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第五章 挤出模塑 塑料成型工艺学ppt

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  第五章 挤出模塑 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成为的连续制品,如管、板、丝、薄膜、电线电缆等。挤出成型是塑料成型加工中重要方法之一。 本章重点: 5.2单螺杆挤出原理 5.5、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 5.1 概述(summarize) 1、挤出成型的基本概念 塑料的挤出成型:挤出成型又叫挤塑、挤压、挤出模塑。用加热(干法)或湿法(溶剂)使塑料成为流动状态,然后在机械力(压力,借助螺杆和柱塞的挤压)作用下,使塑化均匀的塑料通过塑模(俗称机头)制成具有恒定截面连续的制品。 挤出成型一般包括三个过程: 物料在螺杆中熔融塑化——机头口模挤出——冷却定型 2. 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 3. 挤出制品 塑料薄膜、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。 挤出片材生产线 挤出线缆包覆成型生产线 挤出吹塑薄膜生产线 单螺杆挤出机——传动(to drive) (1)传动(驱动)系统: 作用:为驱动螺杆转动,并保证螺杆转动所需的力矩和转速,由减速箱和电机、轴承组成。 要求:a.恒扭矩 b.稳定转速 c.无级调速及范围 调速的方法:a. 三相异步整流子电机。效率高、启动性好、稳定性好,最大功率125KW。体积大,成本高故障率高。 b.直流电机。改变电电压时可得到恒扭矩调速,改变激磁电压得到恒功率调速。低速工作不稳定。 c.机械无级变速器与异步电机配用。稳定性好,维修简单。最大功率<20KW。 d.液压马达。传动特性软,启动惯性小。制造精度高。 e.变频调速。三相异步电机和变频器。节能。 目前常用变频和直流两种 5.2.1 单螺杆挤出机——加料装置(feed) (2)加料装置 加料斗和上料器组成 加料斗: a.普通料斗 b.有搅拌器的加料斗 c.强制加料 d.带干燥装置 自动上料:弹簧、鼓风、线 单螺杆挤出机——加料装置(feed) 5.2.1 单螺杆挤出机——料筒(barrel) (3)挤压系统 ⅰ.料筒(螺筒) 作用:输送物料,对物料进行加热、加压。 要求:耐温,坚韧,耐磨和耐腐。料筒常是钢制外壳和合金钢内衬共同组成的。 料筒的外部装置 a.加热装置:采用电阻丝加热,也可电 感应加热,蒸汽或油加热。 b.冷却装置:风冷或水或油冷,其作用 是防止进料口处的物料过热发粘,出现搭桥现象,使物料供料不足。另外在紧急停车时,避免物料过热降解。 5.2.1 单螺杆挤出机——螺杆(screw) ⅱ.螺杆 ①.螺杆的作用: a.对物料进行输送和加压; b.混合、塑化、加热; c.定量挤出。 ②.螺杆形状 a.渐变形螺杆:螺槽容积是逐渐变小。分为等 距不等深螺杆和等深不等距螺杆。这种螺杆压缩段较长,螺槽深度逐渐变浅主要用于加工非晶型塑料,如PVC。 b.突变形螺杆:螺槽容积是突然变小。压缩段较短,螺槽深度变化较大。主要用于加工结晶型塑料,PP、PE、PA。 变距等深螺杆:主要用于橡胶加工 等距变深螺杆:主要用于塑料成型、橡胶成型 变深变距螺杆:加工困难,应用很少? 鱼雷头:高粘物料 5.2.1 单螺杆挤出机——螺杆(screw) 5.2.1 单螺杆挤出机——螺杆(screw) ③参数 a. 螺杆直径D螺杆直径分螺杆外径D、内径Ds和平均直径Da,螺杆直径不仅是螺杆的主要参数,也是挤出机的规格参数。螺杆直径D与生产能力Q有关。 Q=βD2n 如何确定挤出机的规格呢(也就是说如何确定螺杆直径呢)?一般根据加工制品的断面尺寸和所要求的生产率来决定。用大规格机器生产小型制品是很不经济的,而且会由于机头压力过高造成机器的损坏,但是用小直径螺杆挤出机生产大型制品也是很困难的。因此生产机器与制品应当匹配。 5.2.1 单螺杆挤出机——螺杆(screw) c.螺杆的分段及各段的功能 一般螺杆分为三段,即加料段(供料段) 压缩段(熔化段) 均化段(计量段) ①加料段(固体输送段):靠近料斗附近 作用:使塑料受热前移,将料斗供给的物料送往压缩段。 物料特征:固态 结构:等距等深(0.10-0.15D),长度据情况而定(L1=4-8D)。 要求:ⅰ固体输送能力应稍高于或等于熔融段或均化段的工作能力。 ⅱ压实固体颗粒或粉料,排出气体减少固体间的缝隙,有利于传热。 5.2.1 单螺杆挤出机——螺杆(screw) 加料段长度的选择 熔点高、导热性差、热焓大的聚合物加料段的长度取长一些,反之短一些。例如:HDPE、PP、PS。物理压缩比=密度/松密度。 5.2.1 单螺杆挤出机——螺杆(screw) ②压缩段(熔融段):螺杆中部一段(L2=3-15D) 作用: 加热熔化;加压压实物料; 排除空气。 物料状态:液相、固相共存 要求:物料得到进一步压缩,排出气体和挥发物;完成有松散料转变成熔体的密度的变化。(HDPE松密度0.5g/cm3,190℃ 0.76g/cm3,20 ℃ 0.92g/cm3) 几何压缩比:e=H1/H3 第一个螺槽容积/最后一个螺槽的容积,大小取决于物 理压缩比、物料进料时聚集状态和制品的状态。 一般几何压缩比(1.5~5)要大于物理压缩比(1.5~3)。 原因:避免发生缺料和漏料。 改变螺槽深度; 几何压缩比获得方法: 改变螺距; 同时改变螺槽深度与螺距。 5.2.1 单螺杆挤出机——螺杆(screw) 常用塑料的压缩比如下: UPVC(粒料) 2.5 UPVC(粉料) 3-4 软PVC(粒料)3-4 软PVC(粉料) 3-5 PE 3-4 PP 2.5-4 PS 2-4 ABS 1.6-2.5 PA-6 3.5 PA-1010 3 PMMA 3 POM 2.8-4 PC 2.5-3 PA-6 3.5 PA-66 3.7 PA-11 2.6-4.7 5.2.1 单螺杆挤出机——螺杆(screw) ③均化段(计量段):螺杆最后一段 作用:使熔体塑化均匀;使料流定量、定压挤出。 物料特征:液态 结构:等距等深(H3=0.02-0.06D),长度据情况而定(L3=6-10D)。增大L3的长度,物料在均化段的停留时间长,物料的剪切作用增加,有利于对物料的分散和混合。但不利于低温挤出,热敏性树脂易分解。 均化段槽深h3也是一个重要参数,它对挤出机的塑化质量和混炼质量、机器的生产率、功率消耗和螺杆强度都有直接影响。对PE、PP能承受高剪切作用的,h3可选小些;而PVC、热稳定差,h3可选大些。这样,剪切发热减小,一般h3=(0.025~0.06)D 当ε和h3确定后,加料段槽深h1为: 5.2.1 单螺杆挤出机——螺杆(screw) d.螺杆上的螺旋角θ和螺棱宽度e 螺旋角:30°时适合于细粉状。 加料段:15 °方块料 17 °球、柱状料 计量段:30 °产率最高。 θ=17.6 °对产率影响不大。 螺棱的宽度:e 0.08-0.12D e大:占据螺槽容积,增加螺杆的功率局部过热 e小:削弱螺棱强度,增大漏流。 螺棱的形状:矩形和锯齿形。 5.2.1 单螺杆挤出机——螺杆(screw) e.