擠出過程原理

一．工作原理

擠出成型是在一定條件下將具有一定塑性的膠料通過一個(gè)口型連續(xù)壓送出來，使它成為具有一定斷面形狀的產(chǎn)品的工藝過程。

膠料沿螺桿前移過程中，由于機(jī)械作用及熱作用的結(jié)果，膠料的粘度和塑性等均發(fā)生了一定的變化，成為一種粘性流體。根據(jù)膠料在擠出過程中的變化，一般將螺桿工作部分按其作用不同大體上分為喂料段、壓縮段和擠出段三部分。

各段工作特點(diǎn)如下：

1．喂料段：  又稱為固體輸送段，此段從喂料口起至膠料熔融開始。膠料進(jìn)入加料口后，在旋轉(zhuǎn)螺桿的推擠作用下，在螺紋槽和機(jī)筒內(nèi)壁之間作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并形成一定大小的膠團(tuán)。

2．壓縮段： 又稱為塑化段，此段從膠料開始熔融起至全部膠料產(chǎn)生流動(dòng)止。壓縮段接受由喂料段送來的膠團(tuán)，將其壓實(shí)、進(jìn)一步軟化，并將膠料中夾帶的空氣向喂料段排出。

3．壓出段：  又稱為計(jì)量段，把壓縮段輸送來的膠料進(jìn)一步加壓攪拌，此時(shí)螺紋槽中已形成完全流動(dòng)狀態(tài)的膠料。由于螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)促使膠料流動(dòng)，并以一定的容量和壓力從機(jī)頭流道均勻擠出。

二．膠料在擠出段中的流動(dòng)狀態(tài)

一般把膠料在擠出段中的流動(dòng)看成是順流、倒流、漏流和環(huán)流的綜合流動(dòng)。

順流：由于螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)促使膠料沿著螺紋槽向機(jī)頭方向的流動(dòng)，它促使膠料擠出，又稱為擠流。它的速度分布近似直線，在螺桿表面速度最大，在機(jī)筒內(nèi)壁速度近似為零。順流對(duì)擠出產(chǎn)量有利。

倒流：由于機(jī)頭對(duì)膠料的阻力引起的，也稱壓力倒流或逆流。膠料順著壓力梯度沿螺桿通道而產(chǎn)生倒流。倒流引起擠出產(chǎn)量減少。

漏流：在螺桿螺峰與機(jī)筒內(nèi)壁間縫隙，由于機(jī)頭阻力而引起的，它與順流方向相反，它引起擠出產(chǎn)量減少，見圖3-1。

環(huán)流：又稱為橫流，由于螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的推擠作用引起的流動(dòng)，它與順流成垂直方向，促使膠料混合，對(duì)產(chǎn)量無影響，見圖3-2。環(huán)流對(duì)膠料起著攪拌混煉、熱交換和塑化的作用。

三．膠料在機(jī)頭內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)

膠料在機(jī)頭內(nèi)的流動(dòng)，是指膠料在離開螺紋槽后，到達(dá)口型板之前的流動(dòng)。

膠料在螺桿螺紋槽中的流動(dòng)是呈螺旋狀前進(jìn)的，但從螺桿頭端出來進(jìn)入機(jī)頭流道時(shí)，料流形狀發(fā)生了急驟的變化，即由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，而且由于膠料具有一定的粘性，其流動(dòng)速度在流道中心要比靠近機(jī)頭內(nèi)壁處快得多，其速度分布呈拋物線狀。

機(jī)頭壓力：在機(jī)頭流道所形成的對(duì)物料的壓力，該壓力在通過機(jī)頭時(shí)，逐漸下降。當(dāng)物料擠出口模時(shí)，下降為零。

機(jī)頭壓力的成因：（1）由過濾網(wǎng)和過濾板的阻力形成；（2）由機(jī)頭口模流道內(nèi)壁摩擦及流道收縮而形成。

機(jī)頭的結(jié)構(gòu)要使膠料在由螺桿到口型的整個(gè)流動(dòng)方向上受到的推力和流動(dòng)速度盡可能保持一致。為此，機(jī)頭內(nèi)的餓流道應(yīng)呈流線型，無死角或停滯區(qū)，不存在任何湍流。

