1、第六章 塑料的一次成型一、挤出成型二、注射成型三、压制成型四、压延成型五、其它成型方法（含铸塑、模压烧结、传 递模塑、泡沫塑料成型）塑料的一次成型与二次成型1、一次成型： 塑料配料 加热(Tm或Tf以上) 粘流态 流动、成型和冷却硬化（或交联固化） 所需形状2、二次成型： 一次成型塑料成品 加热(TgTm或Tf之间) 类橡胶态 通过外力作用 形变 简单形状 冷却定型 产品 原料种类原料种类 （性质（性质）成型方式成型方式制品的用途制品的用途 制品形状制品形状一次一次成型成型二次二次成型成型挤出成型注射成型模压成型铸塑成型模压烧结成型传递模塑压延成型中空吹塑成型热成型拉幅薄膜成型冷成型塑料加工方
2、法塑料加工工程未来发展热点塑料加工工程未来发展热点高效化高效化高速化高速化精密化精密化WP公司的远程控制36吨/小时产量的设备可注射万分之一克的精密注射机一、挤出成型一、挤出成型一）概述一）概述1 1、挤出成型概念、挤出成型概念 也称也称挤压模塑挤压模塑或或挤塑挤塑，即借助，即借助螺杆螺杆或或柱塞柱塞的挤压的挤压作用，使受热熔化的塑料在作用，使受热熔化的塑料在压力推动压力推动下，强行通过下，强行通过口口模模而成为具有而成为具有恒定截面恒定截面的的连续型材连续型材的一种成型方法。的一种成型方法。 应用范围：能成型所有应用范围：能成型所有热塑性塑料热塑性塑料和某些和某些热固性热固性塑料塑料。 生产
3、的制品生产的制品：管材、板材、薄膜、线缆包覆物：管材、板材、薄膜、线缆包覆物及塑料与其它材料的复合材料等。及塑料与其它材料的复合材料等。还可以用于还可以用于塑化塑化造粒、着色和共混造粒、着色和共混等。等。挤出制品占热塑性塑料制品的挤出制品占热塑性塑料制品的40405050。管材挤出生产线管材挤出生产线2 2、挤出成型分类、挤出成型分类1 1）按）按塑化方式塑化方式分：分：（1 1）干法干法：靠加热：靠加热（2 2）湿法湿法：仅用于硝酸纤维素和少数醋酸纤维素等。：仅用于硝酸纤维素和少数醋酸纤维素等。用用溶剂溶剂将塑料充分软化。将塑料充分软化。（1 1）连续式连续式：螺杆式螺杆式挤出机挤出机单螺杆
4、单螺杆双螺杆双螺杆 原理原理：借助：借助螺杆旋转螺杆旋转产生压力和剪切力，使物产生压力和剪切力，使物料充分塑化和混合均匀，通过型腔（口模）而成型。料充分塑化和混合均匀，通过型腔（口模）而成型。2 2）按）按加压方式加压方式分：分：（2 2）间歇式）间歇式：柱塞式挤出机柱塞式挤出机 原理原理：借助：借助柱塞压力柱塞压力，将事先塑化好的物料挤，将事先塑化好的物料挤出口模而成型。出口模而成型。二）挤出设备二）挤出设备 组成组成：一般是由挤出机、机头和口模、辅机等：一般是由挤出机、机头和口模、辅机等几部分组成的。几部分组成的。1 1、螺杆挤出机、螺杆挤出机 组成：组成：挤出机由挤出机由挤出装置挤出装置
5、（螺杆和料筒）、（螺杆和料筒）、传动传动机构机构和和加热冷却系统加热冷却系统等主要部分组成。等主要部分组成。1 1）单螺杆挤出机）单螺杆挤出机 单螺杆挤出机是由一根单螺杆挤出机是由一根阿基米德螺杆阿基米德螺杆在加热的料在加热的料筒中旋转构成的。大小一般用螺杆直径来表示。筒中旋转构成的。大小一般用螺杆直径来表示。单螺杆挤出机单螺杆挤出机基本结构控制单元 Control unit加料装置 Feeding unit驱动装置 Driving unit料 筒 Barrel 螺 杆 Screw 口 模 Die2 2）单螺杆挤出机基本组成）单螺杆挤出机基本组成（1 1）传动装置）传动装置 带动螺杆转动的部分
6、。通常由带动螺杆转动的部分。通常由电动机电动机、减速箱减速箱和和轴承轴承等组成。等组成。 基本要求基本要求： A.A.要求螺杆要求螺杆转速稳定转速稳定，不随螺杆负荷的变化而，不随螺杆负荷的变化而变化，以保证制品变化，以保证制品质量均匀质量均匀一致。一致。 B.B.在在不同的场合不同的场合下，又要求螺杆能下，又要求螺杆能变速变速，以达，以达到一台设备能适应挤出到一台设备能适应挤出不同塑料不同塑料或或不同制品不同制品的要求。的要求。挤出机常见的传动形式直流电动机摆线针轮减速器直流电动机摆线针轮减速器调速电动机无级变速器调速电动机无级变速器整流子电动机涡轮减速箱整流子电动机涡轮减速箱油压电动机齿轮减
