第七章 挤出成型(2)

物料在压力推动下通过口模而成为连续 型材
b.挤出过程
熔融：外部加热和内部摩擦热作用下， 逐渐熔化成熔体
成型：通过口模时在压力下成为与口模 相似的连续体
定型：在外部冷却下连续体被凝固定型
图 18-2 单 螺 杆 挤 出 机 基 本 结构 示 意 图
c.特点及应用 生产效率高，可自动化连续生产；
酚醛树脂（PF） 环氧树脂（EP） 2.工程塑料的成型基础 成型性能：成型物料对各种成型工艺和模具结构
的适应能力 （1）塑料熔体的流变行为 流变 流动与变形 粘度 流变性的主要表现
粘度及其变化是塑料成型中最主要的参数 影响粘度的因素
a.聚合物分子量 分子量越大，粘度越大 不同成型方法对粘度要求不同 可通过添加低分子物质（如增塑剂）降低分子量 b.温度
（3）特点与应用 原料是已成型的片材或板材，属二次加工
适应性强，设备投资少，模具制造简便
要求板、片材在加工提哦案件下有较好的延展 性
主要适宜于热塑性塑料，如ABS、PMMA、 PVC、PP、PA、PC、PET等
（8）浇注成型
在室温或稍高温度下是液体的树脂，在加入固 化剂或催化剂与其它添加剂后，可在液态下浇 入模腔，通过化学反应硬化成形
（1）分类 按热行为：热塑性、热固性 按产量用途：通用塑料、工程塑料、功能塑料 （2）常用塑料 聚乙烯（PE） 聚氯乙烯（PVC） 聚丙烯（PP）
聚苯乙烯（PS） 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA） 氟塑料 聚酰胺（PA） 尼龙 聚碳酸酯（PC）
ABS 聚脂树脂
不饱和聚脂（UP） 饱和聚脂：PET、PBT
第七章 高分子材料的成型加工技术
1.高分子材料：以高聚物为主并加入多种添加剂 形成的材料
按用途 ：塑料、橡胶、合成纤维 按热行为：热塑性、热固性 2.高分子材料生产过程

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二、挤出成型机头概述
1. 挤出机头的作用 使熔融塑料由螺旋运动变为直线运动； 产生必要的成型压力，保证制品密实； 使塑料通过机头得到进一步塑化； 通过机头口模以获得截面形状相同、连续的塑料制品。
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2. 机头的分类
按机头的几何形状分类 圆环机头：管材机头、棒材机头、造粒机头等 平板状机头：平模机头、板材机头、异型材机头等
内装置电热器时导入导线。
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2. 管材的定径和冷却
为了使管材获得较低的表面粗糙值、准确的尺寸和几何 形状，管材离开口模时，必须立即进行定径和冷却，由定 径套来完成。
有两种方法： ❖ 外径定型 ❖ 内径定型
我国塑料管材标 准大多规定外径为基 本尺寸，故国内较常 用外径定型法。
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（1）外径定型 适用于管材外径尺寸精度要求高、外表面粗糙度要求低的
按机头进出料方向分类 水平直通式机头 直角式机头
按机头的用途分类 吹膜机头、管材机头、板材机头、棒材机头、异型材 机 头等。
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3.挤出机头的组成（以直通式管材机头为例）
口模 芯棒 分流器和分流器支架 机头体 过滤网和过滤板 连接部分 定径套
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① 口模和芯棒 ② 挤出模的主要成型零件，口模用来成型塑件的外表
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（2）内径定型
通过定径套内的循环水冷却定型 特点：保证管材内孔圆度，操作方便；宜用于直角式挤管机头
和旁侧式挤管机头。
适用：内径尺寸要求准确、圆度要求高的情况。
1-管材 2-定径芯模 3-芯棒 4-回水流道
5-进水管 6-排水管 7-进水嘴
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定径芯长度：与管材壁厚及牵引速度有关，一般取80～ 300mm，牵引速度和壁厚大时，取大值。反之，取小值。 定径芯直径：一般比管材内径直径大2%～4%，始端比终端 直径大，锥度为0.6:100～1.0:100。

