第二节挤出过程和挤出理论.ppt

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1、第二节 挤出过程和挤出理论,一、 挤出机的工作过程 塑料之所以能进行成型加工，是由其内在依据所决定的。由高分子物理学得知，高聚物一般存在着玻璃态、高弹态和粘流态三种物理状态，在一定条件下，这三种物理状态将发生相互转化。塑料的成型加工（压制、压延、挤出、注射等）是在粘流态下进行的。,（一）挤出过程,塑料由料斗进入料筒后，随着螺杆的旋转而被逐渐推向机头方向。 1、加料段-输送并开始压实物料 螺槽为松散的固体粒子（或粉末）所充满，胶料开始被压实。 2、压缩段 1)由于阻力,物料被压实 由于螺槽逐渐变浅，以及滤网、分流板和机头的阻力，在塑料中形成了很高的压力，把物料压得很密实。,2)外热、内热的作用，

2、物料熔融 同时，在料筒外热和螺杆、料筒对物料的混合、剪切作用所产生的内摩擦热的作用下，塑料的温度逐渐升高。对于常规三段全螺纹螺杆来说，大约在压缩段的三分之一处，与料筒壁相接触的某一点的塑料温度达到粘流温度，开始熔融。,3）物料全部熔融，变为粘流态 随着物料的向前输送，熔融的物料量逐渐增多。而未熔融的物料量逐渐减少，大约在压缩段的结束处，全部物料熔融而转变为粘流态，但这时各点的温度尚不很均匀。,3、均化段-均化、挤出 经过均化段的均化作用就比较均匀了，最后螺杆将熔融物料定量、定压、定温地挤入机头 4、机头-成型、定型 口模是个成型部件，物料通过它便获得一定截面的几何形状和尺寸。再经过冷却定型和其

3、它工序，就得到成型好的制品。,描写这一过程的参量有温度、压力、流率（或挤出量、产量）和能量（或功率）。有时也用物料的粘度，因其不易直接测得，而且它与温度有关，故一般不用它来讨论挤出过程。,（二）参变量,温度是挤出过程得以进行的重要条件之一。如前所述，物料从加入料斗到最后成型为制品是经历了一个复杂的温度过程的。 （如果我们以物料沿料筒方向的位移为横坐 标。而以温度为纵坐标，将沿料筒方向测 得的各点的物料温度值连成曲线，就会得 到所谓温度轮廓曲线，如图）,1、温度,由图可见， 该曲线有一定的变化规律。实验告诉我们， 加工不同物 料和不同制品，这条轮廓曲线 是不相同的。,1）热量来源 根据挤出理论和

4、实践，物料在挤出过程中热量的来源主要有两个： a.物料与物料之间；物料与螺杆、料筒之间的剪切、摩擦产生的热量， b.料筒外部加热器提供的热量。,2）温度的调节 温度的调节是靠挤出机的加热冷却系统和控制系统进行的。一般说来， a.加料段-低温输送。 为加大输送能力，不希望加料段温度升得过高，相反有时要冷却；,b.压缩段和计量段高温熔融。 为了促使物料熔融，均化，物料要升到较高的温度。 c.橡胶挤出机则不一样。 为了便于物料的容易加入、输送、熔融、均化以及在低温下挤出，获得高质量、高产量的制品，每一种物料的挤出过程应有一条合适的温度轮廓曲线。,应当指出，物料的温度轮廓曲线、料筒的温度轮廓曲线和螺杆

5、的温度轮廓曲线是不相同的。一般情况下我们测得的温度轮廓线是料筒的，而不是物料的。物料的温度测量较难，由上图可见，其温度轮廓线有一个变化的幅度。螺杆的温度轮廓线较料筒的温度轮廓线为低，而较物料温度轮廓线为高。 应当指出，料筒和螺杆的设计对挤出过程的热量的产生有很大影响。,3）温度波动 上图所示的温度轮廓线只是稳定挤出过程温度的宏观表示。如果深入研究每一温度测示点的温度，就会发现，即使在稳定的挤出过程中，其温度相对于时间也是一个变化的值，而且这种变化往往具有一定的周期性。,A、 MD方向的温度不均匀性（轴向温度波动） 沿物料流动方向温度的波动情况，我们称之为物料流动方向的温度波动（一般文献上记作M

6、D方向的温度不均匀性）。波动情况因测试点不同会有不同。有的波动达10左右。,B、 TD方向的温度不均匀性（径向温差） 我们还会发现，垂直于物料流动方向的截面内的各点之间的温度有时也不一致，我们称之为径向温差（一般文献中记作TD方向的温度不均匀性）。有的螺杆其头部的径向温差竟达10以上。,C、对挤出质量的影响-精密制品用精确温度控制 当然，我们往往只是对在机头处或螺杆头部测得的这种温度变化感兴趣，因为它们直接影响挤出质量。 这种MD方向的温度波动和TD方向的温差，给制品质量带来非常不良的后果: 制品产生残余应力 各点强度不均匀 表面灰暗无光泽等。,努力的方向应当是尽可能减少或消除这种波动和温差。

