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第五章 挤出成型 内容简介： 挤出成型是借助螺杆的挤压作用,使塑化均匀的塑料强行通过机头（口模）而成为连续的制品，如管材、板材、丝、薄膜、电线电缆等。挤出成型是塑料成型加工的重要方法之一。根据对塑料的加压方式不同，可分为连续式和间歇式；按塑料的塑化方式不同可分为干法和湿法两种。 本章重点： 1.单螺杆挤出原理 2. 几种制品的挤出工艺：吹塑薄膜、管材、拉伸产品、板与片、其它产品
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定义：挤出成型又叫挤塑、挤压、挤出模塑。是借助螺杆或柱塞的挤压作用,使塑化均匀的塑料强行通过口模而成为具有恒定截面的连续制品。
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挤出管材生产
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管材挤出的辅助设备
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挤出片材生产
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挤出线缆包覆成型
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挤出吹塑薄膜
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挤出中空吹塑成型
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塑料挤出成型工艺流程 挤出过程： 加料——在螺杆中熔融塑化——机头口模挤出——定型——冷却——牵引——切割
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挤出成型的特点: 适用的树脂材料： 应用： ① 连续化,效率高,质量稳定 ② 应用范围广 ③ 设备简单,投资少,见效快
① 连续化,效率高,质量稳定 ② 应用范围广 ③ 设备简单,投资少,见效快 ④ 生产环境卫生,劳动强度低 ⑤ 适于大批量生产 适用的树脂材料： 绝大部分热塑性塑料及部分热固性塑料，如PVC、PS、ABS、PC、PE、PP、PA、丙烯酸树脂、环氧树脂、酚醛树脂及密胺树脂等 应用： 料薄膜、网材、带包覆层的产品、截面一定、长度连续的管材、板材、片材、棒材、打包带、单丝和异型材等等，还可用于粉末造粒、染色、树脂掺和等。
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5.1 挤出设备 由挤出机、机头和口模、辅机等组成。
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主要设备
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5.1.1 单螺杆挤出机的组成 单螺杆挤出机主要由传动系统、加料系统、塑化系统、加热与冷却系统、控制系统等组成。
挤出系统是最主要的系统，它由料筒、螺杆、多孔板和过滤网组成。
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单螺杆挤出机的结构
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传动系统：是带动螺杆转动的部分，通常由电机、减速机构以及轴承等组成；
加料装置：主要是料斗，但工厂都采用自动加料装置，甚至带有烘干、计量装置等； 料筒：包裹在螺杆外部的装置，起到受热受压的作用，物料的塑化和加热、加压都在其中进行，大部分都有冷却装置（风、水冷）； 螺杆：利用它才能使料筒内的塑料向前移动，得到加压和热量（摩擦热）； ①螺杆的直径（D）和长径比（L/D），长径比决定了体积容量以及塑化的均匀性。
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螺杆的主要参数： D：螺杆外径； d：螺杆根径； L：螺杆长度； ｔ：螺距； Ｗ：螺槽宽度； ε：压缩比 ｅ：螺纹宽度 ； ｈ：螺槽深度； φ：螺旋角； Ｌ/D：长径比。
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② 螺杆形式和分段 1-渐变型(等距不等深) 2-渐变型(等深不等距) 3-突变型 4-鱼雷头螺杆 Ⅰ-加料段（固体输送段）
Ⅱ-压缩段（熔融段） Ⅲ-计量段（均化段） 最常用的是等距不等深螺杆
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③螺旋角和螺棱宽度(e):螺旋角取决于料粒的形状，例如30o对应粉状， 15o左右对应方块状，17o左右对应球状和柱状，
④螺杆头部形状：一般呈锥形，以避免在螺杆头部停留过久而导致分解出现。
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5.1.2 双螺杆挤出机的结构
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典型的双螺杆挤出机的螺杆： Colombo螺杆； 锥型双螺杆； 组合型双螺杆；
