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1、第四章 塑料挤出设备,第一节 概 述,一、塑料挤出成型特点,生产过程是连续的，因而其产品长度理论上可以无限长；生产效率高；应用范围广，大部分热塑性塑料都能用此法加工能生产的品种：管材、棒材、薄膜、单丝、电线、电缆、异型材以及中空制品等；投资少，收效快。,回本章首页,二、塑料挤出生产过程,三、塑料挤出成型过程,加料,加热，熔融粘流态(塑化),压力下通过口模（成型）,四、挤出成型设备组成,冷却定型,卷取（切断）,挤出机（主机）辅机控制系统,挤出机组,牵引,1、挤出机（主机）,挤压系统,传动系统,加热冷却系统,2、辅机,机头（口模）,定型装置,冷却装置,牵引装置,卷取装置,切割装置,3、控制系统,由
2、电器、仪表和执行机构组成。可控制主机和辅机的拖动电机、驱动油泵、液压缸等机构的动作。并检测主机和辅机的温度、压力等参数，最终实现对整个挤出机组的控制和对产品质量的控制。,五、挤出机的分类与型号表示,螺杆数量,无螺杆(柱塞式),单螺杆,双螺杆,多螺杆,螺杆空间位置,卧式,立式,可否排气,排气式挤出机：可排出物料中的水分、溶剂、不凝气体等,非排气式挤出机：,装配结构,整体式挤出机：,分开式挤出机：,1、挤出机的分类,柱塞式挤出机,双螺杆式挤出机,分开式挤出机,2、塑料挤出机的型号,基本型号,辅助型号,类别代号,组别代号,型别代号,主参数代号,设计序号,辅机型号：在主参数代号前加“F”和辅机的组、型
3、代号；主参数为辅机主参数。,S,J,SJ-150,SJ-FM1700:牵引滚筒工作长度为1700mm的吹塑薄膜辅机,挤出机实例：单螺杆机,挤出机实例：双螺杆机,挤出机实例：机组,3、单螺杆挤出机的技术参数,（1）螺杆直径D（mm）指螺杆大径；,（2）螺杆长径比L/D指螺杆工作部分长度L与螺杆直径D之比；,（3）螺杆转速范围nminnmax（r/min）指螺杆可获得稳定的最小和最大的转速范围；,（4）螺杆驱动电动机功率P（kW）；,（5）挤出机生产能力（产量）Q（kg/h）比流量qQ实测/n实测，螺杆每转一周挤出机的生产能力；,（6）料筒的加热功率E（kW）；,常见国产挤出机规格,表,第二节 挤
4、出理论简介,1、挤出理论 用于描述物料在螺杆和口模中运动、变化规律的基本理论。2、工作过程与螺杆的职能分区 固体输送、熔融、均化3、挤出理论的三种过程 固体输送理论：描述加料区（固体输送区）内物料的固体输送过程 熔融理论：描述过渡区（熔融区）的高弹态物料的变化过程 熔体输送理论：描述挤出区（均化区）的粘流态熔体的输送过程,一、固体输送理论,1、理论依据 固-固摩擦静力平衡 假设：物料为密度固定的固体塞子、塞子与所有面接触且摩擦系数恒定、摩擦系数无关密度而与温度有关、螺槽为等深矩形并忽略杆筒间隙、料筒相对螺杆转动。2、公式,其中，Qs为固体输送率；n为转速；h1为螺槽深；W为螺槽平均宽度；Db为
5、螺杆外径；e为螺棱法向宽度；为固体输送角；为螺旋升角。,固体输送理论的结论,1、Qs与n、h1成正比，与螺杆直径接近平方成正比；2、Qs随固体输送角的增大而增大。3、输送率与摩擦系数有关。欲达高输送率，需螺杆光滑、筒壁轴向系数小而周向系数大；4、输送区尽早建立较大压力有利于稳定输出；动力主要消耗在料筒摩擦上；物料的性质和形状影响输送率、压力的建立和温升。应用：纵向锥度并开槽、强力冷却,二、熔融理论,1、理论依据 冷却实验 假设：过程稳定、固相为均匀连续体、熔融体温度范围窄故与固相分界明确、螺槽截面为矩形、固体塞子厚度无限且密度不变、速度不变。2、公式 熔融区长度为：,熔融理论的结论,对熔融区长
