高分子材料加工工藝
第七章擠出成型
教學目的：掌握擠出成型的適用原料範圍、工藝特點及應用領域；單螺桿擠出機的基本結構及作用；橡膠的壓出成型工藝及影響因素；雙螺桿擠出機的結構、分類及工作原理。
重點內容：螺桿的結構及作用；單螺桿的擠出成型原理；單螺桿擠出成型工藝流程；管材、薄膜及板材的擠出工藝流程。
難點內容：單螺桿的擠出基礎理論。
熟悉內容：影響單螺桿擠出機生產效率的因素；擠出成型工藝在高分子材料加工中的應用及發展。
主要英文詞彙：
extrusion----擠出
extrusion molding----擠出成型
extruding----壓出
spinning----紡絲
extruder----擠出機
extrusion head----擠塑機頭
extruding die, extrusion die----擠塑模頭
screw----螺桿
extrusion blow moulding----擠出吹塑
extrusion blow moulding machine----擠出吹塑機（如瓶，有模具）
extruded film----擠塑薄膜（製備薄膜）
two screw extruder----雙螺桿擠出機
參考教材或資料：
1、《高分子材料成型加工》，週達飛，唐頌超主編，中國輕工業出版社，2023年第2版。
2、《橡膠及塑料加工工藝》，張海，趙素合主編，化學工業出版社，2023年第1版。
3、《高分子材料加工工藝》講義，青島科技大學印刷廠，2023年。
一、概述
擠出成型是高分子材料加工領域中變化眾多、生產率高、適應性強、用途廣泛、所佔比重最大的成型加工方法。擠出成型是使高聚物的熔體(或粘性流體)在擠出機的螺桿或柱塞的擠壓作用下通過一定形狀的口模而連續成型，所得的製品為具有恆定斷向形狀的連續型材。
擠出成型工藝適合於所有的高分子材料。塑料擠出成型亦稱擠塑或擠出模塑，幾乎能成型所有的熱塑性塑料，也可用於熱固性塑料，但僅限於酚醛等少數幾種熱固性塑料，且可擠出的熱固性塑料製品種類也很少。塑料擠出的製品有管材、板材、捧材、片材、薄膜、單絲、線纜包裹層、各種異型材以及塑料與其他材料的複合物等。
目前約50%的熱塑性塑料製品是擠出成型的。
此外擠出工藝也常用於塑料的著色、混煉、塑化、造粒及塑料的共混改性等，以擠出為基礎，配合吹脹、拉伸等技術則發展為擠出--吹塑成型和擠出--拉幅成型製造中空吹塑和雙軸拉伸薄膜等製品。可見擠出成型是塑料成型最重要的方法。
橡膠的擠出成型通常叫壓出。橡膠壓出成型應用較早，裝置和技術也比較成熟，壓出是使膠料通過壓出機連續地製成各種不同形狀半成品的工藝過程，廣泛用於製造輪胎胎面、內胎、膠管及各種斷面形狀複雜或空心、實心的半成品，也可用於包膠操作，是橡膠工業生產中的乙個重要工藝過程。
在合成纖維生產中，螺桿擠出熔融紡絲，是從熱塑性塑料擠出成型發展起來的連續紡絲成型工藝，在合成纖維生產中占有重要的地位。
擠出成型工藝特點：
連續成型，產量大，生產效率高。
製品外形簡單，是斷面形狀不變的連續型材。
製品質量均勻密實，尺寸準確較好。
適應性很強：
幾乎適合除了ptfe外所有的熱塑性塑料。
只要改變機頭口模，就可改變製品形狀。
可用來塑化、造粒、染色、共混改性，也可同其它方法混合成型。此外，還可作壓延成型的供料。
擠出成型的基本原理：
1、塑化：在擠出機內將固體塑料加熱並依靠塑料之間的內摩擦熱使其成為粘流態物料。
2、成型：在擠出機螺桿的旋轉推擠作用下，通過具有一定形狀的口模，使粘流態物料成為連續的型材。
3、定型：用適當的方法，使擠出的連續型材冷卻定型為製品。
高分子三大合成材料的擠出成型所用的裝置和加工原理基本上是相同的。鑑於擠出理論和工藝技術等方面的研究較多以塑料擠出為基礎，近年來塑料擠出無論是裝置還是工藝的發展，其深度和廣度都有較大的提高，故本章以論述塑料擠出為重點，對橡膠壓出和合成纖維的螺桿擠出紡絲，結合其本身的特點和製品的效能要求進行討論。
