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第七章 挤出成型_pdf

  第七章 挤出成型_pdf_材料科学_工程科技_专业资料。挤出成型 一、概述 挤出成型是高分子材料加工领域中,是一个变化 众多,用途最广,比重最大的成型工艺。 挤出过程是使高分子材料的熔体在挤出机的螺杆挤 压作用下,通过具有一定形状的口模而连续成型,所得

  挤出成型 一、概述 挤出成型是高分子材料加工领域中,是一个变化 众多,用途最广,比重最大的成型工艺。 挤出过程是使高分子材料的熔体在挤出机的螺杆挤 压作用下,通过具有一定形状的口模而连续成型,所得 的制品为恒定截面的连续型材。 三大合成材料的挤出,没有本质上的区别,所用设 备加工原理大同小异。挤出理论、工艺以塑料为多,故 本节主要讨论塑料的挤出成型。 橡胶挤出-压出; 合成纤维-螺杆挤出纺丝; 塑料-主要热塑性塑料的挤出,现也有热固性。 挤出成型的塑料制品都是连续的型材。如:管材 、棒、板、片、带、薄膜、单丝、电线◆●▲★-●△▼●电缆包层、异 型材等。 塑料上色,混炼,塑化造粒,共混改性等。 以挤出为基础的配合吹胀和双轴拉伸:吹塑成型 和拉幅成型。 二、工艺特点 ? 连续成型,产量大,生产率高。 ? 制品外形简单,是断面形状不变的连续型材。 ? 制品质量均匀密实,各向异性小,尺寸准确性较好。 ? 适应性很强: ?几乎适合除PTFE外所有热塑性塑料。 ?只要改▼▲变机头口模,就可改变制品形样。 ?可用来塑化,造粒,染色,共混改性,也可同其 他方法混合成型。此外,还可作压延成型的供料。 三、挤出成型基本过程 1、塑化 在挤出机那将固体塑料加热或塑料之间的内摩擦热使 其变成粘流态料。 2、成型 在挤出机的螺杆旋转推挤作用下,通过具有一定形状 的口模,使粘流态料得到连续的型材。 3、定型 用适当的方法,使挤出的连续型材冷却定型为制品。 四、挤出成型设备 螺杆挤出机-连续成型,最多。 柱塞挤出机-间歇成型,一般不用。 单螺杆 螺杆式挤出机 双螺杆 多螺杆 其中以单螺杆最常用,也较为简单。 第一节单螺杆挤出机的基本 结构及其作用原理 加料装置 传动系统 挤出系统 单螺杆挤出机 加热和冷却系统 控制系统 附属装置 料筒 螺杆 机头 口模 一、料斗 即加料装置,以保证物料向料筒供应。 有冷却夹套,有定时定量自动加料装置。 二、料筒 是一个受压的金属圆筒,其外层有加热和冷却系统。 料筒的作用: ? 对塑料加热; ? 配合螺杆使塑料塑化。 对塑料冷却的目的:防止停车时,因过热造成分解。 (3~4段) 三、螺杆 是挤出机的在主要的部件,其结构对挤出工艺有较为 重要的影响,挤出不同高聚物有不同结构形式的螺杆。 1、螺杆的结构 2、螺杆的几何结构参数 ? 螺杆的直径D; ? 螺杆的长径比L/Ds ? 螺杆的压缩比A ? 螺槽深度H ? 螺旋角? ? 螺纹棱部宽E ? 螺杆与料筒的间隙? ? 螺杆的直径 D 代表挤出机的规格。D↑,挤出机生产能力↑。 ? 螺杆的长径比 L/Ds(15~25) 影响挤出机的产量和挤出质量(衡量塑化效率)。 L/Ds↑,塑料的停留时间↑,混合塑化效果↑。 ? 