7、 产生这种波动和温差的原因很多，如加热冷却系统不稳定，螺杆转数的变化等，但以螺杆设计的好坏影响最大。,2、压力,1）压力的建立 挤出成型时，沿料筒轴线方向，在物料内部就要建立起不同的压力 a.压缩比的存在（螺槽深度的改变、料筒上的沟槽深度变化、螺距的改变）,b.分流板、滤网和口模产生的阻力， c.压力的建立是挤出成型制品的重要条件 压力的建立也是物料得以经历物理状态变化、得到均匀密实的熔体、并最后得到成型制品的重要条件之一。,2）影响压力的因素 如果将沿料筒轴线 方向（包括口模） 测得的各点的物料 压力值作为纵座标， 以料筒轴线为横座 标做一曲线，即可 得到所谓压力轮廓 线，如右图所示。,影响

8、各点压力数值和压力轮廓曲线形状的因素很多： a.机头、分流板、滤网的阻力， b.加热冷却系统， c.螺杆转数， d.螺杆和料筒的结构。,图中为常规三段螺杆和料筒加料段内壁不开沟槽的挤压系统的压力轮廓曲线，压力峰值位于计量段开始处（或其前后），研究挤出过程的压力轮廓曲线对挤出过程的了解和改进螺杆、料筒的设计有着重要的意义。,3）压力波动对制品的影响 若深入研究每一压力测示点的压力,也会发现，压力随着时间发生周期性的波动，这种波动对制品的质量同样有不利 影响。螺杆、料筒的设计、螺杆转数的 变化、加热冷却系统的不稳定性都是产 生压力波动的原因。努力的方向应当是 减少、消除这种波动。,3、流率（挤出量

9、）,流率是描写挤出过程的一个重要参量。它的大小表征着机器生产率的高低。 1）绝对流率（流量，产量） 用Q表示，为每小时公斤。 2）比流率 用每转的流率 Q/n表示。后者更能反映挤压 系统性能，应当作为比较挤压系统性能的标准。,3）影响流率的因素 影响流率的因素很多,如 a.机头的阻力 b.螺杆、料筒的设计 c.螺杆转数 d.加热冷却系统 e.物料的性质等。 图37为在机头压力不变时，流率和螺杆转数的关系，它常用来研究挤出机的性能。,4）流率的波动 研究发现，流率也有波动不言而喻，它与 a.螺杆转速的稳定与否 b.螺杆设计的好坏 c.温控系统的性能 d.加料情况等都有关系。,流率的波动对产品质量

10、有显著的不良影响，如造成挤出速度不均匀，而影响制品的几何形状和尺寸。 研究表明，温度波动，压力波动、流率波动都是挤出过程的反映，它们不是孤立的，而是互相制约、互相影响的，对于高质量的挤出，希望有尽可能小的流率波动、温度波动、压力波动。这些波动也是评价挤出质量、挤压系统好坏的标准之一。,4、能量（功率）,1）能量平衡 若从能量的观点来观察挤出过程，就有一 个能量平衡问题。 为了使加入的物料熔融呈粘流态，必须供给热能；为使物料压实并得以成型，物料必须具有一定的压力，即必须供给压力能。,热能和压力能是由加热器的电能和驱动螺杆的机械能转化而来。这些能量的一部分为熔融物料、成型制品所利用。其余部分作为热

11、损失而损失掉。,其能量平衡方程式如下:,机械能+热能=熔融热能+压力能+热量损失 式中 Z-单位时间内由螺杆输入的机械能， HJ-由外部加热器输入的热能。 右端第一项-物料由固态变为熔融状态 所需之能量， 右端第二项-物料在挤出过程中所获得的压力能。 H-热量损失,Z+HJ=Qv(T2-T0)CvJ+QvP+H,由于该式中各项所包含的物理量有的难以直 接测出，以及挤出过程情况多变。故目前尚 难以直接用此式进行定量计算，但是可以定 性地分析挤出过程的能量关系。,2）比功率消耗 现在经常用比功率 消耗这一指标作为 评价挤出机性能的 标准之一，它的含 义是每挤出一公斤 物料（制品）所消耗的功率。它也

