2.10　挤出成型工艺

在挤出机中通过加热、加压而使物料以流动状态连续通过口模成型的方法称为挤出成型或挤出模塑。

挤出过程可分为两个阶段：第一阶段是塑料塑化（即变成黏流性流体）并在加压情况下使其通过特殊形状的口模而成为截面与口模形状相仿的连续体；第二阶段则是用适当的处理方法使挤出的连续体失去塑性状态而变为固体，即得所需制品。

挤出成型是塑料成型的重要方法之一。大部分热塑性塑料都可用此方法成型，也可成型某些热固性塑料。与其它成型方法比较，挤出成型有下述特点：生产过程是连续的，因而其产品也是连续的；生产效率高；应用范围广，广泛地应用于农业、建筑、石油化工、轻工、机械制造、国防等行业部门；产品范围广，能生产管材、薄膜、板材、片材、单丝、撕裂膜、打包带、棒材、异型材、网、电线电缆包覆物以及塑料与其它材料的复合制品等；投资少，见效快。

目前，我国用于挤出成型的主要设备是螺杆式挤出机。用于异型材挤出的主要是双螺杆挤出机。

2.10.1　挤出工艺的理论基础

（1）热塑性塑料的三态变化　塑料是高分子聚合物，由一个个分子量极大的大分子组成，分子之间的相互作用力和分子量是决定其综合物理机械性能的主要因素。

从结构上，聚合物可以分为线型、支链型和体型聚合物，热塑性塑料的分子结构为线型。线型聚合物具有长链分子结构，这些长链分子在其聚集体内点相互贯穿缠绕在一起，形成无规线团结构，由于长链分子内和分子间存在强大的相互作用力，使聚合物表现出各种力学性能。塑料成型过程中的流体性质和行为也与聚合物的分子结构密切相关。

热塑性塑料在恒定压力下受热时存在三种物理状态：玻璃态、高弹态和黏流态，如图2-20所示。由玻璃态转变为高弹态的温度称为玻璃化温度Tg，高弹态转变为黏流态的温度称为黏流温度Tf，而当温度高于Td时，聚合物便开始降解或分解，这个温度称为分解温度Td，聚合物可从一种聚集态转变为另一种聚集态，其分子结构、体系组成、应力及环境温度等是影响聚合物聚集态转变的主要因素，在聚合物及其组成一定时，聚集状态转变主要与温度有关。塑料的成型与聚合物聚集状态的转变温度有直接关系。图2-21是线型聚合物模量-温度曲线，说明聚合物聚集态与加工方法的关系，同时可以看出，塑料成型几乎都在黏流态或黏流温度Tf附近进行。

塑料在成型加工过程中都要经历上述状态的转变，了解这些转变的本质和规律，就能选择适当的成型方法，确定合理的工艺路线，最经济地制得性能良好的产品。

处于玻璃化温度Tg以下的聚合物为坚硬固体。此时聚合物的主价键和次价键所形成的内聚力使材料具有相当大的机械强度，强性模量高，变形值小，不宜进行较大变形的成型加工，但可进行车、铣、削、刨等机械加工。在Tg以下的某一温度，塑料受外力作用容易发生断裂破坏，这一温度称为脆化温度，它是塑料使用的下限温度。

温度高于Tg时，聚合物的分子链段开始运动，呈现柔软而富有弹性的高弹态，产生高弹变形。弹性模量降低，变形能力显著增加，但形变仍是可逆的。对于非结晶聚合物，高弹态靠近黏流量度Ti一侧。由于黏性很大，可对某些塑料进行真空成型、压力成型、压延和弯曲成型等。对结晶或部分结晶聚合物，在外力大于材料的屈服强度时，可在玻璃化温度至熔点（即Tg～Tm）区间进行薄膜或纤维的拉伸。由于Tg对材料的力学性能有很大影响，因此，Tg是选择和合理使用塑料的重要参数，同时也是大多数塑料成型的最低温度。

高弹态的上限温度是Tf，由Tf（结晶聚合物是熔点Tm）开始聚合物转变为黏流态，即液状熔体。从Tf开始，塑料在Tf以上不高温度范围内表现流动行为，这一转变区域常用来进行压延成型、某些挤出和吹塑成型等。比Tf更高的温度使聚合物分子热运动大大激化，塑料的弹性模量降低到最低值，熔体黏性较小，在不大的外力作用下就能引起熔体流动变形，此时的形变主要是不可逆的黏性形变，熔体冷却后就能将形变永久保持下来，因此在这一温度范围内常进行挤出、注射、吹塑、熔融仿丝和贴合等加工成型。过高的温度将使聚合物黏度大大降低，难以制得性能良好的制品。温度高到分解温度Td附近时，还会引起聚合物分解，以致降低制品的力学性能和外观质量。因此Tt与Tg一样都是塑料进行成型加工的重要温度参数。常用热塑性塑料的转变温度见表2-7。

热塑性塑料随温度变化而发生的上述三态变化是可逆的：当温度降低至Tf时，塑料将从黏流态转变为高弹态；当温度降低到常温时，塑料将转变为玻璃态。在塑料成型加工中能获得所要求的制品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点。

热塑性塑料的成型加工方法就是根据上述三种状态下的性质来确定和选用的。

①玻璃态塑料　可用车、铣、钻、锯、刨、削等机械加工方法。

②高弹态塑料　可用热冲压、弯曲、锻造、真空成型等加工方法。

③黏流态塑料　可用挤出成型、注射成型、吹塑成型等加工方法。

挤出成型加工温度范围是在Tf～Td之间进行的。范围越宽，塑料越不易分解，越易挤出加工，如聚乙烯；Fs～Td的范围越窄，挤出成型就越困难，如硬质聚氯乙烯。

非结晶型塑料（如氯乙烯，ABS等）和结晶型塑料（聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺等）的三态变化有明显的不同。非结晶型聚合物有明显的三态变化，如图2-20中曲线1。完全结晶的聚合物高弹态却不明显，当温度高于熔化温度时便很快熔化而处于黏流态，如图2-20中曲线2。结晶型聚合物的分子量较大时，在黏流态时会出现假高弹形变，如图2-20中曲线3所示，这不利于成型，还会使制品存在内应力，因而在使用过程中易产生应力开裂。所以，在满足强度要求的情况下，挤出成型应选用分子量较小的结晶聚合物，或提高成型温度到比Tf高30℃以上，以使熔融物完全产生塑性形变。

