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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。
(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。
为了得到较好的挤出质量,要求物料尽可能避免局部受热时间过长而产生热降解现象,能平稳地从螺杆进入机头,这与螺杆头部的形状有很大关系。螺杆头部一般设计为锥形成半圆形,以防止物料在螺杆头部滞流过久而分解。锥形头部的角度一般为1200。,对PVC等热敏性塑料,锥角为600。有的螺杆均化段是一段平行的杆体,常称为鱼雷头或平推头,其直径比前段螺槽根径略大,表面是光滑的,但也可有凹槽或浪花,甚至有锥形的突棱。鱼雷头螺杆具有搅拌和节制物料、消除料流脉动现象等作用,并能增大物料的压力,降低料层厚度,改善物料传热,进一步提高塑化效率。这种螺杆主要用于挤出粘度较大、导热性不良或有较明显熔点的塑料,如PS、有机玻璃、纤维素等。
由高分子物理学知道,高聚物存在三种物理状态,即玻璃态、高弹态和粘流态,在一定条件下,这三种物理状态会发生相互转变。固态塑料由料斗进入料筒后,随着螺杆的旋转而向机头方向前进,在这过程中,塑料的物理状态是发生变化的。根据塑料在挤出机中的三种物理状态的变化过程及对螺杆各部件的工作要求,通常将挤出机的螺杆分成加料段(固体输送区)、压缩段(熔融区)和均化段(熔体输送区)三段。对于这类常规全螺纹三段螺杆来说,塑料在挤出机中的挤出过程可以通过螺杆各段的基本职能及塑料在挤出机中的物理状态变化过程来描述。
固体输送理论是以固体对固体的摩擦静力平衡为基础建立起来的。该理论认为物料与螺槽和料简内壁所有面紧密接触,形成具有弹性的固体塞子,并以一定的速率移动。物料受螺杆旋转时的推挤作用向前移动可以分解为旋转运动和轴向水平运动,旋转运动是由于物料与螺杆之间的摩擦力作用被转动的螺杆带着运动,轴向水平运动则是由于螺杆旋转时螺杆斜棱对物料的推力产生的轴向分力使物料沿螺杆的轴向移动。旋转运动和轴向运动的同时作用的结果,使物料沿螺槽向机头方向前进。
(1)熔化过程:当固体物料从加料段进入压缩段时,物料是处在逐渐软化和相互粘结的状态,与此同时越来越大的压缩作用使固体粒子被挤压成紧密堆砌的固体床。固体床在前进过程中受到料简外加热和内摩擦热的同时作用,逐渐熔化。首先在靠近料筒表面处留下熔度层,当熔膜层厚度超过料筒与螺棱之间隙时,就会被旋转的螺棱刮下并汇集于螺纹推力面的前方,形成熔他,而在螺棱的后侧则为固体床。随着螺杆的转动,来自料筒的外加热和熔膜的剪切热不断传至来熔融的固体床,使与熔膜接触的固体粒子熔融。在沿螺槽向前移动的过程中,固体床的宽度逐渐减小,直至全部消失,即完成熔化过程。
(3)熔化长度:挤出过程中,在加料段内是充满未熔融的固体粒子,在均化段内则充满着已熔化的物料,而在螺杆中间的压缩段内固体粒子与熔融物共存,物料的熔化过程就是在此区段内进行的,故压缩段又称为熔化区。在熔化区,物料的熔融过程是逐渐进行的,自熔化区始点A开始,固体床的宽度将逐渐减小,熔池的宽度逐渐增加,直到熔化区终点B,固体床的宽度下降到零,进入均化段,固体床消失,螺槽全部充满熔体。从熔化开始到固体床的宽度降到零为止的总长度,称为熔化长度。
首先将挤出机加热到预定的温度,然后开动螺杆,同时加料。初期挤出物的质量和外观都较差,应根据塑料的挤出工艺性能和挤出机机头口模的结构特点等调整挤出机料筒各加热段和机头口模的温度及螺杆的转速等工艺参数,以控制料筒内物料的温度和压力分布;根据制品的形状和尺寸的要求,调整口模尺寸和同心度及牵引等设备装置,以控制挤出物离模膨胀和形状的稳定性,从而达到最终控制挤出物的产量和质量的目的,直到挤出达到正常状态即进行正常生产。
热塑性塑料挤出物离开机头口模后仍处在高温熔融状态,具有很大的塑性变形能力,应立即进行定型和冷却。如果定型和冷却不及时,制品在自身的重力作用下就会变形,出现凹陷或扭曲等现象。根据不同的制品有不问的定型方法、大多数情况下,冷却和定型是同时进行的,只有在挤出管材和各种异型材时才有—个独立的定型装置,挤出板材和片材时,往往挤出物通过一对压辊,也是起定型和冷却作用,而挤出薄膜、单丝等不必定型,仅通过冷却便可以了。