按照加压方式的不同， 按照加压方式的不同，挤出工艺又可分为连续和间歇两 种。前一种所用设备为螺杆式挤出机；后一种为柱塞式挤出 前一种所用设备为螺杆式挤出机； 机。 螺杆式挤出机又可分为单螺杆挤出机和多螺杆挤出机。 螺杆式挤出机又可分为单螺杆挤出机和多螺杆挤出机。 螺杆式挤出机是借助于螺杆旋转产生的压力和剪切力， 螺杆式挤出机是借助于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，通过型腔(口模)的成型； 使物料充分塑化和均匀混合，通过型腔(口模)的成型；因而 使用一台挤出机就能完成混合、塑化和成型等一系列工序， 使用一台挤出机就能完成混合、塑化和成型等一系列工序， 进行连续生产。 进行连续生产。 柱塞式挤出机主要是借助拄塞压力， 柱塞式挤出机主要是借助拄塞压力，将事先塑化好的物 料挤出口模而成型。料筒内物料挤完后柱塞退回， 料挤出口模而成型。料筒内物料挤完后柱塞退回，待加入新 的塑化料后再进行下一次操作，生产是不连续的．而且对物 的塑化料后再进行下一次操作，生产是不连续的． 料不能充分搅拌、混合，还得预先塑化， 料不能充分搅拌、混合，还得预先塑化，故一般已不采用此 法，仅用于粘度特别大、流动性较差的塑料，如硝酸纤维素 仅用于粘度特别大、流动性较差的塑料， 塑料等成型。
压缩段(迁移段)的作用是压实物料， 压缩段(迁移段)的作用是压实物料，使物料由固体转化为熔融 并排除物料中的空气；为适应将物料中气体推回至加料段、 体，并排除物料中的空气；为适应将物料中气体推回至加料段、压 实物料和物料熔化时体积减小的特点， 实物料和物料熔化时体积减小的特点，本段螺杆应对塑料产生较大 的剪切作用和压缩。为此，通常是使螺槽容积逐渐缩减， 的剪切作用和压缩。为此，通常是使螺槽容积逐渐缩减，缩减的程 度由塑料的压缩率(制品的比重／塑料的表观比重)决定。 度由塑料的压缩率(制品的比重／塑料的表观比重)决定。压缩比除 与塑料的压缩率有关外还与塑料的形态有关，粉料比重小， 与塑料的压缩率有关外还与塑料的形态有关，粉料比重小，夹带的 空气多，需较大的压缩比(可达4—5)，而粒料仅2．5—3。 5)， 空气多，需较大的压缩比(可达4 5) 而粒料仅2 3 压缩段的长度主要和塑料的熔点等性能有关。 压缩段的长度主要和塑料的熔点等性能有关。熔化温度范围宽 的塑料，如聚氯乙烯150℃以上开始熔化，压缩段最长， 的塑料，如聚氯乙烯150℃以上开始熔化，压缩段最长，可达螺杆全 150℃以上开始熔化 100％ 渐变型) 熔化温度范围窄的聚乙烯(低密度聚乙烯105 105— 长100％(渐变型)，熔化温度范围窄的聚乙烯(低密度聚乙烯105 120℃，高密度聚乙烯125—135℃) 45—50 120℃，高密度聚乙烯125 135℃)等，压缩段为螺杆全长的45 50 125 135℃)等 压缩段为螺杆全长的45 ％；熔化温度范围很窄的大多数聚合物如聚酰胺等， ％；熔化温度范围很窄的大多数聚合物如聚酰胺等，压缩段甚至只 熔化温度范围很窄的大多数聚合物如聚酰胺等 有一个螺距的长度。 有一个螺距的长度。