综上所述，非结晶型和结晶型塑料的形变-温度线不完全相同，因此，加工非结晶和结晶型塑料的螺杆设计和成型工艺也有所不同。

（2）单螺杆挤出机挤出成型原理　单螺杆挤出机为使挤出机达到稳定的产量和质量，一方面，沿螺槽方向任一截面上的质量流率必须保持恒定且等于产量；另一方面熔体的输送速率应等于物料的熔化速率。如果不能实现这些条件，就会引起产量波动和温度波动。因此，从理论上阐述挤出机中固体输送、熔化和熔体输送与操作条件，塑化性能和螺杆几何结构之间的关系，具有重要意义。

目前关于单螺杆挤出过程的理论，是在常规全螺纹螺杆中建立起来的。

根据实验研究，物料自料斗加入到由机头中挤出，要通过几个职能区：固体输送区、熔融区和熔体输送区。固体输送区通常限定在自加料斗开始算起的几个螺距中，在该区，物料向前输送并被压实，但仍以固体状存在；在熔融区，物料开始熔融，已熔的物料和未熔的物料以两相的形式共存，未熔物料最终全部转变为熔体；在熔体输送区，螺槽全部被熔体充满，它一般限定在螺杆的最后几圈螺纹中，见图2-22，这几个区不一定完全和螺杆的加料段、压缩段、均化段一致。目前应用最广泛的挤出理论，就是分别在以上三个职能区中建立起来的，它们分别是固体输送理论、熔融理论、熔体输送理论（也叫计量段输送理论）。下面分别介绍这几种理论。

①固体输送理论　目前关于固体输送区的理论有几种，这里重点介绍应用较广泛的、以固体对固体的摩擦静力平衡为基础建立起来的固体输送理论。

挤出过程中，塑料靠本身的自重从料斗进入螺槽，当粒料与螺纹斜棱接触后，斜棱面对塑料产生一与斜棱面相垂直的推力，将塑料向前推移。在推移过程中，由于塑料与螺杆、塑料与机筒之间的摩擦以及料粒相互之间碰撞和摩擦，同时还由于挤出机的背压等影响，塑料不可能呈现像自由质点在螺旋上的两种运动状态。在机筒与螺杆之间像自由质点在螺旋上的两种运动状态。在机筒与螺杆之间这些由于受热而粘连在一起的固体粒子和未塑化的、冷的固体粒子，一个个连续地、整齐排列着的，并塞满了螺槽，形成所谓“弹性固体”（固体塞），图2-23为固体塞的摩擦模型。图2-23中，Fb和Fs，Ab和As以及fb和fs分别为固体塞与机筒与螺杆间的摩擦力、接触面积和摩擦系数，P为螺槽中体系的压力。

可以把固体塞在螺槽中的移动看成在矩形通道中的运动，图2-24（a）所示。当螺杆转动时，螺杆斜棱对固体塞间产生推力P，使固体塞沿垂直于斜棱的方向运动，其速度为vx，推力在轴向的分力使固体塞沿轴向以速度va移动。螺杆旋转时表面速度为vs，如果将螺杆看成是静止不动的，而将机筒看成是以速度vb对螺杆作相对的切向运动，其结果也是一样的。vz是（vb-vx）的速度差，它使固体塞沿螺槽z轴方向移动，见图2-24（b）。由图2-24可以看出，螺杆对固体塞的摩擦力为Fb，Fb在螺槽z方向的分力为Fbx，而Fbx-AsfsPcosф，在稳定流动情况下，推力Fs与阻力Fbz相等，即Fs=Fb2所以AsFs=Abfbcosф。

显然当Fs=Fbx=0时，即物料与机筒或螺杆之间摩擦力为零时，物料在机筒中不能发生任何移动；当Fs>Fbz时，料夹带于螺杆中随螺杆转动也不能产生移动；只有当Fs<Fbx时，物料才能在机筒与螺杆间产生相对运动，并被迫沿螺槽移向前方。可见固体塞运动受它与螺杆及机筒表面之间摩擦力的控制，只要能正确地控制塑料与螺杆及塑料与机筒之间的摩擦力系数，即可提高固体输送段的送料能力。

为了获得更大的固体输送率，可从挤出机结构和挤出工艺两个方面采取措施。从挤出机结构角度来考虑，增加螺槽深度是有利的，但会受到螺杆扭矩的限制。其次，降低塑料与螺杆的摩擦系数fs也是有利的，这就需要降低螺杆的表面粗糙度。再者，增大塑料与机筒的摩擦系数，也可以提高固体输送率。提高机筒摩擦系数的有效办法是在机筒内开纵向沟槽。此外，螺杆螺旋角应采取最佳值，但必须注意螺杆制造上的方便，通常螺旋角为17°41'。

从挤出工艺分析，关键是控制加料段外机筒和螺杆的温度，因为摩擦系数是随温度而变化的，一些塑料对钢的摩擦系数与温度的关系见图2-25，绝大部分塑料对钢的摩擦系数，随温度的下降而减小，为此，螺杆通水冷却可降低fs，对物料的输送是有利的。

迄今关于挤出机固体输送的理论尚未完全成熟，近年来又有人提出了一些新的理论解释螺杆中的固体物料输送，但也不能完全符合实际，还需要进一步研究。

②熔融理论　有关熔融区的理论是由Z.Fadmor和I.Klein在进行大量冷却试验的基础上于1970年提出的。

当固体物料由加料段进入压缩段时，逐渐受到越来越大的挤压，在机筒温度和摩擦热的作用下，固体物料于塑料中逐渐开始熔化，最后在进入均化段时，基本上完成熔化过程，即由固相转变为液相，出现黏度的变化。

根据实验观察，塑料在螺杆上由固体转化为熔融状态的过程可用图2-26表示。图2-26（a）中展示出固体床展开的螺槽内的分布和变化情况。图2-26（b）则表示了固体在压缩段随熔融过程的进行而逐渐消失的情况。