7、速油压电动机齿轮减速 C.C.传动部分采整流子电动机、直流电动机等装传动部分采整流子电动机、直流电动机等装置达到置达到无级变速无级变速。 D. D. 螺杆转速螺杆转速为：为：1010100100转转/ /分钟。分钟。 E.E.设有良好的设有良好的润滑系统润滑系统和和迅速制动迅速制动的装置。的装置。(2)(2)加料装置加料装置A.A.供料供料一般采用一般采用粒料粒料、粉料粉料和和带状料带状料等几种。等几种。 B.B.装料设备装料设备通常使用通常使用锥形加料斗锥形加料斗，其，其容积容积至少能至少能容纳容纳1 1小时小时的用料。的用料。 C.C.料斗底部料斗底部有有截断截断装置，以便调整和切断料流。
8、装置，以便调整和切断料流。侧面侧面有有视孔视孔和和标定计量标定计量的装置。的装置。加料方式：加料方式： 重力上料重力上料 强制上料强制上料普通料斗普通料斗真空料斗真空料斗 D.D.有些料斗带有有些料斗带有减压或加热减压或加热装置、装置、搅拌器搅拌器、自动自动上料上料或或加料加料装置。装置。搅拌加料器螺旋加料器变量加料器强制喂料料斗Forced-feed hopper(3)(3)料筒料筒 A.A.材料要求材料要求：为一金属圆筒，一般用：为一金属圆筒，一般用耐温耐压耐温耐压、强度较高、坚固强度较高、坚固耐磨、耐腐耐磨、耐腐的合金钢或的合金钢或内衬合金钢内衬合金钢的的复合钢筒制成。复合钢筒制成。目前
9、多采用38CrMoAl和Xaloy合金. B.B.功能功能：塑料的塑化和加压过程。：塑料的塑化和加压过程。压力可达303050MPa50MPa, 温度150150410.410. C.C.组成组成：外部设有分区加热和冷却装置。：外部设有分区加热和冷却装置。 加热加热：电阻、电感或其它方式。：电阻、电感或其它方式。 冷却冷却：风冷或水冷。：风冷或水冷。机筒的结构形式(1)整体式：便于加热，冷却系统的设置与拆装，而且加热在轴向分布上较为均匀。单螺杆挤出机整体式料筒锥形双螺杆挤出机整体式料筒平行双螺杆挤出机的组装式机筒 (2)组装式：由几段机筒组装而成，各段用法兰 螺栓联接在一起，破坏了机筒加热 的
10、均匀性，增加了热损失。 (3)瓣合式：机筒由两瓣组装而成，用螺栓联接 在一起，便于螺杆拆卸和研究。但 同样破坏了机筒加热的均匀性，增 加了热损失。平行双螺杆挤出机平行双螺杆挤出机的瓣合式机筒的瓣合式机筒(4)(4)螺杆螺杆 关键部件关键部件，直接关系到挤出机的，直接关系到挤出机的应用范围应用范围和和生生产率产率。 A.A.功用功用：螺杆的转动螺杆的转动 挤压作用挤压作用 塑料产生移动、增压塑料产生移动、增压和从摩擦取得部分热量和从摩擦取得部分热量 混合和塑化混合和塑化 熔体在熔体在被压实而流经口模被压实而流经口模 取得所需形状。取得所需形状。 B.B.螺杆的种类螺杆的种类： 因塑料品种繁多、性
11、质各异而需不同种类螺杆。因塑料品种繁多、性质各异而需不同种类螺杆。C.C.表示螺杆结构特征的基本参数表示螺杆结构特征的基本参数 主要有主要有直径直径、长径比长径比、压缩比、螺距、压缩比、螺距、螺槽深度螺槽深度、螺旋角螺旋角、螺杆与料筒的间隙等。、螺杆与料筒的间隙等。D.D.螺杆材料螺杆材料 高强度、耐热、耐腐蚀合金钢。高强度、耐热、耐腐蚀合金钢。(2)螺杆的主要参数 、螺杆的直径（螺杆的直径（D D）与长径比（）与长径比（ L/D L/D ） 螺杆直径（螺杆直径（D D） 螺纹的公称直径，表示挤出机的大小规格，目前国内广泛使用为30mm、45mm、65mm、90mm、120mm、150mm、1
12、80mm的挤出机，螺杆直径增大，加工能力提螺杆直径增大，加工能力提高，高， 挤出机的生产率与螺杆直径挤出机的生产率与螺杆直径D D的平方成正比的平方成正比。螺杆直径与制品尺寸的关系螺杆直径与制品尺寸的关系定义：定义：螺杆工作部分有效长度与直径之比。螺杆工作部分有效长度与直径之比。 常见的长径比有15、20、25、30等，长径比加大后，螺杆长度增加，物料相对停留时间增加，塑化更充分均匀，但加工难度增大，故应为求在较低长径比的条件下获得优质高产。 长径比（长径比（L/DL/D）L/DL/D大，大，能改善物料能改善物料温度分布温度分布，有利于塑料的，有利于塑料的混合混合和和塑化塑化，并能，并能减少漏
13、流和逆流减少漏流和逆流，提高挤出机的，提高挤出机的生产能生产能力力。L/DL/D大大，螺杆，螺杆适应能力强适应能力强，能用于，能用于多种塑料多种塑料的挤出。的挤出。但但L/DL/D过大过大，使塑料，使塑料受热时间受热时间增长而降解；增长而降解； 螺杆螺杆自重自重增加，自由端挠曲下垂，增加，自由端挠曲下垂， 引起引起料筒与螺杆间擦伤料筒与螺杆间擦伤，使制造，使制造 加工困难加工困难，增大，增大功率消耗功率消耗。过短的螺杆过短的螺杆，容易引起混炼的，容易引起混炼的塑化不良塑化不良。、螺旋角（螺旋角（ ）定义：螺纹与螺杆横断面的夹角。定义：螺纹与螺杆横断面的夹角。 随增大，挤出机的生产能力提高，但剪
