3-3单螺杆挤出理论(熔体输送理论)
挤出成型
从输出工艺角度来考虑，关键是控制送料 段料筒和螺杆的温度，因为摩擦系数是随 温度而变化的，一些塑料对钢的摩擦系数 与温度的关系如图5—5所示。
如果物料与螺杆之间的摩擦力是如此之大， 以致物料抱住螺杆，此时挤出量Qs和移动速度 均为零，因为φ＝0。这时物料不能向前进行， 这就是常说的“不进料”的情况。如果物料与 螺杆之间的摩擦力很小，甚至可略而不计，面 对料筒的摩擦力很大，这时物料即以很大的移 动速度前进，即φ＝900。如果料在筒内开有纵 向沟槽，迫使物料沿令φ＝900方向前进，这是 固体输送速率的理论上限。一般情况即是在00 ＜φ＜900范围。在挤出过程中，如果不能控制 物料与螺杆和料筒的摩擦力为恒定值，势必引 起移动角变化，最后造成产率波动。
5.3 单螺杆挤出原理
挤出机达到稳定的产量和质量，一方面， 沿螺槽方向任一截面上的质量流率必须保持恒 定且等于产量，另一方面，熔体的输送速率应 等于物料的熔化速率。 因此，从理论上阐明挤出机中固体输送、熔化 和熔体输送与操作条件、塑料性能和螺杆的几 何结构之间的关系，无疑是有重要意义的。
5．３．1 固体输送理论 目前理论推导最为简单的是以固体对固体 的摩擦力静平衡为基础的。 基本假设： (1)物料与螺槽和料筒内壁所有边紧密接触， 形成固体塞或固体床，并以恒定的速率移动； (2)略去螺翅与料筒的间隙、物料重力和密度变 化等的影响； (3)蝶槽深度是恒定的，压力只是螺槽长度的函 数，摩擦系数与压力无关； (4)螺槽中固体物料像弹性固体塞一样移动。
图5—7所示螺槽截面上熔体膜和固体床内温 度分布情况； 熔体膜内的温度(T)分 布画数在边界条件y＝o、 T＝Tm和y＝δ、T＝Tb 时可表为：
从熔体膜进入单位界面的热量为：
固体床内的温度分布可在边界条件y＝o、T＝Tm和y Ts时推得为 ：
挤出理论
• 1）Qs与fs、fb有关，fb>fs，可以提高固体输送率。 • 2）在固体输送区，压力的建立对压实固体塞子以及 避免熔融区的不良熔融和波动都是必须的。压力的建 立与下列因素有关： • a、随着固体输送段的加长，压力增大。 • b、固体输送段螺杆根部的锥度越大，则压力建立越 快，压力值越大。
• c、压力的建立与固体塞子表面温度(主要是料筒接触 面温度)有关。
• 现代三段七区理论是对经典三段三区理 论的扩充和完善，三段七区理论包含和 三段三区理论的内容。是为了解释聚合 物材料在挤出过程中的现象、指导挤出 工艺的设定和挤出机设计的改进，人们 从不同角度对挤出过程简历模型进行的 研究。
演讲完毕，不足之处，请多海涵，望 您能够提出宝贵意见。
谢谢！
2 2 3 1 2 2 DH 3 sin 3 P P2 D f tan P P2 D H sin cos n 1 1 2 12 y L3 12e ' y f L3
P P2 n 1 y y L f 3
固体输送段理论
经典的固体输送理论是由（Darnel）和莫 耳（Mol）于1956年提出固体摩擦理论。 该理论认为：挤出机加料段的固体输送 性能是由物料与螺杆以及物料与机筒之间 的固体摩擦性能决定的。
（一）基本假设：
1）螺槽中被压实的物料象具有弹性的固体塞子 一样移动： 2）塞子与所有面（料筒表面、螺纹槽底面、螺 纹两个侧面）相接触； 3）塞子与各表面的摩擦系数是一个常数，但在 螺杆和料筒表面可以取不同值； 4）忽略料筒和螺纹棱之间的间隙； 5）螺槽是矩形的，并且其深度不变： 6）固体塞子的密度不变。
M F R 0
i i i
高分子成型加工原理 第五章挤出成型
① 螺杆直径（D）
根据所制制品的形状、大小及需要的生产 率来决定的。
一般45～150mm，螺杆直径增大，加工能 力提高，挤出机的生产率与螺杆直径D的平方 成正比。
5.2.1 螺杆挤出机
② 长径比（L/D） 螺杆工作部分有效长度与直径之比。
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，螺杆适应能力强，能用于多种塑料 的挤出。
5.2.1 螺杆挤出机
但L/D过大，使塑料受热时间增长而降解； 螺杆自重增加，自由端挠曲下垂， 引起料筒与螺杆间擦伤，使制造 加工困难，增大功率消耗。
5.2.1 螺杆挤出机
鱼雷头具有搅拌和节制物料、消除流动脉 冲现象的作用，并能增大物料的压力，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。
5.2.1 螺杆挤出机
5.机头和口模
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， 并将熔体均匀而平稳地导入口模，赋予必要的 成型压力，使塑料易于成型和取得制品密实度。
由口模套和芯模组成，有 直角式 螺旋芯模式
储料缸式
5.2.1 螺杆挤出机
（4）异形口模 异型制品（型材）：从任一口模（异形口模） 挤出而得到具有不规则截面的半成品。 有中空和开放式两大类。
5.2.1 螺杆挤出机
二、双螺杆挤出机
指在一根两相连孔道组成∞截面的料筒内由两
根相互啮合或相切的螺杆组成的挤出装置。
5.2.1 螺杆挤出机
料斗底部有截断装置，以便调整和切断料流。 侧面有视孔和标定计量的装置。
有些料斗带有减压或加热装置、搅拌器、自 动上料或加料装置。
挤出理论之三-青岛科技大学机电工程学院
3）螺杆深度H与生产能力的关系：（H与Q）