螺杆的头部结构 5.2.1 单螺杆挤出机——加热和冷却 (4)挤出机的加热冷却系统 a.加热(heating) 料筒熔融段和机头外部 方式有电、液体和蒸汽加热。 b.冷却(cooling) 螺杆加料段逆向通冷却水以加大输送能力 加料口下方用冷却水冷却,防止热量传向传动侧烧坏电机,并防止料斗中“架桥” 料筒非工作侧用鼓风机带走过多的热量防止物料分解。 5.2.2 单螺杆挤出原理(extrusion principle) 挤出过程:预处理料加料——在螺杆中熔融塑化——口模挤出——定型——冷却——牵引——切割 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=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=挤出机生产率 一. 固体输送理论(solid convey) 1.假设条件: 物料与螺槽和料筒壁紧密接触形成固体; 塞(床),恒速移动; 略去及物料重力、密度变化的影响; H1恒定,压力是螺槽长度的函数; 螺杆不动,料筒以的速度移动; 螺槽为矩形。 为分析方便,将一个螺距内的螺杆做平面展开,当螺杆转动一周,设物料固体塞中的一点由A运动到B点。 2.固体输送率Qs公式推导: 物料的输送速率是单位时间内从螺杆轴向截面所输送的物料体积,其值等于螺槽在轴向的投影面积A与物料在轴向的运动速度Vpl的乘积。 2.固体输送率Qs公式推导 2.公式推导 3.讨论 1.N: Qs∝N,提高转速可增大产量。但实际中,N增大一倍,Qs不一定增加一倍。原因是:N↑,摩擦力↑,温度↑而影响摩擦系数,也就影响到Qs。 2.Hf、Db Qs∝Db ,增加螺杆直径,Qs增加。 Qs∝H1螺杆外径一定时,增加加料段螺槽深度有利于提高Qs。 3.讨论 3.移动角φ Qs∝ tgφ· tgθb/(tgθb+ tgφ) Qs∝ tgθ/[(tgθb/tgφ)+1] 若φ↑,则tgφ↑,而(tgθb/tgφ)↓, ∴[(tgθb/tgφ)+1] ↓,即Qs↑。 ∴Qs∝φ 影响移动角φ的因素: 3.讨论 4.摩擦系数f fs/ fb 比值↓ , cosφ ↓, φ ↑ ,Qs ↑ 提高fb和降低fs的措施: a.提高螺杆光洁度;涂F4 b.在料筒上开设纵向槽沟,把物料与机筒之间的摩擦系数转变为物料与物料之间的摩擦,摩擦系数可提高5倍。 c.降低螺杆温度,通冷却水; d.根据fb与温度关系,适当提高加工温度。 控制螺杆和机筒温度高聚物与金属的摩擦系数是温度的函数,不同物料不同温度下的摩擦系数可通过实验得到。 如LDPE, T=104~110℃时,f最 ,T=50℃时f最小。 3.讨论 5.螺旋角θ 3.讨论 假设fs= fb ,P2=P1, 取不同的fs及θb, 以tg φ · tgθb/(tgθb+ tgφ) 对θb作图,由于fs在0.4~0.6之间,最佳θb的范围是17~20°。 目前常取θb=17°41’。 4.总结 从工艺上: 1. 提高螺杆的转速N 2. 适当提高加料段物料的温度和降低螺杆的温度,有利于增加物料与料筒的摩檫率,减少物料与螺杆的摩檫率。 从设备上: 3. 增大螺杆的直径 4. 增大螺槽的深度 5. 选用最佳方向角 6. 加料段料筒内纵向开槽 二.熔融理论 二.熔融理论(melt) 对于压缩段熔融理论的研究是从1959年开始,Maddock(马多克) 等人根据实验观察,定性地描述了物料的熔融过程。 二.熔融理论 由于外传热和摩擦热(内热)的共同作 用,与料筒内表面接触的物料首先熔化, 形成熔膜。 当熔膜厚度超过螺杆与料筒间隙时, 熔膜被螺棱的推进面刮到螺槽中,并 逐渐汇集成旋转的流动区,形成熔池。 在熔池的前方是一些受热软化和半 熔融的物料,而由于外传热和摩擦热的 共同作用,与料筒内表面接触的物料首 先熔化,形成熔膜。 处于最前面的是完全没熔融的物料,这些半熔融 和未熔融的物料称为固体床。 固相与液相的界面称为迁移面,熔化在此进行。在熔融区结束 时,塑料全部板材熔体。因此,物料在熔融段完成了由固体到液体的 相的转变。 热源:料筒壁热传导和摩擦。 二.熔融理论 压缩段物料固-液共存 1.目的: 预测螺槽中任一点未熔化物料量 熔化全部物料所需螺杆长度 熔融与螺杆参数、物料特性、工艺参数间的关系 2.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 3. 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 1.基本假设 1966年Todmol(塔莫尔)根据马多克理论建立了数学模型,使熔融 理论发展到理论计算。 基本假设 : a.熔化过程是稳定的过程; b.固相是连续的均质体,没有崩溃现象,而且螺槽的横截面为矩形; c.塑料的熔融温度范围很窄,因此固相与液相分界面很明显; d. 熔体为牛顿流体; e. 热量只在螺槽深度方向传导,忽略其它方向的热传导和对流; f. 固体的熔化只是在界面处进行,熔池对固体的传热忽略不计; g. 熔化的物料由料筒表面的拖拽作用汇集到螺槽的推进面形成熔 池,固体床以恒定的速度Vsy进入界面; h. 固体床在Y方向上无限深; i. 其它所有物理性能都是常数。 二.熔融理论 固体床在螺槽中的分布 根据能量平衡、质量平衡原理推出熔化速度和固体床分布函数,最后 求出熔化长度。 ①分界面上单位的热量平衡 即: Km、Ks:分别为液相和固相塑料的导热系数 λ:固相塑料熔化潜热 ρs:固相密度 (dT/dy)y=0:分别为熔膜内和固相内的温度分布梯度 2.公式推导 ②经熔膜流入分界面每单位面积上的热流量: ③分界面上每单位面积上传入固相内的热流量: 则(1)式为: 2.公式推导 ④单位螺槽长度上的熔化速率ω: 由固相沿Y方向加入熔膜的新熔化的物料量应等于由熔膜沿X方向流入 熔池的物料量。 即: 2.公式推导 解出(4)式中的Vsy代入(5)式中得: Φ是熔化速率的量度, Φ值越高,则熔化速率大。 2.公式推导 ⑤固体床宽度分布函数和螺杆熔融区的总长度ZT 2.公式推导 b.对等深螺槽的固体床分布函数为: 3.影响熔融过程的因素 3.影响熔融过程的因素 (2)熔化段总长度与质量流率的关系 以等深螺槽为例: 将(12)式 代入(16)式得: ZT=(2G)/ (Φ W1/2) (19)式 从上式得出结论: N↑,G↑, ZT↑。 由ZT知道,G与ZT成正比。N增大,将导致G和Φ的增加,而G的增加需要增大ZT ,而Φ的增加可以减少ZT ,相矛盾。 对于无背压控制的设备,Φ的增加对Zt的影响不足以抵消G增加的影响,其结果需要增大ZT ;增加背压后可以减少G增加对ZT的影响,即Φ的增加对ZT的影响大于G的影响,可以减少ZT 。 并且要适当增加Tb和Ts,增加Φ值,减少ZT 。 三.熔体输送理论 在螺杆三段理论中,均化段熔体输送理论是研究最早,也是最成熟的,因为均化段的理论是非常重要的,通常以均化段的生产率代表挤出机的生产率,以均化段的功率为挤出机功耗的基础。 将螺杆、料筒展开,料筒与螺杆的相对速度Vb被分解为平行于螺槽方向的分速度Vbx和垂直于螺槽方向得分速度Vbz,使熔体产生了不同方向的流动,从而实现了熔体的输送和混合。 三.熔体输送理论 将螺杆、料筒展开,料筒与螺杆的相对速度Vb被分解为平行于螺槽方 向的分速度Vbx和垂直于螺槽方向得分速度Vbz,使熔体产生了不同方向的 流动,从而实现了熔体的输送和混合。 (1)假设 (2) 熔体输送、混合机理 在机头阻力下,产生了沿螺杆方向的压差,另外由于螺杆和料筒有 间隙,使熔体有四种形式的流动: 正流、逆流、环流和漏流 三.熔体输送理论 正流(拖曳流)Qd(cm3/h),由分速度Vbz产生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,决定挤出量的大小 逆流(倒流、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 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。 2.公式讨论 (1)Qm~P的关系: ① ②当P=0,即机头完全敞开,Qm最大: ③ 当有时机头过虑网堵塞,则P很大(相当于机头封死), Qm=0,此时最大压力为: 2.公式讨论 3 挤出机的工作状态 1)螺杆特性线,挤出机稳定后 A,B(A=α,B=β+λ)为常数, 只与螺杆结构尺寸有关,是一组与螺杆转速相对应的斜率为负值的平行直线)口模特性曲线 熔体通过机头和口模时的流动方程为: K为阻力系数(口模常数),仅与口模形状和 尺寸有关,ΔP为口模两端压差给定螺杆和口 模时,N一定, 压差及Qm也确定下来了,这样可 求出指定挤出机配合不同口模时的挤出量. 螺杆、口模特性已知,N选定后,可找出挤出机工作点C 当螺杆或口模改变一项,C点改变,可得到相应的熔体输送速率和机头压力 挤出理论的局限性 1.许多假设,计算值与实际值有偏差; 2.三段输出量与质量关系没有解决; 3.固体段长度、均化段长度没有完整的公式; 4.熔池的起始点无法计算; 5.把实际的连续过程人为的分为三段。 5.2.3单螺杆挤出机结构设计的改进 一、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: ?1.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。 2.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。 3.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。 5.2.3单螺杆挤出机结构设计的改进 二、新型螺杆 1、排气式螺杆 主要适用于含水和易产生挥发组分的物料。 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 5.2.3单螺杆挤出机结构设计的改进 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。 5.2.3单螺杆挤出机结构设计的改进 5.2.3单螺杆挤出机结构设计的改进 3、销钉型螺杆 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 5.2.3单螺杆挤出机结构设计的改进 5.2.3单螺杆挤出机结构设计的改进 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。 5.2.3单螺杆挤出机结构设计的改进 5.2.3单螺杆挤出机结构设计的改进 5.3 双螺杆挤出机(twin-screw extruder) 一、概述 前面我介绍的都是单螺杆的挤出理论,单螺杆挤出机结构简单、制造容易、价格便宜,因而其在塑料加工中得到广泛应用,但随着塑料工业的发展,单螺杆挤出机显露出较大的局限性,主要表现在以下三点:?? 固体输送主要靠摩擦,故加料性能受到限制,粉料、共混改性中玻纤、无机填料难以加入。 排气效果较差。?? 物料在机筒中停留时间长,而且各部分物料停留时间不等。 1937年意大利首先研制出双螺杆挤出机。目前双螺杆挤出机已较广泛地应用于塑料加工中,尤其是PVC的加工中,欧美各国PVC挤管、造粒占100%,挤板和型材占80~90%。螺杆挤出机目前主要应用在以下几个方面: ①聚合反应:如尼龙(聚已内酰胺)型材的挤出成型,可将尼龙单体、催化剂、加速剂混合加入挤出机,在挤出过程中,尼龙聚合成7~10万分子量,然后挤出成型。 ②预塑混料:a. 共混改性:加入填料、玻纤、碳黑等。b. 橡塑共混:如PP/乙丙橡胶。c.作为喂料机:对塑料中各种助剂进行混炼。 ③成型加工:主要应用于PVC加工中。 ④废料处理:如废料二次成型,二次造粒,废料形状复杂,易分解。 5.3 双螺杆挤出机 5.3 .1 双螺杆挤出机双螺杆挤出机的结构 5.3 .1 双螺杆挤出机双螺杆挤出机的结构 5.3 .1 双螺杆挤出机双螺杆挤出机的结构 5.3 .1双螺杆挤出机双螺杆挤出机的结构 5.3 .1 双螺杆挤出机双螺杆挤出机的结构 5.3.2 双螺杆挤出机挤出原理 5.3.2 双螺杆挤出机挤出原理 5.3.2 双螺杆挤出机挤出原理 5.3.2 双螺杆挤出机挤出原理 5.3.2 双螺杆挤出机挤出原理 5.3.2 双螺杆挤出机挤出原理 5.3.2 双螺杆挤出机挤出原理 5.3.2 双螺杆挤出机挤出原理 5.3.2 双螺杆挤出机挤出原理 5.3.2 双螺杆挤出机挤出原理 5.4 挤出机的辅助设备 1.前处理物料的设备: 预热、干燥。 2.处理挤出物的设备: 冷却、牵引、卷取、切断、检验等。 3.控制生产条件的设备: 控制仪表等。 5.5 挤出机的一般操作方法 5.5 挤出机的一般操作方法 控制要点: 1.温度 料温来自加热和摩擦热。 料温高,有利于塑化,熔体流量增大,挤出物出料加快。但机头和口模温度不能过高,否则挤出物形状稳定性差,制品收缩率大,甚至引起制品发黄、有气泡等。 料温低,塑化差,功率消耗大。 2.压力 机头压力大,可提高挤出熔体混合均匀性和稳定性,对产品致密程度好。因此在机头上设置多孔板、过滤网。 但压力不能太大,否则回压大,挤出量下降。 3.螺杆转速 转速↑,产量↑,剪切作用↑,η↓,有利于混合和塑化,但功率消耗↑。 5.6.1 管材的挤出成型 管材是塑料挤出成型的主要产品之一。挤管就是将粒状或粒状塑料从料斗加入挤出机,经加热成熔融的料流,螺杆旋转的推力使熔融料通过机头的环形通道形成管状物,经冷却定型成为管材的生产过程。 设备 挤出机、机头、定型装置、冷却装置、牵引和切割可供生产管材的塑料原料有:聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、ABS、聚酰胺;聚碳酸酯目前国内生产的管材以聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等材料为主。 ?塑料管材有以下优点: 相对密度小,仅为金属的1/5--1/8,耐化学腐蚀性好,电器绝缘性优良。耐磨性好。塑料管广泛用作各种液体、气体输送管,尤其是某些腐蚀性掖体和气体,如自来水管、排行管、农业排灌用管、化工管道、石油管、煤气管等。 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 5.6.1管材的挤出成型 5.6.1管材的挤出成型 5.6.1管材的挤出成型 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。 一、管材挤出设备 1机头 1)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 5.6.1管材的挤出成型(5-8) ①分流梭与芯棒 a.