6、度的影响：1、物料性能 比热容、导热系数、密度、熔融潜热、熔融温度，则使ZT变小。2、工艺条件 挤出量G：增则使熔融的发生和结束均推迟，ZT加长，末端温度波幅增大，质量变坏。3、螺杆几何参数 螺槽渐变度、螺棱料筒间隙应用：背压控制、渐变螺槽、间隙控制,三、熔体输送理论,1、理论依据 如何保证塑料在均化段完全塑化，并使其定压、定量和定温地从机头挤出，以获得稳定的产量和高质量的产品。假设：等温牛顿流体、粘度密度不变、层流、不可压缩、等螺距、矩形等深槽并忽略曲率、因槽宽大故速度沿螺槽不变、螺筒转动。2、熔体的流动 正流、逆流、横流、漏流3、流量公式 Q=Qz-Qp-QL,熔体输送理论的流量分析,1、
7、螺杆转速n、直径D2、均化段长度L3、螺棱宽度e3、螺棱螺筒间隙03、均化段螺槽深度h3 h3增1倍，则Qz增1倍，而Qp增7倍，有一个最优点。4、出口处压力p2 一定的逆流和漏流有利于均化与混合。5、分析的应用：,螺杆工作时，压力从均化段开始处往后逐渐升高；螺杆出口处的压力为p，为最高压力处。螺杆出口接机头，即口模。机头中的压力分布：螺杆的出口或机头的入口处最高，往后逐渐降低，至机头出口降至零。,四、挤出机的综合工作点,两部分分别讨论,流量公式化成：忽略均化段入口处压力，则p可用机头压力p代替，即可写成：,1、螺杆特性线,2、口模特性线,机头的物料流率显然与机头压力成正比，即机头口模的流动方
8、程为：,口模特性线如OD1、OD2、OD3。其斜率k与口模的结构、滤网设置等有关。,实际工作状态是螺杆特性线和口模特性线共同决定的。,3、挤出机实际工作曲线,1）实际工作图 不再是直线2）考虑更多因素的实际工作图 n1、n2：不同转速n2n1 k1：有压力调节，k2：则无压力调节 Qu：观察制品均化度确定的质量线 Tmax、Tmin：最大允许和最小可能的熔体温度 W：经济挤出量下限线,第三节 挤出机结构与参数选用,本节将介绍三个部分内容：,一、挤压系统,二、传动系统,三、加热与冷却系统,一、挤压系统,挤压系统由以下几个部分组成：,（一）螺杆,（三）分流板和过滤网,（二）料筒,（四）加料装置,（
9、一）螺杆,螺杆是完成塑料塑化和输送的关键部分。挤出机的生产率、塑化质量及动力消耗等都主要取决于螺杆的性能。,常规螺杆（普通螺杆）,新型螺杆,1、常规螺杆的结构及参数,塑料在挤出机中存在三种物理状态（玻璃态、高弹态和粘流态）的变化过程，每一状态对螺杆结构要求不同。为此，通常将挤出机的螺杆分成三段：加料段（固体输送段）熔融段（压缩段，或过渡段）均化段（计量段，或挤出段）。,（1）螺杆类型的确定,渐变型：热传导好、剪切小，适合热敏性物料如非结晶型塑料，如PS、PC、PVC、POM等，也可用于结晶型塑料。,突变型：剪切大，适合粘度低、具突变熔点的结晶型塑料，如PE、PP、尼龙、ABS等聚烯烃类等塑料。