塔莫尔（Tadmor）研究结果： 计算出熔融区长度，但与实际值有一定差距。
四、挤出机的挤出理论
3 熔体输送理论 流动流动状态：
①正流Qd：沿正轴向口模/机头方向流动。由旋转螺杆挤压造成。 ②逆流Ｑp：沿正方向相反，由机头压力引起。 ③横流Ｑt：环流。不影响总流量。但对熔体的混合、塑化、热交换起重要 作用。 ④漏流Ｑc 物料在螺杆与机筒之间间隙向加料口方向回流，可降低挤出量 。一般情况下漏流Ｑc很小，但磨损严重时，漏流Ｑc增加急剧增加。
p在挤出过程中，由于螺杆 和料筒机构、机头、过滤 网以及过滤板的阻力，使 塑料内部存在压力。
p压力可以提高挤出熔体的混合均匀性和稳定性，提高产品致密 度， 是塑料变为均匀熔体并得到致密塑件的重要条件之一。 p螺杆转速的变化，加热、冷却系统的不稳定都对产生压力波动 产生影响，对制品质量产生不利影响。 p为保证制品质量，应尽可能减少压力的波动。
六、挤出工艺的影响因素
3 挤出速率
p挤出速率因素影响较多（机头阻力、螺杆与料筒结构、螺杆转速、 加热冷却系统和塑料特性等）但主要与螺杆转速有关，提高转速，可 提高挤出产量，但塑化质量不高，因而挤出速率要大小合适。 p挤出速率在生产过程中也存在波动现象，挤出速率的波动影响制品 几何形状和尺寸。生产中应保证挤出速率的稳定。
LDPE 15~20 3~4 90~100 100~140 140~160 140~160
PP
22~25 2.5~4 140~160 165~185 180~200 160~185
PC
16~25 2.5~3 200~240 240~250 230~255 200~22100
六、挤出工艺的影响因素
2 压力
tan tanb
四、挤出机的挤出理论

而汇集于熔池。
同时，固体床又 以一定的速度沿Y方
向移向分界面，加以
补充形成新的熔膜， 以保证状态稳定。
（2）相迁移面 熔化区内固体相和熔体相的界面称为相迁移面。熔
化发生在相迁移面上。
（3）熔化长度 从熔化开始到固体床的 宽度降到零为止的螺槽总长。 熔化速度越高，熔化长度越 短。
（4）模型假设 ▲ 挤出过程是稳定的。 ▲ 固体床是均匀的连续体。
螺杆的直径D 螺杆的压缩比A 螺杆角 θ 螺杆与料筒的间隙
螺杆的长径比L/Ds 螺槽深度H 螺纹棱部宽度E
▲ 螺杆的直径D
代表挤出机的规格。D ，挤出机的生产能力 。 ▲ 螺杆的长径比L/Ds （15～25）
影响挤出机的产量和挤出质量（衡量塑化效率）。
L/Ds ，塑料的停留时间 ，混合塑化效果 。 ▲ 螺杆的压缩比A （2～5） A＝螺杆第一螺槽的容积/螺杆最后螺槽的容积 A的获得：等距变深，等深变距，变深变距。
直角式机头
偏移式机头
挤薄膜、线缆包复物、吹塑制品。
共挤薄膜、共挤型材、共挤吹塑。
五、传动系统
包括带动螺杆转动的电机和机械传动部件。
六、附属设备
▲ 塑料的输送、预热、干燥等预处理装置。
▲ 挤出后制品的定型、冷却装置。 ▲ 牵引装置。 ▲ 卷绕或切割装置。 ▲ 控制设备等。
另外，附属设备因制品的不同而不同。 如：挤出－吹塑。
第七章 挤出成型
一、概述 挤出成型在高分子材料加工领域中，是一个变化众多，
用途最广，比重最大的成型工艺。
挤出过程是使高分子材料的熔体在挤出机的螺杆挤压 作用下，通过具有一定形状的口模而连续成型，所得制品 为恒定截面的连续型材。 挤出成型制品 三大合成材料的挤出，没有本质上的区别，所用设备加 工原理大同小异。挤出理论、工艺以塑料为多，故本节主要 讨论塑料的挤出成型。

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塑料工艺
螺杆头部结构
• 要注意防止出现 熔融塑料积存、 回流现象。
• 一般η大的塑料， 用锥行尖头；η小 的塑料，必须装 止逆环以防回流。
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塑料工艺
• 作用：
–保持较高注射压 力和速度，使物 料进一步塑化．
• 类型：
–直通式、自锁式、 杠杆针阀式等。 物料粘度大，热 稳性差，用大口 径直通式；粘度 小，用自锁式和 杠杆针阀式。
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塑料工艺
注射成型产品示例
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塑料工艺
二、注射成型原理
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塑料工艺
注射机的分类
根据塑化方式不同分为： 柱塞式注射机 螺杆式注射机
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塑料工艺
• 螺杆式注射机
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塑料工艺
• 柱塞式注射机特点： – 结构简单、但压力损失大、塑化不均匀以， 不适合热敏性塑料。
• 实际应用： – 目前工厂中广泛使用的是螺杆式注射机， 60g以下的小型制件多用柱塞式。
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。
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四、新型螺杆
塑料工艺
1、排气式螺杆 用于含水和易产生挥发组分的物料 排气原理：物料到排气段时已基本塑化，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。
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塑料工艺
熔体输送能力的分析
• 熔体的输送 Q = Qd - Qp - Ql, 实际的流动形式为：熔 体沿螺槽螺旋前进。类似弹簧缠绕在螺槽内。
• 忽略Ql，经计算熔体输送能力为：
① 机头阻力加大P↑，Q↓产量下降。 ② 转速N↑，Q↑提高。 ③ 螺杆直径增加D↑，Q↑↑产量明显增加。所以要得 到