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5.2.2 机头和口模 圆孔口模 主要用来生产棒材、单丝造粒，口模平直部分长度和直径比小于10 扁平口模
一般用来生产厚度小于0.25mm的膜或板材 环形口模 一般用来生产管材、管状薄膜、吹塑用型胚以及电线电缆 异形口模 主要用来挤出不同横截面的制品
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过滤板（网）的作用： 对机头结构的要求： Ⅰ. 使物料由螺旋运动转变为平直运动。 Ⅱ. 过滤杂质和未熔化好的塑料颗粒。
Ⅲ. 使物料受到较大的剪切作用，以利于塑料塑化均匀。 Ⅳ. 使料筒和机头定位。 对机头结构的要求： Ⅰ. 口模定型部分应有适当长度。 A. 使物料处于稳定流动; B.减小熔体弹性和出口膨胀； C. L长，产量提高; D.太长，笨重，阻力大，Q降低。 Ⅱ.机头中过渡部分应光滑，呈流线型。 原因：防止物料的停滞和分解。 Ⅲ. 应设置调节装置，改善周边的流率分布。（厚度均匀）
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5.2.2 挤出机的辅助设备 物料处理设备 主要指预热干燥等设备 挤出物处理设备 主要指冷却、牵引、切割、卷取、检测设备 控制生产工艺的设备
主要指各种测控设备
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5.2.2 挤出机的一般操作方法 设备调试 安全 清洗
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学习目标： 掌握挤出理论中影响生产和产品质量的因素
5.3 单螺杆挤出原理 学习目标： 掌握挤出理论中影响生产和产品质量的因素
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5.3 单螺杆挤出工作原理
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5.3.1 固体输送 加料段具有输送固体物料，兼有预压、预热作用。 要使制品质量、产量稳定，须满足以下两个条件： 熔体的输送速率等于固态物料的熔化速率 沿螺杆轴向任一截面物料的质量流率等于挤出机生产率 目前对此理论的推导最为简单的是以固体对固体的摩擦力静平衡为基础的。
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物料在该段类似于“弹性固体塞”，固体塞在螺槽内的运动就如螺帽在螺丝上的运动一样。
① 如旋转螺丝，而螺帽上无压力，则螺帽跟着螺丝转动而不前移。 ② 若在螺帽上加一定压力，再旋转螺丝，则螺帽就会随螺丝旋转而前移。 成型时，塑料与螺杆的摩擦力应小于塑料与料筒的摩擦力，也即螺杆的光洁度应大于料筒的光洁度。否则，塑料只能抱着螺杆空转打滑不能前移。
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固体塞摩擦模型
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受力分析 由上图知：Fb= PAbfb，Fs= PAsfs ，Fbz=AbfbPcosφ。
稳定流动时，Fs= Fbz，则Asfs=Abfbcosφ ①Fs= Fbz=0，物料在料筒中不能发生任何流动。 ② Fs> Fbz，物料被夹带于螺杆中随螺杆转动不产生移动。 ③ Fs< Fbz，物料能在料筒与螺杆间产生相对运动。 螺槽中固体输送的理想模型(a) 和固体塞移动速度的矢量图(b)
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假设条件： 经过分析可看出物料的运动类似螺母运动。 提高固体输送的措施 ①物料与螺槽和料筒壁紧密接触形成固体塞（床），以恒速移动；
假设条件： ①物料与螺槽和料筒壁紧密接触形成固体塞（床），以恒速移动； ②略去物料重力、密度变化的影响； ③磨擦系数恒定，压力是螺槽长度的函数； ④螺槽为矩形 经过分析可看出物料的运动类似螺母运动。 提高固体输送的措施 ① 适当提高螺杆转数N和螺槽深度H; ② 采用锥形结构料筒；在加料段料筒内壁开设纵向沟槽（提高fb）；冷却进料段防止物料提前软化； ③ 冷却螺杆加料段（减小fs）,增加螺杆表面光洁度（减小fs）
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Qs应为螺槽的横截面积与轴向速度Va的乘积，可得:
Qs=SVa=π/4 [D2－（D－2h)2]Va=πh(D-h)×Va （1）
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πD=b1+b2= l·cotθ+l·cotφ= l（cotθ+ cotφ）
螺杆的展开图(a)和固体塞移动距离的计算(b) 由上图的展开图可见，螺杆转动一周，物料在螺纹斜棱推力作用下，沿与斜棱垂直的方向由A移向B，AB在螺杆轴上的投影距离为l，物料在轴向的移动速度为Va；若螺杆的转速为N，则 Va=l×N 由上图中螺杆的几何关系可得出： πD=b1+b2= l·cotθ+l·cotφ= l（cotθ+ cotφ）
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所以 因此 （2） （3）
