复合式塑料挤出机的设计.doc

1、1 概 论1.1 塑料挤出成型及发展概述挤出成型技术作为聚合物加工技术之一，是伴随聚合物加工工业技术的发展而成长的。20世纪50年代，石油化工的发展使得高分子工业迅速成熟；60年代，塑料、橡胶、化纤三大合成材料的生产向规模化转变；70年代，世界合成高分子材料在总体积上已超过了金属材料。聚合物只有通过成型加工才能成为有使用价值的制品。成型加工是高分子材料不可缺少的生产环节。挤出成型是热塑性塑料的主要成形方法之一，它可以成型各种塑料管材、棒材、板材、薄膜以及电线电缆等，也可以对塑料进行塑化、混合、造粒、脱水及喂料等，还可用于半成品加工。挤出成型是目前比较普遍的塑料成型加工方法之一，挤出成型的塑料产

2、品产量约占所有塑料产品产量的60%。挤出成型的加工过程是将固态塑料在一定温度和压力条件下熔融塑化利用挤出机的螺杆旋转加压，使其通过特定形状的口模而成为截面与口模形状相仿的连续型材料。挤出成型适用于所有的热塑性塑料及部分热固性塑料的加工，例如聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚丙烯碃等热塑性塑料，还有酚醛、尿醛等热固性塑料。挤出成型的质量取决于挤出模具，模具结构设计的合理性是保证成型质量的决定性因素。螺杆挤出工艺装备逐步取代了一些由多台经典化工装备组成的生产线。连续生产代替间歇生产，必然有较高的生产率和较低的能耗，减少生产面积和操作人员数量，降低生产成本，也易于实现生产自动化，

3、创造好的劳动条件和减少少的环境污染。与此同时，螺杆的搅拌作用也提高了混合质量。自现代单螺杆挤出机出现至今的几十年里，可加工的聚合物种类，制品的结构、形式不断扩大，使得包括挤出成型工艺，成型设备，研究开发新产品、新工艺的手段全面推进。螺杆挤出这种工艺不仅广泛地用于聚合物加工，而且在建材、食品、纺织、军工、和造纸等工业部门中都得到了愈来愈多的应用。1.2 塑料挤出成型设备的组成一套完整的挤出设备由主机、辅机及控制系统组成。1.2.1 主机挤出机是塑料挤出成型的主要设备，即主机。由挤压系统、传动系统及加热冷却系统和主机控制系统组成。 挤压系统 是挤出机的关键部分，主要由机筒、螺杆和料斗组成。对于一般

4、热塑性，通过挤压系统，物料被塑化成为均匀的熔体；这一过程中所建立的压力，再被螺杆连续、定温、定压、定量地压出机头。 传动系统 其作用是驱动螺杆，保证螺杆在工作过程中所需要的扭矩和转速。 加热冷却系统。保证物料和挤压系统在成型加工中的温度范围内进行。 控制系统 主要由仪表、电器及执行机构组成。作用是调节控制机筒温度、机头压力和螺杆转速。1.2.2 辅机 挤出机需配置相应的辅助机械设备才能实现挤出成型。根据制品的种类确定辅助设备的组成。通常包括：机头、定型装置、冷却系统、牵引装置、切割装置和卷取装置等。 机头。它是制品成型的主要部件，当机头口模的出料口截面形状不同时，便可得到不同的制品。 定型装置

5、 。它的作用是将从口模挤出的物料的形状和尺寸进行精整，并将它们固定下来，从而得到具有更为精确的截面形状、表面光亮的制品。 冷却装置 。从定型装置出来的制品，在冷却装置中充分地冷却固化，从而得到最后的形状。 牵引装置 它的作用是均匀的牵引制品，使挤出过程稳定。 切割装置 它的作用是将挤出的连续硬制品切成所需长度及宽度。 卷取装置 它用来将切成一定长度的硬制品整齐的堆放，或将软制品卷绕成卷。1.2.3 控制系统 由各种电器、仪表及执行机构组成。它的主要作用是：控制主、辅机的驱动电机，使其按操作要求的转速和功率运转，并保证主、辅机协调运行；控制主、辅机的温度、压力、流量和制品的质量；实现全机组的自动