决定塑料的塑化及挤出效率
小：剪切速率高，利于传热和塑化，但挤出生产效率低
热敏性塑料——深槽螺杆 热稳定性较高、熔体粘度低——浅槽螺杆 H1≥0.1 DS H3=0.02－0.06 DS
（5）螺旋角 θ＝10°－30°
定义：螺纹与螺杆横截面之间的夹角 θ大，挤出机的生产能力提高，但螺杆对塑料的剪切
我国各塑料机械厂生产之挤出机料筒壁厚
我国生产的挤出机的料筒壁厚
螺杆直径：30 45 60 90 120 150 200 料筒壁厚：20—25 20～25 30－45
40—45 40－50 40一50 50—60
锥形双孔机筒
三. 螺杆
作用：输送、挤压、剪切 用耐热、耐腐蚀、高强度的合金钢制作 表面高硬度、高光洁度 转速10-120 rpm、无级变速
用于挤出塑料制品，如管材、板材、棒材、片材、 薄膜。各种异型材以及塑料和其它材料的复合物等， 也常用于塑料的着色、混炼、塑化、造粒及塑料的 共混改性等。
橡胶挤出——压出 合成纤维——螺杆挤出纺丝 塑料挤出——主要以热塑性塑料为主
2 挤出成型的特点
操作简单，工艺易控，可连续化、工业化、自动化生产， 生产效率高
第一节 单螺杆挤出机基本结构及作用
传动系统 挤出系统——挤出成型系统的关键部分
加料装置、料筒、螺杆、机头、口模 加热系统：采用电阻丝加热，也可电感应加热，
蒸汽或油加热。 冷却系统：空冷或水冷，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。
应用范围广，广泛应用于塑料、橡胶、合成纤维的成型 加工，也常用于塑料的着色、混炼、塑化、造粒及塑料 的共混改性等。
挤出—吹塑成型，中空吹塑制品 挤出—拉幅成型，双轴拉伸薄膜

第一节 挤出成型概论
3. 挤出成型制品多
（1）管、棒、膜、丝、板、网、带等。 （2）各种异型材，如楼梯扶手、塑料门窗等。 （3）中空制品，如桶、灯笼、包装容器等。 （4）电线、电缆等。 （5）为压延成型喂料，造粒等。
第一节 挤出成型概论
三. 挤出成型的优点： 1．设备制造容易，成本低，塑料加工厂的投资少 2．可以连续化生产，生产效率高 3．设备的自动化程度高，劳动强度低 4 . 生产操作简单，工艺控制容易 5 . 挤出产品均匀、密室，质量高 6 . 原料的适应性强，大多数热塑性材料 ，少量热固性材
料 7 . 生产的产品广泛，可一机多用，同一台挤出机，只需更
换辅机，就 可以生产不同制品 8. 生产线占地面积小，且生产环境清洁 四. 挤出成型的缺点： 1．不能生产三维尺寸的制品 2．制品往往需要二次加工
• 五、挤出机的分类
• 挤出机的分类：随着挤出机用途的增加，出现了各种 挤出机，分类方法很多。
第一节 挤出成型概论
• 5、后处理（热处理和调湿处理） 在挤出成型大截面尺寸的管材、棒材和异型材时， 常出挤出物内外冷却降温速度相差较大而使制品 内具有较大的内应力。具有较大内应力的挤塑制 品在成型后应及时进行热处理以消除内应力，否 则存放过程中或机械加工时会出现裂纹，严重时 制品开裂。PA之类吸湿性强的挤出制品，在空气 中使用或存放的过程中因吸湿而明显膨胀，但这 种吸湿膨胀过程需要很长时间才能达到平衡，为 加速这类挤塑制品的吸湿平衡，常需在成型后进 行凋湿处理。
迁移面
塑料在挤出机中的状态及流动
• 熔体输送—计量段（均化段） 正流、逆流、漏流、横流
塑料熔体在螺槽中混合流动示意图
熔体在螺槽内的流速分布图
（1）正流(拖曳流动) ：流体沿着螺槽向机头方

