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塑料螺杆挤出机的工作原理介绍橡塑机械,浅谈

2019-09-01 15:57

反应挤出成型技术是可以实现高附加值、低成本的新技术,已经引起世界化学和聚合物材料科学与工程界的广泛关注。传统的高分子工业生产中,高分子材料的制备和加工成型是两个不同的工艺过程。这导致高分子制品生产工艺流程长、能耗高、环境污染问题严重,从而增加了制造成本。合成的聚合物再通过挤出、注射、吹塑或压延等成型工艺获得最终的制品,但聚合物在此过程中二次熔融的能源消耗,增加了并非必要的生产成本。

第七章 挤出成型

  1. 概述
  • 用途广、比重大、变化多
  • 描述:螺杆挤压通过口模,断面恒定、连续型材
  • 材料:橡胶、纤维、塑料
  • 功能:混炼、上色、造粒、改性、吹胀、拉伸
  1. 工艺特点
  • 连续成型
  • 外观简单
  • 质量均匀(各向异性小)
  • 适应性强(材料、功能)
  1. 过程
  2. 设备
  • 螺杆
  • 柱塞

螺杆的挤出机是塑料成型加工最主要的设备之一,它通过外部动力传递和外部加热元件的传热进行塑料的固体输送、压实、熔融、剪切混炼挤出成型。螺杆挤出机自诞生以来,经过近百年的发展,已由普通螺杆挤出机发展为新型螺杆挤出机。尽管新型螺杆挤出机种类繁多,但就挤出机理而言,基本是相同的。传统螺杆挤出机挤出过程,是靠机筒外加热、固体物料与机筒、螺杆摩擦力及熔体剪切力来实现的。“摩擦系数”和“摩擦力”,“粘度”和“剪应力”是影响传统螺杆挤出机工作性能的主要因素,由于影响“摩擦”和“粘度”的因素十分复杂,因此,传统螺杆挤出机挤出过程是一个非稳定状态,难以控制,对某些热稳定性差、粘度高的热敏性塑料尤为突出。自60年代以来,世界上各国学者对螺杆挤出机理进行了大量研究,也取得了明显的成就,但由于他们的研究大多局限于传统塑料挤出成型机理、机械结构形式和换能方式,因而一直未能取得重大突破。传统螺杆挤出机所存在的如体积庞大、能耗高、噪音大、产品质量提高难等一系列缺点没有得到根本解决。

反应挤出成型技术将聚合物的改性、合成与聚合物加工这些传统工艺分开的操作联合起来。

第一节 单螺杆挤出机的基本结构和作用原理

挤出机的组成:传动系统、挤出系统、加热冷却系统、控制系统、附属装置
挤出系统:加料、料筒、螺杆、机头、口模

  1. 料斗
  • 加热
  1. 料筒
  • 分段
  • 加热冷却
  1. 螺杆
  • 螺杆结构
    • 三段:加料、压缩、熔融(均化)
  • 几个参数
    • 螺杆直径 D
    • 螺杆长径比 L/D_s
    • 螺杆压缩比 A
      第一和最后螺槽容积之比
    • 螺槽深度 H
    • 螺旋角 $theta$
    • 螺杆与料筒间隙 $delta$
  • 螺杆的作用
    • 输送物料 加料段
    • 传热塑化 压缩段
    • 混合均化物料 均化段
  • 螺杆形式
    • 普通/高效
    • 螺纹数目
    • 螺杆头部外形
  • 螺杆选用
    • 材料
    • 长径比
    • 压缩比
  1. 机头和口模
  • 作用
    • 改变流动形式
    • 成型压力
    • 塑化
    • 制品形状
  • 组成
  • 机头分类
    • 加工制品、工艺不同
  1. 传动系统
  2. 附属设备

