挤出成型工艺介绍

　　挤出成型是高分子材料加工领域中变化众多、生产率高、适应性强、用途广泛、所占比重最大的成型加工方法。挤出成型是使高聚物的熔体(或粘性流体)在挤出机的螺杆或柱塞的挤压作用下通过一定形状的口模而连续成型，所得的制品为具有恒定断向形状的连续型材。

　　挤出成型工艺适合于所有的高分子材料。塑料挤出成型亦称挤塑或挤出模塑，几乎能成型所有的热塑性塑料，也可用于热固性塑料，但仅限于酚醛等少数几种热固性塑料，且可挤出的热固性塑料制品种类也很少。塑料挤出的制品有管材、板材、捧材、片材、薄膜、单丝、线缆包裹层、各种异型材以及塑料与其他材料的复合物等。目前约50%的热塑性塑料制品是挤出成型的。

　　此外挤出工艺也常用于塑料的着色、混炼、塑化、造粒及塑料的共混改性等，以挤出为基础，配合吹胀、拉伸等技术则发展为挤出--吹塑成型和挤出--拉幅成型制造中空吹塑和双轴拉伸薄膜等制品。可见挤出成型是塑料成型最重要的方法。

　　橡胶的挤出成型通常叫压出。橡胶压出成型应用较早，设备和技术也比较成熟，压出是使胶料通过压出机连续地制成各种不同形状半成品的工艺过程，广泛用于制造轮胎胎面、内胎、胶管及各种断面形状复杂或空心、实心的半成品，也可用于包胶操作，是橡胶工业生产中的一个重要工艺过程。

　　在合成纤维生产中，螺杆挤出熔融纺丝，是从热塑性塑料挤出成型发展起来的连续纺丝成型工艺，在合成纤维生产中占有重要的地位。

　　2、成型：在挤出机螺杆的旋转推挤作用下，通过具有一定形状的口模，使粘流态物料成为连续的型材。

　　高分子三大合成材料的挤出成型所用的设备和加工原理基本上是相同的。鉴于挤出理论和工艺技术等方面的研究较多以塑料挤出为基础，近年来塑料挤出无论是设备还是工艺的发展，其深度和广度都有较大的提高，故本章以论述塑料挤出为重点，对橡胶压出和合成纤维的螺杆挤出纺丝，结合其本身的特点和制品的性能要求进行讨论。

　　螺杆挤出机又可分为单螺杆挤出机和多螺杆挤出机，目前单螺杆挤出机是生产上用得最多的挤出设备，也是最基本的挤出机。多螺杆挤出机中双螺杆挤出机近年来发展最快，其应用也逐渐广泛。

　　柱塞式挤出机是借助柱塞的推挤压力，将事先塑化好的或由挤出机料筒加热塑化的物料从机头口模挤出而成型的。物料挤完后柱塞退回，再进行下一次操作，中产是不连续的，而且挤出机对物料没有搅拌混合作用，故生产上较少采用。但由于柱塞能对物料施加很高的推挤压力，只应用于熔融粘度很大及流动性极差的塑料，如聚四氟乙烯和硬聚氯乙烯管材的挤出成型。

　　单螺杆挤出机是由传动系统、挤出系统、加热和冷却系统、控制系统等几部分组成。此外，每台挤出机都有一些辅助设备。其中挤出系统是挤出成型的关键部分，对挤出成型的质量和产量起重要作用。挤出系统主要包括加料装置、料筒、螺杆、机头和口模等几个部分。

　　挤出成型的供料一般采用粒状科、粉状料和带状料。加料装置是保证向挤出机料筒连续供料的装置，形如漏斗、有圆锥形和方锥形，亦称料斗。料斗的底部与料筒连接处是加料孔，该处有截断装置，可以调整和截断料流。