14、切作用和挤压力减小； 通常在1030之间。 等距螺杆：螺距等于直径， 17 41、压缩比压缩比 定义：定义：螺杆加料段螺杆加料段最初最初一个一个螺槽螺槽容积与均化段容积与均化段最后最后一个螺槽一个螺槽容积之比容积之比。 内涵内涵：表示塑料通过螺杆全长范围时被压缩的：表示塑料通过螺杆全长范围时被压缩的倍数。压缩比倍数。压缩比愈大愈大，塑料受到的，塑料受到的挤压作用愈大挤压作用愈大。 螺槽浅螺槽浅时，能对塑料产生较时，能对塑料产生较高的剪切速率高的剪切速率，有利于，有利于料筒壁和物料间的传热，物料混合和塑化的效率高，但料筒壁和物料间的传热，物料混合和塑化的效率高，但生产率降低。（生产率降低。（粘度
15、低、热稳定高的塑料适用粘度低、热稳定高的塑料适用，如，如PAPA料）料） 螺槽深螺槽深时，情况相反。（时，情况相反。（热敏性塑料热敏性塑料适用，如适用，如PVCPVC）压缩比获得方法：等矩不等深 等深不等矩 不等距不等深 复合型螺杆3311thDthD普通螺杆的压缩比：普通螺杆的压缩比：、螺杆的结构形式螺杆的结构形式渐变型：等距不等深渐变型：等距不等深渐变型：等深不等距渐变型：等深不等距突变型突变型鱼雷头螺杆鱼雷头螺杆螺杆构造螺杆构造（Screw ConstructionScrew Construction）螺杆功能段固体输送段 (Solid Convey Zone) 熔融段 (Melting
16、 Zone)均化段 (Homogenizing Zone)加料段 (Feeding Zone)压缩段 (Compressing Zone)计量段 (Metering Zone)螺杆结构段螺杆各段的作用螺杆各段的作用加料段：加料段：自物料入口向前延伸的一段称为加料段，在自物料入口向前延伸的一段称为加料段，在加料段中，物料依然是固体，主要作用是使物料受加料段中，物料依然是固体，主要作用是使物料受压，受热前移，螺槽一般等距等深。压，受热前移，螺槽一般等距等深。融化段：融化段：压缩段是指螺杆中部的一段，物料在这一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，压缩段的中受热
17、前移并压实熔化，同时也能排气，压缩段的螺槽体积逐渐减小。螺槽体积逐渐减小。均化段：均化段：螺杆最后一段，均化段的作用是使熔体进一螺杆最后一段，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。挤出，这段螺槽截面是恒等的，但螺槽深度较浅。、螺杆各段的功能螺杆各段的功能 加（送）料段加（送）料段 将料斗供给的料送往压缩段。将料斗供给的料送往压缩段。 塑料在移动过程中，一般保持固体状态，由于受塑料在移动过程中，一般保持固体状态，由于受热而部分熔化。热而部分熔化。 要求：要求：挤出结晶聚合物最长，
18、硬性无定形聚合物挤出结晶聚合物最长，硬性无定形聚合物次之，软性无定形聚合物最短。次之，软性无定形聚合物最短。 螺槽容积可以保持不变。螺槽容积可以保持不变。 压缩段（迁移段、过渡段）压缩段（迁移段、过渡段） 作用：作用：压实物料，使物料由固体转为熔融体，并压实物料，使物料由固体转为熔融体，并排除物料中的空气。排除物料中的空气。 要求：要求：为适应将物料压实，将气体推回加料段和为适应将物料压实，将气体推回加料段和物料熔化时体积减小等特点，本段应对塑料产生较大物料熔化时体积减小等特点，本段应对塑料产生较大的剪切作用和压缩，通常使螺槽容积逐渐缩减，缩减的剪切作用和压缩，通常使螺槽容积逐渐缩减，缩减的程
19、度由塑料的压缩率决定。的程度由塑料的压缩率决定。 均化段（计量段）均化段（计量段） 将熔融的物料，定容（定量）定压地送入机将熔融的物料，定容（定量）定压地送入机头使其在口模中成型。头使其在口模中成型。螺槽容积恒定不变。螺槽容积恒定不变。 为避免物料因滞留在螺杆头端面死角处引起为避免物料因滞留在螺杆头端面死角处引起分解，螺杆头部常设计成分解，螺杆头部常设计成锥形或半圆形锥形或半圆形。 有些螺杆的均化段是一表面完全平滑的杆体，有些螺杆的均化段是一表面完全平滑的杆体，称为称为“鱼雷头鱼雷头”，但也有刻上凹槽或铣刻成花纹，但也有刻上凹槽或铣刻成花纹的。的。 鱼雷头鱼雷头具有具有搅拌和节制物料搅拌和节制
