郑州大学：塑料成型工艺学 郑国强(模具方向)——第五章 挤出成型

D2 d12 D1h1 2 2 D d3 D3h3
工厂常用式 ε=0.93 h1/h3来表示。
（3） 熔化过程:图3-6-11为固体物料在螺槽中的熔化过程示意 图。
固体物料在螺槽中的熔融过程
1-熔膜 2-熔池 3-迁移面 4-熔融的固体粒子 5-未熔融的固体粒子
①熔膜：
与料筒（螺杆）表面接触的固体物料，由于料筒热 传导和摩擦热作用，首先熔化，形成一层熔膜。 ② 熔池： 逐渐熔化的物料，在料筒与螺杆的相对运动作用下， 不断向槽螺的推进面汇集，而形成漩涡状的流动区，称 为熔池即液相。 ③固体床： 熔池前面充满着受热软化和半熔化后粘接在一起的 固体粒子 ，和完全未熔化的固体粒子，总称为固体床。 ④ 迁移面： 熔膜和固体床间的界面称为迁移面。熔化过程主 要在迁移面进行。
5.3 单螺杆挤出工作原理
5.3.1 固体输送
加料段具有输送固体物料，兼有预压、预热 作用。 要使制品质量、产量稳定，须满足以下两 个条件： 1. 熔体的输送速率等于固态物料的熔化速率 2. 沿螺杆轴向任一截面物料的质量流率等于 挤出机生产率 目前对此理论的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。
5.2.2 挤出机的辅助设备
※物料处理设备 主要指预热干燥等设备 ※挤出物处理设备 主要指冷却、牵引、切割、卷取、检测设 备 ※控制生产工艺的设备 主要指各种测控设备
5.2.2 挤出机的一般操作方法
※设备调试 ※安全 ※清洗
5.3 单螺杆挤出原理
学习目标：
掌握挤出理论中影响生产和产品质量的因素
直至螺杆处，Vz=0。
可视化研究熔融实验结果
粒料加人挤出机后, 固体 粒子以松散状态向前运动, 同 时粒子之间存在相互滑移。随 着内部压 力的建立, 松散的粒 子渐渐被压实, 粒子间隙缩小, 粒子相互运动的自由度减小
进入熔融段后, 粒子受热发 生粘连, 但粒子间界面仍然很清 楚。由于热、力的作用使粒子 发生变形, 粒子间的空隙逐渐被 填充, 如图所示。从图可以看出, 粒子中心的颜色接近固体颜色, 粒子周边的颜色半透明, 接近熔 体颜色, 这表明粒子中心部分的 温度低于周边温度, 同一粒子内 部存在温度差。因此对每一个 粒子而言, 其熔融过程是从外向 内进行的。
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：
※ 过滤板（网）的作用：
Ⅰ. 使物料由螺旋运动转变为平直运动。 Ⅱ. 过滤杂质和未熔化好的塑料颗粒。 Ⅲ. 使物料受到较大的剪切作用，以利于塑料塑化均匀。 Ⅳ. 使料筒和机头定位。
※
对机头结构的要求：
Ⅰ. 口模定型部分应有适当长度。 A. 使物料处于稳定流动; B.减小熔体弹性和出口膨胀； C. L长，产量提高; D.太长，笨重，阻力大，Q降低。 Ⅱ.机头中过渡部分应光滑，呈流线型。 原因：防止物料的停滞和分解。 Ⅲ. 应设置调节装置，改善周边的流率分布。（厚度均匀）
πD=b1+b2= l·cotθ+l·cotφ= l（cotθ+ cotφ）
所以
D L cot cot
DN D N tan tan Va cot cot tan tan
因此
（2）
2 D h( D h) N tanபைடு நூலகம் tan Q tan tan
5.3.5 单螺杆挤出机生产能力分析
5.3.6 螺杆和口模的特征曲线
螺槽中固体输送的理想模型(a) 和固体塞移动速度的矢量图(b)
• 假设条件：
①物料与螺槽和料筒壁紧密接触形成固体塞（床），以 恒速移动； ②略去物料重力、密度变化的影响； ③磨擦系数恒定，压力是螺槽长度的函数； ④螺槽为矩形
• •
经过分析可看出物料的运动类似螺母运动。 提高固体输送的措施