　　在加料孔的周围有冷却夹套，用以防止高温料筒向料斗传热，避免料斗内塑料升温发粘而引起加料不均和料流受阻情况发生。料斗的侧面有玻璃视孔及标定计量的装置。有些料斗还有可以防止塑料从空气中吸收水分的预热干燥和真空减压装置，以及带有能克服粉状塑料产生”架桥”现象的搅拌器及能够定时定量自动上料或加料的装置。

　　又叫机筒，是一个受热受压的金属圆筒。物料的塑化和压缩都是在料筒中进行的。挤出成型时的工作温度一般在180~290℃。料筒内的压力可达55MPa。在料筒的外面设有分段加热和冷却的装置，以便对塑料加热和冷却。加热一般分三至四段，常用电阻或电感应加热，也有采用远红外线加热的。冷却的目的是防止塑料的过热或停车时须对塑料快速冷却，以免塑料的降解。冷却一般用风冷或水冷。料筒要承受很高的压力，故要求具有足够的强度和刚度，内壁光滑。料筒一般用耐磨、耐腐蚀、高强度的合金钢或碳钢内衬合金钢来制造。

　　螺杆是挤出机最主要的部件，通过螺杆的转动，对料筒内塑料产生挤压作用，使塑料发生移动，得到增压，获得由摩擦产生的热量。螺杆的结构形式对挤出成型合重要的影响，直接关系到挤出机的应用范围和生产率。

　　螺杆是一根笔直的有螺纹的金属圆棒。螺杆是用耐热、耐腐蚀、高强度的合金钢制成的，其表面应有很高的硬度和光洁度，以减少塑料与螺杆的表面摩擦力，使塑料在螺杆与料筒之间保持良好的传热与运转状况。

　　螺杆的中心有孔道，可通冷却水，目的是防止螺杆因长期运转与塑料摩擦生热而损坏，同时使螺杆表面温度略低于料简，防止物料粘附其上，有利物料的输送。

　　螺杆用止推轴承悬支在料筒的中央，与料筒中心线吻合，不应有明显的偏差。螺杆与料筒的间隙很小，使塑料受到强大的剪切作用而塑化。

　　螺杆的几何结构参数有直径、长径比、压缩比、螺槽深度、螺旋角、螺杆与料筒的间隙等，对螺杆的工作特性有重大的影响。

　　(1)螺杆直径Ds：指其外径，通常在30~200mm之间，最常见的是60~150mm。随螺杆的直径增大，挤出机的生产能力提高，所以挤出机的规格常以螺杆的直径大小表示。

　　(2)螺杆的长径比L/Ds：指螺杆工作部分的有效长度L与直径Ds之比，此值通常为15~25，但近年来发展的挤出机有达40的，甚至更大。L/Ds大，能改善塑料的温度分布，混合更均匀，并可减少挤出时的逆流和漏流，提高挤出机的生产能力。L/Ds过小，对塑料的混合和塑化都不利。因此，对于硬塑料、粉状塑料或结晶型塑料要求塑化时间长，应选较大的L/Ds。L/Ds大的螺杆适应性强，可用于多种塑料的挤出。但L/Ds大大，对热敏性塑料会因受热时间大长而易分解，同时螺杆的自重增加，制造和安装都困难，也增大了挤出机的功率消耗。目前，L/Ds以25居多。

