第四章 塑料挤出机
第一节 挤出生产原理及挤出机组成
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聚合物挤出成型和注射成型是高分子材料产 品制造领域的两大加工技术， 品制造领域的两大加工技术，其中挤出成型能够 模塑成型所有的热塑性塑料和某些热固性塑料， 模塑成型所有的热塑性塑料和某些热固性塑料， 主要应用于管材 线材、板材、棒材、 管材、 主要应用于管材、线材、板材、棒材、片材和异 制品的成型。 型材制品的成型 型材制品的成型。 由于挤出成型具有效率高、投资少、制造方 由于挤出成型具有效率高、投资少、 便、连续性生产和环境清洁等优点而成为塑料制 品主要的成型方法之一， 品主要的成型方法之一，成型的塑料制品已广泛 应用于医疗、通讯、农业、建筑、石油化工、 应用于医疗、通讯、农业、建筑、石油化工、轻 工等国民经济的各个行业。据统计， 工等国民经济的各个行业。据统计，挤出制品的 产量已占整个塑料制品总产量的40%以上。 以上。 产量已占整个塑料制品总产量的 以上
成型、挤出成型、压缩成型、 成型方法：注射（ 成型方法：注射（塑）成型、挤出成型、压缩成型、 压铸成型、吹塑成型等。 压铸成型、吹塑成型等。
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随温度升高，聚合物将呈现玻璃态、高弹态、 随温度升高，聚合物将呈现玻璃态、高弹态、粘流态三 种状态。 种状态。
聚合物的物理状态与温度的关系 1－线性非结晶聚合物； －线性非结晶聚合物； 2－线形聚合物； －线形聚合物； 3－金属。 －金属。
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2、等深变距螺杆
强度好、可增转速
少
3、变深变距螺杆
机加工难
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(三)螺杆头部结构
常用
流动型好料
流动性差料 挤粘度大、导热 不良或有明显熔 点料
防物料滞留 挤电缆
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（四）螺杆材料 耐高温、耐磨损、耐腐蚀、高强度，切削性能好，热处理性能 好。 45，40Cr、氮化钢、38CrMoAl等。 高强度耐磨耐腐蚀合金钢：34CrAlNi、31CrMo12等。 表面喷涂强化。 （五）新型螺杆 熔融效率低、挤出量不高、塑化混炼不均、压力波动、温度波 动、产量波动大。不适应特殊料。 1、分离型螺杆 压缩段增设副螺纹 熔融料、未熔料早 分离 2、屏障螺杆 设置屏障段 3、销钉螺杆 设销钉 4、组合螺杆 有带加料段的螺杆本体和螺杆元件组成。
∂vx ∂vx ∂vx ∂P ∂τ xx ∂τ yx ∂τ zx ρ vx + vy + vz − + + =− ∂x ∂y ∂z ∂x ∂x ∂y ∂z
可压缩： 可压缩：发泡 发表《 发表《Nature》 》 创新来源于 敢于挑战权威
ρ vx


