第七章挤出成型

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2.熔化理论 它是研究塑料在挤出机螺杆的熔融段内固态 转变为熔融状态的过程，并建立在热力学、 流变学基础上的一种理论。它对于了解塑化 的情况，指导螺杆熔融段的设计，控制工艺 条件以保证制品的质量是很重要的。然而， 由于塑料在熔融段的多相性，其变化过程复 杂，该理论尚处于发展阶段，在这里作简单 的介绍。
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（1）正流Qv,D 塑料熔体在料筒和螺杆之间沿着螺槽方向朝 机头方向的流动。它是由旋转螺杆的挤压所 造成的，其体积流量用Qv,D表示。
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（2）逆流Qv,p 其流动方向与正流相反，它是由机头、多孔 板、过滤板等阻力引起的压力梯度所造成， 又称为压力倒流，其体积流率以Qv,p表示。
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1.固体输送理论该理论是以固体对固体的摩擦 静力平衡为基础建立起来的。为研究方便，假 定：
①物料与螺槽和料筒内壁紧密接触，形成具有弹性的固体塞， 并以恒定的速度移动； ②固体塞与料筒表面、螺槽底面和侧面的摩擦因数是一个常数， 可取不同值； ③忽略料筒与螺棱之间的间隙，螺槽是矩形的并且深度不变， 固体塞的密度不变。
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3.3 均化段 计量段 将塑化均匀的物料在均化段螺槽和机头回压 作用下进一步搅拌塑化均匀，并定量定压的 通过机头口模挤出成型。一般无压缩作用。 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
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熔融区物料剖面
熔膜
熔池
固体床
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熔化过程 压缩 料筒热＋摩擦热 体床 --------------------- 熔化

相互粘结固体粒子--------- 紧密堆砌的固
同时，固体床又以一定的速度沿轴向移向分 界面，加以补充形成新的熔膜，以保证状态 稳定。
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（3）螺杆的压缩比A 定义：加料段第一个螺槽容积：均化段最后一个螺槽容积， 表示物料通过螺杆的全过程被压缩的程度 一般 2～5 获得方法：采用等距变深、等深变距、变深变距螺槽 （4）螺槽深度H 决定塑料的塑化及挤出效率 小：剪切速率高，利于传热和塑化，但挤出生产效率低 热敏性塑料——深槽螺杆 热稳定性较高、熔体粘度低——浅槽螺杆 H1≥0.1 DS H3=0.02~0.06 DS
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当物料与螺杆表面的摩擦力大、与料筒表 面的切向摩擦力小 固体塞以旋转运动为主 当物料与螺杆表面的摩擦力小、与料筒表 面的切向摩擦力大 固体塞以轴向水平运动为主
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固体塞运动受到螺杆与料简表面之间摩擦 力的控制 为了提高固体输送效率，可以采取以下措 施
在螺杆直径不变时，增大螺槽深度； 减小物料与螺杆的静摩擦因数； 增大塑料与料筒的静摩擦因数； 选择合适的螺旋角
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螺杆式挤出机
借助螺杆旋转时螺纹所产生的推动力将物 料推向口模。这种挤出机中通过螺杆强烈 的剪切作用，促进物料的塑化和均匀分散， 同时使挤出过程连续进行，因此可以提高 挤出制品的质量和产量，它适用于绝大多 数热塑性塑料的挤出。
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第一节 单螺杆挤出机基本结构及作用 1 传动系统 2 挤出系统——挤出成型系统的关键部分 加料装置 料筒 螺杆 机头 口模 3 加热系统：采用电阻丝加热，也可电感应加热，蒸汽或油加 热。 4 冷却系统：空冷或水冷，其作用是防止进料口处的物料过热 发粘，出现搭桥现象，使物料供料不足。另外在紧急停车时， 避免物料过热降解。
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上。 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。

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模型假设：




挤出过程是稳定的，即在挤出过程中螺槽内的熔化 物料与固体床的分界面位置是固定不变的。 固体床是均匀的连续体，而且在螺槽的横截面上为 矩形。 物料的熔融温度范围较窄，因此固液相之间的分界 面比较明显。 螺杆固定，料筒旋转，当熔膜厚度超过螺杆与料筒 的间隙时，熔膜被料筒表面拖拽，汇集于熔池，同 时固体床以恒定的速度移向分界面，以保持稳定的 状态。 固体粒子的熔化是在分界面上进行的。
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（5）螺旋角 θ＝10°～30° 定义：螺纹与螺杆横截面之间的夹角 θ大，挤出机的生产能力提高，但螺杆对塑料 的剪切挤压作用减小 θ＝10°～30° 实验证明： θ＝30°适合细粉状物料；均化段的挤出产率 最高 θ＝15°适合方块状物料 θ＝17°适合圆柱状物料 常用螺杆的θ＝17.7°
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长径比 一般 15～25 以25居多 最大可达40


小：对塑料的混合和塑化不利
大：改善塑料的温度分布，混合均匀，减少挤 出时的漏流和逆流，提高挤出机的生产能力；
适应性强，可用于多种塑料的挤出

过大：热敏性塑料因受热时间太长而容易分解， 螺杆的自重增加，制造和安装都困难，挤出机 的功率消耗增大


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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
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第二节
挤出成型原理
一. 挤出过程和螺杆各段的职能：
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二、挤出理论 根据塑料在挤出机中的物理状态变化和流动 行为，建立 固体输送理论 熔化理论 熔体输送理论