擠出裝置有螺桿擠出機和柱塞式擠出機兩大類，前者為連續式擠出，後者為間歇式擠出。
螺桿擠出機又可分為單螺桿擠出機和多螺桿擠出機，目前單螺桿擠出機是生產上用得最多的擠出裝置，也是最基本的擠出機。多螺桿擠出機中雙螺桿擠出機近年來發展最快，其應用也逐漸廣泛。
柱塞式擠出機是借助柱塞的推擠壓力，將事先塑化好的或由擠出機料筒加熱塑化的物料從機頭口模擠出而成型的。物料擠完後柱塞退回，再進行下一次操作，中產是不連續的，而且擠出機對物料沒有攪拌混合作用，故生產上較少採用。但由於柱塞能對物料施加很高的推擠壓力，只應用於熔融粘度很大及流動性極差的塑料，如聚四氟乙烯和硬聚氯乙烯管材的擠出成型。
第一節單螺桿擠出機基本結構及作用
單螺桿擠出機是由傳動系統、擠出系統、加熱和冷卻系統、控制系統等幾部分組成。此外，每台擠出機都有一些輔助裝置。其中擠出系統是擠出成型的關鍵部分，對擠出成型的質量和產量起重要作用。
擠出系統主要包括加料裝置、料筒、螺桿、機頭和口模等幾個部分。
單螺桿擠出機結構示意圖
1-樹脂 2-料斗 3-硬襯墊 4-熱電偶 5-機筒 6-加熱裝置
7-襯套加熱器 8-多孔板 9-熔體熱電偶 10-口模 11-襯套
12-過濾網 13-螺桿 14-冷卻夾套
一、加料裝置
擠出成型的供料一般採用粒狀科、粉狀料和帶狀料。加料裝置是保證向擠出機料筒連續供料的裝置，形如漏斗、有圓錐形和方錐形，亦稱料斗。料斗的底部與料筒連線處是加料孔，該處有截斷裝置，可以調整和截斷料流。
在加料孔的周圍有冷卻夾套，用以防止高溫料筒向料斗傳熱，避免料斗內塑料公升溫發粘而引起加料不均和料流受阻情況發生。料斗的側面有玻璃視孔及標定計量的裝置。有些料斗還有可以防止塑料從空氣中吸收水分的預熱乾燥和真空減壓裝置，以及帶有能克服粉狀塑料產生」架橋」現象的攪拌器及能夠定時定量自動上料或加料的裝置。
二、料筒
又叫機筒，是乙個受熱受壓的金屬圓筒。物料的塑化和壓縮都是在料筒中進行的。擠出成型時的工作溫度一般在180290℃。
料筒內的壓力可達55mpa。在料筒的外面設有分段加熱和冷卻的裝置，以便對塑料加熱和冷卻。加熱一般分三至四段，常用電阻或電感應加熱，也有採用遠紅外線加熱的。
冷卻的目的是防止塑料的過熱或停車時須對塑料快速冷卻，以免塑料的降解。冷卻一般用風冷或水冷。料筒要承受很高的壓力，故要求具有足夠的強度和剛度，內壁光滑。
料筒一般用耐磨、耐腐蝕、高強度的合金鋼或碳鋼內襯合金鋼來製造。
料筒的長度一般為其直徑的1524倍。
三、螺桿
螺桿是擠出機最主要的部件，通過螺桿的轉動，對料筒內塑料產生擠壓作用，使塑料發生移動，得到增壓，獲得由摩擦產生的熱量。螺桿的結構形式對擠出成型合重要的影響，直接關係到擠出機的應用範圍和生產率。
1、螺桿的結構
螺桿是一根筆直的有螺紋的金屬圓棒。螺桿是用耐熱、耐腐蝕、高強度的合金鋼製成的，其表面應有很高的硬度和光潔度，以減少塑料與螺桿的表面摩擦力，使塑料在螺桿與料筒之間保持良好的傳熱與運轉狀況。
螺桿的中心有孔道，可通冷卻水，目的是防止螺桿因長期運轉與塑料摩擦生熱而損壞，同時使螺桿表面溫度略低於料簡，防止物料粘附其上，有利物料的輸送。
一般的螺桿示意圖
ds-螺桿外徑 ls-螺距 h1-加料段螺槽深度 -螺旋角 h3-均化段螺槽深度
螺桿用止推軸承懸支在料筒的**，與料筒中心線吻合，不應有明顯的偏差。螺桿與料筒的間隙很小，使塑料受到強大的剪下作用而塑化。
螺桿由電動機通過減速機構傳動，轉速一般為10120r/min，要求是無級變速。
2、螺桿的幾何結構引數
螺桿的幾何結構引數有直徑、長徑比、壓縮比、螺槽深度、螺旋角、螺桿與料筒的間隙等，對螺桿的工作特性有重大的影響。
螺桿結構的主要引數
ds-螺桿外徑 dh-料筒內徑 ls-螺距 h-螺槽深度