∂v y ∂x
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塑料成形中， 塑料成形中，大多数塑料熔体都 是非牛顿流体， 是非牛顿流体，它们中大部分近似服 从指数流动规律： 从指数流动规律：
式中， －稠度系数； 式中，K－稠度系数； n－非牛顿系数。 －非牛顿系数。
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不同类型流体的流动曲线
不同类型流体的流变曲线
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2.4 挤出流动基本理论 2.4.1连续性方程 连续性方程（Continuity Equation）是质量 守恒原理在流体运动中的表现形式。 在挤出成型过程中，熔体在模头内的流动为 稳态流动，密度与时间无关，连续性方程子链——热塑性塑料 热塑性塑料 线型分子链 树脂(粒状、粉状、或液态低聚物） 树脂 粒状、粉状、或液态低聚物） 粒状 体型分子链——热固性塑料 热固性塑料 体型分子链 原料 添加剂 润滑剂、着色剂、增塑剂、填料 润滑剂、着色剂、增塑剂、 其它特种添加剂 稳定剂：热稳定剂、光稳定剂、 稳定剂：热稳定剂、光稳定剂、抗氧剂
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塑料制品分类
按几何形状： 按几何形状：管、膜、片、板 按用途： 按用途：绳、带、袋、人革、日用制品、泡沫塑、电缆、建 人革、日用制品、泡沫塑、电缆、 材……
塑料品质指标： 塑料品质指标：
（1）物理性能指标：密度、吸水性、光学性能、热性能、电性能、 ）物理性能指标：密度、吸水性、光学性能、热性能、电性能、 防磁性、 防磁性、消音性等 （2）机械性能指标：抗张强度、抗弯强度、冲击强度、疲劳强度、 ）机械性能指标：抗张强度、抗弯强度、冲击强度、疲劳强度、 剪切伸长、伸长率、弹性模量、耐磨性、 剪切伸长、伸长率、弹性模量、耐磨性、硬度等 （3）稳定性能指标：耐老化性、耐化学品性、耐热性、耐燃性、 ）稳定性能指标：耐老化性、耐化学品性、耐热性、耐燃性、 耐生物作用性能等
∂ ∂ ∂ ( ρ vx ) + ( ρ v y ) + ( ρ vz ) = 0 ∂x ∂y ∂z
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2.4.2运动方程（ Navier—Stokes方程）
动量守恒原理在流体运动中的表现形式。 对于聚合物来说，重力和惯性力比作用在流体上的 其他力小得多，可以忽略，并且熔体不可压缩 熔体不可压缩，则 熔体不可压缩 运动方程可以表示如下：
1872年 开始塑料成型工业 年 20世纪 年代：生产技术和方法的改进和扩展 世纪20年代 世纪 年代： 20世纪 年代开始：性能优良的制品 世纪50年代开始 世纪 年代开始： 目前： 目前：专门而较大的部门
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塑料分类
热塑性塑料： 热塑性塑料：可反复受热软化或熔化 按受热行为分 热固性塑料：固化成型后、受热不熔化， 热固性塑料：固化成型后、受热不熔化， 强热分解
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（2）稳定流动与不稳定流动 ）
稳定流动：一切影响流体流动的因素都不随时间而改变。 稳定流动：一切影响流体流动的因素都不随时间而改变。
例如：挤出成型： 例如：挤出成型：
速率、温度、 速率、温度、压力
不稳定流动：影响流体流动的各种因素，随时间而改变。 不稳定流动：影响流体流动的各种因素，随时间而改变。
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（一） 挤出生产过程
观看挤出成型录像
模头（机头） 模头（机头） 定型模
挤出生产过程简图
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模具所挤出实验平台
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供料区
过渡区
压缩区
成型区
模头结构简图
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真空
真空
型材
冷却水
真空
真空
定型模结构简图
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观看 塑料异型材挤出模具照片 塑料微管挤出模具照片
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（二）挤出机组成
• 1.主机:挤出系统、传动系统 加热冷却系统 • 2. 辅机：机头 、冷却装置、牵引装置、切 割装置、卷取装置 • 3. 控制系统：转速、功率、协调运行、检 测、温度、压力、流量。
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第二节 挤出理论简介
2.1塑料概述 塑料概述
2.2 流动的基本类型
2.3 非牛顿流动
2.4 挤出流动基本理论
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2.1 塑料概述
塑料：以合成或天然高分子化合物为基本成分，在热及 塑料：以合成或天然高分子化合物为基本成分， 压力作用下塑化成型， 压力作用下塑化成型，制成一定形状且能满足不同领域 用途的一类有机材料。以合成高分子塑料为主,天然高 用途的一类有机材料。以合成高分子塑料为主 天然高 分子塑料很少。 分子塑料很少。
按使用特点分
通用塑料：产量大、用途广、价格低、 通用塑料：产量大、用途广、价格低、日用品 和一般工农业品：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、 和一般工农业品：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、 聚苯乙烯、酚醛 聚苯乙烯、 工程塑料：具有很强耐热性、机械强度、 工程塑料：具有很强耐热性、机械强度、和耐磨 损性的塑料。产量小，性能高，用于制造轴承、 损性的塑料。产量小，性能高，用于制造轴承、 齿轮、替代金属和陶瓷等：聚酰胺、聚碳酸酯、 齿轮、替代金属和陶瓷等：聚酰胺、聚碳酸酯、 聚甲醛、 聚甲醛、ABS、聚四氟乙烯、聚砜、聚酰亚胺、 、聚四氟乙烯、聚砜、聚酰亚胺、 高密度聚乙烯、聚苯醚、聚苯硫醚、 高密度聚乙烯、聚苯醚、聚苯硫醚、聚醚醚酮
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卷装软管
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塑料管材机组
上海
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SJ-3三色饮料吸管机
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二、挤出机的分类与型号表示 按螺杆数目分：单螺杆、 双螺杆、多螺杆。
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据是否有螺杆存在分为： 螺杆式挤出机和柱塞式挤出机。
据螺杆的运转速度分 普通型：100r/min以 下 高速：100—300r/min 超高速：300—1500
η 式中， 为剪切粘度(Pa·s) 式中， 为剪切粘度 符合上式的流体称为牛顿流体， 符合上式的流体称为牛顿流体，比例系数 称η 为牛顿粘度，它是流体本身固有的性质， 为牛顿粘度，它是流体本身固有的性质，其数值表 征了流体抵抗外力引起流动形变的能力。 征了流体抵抗外力引起流动形变的能力。
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层流流速分布模型
ρ Cv vx

∂v ∂v ∂v ∂v − τ xy x + y + τ xz x + z ∂z ∂x ∂y ∂x
∂v ∂v + τ yz y + z ∂z ∂y
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2.4.4流变方程
定量描述聚合物熔体流动行为的本构方程 本构方程 在聚合物加工成型中，常用的有以下几种模型： 在聚合物加工成型中，常用的有以下几种模型： （1）Power-Law模型 （2）Prandtl-Eyring模型 （3）Carreau模型 （4）Vinogrador-Malkin模型 （5）Herschel-Bulkley模型
+ vy
∂v y ∂y
+ vz
∂v y ∂P ∂τ xy ∂τ yy ∂τ zy =− − + + ∂z ∂y ∂x ∂y ∂z
ρ vx


∂vz ∂v ∂v ∂P ∂τ xz ∂τ yz ∂τ zz + v y z + vz z = − − + + ∂x ∂y ∂z ∂z ∂x ∂y ∂z
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2.2 流动的基本类型