正流流量Qd正比与H，倒流流量Qp正比与H3 可见，太深的螺杆深度是有害的。
H存在一个最佳值。
4）螺杆均化段长度L3与生产能力的关系：
（
L3与Q）
倒流流率Qp和漏流流率QL与L3成反比。也就是说， 增加L3，有助于Q的提高。 这也正是现代挤出机L/D不断加大的原因。
挤出理论
1、熔体输送的机理 1）、无限平行平板模型
为了方便研究问题，假定： a、将计量段螺槽展开
并认为螺槽为浅螺 槽，即 H3/D<0.09； b、螺槽静止不动，机 筒转动；
挤出理论
πDbn
d、Vb的方向与展开的 螺槽方向成θ角。 则有：
n最低=3Q/πDWHcosθ
挤出理论
3）在给定转速下达到最高产量时的最佳螺槽深度和 螺旋角。 由流率公式，在δf=0时，QL=0。即有：
上式分别对H和θ求导，即可求出H最佳 和θ最佳 这时，θ最佳=30°。 （由于是牛顿流体，所以与实际17º40´有区别）
挤出理论
4）截流比a (忽略δf)： a=Qp/Qd称为截流比，它反映了挤出机的实际工作
挤出机的最高危险压力产生于断流(Q=0)的情况 由流率公式，令Q=0，δf=0。则有：
由上式可以看出，对于高粘度物料和大直径螺杆， 采用高转速是很危险的。
挤出理论
2) 在给定产量时的最佳螺槽深度和最低螺杆转速 由流率公式，
且δf=0知
• 将上式对H
求导，并求 出H：
将H最佳代入n的表达式，可得n最低
假定熔体为牛顿流体，当其通过机头时，其流率方 程为：
Q=KΔP/η 式中： K—口模常数，仅与口模尺寸和形状有关。
ΔP—物料通过口模时的压力降 η ---物料的粘度
3-3单螺杆挤出理论(固体输送理论)
第三节 单螺杆挤出理论 固体塞与螺杆根径部位的摩檫消耗：
eWs
sin ϕ ⋅ tgϕ sin θ b b ⋅r = π ⋅ Db ⋅ n ⋅ f s⋅ Wb ⋅ pm ⋅ Z b ⋅ ⋅ 1 sin(ϕ + θ ) sin ϕ ⋅ tgϕ b s s
e, 1− L ⋅ cos ϕ s r1= e, 1− L ⋅ cos ϕ b
最大的固体输送率（fs=0, P1/P0=1，未建立压力)
第三节 单螺杆挤出理论
假定 fs=0，P1 /P0 = 1, 从K值的计算可得 ： ctgθ= tgϕ
b
最大的固体输送率：
Qs = Qmax
W = π ⋅ h1 ⋅ Db (Db − h1 ) ⋅ n ⋅ sinϕ b ⋅ cosϕ b W + e′
发展概况：1956年，Darnell和Mol通过固体对固体摩擦 的静力平衡，建立了固体输送理论。 1972年，Broyer和Tadmor对上述理论进行了 修正，得到Darnell- Mol理论，成为研究物 料在螺杆挤出过程中固体输送的经典理论。
第三节 单螺杆挤出理论 二、固体输送理论
在螺槽中运行的 是挤压在一起的 固体塞。
de W = π ⋅ Db ⋅ n ⋅ cosθ ⋅ f b ⋅ Wb ⋅ dz b ⋅ p
V1
第三节 单螺杆挤出理论
积分后，固体输送段的总能量消耗：
e W = π ⋅ Db ⋅ n ⋅ f b ⋅ Wb ⋅ p m ⋅ z b ⋅ cosθ
式中： 固体输送段的总能量消耗正比于压力Pm、转速n和摩擦系数fb。
第三节 单螺杆挤出理论 （一）假设条件及流场分析 1、固体输送区中的物料是已被压实的固体塞，充满 整个螺槽，固体塞密度不变； 2、固体塞所受压力仅沿螺槽方向有变化； 3、摩擦系数f是常数，但物料与螺杆和机筒内表面的 摩檫系数（fs、fb）不同； 4、忽略螺棱与机筒的间隙； 5、螺槽为等距等深的矩形螺槽； 6、重力不计。
挤出成型—挤出理论(高分子成型课件)
四、挤出机的挤出理论
3 熔体输送理论 流动流动状态：
①正流Qd：沿正轴向口模/机头方向流动。由旋转螺杆挤压造成。 ②逆流Ｑp：沿正方向相反，由机头压力引起。 ③横流Ｑt：环流。不影响总流量。但对熔体的混合、塑化、热交换起重要 作用。 ④漏流Ｑc 物料在螺杆与机筒之间间隙向加料口方向回流，可降低挤出量 。一般情况下漏流Ｑc很小，但磨损严重时，漏流Ｑc增加急剧增加。
p在挤出过程中，由于螺杆 和料筒机构、机头、过滤 网以及过滤板的阻力，使 塑料内部存在压力。
p压力可以提高挤出熔体的混合均匀性和稳定性，提高产品致密 度， 是塑料变为均匀熔体并得到致密塑件的重要条件之一。 p螺杆转速的变化，加热、冷却系统的不稳定都对产生压力波动 产生影响，对制品质量产生不利影响。 p为保证制品质量，应尽可能减少压力的波动。
六、挤出工艺的影响因素
3 挤出速率
p挤出速率因素影响较多（机头阻力、螺杆与料筒结构、螺杆转速、 加热冷却系统和塑料特性等）但主要与螺杆转速有关，提高转速，可 提高挤出产量，但塑化质量不高，因而挤出速率要大小合适。 p挤出速率在生产过程中也存在波动现象，挤出速率的波动影响制品 几何形状和尺寸。生产中应保证挤出速率的稳定。
LDPE 15~20 3~4 90~100 100~140 140~160 140~160
PP
22~25 2.5~4 140~160 165~185 180~200 160~185
PC
16~25 2.5~3 200~240 240~250 230~255 200~22100
六、挤出工艺的影响因素
2 压力
tan tanb
四、挤出机的挤出理论
挤出理论
的限制。其次，降低塑料与螺杆的摩擦系数也是有 利的。再者，增大塑料与料筒的摩擦系数，也可以 提高固体输送速率，但要注意会引起物料停滞甚至 分解，因此料筒内表面还是要尽量光洁。 b.采用最佳螺旋角(17.41°)。
