第六章 高分子材料挤出成型

工，此时， θ =。17.41o
螺纹棱部宽度（E） 影响漏流，进而影响产量。
螺杆与料筒的间隙（）
螺杆的作用
螺杆的作用
输送物料 传热塑化物料 混合与均化物料
螺杆各段的作用
加料段：物料入口向前延伸的一段称为加料段， 在该段，物料依然是固体，主要作用是使物料传 热软化，输送作用，无压缩作用。是固体输送。 压缩段：压缩段是指螺杆中部的一段，物料在这 一段中受热前移并压实熔化，同时也能排气，压 缩段的体积逐渐减小。 均化段：螺杆最后一段，均化段的作用是使熔体进 一步塑化均匀，并使料流定量，定压由机头流道均 匀挤出，这段螺槽截面是恒等的，但螺槽深度较浅。
旋转 运动 增大
轴向 水平 运动 增大
固体输送理论
为了提高轴向水平运动： ● 螺杆表面光洁度增加； ● 螺杆中心通冷却水—物料与螺杆的表面摩擦
力减小； ● 料筒内壁光滑； ● 加料段特设纵向沟槽—物料与料筒表面的
切向摩擦力增加。
熔化理论
塑料在压缩段是从固体状态到完全熔化状 态，同时要受到压缩作用，在该段，物料温 升快，物料内摩擦作用大，压缩大。 在压缩段：固相 液相转变 相迁移段
螺杆的结构形式
变深变距 适应于无 定型塑料
等距等深 （深槽变浅槽）
适应于结 晶型塑料
几种新型螺杆
分离型螺杆 这种螺杆是在螺杆的压缩段附加一条螺纹，
这两条螺纹把原来一条螺纹形成的螺槽分成两 个螺槽，一条螺槽与加料段螺槽相通，用来输 送固态物料；另一条螺槽与均化段相通，用于 液态物料的输送。这就避免了单螺纹螺杆固液 共存于一个螺槽引起的温度波动。
熔体输送理论
熔体在均化段作组合流动，挤出量Q是上述四种流 动综合的结果。
如果忽略环流（ QT ）的影响，则均化段熔体的输 送量（流率）为：
Q= QD-（ QP+QL ） 与螺杆的结构参数、T、P、粘度有关。 宏观上看，只有物料沿螺杆螺槽的轨迹运动。
○ 单螺杆挤出机生产能力的计算 实测法 在挤出机上测出制品从机头口模中挤出的线速 度，由此来确定产量，准确直观不通用。
物料受到挤压：压缩比的作用 物料受热：料筒加热+摩擦热
逐渐熔化
（1）熔化过程
相互粘接固体粒子
压缩
料筒热+摩擦热
紧密堆砌的固体床
熔化
当熔膜的厚度大于
螺纹间隙时，熔膜被
料筒表面“拖曳”而
汇集于熔池。ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
同时，固体床又以
一定的速度沿Y方向
移向分界面，加以补
充形成新的熔膜。以
保持状态稳定。
（2）相迁移面
熔化区内固体相和熔体相的界面称为相迁移面。熔化 发生在相迁移面。
用适当的方法，使挤出的连续型材冷却定 型为制品。
6.4 挤出成型设备
螺杆式挤出机—连续成型，用途最多。 柱塞式挤出机—间歇成型，一般不用。
（UHMWPE，PTFE）
单螺杆
螺杆式挤出机 双螺杆
多螺杆（行星螺杆挤出机） 其中以单螺杆最常用，也较为简单。
第一节 单螺杆挤出机的基本 结构及其作用原理
单螺杆挤出机
两组曲线的交战是 操作点。
利用这种图，可以 求出指定挤出机，配 合不同的机头口模时 的挤出量。
○ 挤出流率的影响因素
机头压力P与流率Q的关系
A：A↑，P ↑； : 螺杆与料筒的间隙： , P ; h3：螺槽深：h3 ↓ ，P ↑； K：流动常数：K ↑ ，P ↓ ； 正流与P无关，逆流和漏流与P成正比。 P ↑——Q ↓ ；但有利于塑化。
传动系统 挤出系统 加热和冷却系统 控制系统 附属装置
加料装置 料筒 螺杆 机头
口模
○ 料斗
即加料装置，以保证物料向机筒供料。 有冷却夹套，有定时定量自动加料装置。
○ 料筒 是一个受压的金属圆筒，其外层有加热和冷却
系统。 料筒的作用
对塑料加热。 配合螺杆，使塑料塑化。 对塑料冷却的目的：防止停车时，因过热造成分解。
按粘性流体流动理论计算
根据：物料在螺杆中的速度；螺杆的几何尺寸； 熔体在管道中的流动方程式。
Q 2D2nH sin cos DH 3 sin2 P 2D2 3 tanP
2
12 L
12 EL
Q An B P
A和B只与螺杆的结构尺寸有关。
按粘性流体流动理论计算
如果考虑塑料的非牛顿性，若删去QL，应为：
○ 螺杆特征曲线和机头口模特征曲线
而塑料熔体，通过机头和口模时的体积流率， 可以根据牛顿流体在简单圆管中的流动方程来表示：
Q K P
K—机头和口模的阻力常数。 这也是通过原点的直线方 程，如果口模尺寸不同，K 值不同，斜率不同，可以 作出一系列的直线—口模 特征曲线。
○ 螺杆特征曲线和机头口模特征曲线
按经验公式计算
对挤出机生产能力进行多次实际调查、实测、 并分析总结而得。
Q D3 n