螺杆的压缩比 A(2~5) A=螺杆第一螺槽的容积 /螺杆最后螺槽的容积 A的获得:等距变深,等深变距,变深变距。 A ↑,制品致密,排除物料中所含空气的能力大。 ? 螺槽深度 H 图 正比于挤出量。 H小,产生的剪切速率大,塑化效果好,但生产率低。 H3=KD,K=0.02~0.06,D小K取大值,D大K取小值。 ? 螺旋角?(10~30 o) ? ? ,出料快,生产率 ↑ ↑,但停留时间短,塑化效果↓。 螺杆在螺距=直径时最易加工,此时, ? 螺纹棱部◆▼宽E 影响漏流,进而影响产量。 ? 螺杆与料筒的间隙? o41’。 ?=17 3、螺杆的作用 ? 输送物料 螺杆转动时,塑料★△◁◁▽▼在旋转的同时受到轴向压力,向 机头方向流动以挤出成型。 ? 传热塑化物料 与料筒配合,使塑件接触传热面而不断更新,在料 筒外加热与螺杆摩擦作用下软化、熔融为粘流态。 ? 混合与均化物料 与料筒和机头相配合产生强大的剪切作用,使物料 均匀混合,塑化好。 在螺杆的全长部分各段作用及结构使不同的,一般 分为三段: (1)加料段 L1 靠近料斗一端,在该段对塑料主要起传热软化、输 送作用,无压缩作用。是固体输送。 L1的长度: 结晶型:熔点前,难压缩,∴?L1较长。 无定型:随 T ↑,形变↑,有压缩, ∴?L1不长。 (2)压缩段 L2 螺杆的中段。物料在此段继续吸热软化、熔融,直到 最后完全塑化,塑料在该段范围内可以进行较大程度的压 缩。 压缩作用的来源:渐变型:螺距变化;螺槽深度变化。 突变型:等深等距深槽 等深 等距深槽(1~2个螺距过渡) 压缩段的长度:结晶型塑料:Tm很窄,到Tm后? ↓↓ , ∴L2很短即可。 无定型塑料:Tf较宽,∴? ? L2较长。 (3)均化段 L3 靠▪▲□◁机头口模一端。为等距等深的浅槽螺纹,其作用是 把压缩段送来的已塑化的物料,在均化段的浅槽和机头回 压下搅拌均匀,成为质量均的熔体,并且为定量定压挤出 成型创造必要条件。(也称计量段) 均化段要维持较高的而且稳定的压力,以保持料流稳 定,因此应有足够的长度,可为螺杆全长的20~25%。 4、螺杆的形式 等距变深 渐变型 普通型 螺杆 高效专用 单头 双头 多头 锥型 螺杆头部 可避免物料分解 图 等深变距 突变型-螺杆分三段 螺纹 鱼雷头 混合和受热效果好 图 5、螺杆的选用 (1)材料 对结晶型塑料:突变型螺杆——等距不等深; 对无定型塑料:渐变型螺杆——等距不等深 (2) L/D 对硬塑料,塑化时间长,L/D大些;对粉末料,要求 多塑化一●些时间,应L/D大;对结晶型塑料,L/D大。 (3)A 根据不同的塑料选用不同的压缩比。 例:硬料,A小;软料,A大。(硬PVC,A=2~3; 软PVC,A=3~4); 四、机头和口模 可以作为一个整体来看, 机头和口模作用: ? 使料流从螺旋运动变为平直运动。 ? 产生回压,利于进一步塑化,均化粘流态物料。 ? 产生必要的成型压力,使制品致密。 ? 成型,更换口模可改变制品断面的形状。 机头与口模的组成部件: 过滤网,多孔板,分流器,模芯,口模和机颈等。 机头中还有校正和调整装置,能调整和校正模芯与口 模的同心度、尺寸和外观。 机头可分为: 直向机头——用于挤管、片、其他型材。 角式机头——挤薄膜、线缆包复物、吹塑制品。 五、传动系统 包括带动螺杆转动的电力和机械◆■传动部。 