塑料成型工藝第五章-擠出成型

1、描述擠出過程的參變量有溫度、壓力、流率（或擠出量、產(chǎn)量）和能量（或功率）。有時(shí)也用物料的粘度表示，因其不易直接測(cè)得，而且它與溫度有關(guān)，故一般不用它來討論擠出過程。,5.3 擠出成型原理,學(xué)習(xí)目標(biāo)： 掌握擠出理論中影響生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量的因素,問 題 與 思 考,聚合物在擠出機(jī)中是如何運(yùn)動(dòng)的？ 聚合物在擠出機(jī)中是如何熔融的？, 物料在擠出機(jī)中的狀態(tài)變化,物料自料斗加入到由機(jī)頭擠出，要通過幾個(gè)功能區(qū)：固體輸送區(qū)、熔融區(qū)和熔體輸送區(qū)。,靜態(tài)變化：固體固熔混合體熔體, 物料在擠出機(jī)中的狀態(tài)變化,動(dòng)態(tài)變化：物料在螺桿和料筒間沿螺槽向前流動(dòng),5.3.1 固體輸送理論,關(guān)于固體輸送區(qū)的理論有幾種，下面將重點(diǎn)介紹

2、較有代表性的達(dá)涅耳（Darnel）和莫耳（Mol）于1956年提出的根據(jù)固體對(duì)固體摩擦的靜力平衡為基礎(chǔ)建立起來的固體輸送理論。,固體輸送區(qū)，通常限定在自加料斗開始算起的幾個(gè)螺距中，在該區(qū)，物料向前輸送并被壓實(shí)，但仍以固體狀(固體塞、固體床)存在。,但這一理論是在等溫條件下建立起來的，并忽視了固體輸送區(qū)螺紋深度的變化，壓力分布的各向異性，固體塞子的密度變化等,5.3.1 固體輸送理論,理論基礎(chǔ)：固體和固體之間的摩擦力靜平衡 理論假設(shè)： 物料與與所有面（料筒表面、螺紋槽底面、螺紋兩個(gè)側(cè)面） 緊密接觸，形成固體塞或固體床，并以恒定的速率移動(dòng)； 略去螺棱與料筒的間隙，物料重力和密度變化等的影響； 螺槽

3、深度是恒定的，壓力只是螺桿長(zhǎng)度的函數(shù)，摩擦系數(shù) 與壓力無關(guān)（各表面的摩擦系數(shù)分別為常數(shù)）； 螺槽中固體物料像彈性固體塞一樣移動(dòng)。, 機(jī)筒轉(zhuǎn)動(dòng)而螺桿相對(duì)的靜止不動(dòng)。,固體塞的運(yùn)動(dòng),物料沿螺槽向前運(yùn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 物料與螺桿的摩擦作用力Fs 軸向水平運(yùn)動(dòng) 物料與料筒的摩擦作用力Fb,當(dāng) FsFb時(shí)，物料發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 當(dāng) FsFb時(shí)，物料發(fā)生軸向水平運(yùn)動(dòng),阻力誘發(fā)固體輸送,Vb,Vsz,Vp,Vp,VpL,VpL,螺旋角,移動(dòng)角,固體輸送-Qs體積流率公式推導(dǎo)：,固體床dz,螺桿,切線,螺槽,方向角、輸送角、拖曳角,固體輸送-Qs體積流率公式推導(dǎo)：,固體輸送率Qs：,Rs、Rb：螺槽底部； 和頂部半徑

4、；e：螺棱寬度； a：平均螺旋角；r：任意半徑螺旋角；i:螺紋頭數(shù)。,忽略螺紋：,(3),(2),(1),(4),(5),(3), (4)式代入(1)式，有：,5.3.1 固體輸送,可見：固體輸送率與螺桿的幾何尺寸和移動(dòng)角有關(guān)。,通常在0 90范圍。,a、是影響擠出生產(chǎn)率的重要因素，它取決于螺桿幾何參數(shù)、摩擦系數(shù)和壓力增長(zhǎng)情況。 b、越大， Qs越大 當(dāng)=90時(shí)，可獲得 理論上最大生產(chǎn)率。 c、=0時(shí)，Qs =0。 機(jī)頭被封死時(shí)，就會(huì) 出現(xiàn)這種情況。,擠出機(jī)的最高危險(xiǎn)壓力產(chǎn)生于斷流(Q=0)的情況,5.3.1 固體輸送,螺桿,切線,螺槽,求Vsz？,速度圖解,以Vsz 計(jì)算的 質(zhì)量流率表達(dá)式,

5、問題？,如何提高固體輸送速度,(1)螺桿結(jié)構(gòu) 1. 增加螺槽深度 2. 降低物料與螺桿的摩擦系數(shù) 螺桿表面光潔度； 3. 增加物料與料筒的摩擦系數(shù) 料筒內(nèi)壁光滑(避免引起物料停滯分解)； 料筒內(nèi)表面(加料段)特設(shè)縱向溝槽 物料與料筒表面的切向摩擦力 4. 選擇適當(dāng)?shù)穆菪?最佳螺旋角是：1720 ；通常，=1025,如何提高固體輸送速度,(2)成型工藝 1、提高料筒溫度（fb） 提高物料和料筒之間的摩擦系數(shù) 2、降低螺桿溫度（fs） 螺桿中心通冷卻水 降低物料與螺桿 表面的摩擦力,鋼與塑料的摩擦系數(shù)與溫度的關(guān)系,5.3.1 固體輸送,因此，為了增大輸送量，可以采取以下措施：,（1）螺桿直徑不變