20、物料、消除流动脉冲消除流动脉冲现现象的作用，并能增大物料的压力，降低料层厚度，象的作用，并能增大物料的压力，降低料层厚度，改善加热状况，且能进一步改善加热状况，且能进一步提高螺杆塑化效率提高螺杆塑化效率。5.2.1 5.2.1 螺杆挤出机螺杆挤出机螺杆三段长度的分配比例(5)(5)机头和口模机头和口模 机头的作用机头的作用是将处于旋转运动的塑料熔体转变是将处于旋转运动的塑料熔体转变为平行直线运动，使塑料进一步塑化均匀，并将熔为平行直线运动，使塑料进一步塑化均匀，并将熔体均匀而平稳地导入口模，赋予必要的成型压力，体均匀而平稳地导入口模，赋予必要的成型压力，使塑料易于成型和取得制品密实。使塑料易于
21、成型和取得制品密实。 口模口模为具有一定截面形状的通道，塑料熔体在为具有一定截面形状的通道，塑料熔体在口模中流动时取得所需形状，并被口模外的定型口模中流动时取得所需形状，并被口模外的定型装置和冷却系统冷却硬化而成型。装置和冷却系统冷却硬化而成型。 机头与口模的组成部件包括机头与口模的组成部件包括过滤网过滤网、多孔板多孔板、分流器分流器、模芯模芯、口模口模和和机颈机颈等部件。等部件。（1 1）圆孔口模）圆孔口模 挤出塑料圆棒、单丝和造粒。具有圆形出口的横截挤出塑料圆棒、单丝和造粒。具有圆形出口的横截面。面。 典型的一维流动，同心圆上的轴向流速是相同。典型的一维流动，同心圆上的轴向流速是相同。 出
22、口具有狭缝形的横截面。出口具有狭缝形的横截面。具有分配腔具有分配腔直管式口模：聚烯烃、聚酯直管式口模：聚烯烃、聚酯鱼尾形口模：无死角，熔体粘度鱼尾形口模：无死角，熔体粘度 高，热稳定性差高，热稳定性差衣架式口模：停留时间一致，硬衣架式口模：停留时间一致，硬 PVCPVC（2 2）扁平口模）扁平口模挤出法生产平膜和片材。挤出法生产平膜和片材。（3 3）环形口模）环形口模 挤出管子、管状薄膜、吹塑用型坯、涂布挤出管子、管状薄膜、吹塑用型坯、涂布电线。电线。 出口具有环形截面。出口具有环形截面。由口模套和芯模组成，有由口模套和芯模组成，有支架式支架式直角式直角式螺旋芯模式螺旋芯模式储料缸式储料缸式（
23、4 4）异形口模）异形口模 异型制品（型材）：从任一口模（异形口模）异型制品（型材）：从任一口模（异形口模）挤出而得到具有不规则截面的半成品。挤出而得到具有不规则截面的半成品。有有中空中空和和开放式开放式两大类。两大类。二）双螺杆挤出机二）双螺杆挤出机 指在一根两相连孔道组成指在一根两相连孔道组成截面截面的料筒内由的料筒内由两根相互两根相互啮合或相切啮合或相切的螺杆组成的挤出装置。的螺杆组成的挤出装置。双螺杆结构设计的差别：双螺杆结构设计的差别：（1 1）啮合还是非啮合）啮合还是非啮合；（2 2）对啮合螺杆：同向转动还是反向转动；）对啮合螺杆：同向转动还是反向转动；（3 3）螺杆是圆柱形还是锥
24、形；）螺杆是圆柱形还是锥形；（4 4）压缩比的实现是靠：螺纹高度或导程；）压缩比的实现是靠：螺纹高度或导程； 根径由小变大或外根径由小变大或外 径由大变小；径由大变小； 螺纹头数变化。螺纹头数变化。（5 5）螺杆是整体的还是组合的。）螺杆是整体的还是组合的。螺杆类型螺杆类型：（1 1）ColomboColombo螺杆：螺杆：螺杆分为三段，每一段有一混合室。螺杆分为三段，每一段有一混合室。加料段的外径和螺距最大；加料段的外径和螺距最大；压缩段次之；压缩段次之；均化段为最小。均化段为最小。同一段中，螺杆是等径等距的。同一段中，螺杆是等径等距的。（2 2）锥形双螺杆）锥形双螺杆 向外反向转动。向外反
25、向转动。 从加料段到计量段，螺杆的外径和根径从加料段到计量段，螺杆的外径和根径均匀地由大到小变化。均匀地由大到小变化。 螺杆各部分的长度、螺纹头数、螺槽数、螺杆各部分的长度、螺纹头数、螺槽数、螺棱宽度、螺棱形状等均有变化。螺棱宽度、螺棱形状等均有变化。（3 3）组合型双螺杆）组合型双螺杆 由不同数目的具有不同功能的螺杆元件由不同数目的具有不同功能的螺杆元件按一定要求和顺序装到带导键或三角形芯轴按一定要求和顺序装到带导键或三角形芯轴上组合而成的。上组合而成的。 可以连续输送、塑化、均化、加压、排可以连续输送、塑化、均化、加压、排气。气。（4 4）非啮合型双螺杆）非啮合型双螺杆 类似两根平行单螺杆