从挤出工艺角度来讲：
控制加料段料筒和螺杆的温度是关键，因为静摩 擦系数是随温度而变化的。
特点
① 当固体塞表面温度一旦达到熔点Tm或黏流温 度(Tf)，熔膜就形成，延迟区开始 ② 当机筒内表面与固体塞之间出现熔膜厚，固体 摩擦理论失效 ③ 若冷却机筒加料段，可延缓熔膜形成，从而在 加料段形成很高的压力，有利于提高固体输送
效率和稳定挤出
33
第二节 单螺杆挤出成型基本原理 4、熔融理论——延迟熔融理论模型
2、挤出过程的物态变化 热塑性塑料的三态变化
热塑性塑料在恒定压力、 不同温度下存在着三种物 理状态：玻璃态、高弹态、 粘流态 当温度升高到 高分子材料 的分解温度Td时，材料开 始分解或降解，故不存在 气态
6
第二节 单螺杆挤出成型基本原理
（1）玻璃态（glassy state）:T<Tg
在此状态下，高聚物呈较刚硬的固体，在外力 作用下，变形量很小，而且形变为普弹形变， 因为在此状态的变形只限于塑料内部分子键角、 键长的变化
骤冷试验切片的典型熔融断面
机械与汽车工程学院
35
第二节 单螺杆挤出成型基本原理
4、熔融理论——Tadmor熔融理论的物理模型 热源
①机筒加热 ②熔膜流动过程中产生的黏性耗散热 在熔融过程中，一般认为熔融主要产生在熔膜 与固相的分界面上，而新的熔膜不断进入熔池。 熔膜始终很薄，可以把熔膜的运动当成流体在两 块无限大平板间的运动。
塑料成型工艺学第五章 挤出成型
② 若在螺帽上加一定压力，再旋转螺 丝，则螺帽就会随螺丝旋转而前移。
✓ 成型时，塑料与螺杆的摩擦力应小于塑 料与料筒的摩擦力，也即螺杆的光洁度应 大于料筒的光洁度。否则，塑料只能抱着 螺杆空转打滑不能前移。
30
固体塞摩擦模型
31
✓ 受力分析
5.3.2 固体熔融
39
✓ 研究目的： ● 预测螺槽中未熔化物料量 ● 熔化全部物料所需螺杆长度 ● 熔融与螺杆参数、物料特性、工艺参数间的关系
✓ 冷却试验和熔融机理：
冷却试验：本色料+3~5%着色料挤出——稳定后停止并迅速冷却螺杆 和料筒——取出螺杆、剥下物料——切断螺旋带状料并观察截面形状
✓ 现象： ● 熔融料呈流线型，未塑化料始终呈固态 ● 固—液两相有一明显分界线 ● 固相逐渐消失，固体塑化完全集中在熔膜处
9
✓ 挤出成型的特点:
① 连续化,效率高,质量稳定 ② 应用范围广 ③ 设备简单,投资少,见效快 ④ 生产环境卫生,劳动强度低 ⑤ 适于大批量生产
✓ 适用的树脂材料：
绝大部分热塑性塑料及部分热固性塑料，如PVC、 PS、ABS、PC、PE、PP、PA、丙烯酸树脂、环氧树 脂、酚醛树脂及密胺树脂等
✓ 应用：
料薄膜、网材、带包覆层的产品、截面一定、长度 连续的管材、板材、片材、棒材、打包带、单丝和异 型材等等，还可用于粉末造粒、染色、树脂掺和等。
10
5.1 挤出设备
• 由挤出机、机 头和口模、辅 机等组成。
11
主要设备
12
5.1.1 单螺杆挤出机的组成
✓单螺杆挤出机主要 由传动系统、加料 系统、塑化系统、 加热与冷却系统、 控制系统等组成。
单螺杆挤出理论(熔融理论)
K
s
dT dy
y=0
Km
Tb
Tm
hv2j 2
s
cs
vsy
(Tm
Ts )
Vsy
× s
×
*
V bx
m
V sy
2x
s
（3）
δ=
2K
m
Tb
-
Tm
+η
Vj2 2
Vbx ρm Cs Tm - Ts +λ*
X
第三节 单螺杆挤出理论
二、熔融理论
δ=
2K m
Tb
-
Tm
+η
Vj2 2
第三节 单螺杆挤出理论
二、熔融理论
（四）熔融过程影响因素
4、不稳定挤出时固体床解体现象 （3）解体后果 大团块被熔体包围，熔融慢 不利于稳定挤出 （4）防止解体措施 螺杆渐变度A适中，选择小 颗粒原料
第三节 单螺杆挤出理论 预防措施:设计分离型螺杆
二、熔融理论
第三节 单螺杆挤出理论
分离型螺杆
• Maillefer螺杆
Vbx ρm Cs Tm - Ts +λ*
X
熔膜的厚度
Vj=Vb－Vsz
第三节 单螺杆挤出理论
（三）熔融过程数
学分析
Vbx ρ 1δ=ω
2
m
（2）
二、熔融理论
ω=
Vbx ρm 2
Km
Tb
-
Tm
+η Vj2 2
Cs Tm - Ts +λ*
X
熔化速率
X
（5）
熔融速率系数
第三节 单螺杆挤出理论
第三节 单螺杆挤出理论
挤出复习
1简述挤出理论及其对实践的指导意义。
2答案要点：到目前为止，挤出理论的研究是依据常规三段式单螺杆挤出的过程，根据螺杆的三个功能区来分别建立的理论，有固体输送理论、熔化理论和熔体输送理论。
固体输送理论为了获得最大的固体输送速率，可从挤出机结构和挤出工艺两个方面采取措施。
从挤出机结构角度来考虑：（1）增加螺槽深度是有利的，但会受到螺杆扭矩的限制。
（2）降低塑料与螺杆的摩擦系数(fs)也是有利的，这就需要提高螺杆的表面光洁度，不过这是容易达到的。
（3）增大塑料与料筒的摩擦系数（fb），也可以提高固体输送速率。
基于此，料筒内表面似乎应该粗糙些，但这会引起物料停滞甚至分解，因此料简内表面还是要尽量光洁。
提高料筒摩擦系数的有效办法是：(a)料筒内开设纵向沟槽；（b）采用锥形开槽的料筒。
从挤出工艺角度来考虑，关键是控制送料段料筒和螺杆的温度，因为摩擦系数是随温度而变化的。
在挤出过程中，如果不能控制物料与螺杆和料筒的摩擦力为恒定值，势必引起移动角变化，最后造成产率波动。