在挤出过程中，螺杆加料段附近一段内充满着固体粒子；接近均化段的一段内则充满着已熔化的塑料；而在螺杆中间大部分区段内固体粒子和熔融物共存，塑料的熔化过程就是在此区段内进行的，故这一区段又称为熔融段。在一个螺槽中固体物料的熔化过程可用图2-27表示。从图中可看出与机筒表面接触的固体粒子由于机筒的热传导和摩擦热的作用，首先熔化，并形成一层熔膜1，这些不断熔融的物料，在螺杆与机筒的相对运动作用下，不断向螺纹推进面汇集，从而形成旋涡状的流动区，称为熔池2（简称液相），而在熔池的前边充满着受热软化和半熔融后粘连在一起的固体粒子4，以及尚未完全熔化和温度较低的固体粒子5。4和5部分的物料统称为固体床（简称固相）。熔融区内固相与液相的界面称为迁移面3，大多数熔化均发生在此面上，它实际是由固相转变为液相的过渡区域。随着塑料往机头方向的输送，熔融过程逐渐进行，如图2-26（b）所示。自熔融区始点（相变点）A开始，固相的宽度将逐渐减小，液相宽度则逐渐增加，直到熔化区终点（相变点）B，固相宽度就减小为零。螺槽在整个宽度内均将被熔融物充满。从熔化开始到固体床的宽度降为零为止的总长，称为熔化长度。一般来说粉化速率越高则熔化长度越短；反之就越长。固体床在螺槽中的厚度（即为螺槽深）沿挤出方向逐渐减小。

从上述的熔化实验研究可知：塑料的整个熔化过程是在螺杆熔融段进行的；塑料的整个熔化过程直接反映了固相宽沿螺槽方向变化的规律，这种变化规律，决定于螺杆的参数、操作条件和塑料的特性等。

③熔体输送（计量）理论　计量段中熔体输送的理论是单螺杆挤出理论中研究的最早而又最充分的。最初它是在两块无限大的平行板之间，假定熔体为等温牛顿流体的条件下建立起来的。后来又考虑到螺纹和螺槽曲率以及流体性质的影响，进行了修正。

现以Q1代表加料段的输送率，Q2代表压缩段的熔化速率，Q3代表均化段的挤出速率。如果Q1<Q2<Q3，这时挤出机处于供料不足的状态，以致生产不正常，产品质量不符合要求；如果Q1≥Q2≥Q3，这时均化段成为决定挤出机产量的控制区域，操作平稳，产品质量也能得到保证。但三者相差不能太大，否则均化段压力太大，超过负荷能力，甚至造成设备破坏等不正常现象。因此在正常状态下，均化段的挤出速率就代表挤出机的生产率。

a.熔体在螺杆中的流动形式　熔体在螺杆均化段的流动有正流、逆流、漏流、横流四种形式。

a）正流　即沿着螺槽向机头方向的流动，它是螺杆旋转时螺纹斜棱的推力在螺槽Z方向作用的结果，其流动也称拖曳流动。塑料的挤出就是这种流动产生的。如图2-28表示，展开的机筒与螺杆中，物料的四种流动方向，机筒内表面和螺杆表面的相对速度vb可分解为螺纹平行的分速度vb和螺纹垂直的分速度vbz。依靠螺杆旋转向前推动物料，流动速度为vbx，其流量用QD表示。正流在螺槽深度方向的速度分布是直线变化的，机筒壁流速最大，螺槽根部为零，见图2-29（a）。

b）逆流　由机头、过滤板及过滤网等阻力部件引起的，流动方向与正流方向相反的流动，其流量以Qp表示。其速度分布是按抛物线形状变化，见图2-29（b）。将正流和逆流合成就得净流动，其合成见图2-29（c）。

c）漏流　也是由机头、过滤板及过滤网等产生的反压力，不过它是由反压力的压力梯度引起的，流动方向沿螺棱顶部与机筒间隙向加料口方向流回的料流，其流量以Q2表示。由于机筒间隙通常很小，漏流比正流和逆流小得多，流速分布是接近机筒壁很小，螺棱顶部较大，如图2-29（d）。

d）横流　分速度vbx引起的螺槽内的旋转流，流动情况见图2-29（e），它与挤出量无关，但对塑料的混合、塑化和热交换起促进作用，对螺杆动力消耗有很大影响，其流量用QT表示。

物料在均化段的流动是四种流动的组合，它既不会有真正的倒退，也不会有封闭型的环流，而是在螺槽中以螺旋形的轨迹向前移动。其总流量为：

Q=QD-QP-QL

由于这些运动的组合起到搅动、剪切和压紧物料的作用，使物料得以混合、塑化、压缩，并在一定压力下，连续通过口模挤出。

b.单螺杆挤出机生产能力计算　由于塑料在螺杆中的运动情况相当复杂而影响挤出机生产能力的因素又很多，所以要精确计算出挤出机生产能力很困难，目前计算生产能力主要有以下几种方法。

a）按经验公式计算　该法是经过挤出机生产能力的多次实例测试，并分析总结而得出的，我国目前常用的计算挤出机挤出量的经验公式有以下几种。

Q=nD2β　　（2-1）

式中，Q为挤出量，cm2/s；D为螺杆直径，cm；n为螺杆转速，r/s；β为系数，随物料、螺杆线速度的不同而异，一般β=0.003～0.007。

Q=0.66D25　　（2-2）

式中，D为螺杆直径，cm。

b）按理论公式计算　挤出机生产率理论计算公式的推导，是假定塑料在螺槽中呈等温状态下均匀的牛顿流体而列出的流动方程式。

挤出机生产率　　Q=QD-QP-QL　　（2-3）

式中，D为螺杆直径，cm；n为螺杆转速，r/s；h为均化段螺槽深度，cm；ф为螺旋角，（°）；e为螺棱宽，cm；L为螺杆的均化段长度，cm；δ为螺杆与机筒间隙，cm；E为螺杆偏心距校正因数，通常取1.2；P为螺杆均匀段末端压力，MPa；η1为螺槽中熔融物料黏度，Pa·s；η2为间隙中熔融物料黏度，Pa·s。