1979年,瞿金平教授在多年教学、科学研究实践中,经过长期观察思索和理论研究后,在总结前人研究的基础上,大胆提出将振动场引入挤出成型全过程的设想,并对传统螺杆挤出机结构进行彻底变革。经过两年的艰苦努力,1990年终于研制出第一台塑料电磁动态塑化挤出机原理样机,原理样机采用直接换能方式,将振动场引入塑料化挤出全过程,从原理到机械结构都完全不同于传统螺杆挤出机,克服了传统设备的许多缺陷,具有体积小、重量轻、制造成本低、能耗低、噪音小、塑化混炼效果好等优点。 1990年底,国家科委火炬高技术产业开发中心组织专家们经过考察和答辩后,将其列入1991年国家级火炬计划预备项目,进行研制开发。1991年7月,系列研究之一的“塑料共挤出设备的机电磁一体化研究”获“霍英东青年教育基金”的资助。在该基金的资助下,对塑料电磁动态塑化挤出机理共挤复合机理进行深入研究,在国内外首次提出了聚合物电磁动态塑化挤出工程原理,建立了比较完善的聚合物动态固体输送、熔融、熔体输送数学模型,阐明并定量地描述了聚合物动态塑化挤出过程的基本规律。依据新原理研制出国内外首创的“塑料电磁动态塑化挤出设备”。

反应挤出机是反应挤出的主要设备,一般有较大的长径比、多个加料口和特殊的螺杆结构。反应物由各个不同的加料位置加入到挤出机中。固体物料从料斗加入,黏性流体或气体反应物按反应顺序沿机筒各点通过注入口加入。由于螺杆的旋转将物料向前输送,在一定的反应温度下,物料在混合过程中充分反应,在适当的位置除去反应过程产生的挥发物,反应完全的聚合物经口模被挤出、冷却、固化、造粒或直接挤出成型为制品。

第二节 成型原理

热塑性塑料的变化

  • 静态变化
  • 动态变化
  1. 挤出过程和螺杆功能
  • 加料段: 固体输送 小形变
  • 压缩段:熔融区 大形变,熔融流动次要地位
  • 均化段:熔体输送 流动主要地位
  1. 挤出理论
  • 固体输送理论
    • 塑料固结
    • 运动模式
      • 旋转 螺杆摩擦力
      • 轴向水平运动 料筒表面
      • 改进方法
  • 融化理论
    • 相迁移
    • 熔化过程
    • 相迁移面
    • 熔化长度
    • 模型建立
  • 熔体输送理论
    • 拖曳流动
    • 均化段螺槽内的流动类型
      • 正流 Q_D
      • 逆流 Q_P
      • 横流 Q_T
      • 漏流 Q_L
      • 流量计算$Q=Q_D-(Q_P Q_L)$
  • 螺杆和机头(口模)特性曲线
    • 螺杆曲线 $q_v=An-Btfrac{Delta p}{eta}$
    • 口模曲线 $q_v=Kcdot tfrac{Delta p}{eta}$
  • 影响生产率的因素
    • 机头压力
      • $Delta p=0$ 挤出率最大,自由挤出
      • 最大压降
    • 螺杆转速
      • n 与 q_v 成正比,在结构尺寸不变时
    • 螺杆几何尺寸
      • 直径D:二次方关系
      • 螺槽深H:与口模阻力有关,压敏性,逆流的效应
      • 均化段长度L_3: L_3 越大,q_v 越大,$Delta q$越小
    • 物料温度
      • 粘度变化:
        • 有关:原因
        • 无关:原因
    • 机头口模阻力
      • 阻力与面积和长度有关
      • 阻力越小,压力变化越重要