6、控制。1.3 挤出机的分类1.3.1分类方法随着挤出机的广泛应用和不断的发展，出现了各种类型的挤出机，其分类方法有很多种：1）按螺杆数目的多少和结构可分为：无螺杆挤出机、单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、多螺杆挤出机。单螺杆挤出机又有普通型、部分型和排气式三种机型；双螺杆挤出机又可分为异向旋转（亦有向内或向外异向旋转之分）、同向旋转和双螺杆反应器三种机型。此外还有单螺杆和双螺杆组合的T型机、双螺杆和单螺杆与齿轮泵组合的串联挤出机以及单螺杆与多螺杆组合而成的行星挤出机。2）按可否排气可分为：排气挤出机和非排气挤出机。3）按螺杆转速可分为：普通挤出机、高速挤出机和超高速挤出机4）按用途可分为：配混造粒挤

7、出机和生产制品用挤出机。5）按装置位置可分为：立式挤出机和卧式挤出机。6）按喂料方式可分为：冷喂料挤出机和热喂料挤出机等。1.3.2 各挤出机的结构特点及用途(1) 部分型单螺杆挤出机该机型的特点是机筒沿轴线剖分，清理机器极为方便和省时，主要用于热固性塑料（如酚醛塑料、粉末涂料等）的加工。特别是当突然停电或机器发生故障时，便于机内热固性塑料的清除。（2）普通型单螺杆挤出机普通型单螺杆挤出机，造价低、易操作，但塑料混合、分散和均化效果差，滞留时间长且分布广，物料温差较大（指同一断面处）和难以吃粉料。因此，它只适用于一般性造粒和塑料制品的加工。目前，欧美等国单螺杆挤出机应用的比例是： 片材，平膜

8、10% 异型材 20% 发泡材料 3040% 吹塑 100% 电缆 100% 单丝 100% 配混（双级机） 10%（3）排气式挤出机排气式挤出机是具有排除气体功能的塑料挤出机。它的主要特点是机筒中部位置设置有排气口，并设置抽真空系统。排气式挤出机能排除固体粉料和粒料间带入机内的空气、吸附的水分以及固体粉料或粒料内部含有的气体、残留单体、低沸点增塑剂以及低分子挥发物等。它是用于聚合物、塑料（树脂）挤出造粒时需要排除原料中各种气体、液体、挥发物的加工，如硬聚氯乙烯、尼龙、ABS、聚甲醛等。排气式挤出机的生产率和运转特性取决于螺杆的构造、运转条件。（4）同向双螺杆挤出机双螺杆挤出机的特征是两根相互

9、平行的组合式螺杆装在具有8字形孔的机筒内。如果两根螺杆旋转方向相同，称为同向型双螺杆挤出机。根据两根螺杆的啮合型式不同，可分为啮合型和非啮合型两种，常用的为啮合型。近年来，双螺杆挤出机的应用领域不断拓宽，应用的数量也不断得增加，其原因在于高性能塑料、塑料合金的发展，特别是双螺杆挤出机的优越性日益被人们所认识。选用双螺杆挤出机的优越性： 生产能力大，根据理论计算，在同螺杆直径下，双螺杆挤出机生产量能达到单螺杆挤出机的4倍（实测为24倍）。 能耗低，双螺杆挤出机的单位能耗仅约为单螺杆挤出机的1/31/2左右。 产品质量好，由于双螺杆挤出机的塑化、混炼性能好，在保证产品强度的条件下，原材料的消耗量下

10、降约1/41/5。在相同螺杆直径下，尽管双螺杆挤出机的初投资要高于单螺杆挤出机70%300%，但按产量而言则大体相同。因此，双螺杆挤出机的应用范围在不断的扩大，使用量也逐年上升。双螺杆挤出机在欧美国家中应用的比例：管材 100% 板材 90%造粒 100% 异型材 80% 平膜片材 90% 发泡材 60%70% 同向双螺杆挤出机的显著特点是高效能和多功能。高效能集中于高混炼、高扭矩、低能耗，特别适合工程塑料的共混改性、填充、增韧、增强。多功能表现为螺杆的多种功能的组合，组成不同功能的螺杆形式，以适应不同塑料、树脂的挤出，特别是高性能对树脂和塑料合金的加工。双螺杆挤出机主要用于配混、改性、排气、

11、蒸发、反应等工艺。排气式同向双螺杆挤出机，适用于湿粉（含水量在35%以下的粉料）造粒，特点为加热、脱水、干燥与物料塑化相结合进行。据粗略估算，用湿粉直接造粒比干粉造粒能耗降低50%左右。（5）锥形双螺杆挤出机锥形双螺杆挤出机为啮合形，异向旋转，两根螺杆是锥形的，料筒上的两孔也是锥形的。它的输送原理与啮合平行异向旋转双螺杆是一致的。如果螺槽纵横向皆封闭，其输送为正位移输送，如果纵横向有一定开放，则会丧失一部分正位移输送能力，但会加大混合。从螺杆区段上看，它也类似于平行双螺杆，有加料区、固体输送区、压缩区、排气区、混合区、熔体输送区。但与啮合异向平行双螺杆相比，它还有以下特点。 不论螺槽是等深等距