公式中右边第一项为正流量QD，第二项是逆流流量QP，第三项是漏流流量QL。

④影响挤出机生产率的因素

a.物料压力　正流流量与压力P无关，而逆流和漏流流量与压力P成正比，见图2-30所示。机头压力增加，使挤出量降低，但有利于物料的塑化，故在实际生产中都必须在机头处设置多孔板、过滤网，使物料有一定压力，以提高制品质量。

当机头完全敞开（即不装机头）时，机头压力近似于零，这时可得到最大的物料输送能力；若机头完全封闭，出料停止，这时机筒内压力达最大值，这两种情况在实际生产中都是不允许存在的。

b.螺杆转速　生产能力与螺杆转速成正比，即螺杆转速增加，生产能力提高，它们的关系见图2-31。

c.螺杆几何尺寸

a）螺杆直径　螺杆直径对生产能力影响很大，见图2-32，生产能力与螺杆直径的平方成正比。

b）螺槽深度　对生产能力也有很大影响，见图2-33，当压力较低时，深槽螺杆具有较大的生产能力，而压力较高时，则浅槽螺杆的生产能力较高。同时，螺槽很浅，剪切作用增加，物料塑化较好。在选择螺杆时应注意，使用低阻力机头时，可选用深槽螺杆；而机头阻力较高时，则选择浅螺槽螺杆。从图中可以看出，浅螺槽螺杆的关系曲线比较平坦，这对不同机头有较好的适应性。

c）螺杆均化段长度　对生产能力的影响见图2-34，当均化段长度增加，生产能力提高。螺棱宽度增加时，生产能力也提高。

d.螺杆与机筒间隙　（δ）因为漏流量与间隙δ的三次方成正比，也就是说，δ增加，生产能力降低。间隙越大，当挤出压力增加时，生产能力下降越明显。

e.物料温度　当物料温度升高时，生产能力下降，这是因为温度升高，物料黏度变小，引起逆流量、漏流量增加，因而生产能力下降，其影响见图2-34和图2-35。

（3）双螺杆挤出机挤出成型原理

①双螺杆挤出机的工作原理　双螺杆挤出机的工作原理与单螺杆挤出机完全不同。物料在双螺杆挤出机中是依靠正向位移输送的，螺杆起到将物料强制推向前进的作用。不同类型的双螺杆挤出机其工作原理不完全相同，在这里主要介绍啮合型异向旋转双螺杆挤出机的挤出成型原理。

a.特点　啮合型异向旋转双螺杆挤出机一般采用两根尺寸完全相同，但螺杆方向相反的螺杆。根据螺杆直径尺寸有无变化分为两种机型：螺杆直径无变化的称为平行双螺杆；螺杆直径尺寸由大变小的称为锥形双螺杆。为了强化混炼操作，在螺杆上采用不同螺纹头数、变螺距和混合室等结构。螺纹局部断开形成的混合室，使前进的物料在输送过程中汇集，出现复杂的混合流动，更有效地增强物料混合。

异向旋转的双螺杆按照推送物料的方向，可分为内推式（异向向内）和外推式（异向向外）两类。两种型式的主要区别是压力区位置不同，内推式双螺杆在上部进啮合，建立高压区，在下部双螺杆脱离啮合，产生低压区。物料在通过螺杆时，受到类似双辊式混合机产生的挤压作用和捏合作用。但由于两根螺杆啮合紧密，势必形成极高的入口压力，造成进料困难。因此，目前这种内推式双螺杆很少采用，仅见于非啮合双螺杆挤出机上。外推式双螺杆在下部进入啮合，建立的高压区在下部，在上部双螺杆脱离啮合，低压区在上部，有利于喂入物料，物料通过双螺杆时受到类似于压延辊筒产生的挤压捏合作用。因此，特别适合于直接挤出成型。

异向向外旋转双螺杆上下部产生压力差，造成螺杆向两侧偏移的分离力F，螺杆在F作用下产生变形，压向机筒，变形处将会增加螺杆与机筒的磨损，随着螺杆转速的增加，压延效应也增加，分离力F也增大，磨损也加速。因此，异向向外旋转双螺杆的转速受到限制，一般转速范围在8～45r/min，控制在较低转速范围工作。

异向旋转双螺杆挤出机比同向旋转双螺杆挤出机的物料输送能力和挤出能力强。

b.工作原理　啮合异向旋转双螺杆的挤出建立在类似于齿轮泵的原理上。物料在双螺杆内的流动不是由于摩擦牵引作用，而是靠机械的强制输送。如图2-36所示为啮合异向旋转双螺杆中物料运动情况。两根螺杆是对称的，一根螺杆的螺棱顶部和另一根螺杆根径有一定间隙。由于两根螺杆旋转方向不同，一根螺杆上物料螺旋前进的流道被另一根螺杆异向旋转的螺纹阻断，故不能形成∞运动，在螺杆内形成封闭C字形腔室，如图2-36（c）。由于两根螺杆异向旋转，物料不可能从一根螺杆移向另一根螺杆，C字形腔室中的物料只能在一根螺杆内在螺纹推动下通过各部分的间隙而做圆周运动，如图2-36（b），同时也向着口模方向运动，直到从口模挤出。物料输送过程中不会产生逆流和滞流，因此具有最大的强制输送性。物料通过两根螺杆之间的径向间隙时犹如物料通过两辊的辊隙，所受到的剪切搅拌作用最强烈，被阻挡在啮合区的物料还经受一根螺杆螺纹顶部，另一根螺杆螺纹根部及啮合螺纹侧面的辊压和捏合。因此，异向旋转的双螺杆挤出机由于强制等量送料，减少了逆流，物料在机筒内停留时间短，温度波动小，因其剪切强烈，辊压和捏合都起促进物料混合作用。物料混合均匀、塑化均匀，故这种型式的双螺杆挤出机特别适用于硬质聚氯乙烯干混料直接挤出成型。

c.锥形异向旋转双螺杆挤出机的特点　锥形异向旋转双螺杆挤出机的螺杆如图2-37所示，锥形双螺杆挤出机具有下列特点。

（a）由于喂料区的螺杆和机筒表面积增大，因此，传热好，物料受热快，容易压缩，输送效率高，可以提高挤出机产量。

（b）从力学观点分析，锥形双螺杆的机械强度比单螺杆和平行双螺杆高，同时传动齿轮尺寸可增大，因而传递扭矩可以加大。

（c）锥形双螺杆在承受相同机头工作压力的条件下，轴向力明显减少（只有平行双螺杆的一半），因而止推轴承所受的轴向力减少，轴承的规格可以选用大的，轴承寿命也可以大大延长。