10、,（2）螺杆直径的确定,螺杆直径已标准化。应根据所加工制品的断面尺寸，加工塑料的种类和所要求的生产率来选用一定直径的螺杆。一般生产率要求越高，制品断面尺寸越大，则螺杆直径越大。选用时参考经验表 或按经验公式 Q=D3n 计算。Q(kg/h),D(cm),n(rpm),=0.0030.007,（3）螺杆长径比的确定 大则：,有利于使塑化更充分更均匀，提高制品质量。有利于提高挤出机的生产能力。螺杆和料筒的加工制造和安装都较困难，功率消耗增大，成本高；影响挤出机的寿命；对热敏性塑料易产生热分解。,（4）螺杆的分段及各段参数的确定,1）加料段,作用是将固态物料压实并输送给压缩段和均化段。输送能力是它的
11、核心问题。加料段的输送能力应与后两段的熔化和均化能力相一致。,螺纹升角：理论上45；为了加工方便，取sD，则1742,螺槽深度h1：与固体输送能力、螺杆强度、物料压缩比有关。先确定h3，再由压缩比 h1,加料段长度L1：由经验数据确定 非结晶型塑料：L1(0.10.25)结晶型塑料：L1(0.30.65)L,2）压缩段,作用是进一步压实物料，排除气体并使物料熔融。,物料熔融后密度增加以及在压力作用下物料被压缩，这就需要补偿其体积变化以保证物料到达均化段时具有足够的致密度，因此应有足够的压缩比。等距螺杆的几何压缩比为：,几何压缩比（指螺杆）,物理压缩比（指塑料）,压缩比一般根据经验选取，表43,
12、L2以经验方法确定：非结晶型塑料：L2（0.50.6）L结晶型塑料：L2（35）D,压缩段的渐变度,描述螺杆从固体输送段过渡到均化段的变化速率。,由熔融理论知道，渐变度的存在起加速熔融的作用。应当使渐变度与固体床的熔融速率相适应。（1）渐变度太大，易堵料；（2）渐变度太小，均化段螺槽中的熔体有可能充满不完全。设计不当将导致产量的波动。一般设计时，因物料的熔融速率无法预先知道，仍采用前述的压缩比概念。,3）均化段,作用是将来自压缩段的熔料相混合，使其温度、密度和粘度达到均匀，并且定压、定量、定温地输送到机头。,h3的影响：应和压缩段的熔融能力相匹配。如果h3过大，使其潜在的熔料输送能力大于熔料能
13、够充满的能力，压缩段未熔的物料有可能进入该段。残留的固相碎片若得不到进一步均匀塑化而挤入机头，就会影响制品质量。反之，若太浅则熔料受到的剪切过大，会使熔料温度升高，甚至过热分解。,L3的影响：L3增大，可使物料均化时间延长，有利于物料的均匀混合，但过长会使加料段和压缩段在螺杆全长中所占比例变小，且对热敏性塑料易引起过热分解。这两个参数一般靠经验确定。,h3（0.020.06）DL3（0.220.25）L(非结晶型)L3（0.250.35）L(结晶型),（5）螺杆头部结构,应选择合理的螺杆头部形状，以使物料尽可能平稳地从螺杆进入机头，避免产生涡流，使局部滞留受热时间过长而产生热分解（滞料现象）。
14、,a、b:常用结构,c、d:顶部死角，用于流动性好的塑料,e、f:用于流动性差的热敏性塑料,g、h:非对称头部防滞料,i:用于粘度大、导热不良、熔点明显的物料,j:挤电缆专用,螺杆的工作条件恶劣(高温、高压、腐蚀、磨损并承受较大的扭矩)，因此，螺杆材料应具有较高的力学性能和较好的切削、热处理性能。常用的材料有45钢、40Cr、38CrMoAl，并经表面镀铬或氮化处理。使用最多的是38CrMoAl。也有的是在螺杆表面喷涂或堆焊耐磨耐腐合金以提高螺杆的使用寿命。,（6）螺杆材料,2、新型螺杆,常规全螺纹三段螺杆存在的问题：固体输送能力低，熔融效率低且不彻底，塑化混炼不均匀，压力、温度、挤出速率波动
