第六章高分子材料挤出成型课件.ppt

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1、,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。,6.1 概述,橡胶挤出压出。,合成纤维螺杆挤出纺丝。,塑料主要是热塑性塑料，现在也有热固性塑 料。,挤出成型的制品都是连续的型材，如板材、薄膜、片材、带、异型材等。,塑料上色，混炼，塑化造粒，共混改性。,以挤出为基础的配合吹胀和双轴拉伸：吹塑成型和拉

2、幅成型。,6.2 工艺特点,连续成型，产量大，生产效率高。,制品外形简单，是断面形状不变的型材。,制品质量均匀密实，各向异性小，尺寸准确性较好。,适应性很强：,几乎适合除PTFE外所有热塑性塑料。,只要改变机头口模，就可以改变制品形状。,可用来塑化、造粒、染色、共混改性、也可同其它方法混合成型。此外，还可作压延成型的供料。,6.3 挤出成型的基本过程, 塑化,在挤出机内将固体塑料加热，并依靠塑料之间的内摩擦热使其成为粘流态物料。, 成型,在挤出机螺杆旋转的推挤作用下，通过具有一定形状的口模，使粘流态物料成为连续的型材。, 定型,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

3、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）,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, 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。, 螺杆,是挤出机的最主要部分，其结构对挤出工艺有重要影响，挤出不同高聚物有不同形式的螺杆。,螺杆的结构,螺杆的几何参数,螺杆的直径（D）,代表挤出机的规格，D ，生产能力。,螺杆的长径

4、比（L/Ds）,影响挤出机的产量和挤出质量（衡量塑化效率）， L/Ds ，塑料的停留时间，混合塑化效果。,螺杆的压缩比（A）,A=螺杆第一螺槽的容积/螺杆第二螺槽的容积。,A的获得：等距变深，等深变距，变深变距。,A ，制品致密，排除物料中所含空气的能力大。,螺槽深度（H）,影响塑料的塑化及挤出效率。H小，产生的剪切速率大，塑化效果好，但生产率低。 H1一般是一个定值， H1 0.1Ds； H2是一个变化的值； H3=0.020.06 Ds，Ds较小者取大值，反之，取小值。,螺旋角（ ）,螺旋角大，出料快，生产率高，但停留时间短，塑化效果差。当螺杆在Ls=Ds时，最容易加工，此时， 。,螺纹棱

5、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。,螺杆三段长度的分配比例,螺杆的头部形状,图 常用螺杆头部形状（a）大圆锥 （b）锥体 （c）半圆形 （d）鱼雷体,螺杆的结构形式,变深变距

6、 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。,几种新型螺杆,屏障型螺杆,屏障型螺杆就是在螺杆的某部位设置屏障段，使未熔的固态物料不能通过，并促使固态物料熔融的一种螺杆。,通常情况下，屏障段设在均化段与压缩相交处。,几种新型螺杆,分流型螺杆,螺杆的某一部分设置许多突起部分、沟槽或孔道，将螺槽内的料流分割，以改变物料的流动状态

7、，熔融状态，增强混炼和均化作用。,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。,机头和口模的主要组成部分,过滤网、多孔板、分流器、模芯、机颈和口模。,过滤网和多孔板的作用是使物料由螺旋运动变为直线运动，以及增加料流背压，使制品更加密实。,口模的

8、结构示意图,对机头和口模的要求,对熔融料的流道应十分光滑，表面粗糙度Ra不低于1.6 um并呈流线型，流道不能突然扩大或缩小，更不能有死角。,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,第二节 挤出成型原理,热塑性塑料在挤出过程中的变化：,静态变化：,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

9、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。,固体输送理论,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

10、。,（1）熔化过程,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。,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。,（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：,熔体

11、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。,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

12、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。,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。,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

13、而得。, 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。,相当于一个螺距内的螺槽容积。, 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。,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。,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,

14、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：,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 ，A、B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Qp坐标图，得一系列具有负斜率平行直线螺杆特征曲线。, 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：,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

15、曲线和机头口模特征曲线,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：,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。,螺杆转速n与流率Q的关系, 挤出流率的影响因素,对于一定的机器，挤出量与螺杆转速成正比。,螺杆几何尺寸与生产能力的关系,主要是螺杆直径、螺槽深度和均化段长度。,螺杆几何尺寸与生产能力的关系,螺槽深度H,正流与H成正比，逆流与H3成正比。,深槽螺杆的挤出量受压力表的影响大。,均化段

16、长度,螺杆几何尺寸与生产能力的关系,L长，漏流和逆流减少，受口模阻力的影响就少。,物料温度T与流率Q的关系,温度的变化直接影响物料的粘度，从我们前面推导出的公式来看，Q与 无关。,在机头和口模尺寸不变的情况下，粘度大的物料，螺杆对其产生的压力高：,结论：Q与温度T也有关。,实际上，T的变化相当于影响了均化段的长度。,机头口模的阻力与流率Q的关系,机头口模的阻力与口模的截面尺寸和长度有关，也影响挤出量Q。,物料流动时受到阻力，大体上与口模的截面积成反比，与长度成正比。阻力愈小，挤出量受压力的影响愈大。,第三节 挤出成型工艺, 挤出工艺流程,原料的准备和预处理, 挤出工艺流程,粒状或粉状塑料含有水