（d）锥形双螺杆的分配传动齿轮由于位置充裕，可以加大直径。齿轮的使用寿命是与齿轮直径的三次方成正比的，因此，锥形双螺杆分配传动齿轮的使用寿命是平行双螺杆的4倍。

（e）锥形双螺杆挤出段的直径比相应的平行双螺杆挤出段的直径小，因而大大减少了摩擦热，可以避免物料的过热分解现象，对于加工非结晶型热敏性塑料，如硬质聚氯乙烯是很重要的。

（f）锥形双螺杆在喂料区螺杆直径加大了，因此可以先缩短其长度，同时螺槽容积随着螺杆直径变小逐渐缩小，有利于物料在熔融过程中逐渐压缩和压实，从而能提高产品质量。

（g）锥形双螺挤出机传动机构紧凑，易于维护修理，且对螺杆拆缷方便。

综合上述，锥形双螺杆挤出机在机器结构、螺杆结构、加工工艺等方面都具有许多特点和优点，因而在采用粉料直接挤出成型硬质聚氯乙烯塑料异材、管材以及板材等制品中得到广泛应用。

②双螺杆挤出机生产能力计算　双螺杆挤出机因为存在啮合区，因此，生产能力的计算与具有连续螺槽的单螺杆不完全相同。

啮合型双螺杆挤出机生产能力与单位时间内由机头挤出的C形熔体段数成正比，由于啮合，C形腔室不连续，反压力起增大腔室内物料的混合及产生漏流的作用，因此，双螺杆挤出机在输送物料时，存在正流和漏流，其生产能力Q可用下式表示：

Q=QF-QL　　（2-5）

式中，QF为正流；QL为漏流。

QF=2nV（cm2/min）　　（2-6）

式中，n为螺杆转速，r/min；V为C形腔室的容积，cm3。

C形小室的容积可近似为：

式中，H为螺槽深度，cm；S为螺距，cm；D为螺杆外径，cm；q为系数。

当以L表示未啮合节圆弧长时，如图2-38，q可用下式表示：

未啮合节圆弧长可通过啮合角αE进行计算：

式中，αE为弧度。

在螺杆完全啮合时，啮合角αE可用下式求出：

式中，R为螺杆外圆半径，即R=D/2。

将式（2-7）代入式（2-6）得到QF的表达式：

QF=πqnHS（D-H）　　（2-11）

漏流QL与机头压力及物料黏度有关，与啮合螺纹的径向间隙δ和侧面间隙Zg也有关，所以漏流的计算相当复杂。故简化为只考虑螺纹顶间隙漏流。

假设螺纹顶间隙的漏流为宽而薄的狭缝的压力流，其动方程可表示为：

式中，wf为夹缝宽度，cm；δf为狭缝高度，即螺纹顶与机筒的间隙，cm；为沿狭缝的压力梯度。

狭缝宽度可近似为双螺杆未啮合节圆弧长度：

wf=2πqD　　（2-13）

考虑到螺杆偏心量E，将式（2-13）代入式（2-12）后，可写出漏流量：

将式（2-11）和式（2-14）代入式（2-5）中，即可写出双螺杆挤出机的挤出速率方程：

实际上，压力梯度dP/dz是难以度量的，式（2-15）定性说明双螺杆挤出机挤出量受机头压力影响，漏流量比其体积流量（正流）要小得多。当螺纹间的径向间隙和侧向间隙值δ较小时，由于强制输送物料的特性，QL=f（p）的特性曲线斜率很小，如图2-39所示。由图中曲线可看出，螺杆特性线有一定倾斜，说明压力对挤出量的影响，由于压力仅通过漏流起作用，对挤出量影响较小，所以双螺杆挤出机对配用低阻力模具和高阻力模具不像单螺杆挤出机那样敏感，选用模具的压力范围较宽。

由于机头压力波动对挤出量波动的影响减小，有利于稳定挤出和提高出物质量。

双螺杆挤出机在实际计算生产率时，常采用经验公式：

Q=KπqnHS（D-H）　　（2-16）

式中，K为经验系数（0<K<1）。

综上所述，双螺杆挤出机的生产率，在确定的螺杆结构下，挤出量（Q）与螺杆转速（n）成比例。

2.10.2　挤出成型的各种工艺参数

目前国内UPVC异型材的挤出成型主要采取啮合型双螺杆挤出机。因此在这里以此为例介绍UPVC异型材成型的各种工艺参数。

若要获得外观和内在质量均合格的异型材制品，同原材料配方、挤出成型设备、模具设计水平与加工精度、型材断面结构设计及挤出成型工艺条件是分不开的。挤出成型工艺参数包括温度、挤出压力、熔体温度、真空排气、加料速度、牵引速度、冷却定型等。挤出工艺条件又随挤出机的结构（包括螺杆结构、模具结构）、塑料品种、制品的类型、产品的质量要求不同而改变。所以挤出成型工艺参数的确定是以实践为基础的，要求我们从自己的实践中不断摸索和总结来确定。

（1）温度　挤出成型温度是促使成型物料塑化和塑料熔体流动的必要条件，它对挤出成型过程中物料塑化和异型材制品的质量和产量均有十分重要的影响。在挤出成型过程中，物料从粉状或粒状固态进入挤出机后，要完成输送、熔融、均化及通过口模成型，其温度变化非常复杂，而且也不容易测定。因此能否控制好挤出成型温度，将直接影响挤出成型过程的顺利进行和异型材制品的质量。

