挤出过程和挤出理论 一、一、 挤出机的工作过程挤出机的工作过程 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，高聚物一般所决定的。由高分子物理学得知，高聚物一般存在着存在着玻璃态、高弹态玻璃态、高弹态和和粘流态粘流态三种物理状态，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在一定条件下，这三种物理状态将发生相互转化。而塑料的成型加工（化。而塑料的成型加工（压制、压延、挤出、压制、压延、挤出、注射注射等）是在等）是在粘流态粘流态下进行的。下进行的。 2 2（一）挤出过程（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 1、加料段、加料段-输送并开始压实物料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 2、压缩段、压缩段1)由于阻力由于阻力, ,物料被压实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，把物料压压得得很密实。很密实。3 32)外热、内热的作用，物料熔融外热、内热的作用，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，塑料的温温度度逐逐渐渐升升高高。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，开始熔融开始熔融。4 43 3）物料全部熔融，）物料全部熔融，变为变为粘流粘流态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。5 53 3、均化段均化段-均化、挤出均化、挤出经过均化段的均化作用均化作用就比较均匀了，最后螺杆将熔融物料定量、定压、定温地挤入机头挤入机头 4、机头机头-成型、定型成型、定型口模是个成成型型部件，物料通过它便获得一定截面的几何形状和尺寸。再经过冷冷却却定定型型和其它工序，就得到成型好的制品。6 6 描写这一过程的参量有温温度度、压压力力、流流率率（或挤出量、产量）和能能量量（或功率）。有时也用物料的粘粘度度，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（二）参变量 7 7 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 1、温度、温度8 89 9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。10101 1）热量来源）热量来源 根据挤出理论和实践，物料在挤出过程中热量的来源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。 11112 2）温度的调节）温度的调节温度的调节是靠靠挤挤出出机机的的加加热热冷冷却却系系统和控制系统进行的统和控制系统进行的。一般说来，a.a.加料段加料段-低温输送。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；1212b.b.压缩段和计量段压缩段和计量段高温熔融。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。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。1313应当指出，物料的温度轮廓曲线、料筒的温度物料的温度轮廓曲线、料筒的温度轮廓曲线和螺杆的温度轮廓曲线是不相同的轮廓曲线和螺杆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料筒和螺杆的设计对挤出过程的热量的产生有很大影响量的产生有很大影响。 14143 3）温度波动）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，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而且这种变化往往具有一定的周期性。 1515A A、 MDMD方方向向的的温温度度不不均均匀匀性性（轴轴向向温温度度波动）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物料流动方向的温度波动（一般文献上记作MD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。 1616 B B、 TDTD方向的温度不均匀性（径向温差）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，我们称之为径径向向温温差差（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。 1717C C、对对挤挤出出质质量量的的影影响响-精精密密制制品品用用精精确温度控制确温度控制 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。 18181)1)制品产生残余应力制品产生残余应力2)2) 各点强度不均匀各点强度不均匀 3)3)表面灰暗无光泽表面灰暗无光泽等。等。1919 努努力力的的方方向向应当是尽可能减少或消除这种温差。 产生这种温差的原因很多，如加加热热冷冷却却系系统统不不稳稳定定，螺螺杆杆转转数数的的变变化化等，但以螺杆设计的好坏影响最大。20202 2、压力、压力1 1）压力的建立）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.a.压压缩缩比比的的存存在在（螺螺槽槽深深度度的的改改变变、料料筒上的沟槽深度变化、螺距的改变筒上的沟槽深度变化、螺距的改变）2121b.b.分流板、滤网和口模产生的阻力分流板、滤网和口模产生的阻力，c.c.压力的建立是挤出成型制品的重要条件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。 22222 2）影响压力的因素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。2323影响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，机头、分流板、滤网的阻力，b.b.加热冷却系统，加热冷却系统，c.c.螺杆转数，螺杆转数，d.d.螺杆和料筒的结构螺杆和料筒的结构。 2424 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。25253 3）压力波动对制品的影响）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。2626 3 3、流率（挤出量）、流率（挤出量）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 1）绝对流率）绝对流率（流量，产量） 用Q表示，为每小时公斤。2 2）比流率）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。 27273 3）影响流率的因素）影响流率的因素影响流率的因素很多,如 a. a.机头的阻力机头的阻力 b. b.螺杆、料筒的设计螺杆、料筒的设计 c. c.螺杆转数螺杆转数 d. d.加热冷却系统加热冷却系统 e. e.物料的性质等。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。282829294 4）流率的波动）流率的波动 研究发现，流率也有波动不言而喻，它与a.a.螺杆转速的稳定与否螺杆转速的稳定与否b.b.螺杆设计的好坏螺杆设计的好坏c.c.温控系统的性能温控系统的性能d.d.加料情况等都有关系。加料情况等都有关系。3030 流率的波动对产品质量有显著的不良影响，如造成挤出速度不均匀，而影响制品的几何形状和尺寸。 温温度度波波动动，流流率率波波动动等等都都是是挤挤出出过过程程的的反反映映，它它们们不不是是孤孤立立的的，而而是是互互相相制制约约、互互相相影影响响的的，对对于于高高质质量量的的挤挤出出，希希望望有有尽尽可可能能小小的的流流率率波波动动、温温度度波波动动、。这这些些波波动动也也是是评评价价挤出质量、挤压系统好坏的标准之一。挤出质量、挤压系统好坏的标准之一。3131 4、能量（功率）、能量（功率）1 1）能量平衡）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。3232 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。其余部分作为热损失而损失掉。3333其能量平衡方程式如下:机械能机械能机械能机械能+ +热能热能热能热能= =熔融热能熔融热能熔融热能熔融热能+ +压力能压力能压力能压力能+ +热量损失热量损失热量损失热量损失 式中式中 Z Z-单位时间内由螺杆输入的机械能，单位时间内由螺杆输入的机械能， HJ HJ-由外部加热器输入的热能。由外部加热器输入的热能。右端第一项右端第一项-物料由固态变为熔融状态所需之能量物料由固态变为熔融状态所需之能量右端第二项右端第二项-物料在挤出过程中所获得的压力能。物料在挤出过程中所获得的压力能。 H H -热量损失热量损失Z+HJ=Qv(T2-T0)CvJ+QvP+H3434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。35352）比功率消耗）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。它也是挤出过程的重要度量之一。之一。它也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。3636二、螺杆的基本参数二、螺杆的基本参数二、螺杆的基本参数二、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） 1-1-料筒料筒料筒料筒,2-,2-螺杆螺杆螺杆螺杆3737 LDs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iB 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3838B(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 3939eb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）4040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4141三、物料在螺杆中的流动理论三、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。4242 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，要通过几个职能区：固固体体输输送送区区、熔熔融融区和熔体输送区。区和熔体输送区。1、 固固体体输输送送区区，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；43432、熔熔融融区区，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 3、熔体输送区、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。 4444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：固固体体输输送送理理论论，熔熔融融理论，熔体输送理论理论，熔体输送理论（亦叫计量段流体理论）。谢谢4545