组成:圆头部分、斜坡部分、平直部分 b.分流梭作用: 把圆柱形的料流分成圆 环形的薄层;固定芯棒; 通压缩空气 c.斜坡作用:使物料松弛,消除合流痕迹, 进一步压缩。 d.平直部分作用: 继续弥补熔接痕; 调节 流速,稳定料流; 赋予制品外形。 ②部件尺寸确定 a.口模与芯棒平直部分长度L 根据经验,L1=(1.5~3)D, D是管子 外径。对于薄壁管,L1=(10~30)t,t是管子壁厚。其具体数值与物料性能、管壁薄厚、管径大小、挤出机功率大小有关。 一般,大管径取下限,硬管取小值,软管取大值。 5.6.1管材的挤出成型 上述几种机头由于存在分流器支架,会产生熔接线,影响制品外观及质量。 消除熔接线.适当加大口模平直段(成型段)长; 2.增大分流器支架与出料口的距离; 3.使进口角(扩张角)大于出口角(收缩角); 4.加大机头进口处截面与出口截面比; 5.采用异型芯棒(目的是增大料流阻力)。 2)直角式 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 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。 4)筛孔板式: 无分流梭和芯模,物料经筛孔板进入口模成型段可保证物料充分熔融、塑化无熔接痕,强度高,结构紧凑,占地面积小。 (生产聚烯烃类大管时,可克服自重产生的薄厚不均现象) 5.6.1管材的挤出成型 2.定型(定径) 作用:将机头挤出材料的形状稳定下来,得到更为精确的截面形状、尺寸和表面粗糙度,有内定径和外定径法两种 (1)内径定径法 一般用于直角机头上,连在口模芯模上内通冷却水,定型套有0.6%~1%锥度,长80~300mm,外径比管材内径大2%~4%,利于收缩后尺寸在控制范围内并保证管材内壁粗糙度。(内定径原理) (2)外定径法(我国常用方法) a 真空定径:管外抽真空而将管外壁吸附在冷却定型套内壁上,小孔直径 0.5-0.7mm,η大时为0.8-1.0mm。 b 内压法定径:管内加压缩空气,管外加冷却定型套。 5.6.1管材的挤出成型 3.冷却: 浸浴式,管浸入水中冷却,上下水温不一致,浮力,会弯曲变形 喷淋式,会减少上述现象,特别是大管。 5.6.1管材的挤出成型 5.6.1管材的挤出成型 5.6.1管材的挤出成型 4.牵引装置 橡胶带式:适合50-150mm管 滚轮式:<100m管 履带式:二履带、三履带、四履带和六履带,适合各种管。 5.6.1管材的挤出成型 5.6.1管材的挤出成型 5.6.1管材的挤出成型 5.切割 园盘剧 行星剧 与计长装置相连, 实行定长切割。 5.6.1管材的挤出成型 5.6.1管材的挤出成型 二、常见挤出管材 1.PE管材 优点突出,成型加工容易,具有良好的韧性、无毒、耐腐蚀、耐寒性和电性能广泛用于自来水管、煤气管、排污管、灌溉管、化工管道及电线绝缘套管。 LDPE挤出时温度分五段控制: 机身:供料段90~100℃,压缩段100~140℃,计量段140~160℃;机头:分流器140~160℃,模口140~160℃ HDPE温度一般较LDPE高20℃ 另定型套水温30~50℃ 一般PE管材口模温度低于料筒最高温度,原因是:熔体粘度低,成型温度范围宽,降低温度利于成型,使制品更密实;利于定型,提高生产率;节约能源。 2.PP管材 无毒、耐腐蚀、强度高、耐热性好、重量轻。广泛用作腐蚀性化工液体和气体的输送管,农田排灌管 普通PP性能缺陷很大,一是低温脆性大,二是耐老化性差,一般要改性处理,常用改性配方如下: PP 100 HDPE 10~20 抗氧剂1010 0.5~1 CaCO3 10 工艺温度: 机身:供料段165℃,压缩段180℃,计量段220℃;机头:一区230℃,二区220℃,口模195℃ 一般采用外定径法(真空定径或内压外定径法) 3.硬质PVC管材 耐腐蚀、绝缘性好 主要做输送流体及做电线套管等 生产工艺 挤出(粒料)温度:机身依次为100~120℃,120~140℃,140~160℃, 分流器160~180℃,口模180~190℃,机头185~190℃ 螺杆转速:直径为45mm的单螺杆挤出机转速为20~40r/min 牵引速度:比挤出速度快1%~10% 螺杆冷却:材料流动性差,螺杆温度偏高会粘料,适当降低螺杆温度可使塑料与螺杆间的摩擦系数降低,减少摩擦生热,防止物料分解。冷却介质用水 几种塑料管材成型的温度控制 5.6.2 板材(片材)的挤出成型(1-4) 塑料片材是指厚度在0.25~2 mm之间的软质平面材料和厚度在 0.5mm以下的硬成平面材料。 ??? 塑料板材和片材的生产方法有:挤出法、压延法、层压法、 浇注法。挤出法和压延法是连续生产工艺,其他方法是间歇生产工艺。 ????生产塑料板材、片材的主要原材料有:聚乙烯(LDPE、HDPE)、 聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚 树脂(ABS)、酚醛树脂、丙烯酸酯类树脂等。 ?塑料板、片材具有耐腐蚀、电绝缘性能优异、易于二次加工等 特点,广泛应用作为化工容器、贮罐等化工设备的衬里,电器工业中 的绝缘垫板、垫片等电绝缘材料、也可作为交通工具和建筑物的壁板、 隔板等内装修材料。此外,无毒的透明及各色片材经二次加工制成的 各种容器则是食品、医药理想的包装材料。 5.6.2 板材(片材)的挤出成型 5.6.2 板材(片材)的挤出成型 (1)板(片材)机头 口模由引流道、分配腔和模唇组成 1)支管式 为将圆柱状流体变为扁平的矩形截面且有相等流速的流体,要设置一个纵向切口为管状的分配腔,其作用是对熔体稳压、分流,使其均匀地挤出宽幅制品。 优点是结构简单,制造容易;可调幅宽;温度易控制;体积小,重量轻。 2)鱼尾形:熔体从中部进入沿扇形扩展开来 优点是物料呈流线型流动;物料停留时间短,适用的温度范围 广;结构简单 缺点是鱼尾形部分扩张角不可过大(避免中心处压力速度太大造成中心出料多两端少);不能生产宽幅制品 5.6.2 板材(片材)的挤出成型 5.6.2 板材(片材)的挤出成型 3)衣架式:分配腔为两根直管递减的支管并有一个扩张角可 大至160~170o的型腔,(吸收了支管式和鱼尾形机头的优点) 优点是支管小,缩短了物料在机头内的停留时间;扇形型腔提高了制品的薄厚均匀性,制品幅宽可达4~5m 5.6.2 板材(片材)的挤出成型 4)螺杆分配式:在直支管式机头模腔中插入一根旋转的分配螺杆 分配螺杆的作用是将模腔内的熔体进一步塑化并沿宽度方向均匀分布;压力沿横截面各点一致,挤速均匀;减少机头内积料的可能性。 优点:生产能力高,制品均匀;可以发泡成型,易成型宽、厚板材;机头内料温易控制;可连续运转。 缺点是加工困难,成本高;分配螺杆旋转,使料流到口模区变为直线运动的距离短,易在制品中留下波浪形痕迹。 5.6.2 板材(片材)的挤出成型 5.6.2 板材(片材)的挤出成型 5.6.2 板材(片材)的挤出成型 板材成型工艺要点 挤出机机身温度根据原料而定,机头温度一般比机身温度稍高5~10℃左右,机头温度过低,板材表面无光泽,易裂。机头温度过高,料易分解且有气孔。机头温度一般是控制中间低两端高,ABS板材机头温度如图所示。机头温度应严格控制在规定温度之内,否则,温度误差将影响板与片厚度的均匀性。 ???? 三辗压光机温度控制:从机头挤出的板材温度较高,为使板材缓慢冷却,防止板材产生内应力而翘曲,三辊压光机的三个辊简应加热,并设置调温装置。