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影响加料段送料量的因素： ①物料的移动角（前进角）的影响：0≤ φ ≤900 Ⅰ φ =00时， φ最小。 Ⅱ φ =900时， φ最大。
但对成型来说都不现实！！！ ②槽深h的影响： 在D不变时，h增大，θ提高。 ③减小fs，Q↑。 ④增大fb，Q↑。 ⑤选择合适的螺旋角θ,且使 最大时，Q↑。 ⑥ D↑，Q↑， N ↑ ，Q↑ 。 ⑦φ ↑， θ ↑ 。
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影响加料段送料量的因素： ① 适当提高N和H; ② 采用锥形或强烈冷却的进料段料筒结 构； 在加料段料筒内壁开设纵向沟槽（提高fb）； ③ 冷却螺杆加料段（减小fs）,增加螺杆表面光洁度（减小fs ）一等螺杆Ra=0.8μm,优等0.4μm。 ④ 在螺杆中心通冷却水，以降低螺杆表面的摩擦系数
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5.3.2 固体熔融 研究目的： 冷却试验和熔融机理： 现象： 熔融机理： ①预测螺槽中未熔化物料量 ② 熔化全部物料所需螺杆长度
② 熔化全部物料所需螺杆长度 ③ 熔融与螺杆参数、物料特性、工艺参数间的关系 冷却试验和熔融机理： 冷却试验：本色料+3~5%着色料挤出——稳定后停止并迅速冷却螺杆和料筒——取出螺杆、剥下物料——切断螺旋带状料并观察截面形状 现象： ① 熔融料呈流线型，未塑化料始终呈固态 ② 固—液两相有一明显分界线 ③ 固相逐渐消失，固体塑化完全集中在熔膜处 熔融机理： 加料段压实——逐渐熔融成一层熔膜——超过后边螺槽刮落于前侧形成熔体池——固体床减小——直至物料完全熔融
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定义：指螺杆加料段第一个螺槽容积与计量段最后一个螺槽容积之比。 对于常用的等距不等深螺杆的压缩比常用加料段和计量段螺槽的横截面积之比来表示。
主要作用 ①使物料熔融塑化。 ②压实物料。 ③排出物料中的气体。 螺杆的压缩比(ε): 定义：指螺杆加料段第一个螺槽容积与计量段最后一个螺槽容积之比。 对于常用的等距不等深螺杆的压缩比常用加料段和计量段螺槽的横截面积之比来表示。 几何压缩比 ： 工厂常用式 ε=0.93 h1/h3来表示。
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（3） 熔化过程:图3-6-11为固体物料在螺槽中的熔化过程示意图。
固体物料在螺槽中的熔融过程 1-熔膜 2-熔池 3-迁移面 4-熔融的固体粒子 5-未熔融的固体粒子
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①熔膜： ② 熔池： ③固体床： ④ 迁移面： 与料筒（螺杆）表面接触的固体物料，由于料筒热传导和摩擦热作用，首先熔化，形成一层熔膜。
逐渐熔化的物料，在料筒与螺杆的相对运动作用下，不断向槽螺的推进面汇集，而形成漩涡状的流动区，称为熔池即液相。 ③固体床： 熔池前面充满着受热软化和半熔化后粘接在一起的固体粒子 ，和完全未熔化的固体粒子，总称为固体床。 ④ 迁移面： 熔膜和固体床间的界面称为迁移面。熔化过程主要在迁移面进行。
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螺槽全长范围固体床熔融过程示意图: 固体床在螺槽中的分布变化(a) 和固体床在螺杆熔融区的体积变化(b)
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随着塑料向机头方向的移动，熔化过程逐渐进行。从始熔点A起，固体床宽度逐渐减小，熔池宽度逐渐增大，直至B点时，固体床消失，即完成了熔化过程。（固体床深度的变化见下图 ）
D=90mm N=60转/分 Q=71Kg/h 螺杆中聚丙烯熔融时固体床在螺槽中的深度变化曲线
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螺杆压缩段中物料的速度分布(a) 和温度分布(b)
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压缩段速度和温度的分布 ①料筒内表面处，Vz最大。 ②熔膜中，Vz在深度方向（Y）自上而下减小。 ③ 固体床中，各处Vz相等。
这是因为有熔结固体块，粘度大，移动困难，差别不明显。 ④靠近螺杆的熔膜中，Vz在Y方向自上而下减小，直至螺杆处，Vz=0。
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可视化研究熔融实验结果 进入熔融段后, 粒子受热发生粘连, 但粒子间界面仍然很清楚。由于热、力的作用使粒子发生变形, 粒子间的空隙逐渐被填充, 如图所示。从图可以看出, 粒子中心的颜色接近固体颜色, 粒子周边的颜色半透明, 接近熔体颜色, 这表明粒子中心部分的温度低于周边温度, 同一粒子内部存在温度差。因此对每一个粒子而言, 其熔融过程是从外向内进行的。 粒料加人挤出机后, 固体粒子以松散状态向前运动, 同时粒子之间存在相互滑移。随着内部压 力的建立, 松散的粒子渐渐被压实, 粒子间隙缩小,粒子相互运动的自由度减小
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5.3.3 熔体输送理论 熔体有四种形式的流动： 正流： 逆流： 环流： 漏流：