○ 单螺杆挤出机生产能力的计算 按固体输送理论计算 把挤出机内的物料看成是一个固体塞子，把物 料的运动看成像螺母在螺杆上移动。
Q 0.06 Da A n ' cos
相当于一个螺距内的螺槽容积。
第六章 挤出成型
6.1 概述 挤出成型在高分子材料领域中，是一个变化
众多，用途最广，比重最大的成型工艺。
挤出过程是使高分子材料的熔体在挤出机的 螺杆挤压作用下，通过一定形状的口模而连续 成型，所得的制品为恒定截面的连续型材。
三大合成材料的挤出，没有本质上的区别， 所用设备加工原理大同小异。挤出理论、工艺 以塑料为多，故本章主要讨论塑料的挤出成型。
静态变化：
固体
弹性体
黏流体
动态变化： 在螺杆和料筒之间沿螺槽向前流动。
其它变化：
T，P，黏度。 物理和化学变化。
○ 挤出过程和螺杆各段的职能
由于塑料在挤出过程中，在螺杆的全程中， 其流动情况是不相同的。把塑料在挤出机内 的流动沿螺杆往机头方向分三段讨论：
加料段：固体输送区，物料形变很小。 压缩段：熔融区，物料压缩形变大，熔融 流动次要。 均化段：熔体输送区，熔融流动是主要的。
○ 挤出过程和螺杆各段的职能
○ 挤出理论
固体输送理论
加料段的主要作用是固体输送。
塑料：未熔化，疏松的固体，表面发粘结块， 形变不大。
物料沿螺槽 的向前运动
旋转运动—物料与螺杆的 摩擦作用力。 轴向水平运动—螺杆旋转 时的轴向分力。
固体输送理论
物料 物料
螺杆表面的摩擦力大。 料筒表面的切向摩擦力小。 螺杆表面的摩擦力小。 料筒表面的切向摩擦力大。
（3）熔化长度
从熔化开始到固体床 的宽度降到零为止的螺槽 总长。熔化速度越高，熔 化长度越短。
（4）模型假设
挤出过程是稳定的； 固体床是均匀的连续体； 塑料的熔融温度范围很窄。
（5）熔化理论归结为 熔化物料的热源—料筒加热+熔膜内摩擦热； 这些热量通过熔膜传导到相迁移面； 固体粒子在分界面上熔化； 沿螺槽深度方向物料的温度分布和速度分布为：
几种新型螺杆 销钉螺杆
机头和口模
机头和口模通常为一个整体，机头为机筒和 口模之间的过渡部分，口模是制品横截面的成型 部件。机头的作用是将处于旋转运动的聚合物熔 体转变为平行直线运动，使物料进一步塑化均匀， 并将熔体均匀而平稳地导入口模，还赋予必要的 成型压力，使物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。聚合物熔体在口 模中流动时取得所需形状，并被口模范外的定型 装置和冷却系统冷却硬化而定型。
口模应有足够的成型长度。 机头成型部分横截面的大小，必须保证物 料有足够的压力，使得制品密实并消除熔接 缝，因此物料在机头中应保证一定的压缩比。
在满足强度的条件下，结构应紧凑。
辅助设备
辅助装备
原料输送干燥 定型冷却 牵引装置 切割装置 其它辅助装备
第二节 挤出成型原理
热塑性塑料在挤出过程中的变化：
熔体输送理论
（1）正流
按Z方向，是沿螺槽向机 头口模方向的流动，是均化段 熔体流动的主体，以QD表示体 积流率。
（2）逆流 按Z的反方向，是沿螺槽向 加料口方向的流动，这是受机 头口模阻力造成的反压流动， 以QP表示体积流率。
熔体输送理论
（3）横流 粘流态料在螺槽与料筒之间， 沿垂直—水平方向的环流，是 由于螺杆的螺旋状推挤作用造 成的，以QT表示。 （3）漏流 塑料熔体在螺杆与料筒的间 隙中流动，是沿螺杆轴向的流 动，是由机头、口模的回压造 成的，以QL表示。
○ 单螺杆挤出机生产能力的计算
按粘性流体流动理论计算
把挤出机内的物料当作粘性流体，把物料的运 动看作是粘性流体流动来计算生产能力。
即为均化段熔体的流率： Q= QD-（ QP+QL ）
几个假设： 塑料的流动是滞流（层流），为牛顿流体。 塑料的温度没有变化，当然其粘度也不变。 此段的螺槽宽度与深度之比>10。
熔体输送理论
均化段物料是均一的粘流状态，它关系到挤出 产量和质量，对该段主要研究物料的流动—是一 种拖曳流动。
均化段螺槽：图8-17。 螺杆旋转时，由于推挤作用，塑料沿Z方向移 动，但由于机头回压，塑料又有反压流动，使均 化段料流复杂，一般认为，物料在均化段有四种 流动：正流、逆流、横流、漏流，挤出流量是这 四种流动的总和。
Q
2D2nH sin
2
cos
DH (m
m2 sinm1 2)2m1
K
P L
m
比较两式可以看出，第一项完全相同，第二项 不同，说明塑料的流变性能仅与逆流项有关。
○ 螺杆特征曲线和机头口模特征曲线
螺杆特征曲线：
由式 Q An， BA、PB为常数， 与温度有
关。给定挤出机，在等温条 件下操作，用不同的螺杆速 率n，可作Q—p坐标图，得 一系列具有负斜率平行直线 —螺杆特征曲线。