26、在料筒中转动，但类似两根平行单螺杆在料筒中转动，但两根螺杆反向转动并相切。两根螺杆反向转动并相切。 分为单阶和双阶两种形式。分为单阶和双阶两种形式。三）挤出机的辅助设备三）挤出机的辅助设备 1 1. .原料输送、干燥等原料输送、干燥等预处理设备预处理设备； 2 2. .定型和冷却设备定型和冷却设备，如定型装置、水冷却，如定型装置、水冷却装置、空气冷却装置；装置、空气冷却装置； 3 3. .用于连续地、平稳地将制品接出的可调用于连续地、平稳地将制品接出的可调速速牵引装置牵引装置； 4 4. .成品成品切断和辊卷切断和辊卷装置；装置； 5 5. .控制设备控制设备等。等。四）挤出机的一般操作方法四
27、）挤出机的一般操作方法1.1.开车前准备的工作；开车前准备的工作；2.2.机器运行开始的工作；机器运行开始的工作；3.3.停车时的工作；停车时的工作；4.4.清理设备。清理设备。注意：电、热、机械转动、笨重部件装卸等。注意：电、热、机械转动、笨重部件装卸等。三、三、 挤出成型原理挤出成型原理一）一） 固体输送固体输送以固体对固体的摩擦力静平衡为基础。以固体对固体的摩擦力静平衡为基础。假设：假设：（1 1）物料与螺槽和料筒内壁所有边紧密接触，形）物料与螺槽和料筒内壁所有边紧密接触，形成固体塞或固体床，并以恒定的速率移动；成固体塞或固体床，并以恒定的速率移动；（2 2）略去螺棱与料筒的间隙，物料重
28、力和密度变）略去螺棱与料筒的间隙，物料重力和密度变化等的影响；化等的影响；（3 3）螺槽深度是恒定的，压力只是螺槽长度的）螺槽深度是恒定的，压力只是螺槽长度的函数，摩擦系数与压力无关；函数，摩擦系数与压力无关；（4 4）螺槽中固体物料像弹性固体塞一样移动，）螺槽中固体物料像弹性固体塞一样移动，受周围的螺杆和料筒表面之间的摩擦力控制，受周围的螺杆和料筒表面之间的摩擦力控制，只只有物料与螺杆之间的摩擦力小于物料与料筒之间有物料与螺杆之间的摩擦力小于物料与料筒之间的摩擦力时物料才能沿轴向前进，否则物料将与的摩擦力时物料才能沿轴向前进，否则物料将与螺杆一起转动。螺杆一起转动。P P：螺槽中体系的压力；
29、螺槽中体系的压力；AbAb、AsAs：固体塞与料筒和螺杆间的压力；固体塞与料筒和螺杆间的压力；fbfb、fsfs：摩擦系数；摩擦系数；FbFb、FsFs：摩擦力。摩擦力。固体输送率固体输送率QsQs：RsRs、RbRb：螺槽底部和顶部半径；螺槽底部和顶部半径；e:e:螺棱宽度；螺棱宽度； a a：平均螺旋角；平均螺旋角；i:i:螺纹头数。螺纹头数。bpLVbpLVtanbpLVsinbV则：则：N N：螺杆转数；螺杆转数； b b：料筒表面处的螺旋角；料筒表面处的螺旋角；DbDb：螺杆外径；螺杆外径；HfHf：螺槽深度。螺槽深度。可见：固体输送率与螺杆的几何尺寸和移动可见：固体输送率与螺杆的几
30、何尺寸和移动角角 有关。有关。通常通常 在在0 0 90 90范围，范围， 0 0时，时，QsQs为零，为零， 9090时，时，QsQs为最大。为最大。因此，为了增大输送量，可以采取以下措施：因此，为了增大输送量，可以采取以下措施：（1 1）螺杆直径不变时，增大螺槽宽度）螺杆直径不变时，增大螺槽宽度（2 2）减小聚合物与螺杆的摩擦系数）减小聚合物与螺杆的摩擦系数fsfs（3 3）增大聚合物与料筒的摩擦系数）增大聚合物与料筒的摩擦系数fbfb，如：料筒如：料筒 内开设纵向沟槽；锥形开槽料筒内开设纵向沟槽；锥形开槽料筒（4 4）减小螺旋角）减小螺旋角 b b，使使 为最大为最大（5 5）从工艺角度
31、上考虑送料段料筒和螺杆的温度）从工艺角度上考虑送料段料筒和螺杆的温度二）固体熔化（相迁移）过程二）固体熔化（相迁移）过程 塑料在挤出机中的塑化过程是很复杂的。以往的理论研究多着重在均化段熔体的流动，其次是螺杆内固体物料在送料段的输送。 通常塑料在挤出机中的熔化主要是在压缩段完成 1.1.塑料的熔化过程塑料的熔化过程1）塑炼温度、所需机械功（反映物料抵抗形为的粘度大小）与塑炼时间的关系（图6-9） （1）ttAtAtAtA 料温和摩擦热作用下，粒子表面最早熔化并发生粘结，表面破坏； 聚合物分子热运动加速，粒子开始膨胀，此时转矩最小为 MA（2） tA t tB 随塑炼时间增长，热量增加使温度上升
