挤出机和挤出成型工艺样本
挤出成型工艺和挤出机
1.挤出成型工艺
1.1 挤出成型工艺:
在挤出机中经过加热、加压而使物料以流动状态连续经过口模( 即机头) 成型的方法称挤出成型或挤塑。是塑料重要的成型方法之一。
1.2 挤出成型的特点:
①设备成本低, 制造容易, 投资少, 上马快。
②生产效率高, 挤出机的单机产量较高, 产率一般在几公斤～5吨/小时。
③连续化生产。能制造任意长度的薄膜、管、片、板、棒、单丝、异型材以及塑料与其它材料的复合制品等。
④生产操作简单, 工艺控制容易, 易于实现自动化。占地面积小, 生产环境清洁, 污染少。
⑤能够一机多用。挤出机也能进行混合、造粒。
1.3 挤出成型可分为两个阶段:
第一阶段是使固态塑料变成粘性流体( 即塑化) , 并在加压情况下, 使其经过特殊形状的口模, 而成为截面与口模形状相仿的连续体。
第二阶段则是用适当的处理方法使挤出的连续体失去塑性状态而变为固体, 即得到所需制品。
1.4 挤出成型工艺分类:
干法( 熔融法) —经过加热使塑料熔融成型
①塑化方式
湿法( 溶剂法) —用溶剂将塑料充分软化成型( CN、 CA 及纺丝)
连续式:
②加压方式
间歇式:
2. 挤出设备
塑料的挤出, 绝大多数都是热塑性塑料, 而且又是采用连续操作和干法塑化的。故在设备方面多用螺杆式挤出机。螺杆式挤出机有单、双( 或多螺杆) 之分。大部分用单螺杆挤出机, 只是粉料, RPVC 95%以上都用双螺杆挤出机。
2.1 单螺杆挤出机
2.1.1 单螺杆挤出机的组成:
螺杆式挤出机, 借助螺杆旋转产生的压力和剪切力, 使物料充分塑化和均匀混合, 经过口模
柱塞式挤出机, 借助柱塞压力, 将事先塑化好
的物料挤出口模而成型。仅用于粘度特别大, 流动性极差的塑料。如: PTFE, 成型温度下, 粘度为1010～1014泊( 一般熔融塑料的粘度
由传动系统、加料系统、挤压系统、机头和口模以及加热与冷却系统等组成。
2.1.1.1 传动系统:
作用是在给定的工艺条件( 如: 机头压力、螺杆转数、挤出量、温度等) 下使螺杆具有必要的扭矩和转数均匀地回转而完成挤出过程。由电动机、减速机构和轴承组成。
( 1) 、要求:
①正常操作状态下, 螺杆的转数都应维持不变, 以防止挤出量的波动, 以保持制品质量的稳定。
②不同场合下( 材料的粘度大小、螺杆所受的扭矩大小) 要求螺杆的转数能够变化( 否则扭矩太大, 螺杆易弯曲、断裂) , 以便用一台挤出机挤压不同的制品和不同的塑料。应无级调速。
③应设有良好的润滑系统和迅速制动系统。如遇意外, 马上停机。
2.1.1.2 加料系统:
上料有人工上料和自动上料两种( 鼓风上料、弹簧上料和真空上料) 。
①供料的形式有粒料、带状料和粉料等几种。加料装置一般常见加料料斗。料斗的容量至少能容纳一小时的用料。加料斗内应有切断料流、标定料量和卸除余料等装置。
②在减压下加料, 即真空加料装置。特别适用于加工易于吸湿的塑料和粉料( PA、 PC) , 防止粉料飞扬。
③料斗必须保证物料以一定的重量速率( 不是体积速率) 进入螺杆中塑化。
在许多挤出机上物料的进料依靠重力。在料斗上设置电磁动器能够消除”架桥”现象。在料斗中设置搅拌器或螺旋输送强制加料器可克服此缺点。
④在加料口周围设有冷却夹套, 借以排除高温料筒向料斗传热。否则, 料斗中的塑料会因升温而发粘, 以致引起加料不均或料流受阻。
2.1.1.3 挤压系统: 由螺杆和料筒组成。
①螺杆: 螺杆是关键性部件, 是挤出机的心脏。
根据在挤出机中物料的三种状态变化过程及螺杆各部位的工作要求, 一般将挤出机的螺杆分为: 加料段L1( 固体输送段) 、压缩段L2( 熔融段) 和计量段L3( 均化段) 三段。
由于一台挤出机的生产率、塑化质量、填加物的分散性、熔体温度、动力消耗等主要取决于螺杆的性能。因此设计最佳螺杆是很重要又颇难的问题, 螺杆的几何参数对螺杆的工作特性有重大的影响, 必须合理设计和选用。