六、附属□◁设备 ?塑料的输送、预热、干燥等预处理○▲-•■□装置。 ?挤出后制品的定型、冷却装置。 ?牵引装置。 ?卷绕或切割装置。 ?控制设备等。 另外,附属设备因制品的不同而不同。如:挤-吹。 挤出成型原理 热塑性塑料在挤出过程中的变化: 静态变化: 固体 动态变化: 在螺杆和料筒间沿螺槽向前流动。 有 •☆■▲T、P、?的变化; 化学结构和物理结构的变化; 弹性体 粘流(熔融)体的形变。 一、挤吹过程和螺杆各段的职能 由于塑料在挤出过程中,在螺杆的全程中其形变特点和 流动情况是不同。把塑料在挤出机内的流动沿螺杆往机头方 向分三段来讨论。 加料段:主要是固体输送,形变小的很; 压缩段:相迁移段,有熔融变化,形变大,流动次要; 均化段:是熔体输送,流动是主要的。 二、挤出理论 1、固体输送理论 加料段的主要作用是固体输送。主要是流动。 塑料:未熔化,疏松的固体,表面发粘结块,形变不大。 旋转运动-物料与螺杆的摩擦作用力 物料沿螺槽 的向前运动 轴向水平运动-螺杆旋转时的轴向分力 螺杆表面的摩擦力大 物料 料筒表面的切向摩擦力小 旋转运动? 螺杆表面的摩擦力小 物料 料筒表面的切向摩擦力大 轴向水平运动? 为了提高轴向水平运动: ? 螺杆表面光洁度?; ? 螺杆中心通冷却水-物料与螺杆表面的摩擦力? ? 料筒内壁光滑; ? 加料段特设纵向沟槽-物料与料筒表面的切向摩擦力? 2、熔化理论(塑料的熔化过程) 塑料在压缩段是从固体状态到完全熔化状态,同时 要受到压缩作用,在该段,物料温升快,料内摩擦作用 大,压缩作用大。 在压缩段塑料由固相 →液相转变--相迁移段。 物料受到挤压:压缩比的作用 逐渐溶化 物料受热:料筒加热+摩擦热 (1)熔化过程 压缩 料筒热+摩擦热 相互粘结固体粒子 紧密堆砌的固体床 溶化 当熔膜的厚度大 于螺纹间隙时,熔 膜被料筒表面“拖拽 ”而汇集于熔池。 同时,固体床 又以一定的速度沿Y 方向移向分界面, 加以补充形成新的 熔膜,以保证状态 稳定。 (2)相迁移面 熔化区内固体和熔体相的界面称为相迁移面。溶化 发生在相迁移面上。 (3)熔化长度 从熔化开始到固体床的 宽度降到零止的螺槽总长。 熔化速度越高,溶化长 度越短。 (4)模型假设 ? 挤出过程是稳定的。 ? 这个固相为均匀的连续体。 ? 塑料的熔融温度范围很窄。 (5)熔化理论可归结为 ? 熔化物料的热源--料筒加热+熔膜内摩擦热 ? 这些热量通过熔膜传导到迁移面 ? 固体粒子在分界面上熔化 ? 沿螺槽深度方向物料的温度分布和速度分布为: 3、熔体输送理论 均化段物料是均一的粘流状态,它关系到挤出产量和 质量,对这段主要研究物料的流动——是一种拖拽流动。 均化段螺槽: 螺杆旋转时,由于推挤作用,塑料沿Z方向移动,但 由于机头回压,塑料又有反压流动,使均化段料流复杂, 一般认为,物料在均化段有四种流动,即正流、逆流、横 流、漏流,挤出流量使这四种流动的总和。 (1)正流 按Z方向,是沿螺槽向机头口模方向的 流动,是均化段熔体流动的主流,以QD表 其体积流率。 (2)逆流 按Z的反方向,沿螺槽 向加料口方向的流动,这是 受机头口模阻力造成的反压 流动,以Qp表其体积流率。 (3)横流 粘流态料在螺槽与料筒之 间,沿垂直-水平方向的环流 ,是由于螺杆旋状推挤作用造 成的,以QT表示。 (4)漏流 塑料熔体从螺杆与料筒的 间隙中流动,沿螺杆的轴◇…=▲向的 流动,是由于机头、口模的回 压造成的,以QL表示。 塑料在挤出机内的流动,其挤出量Q是上述四种流动 综合的结果。 如果忽略环流(QT)的影响,则均化段熔体的输送量 (流率)为: Q均=QD-(Qp+QL) 与螺杆的结构参数、T、P、?有关。 宏观上看只有物料沿螺杆的螺槽轨迹运动: 三、单螺杆挤出机产生能力的计算 1、实测法 在挤出机上测出制品从机头口模中挤出的线速度,由 此来确定产量,准确客观不通用。 Q=60?v?g?? 2、按经验公式计算 对挤出机产生能力进行多次实际调查、实测,并分析 总结而得,不全面。 Q=??D ?n 3 3、按固体输送理论计算 把挤出机内的物料看成是一个固体塞子,把物料的运 动看成象螺母在螺杆上移动。 Q 0.06?? ? cos?D?a?F???n? ? 相当于一个螺距内的螺槽容积 4、按粘性流体流动理论计算 把挤出机内的物料当作粘流体,把物料的运动看作 是粘流体流动,来计算生产能力。 即为均化段熔体的流率: QL) 几个假设: Q=QD-(Qp+ ? 塑料的流动是滞流(层流),为牛顿流动 ? 塑料的温度没有变化,当然其粘度也不变 ? 此段的螺槽宽与深度之比10 根据:物料在螺杆中的速度分布;螺杆的几何尺寸;熔体 在管道中的流动方程式。 计算:三种流动的流率: ?2D2h?sin?cos?n ?? ? Dh3?sin2???p Q= ?? ? 2D2?3??tg???p 12 L 2 ?? ? 12 EL ? Q=An-B·P/? A和B只与螺杆的结构尺寸有关。 如果考虑塑料的非牛顿型性,若删去QL,应为: ?1 sin ? ? ? ? m? 2 Dhm ?2D2h?sin?cos?n ?? ? Q= ? ? ?K?? ? ? ? p ?? ?m m? 1 2 (m ? ? 2)2 L 比较两式可以看出,第一项完全相同,第二项不同,说 明塑料的流变▷•●性能仅与逆流项有关。 ???? ?? ▼▼▽●▽●? 四、螺杆特性曲线和机头口模特性曲线 螺杆特性曲线: 由式 Q=An-B·P/?,A、B为常数, ?与温度有关。 指定挤出机,在等温条件下操作,用不同的螺杆速率n, 可作Q-p坐标图,得一系列具有负斜率的平行直线—— 螺杆特征曲线。 而塑料熔体,通过机头和口模时的体积流率,可以 根据牛顿液体在简单园管中的流动方程来表示:▲●…△ Q =K ??? ? p K-机头和口模的阻力常数。 这也是通过原点的直线方程, 如果口模尺寸不同,K值不 同,斜率不同,可以作出一 系列的直线——口模的特征 曲线。 两组曲线的交点 是操作点。 利用这种图,可 以求出指定挤出机, 。 配合不同的机头口模 时的挤出量。 五、挤出流率的影响因素 1、物料压力P与Q的关系 ??? A:A↑,P↑ ???? :螺杆与料筒的间隙: ? ?, ↓ P↑ ??? h3:螺槽深: h3 ↓,P↑ ??? K:机头口模的阻力,K↑,P↓ 正流与P无关,逆流和漏流与P成正比。 P?↑ Q ↓,但有利于塑化。 