32、，物料粘度增大，以至到时间tB时机械功增至最大值MB （3） tB t tC 温度进一步升高，塑料熔融加速，粘度减小，并逐渐转化为螺杆挤压作用下的粘性流动，螺杆转柜下降，到达时间tC时，物料温度与粘度都达较均一平衡状态 Mc（3） tC t tD 当塑炼时间到达tD时，塑料出现热机械降解与交联，机械功和温度又有所上升。 2）塑料在螺杆上由固体转化为熔融状态的过程（见图6-10（a）、（b） 在挤出过程中，在螺杆加料段附近一段内充满着固体粒子，接近均化段的一段内则充满着已熔化的塑料；而在螺杆中间大部分区段内固体粒子与熔融物共存 图（a）中示出了固体床在展开螺槽内的分布和变化情况。图（b）则表示了
33、固体床在熔化区随熔融过程进行而逐渐消失的情况。 由实验观察到在一个螺槽中固体物料的熔化由实验观察到在一个螺槽中固体物料的熔化过程：过程： 与料筒表面接触的固体粒子，由于料筒的传与料筒表面接触的固体粒子，由于料筒的传导热和摩擦热的作用，首先熔化，并形成一层薄导热和摩擦热的作用，首先熔化，并形成一层薄膜，膜，称为熔膜称为熔膜。 这些不断熔融的物料，在螺杆与料筒的相对这些不断熔融的物料，在螺杆与料筒的相对运动下，不断向螺纹推进面汇集，从而形成漩涡运动下，不断向螺纹推进面汇集，从而形成漩涡状的流动区，状的流动区，称为溶池称为溶池。3 ）一个螺槽内固体物料的熔化过程（可用图6-11表示 ） 在溶池的前边
34、充满着在溶池的前边充满着受热软化和半熔融后受热软化和半熔融后粘粘结在一起的固体粒子和尚未完全熔结和温度较低结在一起的固体粒子和尚未完全熔结和温度较低的的固体粒子固体粒子，统称为固体床统称为固体床。 沿螺槽前移的过程中，固体床宽度逐渐减小，沿螺槽前移的过程中，固体床宽度逐渐减小，直至全部消失。直至全部消失。 从熔化开始到固体床的宽度下降到零的总长度，从熔化开始到固体床的宽度下降到零的总长度，称为熔化区的长度称为熔化区的长度。一般的，熔化速率越高，熔化。一般的，熔化速率越高，熔化长度越短。长度越短。4）塑料往机头方向输送时的熔融过程（如图6-10（a）所示） 自熔融区始点（相变点）A开始，固相的宽
35、度将逐渐减小，液相宽度则逐渐增加，直到熔化区终点（相变点）B，固相宽度就减小到零。螺槽的整个宽度内均将为熔融物充满。 从熔化开始到固体床的宽度降到零为止的总长，称为熔化长度。 一般，熔化速率越高则熔化长度越短；反之就越长。在熔化区域中，固体床在螺槽中的厚度（即为螺槽深）沿挤出方向逐渐减小。 （见6-12）图图6-126-12是聚丙烯在是聚丙烯在9090毫米螺杆中固体床厚度变化情况毫米螺杆中固体床厚度变化情况 （N=60rpm, Q=71Kg/h）5 5）熔化实验结论）熔化实验结论 A. 塑料的整个熔化过程是在螺杆熔融区进行的，塑料的整个熔化过程是在螺杆熔融区进行的， B. 塑料的整个熔化过程直
36、接反映了固相宽度沿塑料的整个熔化过程直接反映了固相宽度沿螺槽方向变化的规律，这种变化规律，决定于螺杆参螺槽方向变化的规律，这种变化规律，决定于螺杆参数、操作条件和塑料的物性等。数、操作条件和塑料的物性等。6 6）熔化理论的物理模型）熔化理论的物理模型 （见图（见图6-136-13） （1）表征塑料熔化过程固相宽度沿螺槽方向变化的规律，需要对实验研究结果作一些假设： （i）挤出过程是稳定的，即在挤出过程中螺杆上某一螺槽内的分界面位置固定不变； （ii）整个固相为均匀连续体； （iii）塑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；螺槽与固相的横断面都是矩形的。 由此得图6-13简化模型
37、 实践表明，熔化物料的热源有二实践表明，熔化物料的热源有二： 一是依靠料筒传来的热量； 一是熔膜内摩擦剪切产生的热量。 这些热量通过熔膜（1）传导到迁移面（3），使固体粒子在分界面上熔化，由此形成沿螺槽深度方向（y向）物料的温度分布，如图6-14（b）所示。 当熔膜的厚度超过螺纹间隙时，熔膜被料筒表面“拖曳”而汇集于熔池（2）；同时固体床又以一定速度沿y方向移向分界面，加以补充形成新的熔膜，以保证稳定状态。在挤出过程中曾假定螺杆不动而料筒旋转，则料筒将以切线速度 运动，其值可用料筒直径 及螺杆转速N表示： （6-6）这个速率可分解成二个分量见图6-10（a）： （6-7）（6-8）式中 为螺杆