① 适当提高螺杆转数N和螺槽深度H; ② 采用锥形结构料筒；在加料段料筒内壁开设纵向沟槽 （提高fb）；冷却进料段防止物料提前软化； ③ 冷却螺杆加料段（减小fs）,增加螺杆表面光洁度（减 小fs）
加料段的送料量 Qs （摩擦力静平衡） Qs应为螺槽的横截面积与轴向速度Va的乘 积，可得:
Qs=SVa=π/4 [D2－（D－2h)2]Va=πh(D-h)×Va
（1）
螺杆的展开图(a)和固体塞移动距离的计算(b)
由上图的展开图可见，螺杆转动一周，物料在螺 纹斜棱推力作用下，沿与斜棱垂直的方向由A移向B， AB在螺杆轴上的投影距离为l，物料在轴向的移动速度 为Va；若螺杆的转速为N，则 Va=l×N 由上图中螺杆的几何关系可得出：
固体塞摩擦模型
受力分析
由上图知：Fb= PAbfb，Fs= PAsfs ，Fbz=AbfbPcosφ。
稳定流动时，Fs= Fbz，则Asfs=Abfbcosφ
①Fs= Fbz=0，物料在料筒中不能发生任何流动。 ③ Fs< Fbz，物料能在料筒与螺杆间产生相对运动。
② Fs> Fbz，物料被夹带于螺杆中随螺杆转动不产生移动。
5.3.3 熔体输送理论
熔体有四种形式的流动： 正流：
正流(拖曳流)Qd(cm3/h)，沿螺槽向机头方向的流动。由于螺杆转动，塑 料在螺杆根部与机筒间形成相对运动造成的，它决定挤出量的大小；
逆流：
逆流（反流）Qp，与Qd相反的流动。由机头、多孔板等阻力元件对熔体 的反压力造成，也叫压力流，随机头压力的升高而增加；
（3）
影响加料段送料量的因素：
①物料的移动角（前进角）的影响：0≤ φ ≤900 Ⅰ φ =00时， φ最小。 Ⅱ φ =900时， φ最大。
但对成型来说都不现实！！！
②槽深h的影响： 在D不变时，h增大，θ提高。 ③减小fs，Q↑。 ④增大fb，Q↑。
tan tan ⑤选择合适的螺旋角θ,且使 最大时，Q↑。 tan tan
Ⅲ-计量段（均化段）
最常用的是等距不等深螺杆
③螺旋角和螺棱宽度(e):螺旋角取决于料粒 的形状，例如30o对应粉状， 15o左右对应 方块状，17o左右对应球状和柱状， ④螺杆头部形状：一般呈锥形，以避免在螺 杆头部停留过久而导致分解出现。
5.1.2 双螺杆挤出机的结构
典型的双螺杆挤出机的螺杆：
定义：挤出成型又叫挤塑、挤压、挤出模 塑。是借助螺杆或柱塞的挤压作用,使塑化 均匀的塑料强行通过口模而成为具有恒定 截面的连续制品。
挤出管材生产
管材挤出的辅助设备
挤出片材生产
挤出线缆包覆成型
挤出吹塑薄膜
挤出中空吹塑成型
塑料挤出成型工艺流程
• 挤出过程：
加料——在螺杆中熔融塑化——机头口模挤出— —定型——冷却——牵引——切割
单螺杆挤出机的结构
传动系统：是带动螺杆转动的部分，通常由电 机、减速机构以及轴承等组成； 加料装置：主要是料斗，但工厂都采用自动加 料装置，甚至带有烘干、计量装置等； 料筒：包裹在螺杆外部的装置，起到受热受压 的作用，物料的塑化和加热、加压都在其中进 行，大部分都有冷却装置（风、水冷）； 螺杆：利用它才能使料筒内的塑料向前移动， 得到加压和热量（摩擦热）； ①螺杆的直径（D）和长径比（L/D），长径 比决定了体积容量以及塑化的均匀性。
Colombo螺杆； 锥型双螺杆； 组合型双螺杆；
5.2.2 机头和口模
※圆孔口模 主要用来生产棒材、单丝造粒，口模平直部 分长度和直径比小于10 ※扁平口模 一般用来生产厚度小于0.25mm的膜或板材 ※环形口模 一般用来生产管材、管状薄膜、吹塑用型胚以及 电线电缆 ※异形口模 主要用来挤出不同横截面的制品
Q=71Kg/h
螺杆中聚丙烯熔融时固体床在螺槽中的深度变化曲线
螺杆压缩段中物料的速度分布(a) 和温度分布(b)
压缩段速度和温度的分布
