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1、第二章 第六节 挤压设备,二、单螺杆挤出机单螺杆挤出机结构压缩熔融机理加热冷却及温度控制新型单螺杆挤出机操作过程,一、单螺杆挤出机的结构,单螺杆挤出机的基本结构,二、挤压系统的组成及作用,1、组成：加料装置、料筒、螺杆、机头、口模等,塑料在普通单螺杆挤出机中的挤出过程,等距不等深螺杆,螺杆类型,等距不等深螺杆,分离型螺杆,等深不等距螺杆,单螺杆挤出机的基本结构,加热冷却装置及温控1.食物挤出过程中得到的热量来源有两个，一个是料筒外部加热器供给的热量，另一个是与料筒内壁、与螺杆以及相对运动所产生的摩擦剪切热。,2.另外，这两部分热量所占的比例在挤出过程的不同区段也是不同的：在加料输送段，由于螺槽
2、较深，物料尚未压实，摩擦热很少，热量多来自加热器；而在计量均化段，物料已熔融，温度较高，螺槽较浅，摩擦剪切产生的热量较多，有时非但不需要加热器供热，还需冷却器冷却。在压缩段，物料受热是上述两种情况的过渡状态，也就是由摩擦剪切产生的热量比加料段多，而比均化段少。因此挤出机的冷却系统多是分段设置。,从能量的观点来分析。挤出过程有一个热平衡问题。加热器供给的热和摩擦剪切而产生的摩擦热一部分用于产生物态的变化，另一部分损失掉了。尽管影响这一平衡的因素很多，但在稳定挤出的条件下，这一平衡总是应当维持的。物料与螺杆摩擦力大于物料与机筒摩擦力，则发生共转，油份越多，这种趋势越明显，可以筒内壁开沟槽,一、挤出
3、机的加热 挤出机的加热方法通常有三种：液体加热、蒸汽加热和电加热。目前挤出机上应用得最多的是电加热，它又分为电阻加热和电感加热电加热：尺寸小，重量轻，拆装方便，机筒厚，加热时间长电感加热：磁通量变化感应电动势被加热升温时间短，温度梯度小，加热灵敏，温度稳定，节能30%，寿命长,二、挤出机的冷却（一）机筒的冷却现代挤出机的机筒都设有冷却系统。水冷方式：冷却速度快，水管易结垢，锈蚀，堵塞（水未软化）。水冷结构：缠绕冷却盘管：常用，机筒表面开沟槽盘绕，拆卸不便，接触不佳，效率低加热棒与冷却水管同时铸入加热器：制造复杂，一旦堵死换整个加热器，冷冲机小感应加热器内侧设有水冷却套：拆卸不便，冷冲击大，少用
4、,（二）螺杆冷却防止物料过热，使物料中的气体从料斗中排出若均化段受冷，螺槽底部沉积温度低的物料，减少螺槽深度根据物料不同，加工不同，调整冷却长度，提高机器适应性冷却介质：水或空气,新型单螺杆挤出机,新型螺杆，是相对于常规全螺纹三段螺杆而言的。新型螺杆在原理、结构设计上有许多特点，它们是在常规全螺纹三段螺杆的基础上发展起来的，目前已得到广泛应用。所谓新型螺杆，主要是指：分离型螺杆分流型螺杆波状螺杆,新型螺杆的设计,几种常见的新型螺杆针对常规螺杆存在的问题，对挤出过程进行了深入的研究，在大量实验和生产实践的基础上，发展了各种新型螺杆。与常规螺杆相比，其优点如下：提高了挤出量，改善了质量，减少了产量
5、波动，压力波动提高了混合的均匀性和填加物的分散性。新型螺杆越来越得到广泛的应用。新型螺杆的形式很多，但尚无一个全面的科学的螺杆分类，下面仅就目前较为流行的分类方法，介绍几种。,（一）分离型螺杆,结构特点：在压缩段主螺纹之间增设一条副螺纹。（双螺纹）副螺纹作用：一方面，副螺纹把压缩段分成固相槽和液相槽两个区；另一方面，副棱又限制固体床的自由移动。基本原理：在熔融区内设法把固体物料和熔融物料分开，加速固态物料融化，并能稳定已熔化的熔体流。,熔体槽,固体槽,分流型螺杆波状螺杆,单螺杆挤压机的操作,检查各零件之间是否有卡死，测隙规（塞规）调出料处螺杆与机筒的间隙，所有蒸汽阀门打开，报警器正常工作预调质