要正确控制挤出成型温度，首先必须了解被加工物料的承温范围与其物理性能的相互关系，从而找出其特点和规律，即了解高分子的运动规律，才能选择一个较佳的温度范围进行挤出成型。通常挤出机的温度控制由机身的加料段到挤出段逐渐升高，物料从固态逐渐熔融，由玻璃态转为黏流态。物料到机头的温度一般都控制在流动温度和分解温度之间，口模温度比机头温度略高。各段温度，要根据挤出机的特点、塑料配方的加工特性以及制品的质量要求来确定。硬度PVC塑料流动性和热稳定性较差，加工温度过高时会分解，温度过低则物料塑化不良。尽管在配方中加入相应的热稳定剂和加工助剂，但其作用有限。硬度PVC塑料的形变-温度曲线如图2-40所示。由图可知硬质PVC塑料的三种物理状态转变温度分别为：Tg=87℃，Tf=160℃，Td=220℃（根据配方中稳定体系及稳定剂用量与搭配，其分解温度Td有提高或降低），所以从理论上讲挤出成型硬质PVC异型材时机筒各段温度的控制应有所不同，为获得高质量、高产量型材，各段温度需反复调节，准确控制。

①预热（升温）　挤出机开机前必须加热到一定温度，并在此温度下保持一段时间，这叫保温。挤出机开机前的这个加热过程叫预热。

双螺杆挤出机的预热应分两个阶段进行：先将各段温度调至130℃，待温度升至130℃后，视设备大小，保温30min至1h，然后升到生产所需温度，待实际温度达到生产所需温度后，再视设备情况保温10～30min，方可加料开机生产。原因是刚升温时，整个机器处于室温下，当温度升至130℃时，只说明加热区的某些部位已达到130℃，然后再由130℃升至生产所需工艺温度。当温度升至生产所需工艺温度后，需要保温，达到保温时间后，就可以开机生产了。双螺杆挤出机在开车前或停车后大多都要用清洗料清理机筒与螺杆，并在停车时将清洗料留在挤出机内，待下次开车时再用生产料将其挤出。清洗料内热稳定剂和润滑剂含量较多，即使在180～200℃下，1h也不会分解，所以预热过程中的保温不仅有利于生产，还有利于保护设备，延长设备的使用寿命。

②机筒温度和螺杆温度　塑料熔体温度在很大程度上取决于机筒和螺杆温度。因为塑化成型物料的热量主要来自于机筒上的加热器，其次来源于物料在机筒中强烈剪切作用下的摩擦热。螺杆温度的作用主要是调节熔体温度，使塑料熔体保持适当的黏度，均匀地通过口模。

双螺杆挤出机几乎都是排气式的，即在机身中段（一般为加热二区与三区之间）设有排气孔，并配备真空排气装置，用于吸出PVC混合物料中的氯乙烯单体及水分等挥发物。这就要求物料在机筒内被送至排气时，必须已经凝胶化并包覆于螺槽表面，以防止粉料被真空系统吸出，所以双螺杆挤出机排气孔前机筒一区、二区温度不宜设得太低。其检验方法为：关闭主机真空泵，打开排气阀，打开排气孔上方的视镜，肉眼观察机筒内物料塑化情况，如果物料均匀地包覆于螺槽表面，但又不很光滑，这表明温度控制正确。若物料还呈粉状或小块状，则说明机筒一区、二区温度过低，若物料已非常光滑，则表明已过度塑化、机筒一、二区温度过高。

③机头（口模）温度　机头（口模）是成型异型材横截面最关键的部件，其温度控制得是否合理，直接影响制品质量和产量。机头温度必须控制在塑料的黏流温度以上，热分解温度以下。为使型材获得较好的外观和力学性能，以及减少熔体出模膨胀，一般控制机身温度较低、机头温度较高。机头温度偏高，可使物料顺利地进入定型套，但挤出物的形状稳定性差，制品收缩率增加，致使产品无法保证外形尺寸；机头温度过高，还会引起跑料（溢料），甚至出现气泡、产品发黄、物料分解，导致挤出生产不能正常进行。温度偏低，则物料塑化不良，熔体黏度增大，机头压力上升，虽然这样会使制品压得较密实，收缩率小，产品形状稳定性好，但是加工较困难，离膜膨胀较严重，产品表面较粗糙，还会导致挤出机背压增加，设备负荷大，功率消耗也随之增加；如果温度过低，则物料不能塑化，产品无法成型，设备超负荷运转，导致机头压力剧增而拉断连接法兰螺丝（设备事故）。

异型材模具机头加热板有多种多样的形式，成型断面尺寸较大的主型材的机头一般采用四板式（即前、后、左、右各一块加热板单独控温），这样可以通过调节各板之间的温差来调节各向壁厚及出料速度。

④物料塑化情况的检验　PVC物料塑化的好、坏与上面介绍的各种加工工艺温度密切相关，鉴别物料塑化的好与坏，即检验工艺温度设置得合理与否，可用下述方法：用一个烧杯或搪瓷杯，加入二氯乙烷至高度为5cm，取15cm左右一段异型材浸入杯中，10min后取出型材，观察型材浸入溶剂部分的表面变化，如切口表面无明显膨胀、塌落、凹陷等变形，而型材切口表面膨胀后的疏松深度小于2cm，则表明塑化良好。反之则表面温度设定不当，需要调整以达到合理工艺温度。

（2）挤出压力　物料在挤出过程中需要适当的挤出压力，以保证塑化质量，得到均匀密实的熔体，最后成型质量合格的型材。

假定物料为牛顿流体，则物料的体积流率与机头压力降的关系为：

Q=KΔp/n

式中，Q为流经机头的物料体积流率，m3/s；Δp为机头压力降，Pa；n为物料熔体黏度，Pa·s；K为口模特性系数。

对于特定的机头，K值是固定的。一般情况下可以调节挤出量以及熔体温度来获得所需要的挤出压力。

在双螺杆挤出机操作的过程中，挤出压力必须控制在一个合理的范围内。特别是刚开机时，设备内部温度比较低，螺杆转速慢，产生的剪切热也比较少，因此，此时物料温度低，熔体黏度高，极易造成挤出压力过大而发生事故，如将连接法兰的螺丝拉断或将头内的芯模顶出以及由于背压过大而造成螺杆后部止推轴承损坏。挤出过程中挤出压力过高同样对设备不利。但是挤出压力也不能太低，太低则会使制品疏松而影响其力学性能。一般双螺杆挤出机挤出压力控制在15～40MPa。

