1、第二节第二节 挤出过程和挤出理论挤出过程和挤出理论 之一 挤出过程 第二节第二节 挤出过程和挤出理论挤出过程和挤出理论 2.1 2.1 挤出机的工作过程挤出机的工作过程?塑料(橡胶)之所以能进行成型加工，是由其内在依 据所决定的。?由高分子物理学得知，高聚物一般存在着 玻璃态、玻璃态、高弹态和粘流态高弹态和粘流态三种物理状态，在一定条件下，这 三种物理状态将发生相互转化。?塑料(橡胶)的成型加工（压制、压延、挤出、注射压制、压延、挤出、注射 等）就是在粘流态粘流态下进行的。挤出过程和挤出理论 1 1、挤出过程、挤出过程 塑料（橡胶)由料斗进入料筒后，随着螺杆的旋转而被逐渐推向机头方向。经过以下
2、四个阶段:?1 1）加料段）加料段-输送并开始压实物料输送并开始压实物料 螺槽被松散的固体粒子（或粉末）所充满，物料开始被压实。?2 2）压缩段）压缩段-压实并熔融物料压实并熔融物料 a a、由于阻力、由于阻力,物料被压实物料被压实 由于螺槽逐渐变浅，以及滤网、分流板和机头的阻力，在塑料(橡胶)中形成了很高的压力，把物料 压压得很密实。得很密实。挤出过程和挤出理论?b b、外热、内热的作用，物料熔融、外热、内热的作用，物料熔融 在料筒外热和螺杆、料筒对物料的混合、剪切作用所产生的内摩擦热的作用下，塑料(橡胶)的温度逐温度逐渐升高渐升高。对于常规三段全螺纹螺杆来说，大约在压缩段的三分之一处，与料
3、筒壁相接触的某一点的塑料(橡胶)温度达到粘流温度，开始熔融开始熔融。c c、物料全部熔融，变为粘流态物料全部熔融，变为粘流态 随着物料的向前输送，熔融的物料量逐渐增多。而未熔融的物料量逐渐减少，大约在压缩段的结束处，全部物料熔融而转变为粘流态，但这时各点的温度尚不很均匀。挤出过程和挤出理论?3)3)均化段均化段-均化、挤出均化、挤出 物料经过均化段的均化作用均化作用就比较均匀了，最后螺杆将熔融物料定量、定压、定温定量、定压、定温地挤入机头挤入机头?4)4)机头机头-成型、定型成型、定型 机头内的口模是个 成型成型部件，物料通过它便获得一定截面的几何形状和尺寸。再经过冷却（或硫化）冷却（或硫化）
4、定型定型和其它工序，就得到成型好的制品。?综上所述，挤出机的挤出过程可以归纳如下：喂料喂料-输送输送-压实压实-熔融熔融-均化均化-挤出成型挤出成型 挤出过程和挤出理论 2 2、参变量、参变量?描写挤出过程的参变量有 温度、压力、流率温度、压力、流率（或挤出量、产量）和能量能量（或功率）。有时也用物料的粘度粘度表示表示，因其不易直接测得，而且它与温度有关，故一般不用它来讨论挤出过程。?下面我们就来对以上几个变量进行一下讨论：?1）温度）温度 温度是挤出过程得以进行的重要条件之一。如前所述，物料从加人料斗到最后成型为制品是经历了一个复杂的温度过程的。（低-高）挤出过程和挤出理论?如果我们以物料沿
5、料筒方向的位移为横坐标。而以温度为纵坐标，将沿料筒方向测得的各点的物料温度值连成曲线，就会得到 温度轮廓曲线温度轮廓曲线，如下图:挤出过程和挤出理论?实验告诉我们：实验告诉我们：?加工不同物料和不同制品，温度轮廓曲线是不相同加工不同物料和不同制品，温度轮廓曲线是不相同的的。?加工相同物料和相同制品，物料的温度轮廓曲线、加工相同物料和相同制品，物料的温度轮廓曲线、料筒的温度轮廓曲线和螺杆的温度轮廓曲线也是不料筒的温度轮廓曲线和螺杆的温度轮廓曲线也是不相同的。相同的。?一般情况下我们测得的温度轮廓线是料筒的，而不是物料的，物料的温度测量较难。?由上图可见，螺杆的温度轮廓线比料筒的温度轮廓线低，而比