　　(3)螺杆的压缩比A：指螺杆加料段第一个螺槽的容积与均化段最后一个螺槽的容积之它表示塑料通过螺杆的全过程被压缩的程度。

　　A愈大，塑料受到挤压的作用也就愈大，排除物料中所含空气的能力就大。但A太大，螺杆本身的机械强度下降。压缩比一般在2~5之间。

　　压缩比的大小取决于挤出塑料的种类和形态，粉状塑料的相对密度小，夹带空气多，其压缩比应大于粒状塑料。另外挤出薄壁状制品时，压缩比应比挤出厚壁制品。

　　压缩比的获得主要采用等距变深螺槽、等深度变距螺槽和变深变距螺槽等方法，其中等距变深螺槽是最常用的方法。

　　(4)螺槽深度H：螺槽深度影响塑料的塑化及挤出效率，H小时，对塑料可产生较高的剪切速率，有利于传热和塑化，但挤出生产率降低。

　　热敏性塑料〔如PVC)宜用深槽螺杆，而熔体粘度低和热稳定性较高的塑料(如PA等)宜用浅槽螺杆。沿螺杆袖向各段的螺槽深度通常是不等的，加料段的短槽深度H1是个定值，一般H10.1Ds；压缩段的螺槽深H2是个变化值；均化段的短槽深H3是个定值，按经验H3=0.02~0.06Ds。

　　(5)螺旋角q：是螺纹与螺杆横截面之间的夹角，随着q的增大，挤出机的生产能力提高，但螺杆对塑料的挤压剪切作用减少。通常q介于10~300之间，螺杆中沿螺纹走向，螺旋角大小有所变化。

　　(6)螺纹棱部宽度：螺棱宽E大小会使漏流增加，导致产量降低，对低粘度的熔体更是如此；E太大会增加螺棱上的动力消耗，有局部过热的危险。一般取E=0.08~0.12Ds。在螺杆的根部取大值。

　　(7)螺杆与料筒的间隙d：其大小影响挤出机的生产能力和物料的塑化。d值大，生产效率低，且不利于热传导并降低剪切速率，不利于物料的熔融和混合。但d过小时，强烈的剪切作用易引起物料出现热力学降解。—般d＝0.1~0.65mm为宜，对大直径螺杆，取d＝0.002Ds，小直径螺杆，取d=0.005Ds。

　　2)传热塑化物料：螺杆与料筒配合使物料接触传热面不断更新，在料筒的外加热和螺杆摩擦作用下，物料逐渐软化，熔融为粘流态。

　　3)混合均化物料：螺杆与料筒和机头相配合产生强大剪切作用，使物料进一步均匀混合，并定量定压由机头挤出。

　　螺杆对物料所产生的作用在螺杆的全长范围内各段是不同的。根据物料在螺杆中的温度、压力、粘度等的变化特征，可将螺杆分为加料段、压缩段和均化段三段。

　　(1)加料段：加料段的作用是对料斗送来的塑料进行加热，同时输送到压缩段。塑料在该段螺槽始终保持固体状态。

　　加料段的长度随塑料品种而异，挤出结晶型热塑性塑料的加料段要求较长，使塑料有足够的停留时间，慢慢软化，该段约占螺杆全长的60%~65%。挤出无定形塑料的加料段较短，约占螺杆全长的10%~25%。但硬质无定形塑料也要求长一些，软质无定形塑料则较短。

　　加料段螺杆对塑料一般没有压缩作用，故螺距和螺槽的深度都可以保持不变，螺槽深度也较探，因此加料段通常是等深等距的深槽螺纹螺杆。

　　(2)压缩段：又叫相迁移段，其作用是对加料段送来的料起挤压和剪切作用，同时使物料继续受热，由固体逐渐转变为熔融体，赶走塑料中的空气及其他挥发成分，增大塑料的密度，塑料通过压缩段后，应该成为完全塑化的粘流状态。

　　压缩段的长度与塑料的性质、塑料的压缩率有关。无定形塑料压缩段较长，为螺杆全长的55%~65%，熔融温度范围宽的塑料其压缩段最长，如聚氯乙烯挤出成型用的螺杆，压缩段为螺杆全长的100%，即全长均起压缩作用，这样的螺杆叫做渐变螺杆。结晶型塑料，熔融温度范围较窄，压缩段较短，为3~5Ds。某些熔化温度范围很窄的结晶型塑料，如尼龙等，其压缩段更短，甚至仅为一个螺距的长度，这样的螺杆叫做突变螺杆。

　　(3)均化段：又叫计量段，其作用是将塑化均匀的物料在均化段螺槽和机头回压作用下进一步搅拌塑化均。