熔化理论认为在熔化区间熔体池和固体床相对稳定，并且相对存在于同一个螺槽中，熔化发生在它们的界面。
该理论说明：熔化区的长度正比于质量流率(G)。
因此，如果要增大流率而又保持熔化区的长度不变（以保持不变的质量为前提），这就需要改变其它操作条件，如将料筒的温度Tb、物料温度Ts和螺杆转速分别或同时提高，但仅凭提高螺杆转速一种办法是不容易达到目的的，因为这样所增加的剪切热常不足以补偿产量的增加。
熔体输送理论该理论指出，在均化段熔体的流动主要有正流、倒流、横流和漏流，实际输送量主要取决于正流和倒流的差值（如果料筒和螺杆的间隙大，则漏流也是重要的）。
材料的流变性质决定着倒流，如果挤出采用的塑料是流动性较大的(亦即η较小或k 较大的)则挤出量(Qm)对压力的敏感性就较大，这说明该材料用挤出成型是不十分相宜的。
此外，正流与螺槽深度(Hz)成正比，而逆流则与它的三次方或多次方成正比。
材料成型设备(王卫卫)部分课后习题答案
第二章2-1.曲柄压力机由那几部分组成？各部分的功能如何？答：曲柄压力机由以下几部分组成：1、工作机构。
应曲臥進枉、滑块级d将旋转运动转换成往复直线运动。
2、传动系统。
由带传动和齿轮传动组成, 将电动机的能量传输至工作机构。
3、操作机构。
主要由离合器、制动器和相应电赛系统组成,控制工作机构的运行状态,使其能够间歇或连续工作。
4、能源部分。
由电动机和飞轮组成，电动机提供能源,飞轮储存和释放能量。
5.支撑部分。
由机身、工作台和紧圍件簣级咸。
它把压力机所有零部件连成一个整体。
6、辅助系统。
包括气路系统、润滑系统.过载保护装置、气垫.快换模、打料装置、监控装置等。
提高压力机的安全性和操作方便性。
2-2.曲柄压力机濟块位移、速度、加速度变化规律是怎样的？它们与冲压工艺的联系如何？答：速度的变化规律为正弦曲线，加速度的变化规律为余弦曲线，位移的变化规律为2-3.分析曲柄淆块机构的受力，说明压力机许用负荷图的准确含义答：曲柄压力机工作时，曲柄滑块机构要承受全部的工艺力，是主要的受力机构之一理想状态下滑块上受到的作用力有：工件成形工艺力F.连杆对滑块的作用力FAB、导轨对滑块的反作用力FQ,实际上，曲柄滑块机构各运动副之间是有摩擦存在的，考察摩擦的影响以后，各环节的受力方向及大小发生了变化，加大了曲轴上的扭矩。
曲柄压力机曲轴所受的扭矩Mq除与滑块所承受的工艺力F成正比外，还与曲柄转角a有关，在较大的曲柄转角下工作时，曲轴上所受扭矩较大。
通过对曲柄滑块的受力分析，结合实际情况得出的许用负荷图用以方便用户正确选择设备02-5装模高度的调节方式有哪些？各有何待点？三种调节方法有：1、调节连杆长度。
该方法结构紧凑，可降低压力机的高度，但连杆与滑块的铁接处为球头，且球头和支撑座加工比较困难，需专用设备。
螺杆的抗弯性能亦不强。
2、调节滑块高度。
柱销式连杆采用此种结构，与球头式连杆相比，柱销式连杆的抗弯强度提高了，较接柱销的加工也更为方便，较大型压力机采用柱面连接结构以改善圆柱销的受力。
挤出理论及应用
第十四章螺杆设计螺杆是挤出机最重要的部件，其性能好坏直接影响塑化质量和产量。
整个挤出理论几乎都是围绕着螺杆上发生的挤出过程展开的。
因此，螺杆设计是挤出理论最重要的应用领域之“G最早出现的螺杆是不分段的。
随着生产的发展，从实践和理论都证明了将螺杆分成加料段、压缩段和计量段是比较合理的c因此，目前使用的普通螺杆又称为三段式螺杆，园外有时称为计量型螺杆(图14—1)，这意味着此时挤出机的生产率将由计量段L3决定。
它们分成渐变螺杆(压缩段Lz较长，螺纹根径渐变)和突变螺杆(压缩段Lz较短，螺纹根径突变)两大类。
图14-1 渐变螺杆(a)和突变燥杆(b)D一螺杆外径L一螺杆有效长度L1一螺杆加料段长度L2—螺杆压缩段长度L3一螺杆计量段长度S一螺距e一螺棱法向宽度一螺纹升角H1一加科段螺槽深度H3一计量段螺槽汉度虽然新型螺杆在最近十几年间得到了飞速的发展，但是，大多数工厂目前仍然使用着普通螺杆c一根新型螺杆也是由普通螺杆加上混炼段所组成，而且普通螺杆往往占了整个螺杆长度的大部分。
因此，可以认为，关于普通螺杆的知识仍然是最基本的。
正如我们在第三章所描述的黑箱那样(图3—2)，挤出过程中影响螺杆性能的参数多达二十几个，这些参数之间往往又交互影响。
因此，挤出理论中那些比较复杂的公式又令人生畏。
为此，当前人们总是在用理论公式定性地分析各个参数对挤出过程影响的基础上，用一些简化了的理论公式结合经验公式、经验数据来设计螺杆。
但我们必须认识到，这些经验公式和数据仍然是建立在挤出理论基础之上的。
此外，从事物的发展规律上来讲，人们总是力图进一步用挤出理论来指导螺杆设计。
因此，任何轻视挤出理论的指导作用的想法都是错误的。
炽杆的主要参数包括直径D、长径比L／D．螺杆：段的长度LI、LZ和4．加料段和计量段炽槽深度H1和H3，螺纹J1角4(或螺趴5)，以及儿它一体相对次要的参数；有关煤杆直径J)的确定巴在第十＝章中作了详细说叫，此处人再多述第一节普通三段式螺杆设计一、螺杆长径比和螺杆各段长度的确定螺仟的长仔比L／fJ指的是螺杆的有效长度L和炽杆直径J)之比(参看团14—1)*如果是新型螺杆，则其有效长度小也应包括混炼段的长度。
高分子材料挤出成型
（6）螺杆棱部宽E E大：增加螺棱上动力消耗，有局部过
热的危险
E小：漏流增加，产量降低 E＝0.08～0.12 DS
（7 ）螺杆与料筒的间隙 δ
δ大，生产效率低，剪切作用小，不利于热传 导，不利于物料的熔融和混合