38、上螺纹的螺旋角； 是物料沿螺槽移动的速度。由于料筒内表面对物料的拖曳作用，在料筒表面上最大. 从料筒表面到固体床之间会出现速度的迅速减小 （图6-14a）z三、三、熔体输送熔体输送 正常状态下均化段的生产率就可代表挤出生产率，该段的功率消耗也作为整个挤出机功率消耗的计算基础。 如 以代表送料段的送料速率， 代表压缩段的熔化速率， 代表均化段的挤出速率 ，则有： （1）当 时，挤出机供料不足，生产不正常，质量不符合要求； （2）当 时，均化段就成为控制区域，操作平衡，质量也得到保证 ； （3）三者之间不能相差太大，否则均化段压力太大，出现超负荷，操作也不正常 1）熔体在均化段的输送四种主要形式
39、（1）正流 即沿着螺槽向机头方向的流动；它是螺杆即沿着螺槽向机头方向的流动；它是螺杆旋转时螺纹斜棱的推力在螺槽旋转时螺纹斜棱的推力在螺槽Z Z轴方向作用的结果，其流动轴方向作用的结果，其流动也称也称拖曳流动拖曳流动。塑料的挤出就是这种流动产生，其体积流。塑料的挤出就是这种流动产生，其体积流率（体积率（体积/ /单位时间）用单位时间）用QD表示表示。 （2）逆流 方向正与流相反，它是由机头、口模、过滤方向正与流相反，它是由机头、口模、过滤网等对塑料网等对塑料反压反压所引起的所引起的反压流动反压流动，又称，又称压力流动压力流动。 逆流的体积流率用Qp表示，速度分布见图3-10（a）。 正流和逆流在
40、螺杆通道中所形成的净流动，这是两种速度进行代数加合，如图3-10（ b）所示。 1）熔体在均化段的输送四种主要形式 （3）横流 沿X轴方向即与螺纹斜棱相垂直方向流动。 （4）漏流 。2）挤出机的生产率计算 Q = QD ( Qp + QL ) (6-9) I.塑料的流动是滞流，为牛顿型流动；II.塑料的温度没有变化，当然它的粘度也不会变化；III. 均化段螺杆宽度与该段深度比大于10；IV. 如果螺槽深度与螺杆直径之比h/D0.07时，螺槽侧壁对塑料流动的影响不大，可以略去。 3）单螺杆挤出机均化段的流动速率计算 6-10 式中Q 挤出机的生产率，厘米3/秒； D 螺杆直径，厘米； h 均化段
41、螺槽深度，厘米； N 螺杆转速，转/秒； 螺旋角，度； e 螺纹斜棱宽度，厘米； 均化段料流压力降，公斤/厘米2； 螺杆一机筒间隙，厘米； 塑料熔体的粘度，公斤秒/厘米2；L均化段长度，厘米。 eLptgDLpDhhNDQ1012sin2sincos3222322分析： （1）漏流 的大小 与径向间隙的三次方成正比；因此它的增大，生产率就明显下降。但过小的间隙在有漏流通过时，间隙处的剪切速率太大，过度的内摩擦热又会使塑料分解。 间隙值通常取 （用于较大螺杆） （用于较小螺杆）。一般漏流都不太大，在实际计算中有时将此项略去。 （2） Q的简化计算 若用机头压力P来代替 ，而熔体粘度取平均值 来计
42、算，分析：（2） Q的简化计算 （6-11） 上式中， A、B只与螺杆的结构尺寸有关，因而当螺杆确定后，A、B便是常数。 因此，挤出生产率主要与螺杆转速和熔体粘度相关。 分析：（3） Q的简化计算 如果塑料是假塑性液体，则式（6-10）略去漏流后可改为： 6-12 式中 K流动常数；m常数 式（6-10）与式（6-12）比较可看出，右方第一项是完全相等的，第二项不相同，说明塑料的流变性能仅与式（6-12）第二项（在逆流项出现）有关，而与第一项无关。 如果挤出的塑料是流动性较大的（亦即 较小或K较大，K的意义见式2-10），则挤出量对压力的敏感性就越大，这说明采用挤出成型是不十分相宜的。 式2-
43、10可知：正流与螺槽深度h成正比，而逆流则与其三次或多次方成正比。因此，在压力较低时，用浅槽螺杆的挤出量会比用深槽螺杆时低。而当压力高至一定程度后，其情况正相反。这一推论说明浅槽螺杆对压力的敏感性不很显著，而能在压力波动下挤出较好质量的制品，但螺槽不能太浅，否则容易使塑料烧焦。 四）螺杆和机头的特性曲线与挤出机生产率的关 系 1）螺杆特性曲线 即挤出效率与压力之间的特性曲线 (1) 牛顿液体塑料熔体的螺杆特性曲线 塑料熔体（假定为牛顿液体）通过机头和口模时的体积流率（厘米3/秒），可用以下流动方程简单表示： （6-13） 为物料通过机头和口模的压力降（公斤/厘米2） (1) 牛顿液体塑料熔体的
44、螺杆特性曲线 为塑料熔体通过机头和口模时的粘度（公斤秒/厘米2） K 为机头和口模的阻力常数，仅与机头大小和形状有关，其大小计算： 对圆形口模： 对环形口模： 对狭缝形口模： 以 为斜率的直线，以N、D为变量，可得特性曲线(2) 假塑性熔体的螺杆特性曲线 对假塑性液体来说；按同样理由，可以将式（6-12）写为： （6-14） 而将式（6-13）改写为： （6-15） 特性曲线应用： 图6-15中两组直线的交点就是操作点，利用这种图可以求出指定挤出机、配合不同机头和口模时的挤出量，使用极为方便，因为只需二点就可以决定。 上列两式中的 和 对给定的塑料在等温下挤出的情况来说，都是常数。其它符号所代