2、螺杆转速n与Q的关系 A?K?n Q= K ? ?B 对一定的机器,挤出量与螺杆转速成正比 3、螺杆几何尺寸对生产能力的关系 主要是螺槽深和均化段长度。 (1)螺槽深h3 正流与h成正比, 逆流与h成正比。 3 深槽螺杆•●的挤出量 受压力的影响大。 7-17 (2)均化段长度L3 L长,受模具阻力 的影响就小。 7-18 4、物料温度T与Q的关系 温度的变化直接影响物料的粘度,从我们前面推导 出的公式来看, Q与?无关。 在机头和口模尺寸不变的情况下,粘度大的螺杆对 其产生的压力高: BA??nK P= ?? 结论:Q与温度T也无关。 实际上,T的变化相当于影响了均化段的长度。 五、机头口模的阻力与Q的关系 机头口模的助理与口模的截面尺寸和长度有关,也 影响挤出量Q。 物料流动时受到阻力,大体上与口模的截面积成反 比,与长度成正比。阻力愈小,挤出量受压力的影响愈 大。 Q A B C 口模阻力:ABC p 挤出成型工艺 一、挤出工艺流程 热塑性塑料 →预热和干燥 ? → →加料 →调整 →挤出成型 ? → 挤出机加热 →开动螺杆 ? → →定型 →冷却 →牵引 →卷取(切割) →后处理 →挤出制品 1、原料的准备、预热和干燥 粒状塑料含有水份,成型前需预热和干燥。 干燥要求: 一般塑料:水份 0.5% 高温下易水解的塑料,如尼龙(PA)、涤纶(PET) 等:水份 0.03% 预热和干燥的方式: 烘箱、烘房,可抽线、挤出成型 挤出成型是连续成型工艺,关键是初期的调整,要 调整到正常挤出。 主要调整: ? 工艺条件:温度(料筒各段、口模) 速度(螺杆转速、牵引速度) ? 设备装置:口模尺寸 同心度 挤出制品的质量决定于工艺条件,关键在于塑化情 况(取决于温度和剪切情况): 料筒外的加热 ? 温度 螺杆对物料的剪切产生的摩擦热(主要) T↑,? ↓ ,利于塑化,T↑? ↑ ,挤出物形状稳定性差; T ↓,? ? ,机头压力 ↑ ↑,制品致密,形状稳定,易 出现离模膨胀效应,T ↓? ↓ ,塑化差,质量差。 ? 转速 n ↑,剪切↑,有利塑化, ? ↓ ,但料筒中物料的压力↑。 3、定型和△▪▲□△冷却(同时进行) 管材、异型材--独立的定型装置 板材、片材--压辊定型 薄膜、单丝、线缆包覆--无需定型,直接冷却 定型方法: 管材:定径套(外径定型、内径定型) 原理:管坯内外形成压力差。 冷却速度: 硬质塑料:慢些,以免内应力。 软质塑料、结晶塑料:快些。(熔体粘度低) 4、牵引拉伸及后处理 牵引拉伸目的: ?消除离模膨胀效应, ?引离。 牵引速度 挤出速度 后处理-热处理(Tg~Tf间热定型): ?提高尺寸稳定性 ?减少热收缩率(解取向) 二、几种制品的挤出工艺 1、管材的挤出 塑料挤出成型的主要产品。PVC、PE、PP、ABS、 PA、PC等。 工艺过程: 粒状或粉状 的塑料 挤出机 经加热熔融 借螺杆的推力使熔融料通过机头的环形通道 经冷却定型 牵引 切割 形成管状物 制品 (1)挤出设备及装置 挤出机,机头,定型装置,冷却水槽,牵引设备, 切割装★-●=•▽置,较为主要的是机头。 分流梭及支架 机头 管芯 口模等◇=△▲ A、分流梭 作用:1)使塑料形状,料流从螺旋→直行。 2)使料层变薄,有利塑化均匀。 B、分流梭支架 作用:支撑分流梭及管芯。 中、小型机头分流梭与分流梭支架为一个整体。 