17、份，成型前需预热和干燥。,干燥要求：,一般塑料：水份0.5% 。,高温下易水解的塑料，如尼龙（PA）、绦纶（PET）等： 0.005%。,预热和干燥 的方式：烘箱、烘房，可抽真空干燥。,挤出成型,挤出成型是连续成型工艺，关键是初期的调整，要调整到正常挤出。,主要调整：,工艺条件：温度（料筒各段、口模） 速度（螺杆转速、牵引力速度）,设备装置：口模尺寸 同心度,挤出成型,挤出制品的质量于工艺条件，关键在于塑化情况（取决于温度和剪切情况）：,定型和冷却,管材、异型材独立的定型装置,板材、片材压辊定型,薄膜、单丝、线缆包覆无需定型、直接冷却。,定型和冷却,定型方法：,管材：定径套（外径定型、内径定型

18、）。 原理：管坯内外形成 压力差。,冷却速度：,硬质塑料：慢些，以避免内应力。,软质塑料、结晶塑料：快些。,牵引拉伸及后处理,牵引拉伸目的：,消除离膜膨胀效应。,引离。,牵引速度挤出速度,后处理热处理（TgTf间热定型）：,提高尺寸稳定性。,减小热收缩率。,消除内应力。, 几种制品的挤出工艺,管材的挤出,塑料挤出成型的主要产品：PVC、PE、PP、PA、PC、ABS等。,工艺过程：,挤出机、机头、定型装置、冷却水槽、牵引设备、切割装置、关键部件是机头口模范和定型装置。,管材的挤出,挤出设备及装置,挤出设备及装置,A. 分流梭,作用：使料流成环形，料流从螺旋直行。 使料流变薄，有利塑化均匀。,B

19、 . 分流梭支架,作用：支撑分流梭及管芯。中、小型机头分流梭与分流梭为一个整体。,C. 管芯,作用：是挤出管材内表面的成型部件。,D. 口模,作用：是挤出管材外表面的成型部件。,管材挤出的工艺及控制,塑料,加料段,压缩段,过滤网,被分流梭支架分为若干支流,离开支架料流重新汇合,口模挤出,均化段,多孔板,分流梭,进入管芯口模间的环形通道,定径套定径,冷却水槽,牵引,切割,主要控制因素,温度,主要是保证塑化，挤管的温度比挤压其它制品均低。,定径冷却,目的：保护几何尺寸稳定。 方法：用定径套。,牵引,牵引速度要均匀，牵引速度依赖挤出速度。,吹塑薄膜的挤出,生产薄膜的方法：,吹塑、压延、流延、拉幅。,

20、吹塑的实质：,挤出+吹胀。,吹塑工艺：,吹塑薄膜、中空吹塑。,吹塑薄膜方法：,平挤平吹、平挤上吹、平挤下吹。,工艺过程：,塑料熔体,经环隙型口模挤出,牵引上升,成泡状物,由空气冷却,薄壁管状物,至一定距离后，通过导向夹板而被牵引辊夹持,由夹持辊引出,塑料板材挤出,板材挤出,拉幅薄膜成型,挤管,剖开,展开,板材,狭缝机头直接挤板,平膜法,拉厚片,拉伸,管膜法,挤管坯,拉伸,第三节 橡胶的压出成型,橡胶的压出成型是半成品成型，半成品生产还需要硫化才能最终成为制品。,主要产品：内胎、胎面、胶管、电线电缆包胶层等。,橡胶的压出设备、加工原理与塑料挤出类似。但有其本身特点。, 压出机,压出机的结构大致与

21、塑料的挤出相似。,压出前混炼胶必须热炼，已具有可塑度。,压出机不负担热塑化的主要作用，仅起进一步恒温与均化胶料的作用。胶料已具有较高密度。,L/D较小，螺杆较短（45），防止烧焦。,A较小，1.31.7。,压出机变化螺杆的形式可作滤胶、塑炼、混炼及压出等工艺操作。, 压出成型工艺,混炼胶的热炼,热炼塑化，提高可塑度，以条状或厚片状进入压出机。热炼温度：7080 。,压出成型,胶料在压出机内，保温、均化、增加成型可塑性，通过口型压出，得到橡胶 半成品。,冷却,迅速冷却（2535 以下），防止炼焦和变形。水冷。, 影响压出的因素,胶料的组成和性质,胶料生胶含量大，压出速度慢，收缩大。,填充剂用量增加，压出性能改善，收缩减小。压出速度增加。,软化剂量大多能加快挤出速度。,胶料的可塑度可大些，流动性好，压出速度增加。,压出机的特性, 影响压出的因素,主要是口型尺寸。口型尺寸/螺杆直径=0.30.75。,口型过大，机头内压力不足，半成品形状不规整。,口型过小，压力太大，剪切 力大，易烧焦。,压出温度,即成型温度，胶料成型时一般控制在7080 。,各段温度控制：口型处机头机筒。, 影响压出的因素,压出速度,指单位时间压出的胶料体积或重量。,压出速度应恒定。,压出物的冷却,冷却目的：,获得所需要的断面形状。,防止焦烧。,冷却速度：,不宜骤冷，以免收缩不一。,