6、器与电机启动方可喂料，启动要在低产量，高水分下开始。监视电动机的负荷，挤出物的情况停机时，先关蒸汽阀，原料中加水降温至小于100度，停止进料，模孔出现湿冷物料为止。压和完全消失，开动螺杆旋出剩余物料。,三、双螺杆挤出机,（一）概述（二）双螺杆挤出过程参量（三）双螺杆挤出机主要参数（四）双螺杆挤出机主要零部件,（一）概述,1单螺杆挤出机的局限性加料性能差排气效果差物料停留时间长2 双螺杆挤出机的优点物料停留时间短混合效果佳排气、自洁性能优良比功率低螺杆特性硬,3基本结构挤压系统双螺杆机筒传动系统加热冷却系统控制系统加料装置机座,是在一个“”字形机筒内，由两根互相啮合的螺杆组成。螺杆可以是整体或组
7、装，同向旋转或异向旋转，平行或锥形的,双螺杆挤出机挤压系统,2023年2月22日星期三,双螺杆挤出机和单螺杆挤出机工作原理比较,物料在单螺杆挤出机中的输送是依靠物料与机筒的摩擦力而双螺杆挤出机则为“正向输送”，有强制将物料向前输送的作用，另外，双螺杆挤出机在两根螺杆的啮合处还对物料产生剪切作用,2023年2月22日星期三,4 类型,按相对位置,按旋转方向,同向旋转,向内异向旋转,向外异向旋转,平行双螺杆,锥形双螺杆,按螺杆轴线是否平行,啮合型,非啮合型,完全啮合型,部分啮合型,5 工作原理,双螺杆挤出机的结构尽管与单螺杆挤出机很相似，但是其工作原理与单螺杆挤出机很不相同。在双螺杆挤出机中，原材
8、料由加料装置（一般为定量加料）通过加料口加入，物料经受双螺杆熔融、混炼、输送等作用到达挤出机头口模。在这一过程中，物料的运动情况因螺杆的啮合方式、旋转方向的不同而不同。,啮合型同向双螺杆挤出机,物料自料斗经定量装料器加入 机筒后，按照旋转方向，可从一根螺杆的螺槽经啮合区的间隙流入另一根螺杆的螺槽，形成旋转的倒“8”形向前运动，于是，从加料口至机头存在着通道。在啮合处，螺纹和螺槽的速度相反，物料相对速度很大，承受很大的剪切，有利于混合，且能刮去螺槽内的积料，故具有较好的混炼和自洁作用由于啮合处两根螺杆的速度方向相反，因此能在上下啮合区形成平衡的压力，螺杆的轴承及机筒承载均匀，故可在高转速下工作。
9、,啮合型同向双螺杆挤出机,由于两根螺杆相互啮合，对物 料输送有强制的推力，故螺槽内的物料可以不充满螺槽地向前输送。螺杆啮合处对物料的剪切过程 使物料的表层不断的更新，具有很好的脱挥排气性能。近年来，为了强化同向旋转双螺杆挤出机的混炼能力，在螺杆元件中采用了各种结构的混合与剪切元件，使其混炼能力得到了更大的增强，因此啮合型同向旋转双螺杆挤出机被广泛用于物料的混炼。,啮合型同向双螺杆挤出机,由于两根螺杆的旋转方 向不同，一根螺杆中物料螺旋前进的道路被另一根螺杆堵死，故不能形成“8”运动。,啮合型异向双螺杆挤出机,在啮合处，一根螺杆的螺纹插入另一根螺杆的螺槽中，使连续的螺槽被分割成相互隔离的C形小室
10、。螺杆旋转时，随着啮合部分的轴向移动，小室也沿着轴向前移，螺杆每转一圈，小室就前移一个导程的距离，故自机筒加料口到机头不存在物料的连续通道。,少量物料被拉入两螺杆之间的径向间隙，受到 螺棱和螺槽间的研磨和滚压作用，此作用与压 延机上物料的滚压作用相似，称为“压延效应”,啮合型异向双螺杆挤出机,由于压延效应，使机筒壁和轴承受力不均匀而局部受压磨损，故异向旋转的双螺杆只能在较低的转速下工作。异向啮合型双螺杆混炼剪切作用较弱，故适用于热敏料和需要受热时间短的物料的成型。,啮合型锥形异向双螺杆挤出机,计量段末的螺杆横断面积减小，因此在同等的机头压力下，它具有较小的轴向压力，减轻了止推轴承的负载。两个螺