目前,国内以聚氯乙烯为主,下面就以硬聚氯乙烯管材作简单介绍。管材挤出的基本工艺是:由挤出机均化段出来的塑化均匀的塑料,经过过滤网、粗滤器而达分流器,并为分流器文架分为若干支流,离开分流器文架后再重新汇合起来,进入管芯口模间的环形通道,最后通过口模到挤出机外而成管子,接着经过定径套定径和初步冷却,再进入冷却水槽或具有喷淋装置的冷却水箱,进一步冷却成为具有一定口径的管材,最后经由牵引装置引出并根据规定的长度要求而切割得到所需的制品。
管芯(型芯)是挤出的管材内表向的成型部件,随管子型祥不同有不同的形式,一股为流线型,以便粘流态塑料的流动。管芯通常是早分流器支架处与分流器连接。粘流由塑料经过分流器支架后进入管芯与口模之间,管芯经过一定的收缩成为平直的料道。管材的内外径应分别等于管芯的外径和口模的内径,但实际上从口模出来的管材由于牵引和冷却收缩等因素,将使管子的截面缩小一些:另一方面,在管材离开口模后,压力降低,塑料因弹性恢复而膨胀。挤出管子的收缩及膨胀的大小与塑料性质、离开口模前后的温度、压力及牵引速度等有关,管材最终的尺寸必须通过定径套冷却定型和牵引速度的调节而确定。
在机头处有通入压缩空气的气道,通入气体使管坯吹胀成膜管,调行压缩空气的通入里可以控制膜管的膨胀程度。由于吹塑和牵仲的同时作用,使挤出的管坯在纵横两个方向都发生取向,使吹塑薄膜具有一定的机械强度。因此,为了得到纵横向强度均等的薄膜,其吹胀比和牵伸比最好是相等的。不过在实际生产中往往都是用同一环形间隙口模,靠调节不同的牵引速度来控制薄膜的厚度,故吹塑薄膜纵横向机械强度并不相同,一般都是纵向强度大干横向强度。
橡胶挤出(习惯上叫橡胶压出)是在压出机(挤出机)中对混陈胶加热与塑化,通过螺杆的旋转,使胶料在螺杆和机筒筒壁之间受到强大的挤压作用,不断向前推进,并借助于口型(口模)压出具有一定断面形状的橡胶半成品。在橡胶制品工业中,压出的应用面很广,如轮胎的胎面、内胎、胶管、胶带、电线电缆外套以及各种异形断面的连续制品都可以用压出成型来加工。此外,它还可用于胶料的过滤、造粒,生胶的塑炼以及上下工序的联动,如在热炼与压延成型之间,压出起到前后工序衔接作用。
经过冷却后的半成品,有些(如胎面)需经定长、裁断、称量等步骤,然后接取停放。有些(如胶管、胶条等)半成品冷却后可卷在容器或绕盘上停放。近年来发展了冷喂料压出工艺,该工艺在压出前胶料不必预热,胶料直接在室温条件下以胶条或胶粒形式加入压出机中。冷喂料压出机在构造上的特点是:螺杆长径比较长,机身也较普通压出机长。冷喂料压出工艺的主要优点是;省掉了热炼工序,降低劳动成本,设备投资小,料温控制较好,能处理更广泛品种的胶料,产品质量也能提高,且有利于自动化生产。
各种橡胶压出工艺性能有所不同。天然橡胶的压出速度比合成胶快,压出后半成品的收缩性较小;顺丁胶的压出性能接近天然胶,但其弹性较大,压出膨胀率比天然胶和丁苯胶都大,且压出的半成品表面易产生裂纹;丁苯胶的压出速度宜慢些,其压出后膨胀和收缩变形都比天然胶大;丁腈胶的压出工艺性能不好,胶料中应增加软化剂的用量,以利操作的顺利进行;氯丁胶的压出性能类似天然胶,但容易焦烧。胶料中含胶量大时,压出速度慢,半成品收缩率大,表面不光滑。
为了适应聚合物加工中混合工艺的要求,特别是硬聚氯乙烯粉料的加上。双螺扦挤出机自20世纪参数图片)30年代后期在意人利开发后.经过半个多世纪的不断改进和完善,得到厂很大的发展。在国外,目前双螺杆挤出机已广泛应用于聚合物加工领域,已出全部挤出机总数的40%。硬聚氯乙烯粒料、管材、异型材、板材几乎都用双螺杆挤比机加工成型的。作为连续混合机,双螺杆挤出机已广泛用来进行聚合物共混、填充和增强改性,也用来进行反应挤出。近20年来,高分子材料共混和反应性挤出技术的发展进一步促进了双螺杆挤出机数量和类型的增加。
用于型材挤出的双螺杆挤出机通常是紧密啮合且异向旋转的,虽然少数也有使用同向旋转式双燥杆挤出的,转式双螺杆挤出的,一般在比较低的螺杆速度下操作,约在10r/min范围内。高速啮合同向旋转式双螺杆挤出机用于配混、排气或作为连续化学反应器,这类挤出机最大螺杆速度范围在300~600r/min。非啮合型挤出机用于混合、排气和化学反应,其输送机理与啮合型挤出机大不相同,比较接近于单螺杆挤出机的输送机理,虽然二者有本质上的差别。