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挤出成型的设备 柱塞式挤出机 借助柱塞的推挤压力，将事先塑化好的或由 挤出机料筒加热塑化的物料从机头口模挤出 成型的。物料被挤完后柱塞退回，再进行下 一次操作，挤出机对物料没有搅拌混合作用 挤出机能够产生较大的压力，一般来说，其 操作是间歇进行，物料的塑化程度和均匀性 不如螺杆式挤出机，因此应用范围受限制。 它适用于聚四氟乙烯，超高相对分子质量聚 乙烯等塑料的挤出。

根据以上假定，作出螺槽中固体输送的理想模 型为研究挤出机加料段物料的输送。
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加料段的主要作用是固体输送 塑料：未熔化ห้องสมุดไป่ตู้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
它们共同作用的结果，使物料沿螺槽向机头 方向前进
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单螺杆挤出机基本结构
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机 头和 口 模
螺杆
料筒
加料 装置
传 动 装 置
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一. 加料装置及作用 有些加料斗还配备真空装置或加热装置，以 便防止物料从空气中吸收水分。有些料斗有 振动搅拌器，并能自动上料与加料。 料斗底部有冷却夹套，防止“架桥”。 主要是指料斗，大多数设备用的加料斗是圆 锥形的，其容量至少要求能容纳1h的用料。 底部有截断装置，以便调整和切断料流。侧 面有玻璃视镜和标定计量的装置。
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（3）横流Qv,T 它是熔体沿着垂直于螺纹壁的流动，它使物 料在螺槽内产生翻转运动，而形成环流。它 对挤出量的影响可忽略，但对挤出过程中熔 体的混合和热交换作用却很大。
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H2
S
H1
θ
计量段 L 3
压料段 L 2 螺杆长度 L D e S 螺杆直径 螺棱宽度 螺距
加料段 L 1
H1 H2 θ
加料段螺槽深度 计量段落槽深度 螺旋角
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3.螺杆的作用： 输送物料 传热塑化物料 混合均化物料
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3.1加料段L1 加热送来的物料并输送到压缩段 L1 ＝60~65% L0 3.2压缩段L2 挤出和剪切加料段送来的物料，加热物料使其转变为熔融体， 赶走塑料中的空气及其它挥发成分，增大塑料的密度。 无定形塑料 L2＝55～65％ L0 熔融温度范围宽的塑料PVC L2 =100％L0 渐变螺杆 结晶型塑料，熔融温度范围窄, L2 =3~5DS 突变螺杆
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（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
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（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
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第七章
挤出成型
本章重点： 挤出成型的概念 挤出成型的用途 本章以论述塑料挤出为重点 重点以单螺杆挤出机的结构特点来讨论挤 出成型原理和工艺
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挤出成型，挤出模塑，是塑料重要的成型方法之一， 是使高聚物熔体（或粘性流体）在挤出机的螺杆或柱 塞的挤压作用下通过一定形状的口模而连续成型，所 得的制品为具有恒定断面形状的连续型材。 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
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物料的温度分布和速度分布
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料筒表面 物料的速度最大 固体床物料的速度是相同的 螺杆表面物料的速度为零
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3、熔体输送理论 均化段物料处于恒定密度的粘流状态 均化段螺槽展开图： P229图7-17 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，即正流、逆流、横 流、漏流，物料在均化段螺槽中的流动是 这四种流动的总和。
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熔化过程 由于外传热和摩擦热的共同作用，与料筒内 表面接触的物料首先熔化，形成熔膜。 当熔膜厚度超过螺杆与料筒间隙时，熔膜被 螺棱的推进面刮到螺槽中，并逐渐汇集成旋 转的流动区，形成熔池。 在熔池的前方是一些受热软化和半熔融的物 料，而处于最前面的是完全没熔融的物料， 这些半熔融和未熔融的物料称为固体床。 固相与液相的界面称为迁移面，熔化在此进 行。热源：料筒壁传导和摩擦。
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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： 耐磨、耐腐蚀、高强度的合金钢 碳钢内衬合金钢
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三. 螺杆 作用：输送、挤压、剪切 1.用耐热、耐腐蚀、高强度的合金钢制作 2.表面高硬度、高光洁度 3.转速10～120 rpm、无级变速 4.几何参数 （1）螺杆直径DS 外径 30~200mm之间 常 见 60～150mm (2) 螺杆的长径比 一般 15～25 以25居多 最大可达40
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
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粗滤器、过滤网 作用：使物料流由旋转运动变为直线运动， 阻止杂质和未塑化物料通过并增加料流背 压，使制品更加密实。其中粗滤器还起支 撑过滤网的作用，但在挤出硬聚氯乙烯等 粘度大而稳定性差时，一般不用过滤网。
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4
其它辅助设备 挤出机辅助设备大致可分为以下三类：

1、挤压前物料处理的设备(如预热、干燥等) 一般用于吸湿性塑料。干燥设备有烘箱或沸 腾干燥器等。有的干燥设备直接设置在加料 斗上。
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。
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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 应用范围广，广泛应用于塑料、橡胶、合成纤维的 成型加工，也常用于塑料的着色、混炼、塑化、造 粒及塑料的共混改性等。 挤出—吹塑成型，中空吹塑制品 挤出—拉幅成型，双轴拉伸薄膜 产品形状多样 设备简单，投资少，占地面积小