塑料成型挤出成型

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成为的连续制品，如管、板、丝、薄膜、电线电缆等。挤出成型是塑料成型加工中重要方法之一。

挤出成型

• 挤出成型是借助螺杆的挤压作用,使塑化均匀的塑 料强行通过机头成为的连续制品，如管、板、丝、 薄膜、电线电缆等。挤出成型是塑料成型加工中重 要方法之一。
• 挤出机原理
  • 单螺杆挤出机原理
    • 挤出工艺过程：加料→在螺杆中熔融塑化→机头（口模）挤出→定型→冷却→牵引→过程检验（在线监测）→喷码（需要时）→切割 →检验→包装入库
    • 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=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=挤出机生产率
  • 固体输送理论（基于螺杆加料段）
    • 固体输送率Qs Qs是单位时间内从螺杆轴向截面所输送的物料体积，其值等于螺 槽在轴向的投影面积A与物料在轴向的运动速度Vpl的乘积。 Db -螺杆外径；N:螺杆转速H-螺槽深度；𝜃𝑏料筒表面处螺旋角；𝜑移动角
      • 公式讨论①转速N： Qs∝N，提高转速可增大产量。但实际中，N增大一 倍，Qs不一定增加一倍。 原因：N↑，摩擦力↑，温度↑从而影响摩擦系数，也就 影响到Qs。
      • 公式讨论②H1、Db Qs∝Db ，增加螺杆直径，Qs增加。 Qs∝H1，螺杆外径一定时，增加加料段螺槽深度有利 于提高Qs。
      • 公式讨论③螺旋角θ （1）θb=0,物料在螺杆中打滑，不能输送； （2）θb=900，输送率Qs最大； 一般移动角0<θ<900, 增大θ，可以明显提高Qs。
      • 公式讨论④移动角： t：螺纹的导程；L1：固体输送段的轴向螺杆长度；fs：塑料 与螺杆的摩擦系数；fb：塑料与料筒的摩擦系数；P1输送段进 口压力；P2输送段出口压力；H1：加料段螺槽深度。
        • Qs∝ tgФ· tgθb/(tgθb+ tgФ) Qs∝ tgθ/[(tgθb/tgΦ)+1]若Ф↑，则tgФ↑，而(tgθb/tgФ)↓， ∴[(tgθb/tgФ)+1] ↓，即Qs↑。 ∴Qs∝Ф
        • 影响移动角Ф的因素：
      • 实验测得fs在0.25～0.5之间 最佳θb的范围是17~20° 目前常取θb=17°41’
      • 提高fb和降低fs的措施： a.提高螺杆光洁度；涂聚四氟乙烯等。 b.在料筒上开设纵向槽沟，把物料与机筒之间的摩擦系 数转变为物料与物料之间的摩擦，摩擦系数可提高5倍。 c.降低螺杆温度，通冷却水； d. 适当提高加工温度
      • 从工艺上提高单螺杆挤出机的挤出量： 1） 提高螺杆的转速N 2） 适当提高加料段物料的温度和降低螺杆的温度， 有利于增加物料与料筒的摩擦率，减少物料与螺杆的 摩擦力。
      • 从设备上提高单螺杆挤出机的挤出量: 1）增大螺杆的直径； 2）增大螺槽的深度； 3）选用最佳螺旋角； 4）加料段料筒内纵向开槽 5）增加螺杆光洁度。
  • 熔融理论（基于螺杆压缩段）
    • 在压缩段中，物料在挤压系统中受到内热(摩擦热)和外热的作用，开始逐渐熔融。 在熔融区结束时，塑料已全部变为熔体。 因此，物料在压缩段中发生了由固态转化为液态的相转变过程。
    • 熔融过程机理 由于外传热和摩擦热（内热）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。 处于最前面的是全没熔融的物料，这些半熔融和未 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。
  • 熔体输送理论（基于计量段或均化段）
    • 通常以均化段的生产率代表挤出机的生产率， 以均化段的功率为挤出机功耗的基础。
    • 将螺杆料筒展开，料筒与螺杆的相对速度Vb被分解为 平行于螺槽方向的分速度Vbx和垂直于螺槽方向得分速度Vbz, 使熔体产生了不同方向的流动，从而实现了熔体的输送和混合。
    • 正流(拖曳流)Qd (cm3/h)，由分速度Vbz产生沿螺槽向机 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，决定挤出量的大小。
