挤出机原理

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。
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。
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料。
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。
2.上料
上料方式有人工上料和自动上料两种。自动上料主要有弹簧上料、鼓风上料、真空上料、运输带传送上料等形式。一般情况下，小型挤出机

用人工上料，大型挤出机用自动上料。
3
.加料方式分类
① 重力加料：
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
一般为一个金属料桶，为合金钢或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。
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。
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。
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。
（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。
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。
由于塑料的种类很多，它们的性质也各不相同。因此在实际操作中，为了适应不同的塑料加工需要，所需的螺杆种类不同，结构也有各有差别。以便能最大效率的对塑料产生最大化运输、挤压、混合和塑化作用。图为几种较常见的螺杆。
表示螺杆特征的基本参数包括以下几点：直径、长径比、压缩比、螺距、螺槽深度、螺旋角、螺杆和料筒的间隙等。
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。
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。
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′
压缩比越大，塑料收到的挤压比也就越大。螺槽浅时，能对塑料产生较高的剪切速率，有利于料筒壁和物料间的传热，物料混合和塑化效率越高，反而生产率会降低；反之，螺槽深时。情况刚好相反。因此，热敏性材料（如聚氯乙烯）宜用深螺槽螺杆；而熔体粘度低和热稳定性较高的塑料（如聚酰胺），宜用浅螺槽螺杆。
1．螺杆的分段
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
熔融段螺杆的主要参数：
压缩比ε：一般指几何压缩比，它是螺杆加料段第一个螺槽容积和均化段最后一个螺槽容积之比。
ε=(Ds-H1)H1/(Ds-H3)≈H1/H3
式中，H1——加料段第一个螺槽的深度
H3——均化段最后一个螺槽的深度
熔融段长度L2由经验公式确定：
对非结晶型高聚物L2=55%～65%L
对于结晶型高聚物L2=(1～4)Ds
均化段(计量段)的作用是将熔融物料，定容(定量)定压地送入机头使其在口模中成型。均化段的螺槽容积与加料段一样恒定不变。为避免物料因滞留在螺杆头端面死角处，引起分解，螺杆头部常设计成锥形或半圆形；有些螺汗的均化段是一表面完全平滑的杆体称为鱼雷头，但也有刻上凹槽或铣刻成花纹的。鱼雷头具有搅拌和节制物料、消除流动时脉动(脉冲)现象的作用，并随增大物料的压力，降低料层厚度，改善加热状况，且能进一步

提高螺杆塑化效率。本段可为螺杆全长20一25%。
均化段螺杆的重要参数：
螺槽深度H3由经验公式确定H3=(0.02～0.06)Ds
长度L3由下式确定L3=(20%～25%)L
d. 根据熔体输送理论，熔体在螺杆均化段的流动有四种
形式，熔融物料在螺槽中的流动是这四种流动的组合：
正流——塑料熔体在料筒和螺杆间沿着螺槽方向朝机头方向的流动。
逆流——流动方向与正流相反，由机头、多孔板、过滤板等阻力引起的压力梯度所造成。
横流——熔体沿着垂直于螺纹壁方向的流动，影响挤出过程中熔体的混合和热交换作用。
漏流——由于压力梯度在螺杆与料筒间隙处形成的倒流，沿螺杆轴向方向。
2.普通螺杆的结构
常规全螺纹三段螺杆按其螺纹升程和螺槽深度的变化，可分为三种形式：
（1）等距变深螺杆
等距变深螺杆从螺槽深度变化的快慢可分为两种形式：
① 等距渐变螺杆：从加料段开始至均化段的最后一个螺槽的深度是逐渐变浅的螺杆。在较长的熔融段上，螺槽深度是逐渐变浅的。
② 等距突变螺杆：即加料段和均化段的螺槽深度不变，在熔融段处的螺槽深度突然变浅的螺杆
（2）等深变距螺杆
等深变距螺杆是指螺槽深度不变，螺距从加料段第一个螺槽开始至均化段末端是从宽渐变窄的。
等深变距螺杆的特点是由于螺槽等深，在加料口位置上的螺杆截面积较大，有足够的强度，有利于增加转速，从而可提高生产率。但螺杆加工较困难，熔料倒流量较大，均化作用差，较少采用
（3）变深变距螺杆
变深变距螺杆是指螺槽深度和螺纹升角从加料段开始至均化末端都是逐渐变化的，即螺纹升程从宽逐渐变窄，螺槽深度由深逐渐变浅的螺杆。该螺杆具有前面两种螺杆的特点，但机械加工较困难，较少采用。
3.螺杆材料
螺杆是挤出机的关键部件，作为螺杆的材料必须具备耐高温、耐磨损、耐腐蚀、高强度等特性，同时还应具有切削性能好、热处理后残余应力小、热变形小等特点。
对于挤出机螺杆的材料，具体有如下几点要求：
①　力学性能高。要有足够的强度，以适应高温、高压的工作条件，提高螺杆的使用寿命。
②　机械加工性能好。要有较好的切削加工性能和热处理性能。
③　耐腐蚀和抗磨性能好。
④ 取材容易。
4.新型螺杆
常规全螺棱三段式螺杆存在的问题：
①熔融段同时有固体床和熔池同居一个螺槽中，熔池不断增宽，固体床逐渐变窄，从而减少了固体床于机筒壁的接触面积，减少了机筒壁直接传给固体床的热量，降低了熔融效率，致使挤出量不高；
②压力波动、温度波动和产量波动