45、表的意义如前所述。 根据式（6-14）、（6-15）绘出螺杆和口模的特性曲线不是直线而是抛物线（见图6-16） 从螺杆特性曲线与挤出量和压力降的关系可以得出: () 挤出量随螺杆转数增加而增大 ,但随模具阻力增大（即口模尺寸减小）而减小; () 螺杆螺槽深浅对物料的压力、挤出量和温度都有影响 A. 深槽螺杆的挤出量对压力变化的敏感性大(6-17a); 深螺槽杆在模具阻力小时，挤出量随槽深增加而增大；但模具阻力增大时，压力降微小变化就会引起挤出量的迅速减少； 相反，浅螺槽螺杆在模具阻力变化时，其挤出量的波动较小 ; B. 机头内熔体的压力能引起料温的变化 (6-17b); 深螺槽螺杆对压力敏感性
46、大，故物料温度容易出现较大的波动，以致影响挤出物的质量； 浅螺槽螺杆在压力变化时，对料温的影响较小 . C.均化段的长度对挤出量的影响 （ 图6-18） 长度越大时受模具阻力的影响较小，即使因口模阻力变化而引起机会内压力较大的波动时，挤出量的变化也较小 。 D. 机头对物料流动的阻力与口模和机头的截面尺寸和长度有关，因而也影响挤出量。 （图6-19） 物料流动时受到的阻力，大体上与口模的截面积或长度成反比。口模截面尺寸愈大或口模平直部分愈短的机头阻力愈小，这时机头内压力的微小波动都会引起挤出量很大的变化，并影响产品的质量。 三、三、 挤出成型工艺与过程挤出成型工艺与过程通常的程序：通常的程序：
47、成型物料预处理成型物料预处理挤出造型挤出造型制品的定型与冷却制品的定型与冷却制品的牵引与卷取（切割）制品的牵引与卷取（切割）后处理后处理包装包装一）一）成型物料预处理成型物料预处理通常包括干燥、预热、着色、混入各种添加剂和废通常包括干燥、预热、着色、混入各种添加剂和废品的回收利用等。品的回收利用等。 水分水分：影响挤出过程的正常进行和制品的质量。使：影响挤出过程的正常进行和制品的质量。使制品出现气泡、表面晦暗、物理机械性能下降、甚至无制品出现气泡、表面晦暗、物理机械性能下降、甚至无法挤出。法挤出。 控制控制含水量含水量0.5以下以下。同时不含有任何可见杂质。同时不含有任何可见杂质。二）挤出成型
48、二）挤出成型 挤出过程中螺杆转数、料筒压力、温度应视具挤出过程中螺杆转数、料筒压力、温度应视具体情况而加以调整。体情况而加以调整。1.1.物料温度物料温度：来：来源于料筒加热器源于料筒加热器和螺杆对物料的和螺杆对物料的剪切。剪切。料温升高：粘度降低，利于塑化； 熔体流量大，出料加快； 机头和口模温度过高，挤出物形状稳定性差，制 品收缩率增加， 甚至制品发黄、出现气泡。 挤出不能正常进行。温度降低：熔体粘度大，机头压力增加，制品密、 形状稳定性好，但离模膨胀严重，应适 当增大牵引速度。料温过低：塑化较差，且因熔体粘度大而使功率消 耗增加。口模与模芯温差过大：挤出制品出现向内或向外翻 或扭歪情况。
49、2.2.转速转速 增大螺杆的转速：强化对物料的剪切作用，利增大螺杆的转速：强化对物料的剪切作用，利于物料的混合和塑化，提高物料的压力。于物料的混合和塑化，提高物料的压力。3 3、制品的定型与冷却、制品的定型与冷却 热塑性塑料挤出制品，在离开机头口模后，应进行冷却定型。 定型不及时，自身重力作用下，会发生形变。 大多数情况下定型与冷却往往同时进行。 挤出管材和各种异型材时才有定型过程，挤出薄膜、单丝、线缆包覆物等不需定型。挤出板材和片材时，有时还通过一对压辊压平，也有定型和冷却作用。3 3、制品的定型与冷却、制品的定型与冷却 管材的定型方法可用定径套、定径环和定径板等，也有采用能通水冷却的特殊口
50、模来定径的，但不管哪种方法，都是使管坯内外形成压力差，使其紧贴定径套上而冷却定型，定径套总是备有水冷却系统。 冷却时，冷却速度对制品的性能有一定影响，对硬质塑料如聚苯乙烯、低密度聚乙烯和硬聚氯乙烯等，冷却过快时时容易在制品中引起内应力等，并降低外观质量；对软质或结晶的塑料，则应较快冷却，否则制品极易变形 4、牵引（拉伸）和热处理 制品从口模挤出后，产生离模膨胀，挤出物尺寸和形状发生改变，应及时引出。 常用管材牵引设备：滚轮式、履带式。 牵引速度应与挤出速度很快地配合，且速度均匀。一般牵引速度大于挤出速度，以消除离模膨胀，并对制品进行适度拉伸（产生一定程度的取向）；同时要求牵引速度十分均匀，不然