δ小，剪切作用大，容易引起物料热力学降解
小直径螺杆δ＝0.005 DS 大直径螺杆δ＝0.002 DS δ＝0.1～0.65mm
4.螺杆形式：
普通螺杆：采用等距变深、等深变距、变深 变距螺槽
高效专用螺杆
L/ DS 大、熔融效率低、塑化混合均匀
4 机头和口模 P224图7-8 使粘流态物料从螺旋运动变为平行直线运动，
并稳定地导入口模而成型
产生回压，使物料进一步均化，提高制品质 量
产生必要的成型压力，获得结构密实和形状 准确的制品
2、挤出物的处理设备如用作冷却、牵引、卷取、 切断和检验设备。
3、控制生产条件的设备指各种控制仪表，如温 度控制器、电动机启动装置、电流表、螺杆转数 表和测定机头压力的装置等。
以上三类设备不仅随制品的种类。对制品质 量的要求及自动化程度不同而异，而且每一 类设备又有许多的形式。产生回压，使物料 进一步均化，提高制品质量
它可用于挤出塑料制品，如管材、板材、棒材、片材、 薄膜。各种异型材以及塑料和其它材料的复合物等， 也常用于塑料的着色、混炼、塑化、造粒及塑料的共 混改性等。
橡胶挤出——压出
合成纤维——螺杆挤出纺丝
塑料挤出——主要以热塑性塑料为主
挤出成型的特点
操作简单，工艺易控，可连续化、工业化、自动化生产， 生产效率高
二. 料筒 作用：输送、塑化、压缩
1.工作温度 180～290℃ 2.压力 ≤55MPa 3.设有分段的加热和冷却装置 4.长径比 L/D= 15~24 5.制造材料：
塑料在挤出机中的运动过程简介
塑料在挤出机中的运动过程简介( 发表于2006-6-18 13:37:15 )[该贴已经被绿色甲克虫于2006-6-18 13:37:15奖励+1威望][该贴已经获得+1朵鲜花]挤塑机的工作原理是：利用特定形状的螺杆，在加热的机筒中旋转，将由料斗中送来的塑料向前挤压，使塑料均匀地塑化（即熔融），通过机头和不同形状的模具，使塑料挤压成连续性的所需要各种形状的塑料层，挤包在线芯和电缆上。
一，塑料挤出过程电线电缆的塑料绝缘和护套是采用连续挤压方式进行的，挤出设备一般是单螺杆挤塑机。
塑料在挤出前，要事先检查塑料是否潮湿或有无其它杂物，然后把塑料预热后加入料斗内。
在挤出过程中，装人料斗中的塑料借助重力或加料螺旋进人机筒中，在旋转螺杆的推力作用下不断向前推进，从预热段开始逐渐地向均化段运动；同时，塑料受到螺杆的搅拌和挤压作用，并且在机筒的外热及塑料与设备之间的剪切摩擦热的作用下转变为粘流态，在螺槽中形成连续均匀的料流。
在工艺规定的温度作用下，塑料从固体状态转变为熔融状态的可塑物体，再经由螺杆的推动或搅拌，将完全塑化好的塑料推入机头，到达机头的料流，经模芯和模套间的环形间隙，从模套口挤出，挤包干线芯或缆芯周围，形成连续密实的绝缘层或护套层，然后经冷却和固化，制成电线电缆产品。
二，挤出过程的三个阶段塑料挤出主要依据的是塑料所具有的可塑态。
塑料在挤出机中完成可塑成型过程是一个复杂的物理过程：包括了混合、破碎、熔融、塑化、排气、压实并最后成型定型，这一过程是连续实现的。
然而习惯上，人们往往按塑料的不同反应将挤塑过程，人为的分成各个不同阶段；①塑化阶段（塑料的混合、熔融和均化）；②成型阶段（塑料的挤压成型）；③定型阶段（塑料层的冷却和固化）。
1，塑化阶段。
也称为压缩阶段。
它是在挤塑机机筒内完成的，经过螺杆的旋转作用，使塑料由颗粒状固体变为可塑性的粘流体。
塑料在塑化阶段获得热量的来源有两个方面：一是机筒外部的电加热；二是螺杆旋转时产生的摩擦热。
单螺杆挤出机原理
单螺杆挤出机原理单螺杆挤出机作为一种常见的挤出机设备，用于塑料加工行业，原理和构造是什么呢？下面从挤出机的输送段，压缩段，计量段来对单螺杆挤出机原理做一个分析。
单螺杆挤出机一般在有效长度上分为三段，按螺杆直径大小、螺距、螺深确定三段有效长度，一般按各占三分之一划分。
单螺杆挤出机原理：料口最后一道螺纹开始叫输送段物料在此处要求不能塑化，但要预热、受压挤实，过去老挤出理论认为此处物料是松散体，后来通过证明此处物料实际是固体塞，就是说这里物料受挤压后是一固体象塞子一样，因此只要完成输送任务就是它的功能了。
第二段叫压缩段，螺槽体积由大逐渐变小，并且温度要达到物料塑化程度，此处产生压缩由输送段三，在这里压缩到一，这叫螺杆的压缩比－－3：1，有的机器也有变化，完成塑化的物料进入到第三段。
第三段是计量段，此处物料保持塑化温度，只是象计量泵那样准确、定量输送熔体物料，以供给机头，此时温度不能低于塑化温度，一般略高点。
SJ系列单螺杆挤出机主要供挤出软、硬聚氯乙烯、聚乙烯等热塑性塑料之用，它与相应的辅机（包括成型机头）配合，可加工多种塑料制品，如膜、管、板、丝带等，亦可用于造粒。
鑫达塑料挤出机设计先进，质量高，塑化好，能耗低，采用渐开线齿轮传动，具有噪音低，运转平稳，承载力大，寿命长等特点。
高速单螺杆挤出机主要用途管材挤出：适用于PP-R管、PE燃气管、PEX交联管，铝塑复合管，ABS管、PVC管、HDPE硅芯管及各种共挤复合管。
板材和片材挤出：适用于PVC、PET、PS、PP、PC等型材及板材的挤出。
其它各种塑料的挤出如丝、棒等。
型材的挤出：调节挤出机转速及改变挤出螺杆的结构可适用于生产PVC、聚烯烃类等各种塑料异型材。
改性造粒：适用于各种塑料的共混、改性、增强造粒。
编辑本段设计理念◎在高品质基础上的高速，高产挤出。
◎低温塑化的设计理念，保证高质量制品的挤出。
◎两阶式整体设计，强化塑化功能，保证调整高性能挤出。
