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、產量）和能量（或功率）。有時也用物料的粘度表示，因其不易直接測得，而且它與溫度有關，故一般不用它來討論擠出過程。,5.3 擠出成型原理,學習目標： 掌握擠出理論中影響生產和產品質量的因素,問 題 與 思 考,聚合物在擠出機中是如何運動的？ 聚合物在擠出機中是如何熔融的？, 物料在擠出機中的狀態(tài)變化,物料自料斗加入到由機頭擠出，要通過幾個功能區(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, 物料在擠出機中的狀態(tài)變化,動態(tài)變化：物料在螺桿和料筒間沿螺槽向前流動,5.3.1 固體輸送理論,關于固體輸送區(qū)的理論有幾種，下面將重點介紹

2、較有代表性的達涅耳（Darnel）和莫耳（Mol）于1956年提出的根據固體對固體摩擦的靜力平衡為基礎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螺距中，在該區(qū)，物料向前輸送并被壓實，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：固體和固體之間的摩擦力靜平衡 理論假設： 物料與與所有面（料筒表面、螺紋槽底面、螺紋兩個側面） 緊密接觸，形成固體塞或固體床，并以恒定的速率移動； 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，壓力只是螺桿長度的函數，摩擦系數 與壓力無關（各表面的摩擦系數分別為常數）； 螺槽中固體物料像彈性固體塞一樣移動。, 機筒轉動而螺桿相對的靜止不動。,固體塞的運動,物料沿螺槽向前運動,旋轉運動 物料與螺桿的摩擦作用力Fs 軸向水平運動 物料與料筒的摩擦作用力Fb,當 FsFb時，物料發(fā)生旋轉運動 當 FsFb時，物料發(fā)生軸向水平運動,阻力誘發(fā)固體輸送,Vb,Vsz,Vp,Vp,VpL,VpL,螺旋角,移動角,固體輸送-Qs體積流率公式推導：,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：,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。,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角有關。,通常在0 90范圍。,a、是影響擠出生產率的重要因素，它取決于螺桿幾何參數、摩擦系數和壓力增長情況。 b、越大， Qs越大 當=90時，可獲得 理論上最大生產率。 c、=0時，Qs =0。 機頭被封死時，就會 出現這種情況。,擠出機的最高危險壓力產生于斷流(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 計算的 質量流率表達式,

5、問題？,如何提高固體輸送速度,(1)螺桿結構 1. 增加螺槽深度 2. 降低物料與螺桿的摩擦系數 螺桿表面光潔度； 3. 增加物料與料筒的摩擦系數 料筒內壁光滑(避免引起物料停滯分解)； 料筒內表面(加料段)特設縱向溝槽 物料與料筒表面的切向摩擦力 4. 選擇適當的螺旋角 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 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與溫度的關系,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，增大螺槽寬度,（2）減小聚合物與螺桿的摩擦系數fs,（3）增大聚合物與料筒的摩擦系數fb，如：料筒 內開設縱向溝槽；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：,預測螺槽中任何一點未熔化物料的量 熔化全部物料所需螺桿的長度 此兩個變量對物料物性、螺桿幾何形狀和操作條件的依賴關系,固體床分布方程：固體床寬度（X）沿螺槽向下長度（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,塑料在擠出機中的塑化過程是很復雜的。,1.冷卻實驗和熔化機理,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,剝下塑料進行分析,5.3.2 固體熔化理論,冷卻實驗：,高密度聚乙烯的熔化過程,5.3.2 固體熔化理論,熔化機理：,相遷移面： 熔化區(qū)內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。 熔化長度： 從熔化開始到固體床的寬度降到零為止的螺槽總長。,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,固相補充Vsy, 物料在擠出機中的狀態(tài)變化,5.3.2 固體熔化理論,熔化理論可歸結為：,熔體池,(固-液分界面),相遷移,融化系數，G生產能力， 融化速率 H熔槽深度， Z固相熔融長度（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 料筒加熱熔膜內摩擦熱,熔膜傳導,相遷移面,熔化,傳質,傳熱,，見式5-20,我們研究熔融理論的目的，就是使設計的螺桿熔融段“高生產能力G，低熔融長度ZT”，通過分析，我們可以得出下面的結論： 1.工藝條件的影響 擠出質量G 由公式 可知： G增大 減小 ZT增大 即擠出量的增大，將導致熔融的發(fā)生和終了均延遲。實踐證明，在其他條件不變的情況下，G的增加，將使產品質量變壞（熔融不充分）。,5.3.2 固體熔化理論結論,Z與 X/W 的關系如圖所示： 一般要求擠出機工作時，為保證熔融塑化質量和擠出質 量，應使ZTZAB，應加回壓裝置，使相變結束點B”重新移到B點以 內否則將