6、時(shí)，增大螺槽寬度,（2）減小聚合物與螺桿的摩擦系數(shù)fs,（3）增大聚合物與料筒的摩擦系數(shù)fb，如：料筒 內(nèi)開設(shè)縱向溝槽；錐形開槽料筒,（4）減小螺旋角b，使 為最大,（5）從工藝角度上考慮送料段料筒和螺桿的溫度,5.3.2 固體熔化理論,研究目的：,預(yù)測(cè)螺槽中任何一點(diǎn)未熔化物料的量 熔化全部物料所需螺桿的長(zhǎng)度 此兩個(gè)變量對(duì)物料物性、螺桿幾何形狀和操作條件的依賴關(guān)系,固體床分布方程：固體床寬度（X）沿螺槽向下長(zhǎng)度（Z）變化的規(guī)律，即：X=X(z)。,求解固體床分布方程： X=X(z),5.3.2 固體熔化,塑料在擠出機(jī)中的塑化過程是很復(fù)雜的。,1.冷卻實(shí)驗(yàn)和熔化機(jī)理,本色塑料,著色塑料（35）,

7、加熱,擠出,穩(wěn)態(tài),停車,迅速冷卻,塑料凝固,剝下塑料進(jìn)行分析,5.3.2 固體熔化理論,冷卻實(shí)驗(yàn)：,高密度聚乙烯的熔化過程,5.3.2 固體熔化理論,熔化機(jī)理：,相遷移面： 熔化區(qū)內(nèi)固體相和熔體相的界面稱為相遷移面。熔化發(fā)生在相遷移面上。 熔化長(zhǎng)度： 從熔化開始到固體床的寬度降到零為止的螺槽總長(zhǎng)。,固體床,料筒表面,膜厚,熔化過程，熔膜厚度保持為,相遷移面,熔膜,熔體池,固相補(bǔ)充Vsy, 物料在擠出機(jī)中的狀態(tài)變化,5.3.2 固體熔化理論,熔化理論可歸結(jié)為：,熔體池,(固-液分界面),相遷移,融化系數(shù)，G生產(chǎn)能力， 融化速率 H熔槽深度， Z固相熔融長(zhǎng)度（螺槽展開）,等深螺槽固體床分布方程：,

8、固體粒子,熔化物料的熱源 料筒加熱熔膜內(nèi)摩擦熱,熔膜傳導(dǎo),相遷移面,熔化,傳質(zhì),傳熱,，見式5-20,我們研究熔融理論的目的，就是使設(shè)計(jì)的螺桿熔融段“高生產(chǎn)能力G，低熔融長(zhǎng)度ZT”，通過分析，我們可以得出下面的結(jié)論： 1.工藝條件的影響 擠出質(zhì)量G 由公式 可知： G增大 減小 ZT增大 即擠出量的增大，將導(dǎo)致熔融的發(fā)生和終了均延遲。實(shí)踐證明，在其他條件不變的情況下，G的增加，將使產(chǎn)品質(zhì)量變壞（熔融不充分）。,5.3.2 固體熔化理論結(jié)論,Z與 X/W 的關(guān)系如圖所示： 一般要求擠出機(jī)工作時(shí)，為保證熔融塑化質(zhì)量和擠出質(zhì) 量，應(yīng)使ZTZAB，應(yīng)加回壓裝置，使相變結(jié)束點(diǎn)B”重新移到B點(diǎn)以 內(nèi)否則將

9、使物料得不到較好的熔融。,螺桿轉(zhuǎn)速n 提高轉(zhuǎn)速n，將使G增加，使ZT加長(zhǎng)，同時(shí)能加強(qiáng)剪切，又使ZT變短，因此，n提高時(shí)，需增加回壓裝置，以使ZT的長(zhǎng)度得到控制，保證擠出質(zhì)量。 料筒溫度Tb Tb增加 ，有利于熔融物料（ ZT減少）；但Tb太高，將使物料黏度降低，減少剪切和摩擦。增加的傳導(dǎo)熱不足以補(bǔ)償減少的摩擦熱和熔膜溫度升高所需要的熱量，ZT增大。 Tb存在一個(gè)最佳值。 提高料溫Ts Ts增加 ，使ZT減少 ，還可消除物料中的水分。,5.3.2 固體熔化理論結(jié)論,2.螺桿幾何參數(shù)的影響： 槽深H：通常認(rèn)為在實(shí)用范圍內(nèi)H大些為好。影響較復(fù)雜，過深過淺都不好。 螺旋角：與H對(duì)ZT的影響相似。過大過