大；
③不能很好适应一些特殊塑料的加工进行混炼、着色等工艺。
对此类问题常用的处理方法：
加大长径比；提高螺杆转速；加大均化段的螺槽深度；
为了克服常规螺杆存在的缺点，人们创造了一些新型螺杆，主要包括：
①分离型螺杆

在压缩段增设一条副螺纹，克服了常规螺杆中固体床和熔体共存一个螺槽中所产生的缺点，将熔融物料和未熔物料尽早分离，从而促进了未熔物料的熔融。
这种螺杆塑化效率高，塑化质量好。由于没有固体床解体，产量波动、压力波动和温度波动都比较小，并具有排气性能好、能耗低等优点，应用较广。
②屏障型螺杆
在普通螺杆的某一部位设置屏障段，使未熔的固体不能通过，并促使固体熔融的一种螺杆。
这种螺杆通过剪切作用和涡流的混合作用，将机械能转变为热能并进行热交换，使物料熔融均化，并且径向温差小，产量、质量都比常规螺杆好。
③销钉螺杆
物料流经过销钉时，销钉将固体料或未彻底熔融的料分成许多细小料流，这些料流在两排销钉间较宽位置又汇合，经过多次汇合分离，物料塑化质量得以提高。
销钉设置在熔融区，排列形状有人字形、环形等，销钉形状有圆柱形、菱形、方形等。
由于销钉将熔料多次分割分流，增加了对物料的混炼、均化和添加剂的分散性。另外，由于固体碎片在熔融的过程中不断从熔体中吸收热量，有可能降低熔料温度，故可获得低温挤出。
④组合螺杆
由带加料段的螺杆本体和各种不同职能的螺杆元件如输送元件、混炼元件和剪切元件等组成。改变这些元件的种类、数量、和组合顺序，可以得到各种特性的螺杆，以适应不同物料和不同制件的加工要求，并找出最佳工作条件。
这种螺杆适应性强，易获得最佳工作条件，在一定程度上解决了万能与专用的矛盾，因此得到越来越广泛的应用。但设计复杂，组合元件之间拆装较麻烦，在直径较小的螺杆上实现有困难。
机头和口模
机头和口模通常为一整体，习惯上统称机头；但也有机头和口模各自分开的情况。机头的作用是将处于旋转运动的塑料熔体转变为平行直线运动，使塑料进一步塑化均匀，并使熔体均匀而平稳的导入口模，还赋予必要的成型压力，使塑料易于成型和所得制品密实。口模为具有一定截面形状的通道，塑料熔体在口模中流动时取得所需形状，并被口模外的定型装置和冷却系统冷却硬化而成型。机头与口模的组成部件包括过滤网、多孔扳、分流器(有时它与模芯结合成一个部件)、模芯、口模和机颈等部件。
机头中的多孔板能使机头和料

筒对中定位，并能支承过滤网(过滤熔体中不熔杂质)和对熔体产生反压等。机头中还有校正和调整装置(定位螺钉)，能调正和校正模芯与口模的同心度、尺寸和外形。在生产管子或吹塑薄膜时，通过机颈和模芯可引入压缩空气。按照料流方向与螺杆中心线有无夹角，可以将机头分为直角
机头(又称T型机头)、角式机头(直角或其它角度)。直角机头主要用于挤管、片和其它型材，角式机头多用于挤薄膜、线缆包复物及吹塑制品等．