挤出机的工作原理

二、挤出机的工作原理

热塑性塑料在恒定压力下当温度变化时存在三种物理状态，即玻璃态、高弹态、黏流态。在常温下，塑料呈玻璃态，当温度升至某一值时，塑料变为高弹态，再继续升温塑料转变为黏流态。塑料的成型加工(压制、挤出、注射等)是在黏流态下进行的。热塑性塑料随温度变化而发生上述三种状态的变化是可逆的，当温度降低时，塑料将从黏流态转变为高弹态，而温度降低到常温时，塑料将转变为玻璃态。在塑料成型加工中能得到制品的几何形状和尺寸精度，正是利用了热塑性塑料在不同温度下的三态变化的特性。

1．挤出机的工作过程

如图3－4所示，塑料自料斗进入螺杆后，在旋转着的螺杆作用下，通过料筒内壁和螺杆表面的摩擦作用向前输送，在螺杆加料段，松散的固体粒料(或料末)充满螺槽，随着物料的不断地输送，物料开始被压实。当物料进入压缩段后，由于螺杆螺槽深度逐渐变浅以及机头的阻力，使塑料逐渐形成高压，并进一步被压实。与此同时，在料筒外加热以及螺杆与料筒内表面对物料的强烈搅拌所产生的内摩擦剪切热的作用下，塑料温度不断升高，与料筒相接触的某一点，塑料温度到达熔点，开始熔融。随着物料的输送，继续加热，熔融的物料量逐渐增多，而未熔融物料量相应减少，大约在压缩段的结束处，全部物料都转变为黏流态，但这时各点温度尚未均匀，经过均化段的均化作用就比较均匀了，最后螺杆将熔融物料定量、定压、定温地挤入机头。机头中口模是个成型部件，物料通过它而获得一定截面的几何形状和尺寸，再经过冷却定型和其他工序，就可得到成型好的制品。

图3－4　塑料在普通螺杆挤出机中的挤出过程简图

2．描述挤出成型过程的主要参量

描述挤出过程的参数有温度、压力、流率(或称挤出量、产量)和能量(或称功率)。

图3－5　温度轮廓曲线

(1)温度　加热是挤出成型过程得以进行的重要条件之一。塑料从粒料(或粉末)到黏流态，再从黏流态成型为制品经历了一个复杂的温度变化过程。如果我们以料筒方向作位移坐标(横坐标)，以温度作纵坐标，将沿料筒方向各点的物料温度、螺杆温度和料筒温度分别连成曲线(到机头为止)，就会得到所谓的温度轮廓曲线，如图3－5所示。显然，此曲线仅反映物料从粒料(或粉末)转变为黏流态的过程。从图3－5可知，该曲线有一定的变化规律。实验告诉我们，加工不同物料和不同制品，温度轮廓曲线是不相同的。根据挤出理论和实践，物料在挤出过程中热量的来源主要有两个，一是物料与物料之间、物料与螺杆和料筒表面之间的摩擦剪切产生的热量;二是料筒外部加热器提供的热量。而温度的调节则是靠挤出机的加热冷却系统和控制系统进行的。通常，为了加大输送能力，不希望加料段温度升得过高，有时需要冷却;而在压缩段和均化段，为了促使物料熔融、均化，物料要升到较高的温度。为了便于物料的加入、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，每一种物料的挤出过程都应有一条合适的温度轮廓曲线。

从图3－5中可以看出，物料的温度轮廓曲线、料筒的温度轮廓曲线和螺杆的温度轮廓曲线是不相同的。一般情况下，我们所测得的温度轮廓曲线是料筒的而不是物料的，物料的温度测量较难。螺杆的温度轮廓曲线比料筒的温度轮廓曲线低，而比物料的温度轮廓曲线高。