10、小都不利于ZT減少。 螺紋頭數(shù)：的增加，僅使ZT略微減小，影響不大。 螺棱與機(jī)筒間隙：增大 ，導(dǎo)致熔膜增厚，不利于熱傳導(dǎo)，使ZT增大 ；增大，導(dǎo)致剪切作用降低 ，使ZT增大。 即增大，不利用物料的熔融。,5.3.2 固體熔化理論結(jié)論,5.3.3 熔體輸送理論,研究螺桿的均化段如何保證塑料徹底塑化，并使之能定壓、定量和定溫地從機(jī)頭擠出，以獲得穩(wěn)定的產(chǎn)量和高質(zhì)量的制品。,研究目的：,為計(jì)算方便，做如下假設(shè)：,假設(shè)1： 塑料的流動(dòng)是滯流（層流），為牛頓流動(dòng) 假設(shè)2： 塑料的溫度沒有變化，當(dāng)然其粘度也不變 假設(shè)3： 此段的螺槽寬度與深度之比 10,1.簡(jiǎn)化流動(dòng)方程：,擠出流量是四種流動(dòng)的總和：,（1）

11、正流 按Z方向，是沿螺槽向機(jī)頭口模方向的流動(dòng)，是均化段熔體流動(dòng)的主流，以QD表其體積流率。 （2）逆流 按Z的反方向，沿螺槽向加料口方向的流動(dòng)，這是受機(jī)頭口模阻力造成的反壓流動(dòng)，以Qp表其體積流率。,QD,QP,擠出流量是四種流動(dòng)的總和：,（3）橫流 粘流態(tài)料在螺槽與料筒之間，沿垂直水平方向的環(huán)流，是由于螺桿的螺旋狀推擠作用造成的，以QT表示。 （4）漏流 塑料熔體在螺桿與料筒的間隙中流動(dòng)，是沿螺桿軸向的流動(dòng)，是由于機(jī)頭、口模的回壓造成的，以QL表示。,QT,QL,如果忽略橫流（QT）的影響，則均化段熔體的輸送量（流率）為：,擠出量Q-即擠出生產(chǎn)率的計(jì)算,與螺桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)、T、P、有關(guān)。 宏觀

12、上看只有物料沿螺桿螺槽的軌跡運(yùn)動(dòng)。,圖,2. 熔體輸送能力的分析：,P-Q，機(jī)頭阻力加大，產(chǎn)量下降。有助于塑化，提高制品的質(zhì)量。 N-Q，轉(zhuǎn)數(shù)提高，產(chǎn)量提高。 D-Q，直徑增加，產(chǎn)量明顯增加，所以要得到高的產(chǎn)量，這是最有效的手段之一。 L-Q，擠出穩(wěn)定性增加。 螺槽深度h增加，擠出穩(wěn)定性下降。 溫度升高，黏度下降，擠出不穩(wěn)定；低溫?cái)D出好。,熔體輸送實(shí)際的流動(dòng)形式為：熔體沿螺槽螺旋前進(jìn)。類似彈簧纏繞在螺槽內(nèi)。忽略漏流Ql， 經(jīng)計(jì)算熔體輸送能力為：,(5-30),螺桿的特性線是擠出機(jī)的重要特性之一，隨著機(jī)頭壓力的升高，擠出量降低，而降低的快慢決定于螺桿特性線的斜率。,其斜率為：K/ 。對(duì)給定的口模

13、，壓力越高，流過口模的流量越大。,螺桿特性線-擠出機(jī)產(chǎn)量與擠出壓力的關(guān)系； 口模特性線-機(jī)頭產(chǎn)量與機(jī)頭壓力的關(guān)系 擠出機(jī)的綜合工作點(diǎn)-螺桿特性線與口模特性線 的交點(diǎn),螺桿,機(jī)頭,3. 螺桿和口模的特性曲線,A、B只與螺桿特征有關(guān),K口模常數(shù)，僅與口模尺寸和形狀有關(guān),螺桿特性硬度: 硬? 軟？,3. 螺桿和口模的特性曲線,操作點(diǎn),壓力隨粘度增大而上升,擠出量隨轉(zhuǎn)速n升高而增大，與粘度無關(guān),淺槽螺桿特性硬 深槽螺桿特性軟,淺槽螺桿與高阻力機(jī)頭、深槽螺桿與低阻力機(jī)頭配合，擠出量大,高阻力,低阻力,淺槽,深槽,思考題,1. 試舉例說明擠出成型的特點(diǎn)。 2. 單螺桿擠出機(jī)的主要參數(shù)有哪些？簡(jiǎn)述它們的作用。 3. 擠出機(jī)主要有哪幾個(gè)系統(tǒng)組成？簡(jiǎn)述它們的作用。 4. 聚合物在擠出機(jī)中是如何運(yùn)動(dòng)的？聚合物在擠出機(jī)中是如何熔融的？ 5. 漸變型螺桿和突變型螺桿有何區(qū)別？它們各適合哪類塑料的擠出？為什么？ 6. 擠出機(jī)操作過程應(yīng)注意哪些問題？ 7. 提高固體輸送的主要途徑是什么？ 8. 在不改變其它因素的前提下，僅提高螺