11、杆的轴线尾部分开，有利于安装较大的承载轴承，故可承受较大扭矩，且寿命长。加料段直径大，螺杆强度高，物料受热面积大，有利于塑化。而在计量段螺杆直径小，受热较小，有利于实现低温挤出。由于锥形双螺杆比平行双螺杆有上述优点，现已逐步取代了平行异向旋转双螺杆挤出机。,描写双螺杆挤出这一过程的参量有温度、压力和能量。,（二）双螺杆挤出过程参变量,温度是挤出过程得以进行的重要条件之一。如前所述，物料从加入料斗到最后成型为制品是经历了一个复杂的温度过程的。,1、温度,热量来源 温度是双螺杆挤出过程得以进行的重要条件之一。物料由固态变为粘流态，需要热量。挤出过程热量的来源有两个：a.机筒外部加热器通过机筒传给物
12、料的热量。b.物料与物料之间、物料与螺杆、物料与机筒之间的摩擦热和物料受剪切而生成的热量。,2、压力,压力的分布：沿螺杆轴线方向就有一个压力分布问题。用压力梯度（即沿螺杆轴线方向单位长度上的压力变化）表示。影响压力的因数：不同螺杆元件其建立压力的能力是不同的。口模形式和尺寸也影响压力分布。,3、能耗,能量平衡为了使加入的物料熔融呈粘流态，必须供给热能；为使物料压实，充满螺槽并通过阻力元件，物料必须在螺杆轴线某些位置建立起压力，即必须供给压力能；为了使各组分进行分布混合和分散混合，必须提供剪切机械能。热能、压力能和剪切能是由加热器的电能和驱动螺杆的机械能转化而来。这些能量的一部分为熔融物料、成型
13、制品所利用。其余部分作为热损失而损失掉。双螺杆挤出过程中机械能和加热器提供的热能不但与双螺杆挤出机的类型有关，还与螺杆构型和不同的螺杆区段有关。,热能、压力能和剪切能是由加热器的电能和驱动螺杆的机械能转化而来。这些能量的一部分为熔融物料、成型制品所利用。其余部分作为热损失而损失掉。,（四）双螺杆挤出机主要零部件,（1）整体式螺杆,由整根材料加工制作，在一根螺杆上加工出各种基本结构单元（输送单元和混炼单元）。加工难度大。为了获得适当的压缩比变螺距变螺棱宽度依靠锥形变化,（2）组合式螺杆,是由多个单独的螺杆元件沿轴向连接组成的组合体。元件具有互换性，可根据工艺需要进行组合。加工难度小于整体式螺杆。
14、主要组合单元：输送元件、剪切元件、压缩元件、混合元件以及捏合元件。,用于输送物料，给物料一定的推力使物料能够克服在流道中的阻力。结构多为螺纹型。全啮合式：间隙小，两螺杆在输送过程中形成了几乎密闭的“C”型空间，使物料很难进行相互间的混合，对物料进行强制输送，可以在很短的长度内建立起较高的压力。,输送元件,普通啮合式：捏合间隙大，中心距H大于两螺杆半径之和（R+r）以形成较大径向间隙，可增大啮合螺纹的轴向间隙。促进“C”型空间内物料的相互混合并输送物料。由于存在漏流和倒流，对物料的强制输送能力差。,输送元件,包括剪切元件、混合元件、捏合元件等物料在双螺杆中的混炼过程是剪切与混合的结合。剪切元件：
15、由剪切盘或剪切螺纹组成，主要用于对物料进行剪切。,混炼元件,混合元件：齿形混合盘由带齿的两组盘组成，是混合元件的一种。还有销钉段、反螺纹段等元件。主要起搅乱物料流的作用，使物料均化。,销钉型,反螺纹型,混炼元件,捏合元件：主要就是捏合块，是由截面相同但安装时错开一定角度的一组块所组成。随着螺杆的转动，物料被挤入捏合块与机筒内壁之间的空腔且随着两捏合块的啮合，空腔由大变小，再由小变大，物料受到反复的剪切、膨胀、挤压，从而加速和改善了物料的塑化过程，提高了塑化质量。,混炼元件,2 机筒,分段积木式：同向旋转双螺杆挤出机的机筒大多采用分段积木式结构，每段长度为（34）D，其中有加料口段（根据加料方式