9、使物料得不到較好的熔融。,螺桿轉速n 提高轉速n，將使G增加，使ZT加長，同時能加強剪切，又使ZT變短，因此，n提高時，需增加回壓裝置，以使ZT的長度得到控制，保證擠出質量。 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。增加的傳導熱不足以補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 固體熔化理論結論,2.螺桿幾何參數的影響： 槽深H：通常認為在實用范圍內H大些為好。影響較復雜，過深過淺都不好。 螺旋角：與H對ZT的影響相似。過大過

10、小都不利于ZT減少。 螺紋頭數：的增加，僅使ZT略微減小，影響不大。 螺棱與機筒間隙：增大 ，導致熔膜增厚，不利于熱傳導，使ZT增大 ；增大，導致剪切作用降低 ，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、定量和定溫地從機頭擠出，以獲得穩(wěn)定的產量和高質量的制品。,研究目的：,為計算方便，做如下假設：,假設1： 塑料的流動是滯流（層流），為牛頓流動 假設2： 塑料的溫度沒有變化，當然其粘度也不變 假設3： 此段的螺槽寬度與深度之比 10,1.簡化流動方程：,擠出流量是四種流動的總和：,（1）

11、正流 按Z方向，是沿螺槽向機頭口模方向的流動，是均化段熔體流動的主流，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，這是受機頭口模阻力造成的反壓流動，以Qp表其體積流率。,QD,QP,擠出流量是四種流動的總和：,（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，是沿螺桿軸向的流動，是由于機頭、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-即擠出生產率的計算,與螺桿的結構參數、T、P、有關。 宏觀

12、上看只有物料沿螺桿螺槽的軌跡運動。,圖,2. 熔體輸送能力的分析：,P-Q，機頭阻力加大，產量下降。有助于塑化，提高制品的質量。 N-Q，轉數提高，產量提高。 D-Q，直徑增加，產量明顯增加，所以要得到高的產量，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；低溫擠出好。,熔體輸送實際的流動形式為：熔體沿螺槽螺旋前進。類似彈簧纏繞在螺槽內。忽略漏流Ql， 經計算熔體輸送能力為：,(5-30),螺桿的特性線是擠出機的重要特性之一，隨著機頭壓力的升高，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-擠出機產量與擠出壓力的關系； 口模特性線-機頭產量與機頭壓力的關系 擠出機的綜合工作點-螺桿特性線與口模特性線 的交點,螺桿,機頭,3. 螺桿和口模的特性曲線,A、B只與螺桿特征有關,K口模常數，僅與口模尺寸和形狀有關,螺桿特性硬度: 硬? 軟？,3. 螺桿和口模的特性曲線,操作點,壓力隨粘度增大而上升,擠出量隨轉速n升高而增大，與粘度無關,淺槽螺桿特性硬 深槽螺桿特性軟,淺槽螺桿與高阻力機頭、深槽螺桿與低阻力機頭配合，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。 2. 單螺桿擠出機的主要參數有哪些？簡述它們的作用。 3. 擠出機主要有哪幾個系統組成？簡述它們的作用。 4. 聚合物在擠出機中是如何運動的？聚合物在擠出機中是如何熔融的？ 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. 擠出機操作過程應注意哪些問題？ 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