻璃态——塑料呈现为刚硬固体；热运动能小，分子间力大，形变主要由键角变形所贡献；除去外力后形变瞬时恢复，属于普弹形变。
高弹态——塑料呈现为类橡胶物质；形变由链段取向引起大分子构象舒展作出的贡献，形变值大；除去外力后形变可恢复但有时间依赖性，属于高弹形变。
粘流态——塑料呈现为高粘性熔体；热能进一步激化了链状分子的相对滑移运动；形变不可逆，属于塑性形变
1.料斗
料斗一般做成对称形式。在料斗的侧面开有视窗，以观察料位及上料情况，料斗的底部有开合门，以停止和调节加料量。料斗上方加盖子，防止灰尘、湿气及杂质落入。在选择料斗材料时，最好用轻便、耐腐蚀和易加工材料，一般多用铝板和不锈钢板。料斗的容积要视挤出机的规格大小和上料方式而定。一般为挤出机1～1.5h的挤出量。
优点——加工简单，便于改变长径比，多用于需要改变螺杆长径比的情况。
缺点——对加工精度要求很高，由于分段多，难以保证各段的同轴度，法兰连接处破坏了料筒加热的均匀性，增加了热量损失，加热冷却系统的设置和维修也较困难
（3）双金属料筒
加工方法——在一般碳素钢或铸钢的基体内部镶或铸一层合金钢材料。它既能满足料筒对材质的要求，又能节省贵重金属材料。
传动系统的作用是驱动螺杆，供给螺杆在挤出过程中所需要的力矩和转速，通常由电动机、减速器和轴承等组成。而在结构基本相同的前提下，减速机的制造成本大致与其外形尺寸及重量成正比。因为减速机的外形和重量大，意味着制造时消耗的材料多，另所使用的轴承也比较大，使制造成本增加。
同样螺杆直径的挤出机，高速高效的挤出机比常规的挤出机所消耗的能量多，电机功率加大一倍，减速机的机座号相应加大是必须的。但高的螺杆速度，意味着低的减速比。同样大小的减速机，低减速比的与大减速比的相比，齿轮模数增大，减速机承受负荷的能力也增大。因此减速机的体积重量的增大，不是与电机功率的增大成线性比例的。如果用挤出量做分母，除以减速机重量，高速高效的挤出机得数小，普通挤出机得数大。以单位产量计，高速高效挤出机的电机功率小及减速机重量小，意味着高速高效挤出机的单位产量机器制造成本比普通挤出机低。
b.塑料加工与塑料三态：
塑料玻璃态时可切削加工。高弹态时可拉伸加工，如拉丝纺织、挤管、吹塑和热成型等。粘流态时可涂复、滚塑和注塑等加工。
当温度高于粘流态时，塑料就会产生热分解，当温度低于玻璃态时塑料就会产生脆化。当塑料温度高于粘流态或低于玻璃态趋向时，均使热塑性塑料趋向严重的恶化和破坏，所以在加工或使用塑料制品时要避开这二种温度区域。
原理——物料依靠自身的重量进入料筒，包括人工上料、弹簧上料、鼓风上料。
特点——结构简单，成本低。但容易造成进料不均匀，从而影响制件的质量。它只适用于小规格的挤出机。
② 强制加料：
原理——在料斗中装上能对物料施加外压力的装置，强制物料进入挤出机料筒中。
特点——能克服“架桥”现象，使加料均匀。加料螺旋由挤出机螺杆通过传动链驱动，使其转速与螺杆转速相适应。能在加料口堵塞时启动过载保护装置，从而避免了加料装置的损坏。
料筒内径与螺杆直径差的一半称间隙δ，它能影响挤出机的生产能力，随δ的增大，生产率降低．通常控制δ在0.1一0.6毫米左右为宜。 δ 小，物料受到的剪切作用较大，有利于塑化，但δ过小，强烈的剪切作用容易引起物料出现热机械降解，同时易使螺杆被抱住或与料筒壁摩擦，而且， δ太小时，物料的漏琉和逆流几乎没有，在一定程度上影响熔体的混合。
（4）IKV料筒
1）料筒加料段内壁开设纵向沟槽
为了提高固体输送率，由固体输送理论知，一种方法就是增加料筒表面的摩擦系数，还有一种方法就是增加加料口处的物料通过垂直于螺杆轴线
的横截面的面积。在料筒加料段内壁开设纵向沟槽和将加料段靠近加料口处的一段料筒内壁做成锥形就是这两种方法的具体化。
物料沿螺杆前移时，经历着温度、压力、粘度等的变化，这种变化在螺杆全长范围内是不相同的，根据物料的变化特征可将螺杆分为加(送)料段、压缩段和均化段。
①、塑料及塑料三态