16、可设多段）和排气口段，有的有测量熔体温度或压力的孔段。对于介质冷却的机筒，各段还设有介质通道，以及固定加热器用的螺孔。与组合式螺杆配合可根据物料和工艺要求灵活组合。,流程工艺和配置,1聚合物 2 填充物 3 添加剂 4 预混器 5 双螺杆侧加料 6 液体计量加料 7 双螺杆挤出机 8 真空泵 10 切粒系统 PVC双螺杆组合挤出工艺流程,整体式：锥形双螺杆的机筒多采用整体式，其结构与单螺杆挤出机类似，内孔为“”形，机筒与机头连接处有由“”形过渡到圆形的连接段。,2 机筒,止推轴承组,静压轴承动环、定环、圆盘圆盘上开有径向斜槽充入高压油,3 传动装置,4 计量加料装置,5 排气装置,双螺杆挤出机
17、都设有排气装置，以排出挤出过程中物料的水分、湿气、夹带的空气以及残留单体和低分子挥发物。专用于脱水和排出挥发物时，机筒要开设几个排气口。,6 加热冷却系统,由挤出过程知，温度是挤出过程得以进行的必要条件之一，挤出机的加热冷却系统就是为保证这一必要条件而设置的。,塑料在挤出过程中得到的热量来源:料筒外部供热依靠安装在料筒外部的加热器供给热量。内部供热是由物料与料筒内壁、物料与螺杆以及物料之间相对运动所产生的摩擦剪切热供给。由电动机传输给螺杆的机械能转化而来。这两部分热量所占比例与螺杆、料筒的结构形式、工艺条件、物料的性质等有关，也与挤出过程的阶段（如启动阶段，稳定运转阶段）有关。,6 加热冷却系
18、统,挤出机的加热方法载体加热：原理是先将液体（水、油、联苯等）加热，再由它们加热料筒或螺杆。电加热：目前挤出机上应用得最多的是电加热，它又分为电阻加热和电感加热。,6 加热冷却系统,挤出机的冷却挤出机设置冷却系统（和加热系统一起）是为了保证塑料在工艺要求的温度条件下完成挤出成型过程。挤出过程中经常会产生螺杆回转生成的摩擦剪切热比物料所需要的热量多的现象，这会导致料筒内物料温度过高，如不及时排出过多的热量，会引起物料（特别是热敏性塑料）分解，有时也会使成型难以进行。为此。必须对料筒和螺杆进行冷却。,6 加热冷却系统,料筒的冷却：现代挤出机的料筒都设有冷却系统。料筒的冷却方法有风冷和水冷。风冷：风
19、冷比较柔和、均匀、干净，在国内外生 产的挤出机上应用较多。但风机占的空间体积大，如果风机质量不好易有 声响。一般认为用于中小 型挤出机较为合适。,6 加热冷却系统,水冷：与风冷相比，水冷的冷却速度快，体积小，成本低，但易造成急冷，从而扰乱塑料的稳定流动。如果密封不好，会有跑、冒、滴、漏现象。用水管绕在料筒上的冷却系统，容易生成水垢面堵塞管道，也易腐蚀。故完善的水冷系统所用的水不是自来水，而是经过化学处理的水。软化水并经过除氧处理。一般认为水冷用于大型挤出机为好。,6 加热冷却系统,螺杆冷却 平行异向双螺杆挤出机在加工热稳定性差的物料(如PVC等)时，由于仅靠机筒外部冷却系统不足以将螺槽中物料由
20、于强烈的摩擦产生的多余热量带走，必须对螺杆进行冷却。冷却螺杆目的：第一，获得最大的固体输送率第二，冷却螺杆以控制制品质量。冷却介质 也有用油和空气作为冷却介质的。油和空气的优点是不具有腐蚀作用，温控比较精确，也不易堵塞管道。,6 加热冷却系统,料斗座冷却 加料段的塑料温度不能太高，否则会在加料口形成“拱门”，使料不易加入。为此。必须冷却加料斗座。此外，冷却加料斗座还能阻止挤压部分的热量传往止推轴承和减速箱，从而保证了它们的正常工作条件。加料斗座的冷却介质多用水。,6 加热冷却系统,双螺杆挤出机设置有严格的安全保护措施，能够有效防止设备事故的发生：电器保护过载保护器（转矩保护或超电流保护）机械保护传动装置与螺杆之间通过安全销或安全键保护。主电动机与定量加料器的联锁保护装置机筒、螺杆热载体油温指示和控制以及超温报警装置排气发生故障以及机头压力超载等报警装置润滑及止推轴承的油温油压指示与报警装置,7 安全保护装置,双螺杆挤出机生产设备主机：,8 双螺杆挤出机生产设备,双螺杆挤出机生产设备主机：,8 双螺杆挤出机生产设备,双螺杆挤出机生产设备联动线：,8 双螺杆挤出机生产设备,