    • 逆流（倒流、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
    • 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。
    • 均化段的生产率是由正流流率Q逆流流率Q,和漏流流率Q三部分组成的。
    • 正流流率Qd是由于物料与金属的摩擦力作用产生的与挤出方向一致的流率。
    • 逆流流率Qp,是由于螺槽中压力梯度而产生的与挤出方向相反的 流率。
    • 漏流流率QL是由于螺棱之间压力梯度而产生的与挤出方向相反 的流率。
    • D:螺杆外径;δ:料筒与螺杆间隙 ;N:转速;e:螺纹轴向宽度; h3;均化段螺槽深度;θb :螺旋角;μ:粘度(μ1、μ2近似相等); △P:压力降;P:机头压力;L3:均化段长度
      • (1) Qm～机头压力P的关系： 正流与螺槽深度成正比，逆流与其三次方成正比，因此压力低时，浅槽 螺杆挤出量会比深槽螺杆低，压力高时相反。
      • （2）Qm～N的关系:
      • （3）Qm～H3的关系
      • （4）Qm～L3的关系:
      • （5）Qm～机筒间隙的关系:
      • （6）Qm～料温的关系： 温度的变化直接影响物料的粘度，实际上温度的变化 相当于影响均化段的长度。
  • 理论局限性
    • （1 ）许多假设，计算值与实际值有偏差；
    • （2 ）三段输出量与质量关系没有解决；
    • （3 ）固体段长度、均化段长度没有完整的公式；
    • （4 ）熔池的起始点无法计算；
    • （5 ）把实际的连续过程人为的分为三段。
  • 单螺杆挤出机结构设计的改进
    • 一般单螺杆多采用等距不等深螺杆，加料段常和均 化段螺槽深度不变，压缩段螺槽逐渐变浅。这种螺杆可 以满足一般的挤出成型，但存在以下三方面的问题： a 熔融效率低; b 压力、温度和产量波动大; c 混合效果差
    • 工艺因素
      • 1.温度 料温来自加热和摩擦热。 ① 料温高，有利于塑化，挤出物出料加快。但机 头和口模温度不能过高，否则挤出物形状稳定性 差，制品收缩率大，甚至制品发黄、有气泡等。 ②料温低，塑化差，功率消耗大。
      • 2.压力 机头压力大，可提高挤出熔体混合均匀性和稳 定性，对产品致密程度好。因此在机头上设置 多孔板、过滤网。 但压力不能太大，否则回压大，挤出量下降。
      • 3.螺杆转速 转速↑，产量↑，剪切作用↑，η↓，有 利于混合和塑化，但功率消耗↑。
  • 双螺杆挤出机 双螺杆挤出机是在一个“∞”字形机筒内，由两根互相 啮合的螺杆所组成。 物料在螺杆中，受到啮合螺棱旋转的推力，沿螺 槽呈螺旋形向前运动，物料被螺杆向前强制输送， 与摩擦无关，适合于粉料、玻纤等添加改性，且输 送效率极高。
    • 优点：
      • a.摩擦产生热量少
      • b.塑料所受剪切力均匀
      • c.螺杆输送能力
      • d.挤出量稳定
      • e.料筒自洁
    • 缺点： 结构复杂，投资大，维修保养烦。
    • PVC挤管、造粒占100%，挤板和型材占80～90%。 双螺杆挤出机目前应用主要在以下几个方面：
      • 1）聚合反应：（浇铸尼龙、接枝反应等）。
      • 2）共混改性：（填充、玻纤、橡塑、喂料等）
      • 3）挤出成型：（主要PVC产品加工）
      • 4）废料处理：（废料二次成型，二次造粒）
    • 啮合型同向旋转双螺杆挤出机
      • 1. 同向旋转时，物料只能被迫地由一根螺杆的螺槽流 到另一螺杆的螺槽中去。呈倒8字形运动。
      • 2. 螺杆在啮合处转动方向相反，对物料剪切作用大， 并能刮去螺槽内积料，具有较好的混炼和自洁效果。
      • 一般用于聚合物混合塑炼。
    • 啮合型异向旋转双螺杆挤出机
      • 1. 两根螺杆的旋转方向不同，一根螺杆物料的前进 方向被另一个螺杆堵死，物料被分割成相互隔离的C型 小室，螺杆每转动一圈，物料前进一个导程。
      • 2. 易使螺杆弯曲磨损机筒磨损机筒，只能在低的转 速下运行。
      • 多用于型材的加工制品，适用于PVC制品。
  • 单、双挤出机性能比较 结论：（1） 双螺杆具有比单螺杆有更多的优点，用途更广； （2） 双螺杆虽然购买价格高，但产量大、比功耗低，收回投资更快 。