15、大等。,（1）分离型螺杆,在压缩段设置一条附加螺纹（也称副螺纹），其外径小于主螺纹，将原螺槽一分为二，一条与加料段相通(固相槽)，另一条与均化段相通(液相槽)，由于主副螺纹螺矩不等，使液相槽逐渐变宽，至均化段时达到整个螺槽宽度，而固相槽变窄最后为零。,（2）屏障型螺杆,是在普通螺杆的某一部位(一般在螺杆头部附近)设置屏障段，使未熔的残余固体不能通过，并促使其熔融和均化的一种螺杆。,（3）分流型螺杆,在普通螺杆的某一部位设置分流元件(如销钉或沟槽、孔道等)，将螺槽内的料流多次分割，以改变物料的流动状态，从而促进熔融、增强混炼和均化。,（二）料筒,1、料筒的结构形式,（1）整体式料筒,在整体材料上
16、加工出来，容易保证较高的制造精度和装配精度，可简化装配工作，便于加热冷却装置的设置和装拆，料筒受热均匀。但对加工设备和加工技术要求较高，且内表面磨损后不易修复。,（2）分段（组合）式料筒,将料筒分成几段加工，再用法兰或其它形式联接起来。其加工较整体式容易，且便于改变螺杆长径比，但分段多，难以保证各段的同轴度，连接处热损失大，加热的均匀性较差，加热冷却系统的设置和维修也不方便。多用在实验性挤出机和排气挤出机上。,（3）双金属料筒,为了节约贵重材料，大、中型挤出机的料筒常在一般碳素钢或铸钢的基体内部镶一段可更换的合金钢衬套，以便磨损后更换，或是在料筒内离心浇铸一层约2mm厚的合金层。这种料筒的使用
17、寿命较长。,（4）料筒的新型结构,生产中为提高加料段的固体输送效率，以充分发挥各种新型螺杆的工作效能，常采用一些新型结构，如：在料筒内壁开纵向沟槽、将内壁做成锥形并开槽；,加大料筒表面切向摩擦系数和物料通过面积；对加料段强力冷却。,2、加料口,加料口的形状和位置对加料性能有很大影响。加料口的形式必须和物料的形状相适应，应能使物料顺利地加入料简而不产生“架桥”现象。,加料口的形状(俯视)有圆形、方形，也有矩形的。一般情况多用矩形的。其长边平行于料筒轴线，长度约为螺杆直径1.31.8倍。当采用机械搅拌强制加料时多用圆形的加料口。,适于带状料，不适于粒料和粉料,多用于简易式挤出机,多用于简易式挤出机
18、,3、料筒与机头的联接形式,铰链螺栓连接,螺钉连接,剖分连接,冕形螺母连接,（三）分流板与过滤网,使料流由螺旋运动变为直线运动；阻止未熔融的粒子和杂质进入口模；形成背压，提高熔料压力，保证塑化质量。分流板同时还对过滤网起支承作用，但在挤出粘度大而热稳定性差的塑料时一般不用过滤网，甚至也不用分流板。,分流板孔眼分布原则：使流过分流板的物料流速均匀。孔眼直径一般37mm。厚度一般为料筒内径的20左右。过滤网一般20120目，15层。,（四）加料装置,作用：给挤出机供料。组成：料斗和上料部分。,1、料斗,一般做成对称的；料斗侧面开有示镜孔；料斗底部设开合门；料斗上方加盖；材料用轻便、耐腐蚀、易加工材
19、料，一般多用铝板和不锈钢板；料斗容积一般为挤出机11.5h的挤出量。,2、加料方法,(1)重力加料物料依靠自身的重量进入料筒。,(2)强制加料在料斗中设置搅拌器或螺旋桨叶等装置，使料斗中的物料强制进入挤出机。,3、上料方法,上料指的是将松散物料加到料斗中。,人工上料不需设置上料装置，多用在小型机。,自动上料,鼓风上料,弹簧上料,真空上料,运输带传送上料,回节首,螺旋输送机上料,二、传动系统,1、驱动功率和转速范围的确定,（1）驱动功率的确定,a）无精确算法，一般按均化段功率为基础加以放大估算，N总=KN，根据物料K=1.24,b）按实践总结归纳的数据选取，见表 44,（2）转速范围及其确定,能