◎特种屏障，BM综合混炼设计，保证物料的混炼效果。
第三章挤出理论
62
第二节 单螺杆挤出成型基本原理
螺杆、机头的联合设计
（1）在低压区 P<Pc 即安装有低阻力的机头，配以计量段螺槽深的螺 杆，将会得到较高的挤出产量
（2）在高压区 P>Pc 即安装有高阻力的机头，配以计量段螺槽浅的螺 杆，将会得到较高的挤出产量 浅的螺杆挤出量通常对机头阻力变化的敏感性较 小（螺杆特性较硬）；计量段较短螺杆对熔体压力 较敏感
8
第二节 单螺杆挤出成型基本原理 （3）粘流态（viscous flow state）T<Tf
聚合物发生了相态变化，有固态变成液体，处于 黏流态的高聚物在外力作用下，发生的形变为不 可恢复的永久形变，而且形变大小随时间的变化 而增大。一个很小的外力，只要足够长的时间就可 以达到任意的形变。 主要因为在此状态下，外力作用时，材料的分子 间可以发生相对运动，同时同一分子链又有分子 链段的运动，分子之间的相对位移是一种永久的 形变，即粘性形变。而分子链的运动是一种既有 粘性形变，又有弹性形变的粘弹性运动
tg tg tg tg
成正比。
Φ （移动角），与螺杆、料筒的几何参数、摩擦 系数和压力降均有关系. 如螺杆与料筒间的摩擦 系数大，物料包住螺杆，在轴向的流量为0， Φ =0°；反之， Φ =90°，流量达到理论上限；正 常情况下， 0°＜Φ ＜90°.
θ — 螺杆旋转角， （1）随着螺杆摩擦系数降低而增加，对于大多数聚合 物：fs在0.25—0.5，螺杆旋转角在17º ～20º 之间，一般 取17º 41’
第二节 单螺杆挤出成型基本确定挤出机的工作点
简化计量段的流率方程：
材料成形设备第四章作业
炼不均匀，压力、温度和产量波动大，不能充分满足生产要求。 新型螺杆的优点：新型螺杆在不同方面和不同程度上克服了普通螺杆所存在的问题，
提高了挤出量改善了塑化质量，减少产量波动。 4-12 挤出机受压力影响，哪些部位最容易出现问题？
e 4、减小螺棱法向宽度
5、在 0 ~ 90 内增大固体输送角
4-7.螺杆熔融区的长度主要受哪些因素的影响？ 答：螺杆熔融区长度主要受到物料性能，工艺条件，螺杆的集几何参数的影响
物料性能队融融区长度影响主要反映为：比热容小，导热系数大，密度高，融融潜热和 熔融温度低的物料融融较快，则所需的熔融区长度较小，或则在相同的融融区长度下能获得 较高的生产率。
27
10~60 60~200 25~75 71.5 6 1100
150/27
SJ－65/20DL 65
20
10~100 10~70
0~17 12.5 3
1000
SJ
－ 150
20
7~42
200
25~75 72 6 1100
150/20DL
4-5、挤出理论是研究哪些内容的？
答：挤出理论是研究物料在螺杆和口模中运动、变化规律的基本理论。包括1、固体输送理
4.1 塑料挤出机一般有那几个部分组成？每部分的作用是什么？ 答：塑料挤出机一般由主机（挤出机），辅机和控制系统组成。
1）主机： ①挤压系统：主要由料筒和螺杆组成。塑料通过挤压系统塑化成均匀的熔 体，并这一过程中 所建立的压力下，连续地被螺杆定压定量定温地挤出机头。
②传动系统：给螺杆提供所需的转矩和转速。 ③加热冷却系统： 通过对料筒(或螺杆)进行加热和冷却，保证成型过程工艺要求的温 度范围内完成。 2) 辅机： ①机头: 制品成型的主要部件，熔融塑料通过它获得一定的几何截面和 尺 寸。 ②定型装置: 是将从机头中挤出的塑料的既定形状稳定下来，并对其进行精整，从而得到更 为精确的截面形状、尺寸和光亮的表面。通常采用冷却和加压的方法达到一目的。 ③冷却装置: 定型装置出来的塑料在此得到充分的冷却，获得最终的形状和 尺寸。 ④牵引装置: 作用为均匀地牵引制品，并对制品的截面尺寸进行控制，使挤 出过程稳 定地进行。⑤切割装置: 作用是将连续挤出的制品切成一定长度或宽度。 ⑥卷取装置: 作 用是将软制品(薄膜、软管、单丝等)卷绕成卷。 3）控制系统： 控制系统的组成：由各种电器、仪表和执行机构组成。根据自动化水 平的高低，可控制挤出机的主机、辅机的拖动电机、 驱动油泵、油(汽)缸和其他各种执行 机构按所需的功率、速度和轨迹运行以及检测。 控制主辅机的温度、压力、流量，最终实现对整个挤出机组的自 动控制和对产品质量的控 制。控制系统的功能：①控制挤出设备主、辅机的电动机，使其满足工艺条件所需的转速和 功率。 ②控制主、辅机的温度、压力、流量，保证制品质量。 ③实现整个挤出机组的自 动控制，保证主、辅机协调地运行。 4.2国产塑料挤出机如何分类？
挤出成型原理3
Fb 在Z轴方向上的分力。
当Fbz=Fs=0时，物料不发生任何
移动； Fbz<Fs，螺杆带动物料转
动而不移动。
流淌的基本条件：Fbz>Fs
Q=V·va
Q—单位时间内固体物料的流淌体积；va—物料前进
速度；V—单位螺槽容积。
2
V D(D
2
h
)2
4
Va 1 N
t
4、整个固相为均一的连续体。（忽视固体床裂开的可能性）。
5、塑料的熔融温度范围较窄，固液相分界面明显。熔体为
牛顿流体
6、螺槽和固体床的横断面都是矩形，外热和内热是通过固
液相分界面传递，其它没有热交换
固相分布函数的求解
探讨熔融理论的目的，就是为了找出固相宽度X沿螺槽方向Z的变
更规律 即分布函数X=F（Z）
1、熔体在螺槽内的运动分析
熔料在螺槽中的流淌事实上有以下几种运动合成：
a.正流（曳流）：
是由物料受机筒的摩擦拖曳引起的，产生沿螺槽向机头方