加热介质有蒸汽、油、电热。辊筒温度过低,板不易贴紧辊简表面,而产生斑点,表面无光泽,透明度差并且会产生小皱纹。辊简表面温度应高到足以使熔融物料与辊简表面完全贴紧,但过高会使板、片粘辊,表面产生横向条纹。一般说来,象聚氯乙烯、ABS等无定形塑料,辊简温度不超过100℃,可用蒸汽或热水加热,而成型烯烃等结晶塑料,辊简温度超过160℃,用油加热较好。 5.6.2 板材(片材)的挤出成型 几种塑料板加工温度 5.6.2 板材(片材)的挤出成型 5.6.3吹塑薄膜的挤出成型 Blow film extrusion Process is similar to blowing up a balloon. Tube is cooled by air from a cooling ring around die. The frost line is the zone where the temperature of the tube has fallen below the softening point of the plastics. Example, HDPE frost line actually appears frosty. 5.6.3吹塑薄膜的挤出成型 blow film exrusion 1、生产薄膜的方法主要有: 挤出吹塑(动画) 压延 T型机头挤出法 双向拉伸法 流延法 其中挤出吹塑用的最多且产量最大,常用生产薄膜的材料: PE、PP、PVC、PS、PA等 2、吹塑法生产薄膜的特点: 设备紧凑,投资少; 容易调整薄膜的宽度; 易于制袋; 薄膜在吹塑过程中得到了双轴定向,因此强度较高。 缺点是:由于冷却速度小,生产速度慢;薄膜的厚度偏差较大。 5.6.3吹塑薄膜的挤出成型 5.6.3吹塑薄膜的挤出成型 5.6.3吹塑薄膜的挤出成型 5.6.3吹塑薄膜的挤出成型 3、工艺过程 挤出膜管---吹膜---冷却---牵引---卷取 4、挤出吹塑方法 平挤上吹 平挤平吹 平挤下吹法。 5.6.3吹塑薄膜的挤出成型 5.6.3吹塑薄膜的挤出成型 (1)吹膜用机头 1)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。 2)十字形:(中心进料)PP,PE等热稳料 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) 3)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 4)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 5.6.3吹塑薄膜的挤出成型 5.6.3吹塑薄膜的挤出成型 5.6.3吹塑薄膜的挤出成型 5.6.3吹塑薄膜的挤出成型 (3)人字板:压平薄膜,稳定管泡。 夹角太大,牵引阻力大,易出现皱纹;太小,辅机高度增加。 (夹角10~30°) 5.6.3吹塑薄膜的挤出成型 (4).牵引辊 将两层薄膜压平、压紧,同时以一定的速度比对管泡进行纵向拉伸。由一条钢辊和一条胶辊组成,两辊缝隙对准机头中心。牵引速度可调节薄膜厚度,因此应采用无级变速。 (5)卷取:恒定张力或递减张力 5.6.3吹塑薄膜的挤出成型 6.工艺操作: (1) 机头环形口模直径由吹胀比Blow-up ratio和薄膜折径而定。 吹胀比: α=Dp/Dk 而 Dp=2ω/π, ω是薄膜折径 故 α= 2ω/πDk=0.637 ω/Dk ω=1.57αDk Dk=0.637 ω/ α α大,透明度和光泽度大。 太大,泡状物不稳定、扩大口模原有的缺陷薄膜发皱、厚度不均。 通常: α为1.5~3(超薄薄膜可达5~6) 5.6.3吹塑薄膜的挤出成型 (2)口模与芯棒间的环形缝隙宽度h应控制一定的大小,其值与牵伸 比b、吹胀比a和薄膜厚度δ有关。 b=VD/VQ VD=Q/2ωδρ VQ=Q/πDk·hρ b:牵伸比 VD:牵引速度 VQ:挤出速度 Q:挤出成型机生产率 δ:薄膜厚度 h:缝隙宽度 ρ:熔融塑料密度 ∴b= πDk·h /2ωδ 或 b= h /a δ ∴h=ab δ 5.6.3吹塑薄膜的挤出成型 通常h为0.4~1.2mm或0.8-1mm.一般:牵伸比b控制在4~6, 吹胀比控制在1.5~3, 模口间隙: h= (1.5~3)× (4~6)×δ =(6~18)δ 生产厚膜时取下限。 为消除熔接缝,使物料压力稳定、均匀的挤出,定型段的高度L通常应为环形缝隙宽度的15倍以上。料流通道不能过短,通常物料从分流的汇合点至模口的垂直距离应不小于分流处芯棒直径的2倍。 5.6.3吹塑薄膜的挤出成型 (3)冷却 控制薄膜的厚度必须从牵伸比上来调整,牵伸比和吹胀比就难以相等,靠冷却速率和口模温度来平衡,维持薄膜横向和纵向性能的一致,增加挤出物在高温的停留时间可以减少薄膜在纵向上的辅佐取向程度。 冷冻线:当吹塑薄膜时(PE),管膜刚离开模头时是透明的,至一定的高度由于冷却而结晶(固化),变得不透明(浑浊),浑浊与透明的交界线被称为冷冻线(霜白线)。 影响冷冻线位置的高度因素: 薄膜厚度 熔体温度 挤出速率 冷却空气的体积 温度 冷冻线高度 浑浊度 横向撕裂强度 。 吹胀比 冷却速率 冷冻线吹塑薄膜的挤出成型 (4)温度控制 ① 对热敏性聚合物: 一般采用自加料段至机头出口温度逐渐上升,由于机颈处流道窄小,物料容易分解,因而温度要适当低一些。 优点:a.物料所受的高温时间短,不易分解; b.可减少拆机头次数; c.提高机器的生产能力。 料筒 I II III IV 机颈 机头 170 180 180 200-210 165 5.6.3吹塑薄膜的挤出成型 ② 对热稳定性好的塑料: 机身温度控制逐渐升高,至均化段为最高温度,机头温度则略低一些。 优点:a.物料塑化更充分; b.管泡冷却定型容易; c.制品外观质量提高。 料筒 机头 I II III 机颈 IV V PE 130 160 190 190 190 160 PP 190 225 235 230 230 225 5.6.4.双向拉伸薄膜的平挤 双向拉伸薄膜是在熔点以下,玻璃化温度以上的温度范围内,把拉伸的薄膜或片材(挤出吹塑膜或挤出片)沿纵横两个方向拉伸,然后在紧张的条件下进行热定型处理。该膜的各项性能都得到了提高。该法多用于PP、PET,另外PE、PVC、PS、PA等也可。 双向拉伸PP简称BOPP或OPP,其生产工艺路线大致有以下三种: ①平膜同时双向拉伸法:PP粒料经挤出机塑化后。从T型机头挤出厚片,厚度约为0.8~1 mm,纵、横向拉伸同时在拉幅机上进行,难度较大,较少使用。 ②平膜逐步双向拉伸法:挤出厚片后,先经辊筒纵向拉伸,然后再经拉幅横向拉伸,拉伸40~50倍,膜厚约15~50微米。该法较常用。 ③泡管法同时双向拉伸法:先制造厚管,厚度0.7~0.8 mm,然后用压缩空气吹胀,即横向拉伸的同时,用牵引辊进行纵向拉伸。 BOPP可用于包装材料及电容器薄膜。双向拉伸薄膜还可进行电晕处理,改变表面张力,提高油墨吸附性及粘结性,还可做多层共挤膜。 PP: 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 5.6.5.其它挤出成型方法 5.6.5.其它挤出成型方法 5.6.5.其它挤出成型方法 (3)电线电缆包覆 放线-矫直-预热-机头挤出包覆-冷却-测试-卷取 导线预热的目的:使导线和包覆层更好的熔合;防止在包覆层中引入内应力 5.6.5.