塑料有热固性和热塑性二大类，热固性塑料成型固化后，不能再加热熔融成型。而热塑性塑料成型后的制品可再加热熔融成型其它制品。
热塑性塑料随着温度的改变，产生玻璃态、高弹态和粘流态三态变化，随温度重复变动，三态产生重复变化。
加料段的作用是将料斗供给的料送往压缩段，塑料在移动过程中一般保持固体状态，由于受热而部分熔化。加料段的长度随塑料种类不同，可从料斗不远处起至螺杯总长75%止。
大体说，挤出
结晶聚合物最长，硬性无定形聚合物次之，软性无定形聚合物最短。由于加料段不一定要产生压缩作用，故其螺槽容积可以保持不变，螺旋角的大小对本段送科能力影响较大，实际影响着挤出机的生产率。通常粉状物料的螺旋角为30度左右，时生产率最高，方块状物料螺旋角宜选择15度左右，因球形物料宜选选择17度左右。
2）强制冷却加料段料筒
为了提高固体输送量，还有一种方法。就是冷却加料段料筒，目的是使被输送的物料的温度保持在软化点或熔点以下，避免熔膜出现，以保持物料的固体摩擦性质。
采用上述方法后，输送效率由0.3提高到0.6，而且挤出量对机头压力变化的敏感性较小。
螺杆
螺杆是挤出机的心脏，是挤出机的关键部件，螺杆的性能好坏，决定了一台挤出机的生产率、塑化质量、填加物的分散性、熔体温度、动力消耗等。是挤出机最重要的部件，它可以直接影响到挤出机的应用范围和生产效率。通过螺杆的转动对塑料产生极压的作用，塑料在料筒中才可以发生移动、增压以及从摩擦中获取部分热量，塑料在料筒的中的移动过程中获得混合和塑化，黏流态的熔体在被挤压而流经口模时，获得所需的形状而成型。与料筒一样，螺杆也是用高强度、耐热和耐腐蚀的合金制备而成。
熔融段螺杆的主要参数：
加料段螺杆的主要参数：
螺旋升角ψ一般取17°～20°。
螺槽深度H1，是在确定均化段螺槽深度后，再由螺杆的几何压缩比ε来计算。
加料段长度L1由经验公式确定：
对非结晶型高聚物L1=(10%～20%)L
对于结晶型高聚物L1=(60%～65%)L
压缩段(迁移段)的作用是压实物料，使物料由固体转化为熔融体，并排除物料中的空气；为适应将物料中气体推回至加料段、压实物料和物料熔化时体积减小的特点，本段螺杆应对塑料产生较大的剪切作用和压缩。为此，通常是使螺槽容积逐渐缩减，缩减的程度由塑料的压缩率(制品的比重/塑料的表观比重)决定。压缩比除与塑料的压缩率有关外还与塑料的形态有关，粉料比重小，夹带的空气多，需较大的压缩比(可达4~5)，而粒料仅2.5~3。
1.料筒在结构上存在着三种形式：
（1）整体式料筒
加工方法——在整体材料上加工出来。
优点——容易保证较高的制造精度和装配精度，可以简化装配工作，料筒受热均匀，应用较多。
缺点——由于料筒长度大，加工要求较高，对加工设备的要求也很严格。料筒内表面磨损后难以修复。
（2）组合料简
加工方法——将料筒分几段加工，然后各段用法兰或其他形式连接起来。
压缩段的长度主要和塑料的熔点等性能有关。熔化温度范围宽的塑料，如聚氯乙烯150℃以上开始熔化，压缩段最长，可达螺杆全长100%(渐变型)，熔化温度范围窄的聚乙烯(低密度聚乙烯105~120℃，高密度聚乙烯125~135℃)等，压缩段为螺杆全长的45~50%；熔化温度范围很窄的大多数聚合物如聚酰胺等，压缩段甚至只有一个螺距的长度。
加料装置
供料一般大多采用粒料，但也可以采用带状料或者粉料。装料设备通常都使用锥形加料斗，其容积要求至少能提供一个小时的用量。料斗底部有截断装置，以便调整和切断料流，在料斗的侧面装有视孔和标定计量的装置。有些料斗还可能带有防止原料从空气中吸收水分的减压装置或者加热装置，或者有些料筒还自带搅拌器，能为其自动上料或加者内衬为合金钢的复合钢管制成。其基本特点为耐温耐压强度较高，坚固耐磨耐腐蚀。一般料筒的长度为其直径的15~30倍，其长度以使物料得到充分加热和塑化均匀为原则。料筒应该有其足够的厚度与刚度。内部应该光滑，但是有些料筒刻有各种沟槽，以增大与塑料的摩擦力。在料筒外部附有电阻、电感以及其他方式加热的电热器、温度自控装置及冷却系统。