向的运动，是螺杆斜棱在Z轴方向作用的结果，实质是拖曳
流淌，起挤出物料作用，流量用Qd表示。(如图）
倒流（压力流）：
由机头，口型等阻力元件产生的压力引起的回流。方向与正流
固体摩擦的静力平衡为基础建立起来的
固体输送理论。
1.
基本假设
1、料筒与螺杆间的固体离子连续整齐地排列着，并塞满了螺
槽，形成“弹性固体”。塞子在与全部面（料筒表面、螺纹
槽底面、螺纹两个侧面）相接触，并以恒速移动；
2、忽视螺棱与机筒的间隙、物料重力、密度变更的影响；
3、磨擦系数恒定，，听从F=f×P，fs、fb可不同；压力是螺
单螺杆挤出机的介绍课件
要条件之一。
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28
2）影响压力的因素
如果将沿料筒轴线方向（包括口模）测得的各点的 物料压力值作为纵座标，以料筒轴线为横座标做一曲 线，即可得到所谓压力轮廓线。
a.机头、分流板、 滤 网的阻力，
b.加热冷却系统， c.螺杆转数， d.螺杆和料筒的结
构。
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29
3、流率（挤出量）
H’——热量损失
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33
2）比功率消耗
现在经常用比功率消 耗这一指标作为评价挤 出机性能的标准之一， 它的含义是每挤出一公 斤物料（制品）所消耗 的功率。它也是挤出过 程的重要度量之一。
在保证塑化质量和混炼质量的前提下， 希望该值越小越好。
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34
4.2.3物料在螺杆中的流动理论
• 1)由于阻力,物料被压实 由于螺槽逐渐变浅，以及滤网、分流板和机头的阻力，
在塑料中形成了很高的压力，把物料压得很密实。
2020年7月27日星期一
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7
• 2)外热、内热的作用，物料熔融 同时，在料筒外热和螺杆、料筒对物料的混合、剪切作
用所产生的内摩擦热的作用下，塑料的温度逐渐升高。对 于常规三段全螺纹螺杆来说，大约在压缩段的三分之一处， 与料筒壁相接触的某一点的塑料温度达到粘流温度，开始 熔融。
双螺杆挤出机
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3
单螺杆挤出机
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4
1 挤出成型的特点
与其它成型方法相比，挤出成型有下述特点： • 1、 生产过程是连续的，因而其产品都是连续
的；——可连续化生产。 • 2、 生产效率高,一台φ200挤出机700kg/小
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Q 2 D 2n h3 sin cos
2 Qd Q P
D h33 sin2 P 121 L3
第三节
单螺杆挤出理论
（2）沿x方向流体的速度分布及流量 a、x方向的速度分布方程
将（4）代入（2），得：
Vx P 2 x y
第三节
单螺杆挤出理论
0 V X y 0 V X y 0 Vz y 0 Vz y 0
四、熔体输送理论
应变速率张量
应力张量
0 xy 0 yx 0 yz 0 0 zy
研究难点: 螺杆流道的几何形状复杂
非牛顿流体、非等温输送
第三节
单螺杆挤出理论
四、熔体输送理论 （一）牛顿流体的理论模型
1、建立数学模型
2、速度分布方程及流量 3、熔体输送段的生产率 4、生产率公式的讨论 5、均化段功率消耗的分析 (二）对生产率公式的修正
第三节
单螺杆挤出理论
四、熔体输送理论
B
B
第三节
第三节
单螺杆挤出理论
化简后，x、y、z方向的运动方程
P yz 0 Z y
（ 1）
P yx 0 X y
P 0 y
（ 2）
（ 3）
第三节
单螺杆挤出理论
本构方程：
V x yx y
（4）
yz
Vz y
（ 5）
第三节
单螺杆挤出理论
单螺杆挤出理论
四、熔体输送理论 （一）牛顿流体的理论模型 1、建立数学模型 （1）基本假设条件 螺槽形状为矩形截面；
螺杆不动，机筒以速度Vb=nπDb运动；
不可压缩的牛顿流体; 等温、稳定、层流，忽略螺槽侧壁的影响；
忽略熔体的惯性力和质量力；
沿螺槽方向的压力降为常数。
第三节
单螺杆挤出理论
四、熔体输送理论 （一）牛顿流体的理论模型 1、建立数学模型 （2）流场分析 a、建立坐标系
第三节
单螺杆挤出理论
Vx Vb
Vz Vb
Vl Vb
Vx、Vz、VL
均是y/ h3（位置）
的函数，其中Vx与 机头压力、截流比 无关，Vz、VL都 是截流比的函数。
第三节
单螺杆挤出理论
2 QP h3 P a ( ) Qd 61 Vbz z
（4）速度分布的讨论 d、螺槽内熔体流动的描述
x
z
第三节
单螺杆挤出理论
Qp Qd
0
Vbz
y V z Vbz h3
2 QP h3 P a ( ) Qd 61 Vbz z
y
似曾相识？
机头敞开
Q y y p 1+ 3 1 V z = V bz Q d h 3 h3
x
b、分析
V (V x , 0, Vz ) Vx f （ 1 y） V z f（ 2 y）