C、管芯 作用:是挤出管材内表面的成型部件。 D、口模 作用:是成型管材外表面的部件。 (2)管材挤出的工艺及控制 塑料 加料段 压缩段 分流梭 均化段 过滤网 粗滤口 被分流梭支架分为若干支流 离开支架料流重新混合 进入管芯口模间的环形通道 口模挤出 定径管定径 冷却水槽 牵引 切割 (3)主要控制因素 ?温度 主要是保证塑化,挤管的温度比挤压其他制品均低。 ?定径冷却 目的:保护几何尺寸稳定; 方法:用定径套。 ?牵引 牵引速度要均匀,牵引速度依赖于挤出速度。 2、吹塑薄膜的挤出 生产薄膜的方法: 吹塑、压延、流延、拉幅。 吹塑的实质: 挤出+吹胀。 吹塑工艺: 吹塑薄膜、中空吹塑。 吹塑薄膜方法: 平挤上吹、平挤下吹、平挤平吹。 工艺过程: 塑料熔体 经环隙型口模挤出 薄壁管状物 牵引上升 至一定距离后,通过导向夹板而被牵引辊夹扰 所挤管状物在离开口模和被夹扰的一段距离内 由管芯中心孔所通入的压缩空气吹胀 成泡状物 由空气冷却 由夹持辊引出 几个关键问题: ?吹塑比——衡量吹胀程度。(横向拉伸作用的大小) ?牵伸比——拉伸作用(纵向)。 ?薄膜的冷却——大多用风环冷却。 3、塑料板材挤出 挤管→剖开→展平→板材 板材挤出 狭缝机头直接挤板(对流变性能要求高) 平膜法--挤厚篇→拉伸 拉幅薄膜成型 管膜法--挤管坯→拉伸 橡胶的压出成型 橡胶的压出成型是半成品成型,半成品生产还需要硫 化才能最终成为制品。 主要产品:内胎、胎面、胶管、电线电缆包胶层等。 橡胶压出的设备、加工原理与塑料挤出类似,但有其 本身特点。 一、压出机 压出机的结构大致与塑料挤出相似。 压出前混炼胶必须热炼,已具可•□▼◁▼塑度。 压出机不负担传热塑化的主要作用,仅起进一步恒 温与均化胶料的作用。胶料已具较高密度(混炼胶)。 L / D较小,螺杆较短,4~5。防止焦烧 A较小,1.3~1.7。 压出机变化螺杆的形式可作滤胶,塑炼,混炼及压 型等工艺操作。 二、压出成型工艺 1、混炼胶料的热炼 热炼-塑化,提高可塑性,以条状或厚片状进入压出 机。热炼温度:70~80。 2、压出成型 胶料在挤出机内,保温、均化、增加成型可塑性,通 过口型压出,得橡胶半成品。 3、冷却 迅速冷却(25~35以下),防止焦烧和变形。水冷。 三、影响压出的因素 1、胶料的组成和性质 胶料中生胶含量大,压出速度慢,收缩大。 填充剂用量↑,压出性能改善,收缩减小,压出速度↑。 软化剂大多能加快压出速度。 胶料的可塑性可大些,流动性好,压出速度↑。 2、压出机的特征 主要是口型尺寸。口型尺寸 /螺杆直径=0.3~0.75 口型过大,机头内压力不足,半成品形状不规整。 口型过小,压力太大,剪切力大,易焦烧。 3、压出温度 即成型温度,胶料成型时一般控制在70~80℃。 T↑,粘性↑,操作困难,易焦烧。 各段温度控制:口型处 机头 机筒 4、压出速度 指单位时间压出和胶料体积或重量。 压出速度应恒定。 5、压出物的冷却 冷却目的: ?获得所需要的断面尺寸 ?防止焦烧 冷却速度: 不宜骤冷,以免收缩不一。 返回 返回 返回 返回 返回 返回 返回 返回

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