6、物料温度轮廓线高。挤出过程和挤出理论?a、热量来源热量来源 根据挤出理论和实践，物料在挤出过程中 热量的来热量的来源源主要有两个：?物料与物料之间物料与螺杆、料筒之间的剪切、摩擦产生的热量；?料筒外部加热器提供的热量。?b、温度的调节、温度的调节 温度的调节是靠挤出机的加热冷却系统和控制系统进行的。一般说来：?加料段加料段-低温输送。低温输送。为加大输送能力，不希望加料段温度升得过高，相反有时要冷却；挤出过程和挤出理论?压缩段和计量段压缩段和计量段高温熔融高温熔融。为了促使物料熔融，均化，物料要升到较高的温度。?橡胶挤出机则不一样橡胶挤出机则不一样。?为了便于物料的容易加入、输送、熔融、均化以
7、及在低温下挤出，获得高质量、高产量的制品，每一种物料的挤出过程应有一条合适的温度轮廓曲线。?应当指出，料筒和螺杆的设计对挤出过程的热量的产生有很大影响。挤出过程和挤出理论?C、温度波动、温度波动?上图所示的温度轮廓线只是稳定挤出过程温度的宏观表示。如果深入研究每一温度测示点的温度，就会发现，即使在稳定的挤出过程中，其温度相对于时间也是一个变化的值，而且这种变化往往具有一定的周期性。MD方向的温度不均匀性（轴向温度波动）方向的温度不均匀性（轴向温度波动）沿物料流动方向温度的波动情况，我们称之为 物料物料流动方向的温度波动流动方向的温度波动（一般文献上记作MD方向的温度不均匀性）。波动情况因测试点
8、不同会有不同。有的波动达10左右。?挤出过程和挤出理论 TD方向的温度不均匀性（径向温差）方向的温度不均匀性（径向温差）我们还会发现，垂直于物料流动方向的截面内的各点之间的温度有时也不一致，我们称之为 径向径向温差温差（一般文献中记作TD方向的温度不均匀性）。有的螺杆头部的径向温差竟达 10以上。?温度波动对挤出质量的影响温度波动对挤出质量的影响 制品产生残余应力、各点强度不均匀、表面灰暗无光泽等。?努力方向努力方向是尽可能减少或消除这种波动和温差。?产生这种波动和温差的原因产生这种波动和温差的原因：如加热冷却系统不稳定，螺杆转数的变化等，但以螺杆设计的好坏影响最大。?挤出过程和挤出理论?2
9、2）压力）压力?a a、压力的建立、压力的建立 挤出成型时，沿料筒轴线方向，在物料内部要建立起不同压力，主要由以下两个方面的因素造成的：?压缩比的存在压缩比的存在；（螺槽深度的改变、料筒上的沟槽深度变化、螺距的改变等）?分流板、滤网和口模产生的阻力分流板、滤网和口模产生的阻力。压力的建立是物料得以经历物理状态变化、得到均匀密实的熔体、并最后得到成型制品的重要条件之一。挤出过程和挤出理论?b、影响压力的因素、影响压力的因素 如果将沿料筒轴线 方向（包括口模）测得的各点的物料 压力值作为纵坐标，以料筒轴线为横坐 标作一曲线，即可 得到压力轮廓线。?图中为常规三段螺杆和料筒加料段内壁不开沟槽的挤压系
10、统的压力轮廓曲线，压力峰值位于计量段开始处（或其前后）。挤出过程和挤出理论 机头、分流板、滤网的阻力；机头、分流板、滤网的阻力；加热冷却系统；加热冷却系统；螺杆转数；螺杆转数；?影响各点压力数值和压力轮廓曲线形状的因素影响各点压力数值和压力轮廓曲线形状的因素很多：螺杆和料筒的结构螺杆和料筒的结构。?研究挤出过程的压力轮廓曲线对挤出过程的了解和改进螺杆、料筒的设计有着重要的意义。挤出过程和挤出理论?c c、压力波动对制品的影响、压力波动对制品的影响 若深入研究每一压力测示点的压力,也会发现，压力随着时间发生周期性的波动，这种波动对制品的质量同样有不利影响。比如：?压力的波动会造成流量的波动；?会