其它挤出成型方法 5.6.5.其它挤出成型方法 5.6.5.其它挤出成型方法 5.6.6挤出成型的最新进展 1.管材 (1)大口径管材(直径大于1.5m) ①直接挤出成型1.5m,用于输水和天然气 难点:a.壁厚;b.壁厚均匀性控制;c.自重造成的椭圆度增大。 ②大口径缠绕成型(3m) 用于排水、排污 可用小挤出机生产大口径管材;生产速度低。 (2)小口径复合管 塑料与金属复合;塑料与玻璃钢复合。 5.6.6挤出成型的最新进展 5.6.6挤出成型的最新进展 5.6.6挤出成型的最新进展 2. 格栅 材料:PP、PE 用途:高速公路、铁路、堤坝 生产工艺: 挤出机-片材口模-三辊压延-冷却-片材-冲孔-预热 -纵向拉伸-冷却-预热-横向拉伸-冷却-切边-卷取 单向拉伸格栅 双向拉伸格栅 难点:高取向、低蠕变。 5.6.6挤出成型的最新进展 3.木塑制品 材料:PP、PE、PVC及其它 木粉、稻壳、粉竹粉、秸秆粉、草粉等。 产品:柱、板、异型材 用途:家装、庭院装修、栈道、家具等 难点:流动性差,挤出动力大;模具冷却困难。 5.6.6挤出成型的最新进展 思考题 1. 挤出产品的特点。 2. 单螺杆挤出机的组成及作用。 3. 单螺杆的主要参数、各段的功能、物料的状态、长度要求。 4. 双螺杆挤出机工作原理、螺杆的形式、转向、啮合情况。 5.说明挤出三大理论主要表达式中各项、各文字的意义,分析各主要 参数对输 送率和塑化质量的影响。 6. 单螺杆挤出机中物料在计量段的几种流动形式。实际的流动形式是什么? 7.为什么说挤出机在正常操作条件下,熔体在螺槽中的流动无滞留层, 有搅拌、混合、输送的作用? 8.何谓螺杆压缩比?为什么要有压缩比?在螺杆结构上如何实现? 9.何谓螺杆特性线、口模特性线.影响挤出机生产能力的主要因素。 11.试述几种典型的新型螺杆结构与工作原理,它们与普通螺杆有何异同? 12.挤出管材的机头形式,定型方式。 思考题 13.挤出吹塑薄膜上吹、下吹、平吹各有何特点? 14. 什么是吹胀比、牵引比?一般范围是多少? 15.常用的吹塑薄膜机头有哪几种? 16.简述挤出板材和片材的工艺流程。板材挤出机头主要有哪几种?性能最好的是哪一种? 17.影响吹塑薄膜的因素(吹胀比、冷冻线及其位置)。单螺杆挤出机主要由哪几部分组成? 18.归纳挤出成型方法及其制品的特点,列举几种挤出产品。 19. 用方框图表示出挤出成型工艺,并注明各工艺环节所用的设备。 20. 影响吹塑薄膜厚度均匀性的主要因素有哪些? 吹塑法生产薄膜有何优缺点? 21.为减轻冷却负荷和提高生产效率,吹塑过程中尤其应注意哪些工艺因素?为什么? 参考书 《塑料挤出成型》(第1 版),刘瑞霞主编,化学工业出版社,2005年。 《塑料制品挤出成型实例》(第1版),张玉龙主编,机械工业出版社,2005 《挤出成型》张丽叶,化学工业出版社,2002.9。 《塑料挤出成型模具设计》,马金骏,轻工出版社,1993.3。 打包带是较厚的拉伸带,可代替纸带、钢带、草绳等作打包用。打包带宽10.16毫米,厚0.3~0.8毫米 (1)打包带 (2)扁丝 (4)捆扎绳 (5)条藤缠绕 (6)气垫膜 90-100 35-45 65-75 60-70 下辊 80-90 65-75 75-85 80-90 中辊 80-85 45-55 85-95 70-80 上辊 ABS 聚丙烯 低密度聚乙烯 硬聚氯乙烯 辊筒 三辊压光机温度 5、吹膜主要设备: ①挤出机:单螺杆,F45~150 mm,管膜直径约为100~300 mm。 ②机头和口模:常见为芯棒式直角机头,其它有螺旋式、莲花瓣式、中心进料式等机头 ③冷却装置:常见为外冷法(普通风环、负压风环、水冷及内冷法(空气冷、水冷) ④人字板:一般用木材或铝材制作,夹角为50°。 ⑤牵引装置:由一对牵引辊组成。 ⑥卷取装置:一般采用表面卷取法。 5.6.3吹塑薄膜的挤出成型 5.6.3吹塑薄膜的挤出成型 5.6.3吹塑薄膜的挤出成型 5.6.3吹塑薄膜的挤出成型 5.6.3吹塑薄膜的挤出成型 5.6.3吹塑薄膜的挤出成型 5.6.3吹塑薄膜的挤出成型 (2)冷却装置 内冷、外冷: 风环、水环 膜管直径增大,间隙减小,空气流速降低,鼓风机的背压增大,风量减少,吹出的空气流速下降,真空度变小,管膜就自动恢复原状。 清理口模 降低挤出温度 口模不洁净 发生降解 6、薄膜中出现痕迹 降低料温 树脂发生降解 5、鱼眼泡 降低料温 树脂发生降解 4、薄膜变色 降低挤出温度 增加吹胀比 减慢冷却 熔体温度偏高 定向作用不够 冷却太快 3、薄膜撕裂强度偏低 调整牵伸比与吹胀比 横直两向的定向作用不平衡 2、单向强度偏低 提高挤出温度 提高吹胀比(4:1) 加快冷却速度 熔体温度偏低 吹胀比过小 冷却太慢 1、光学性能差 吹塑薄膜的反常现象、原因及其消除方法 吹塑薄膜的反常现象、原因及其消除方法 增强冷却效果 适当增加润滑剂用量 冷却不够 润滑剂用量不够 10、薄膜两层间发粘 降低料温 调整温度使其均匀 薄膜厚度不均 口模各部温度不均 9、薄膜发皱 放慢挤出速度和严格控制温度 检查供气系统有无漏气或障碍,并作适当处理 设法使外在空气流稳定 料流出现脉动 压缩空气压力不稳定 外面空气流不稳定 8、厚度与宽度发生波动(管泡不稳定) 调整口模缝隙宽度 调整模口各点的温度 调整冷却风环的位置 口模出料不均 7、薄膜厚度不均 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 5.6.4.双向拉伸薄膜的平挤 5.6.4.双向拉伸薄膜的平挤 5.6.1管材的挤出成型 公差要求:外径带公差用外定径,内径带公差用内定径。可同时内外定径 真空定径示意图 浸浴式冷却水槽 1-进水管 2-排水管 3-轮子 4-隔板 5-槽体 6-支架 7-螺丝撑杆 喷淋式冷却水槽 1-喷水头 2-导轮 3-支架 4-轮子 5-导轮调整机构 6-手轮7-箱体8-箱盖 履带的排列 a-六条履带 b-二条履带 c-三条履带 1-履带 2-塑料管材 气动双履带牵引机 手动双履带牵引机 5.6.1管材的挤出成型 5.6.1管材的挤出成型 外壁光泽不良 故障分析及排除方法: 口模温度太低。应适当提高。定径套冷却水流量太大。应适当减小。 表面水纹 故障分析及排除方法: 口模温度太高。应适当降低。 冷却太快,管材的挤出速度不稳定。应适当控制冷却水的流量。 表面云纹 故障分析及排除方法: 原料混合不均匀。应在混合过程中加强搅拌。 多孔过滤板处温度太高。应适当降低。 内外壁产生气泡 故障分析及排除方法: 原料潮湿,水分易挥发物含量太高。应进行预干燥处理。 挤出温度太高,熔料过热分解。应适当降低挤出温度。 三、管材挤出成型常见故障的排查 三、管材挤出成型常见故障的排查 内壁产生裂纹 故障分析及排除方法: (1)原料内混入杂质,裂纹产生在杂质部位。应净化原料。 (2)模芯温度太低。应适当提高。 (3)出料不均匀。应适当调整口模缝隙,保证出料均匀。 内壁产生光亮的白道 故障分析及排除方法: 原料内有杂质。应检查筛料网是否破损。 料筒温度太,模头温度偏低,稳定剂析出等。应适当降低料筒温度,提高模头温度。 管子旋转 故障分析及排除方法: 口模处出料速度不一致。应适当调整口模间隙,使口模出料均匀。特别是小口径管材最容易产生这种故障。 模头温度加热不均匀。硬调整均匀。 三、管材挤出成型常见故障的排查 管子弯曲 故障分析及排除方法: 管壁厚薄不均。应适当调整口模间隙,使口模均匀。 