12、，还是不等深不等距，由于由加料段到排料端螺杆直径逐渐变小，故螺槽容积逐渐变小，这就使加料段可以加大较大体积的松密度粉料，如PVC粉料挤出管材和异型材的加工。 加料段机筒和螺杆面积较大，有利于热传导。 随着物料向前输送，螺槽容积变小，使物料得到压缩。 虽然整根螺杆转速一样，但由于直径逐渐变小，故螺杆圆周速度沿螺杆轴线自加料口到计量段逐渐变小；物料在输送中升温，逐渐软化，受到的剪切摩擦也逐渐变小，这种变化是缓和的。在排料段，已熔融、塑化，不需要进一步承受高的剪切，锥形双螺杆排料段圆周速度最小，产生的剪切较低，摩擦热也较小，正好满足此要求，这特别适合于那些在塑化状态下对剪切敏感、易分解物料的挤出，如

13、硬PVC。 从设计制造角度，由于锥形双螺杆系统刚度大，载荷作用下，螺杆间不会有相对位移。后部空间大，轴承易布置。但机筒的锥孔和锥形螺杆的加工难度较大，螺杆一般制成整体式，积木组合式的结构难以实现。（6）异径双螺杆挤出机它有两种型式：一种是螺杆直径由大变小，另一种是螺杆直径由小变大，则另。第一种锥型双螺杆挤出机的特点是：料温低、剪切发热少，适于加工热敏性塑料。它可直接用于干粉料不经造粒直接挤出管材、异型材等，具有劳动生产率高、工艺稳定、成本低、产品质量好、易操作等优点。第二种是由螺槽较浅和螺杆直径较小的机型与另一螺槽较深和螺杆直径较大的机型组成，两者的中心距相等。这种机型适用于要求低剪切速率、低

14、剪切力的塑料和共混改性时难以填加的物料，如低松密度的粉末（如炭黑或纤维）以及在限定的熔体温度下脱除聚合物中的挥发组分得到含有很低单体残余量的物质。（7）异向双螺杆挤出机异向双螺杆挤出机的显著特点是：物料的输送能力和挤出能力比同向双螺杆挤出机的强，在同螺杆直径下，挤出量比同向挤出机一般高1倍左右，物料在机筒内的滞留时间比同向机要短，并且剪切发热小，温差小，物料温度分布十分均匀，物料分散充分。利用异向挤出机挤出管材时，在异向螺杆径向上的温差仅23摄氏度，而单螺杆则高达10摄氏度，温差小有利于提高塑料制品的质量。因此，它十分适宜加工稳定温度低的聚氯乙烯无毒配方，并且可减少稳定剂用量50%左右，这样不

15、仅降低成本，而且有利于提高塑料制品的物性，特别是冲击性能提高。据资料介绍，物料在异向双螺杆挤出机筒中平均停留的时间仅为单螺杆的1/2左右，停留时间分布范围仅为单螺杆的约1/5。因此，对加工热敏性塑料十分有利。欧美国家目前在加工聚氯乙烯制品时，一般都选用向外异向双螺杆挤出机。异向双螺杆挤出机主要用于电料及中空吹瓶料的造粒和硬聚氯乙烯波纹管、型材、管材、板（片）材等的挤出成型。据称用它生产的R-PVC制品比用单螺杆挤出机物性有很大提高，其抗拉强度可提高10%，弯曲强度高20%，无缺口冲击强度提高约60%，缺口冲击强度提高近1倍。 （8）多螺杆挤出机 配备两根以上螺杆的挤出机统称多螺杆挤出机。使用较多的是行星螺杆挤出机和四螺杆挤出机。我国已开发出四螺杆反应混炼机。它综合了捏合机、密炼机、螺杆挤出机、缩聚反应器、混炼机、研磨机的特点。本机型适用于塑料合金、改性塑料、色母料和填充母料等。（9）行星螺杆挤出机这种挤出机的挤压系统分两段，第一段为常规螺杆，第二段为行星螺杆，此段螺杆由多根螺杆组成，中心一根是主螺杆，在其周围排列着与