11、使制品径向尺寸变化不均；?造成制品内部应力不均匀等。?努力的方向努力的方向应当是减少、消除这种波动。减少、消除这种波动。挤出过程和挤出理论?3 3）流率（挤出量）流率（挤出量）流率是描写挤出过程的一个重要参量。它的大小表征着机器生产效率的高低。?a a、绝对流率、绝对流率（流量、产量）用Q Q表示，为公斤/每小时，代表挤出机每小时的生产能力。?b b、比流率、比流率 用每转的流率 Q/nQ/n表示。?后者更能反映挤压系统的性能，应当作为衡量挤出机挤压系统性能的标准。挤出过程和挤出理论?c c、影响流率的因素、影响流率的因素 影响流率的因素：?机头的阻力机头的阻力?螺杆、料筒的设计螺杆、料筒的设
12、计?螺杆转数螺杆转数?加热冷却系统加热冷却系统?物料的性质等。物料的性质等。右图为在机头压 力不变时，流率 和螺杆转数的关 系，它常用来研 究挤出机的性能。挤出过程和挤出理论?d d、流率的波动、流率的波动 研究发现，流率也有波动。影响流率波动的因素有研究发现，流率也有波动。影响流率波动的因素有很多，如：很多，如：?螺杆转速的稳定与否；螺杆转速的稳定与否；螺杆设计的好坏；螺杆设计的好坏；温控系统的性能；温控系统的性能；?加料情况；等等。加料情况；等等。流率的波动对产品质量有显著的不良影响，如造成挤出速度不均匀，而影响制品的几何形状和尺寸等 挤出过程和挤出理论?研究表明：温度波动，压力波动、流率
13、波动温度波动，压力波动、流率波动 都是挤出过程的反对于高质量的挤出，希望有尽可能小的流率波动、映，它们不是孤立的，而是互相制约、互相影响的。?温度波动、压力波动。?这些波动也是评价挤出质量、挤压系统好坏的标准之一。挤出过程和挤出理论?4）能量（功率）能量（功率）挤出机的挤出过程实际上就是一个能量的转换过程，并且遵守能量守恒定律。?a a、能量平衡、能量平衡?为了使物料熔融呈粘流态，必须供给 热能热能；?为使物料压实并得以成型，物料必须具有一定的压力，即必须供给压力能压力能。?热能和压力能是由 加热器的电能和驱动螺杆的机械加热器的电能和驱动螺杆的机械能能转化而来。?这些能量的一部分为熔融物料、成
14、型制品所利用。其余部分作为热损失而损失掉。挤出过程和挤出理论?其能量平衡方程式如下：Z+HJ=Qv(T2-T0)CvJ+Qv?P+H 式中 Z-单位时间内由螺杆输入的机械能，HJ-由外部加热器输入的热能。右端第一项-物料由固态变为熔融状态所需之能，右端第二项-物料在挤出过程中所获得的压力能。H-热量损失 即：机械能即：机械能+热能热能=熔融热能熔融热能+压力能压力能+热量损失热量损失 H-外部热能,J-热功当量,Qv-体积挤出量,T2-挤出温度 T0-加料温度,-比重,Cv-定容比热,?P-挤出压力 挤出过程和挤出理论?b、比功率消耗、比功率消耗 比功率消耗这一 指标是作为评价 挤出机性能的标 准之一，它的含 义是每挤出一公每挤出一公 斤物料（制品）斤物料（制品）所消耗的功率。所消耗的功率。N/Q?它也是挤出过程的重要度量之一。在保证塑化质量和混炼质量的前提下，希望该值越小越好。