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49
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螺杆挤出机
（1）螺杆的直径（D）长径比（L/D）
① 螺杆直径（D）
根据所制制品的形状、大小及需要的生产 率来决定的。
一般45～150mm，螺杆直径增大，加工 能力提高，挤出机的生产率与螺杆直径D 的平方成正比。
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② 长径比（L/D）
螺杆工作部分有效长度与直径之比。 通常为18～25。 L/D大，能改善物料温度分布，有利于塑 料的混合和塑化，并能减少漏流和逆流， 提高挤出机的生产能力。 L/D大，螺杆适应能力强，能用于多种塑 料的挤出。
均化段(熔体输送区)
在机头口模阻力造成的回压作用下被进 一步塑化均匀，定量的从口模挤出 螺杆完成对熔体的输送
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由于塑料品种很多、性质各异，因此为适应 加工不同塑料的需要，螺杆的种类很多，结 构上也有差异，以便能对塑料产生较大的输、 压缩比、螺距、螺槽深度、螺旋角、螺杆与料 筒的间隙等。
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挤出过程和螺杆各段的职能
加料段(固体输送区) 压缩段(熔融区) 均化段(熔体输送区)
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加料段(固体输送区)
自塑料入口向前延伸一段的距离(视挤出 机的情况不同可有2～10D的变化)为送 料段 在该段，螺杆的职能主要是对塑料进行 输送和压实 物料仍然以固体状态存在 末端称为迟滞区，是固体输送区结束到 最开始出现熔融的过渡区
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在挤出较大截面尺寸的制品时，常因挤出物内外冷却速率 相差较大而使制品内有较大的内应力，这种挤出制品成型后
应在高于制品的使用温度 10∼20℃或低于塑料的热变形温度 10∼20℃的条件下保持一定时问，进行热处理以消除内应力。 有些吸湿性较强的挤出制品，如聚酰胺，在空气中使用或 存放过程中会吸湿而膨胀，而且这种吸湿膨胀过程需很长时间

1 口模 （1） 口模的内径D
巴鲁斯效应和冷却收缩等原因使塑件外径不等 于口模内径 确定口模的内径D方法1： 确定口模的内径D方法2：
D=d/K
I
D2 Ds2
d2 ds2
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7.3.1 直通式挤出机头工艺参数的确定
1 口模 （2） 定型段长度L1 口模与型棒的平直部分Байду номын сангаас长度成为定型段
第七章 塑料挤出成型工艺及模具设计
7.1挤出成型工艺 主要用于生产具有恒定截面形状的管材、
棒材、板材、片材、线材和薄膜等。
此外，也可用于塑料的着色造粒、 共混、中空塑件型坯的生产。
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7.1.1 挤出成型原理及特点
挤出成型优点： 连续成型、生产量大、
生产效率高、设备简单
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成本低、操作方便
7.1.2 挤出成型工艺过程
原材料的准备阶段 塑化阶段 成型阶段 定径阶段 塑件的牵引、卷曲和切割阶段
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7.1.3 挤出成型工艺参数
温度 压力 挤出速度 牵引速度
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7.2 挤出成型机头概述
挤出成型的模具成为挤出成型机头
7.2.1 挤出机头的作用及分类 1 挤出机头作用
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7.3.２ 管材的定径和冷却
１ 外径定径 外径定径适用于对管材外径尺寸精度要求高、 外表面粗糙度低的情况。 按照压力产生方式不同，外径定径又分为内压法 和真空法。
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7.3.２ 管材的定径和冷却
１ 外径定径 （１） 内压法外定径 定型套内径径向尺寸应考虑管材定型后收缩因素、
确定分流器上的角度α，分流锥长度、分流器头部 圆角半径、分流器表面粗糙度、过滤版与分流器顶间隔