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1、第二节 挤出过程和挤出理论之一 挤出过程第二节 挤出过程和挤出理论 2.1 2.1 挤出机的工作过程挤出机的工作过程ll 塑料塑料(橡胶橡胶)之所以能进行成型加工，是由其内在依之所以能进行成型加工，是由其内在依 据所决定的。据所决定的。ll 由高分子物理学得知，高聚物一般存在着由高分子物理学得知，高聚物一般存在着玻璃态、玻璃态、高弹态和粘流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，在一定条件下，这 三种物理状态将发生相互转化。三种物理状态将发生相互转化。ll 塑料塑料(橡胶橡胶)的成型加工（的成型加工（压制、压延、挤出、注射压制、压延、挤出、注射 等）就是在等）就是在粘流态粘
2、流态下进行的。下进行的。挤出过程和挤出理论11、挤出过程、挤出过程 塑塑料料（橡橡胶胶)由由料料斗斗进进入入料料筒筒后后，随随着着螺螺杆杆的的旋旋转转而而被逐渐推向机头方向。经过以下四个阶段被逐渐推向机头方向。经过以下四个阶段:ll11）加料段）加料段-输送并开始压实物料输送并开始压实物料 螺螺槽槽被被松松散散的的固固体体粒粒子子（或或粉粉末末）所所充充满满，物物料料开开始被压实。始被压实。ll22）压缩段）压缩段-压实并熔融物料压实并熔融物料 aa、由于阻力、由于阻力,物料被压实物料被压实 由由于于螺螺槽槽逐逐渐渐变变浅浅，以以及及滤滤网网、分分流流板板和和机机头头的的阻阻力力，在在塑塑料料
3、(橡橡胶胶)中中形形成成了了很很高高的的压压力力，把把物物料料压压得很密实。得很密实。挤出过程和挤出理论llbb、外热、内热的作用，物料熔融、外热、内热的作用，物料熔融 在在料料筒筒外外热热和和螺螺杆杆、料料筒筒对对物物料料的的混混合合、剪剪切切作作用用所所产产生生的的内内摩摩擦擦热热的的作作用用下下，塑塑料料(橡橡胶胶)的的温温度度逐逐渐升高渐升高。对对于于常常规规三三段段全全螺螺纹纹螺螺杆杆来来说说，大大约约在在压压缩缩段段的的三三分分之之一一处处，与与料料筒筒壁壁相相接接触触的的某某一一点点的的塑塑料料(橡橡胶胶)温度达到粘流温度，温度达到粘流温度，开始熔融开始熔融。cc、物料全部熔融，
4、物料全部熔融，变为变为粘流粘流态态 随随着着物物料料的的向向前前输输送送，熔熔融融的的物物料料量量逐逐渐渐增增多多。而而未未熔熔融融的的物物料料量量逐逐渐渐减减少少，大大约约在在压压缩缩段段的的结结束束处处，全全部部物物料料熔熔融融而而转转变变为为粘粘流流态态，但但这这时时各各点点的的温温度度尚不很均匀。尚不很均匀。挤出过程和挤出理论ll3)3)均化段均化段-均化、挤出均化、挤出 物料经过均化段的物料经过均化段的均化作用均化作用就比较均匀了，最后螺就比较均匀了，最后螺杆将熔融物料杆将熔融物料定量、定压、定温定量、定压、定温地地挤入机头挤入机头 ll4)4)机头机头-成型、定型成型、定型 机机头
5、头内内的的口口模模是是个个成成型型部部件件，物物料料通通过过它它便便获获得得一一定定截截面面的的几几何何形形状状和和尺尺寸寸。再再经经过过冷冷却却（或或硫硫化化）定型定型和其它工序，就得到成型好的制品。和其它工序，就得到成型好的制品。ll综上所述，挤出机的挤出过程可以归纳如下：综上所述，挤出机的挤出过程可以归纳如下：喂料喂料-输送输送-压实压实-熔融熔融-均化均化-挤出成型挤出成型22、参变量、参变量 ll描描写写挤挤出出过过程程的的参参变变量量有有温温度度、压压力力、流流率率（或或挤挤出出量量、产产量量）和和能能量量（或或功功率率）。有有时时也也用用物物料料的的粘粘度度表表示示，因因其其不不