双螺杆市场创新技术趋势:双螺杆加工技术已经成为塑料加工业应用极为普遍的一种加工手段,相应的竞争也极为激烈。如何在激烈的竞争中立于不败之地?不同供应商纷纷推出各有特色的创新技术以赢得市场。高速、高产量 高速、高效、节能一直是近年来国际塑料机械不断改进的主旋律。高速和高产量可使投资者以较低的投入获得高额的回报。但是,螺杆转速高速化带来一系列极待解决的问题:如物料在螺杆内停留时间短,容易引起物料混炼塑化不均;过高剪切可能造成物料急骤升温和热分解;可能出现挤出稳定性问题;需要高性能辅机和精密控制系统与之配套;螺杆与机筒的磨损问题以及减速传动箱设计问题等。因此,针对高速化可能带来的问题提供解决方案,便是双螺杆供应商技术创新的重要方向之一。德国贝尔斯托夫(Berstorff)公司推出的新型双螺杆挤出机-ZEUTX系列,性能与众不同之处在于拥有优异的螺杆直径/生产率比。螺杆设计最高转速达1200rpm,扭矩大,挤出产能在100~3500kg/h之间。可同时进行物料的混炼、反应、排气等工序。机筒和螺杆采用了模块式设计,能满足各种特殊工艺要求,具备优异的加工工艺灵活性,还配有ZSEF型侧边喂料器,可实现高的固体颗粒输送率,切粒机可匹配不同的产率和材料加工。

与传统的通过反应釜或其他合成反应器进行化学改性相比,反应挤出具有如下优点。

第三节 挤出工艺

  1. 工艺流程图
  • 原料准备与预处理
  • 挤出成型
  • 定型冷却
    • 定型设备与方法
  • 制品卷取
    • 牵引速度
  • 后处理
    • 温度
  1. 典型工艺
  • 管材挤出
    • 分流器
    • 管芯
    • 定径装置
  • 薄膜挤出吹塑
    • 机头口模
    • 吹胀比
  • 板材挤出
    • 厚度范围

reading report:Fundamentals of plasticating extrusion_ I_ A theoretical model for melting
CSDN

为了适应高速、高产的需要,该挤出机拥有多处改进。装备了筒式加热器,可在极短时间内完成挤出机的升温工作,最高加热温度可达450℃;冷却流道设计真正实现了逆向流冷却,优化了冷却系统;配置了“弓形夹紧装置”,更换机筒的时间可比传统螺栓连接型更快;机筒采用了带有专利的高频淬火硬化工艺,赋予极佳的耐磨性能,从而省去了昂贵的耐磨衬套;另外,还配备有该公司的高级工艺控制系统。多功能化 在功能方面,双螺杆挤出机已不再局限于高分子材料的成型和混炼,其用途已拓展到食品、饲料、炸药、建材、包装、纸浆和陶瓷等领域。此外,将混炼造粒与挤出成型工序合二为一的“一步法直接挤出工艺”也非常具有吸引力。

反应挤出生产线的成本较之传统的反应釜或其他合成反应器低。

WPC用于户外应用,如作甲板铺板和栅栏已经有相当长的时间,特别是在美国。辛辛那提公司专门开发了Fiberex系列,并不断使它最佳化以用于WPC成型。第四代Fiberex,具有一个加长的、耐磨加工单元,能充分满足顾客的不同要求,并达到高的产量。在去年的NPE展览会上,辛辛那提公司演示了整条Fiberex中试生产线,生产线配有一台生产量为200 kg/h的Fiberex T58挤出成型机,用于成型加工75 %木粉填充量的PP配混物。生产线制造一种用于家具工业的异型材,壁厚2.5mm,挤出定型速度2m/min。 大型化和精密化 实现挤出成型设备的大型化可以降低生产成本,对于大型双螺杆造粒机组、吹膜机组、管材组更是如此。在中国,大型化设备长期依赖于进口,现正在进行大型双螺杆造粒机组国产化研究。精密化可以提高产品的含金量,如多层复合共挤薄膜。熔体齿轮泵作为实现精密挤出的重要手段应加大力度进行开发研究。国际知名供应商在大型挤出机开发方面已有大量成熟的技术。 为了满足不同客户的需要,JSW提供从TEX30到TEX400不同规格的双螺杆挤出机。其最大的双螺杆挤出机TEX400机筒直径443mm,总长 35m,总重量达320吨。 Yanbu国立石油公司不久前向W&P公司订购了一台大型双螺杆ZSK320挤出机,包括电机、造粒机以及水冷系统,总值超过2000万欧元。根据不同聚合物品种与粘度,其产量达每小时25-50吨。