冷却太慢。应加大冷却水流量,提高冷却效率。 冷却水槽安放不正。应调整水槽位置,是水槽与机身对正平行。 管壁厚薄不均 故障分析及排除方法: 芯模与口模的定位不同心,出料快慢不一致。应调节芯模与口模的同心度,使其定位同心。 牵引速度不正常。应适当调整。 机头加热不均匀。应检查机头加热器有无损坏,将机头温度调节均匀。 外径不稳定 故障分析及排除方法: 压缩空气控制不正常,气压不稳定。应检修供气系统。 牵引速度不均匀。应检查牵引装置,使牵引平稳,不能产生牵引打滑现象。这种故障常见于大口径管材。 表面褐色条纹 故障分析及排除方法: 管材表面出现轴向等距离褐色条纹,有明显的色差,产生的主要原因是多孔过滤板处 温度太高或未清理干净。应采取降温及清洁处理; 原料内的炭黑混合不均匀,应加强炭黑的过筛及混合。 聚乙烯挤出管材成型常见故障的排查 表面冷斑 故障分析及排除方法: 管材外表面毛糙。产生冷料斑点的主要原因是口模温度太低及冷却固化太快,应适当提高口模温度及减少冷却定型环的供水量。 光亮凸块 故障分析及排除方法: 管壁外表面产生光亮透明凸块(俗称“眼睛”)的主要原因为口模温度太高或冷却不足应适当降低模头温度及增加冷却定型环的供水量。 表面凹陷 故障分析及排除方法: 如果管材内壁有凹坑,主要是由于原料潮湿,应进行预干燥处理。若管材外壁有凹痕,主要是原料内混有杂质,应清洁原料或换用新料。 螺纹状条纹 故障分析及排除方法: 如果管材内局部产生螺纹状条纹,主要是由于模头局部温度太高,应适当降低。若管材内壁全部产生螺纹状条纹,主要是由于压缩空气流量太小,应适当加大供气量。 聚乙烯挤出管材成型常见故障的排查 外壁凸环 故障分析及排除方法: 管壁上隆起一圈圈凸环或牵引不出,主要是由于机头设计不合理或冷固化太快。应考虑重新设计及机头及减少冷却定型环的供水量。 拉破或拉断 故障分析及排除方法: 如果牵引过程中,管壁上产生小洞,主要是由于冷却定型环的供水太少。应适当增加供水量。 若管壁上拉出大洞,主要是由于压缩空气供气量太大。应合理调节压缩空气供给量。 若牵引太快,管材容易拉断。应合理控制牵引速度。 椭圆及弯曲 故障分析及排除方法: 口模与芯模中心位置不正。应调整相互间的同心度。 机头周围温度不均。检查机头加热其是否损坏,并将温度调节均匀。 冷却水利口模太紧。应适当调整定型环的位置。 冷却定型环供水太多。应减少供水量。 四、板材及片材生产工艺 塑料板材挤出生产工艺流程图 5.6.2 板材(片材)的挤出成型 5.6.2 板材(片材)的挤出成型 5.6.2 板材(片材)的挤出成型 205-215 200-210 190-200 165-170 175-180 机头5 200-210 200-210 180-190 160-165 170-175 机头4 190-200 190-200 170-180 145-155 155-165 机头3 200-210 200-210 180-190 160-165 170-175 机头2 201-215 200-210 190-200 165-170 175-180 机头1 180-190 180-200 160-170 140-150 150-160 连接器 185-200 200-205 180-190 150-160 160-180 机身4 180-195 190-200 170-180 145-155 150-160 机身3 160-180 180-190 160-170 135-145 130-140 机身2 150-170 160-170 150-160 100-120 120-130 机身 1 ABS 聚丙烯 低密度聚乙烯 软聚氯乙烯 硬聚氯乙烯 温度 1.全啮合同向双螺杆挤出机 螺棱和螺槽的速度方向相反,相对速度比反向旋转的大,因此,对啮合区的物料的剪切速度、剪切力也大,混合效果比反向旋转的双螺杆好。 一根螺杆要把物料拉入啮合间隙,而另一根螺杆把物料从间隙中推出,结果使物料从一根螺杆转到另一根螺杆,呈 形前进,料流方向改变,有助于物料的混合和均化。 同向旋转剪切示意图 反向旋转双螺杆在啮合处螺棱和螺槽的速度方向相同,但存在速度差,因此,被螺纹带入啮合间隙的物料将受到螺棱和螺槽间的剪切和研磨,使物料得到混合和混炼。 2.封闭式全啮合异向向外旋转双螺杆挤出机 用途:用于PVC成型加工 输送机理:当双螺杆为封闭式全啮合时,物料进入挤出机后,被两根螺杆分成与螺距相等的密闭C型室,物料在C型室中,受到啮合螺棱旋转的推力,沿螺槽呈螺旋形向前运动。螺杆旋转一周,物料沿轴向运动一个导程,所以在异向旋转双螺杆中,物料是以正位移原理向前强制输送,与螺杆与物料的摩擦系数无关,因此输送效率是极高的。 理论生产率: QMAX= 2.I.N.V 式中:I是平行螺纹数,N为螺杆转速,V是C型室的体积 反向旋转剪切示意图 螺棱和螺槽的速度方向相反,相对速度比同向旋转的小,因此,对啮合区的物料的剪切速度、剪切力也小,混合效果比同向旋转的双螺杆差一些。 ?压延效应 在异向旋转双螺杆输送过程中,物料在双螺杆的间隙中受到挤压而产生使螺杆分离的反压力,使螺杆变形,这样加速螺杆和机筒的磨损。螺杆转速越大,压延效应就越大,这就限制了螺杆的转速,向内异向的压延效应比反外异向的压延效应大,因此向内异向很少采用,向外异向双螺杆的一般转速为8~50转/分范围 ?具有自洁性 由于双螺杆的相互,使一个螺杆的螺棱自动清理另一根螺杆的螺槽,这些自洁性对于加工热稳定性差的塑料(如PVC)是极为有利的,它可以防止物料在螺杆中停留时间长而发生热分解,这也就是在PVC加工中广泛使用双螺杆挤出机的原因。 挤出量波动 物料在异向双螺杆中被分成C型小室,在机头处随着二螺杆的啮合过程,一个C型室的物料被挤出,过渡到另一个C型室物料的挤出之间,挤出量会下降。如是全啮合不存在间隙,则挤出量瞬时会下降到零,但实际上两螺杆之间存在四种间隙(螺棱间隙、径向间隙、侧面间隙和四面体间隙),因此,挤出量不会变为零而是作有规律地波动。但总的来说,双螺杆挤出量是非常稳定的 干燥物料 正常生产 加热挤出机 保温 检查机头连接 低速启动 加入少量物料 调到工作速度 牵引 切割 挤出机 1 机头 机头和口模常连为一体,通称机头,包括过滤网、多孔板(筛板)、分流梭(有时与模芯结合为一个部件)、模芯、口模等 。 主要作用: ①?? 使物料由螺旋运动变为直线运动。流道应呈流线型,不能急剧扩大和缩小,避免死角和滞留,机头型腔达▽8以上,表面光滑。 ②?? 产生必要的成型压力,确保产品密实。消除因分流器支架造成的拼接缝。 ③?? 使物料通过机头进一步塑化。 ④ 成型制品。 因此,机头要有一定的压缩比。由于机头和制品断面形状有差异,机头应当有一定的成型长度。 5.6.1管材的挤出成型 5.6.1管材的挤出成型 5.6.1管材的挤出成型 b.口模内径、芯棒外径 根据经验,对PVC,口模内径比管子外径大5%,对HDPE,口模内径比管子外径大10%。 c.压缩比与拉伸比 压缩比是分流梭环形通道面积与口模通道面积之比。 根据经验,压缩比取5~12,小管径取大一些,大管径取小一些。 拉伸比是指口模与芯模在稳流定型区的环隙截面积与管材环状截面积的比值。 拉伸比反映:管材从高温型坯到冷却定型之后的截面变形程度(牵引作用的结果),以及在纵向可能获得的取向程度和拉伸强度。 扩张角α不宜过大,过大料流阻力增加,会停止流动发生分解。过小不利于料层快速形成薄层,对加热不利。 