20、无级调速控制挤出质量及与辅机配合一致,有一定的调速范围使挤出机适应各种加工情况,大多数挤出机调速范围为6：1。,转速受制于螺杆的线速度：与塑料的塑性有关。,2、传动系统的组成,直流电动机,交流整流子电动机,减速器,联轴器,螺杆,定速电动机,机械有级变速,机械无级变速,液压无级变速,带或联轴器,3、挤出机常用的传动系统,1）三相整流子电动机和普通齿轮减速器组成的传动系统可靠、稳定、易维护、范围多为3：1、可与有级调速结合以扩大范围2）直流电动机和一般齿轮减速器组成的传动系统体积小、效率高、范围可达16：13）液压马达和交流感应电动机配合实现无级调速的传动系统特性软、起动惯性小、可对螺杆起过载保护
21、4）变频调速调速方便、范围很大,三、加热与冷却装置,1、加热装置,作用：按挤出工艺要求，提供熔融物料所需的热能。,热源,料筒外部加热器提供的热能,塑料与料筒内壁、螺杆以及塑料之间相对运动所产生的摩擦剪切热,加热方法,液体加热（载体加热）,蒸汽加热,电加热,远红外线加热,电阻加热,感应加热,料筒的加热应分段进行，以适应物料的塑化特性。,液体加热（载体加热）,方法：先将液体(水、油和有机溶剂或其混合物)加热，再由它们加热料筒。低于200时用矿物油作为加热介质，高于200时一般用有机溶剂。温度控制：用改变恒温液体的流量来实现。优点：是加热均匀稳定，温度波动小。缺点：加热系统比较复杂，有的液体加热温度
22、过高时有燃烧的危险，有的液体还易分解出有毒气体，故应用不太广泛。,电阻加热利用电流通过电阻丝产生大量的热量来加热料筒和机头,有较大的温度梯度，加热不均匀传热时间长,类型包括：a.带状加热器b.陶瓷加热器c.云母加热器d.铸铝加热器e.铸铜加热器,感应加热通过电磁感应在料筒内产生电涡流使料筒发热来加热塑料,温度的调节和控制较灵敏，从而有较大的温度灵敏性，对制品的质量有利。加热均匀，温度梯度小。加热时间短，效率高，大约比电阻加热省30的电能。使用寿命长。加热温度受感应线圈绝缘性能的限制；径向尺寸大；成本高；装拆不方便。,远红外线加热,利用远红外线辐射元件发出的远红外线被加热物体所吸收，直接转变为热
23、能而加热塑料的一种新型加热技术，其加热效率高。远红外线不需要介质就可以直接到达被加热物体，能量损失小。远红外线可以透入到被加热物体内部，使物体表面和内部温度同时升高，则使加热温度均匀而有利于制件质量的提高。,2、冷却装置,挤出机冷却系统也是为保证塑料在成型过程中所需的温度而设置的。,料筒,螺杆,料斗座,（1）料筒的冷却,（2）料斗座的冷却,加强固体物料的输送能力；阻止挤压系统的热量传往推力轴承和减速箱，保证挤出机正常工作条件；一般用水冷却。,（3）螺杆的冷却,有利于加料段物料的输送,有利于防止塑料在均化段过热分解,第四节 挤出机辅机,主要介绍：1、概述2、挤管辅机3、吹塑成型辅机,一、概述,一