6、易易直直接接测测得得，而而且且它它与与温温度度有有关关，故一般不用它来讨论挤出过程。故一般不用它来讨论挤出过程。ll下面我们就来对以上几个变量进行一下讨论：下面我们就来对以上几个变量进行一下讨论：ll11）温度）温度 温度是挤出过程得以进行的重要条件之一。如前所温度是挤出过程得以进行的重要条件之一。如前所述，物料从加人料斗到最后成型为制品是经历了一述，物料从加人料斗到最后成型为制品是经历了一个复杂的温度过程的。个复杂的温度过程的。（低（低-高）高）挤出过程和挤出理论ll如如果果我我们们以以物物料料沿沿料料筒筒方方向向的的位位移移为为横横坐坐标标。而而以以温温度度为为纵纵坐坐标标，将将沿沿料料筒
7、筒方方向向测测得得的的各各点点的的物物料料温温度值连成曲线，就会得到度值连成曲线，就会得到温度轮廓曲线温度轮廓曲线，如下图，如下图:挤出过程和挤出理论挤出过程和挤出理论ll实验告诉我们：实验告诉我们：ll加加工工不不同同物物料料和和不不同同制制品品，温温度度轮轮廓廓曲曲线线是是不不相相同同的的。ll加加工工相相同同物物料料和和相相同同制制品品，物物料料的的温温度度轮轮廓廓曲曲线线、料料筒筒的的温温度度轮轮廓廓曲曲线线和和螺螺杆杆的的温温度度轮轮廓廓曲曲线线也也是是不不相同的相同的。ll一一般般情情况况下下我我们们测测得得的的温温度度轮轮廓廓线线是是料料筒筒的的，而而不不是物料的，物料的温度测量
8、较难。是物料的，物料的温度测量较难。ll由由上上图图可可见见，螺螺杆杆的的温温度度轮轮廓廓线线比比料料筒筒的的温温度度轮轮廓廓线低，而比物料温度轮廓线高。线低，而比物料温度轮廓线高。挤出过程和挤出理论aa、热量来源热量来源 根据挤出理论和实践，物料在挤出过程中根据挤出理论和实践，物料在挤出过程中热量的来热量的来源源主要有两个：主要有两个：物料与物料之间物料与螺杆、料筒之间的剪切、摩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；擦产生的热量；料筒外部加热器提供的热量。料筒外部加热器提供的热量。bb、温度的调节、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温度的调节是靠挤出
9、机的加热冷却系统和控制系统进行的。一般说来：进行的。一般说来：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；段温度升得过高，相反有时要冷却；挤出过程和挤出理论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，为了促使物料熔融，均化，物料要升到较高的温度。均化，物料要升到较高的温度。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
10、有一条合适的温度轮廓曲线。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，料筒和螺杆的设计对挤出过程的热量的应当指出，料筒和螺杆的设计对挤出过程的热量的产生有很大影响。产生有很大影响。挤出过程和挤出理论CC、温度波动、温度波动上图所示的上图所示的温度轮廓线只是稳定挤出过程温度的宏温度轮廓线只是稳定挤出过程温度的宏观表示观表示。如果深入研究每一温度测示点的温度，就。如果深入研究每一温度测示点的温度，就会发现，会发现，即使在稳定的挤出过程中，其温度相对于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。定的
11、周期性。MDMD方向的温度不均匀性（轴向温度波动）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，我们称之为沿物料流动方向温度的波动情况，我们称之为物料物料流动方向的温度波动流动方向的温度波动（一般文献上记作（一般文献上记作MDMD方向的温方向的温度不均匀性）。波动情况因测试点不同会有不同。度不均匀性）。波动情况因测试点不同会有不同。有的波动达有的波动达1010左右。左右。挤出过程和挤出理论llTDTD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