（3）熔体温度　熔体温度主要是由机筒温度、螺杆温度以及螺杆转速决定的。

在挤出过程中，双螺杆挤出一般首先通过调节螺杆温度来调节熔体温度，然后才调节其它操作条件来调节熔体温度。每一个不同配方、模具都有一个稳定生产的熔体温度范围。判断挤出机工艺条件设定正确与否的一个重要依据是看其熔体温度。国产双螺杆挤出机大部分没有熔体温度显示，操作时主要凭经验观察口模出料的塑化程度来判断熔体温度合理与否。进口的双螺杆挤出机大部分有熔体温度显示，其熔体温度传感器一般安装在过渡段平直部分，触头直接接触到熔体。

（4）真空排气　原料中存在水分以及其它挥发物，在加工过程中必须将其除去，双螺杆挤出机是依靠“正向位移”输送物料的，因此容易实现真空排气。

双螺杆挤出机要达到良好的排气效果，机筒温度要设置正确；使物料通过排气孔时，达到凝胶化，并包覆于螺筒表面，若机筒一区、二区温度设置过低，在排气孔时物料呈粉末状或小块状，加料口与排气孔之间不能形成密封，则物料会被真空吸出，造成真空堵塞并且容易损坏真空装置；若机筒一区、二区温度设置过高，物料到达排气孔时已完全塑化，水分以及其它低分子挥发物被包裹在物料里，不能被真空系统吸出，达不到排气效果，致使制品产生气泡及其它缺陷。

双螺杆挤出机在加料量较大或熔体压力较高时，常出现排气孔冒料的问题。出现上述问题常与操作条件有关，普通排气螺杆由一阶螺杆和二阶螺杆两部分结构组成。冒料原因有两个：其一为当一阶螺杆输送能力大于二阶螺杆输送能力同时加料量较大时出现冒料；其二为机头压力较高或Φ值（物料体积与一对C形小室容积比）较大时，二阶螺杆计量段物料充满长度过长，达到或超过排气段位置，造成排气段螺槽内物料充满，压力升高，使物料从排气口溢出。为了达到理想的排气效果，在操作上应调节加料量和Φ值以控制机头压力和充满长度。由此可以通过调节工艺条件得到一个正常排气的工作点。例如在加料量较高时，可提高螺杆转速以避免冒料，还可保持较高的机头压力；在加料量较小时，可降低螺杆转速以减少波动，实现正常挤出排气。

（5）计量加料　双螺杆挤出机在工作时，螺槽并不充满料。通过控制物料在螺槽内的充满程度来确定剪切速率、成型温度和压力分布。挤出量的大小是用加料量大小来控制的。啮合双螺杆有极好的送料能力，若依靠重力加料，则会造成加料过量而使螺杆转矩过高、排气口冒料、熔体压力过高，甚至对设备造成破坏性损坏。

双螺杆挤出机的计量加料装置是靠控制加料器中加料螺杆的转速来控制加料量的。计量加料器加料控制与主机螺杆转速、螺杆扭矩、熔体压力和牵引速度相匹配，并以真空排气口处不冒料为宜。调节加料螺杆加料量，可保证适当的熔体压力。图2-41是加料机加料螺杆转速与加料量关系曲线，通常在知道挤出量要求的情况下，可通过关系图得到对应的加料螺杆转速，反之，在一定加料转速下，可以计算出加料量。此加料曲线斜率与不同配方干混料体积密度有关。

（6）牵引速度　挤出成型主要是生产长度连续的塑料制品，因此必须附设牵引装置牵伸，才能保证正常挤出，硬质聚氯乙烯异型材挤出过程中，从口模挤出的型坯经定型模至冷却水槽，温度从180℃左右的黏流态冷却为50～60℃的玻璃态，中间经过高弹态，在牵引力的作用下将会发生拉伸取向。一般来讲，拉伸取向程度越高，制品沿取向方向的拉伸强度也就越大，但冷却后长度方向收缩率也大。

牵引速度直接影响产品壁厚，尺寸公差、性能及外观。牵引速度必须稳定，且牵引速度与型材挤出速度相匹配。正常生产时，牵引速度应比型材挤出速度快1％～10％，以克服型材的离模膨胀。牵引速度与挤出速度的比值反映制品可能发生的取向程度，该比值称为牵引比（或称拉伸比），其数值必须等于或大于1。牵引速度增加、冷却定型的温度条件不变时，牵引速度快，则制品在定型模、冷却水槽中停留的时间也就比较短，经过冷却定型的制品内部还会残余较多热量，这些热量会使制品在牵引过程中已经形成的取向结构发生解取向，从而引起制品取向程度降低。牵引速度越快，型材壁厚越薄，冷却后的制品其长度方向的收缩率也越大，因此在异型材生产中应控制其加热收缩率。牵引速度越慢，型材壁越厚，容易导致口模与定型模之间积料，破坏正常挤出生产。所以在异型材挤出成型中挤出速度与牵引速度必须很好地控制，一般是牵引速度略大于挤出速度，如果这两种速度控制不当，不仅无法正常生产，也不能保证制品尺寸公差，还会影响制品的物理机械性能。

实践表明，用双螺杆挤出机挤出硬质聚氯乙烯型材，螺杆转速以15～25r/min为宜。其中型异材制品壁厚<2mm时，可选螺杆转速为15～20r/min，牵引速率为4～6m/min，壁厚>2～5mm时，可选转速为15～25r/min，牵引速率为2～4m/min。