①料筒内表面处，Vz最大。 ②熔膜中，Vz在深度方向（Y）自上而下减小。 ③ 固体床中，各处Vz相等。 这是因为有熔结固体块，粘度大，移动困难， 差别不明显。 ④靠近螺杆的熔膜中，Vz在Y方向自上而下减小，
⑥ D↑，Q↑， N ↑ ，Q↑ 。
⑦φ ↑， θ ↑ 。
影响加料段送料量的因素：
① 适当提高N和H; ② 采用锥形或强烈冷却的进料段料筒结 构； 在加料段料筒内壁开设纵向沟槽（提高 fb）； ③ 冷却螺杆加料段（减小fs）,增加螺杆表 面光洁度（减小fs ）一等螺杆Ra=0.8μm,优等 0.4μm。 ④ 在螺杆中心通冷却水，以降低螺杆表 面的摩擦系数
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。
5.1 挤出设备
•
由挤出机、机 头和口模、辅 机等组成。
主要设备
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。 挤出系统是最主要 的系统，它由料筒、 螺杆、多孔板和过 滤网组成。
① 熔融料呈流线型，未塑化料始终呈固态 ② 固—液两相有一明显分界线 ③ 固相逐渐消失，固体塑化完全集中在熔膜处
※ 熔融机理：
加料段压实——逐渐熔融成一层熔膜——超过后边螺槽刮落 于前侧形成熔体池——固体床减小——直至物料完全熔融
主要作用 ①使物料熔融塑化。 ②压实物料。 ③排出物料中的气体。 螺杆的压缩比(ε): 定义：指螺杆加料段第一个螺槽容积与计量段最后一个螺槽容积之比。 对于常用的等距不等深螺杆的压缩比常用加料段和计量段螺槽的 横截面积之比来表示。 几何压缩比 ：
5.3.2 固体熔融
※ 研究目的：
①预测螺槽中未熔化物料量 ② 熔化全部物料所需螺杆长度 ③ 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：
第五章 挤出成型
内容简介：
挤出成型是借助螺杆的挤压作用,使塑化均匀的塑 料强行通过机头（口模）而成为连续的制品，如管材、 板材、丝、薄膜、电线电缆等。挤出成型是塑料成型 加工的重要方法之一。根据对塑料的加压方式不同， 可分为连续式和间歇式；按塑料的塑化方式不同可分 为干法和湿法两种。
本章重点：
1.单螺杆挤出原理 2. 几种制品的挤出工艺：吹塑薄膜、管材、拉伸产品、 板与片、其它产品
物料在该段类似于“弹性固体塞”，固体 塞在螺槽内的运动就如螺帽在螺丝上的运 动一样。 ① 如旋转螺丝，而螺帽上无压力，则 螺帽跟着螺丝转动而不前移。 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。
环流：
横流（环流）Qt,由分速度Vbx引起的在螺槽内与正流垂直的流动。对总挤 出量影响不大，可忽略不计，但对熔体的混合、塑化、热交换起重要作 用；
漏流：
漏流Ql，由机头阻力元件引起的物料反向流动，沿螺杆与料筒间隙向加料 口方向流动，可降低挤出量。正常情况很小0.1～0.6mm，Ql小，但磨损 严重时，Ql的增加与平方成正比。
螺杆的主要参数： D：螺杆外径； d：螺杆根径； L：螺杆长度； ｔ：螺距； Ｗ：螺槽宽度； ε：压缩比 ｅ：螺纹宽度 ； ｈ：螺槽深度； φ：螺旋角； Ｌ/D：长径比。
② 螺杆形式和分段
1-渐变型(等距不等深)
2-渐变型(等深不等距)
3-突变型 4-鱼雷头螺杆 Ⅰ-加料段（固体输送段） Ⅱ-压缩段（熔融段）
螺槽全长范围固体床熔融过程示意图: 固体床在螺槽中的分布变化(a) 和固体床在螺杆熔融区的体积变化(b)
随着塑料向机头方向的移动，熔化过程逐渐进行。从始熔 点A起，固体床宽度逐渐减小，熔池宽度逐渐增大，直至B点时， 固体床消失，即完成了熔化过程。（固体床深度的变化见下图 ）
D=90mm
N=60转/分