12、之为各点之间的温度有时也不一致，我们称之为径向径向温差温差（一般文献中记作（一般文献中记作TDTD方向的温度不均匀性）。方向的温度不均匀性）。有的螺杆头部的径向温差竟达有的螺杆头部的径向温差竟达1010以上。以上。ll温度波动对挤出质量的影响温度波动对挤出质量的影响 制品产生残余应力、各点强度不均匀、表面灰暗制品产生残余应力、各点强度不均匀、表面灰暗无光泽等。无光泽等。ll努力方向努力方向是尽可能减少或消除这种波动和温差。是尽可能减少或消除这种波动和温差。ll产生这种波动和温差的原因产生这种波动和温差的原因：如加热冷却系统不稳定，螺杆转数的变化等，但如加热冷却系统不稳定，螺杆转数的变化等，但以
13、螺杆设计的好坏影响最大。以螺杆设计的好坏影响最大。挤出过程和挤出理论ll22）压力）压力llaa、压力的建立、压力的建立 挤挤出出成成型型时时，沿沿料料筒筒轴轴线线方方向向，在在物物料料内内部部要要建建立立起不同压力，主要由以下两个方面的因素造成的：起不同压力，主要由以下两个方面的因素造成的：ll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、料料筒筒上上的的沟沟槽槽深度变化、螺距的改变等深度变化、螺距的改变等）ll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。压压力力的的建建立立是是物物料料得得以以经经历历物物理理状状态态变变化化、得得到到均均匀匀密密实实的的熔熔体体、
14、并并最最后后得得到到成成型型制制品品的的重重要要条条件件之之一。一。挤出过程和挤出理论l b、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 压力值作为纵坐标，以料筒轴线为横坐 标作一曲线，即可 得到压力轮廓线。ll图中为常规三段螺杆和料筒加料段内壁不开沟槽的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）。始处（或其前后）。挤出过程和挤出理论ll影响各点压力数值和压力轮廓曲线形状的因素影响各点压力数值和压力轮廓曲线形状的因素很多：很多：机头、分流板、滤网的阻力；机头、分流板
15、、滤网的阻力；加热冷却系统；加热冷却系统；螺杆转数；螺杆转数；螺杆和料筒的结构螺杆和料筒的结构。ll研研究究挤挤出出过过程程的的压压力力轮轮廓廓曲曲线线对对挤挤出出过过程程的的了了解解和和改进螺杆、料筒的设计有着重要的意义。改进螺杆、料筒的设计有着重要的意义。挤出过程和挤出理论llcc、压力波动对制品的影响、压力波动对制品的影响 若若深深入入研研究究每每一一压压力力测测示示点点的的压压力力,也也会会发发现现，压压力力随随着着时时间间发发生生周周期期性性的的波波动动，这这种种波波动动对对制制品品的的质量同样有不利影响。比如：质量同样有不利影响。比如：ll压力的波动会造成压力的波动会造成流量的波动
16、流量的波动；ll会使制品会使制品径向尺寸变化不均径向尺寸变化不均；ll造成制品造成制品内部应力不均匀内部应力不均匀等。等。ll努力的方向努力的方向应当是应当是减少、消除这种波动。减少、消除这种波动。挤出过程和挤出理论ll33）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效率的高低。征着机器生产效率的高低。llaa、绝对流率、绝对流率（流量、产量）（流量、产量）用用QQ表表示示，为为公公斤斤/每每小小时时，代代表表挤挤出出机机每每小小时时的的生产能力。生产能力。llbb、比流率、比流率 用每转的流率用每转的流率