四．膠料在口型中的流動(dòng)和壓出膨脹

1．膠料在口型中的流動(dòng)

膠料經(jīng)機(jī)頭流道進(jìn)入口型后，通過口型時(shí)受到更強(qiáng)烈的剪切塑化后擠出口型外。因此，口型內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)及口型結(jié)構(gòu)尺寸決定了制品的最終形狀和質(zhì)量。

膠料是在機(jī)頭所形成的流體靜壓力作用下流過口型的，因此，膠料在口型中的流動(dòng)只表現(xiàn)為軸向運(yùn)動(dòng)。由于口型厚度一般很薄，膠料在口型中形成的壓力梯度很大。

2．壓出膨脹

膠料是粘彈性體，當(dāng)它流過口型時(shí)，同時(shí)經(jīng)歷粘性流動(dòng)和彈性變形。膠料由機(jī)頭進(jìn)入口型時(shí)，一般是流道變窄，流速增大，在流動(dòng)方向上形成速度梯度。這種速度使膠料產(chǎn)生拉伸彈性變形。當(dāng)口型流道較短時(shí)膠料拉伸變形來不及恢復(fù)，壓出后產(chǎn)生膨脹現(xiàn)象。（即壓出物的直徑大于口型直徑，而軸向出現(xiàn)回縮）。

壓出膨脹量主要取決于膠料流動(dòng)時(shí)可恢復(fù)變形量和松弛時(shí)間的長(zhǎng)短。

影響壓出膨脹的因素：

（1）工藝因素

口型形狀、口型（板厚度）壁長(zhǎng)度、機(jī)頭口型溫度、壓出速度等。

（2）配方因素

生膠和配合劑的種類、用量、膠料可塑性等。

一般來說，膠料可塑性小、含膠率高、壓出速度快，膠料、機(jī)頭和口型溫度低時(shí)，壓出物的膨脹率（或收縮率）就大。

五．?dāng)D出機(jī)的生產(chǎn)能力

根據(jù)流動(dòng)分析，影響擠出機(jī)生產(chǎn)能力的是順流Qd、逆流Qp和漏流Ql。橫流對(duì)擠出量沒有影響，但對(duì)擠出過程中物料的混合和熱交換的作用卻很大。故擠出機(jī)的生產(chǎn)能力Q可表示為：

1．螺桿特性曲線

如果把膠料看成為牛頓型流體（即粘度不隨剪切應(yīng)力和剪切速率變化），在等溫和層流條件下，不考慮螺紋側(cè)壁的影響，可得出：式中  N—螺桿轉(zhuǎn)速，r/s；P—螺桿末端膠料的壓力（機(jī)頭壓力），Pa；η—膠料粘度，Pa.s；

α、β、γ—隨螺桿規(guī)格尺寸而變的系數(shù)，cm3；

因此，擠出機(jī)的壓出量為：當(dāng)膠料得粘度η一定，擠出機(jī)規(guī)格一定（即α、β、γ為常數(shù)）時(shí)，由式（3-7）可知，壓出量Q與螺桿的轉(zhuǎn)速成正比，與機(jī)頭壓力成反比。將Q~P作圖，得到一直線，該直線表達(dá)了螺桿的幾何特性，稱為螺桿特性曲線。

2．機(jī)頭特性曲線

從螺桿輸送來的膠料總要機(jī)頭口型才能壓出。當(dāng)膠料流過機(jī)頭口型時(shí)，可按流體力學(xué)在層流時(shí)的流量公式計(jì)算出壓出量：式中  Q—通過機(jī)頭口型的流量，cm3/min；P—機(jī)頭壓力，Pa；η—膠料粘度，Pa.s；

k—機(jī)頭口型系數(shù)，cm3，與機(jī)頭，口型大小和形狀有關(guān)。k值越大，機(jī)頭口型阻力越小。

若膠料粘度一定，口型尺寸一定，則機(jī)頭的流量與機(jī)頭壓力成正比。式（3-8）是一個(gè)直線方程，它表達(dá)了機(jī)頭口型的特性，稱為機(jī)頭特性曲線。

采用式（3-7）和（3-8）作圖，見圖3-4，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定，k一定時(shí)，兩直線的交點(diǎn)即為壓出機(jī)的生產(chǎn)能力。

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