w-螺槽寬度 -螺旋角 e-螺紋稜部寬度 -間隙 l-螺桿長度 d-螺桿直徑
(1)螺桿直徑ds：指其外徑，通常在30200mm之間，最常見的是60150mm。隨螺桿的直徑增大，擠出機的生產能力提高，所以擠出機的規格常以螺桿的直徑大小表示。
(2)螺桿的長徑比l/ds：指螺桿工作部分的有效長度l與直徑ds之比，此值通常為1525，但近年來發展的擠出機有達40的，甚至更大。l/ds大，能改善塑料的溫度分布，混合更均勻，並可減少擠出時的逆流和漏流，提高擠出機的生產能力。
l/ds過小，對塑料的混合和塑化都不利。因此，對於硬塑料、粉狀塑料或結晶型塑料要求塑化時間長，應選較大的l/ds。l/ds大的螺桿適應性強，可用於多種塑料的擠出。
但l/ds大大，對熱敏性塑料會因受熱時間大長而易分解，同時螺桿的自重增加，製造和安裝都困難，也增大了擠出機的功率消耗。目前，l/ds以25居多。
(3)螺桿的壓縮比a：指螺桿加料段第乙個螺槽的容積與均化段最後乙個螺槽的容積之它表示塑料通過螺桿的全過程被壓縮的程度。
a愈大，塑料受到擠壓的作用也就愈大，排除物料中所含空氣的能力就大。但a太大，螺桿本身的機械強度下降。壓縮比一般在25之間。
壓縮比的大小取決於擠出塑料的種類和形態，粉狀塑料的相對密度小，夾帶空氣多，其壓縮比應大於粒狀塑料。另外擠出薄壁狀製品時，壓縮比應比擠出厚壁製品。
壓縮比的獲得主要採用等距變深螺槽、等深度變距螺槽和變深變距螺槽等方法，其中等距變深螺槽是最常用的方法。
常用塑料適用的螺桿壓縮比
(4)螺槽深度h：螺槽深度影響塑料的塑化及擠出效率，h小時，對塑料可產生較高的剪下速率，有利於傳熱和塑化，但擠出生產率降低。
熱敏性塑料〔如pvc)宜用深槽螺桿，而熔體粘度低和熱穩定性較高的塑料(如pa等)宜用淺槽螺桿。沿螺桿袖向各段的螺槽深度通常是不等的，加料段的短槽深度h1是個定值，一般h1>0.1ds；壓縮段的螺槽深h2是個變化值；均化段的短槽深h3是個定值，按經驗h3=0.
020.06ds。
(5)螺旋角：是螺紋與螺桿橫截面之間的夾角，隨著的增大，擠出機的生產能力提高，但螺桿對塑料的擠壓剪下作用減少。通常介於10300之間，螺桿中沿螺紋走向，螺旋角大小有所變化。
直徑=螺距（ds＝ls）時，螺桿最容易加工，此時＝17.70。，這是最常用的螺桿。
(6)螺紋稜部寬度：螺稜寬e大小會使漏流增加，導致產量降低，對低粘度的熔體更是如此；e太大會增加螺稜上的動力消耗，有區域性過熱的危險。一般取e=0.
080.12ds。在螺桿的根部取大值。
(7)螺桿與料筒的間隙：其大小影響擠出機的生產能力和物料的塑化。值大，生產效率低，且不利於熱傳導並降低剪下速率，不利於物料的熔融和混合。
但過小時，強烈的剪下作用易引起物料出現熱力學降解。—般＝0.10.
65mm為宜，對大直徑螺桿，取＝0.002ds，小直徑螺桿，取=0.005ds。
高分子材料成型加工
四章聚合物流變學基礎 1.與低分子物相比，聚合物的黏性流動有何特點？答 絕大多數低分子物具有牛頓流體的性質，即其粘性僅與流體分子的結構和溫度有關，與切應力和切變速率無關。比如水 甘油等。高分子稀溶液也是。而大部分聚合物熔體屬於非牛頓流體中的假塑性流體，隨剪下力增加而變稀。與低分子物相比，聚合物的粘性...
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深圳大學課程教學大綱 課程編號 22201222 課程名稱 高分子材料成型加工 開課院系 材料學院 制訂 修訂 人 左建東 審核人批准人 2010 年 10月 8 日製 修 訂 課程名稱 高分子材料成型加工 英文名稱 polymer material processing 總學時 54 學分 3 先...
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