17、Q/nQ/n表示。表示。ll后后者者更更能能反反映映挤挤压压系系统统的的性性能能，应应当当作作为为衡衡量量挤挤出出机挤压系统性能的标准。机挤压系统性能的标准。挤出过程和挤出理论llcc、影响流率的因素、影响流率的因素 影响流率的因素：影响流率的因素：l l机头的阻力机头的阻力l l螺杆、料筒的设计螺杆、料筒的设计l l螺杆转数螺杆转数l l加热冷却系统加热冷却系统l l物料的性质等。物料的性质等。右图为在机头压右图为在机头压 力不变时，流率力不变时，流率 和螺杆转数的关和螺杆转数的关 系，它常用来研系，它常用来研 究挤出机的性能。究挤出机的性能。挤出过程和挤出理论dd、流率的波动、流率的波动
18、研研究究发发现现，流流率率也也有有波波动动。影影响响流流率率波波动动的的因因素素有有很多，如：很多，如：l l螺杆转速的稳定与否；螺杆转速的稳定与否；l l螺杆设计的好坏；螺杆设计的好坏；l l温控系统的性能；温控系统的性能；l l加料情况；等等。加料情况；等等。l l流流率率的的波波动动对对产产品品质质量量有有显显著著的的不不良良影影响响，如如造造成成挤出速度不均匀，而影响制品的几何形状和尺寸等挤出速度不均匀，而影响制品的几何形状和尺寸等挤出过程和挤出理论l l研究表明研究表明：温温度度波波动动，压压力力波波动动、流流率率波波动动都都是是挤挤出出过过程程的的反反映，它们不是孤立的，而是互相制
19、约、互相影响的。映，它们不是孤立的，而是互相制约、互相影响的。l l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、温度波动、压力波动。温度波动、压力波动。l l这这些些波波动动也也是是评评价价挤挤出出质质量量、挤挤压压系系统统好好坏坏的的标标准准之一。之一。挤出过程和挤出理论ll44）能量（功率）能量（功率）挤挤出出机机的的挤挤出出过过程程实实际际上上就就是是一一个个能能量量的的转转换换过过程程，并且遵守能量守恒定律。并且遵守能量守恒定律。l laa、能量平衡、能量平衡l l为了使物料熔融呈粘流态，必须供给为了使物料熔融呈粘流态，必须供给热能热能；l l为
20、为使使物物料料压压实实并并得得以以成成型型，物物料料必必须须具具有有一一定定的的压压力，即必须供给力，即必须供给压力能压力能。l l热热能能和和压压力力能能是是由由加加热热器器的的电电能能和和驱驱动动螺螺杆杆的的机机械械能能转化而来。转化而来。l l这这些些能能量量的的一一部部分分为为熔熔融融物物料料、成成型型制制品品所所利利用用。其余部分作为热损失而损失掉。其余部分作为热损失而损失掉。挤出过程和挤出理论l l其能量平衡方程式如下：其能量平衡方程式如下：Z+HJ=Qv(T2-T0)Z+HJ=Qv(T2-T0)CvJ+QvCvJ+QvP+HP+H 式中式中 ZZ-单位时间内由螺杆输入的机械能，单
21、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，物料由固态变为熔融状态所需之能，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 即：机械能即：机械能+热能热能=熔融热能熔融热能+压力能压力能+热量损失热量损失 H-H-外部热能外部热能,J-J-热功当量热功当量,QvQv-体积挤出量体积挤出量,T2-T2-挤出温度挤出温度 T0-T0-加料温度加料温度,-比重比重,CvCv-定容比热定容比热,P-P-挤出压力挤出压力挤出过程和挤出理论bb、比功率消耗、比功率消耗 比功率消耗这一比功率消耗这一 指标是作为评价指标是作为评价 挤出机性能的标挤出机性能的标 准之一，它的含准之一，它的含 义是义是每挤出一公每挤出一公 斤物料（制品）斤物料（制品）所消耗的功率。所消耗的功率。N/QN/Q它也是挤出过程的重要度量之一。它也是挤出过程的重要度量之一。在保证塑化质量在保证塑化质量和混炼质量的前提下，希望该值越小越好和混炼质量的前提下，希望该值越小越好。