Vx Vz ≠ 0, ≠0 y y
第三节
单螺杆挤出理论
四、熔体输送理论
V V
bz bx
V b cos n V b sin
D n D
b b
cos sin
Polymer Processing Engineering
Beijing University of Chemical Technology
《聚合物加工工程》
第三章 挤出成型（Extrusion） 第一节 概述（录像）
第二节
第三节 第四节 第五节 第六节
单螺杆挤出机的基本结构
单螺杆挤出理论 排气挤出机的工作原理 双螺杆挤出机的工作原理 挤出成型工艺
在x方向上料流的压力梯度：
P Vbx 61 2 x h3
（10）代入（9）：
（10）
V = V h
x
bx
y y 2-3 h3 3
（11）
第三节
单螺杆挤出理论
x方向的速度分布方程：
当y= 0 和y=2h3/3 时，Vx＝0 当y=h3时, Vx= -Vbx; 当y= h3/3时, Vx= Vbx／3
第三节
单螺杆挤出理论
四、熔体输送理论 （一）牛顿流体的理论模型 （3）建立数学模型 流体沿x向的运动方程：
Vx Vx Vx Vx ( Vx Vy Vz ) t x y z P xx yx zx ( ) g x x x y z
Qp
1 Qd 3 Qp Qd 1
0
第三节
单螺杆挤出理论
Qp Qd
1
Vbz y y Vz 3 2 h3 h3
2 QP h3 P a ( ) Qd 61 Vbz z
Vbz
y
1 Vbz 3
2 h3 3
机头关闭
Q y y p 1+ 3 1 V z = V bz Q h3 h 3 d
第三章
挤出成型
第三节
单螺杆挤出理论
一、挤出理论的准备知识
二、固体输送理论
三、熔融理论 四、熔体输送理论
第三节
单螺杆挤出理论
四、熔体输送理论 研究对象和目的: 对象：熔体输送区，只有液相，没有固相 目的：描述流道中流体的速度及其分布 表征螺槽中物料的输送和混合状态
计算挤出机的产量、功率消耗，控制制品质量
x
z
第三节
单螺杆挤出理论
Qp Qd
y y2 3 2 1 Vz Vbz 4 h3 h3
2 QP h3 P a ( ) Qd 61 Vbz z
Vbz
y
P 1 P2
Q y y p 1+ 3 1 V z = V bz Q d h 3 h3
2 2
第三节
单螺杆挤出理论
螺槽中的速度分布：
V V h
z
bz 3
1 dP y h3 y 2 dz
y
2
（ 6）
V V h
x
bx
y y 2 3 h3 3
（11）
第三节
单螺杆挤出理论
（4）速度分布的讨论 a、螺槽中Vz的分布 由（7）式知：
π D δ t g Δ P QL E 12η L3 2e
2 2 3
E—偏心系数，一般取1.2。
D tg P QL 10 2 e L3
2 2 3
第三节
单螺杆挤出理论
3、计量段的生产率 （3）计量段的生产率
Q 正流流量 逆流流量 漏流流量 Qd Qp QL π 2 D2h 3sin cos n 2 2 2 2 3 πDh 3 sin Δ P π D δ tg ΔP 3 12η1 L3 10η2e L 3
第三节
单螺杆挤出理论
四、熔体输送理论 （一）牛顿流体的理论模型 （3）建立数学模型 流体沿z向的运动方程：
Vz Vz Vz Vz ( Vx Vy Vz ) t x y z P xz yz zz ( ) gz z x y z
积分常数C1和C2可由以下边界条件求得： y=0,Vz=0→c2=0; y=h3,Vz=Vbz →
Vbz h3 P c1 h3 2 z
第三节
单螺杆挤出理论
a、Z向的速度分布方程：
y y2 h3 y p Vz Vbz ( ) h3 2 z
y
（6）
Z
第三节
单螺杆挤出理论
Q Z Qd Qp π D nh 3sincos 2 3 2 πDh3sin ΔP 12η1 L3
2 2
Q Z Qd Qp
第三节
单螺杆挤出理论
3、计量段的生产率
π 2D 2nh 3sincos 2 2 πDh3 3sin ΔP 12η1 L3
（2）螺杆与机筒间隙中的流量（漏流流量QL ）
2
积分（边界条件：y=0, Vx=0；y=h3，Vx= -Vbx）
y y h3 y p Vx Vbx ( ) h3 21 x
2
（ 9）
第三节
单螺杆挤出理论
b、Qx （在x方向上的单宽流率）
Qx
h3
0
Vbx 1 P Vxdy h3 h3 0 2 12η1 x
b、z方向流体的体积流率－Q 体积流率Q＝Vz× 螺槽横截面
QZ W VZ dy
0 3 VbzWh3 Wh3 P ( ) 2 12 1 Z
h3
（7）
第一项：正流流量 第二项：逆流流量
第三节
单螺杆挤出理论
Vbz D n cos W D sin -e, D sin P P P dL sin sin , dz z L L3 sin
x
z
第三节
单螺杆挤出理论 Vb
（4）速度分布的讨论 b、Vx 分布 沿y向Vx的速度分布在所 有的Z位置都是相同的 c、VL 分布
Vbz
VbL
Vbx
V L Vz sin V x cos Qp y y 3Vb 1 1 sin cos h3 h3 Qd
Qp Qd
1
Qp Qd
0
第三节
单螺杆挤出理论
Qp Qd
1
第三节
单螺杆挤出理论
Qp Qd
1
第三节
单螺杆挤出理论
Qቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ Qd
0
第三节