可以实现反应过程的精确控制。如通过改变螺杆转速、加料量及加工温度,可以控制反应的开始和停止时间。

奥地利维也纳的辛辛那提挤出有限公司在2006年发运给美国一家客户一台迄今为止世界上最大的异向旋转平行双螺杆挤出成型机。这台30t的巨型机器的产量可达到2000kg/h,是用于高速生产PVC板材的理想设备。 国内科研院所在熔体齿轮泵的研究开发方面也做了大量的工作。北京化工大学已经开发了多个系列的熔体齿轮泵产品。 Krauss-Maffei公司36D系列双螺杆挤出机专为PVC加工而设计 模块化和专业化 模块化生产可以适应不同用户的特殊要求,缩短新产品的研发周期,争取更大的市场份额;而专业化生产可以将挤出成型装备的各个系统模块部件安排定点生产甚至进行全球采购,这对保证整机质量、降低成本、加速资金周转都非常有利。制造商通过增加填料量将明显降低PVC管材原料费用。工程上的挑战是要保证工艺的稳定和产品的优质。Krauss-Maffei公司36D平行双螺杆挤出机专为理想的PVC加工而设计。他们实现了高产量和高制品机械性能的统一,此外,这些挤出机可以提供质量稳定的高品质管材。 在加工高填充配方方面,利用Krauss-Maffei公司开发的36D双螺杆挤出机来加工PVC排污管材,填充量高达65份的CaCO3也是可行的。直径在50~500mm的高填充管材主要用于输送污水。为了使高填充配方加工更容易,挤出机配置了特殊材料加料、称重和计量系统。借助于一个螺旋加料螺杆,将PVC干混料和CaCO3从储料仓输送到称重计量装置的料斗中。料斗中安装有混合器和搅拌器以防止架桥。此外,所有与材料接触的计量装置表面都有一特殊涂层以防止物料流动受阻。从计量装置出来,物料在搅拌器和一个特殊的双螺杆加料器作用下就被输送到位于挤出机加料口的供料装置中。智能化和网络化在设备本身的技术改造之外,先进的双螺杆挤出机已普遍采用微机控制,对整个挤出过程的工艺参数如熔体压力及温度、各段机身温度、主螺杆和喂料螺杆转速、喂料量,各种原料的配比、电机的电流电压等参数进行在线监测和控制,对保证工艺条件的稳定、提高产品的精度都极为有利。

物料在挤出机中的停留时间短,可以避免物料长期处于高温下而导致的分解。

副反应较少,选择性较好。

螺杆挤出机可根据需要设多处加料口,根据各种化学反应自身的规律,沿螺杆的轴向将物料按一定程序和最合适的方式分步加入,可以控制化学反应按预定的顺序和方向进行。

反应挤出可以精确控制反应温度,并可根据化学反应本身的特点和规律,通过温度沿螺杆轴向的分布和分布梯度来控制反应进行的方向、速度和程度,以减少副反应的发生。

可以使用少量溶剂,甚至可在无溶剂的条件下进行反应,从而降低了溶剂消耗。

螺杆挤出机既是反应器,又是制品成型设备,从而使生产工艺过程做到了工序少、流程短、能耗少、成本低,生产效率高。

反应挤出加工主要应用于聚合物的降解、合成、接枝、交联、增容等。比如在反应挤出过程中,通过向PP中加入适量的过氧化物,使PP主链断裂,歧化终止,由断裂产生的大分子自由基制得用一般方法难以制得的熔体黏度低、相对分子质量分布窄、相对分子质量小的可用于满足薄膜挤出、薄壁注射制品要求的PP。

来源:环球塑化网

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