12、是挤出过程的重要度量之一。,在保证塑化质量和混炼质量的前提下，希望该值越小越好。 按照能量平衡的观点，比功率消耗应当为单位时间内总的能量消耗与总的挤出量之比。但不少资料中却只用螺杆驱动电机所消耗的功率和挤出量进行比较而得出该值，虽然从相对意义上讲也能说明一定问题，但它不考虑加热功率显然是不确切的。,二、螺杆的基本参数：,Db 机筒内径 Ds 螺杆外径（当忽略间隙时， 取Ds= Db ） Ds 螺杆的螺纹根部直径 D - 螺纹任意处的直径 H 螺纹根部至机筒内表面的距离 f 螺杆螺纹顶部至机筒内表面的间隙 l 螺纹升程（或称导程），即沿螺杆螺纹转动一周的轴向距离 S 螺纹轴向距离（螺距）,LDs

13、一螺杆的长径比 L 螺杆的长度（螺杆的有效工作长度） P 一-螺纹头数i B 螺纹槽的轴向宽度 Bb机筒内表面处螺纹槽的轴向宽度 Bs螺杆螺纹槽根处的轴向宽度,B(r)螺杆螺纹槽在任意半径处的轴向宽度 W(r)- 垂直于螺棱的任意半径处的螺槽宽度 Wb机筒内表面处垂直于螺棱的螺槽宽度 Ws螺杆根径处垂直于螺棱的螺槽宽度 e(r)螺棱任意处的轴向宽度,eb机筒内表面处的螺棱轴向宽度 es螺杆根径处的螺棱轴向宽度e 螺纹顶处螺棱的法向宽度 e 螺纹顶处螺棱的轴向宽(r)任意半径处的螺纹升角（或称螺纹导角）,注：上述符号中，脚标“（r）”为机筒内表面至螺杆根部间的可变参数；脚标“b”表示在机筒内表面

14、的有关参数；脚标“S”表根径处的有关参数。,b机简内表面处的螺纹升角 s螺杆根径处的螺纹升角,三、物料在螺杆中的流动理论,前面我们扼要地分析了挤出过程。应当指出，这一过程看起来简单，实际上是很复杂的，以致挤出机已出现多年，尽管各国都做了大量的实验研究工作。取得了很大进展，并从不同角度提出了多种描述挤出过程的理论，但到目前为止，还没有形成一种完整的令人满意的解释整个挤出过程并指导挤出机设计和操作实践的理论。这就是说，人们还没有完全认识挤出过程。关于挤出过程的理论正在发展中。,目前常用的关于挤出过程的理论，是在常规全螺纹螺杆中建立起来的。 根据实验研究，物料自料斗加人到由机头中挤出，要通过几个职能

15、区：固体输送区、熔融区和熔体输送区。 1、 固体输送区，通常限定在自加料斗开始算起的几个螺距中。在该区，物料向前输送并被压实，但仍以固体状存在；,2、熔融区，在该区，物料开始熔融，已熔的物料和未熔的物料以两相的形式共存，未熔物料最终全部转变为熔体； 3、熔体输送区，在该区，螺槽全部为熔体充满，它一般限定在螺杆的最后几圈螺纹中。,这几个区不一定完全和前面介绍过的螺杆的加料段压缩段、均化段相一致。目前应用最广的挤出理论，就是分别在以上三个职能区中建立起来的，它们分别是：固体输送理论，熔融理论，熔体输送理论（亦叫计量段流体理论）。下面我们将分别介绍这几种理论。,（一）固体输送理论,目前关于固体输送区

16、的理论有几种，下面将重点介绍较有代表性的达涅耳（Darnel）和莫耳（Mol）于1956年提出的根据固体对固体摩擦的静力平衡为基础建立起来的固体输送理论。,1、基本假设： 1）、螺槽中被压实的物料象具有弹性的固体塞于一样移动： 2）、塞子与所有面（料筒表面、螺纹槽底面、螺纹两个侧面）相接触； 3）、塞子与各表面的摩擦系数是一个常数，但在螺杆和料筒表面可以取不同值；,4）、忽略料筒和螺纹棱之间的间隙； 5）、螺槽是矩形的，并且其深度不变： 6）、固体塞子的密度不变。 在做了以上假定之后，我们来研究固体输送区物料的输送。,2、Darnel-Mol理论基本方程：,1）、 固体的流率Q的计算 如图所示，在固体塞子上取一个微单元。假定螺杆不动，料筒以Vb=dn的速度移动。固体塞子沿螺槽移动的速度用Vp表示，固体塞子沿螺杆轴线方向的移动速度用Vpl表示。则固体的流率Qs可以用速度Vpl和固体塞子通过垂直于螺杆轴线的平面上的螺槽横截面积的乘积来表示：,Qs=VA,其中,同时，将平均槽宽,带入,可得,以上公式就是体积流率Qs的计算公式。,