( A) 直径D和长径比L/D
直径D是一个重要参量, 它是表征挤出机挤出量大小的参数之一。
qv=?Ds3n
式中qv为生产能力( kg/h) ; Ds为螺杆直径( cm) ; n为螺杆转数( r/min) ; ?为经验出料系数, 取值范围为0.003～0.007。
螺杆直径与所生产制品尺寸之间的关系
螺杆直径 30 45 65 90 120 150
硬管直径 3-30 10-45 20-65 30-120 50-130 80-300
薄膜直径 50-300 100-500 400-900 700-1200 700- 700-3000
挤板宽度 400-800 700-1200 1000-1400 1200-2500
L/D: 螺杆的有效长度与其直径之比。
根据加工物料的性能和制品质量的需求来考虑 , 以前L/D=20～26; 现在
L/D=24～36; 最大的可达43。L/D=25, 可得到较高的产率。同时又避免了熔体过热和热敏性料降解。
( B) 螺杆各段的作用及参数的设定
按塑料在螺杆上的运转情况可分为加料、压缩和计量三个区域, 螺杆在这三个区的作用是不同的。
( a) 加料段( 供料段、固体输送段)
自塑料入口向前延伸的一段螺杆称为加料段, 在加料段中物料依然是固态。它的主要作用是使物料受热、受压、前移。螺槽容积能够维持不变, 等距等深。加料段的输送能力与螺槽深度H1及该段的长度L1有关。
先确定均化段螺槽深度H3, 再由螺杆的几何压缩比来计算H1。
结晶聚合物, L1=( 30%～50%) L
非晶聚合物, L1=( 10%～25%) L
熔点高, 导热性差, 热焓大的聚合物, L1要取长一些。PP的L1比HDPE长。( b) 压缩段( 熔融段)
螺杆中部的一段, 作用是压实物料和熔融物料。该段螺槽容积逐渐减小。压缩比ε, 它是螺杆加料段第一个螺槽容积与均化段最后一个螺槽容积之比。
ε =( D-H1) H1/( D-H3) H3
≈0.93 H1/ H3
ε的大小对制品的密实性和排除物料中所含空气的能力等影响很大。ε大, 制品密实, 排气能力强。物理压缩比, 是指塑料受热熔融前后的密度之比, 设计时压缩比多根据经验选取。它取决于所加工的塑料种类、进料时的聚集状态和挤出制品的形状。粉料的应比粒
料大; 薄壁型材比厚壁制品大。
RPVC( 粒) 2～3 PE 3～4
RPVC( 粉) 3～4 PP 2.5～4
SPVC( 粒) 3～5 PS 2～2.5
SPVC( 粉) 3.2～3.5 PC 2.5～3
PA 6 3.5 POM 2.8～4
PA 66 3.7 ABS 1.6～2.5
压缩段长度L2, 当前多以经验方法确定。
非晶聚合物, L2=( 50%～60%) L;
结晶聚合物, L2=( 3～5) D。
( c) 计量段( 均化段)
螺杆的最后一段。其作用是使熔料进一步塑化均匀, 并使料流定量、定压由机头流道均匀挤出。这段螺槽的截面能够是横定的。但比前两段都小。
H3与物料的热稳定性、螺杆的塑化效率及压缩比有关, 它对螺杆的混合效率和生产的最大压力有很大影响。
浅—有利于塑化, 但生产效率低;
深—挤出量大, 但对机头压力敏感, 挤出不稳定。
实际确定时, 按H3=( 0.025～0.06) D选取。对于直径较大的螺杆, 取小值, 反之则取大值。H3确定之后, 根据确定的ε计算加料段螺槽深度H1。
计量段的长度与塑料的种类有关, 某些热敏性塑料就不宜在这段作过久的停留, 而聚烯烃等又能以这段的作用取得较好的均化。L3=( 20%～25%) L
[计算]
（1）根据产品的种类和尺寸确定螺杆直径D;
（2）根据L/D=( 24~36) , 确定长径比, 以确定L;
（3）L=L1+L2+L3;
求L
1: 结晶聚合物, L
1
=( 30%～50%) L
非晶聚合物, L
1
=( 10%～25%) L
求L
2: 结晶聚合物, L
2
=( 3～5) D