24、、辅机的作用 将从机头连续挤出并已获初步形状和尺寸的高温熔体冷却，并在一定的装置中定性，在通过进一步冷却，使之由高弹态转变为室温下的玻璃态，达到一定的表面质量，成为符合要求的制品或半成品。二、辅机的类型 1、按工艺：冷却定型（或吹胀）装置、冷却装置、牵引装置、切割装置、堆放卷取设备等；2、按制品：吹膜辅机、挤管辅机、吹塑中空制品辅机、挤板辅机、拉丝辅机、。三、挤出典型工艺流程,二、挤管辅机,主要用于塑料管的生产，如PVC、PE、PP、ABS、PC、F4等。（一）管材挤出过程 图见上页a、b（二）冷却定型装置 1、外径定径法 内压充气法 真空定径法 2、内径定径法,1、冷却的作用 在冷却定型后继
25、续冷却至室温，以免使已冷却表面温度升高而导致变形。2、冷却方式 空冷、水冷，使冷却后管温约30。3、水冷法（1）冷却水槽 24段、逐段降温 弯曲问题（半没、全没、浮力）（2）喷淋冷却 设36根、前端水孔密 换热好、适合大管径,（三）冷却装置,4、水槽或水箱长度 影响因素：水温、管温、管壁厚、牵引速度、塑料种类；结晶型聚合物的长度一般为PVC的2倍；一般1.56m。,（四）牵引装置,1、牵引装置的作用 给由机头出来的已获初步形状和尺寸的管子提供一定的牵引力和速度，均匀地引出管材，并通过牵引速度的变化适当地调节管子的壁厚。2、牵引速度对质量的影响 过快：壁薄、拉断 过慢：壁变厚、堵塞3、常用牵引装
26、置的工作原理 1）滚轮式 2）履带式 3）橡胶带式,（五）吹塑成型辅机,中空制品用途用途广泛；常用原料有PE、PVC、PS、PP、PC等1、生产型坯的方法：挤出法、注射法、压缩法2、挤出吹塑成型过程 挤出型坯、引入模具、模具闭合、吹胀、开模3、中空吹塑模具 作用：冷却定型切割 冷却8-10s4、模具动作及供气装置 挤出机配多套模具5、实例,第五节 其它类型挤出机,包括：1、排气式挤出机；2、双螺杆挤出机；3、两级式挤出机；4、行星齿轮式挤出机,1、排气作用 物料中的气体：空气、物料中的水分、塑料内部的挥发物（剩余单体、低分子挥发物、低沸点增塑剂）气体的危害2、排气方法 预干燥、进料口排气、排气
27、段排气3、原理 二阶螺杆挤出工艺、多阶螺杆挤出工艺 塑化降压搅拌作用下逸出抽离4、排气结构 直接抽气式、旁路排气式、中空排气式、尾部排气式,一、排气式挤出机,1、单螺杆的局限性（1）粉料、糊状料、玻璃纤维及无机填料的加入困难；（2）排气区处表面更新作用小，排气效果不好；（3）机头压力高时，产量降低（逆流增加）；（4）不适合热固性物料、聚合物着色等工艺过程。2、双螺杆挤出机的原理与结构 双螺杆的配置形式包括：啮合式与非啮合式、整体式与组合式、同向型与异向型3、双螺杆挤出机的特点 加料容易、塑化时间短、混炼效果好、排气极好、节能 50%,二、双螺杆挤出机,1、作用 通过细化挤出工艺过程，增强混炼效
28、果，改善塑化质量，并提高生产效率。2、原理 第一级：单螺杆式或双螺杆式，功能为输送和塑炼物料，大径、深槽、加热功率高 第二级：单螺杆式，小径、浅槽、高转速，功能为均化和挤出3、优点（1）混炼均匀，塑化质量好；适用多种物料：粒料、粉料（2）便于排气操作；改变两级转速调节（3）能耗合理；工艺细化的结果（4）两端的长径比小，制造费用低；（5）生产效率高。,三、两级式挤出机,1、原理 通过增加了强力塑化段来增强塑料混炼效果。2、结构 强力塑化段构成：中心大螺杆、小螺杆、塑化段料筒（1）大螺杆：旋转（2）小螺杆：自转和公转（3）塑化段料筒：带内齿3、特点（1）极高的混炼效果，熔体温度低（2）物料停留时间短（3）自洁功能（4）节能,四、行星齿轮式挤出机,