当然还应具体考虑异型材截面大小、冷却定型效果等因素。

异型材单位长度质量（g/m）、牵引速率（m/h）和挤出量（kg/h）三者之间的关系见图2-42。若确定了异型材单位长度质量及挤出机的挤出量，则从图2-42就可以求得所需的牵引速率。例如，异型材的长度质量为85g/m，牵引速率为250m/h，则连接两者的刻线点并延长至挤出量的轴标线，即得出所需要的挤出量为20kg/h。此外，生产壁厚<1mm的硬度PVC异型材，牵引机夹紧压力不能过大，否则产品表面就会呈波浪形凹凸不平。锯切时，锯刀进刀速度应缓慢，否则会使异型材锯口爆裂、破碎。

（7）冷却定型　PVC塑料异型材在挤出过程中，在高温下被挤出机头口模的型坯，需要得到及时、合适的冷却方式和恰当的冷却水温进行冷却定型，方能得到理想的产品。冷却不及时，制品就会在自身重力的作用下或牵引机夹紧压力作用下发生变形。通常定型和冷却往往是同时进行的。冷却时，冷却速率对制品的性能有一定影响，对于硬度PVC塑料，冷却过快时容易在型材内部产生内应力，并降低外观质量；由于PVC热导率低，熔体在快速冷却时，表层首先冷却变硬，内层后冷却，这时会因收缩使其处于拉伸状态，这将造成型材物理机械性能下降。硬质PVC异型材挤出成型时冷却水温要求在15℃以下。

在选择冷却形式和调节冷却水流量时应注意以下几点。

①硬质PVC异型材往往是不对称的，故不能用水浴式不加区别地进行冷却，因为这样会使不对称截面冷却速率不一，而使型材产生无规则的弯曲变形，最好采用几个真空定型模冷却定型。冷却水应由定型套后部流入，前部流出，使水流方向与型材前进方向逆行，这可使型材冷却较缓慢，内应力较小。同时定型套前端温度较高，型材易于吸附。

②型材冷却采用缓冷方式，从而大大地抑制了在制品中易发生的内应力和变形，可防止成型后的制品发生翘曲弯曲和收缩等现象，并可防止由于内应力作用而使制品冲击强度降低。

③在生产过程中，如发现异型材从真空定型模出来后仍有弯曲现象，可适当调节各部位的冷却水流量和口模电加热板温度来纠正之。

④如由于冷却水的水温较高，使制品在定型模内得不到足够的冷却而弯曲，此时可在定型模之间再均匀地喷淋水冷却，如仍不能解决，则必须降低挤出速率，以延长冷却时间来加以校正。

⑤在刚开车将异型材型坯引入定型模和牵引机的过程中，为防止型材被拉长或拉断，应及时在异型材表面喷淋冷却水，使其表面得到冷却并具有硬度和刚度而不被拉断。

但此时应注意，要严禁冷却水在喷淋过程中倒流至口模，导致口模处高温型坯骤冷而断裂，同时口模也因骤冷可能不同程度地发生变形或生锈。

（8）真空定型　PVC是热塑性塑料，它在一定的温度下会软化熔融，冷却后又会变硬，并固化定型，异型材挤出过程中真空定型就是利用热塑性塑料冷却后会变硬并完全定型这种特性。

PVC塑料异型材在挤出过程中，在高温下被挤出口模的型坯完全处于熔融的塑性状态，并直接受牵引进入真空定型模，借助真空负压的作用，处于软化态，但有一定形状的型坯被紧紧吸附在真空定型模型腔上，并经真空定型模内循环冷却水冷却为固体。当异型材被牵引出真空定型模后，就成型为理想的异型材形状及尺寸，并且也具有一定的硬度。冷却定型操作主要是控制真空度和冷却速率两个参数。

真空控制的恰当与否，将直接影响产品质量，通常真空度应控制在大于0.06MPa，它与定型器密封程度和真空泵的性能有关。

真空度太高，阻力加大会增加牵引机负荷，甚至阻碍型坯顺利进入真空定型模，导致口模与真空定型模入口间积料堵塞。此外还会降低产量，缩短真空使用寿命。

真空底太低，对型坯的吸附力不足，导致严重变形或不成型，无法保证产品的外观质量及尺寸精度，造成极大的浪费。

为防止机头与定型模之间积料堵塞，开车时应等异型材进入牵引机夹紧后，方能打开真空泵，并缓慢盖上真空定型模上压盖，插上固定锁，最后拧紧定型模上、下模板连接螺丝。

在挤出异型材生产控制过程中应注意以下几点。

①根据不同异型材的截面、壁厚来确定真空度的大小。一般而言，如异型材截面复杂，壁较厚或不对称，应选用较高真空度，反之则异。

②在挤出壁厚<1.5mm的异型制品时，当真空度太高时，会将中空室内螺丝孔拉长；导致二次组装加工时无法拧螺丝，见图2-43。

因为真空吸附缝处是有间距的，真空度太高，势必将使真空吸附缝处的制品表面凸起，引起产品表面凹凸不平。

③如果发现异型材中空室内加强筋或螺丝孔变形，有塌落或凹陷时，说明真空度太小，若真空度已调到最大时仍有这种现象，欲纠正这种现象，又不允许切断异型材重新引入定型模时，可采用下列方法：当异型材刚挤出口模，尚未进入定型模时，用尖头工具，在有加强筋或螺丝孔部位戳数个小洞，使异型材进入真空定型模时呈开放型中空室，则较容易被真空吸足并紧贴附于真空定型模的模腔表面，从而可获得理想的异型材。

④如果通过真空度的反复调节或其它措施，都无法将产品吸足，则可适当降低牵引速度，待产品被吸足后再逐渐将牵引速度调至生产正常速度。

⑤为保证型材几何形状、尺寸精度和表面光洁度，异型材挤出成型的真空度一般控制在-0.08～-0.06MPa。

（9）水冷却的冷却水压力、流量　型材要得到良好的冷却定型，定型套必须保持在一个较低温度，这就需要冷却水的压力不能太低，流量不能太小，另外真空水箱内的水流速度也不能太低以增加换热效率，一般冷却水流量Q要大于2m2/h，水压大于0.1MPa。

（10）真空水箱的真空度　真空水箱内置有真空定型支撑板，并在水箱内保持一定的真空度，这样可以减少型材在冷却过程中的收缩变形。一般水箱真空度控制在0.002～0.01MPa。