α≤60°最大≤90° 5.6.1管材的挤出成型 合流痕 5.6.1管材的挤出成型 5.6.1管材的挤出成型 5.6.1管材的挤出成型 D:螺杆外径;δ:料筒与螺杆间隙 ;N:转速;e:螺纹轴向宽度;h3:均化段螺槽深度;θb:螺旋角;μ:粘度( μ1 、μ2近似相等);△P:压力降;P:机头压力;L3:均化段长度 2.公式讨论 (2)Qm~N的关系: (3)Qm~δ的关系: (4)Qm~L3、h3的关系: Qm P 3).挤出机工作曲线).挤出机工作曲线)螺杆参数和生产率的关系 4)螺杆参数和生产率的关系 4)螺杆参数和生产率的关系 5)螺杆参数和生产率的关系 6)转速和生产率的关系 7)料温和生产率的关系 温度的变化直接影响物料的粘度,实际上温度的变化相当于影响均化段的长度。 优点: a.摩擦产生热量少 b.塑料所受剪切力均匀 c.螺杆输送能力 d.挤出量稳定 e.料筒自洁 缺点: 结构复杂 投资大 维修保养繁琐。 5.3 .1 双螺杆挤出机双螺杆挤出机的结构 双螺杆挤出机是在一个“∞”字形机筒内,由两根互相啮合的螺杆所组成。螺杆可以是整体或组装,同向或异向回转,平行或锥形的。 当螺杆同向旋转时,物料基本上不能由该螺槽继续进入到邻近的螺槽中去,而只能被迫地由一根螺杆的螺槽流到另一螺杆的螺槽中去。由于螺杆继续转动而反复强迫物料转向的结果,而使物料受到较好的剪切混合效果。这种螺杆具有很好的自洁作用,一般用于混料造粒。 异向旋转时,由于两根螺杆的旋转方向不同,故不能形成“∞”运动。物料通过两根螺杆之间的间隙时,犹如物料通过两辊的辊隙,所受的剪切、搅拌作用极强烈。因剪切作用强烈,物料塑化好,多用于加工制品,适用于PVC制品。 双螺杆挤出机的类型 1.按双螺杆旋转方向分: 同向旋转 异向旋转(异向向内,异向向外) 2. 按双螺杆相对位置分: 全啮合( R+ r = A ) 非啮合( A≥2R ) 部分啮合( R+ r A 2R ) 目前,挤出机主要采用全啮合异向向外旋转双螺杆挤出机和全啮合同向旋转双螺杆挤出机两种类型。前者PVC的成型加工,后者用于聚合物的共混改性。 3.按螺杆形状分 圆柱形(平行) 锥形 带螺纹的锥体 球体-流线型锥体 扇形体 球体 锥体 国内表示法: ?SJ—30X25BSJ —表示挤出机;30:表示螺杆直径;25:表示螺杆长径比;B:表示机器结构或参数改进后标志。 ?SJW—250X10 螺杆直径250mm长径比为10的塑料挤出喂料机。 ?SJZ —90 表示螺杆直径90mm长径比为20的塑料挤出造粒机。 5.2.1 螺杆挤出机 移动角φ Db:料筒内径;t:螺纹的导程;L1:固体输送段的轴向长度;fs:塑料与螺杆的摩擦系数;fb:塑料与料筒的摩擦系数;P1输送段进口压力;P2输送段出口压力;θS:螺杆根部的螺旋角;θb:螺杆顶部的螺旋角;θa:平均螺旋角;H1:加料段螺槽深度。 Qs↑ θb=0,物料在螺杆中打滑,不能输送; θb=900,输送率Qs最大; 一般移动角0θ900, 增大θ,可以明显提高Qs 6. 压力 要保证P1的稳定性。 P1 ↑ φ ↑ Q s ↑ 二.熔融理论 2.公式推导 即: d(HX)/ dz = - ω/ (ρs ·Vsz)(9)式 a.渐变型螺杆的固体床分布函数 H=H1-AZ(10)式 将(10)式与ω =φX1/2代入(9)式并整理得: G:质量流量 ;ψ:无因次数群,熔化系数。 熔化长度: ZT= (2–A/ψ)H1/ψ (14)式 如果熔化是在Z=0处开始,则X1=W。 渐变螺杆和等深螺杆的固体床分布分包为: 当外界条件一样时, ψ一样时,比较(16)(14)式,发现渐变型螺槽熔化长度比等深螺槽短一些。 * 塑料工艺 * 塑料工艺 Extrusion Molding 第五章 挤出成型 挤出成型的制品 (products) 挤出成型的制品(products) 4. 几种典型制品的生产线(production line) 5. 挤出成型的主要特点 ①??? 设备成本低,投资少收效快。 ②??? 生产效率高,挤出机单机产量较高。 ③??? 可连续化生产,可一机多用。 ④??? 产品质量均匀、密实,而且能生产较复杂的产品(异型材)。 6. 挤出成型的分类 连续式和间歇式 间歇式采用柱塞式挤出机(压力大),用于聚四氟乙烯等 连续式可采用单螺杆挤出机和双螺杆挤出机 5.1 概述(summarize) 5.2 挤出设备Extrusion Machinery 一台挤出设备通常由主机(挤出机Extruder)、机头和口模、辅机及其控制系统组成。通常这些组成部分统称为挤出机组。 是挤出成型过程中的关键设备,它的规格及工艺控制直接影响挤出过程的产量的质量。 由挤压系统、传动系统、加料装置和加热系统四部分组成。 5.2.1 单螺杆挤出机(single-screw extruder) 群控示意图 5.2.1 单螺杆挤出机——螺杆(screw) 螺杆直径与加工制品的范围 螺杆直径(mm) 硬管直径(mm) 吹膜直径(mm) 挤板宽度(mm) Φ30 3~30 50~300 Φ45 0~45 100~500 Φ65 20~65 400~900 400~800 Φ90 30~120 700~1200 700~1200 Φ120 50~180 ~2000 1000~1400 Φ150 80~300 ~3000 1200~2500 Φ200 120~400 ~4000 5.2.1 单螺杆挤出机——螺杆(screw) b.螺杆长径比L/D 工作长度与螺杆直径之比,它也是挤出机规格参数之一。 对于加工不同制品,L/D选择也不同。粉料造粒,L/D 大些;废料造粒,L/D小些;吹模成型,L/D大些。一般长径比为15~25,发展趋势大的长径比。 增加L/D的作用: ①?? 螺杆加压充分,制品的物理力学性能可提高。 ②?? 由于物料塑化好,制品的外观质量也好。在转速一定下,L/D↑,物料在螺杆中运动时间↑,物料塑化和混合效率↑ ③?? 挤出量可提高20-40%,且挤出量也较稳定。 L/D↑,可以相应提高转速,生产能力↑ ④?? 有利于粉料成型。 但对于一些热敏性材料(如PVC)受热时间过长产生分解,而且L/D↑,功耗N↑,加工制造困难,螺杆寿命↓。 5.2.1 单螺杆挤出机——螺杆(screw) 690(250 ℃) 690(220 ℃) 505(220 ℃) 0.22 0.43-0.51 0.16 170 135 135 1.77 1.78 1.78 0.90 0.96 1.05 0.51 0.54 0.59 PP HDPE PS 达到“标准”的挤出温度所需热量 kJ/kg 导热系数 w./m.T 熔点 ℃ 物理压缩比 密度 g/cm3 松密度 g/cm3 塑料 长度 加料段 压缩段 均化段 无定形塑料 10-25% 50-65% 20-25% 结晶性塑料 50-65% 0-15% 25-30% 表4 螺杆的三段长度表 5.2.1 单螺杆挤出机——螺杆(screw) 螺纹导程T、螺距s、螺纹头数i和螺旋角θ 导程:螺杆旋转一周,螺棱上任意一点沿轴向前进的距离为导程。 螺距:螺杆相邻两螺棱间的距离。 螺纹头数:螺杆头或尾螺棱的个数。 螺旋角:螺棱与螺杆横截面之间的夹角,它们之间的关系: e.螺杆的头部结构 螺杆的头部结构也非常重要,半园头、锥头应用较广,螺杆前需装过虑板,常用于PE、PP、软质PVC等。尖头主要适用于硬质PVC,以防止

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