正流(拖曳流)Qd(cm3/h)，沿螺槽向机头方向的流动。由于螺杆转动，塑料在螺杆根部与机筒间形成相对运动造成的，它决定挤出量的大小； 逆流： 逆流（反流）Qp，与Qd相反的流动。由机头、多孔板等阻力元件对熔体的反压力造成，也叫压力流，随机头压力的升高而增加； 环流： 横流（环流）Qt,由分速度Vbx引起的在螺槽内与正流垂直的流动。对总挤出量影响不大，可忽略不计，但对熔体的混合、塑化、热交换起重要作用； 漏流： 漏流Ql，由机头阻力元件引起的物料反向流动，沿螺杆与料筒间隙向加料口方向流动，可降低挤出量。正常情况很小0.1～0.6mm，Ql小，但磨损严重时，Ql的增加与平方成正比。
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5.3.5 单螺杆挤出机生产能力分析
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5.3.6 螺杆和口模的特征曲线
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5.3.7 挤出率的影响因素
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学习目标： 了解如何提高塑化效果、混合分散效果
5.3 单螺杆结构设计的改进 学习目标： 了解如何提高塑化效果、混合分散效果
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5.4 普通三段式螺杆存在的问题 目前，一般单螺杆多采用等距不等深螺杆，加料段常和均化段螺槽深度不变，压缩段螺槽逐渐变浅。这种螺杆可以满足一般的挤出成型，但存在以下几方面的问题： 熔融效率低 熔融段熔体与固体床共同存在于一个螺槽中，减小了料筒壁与固体床的接触面积； 固体床随着熔融解体，部分碎片进入熔体中，很难从剪切获得热量，这样，固体床不能彻底熔融； 另外，已熔物料与料筒壁接触，从料筒壁和熔膜处获取热量，温度继续升高过热。 压力、温度和产量波动大 固体输送时又与螺杆旋转产生较高频率的波动， 由于熔融过程的不稳定性产生低频波动， 温控系统的稳定性差或环境因素的变化引起的波动。 混合效果差 不能很好适应一些特殊塑料的加工或混炼、着色工艺过程。
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5.4.1 新型螺杆 排气式螺杆 主要适用于含水和易产生挥发组分的物料，或易夹杂气体的物料。 排气原理：
排气式螺杆 主要适用于含水和易产生挥发组分的物料，或易夹杂气体的物料。 排气原理： 物料到排气段基本塑化，由于该段螺槽突然加深，压力骤降，气体从熔体中逸处，从排气口排出。这就要求排气段处的压力非常低，此外，气体或水份的排出受扩散过程控制，而扩散过程受温度影响，因此要求排气段物料的温度尽可能高，即处于熔融状态。
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5.4.2 分离型（屏障型）螺杆 原理： 在螺杆熔融段再附加一条螺纹，将原来一个螺纹所形成的螺槽分为两个，将已熔物料和未熔物料尽早分离，促进未熔料尽快熔融。
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不同类型屏障型螺杆的比较
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5.4.3 销钉型螺杆 基本原理： 物料流经过销钉时，销钉将固体料或未彻底熔融的料分成许多细小料流，这些料流在两排销钉间较宽位置又汇合，经过多次汇合分离，物料塑化质量得以提高。 销钉形状 设置在熔融区，排列形状有人字形、环形等，销 钉形状有圆柱形、菱形、方形等。
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5.4.4 混合螺杆 在熔融段末或均化段增设置混合、混炼、剪切、均化等作用的元件，可以提高混合的均匀性、混炼效果好，混色均匀，分散性好。
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其它螺杆
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5.4 双螺杆原理 学习目标： 简单了解双螺杆挤出机的特点
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和单螺杆挤出机相比，双螺杆挤出机的特点是：
5.4.1 双螺杆挤出的特点 和单螺杆挤出机相比，双螺杆挤出机的特点是： ① 较高的固体输送能力和挤出产量； ② 自洁能力； ③ 混合塑化能力高； ④ 较低的塑化温度，减小分解可能； ⑤ 结构复杂，成本高。
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5.7 几种典型的挤出工艺 管材 中空吹塑 吹塑薄膜 双向拉伸薄膜
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5.7.1 管材的成型 机头和口模
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滤网 过滤机械杂质、未熔物料；增加料流阻力，提高混合、塑化效果。由若干片叠在一起的30~120目不锈钢网组成，用多孔板支承。