图3－5所示的温度轮廓曲线只是稳定挤出过程的宏观表示。如果深入研究每一温度测点的温度，就会发现，即使是在稳定挤出过程中，其温度相对于时间也是一个变化的值，而且这种变化有一定的周期性，这种温度的波动情况反映了沿物料流动方向的温度变化，我们称之为物料流动方向的温度波动，其波动值因测点的不同会有所不同，有的波动达到10℃左右。我们还会发现，垂直于物料流动方向的截面内各点之间也有温差，显然，我们往往只对在机头处或螺杆头部测得的这种温差感兴趣，因为它们直接影响挤出质量。

上面所述的温度波动和径向温差给制品质量带来非常不良的后果，会使制品产生残余应力、各点强度不均匀、表面灰暗无光泽等。所以，应尽可能减少或消除这种波动和温差。

产生这种波动和温差的原因很多，如加热冷却系统的不稳定、螺杆转速的变化等，但以螺杆结构设计的好坏影响最大。

(2)压强　由于螺槽深度的改变，分流板、滤网和口模等产生的阻力，沿料筒轴线方向，在物料内部就要建立起不同的压强。压强的建立是物料熔融、挤出成型的重要条件之一。如果将沿料筒轴线方向(包括口模)测得的各点物料压强值作为纵坐标，以料筒轴线为横坐标，作出一条曲线，即可得到所谓的压强轮廓曲线，如图3－6所示。

图3－6　压强轮廓曲线

影响各点压强数值和压强轮廓曲线形状的因素很多，如机头(口模)、分流板、滤网的阻力，加热冷却系统的不稳定、螺杆转速的变化等，但以螺杆和料筒的结构影响最大。

若深入研究每一压强测点的压强，也会发现，压强随着时间发生周期性波动，这种波动称为压强波动，它对制品质量同样也不利，所以应当尽量减少这种波动。

(3)流率　流率是描述挤出过程的一个重要参量，它的大小表征着机器生产率的高低。它有两个含义，一是绝对流率(流量、产量、挤出量)，用Q表示，单位为kg/h;另一个是比流率，用Q/n表示，单位为(kg·h^－1)/(r·min^－1)。显然，后者更能反映挤出系统性能和表征机器生产率的高低，通常作为比较挤出系统性能的标准。影响流率的因素很多，如机头阻力，螺杆、料筒结构，螺杆转速，加热冷却系统和物料的性质等。图3－7所示为机头压力不变时，流率和螺杆转速的关系，它常用来研究挤出机的性能。

研究发现，流率也有波动。它与螺杆转速的稳定与否、螺杆结构、温控系统的性能、加料情况等都有关系。流率的波动对产品质量极为不利，如造成挤出速度不均匀而影响制品的几何形状和尺寸。

进一步研究表明，温度波动、压力波动、流率波动之间并不是孤立的，而是互相制约、互相影响的。随着产量(流率)的提高，温度和压力波动随之加剧，限制了产量的提高。

(4)功率(能量)　若从能量的观点来观察挤出过程，就有一个能量平衡问题。为了使挤出过程得以顺利进行，使物料熔融呈黏流态，必须提供两种能量:物料熔融所需的热能，物料压实并得以成型所需的压力能。热能和压力能是由外部加热器的电能和驱动螺杆的机械能转化而来的，这些能量的一部分被熔融物料和成型制品所利用，其余部分作为热损失而损失掉。其能量平衡方程如下:

图3－7　流率和螺杆转速的关系

E+E1=EQ+EP+E'　　　　　　　　　(3－2)

式中:E——由螺杆输入的机械能;

E₁——外部加热器输入的热能;

E_Q——熔融物料所需的能量;

E_P——物料在熔融温度和成型压力下所需的压力能;

E'——由于辐射、传热而造成的能量损失。

由于该式中的各项物理量难以直接测出，以及挤出过程情况多变，故目前尚难以直接由此式进行定量计算，但是可以定性地分析挤出过程的能量关系。

在我国的专业标准ZBG95009．1－88中，对单螺杆挤出机用比功率消耗这一指标作为评价挤出机性能的标准之一，它的含义是挤出1kg的物料(制品)所消耗的能量。它也是挤出过程的重要度量参数之一。