多孔板（筛板、分流板）厚度为螺杆直径的1/3~1/5，上边钻有φ3~6mm的中间疏、两边密的同心圆孔，距螺杆头部0.1D,即约为计量段一个螺槽容积，太大易积料分解，太小料流不稳定。 分流器（鱼雷头）将圆柱形料流变为薄环状并便于进一步加热塑化。大型分流器内设加热器，支架用以支承分流器及芯棒，同时使料流分束以加强搅拌，小型分流器与芯棒做为一体。 此外还有多脚架和芯棒。
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直通式 熔体在机头中流动方向与螺杆轴向一致结构简单易制造适于硬、软PVC, PE, PA
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直角式(偏移式) 熔体在机头中流动方向与螺杆轴向垂直从料筒流出的熔体绕过芯模再向前流动，会产生一条分流痕，流动阻力小，料流稳定，出料均匀，但其结构复杂，占地面积大。适于PP、PE及尺寸要求严格的管材
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3 旁侧式 熔体经过一个近似直角的过渡区才流入机头阻力大，结构更复杂。
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定型 两种挤出圆管的定径方法 (上)内压空气定径法 (下) 外真空定径法 1-机头 2-定径套 3-水冷却槽 4-管状制品 5-密封塞
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冷却 冷却水槽和喷林水箱 牵引 常用滚轮和履带两种，且有较大的夹持力 管材挤出成型的步骤 准备→管坯挤出→冷却定径→牵伸→切割 挤出前的准备工作： ① 根据管材要求，选择适当机头（口模），并将其安装好。包括分流器、芯模、口模、过滤板、网等。
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③ 将应加热的部件加热，开通料斗底部冷却水。 ④ 当达到要求的温度时，趁热将各部分拧紧，以防漏料。
②初步调整口模、芯模同心，并使机头、冷却定径、牵引、切割等装置一致。 ③ 将应加热的部件加热，开通料斗底部冷却水。 ④ 当达到要求的温度时，趁热将各部分拧紧，以防漏料。 检查各部分运动是否正常、漏流、堵塞等。
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5. 管坯挤出： ① 操作要点： 慢速开车，空转，听有否异常声，电流表是否超荷。 如一切正常，可少量加料，待管坯挤出后，方可正常加料，将速度调至正常（30~40转/分钟，有增大的趋势）。 若管材有弯曲、厚薄不均等缺陷时，应调整。 厚处降温，紧螺栓；反则反之。 6. 工艺条件 料筒温度与压力分布 。
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5.7.2 吹塑薄膜
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吹膜用机头 芯棒式：（侧进料）料流在芯棒处分为两股，再沿芯棒尖的斜刀口处汇合，向模口呈薄管挤出，芯棒中通压缩空气吹胀。
优点是机头内通道间隙小，存料少，物料不宜过热分解，适于加工PVC料；只有一条熔接线；加工方便。 缺点是芯棒尖处易积料；压力作用到芯棒尖上，易偏中，造成制品不均匀开裂。
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十字形：（中心进料） 优点是压缩比可大到7~8，无偏心，缺点是有分流器支架，存在3~4条熔接线（可在支架上方开设缓冲槽改善）
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螺旋式：存在渐变的4~8条螺纹形流道，物料逐渐由螺旋变为轴向运动，再自环形间隙挤出膜管。
优点是无熔接线；芯棒不偏心，成型稳定，厚薄均匀；芯棒粗，不易变形。缺点是加工复杂
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旋转式： 芯棒和口模各自能单独旋转 优点是使厚度不均匀性被平均分配到整个圆周上，卷取平整；消除了熔接线 缺点是加工、控制复杂
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5.7.2 双向拉伸薄膜
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生产流程 挤出----冷却---预热--- 纵向拉伸---再冷却---横向拉伸—热处理-切边卷取 挤出后的厚片先急冷，目的是控制结晶度<5% 预热：将温度调整到熔点以下 纵向拉伸后再冷却的目的：使结晶停止并固定分子的取向结构；张紧厚片防止其回缩
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工艺示例 以聚丙烯薄膜为例:薄膜厚度10~60μm，挤出温度250~270℃，流延温度30~40℃，纵向拉伸温度125~145℃、拉伸比4.5~6.0，横向拉伸温度160~170℃，拉伸比9.0~10.0,热处理温度，170~180℃ 陈化处理2~3天，释放拉伸应力和薄膜表面和起作用的添加剂迁移到表面
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