塑料在挤出机中的运动过程简介（挤出量计算、挤出理论探讨）

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挤塑机的工作原理是：利用特定形状的螺杆，在加热的机筒中旋转，将由料斗中送来的塑料向前挤压，使塑料均匀地塑化（即熔融），通过机头和不同形状的模具，使塑料挤压成连续性的所需要各种形状的塑料层，挤包在线芯和电缆上。

电线电缆的挤出

一，塑料挤出过程

电线电缆的塑料绝缘和护套是采用连续挤压方式进行的，挤出设备一般是单螺杆挤塑机。塑料在挤出前，要事先检查塑料是否潮湿或有无其它杂物，然后把塑料预热后加入料斗内。在挤出过程中，装人料斗中的塑料借助重力或加料螺旋进人机筒中，在旋转螺杆的推力作用下不断向前推进，从预热段开始逐渐地向均化段运动；同时，塑料受到螺杆的搅拌和挤压作用，并且在机筒的外热及塑料与设备之间的剪切摩擦热的作用下转变为粘流态，在螺槽中形成连续均匀的料流。在工艺规定的温度作用下，塑料从固体状态转变为熔融状态的可塑物体，再经由螺杆的推动或搅拌，将完全塑化好的塑料推入机头，到达机头的料流，经模芯和模套间的环形间隙，从模套口挤出，挤包干线芯或缆芯周围，形成连续密实的绝缘层或护套层，然后经冷却和固化，制成电线电缆产品。

二，挤出过程的三个阶段

塑料挤出主要依据的是塑料所具有的可塑态。塑料在挤出机中完成可塑成型过程是一个复杂的物理过程：包括了混合、破碎、熔融、塑化、排气、压实并最后成型定型，这一过程是连续实现的。然而习惯上，人们往往按塑料的不同反应将挤塑过程，人为的分成各个不同阶段；①塑化阶段（塑料的混合、熔融和均化）；②成型阶段（塑料的挤压成型）；③定型阶段（塑料层的冷却和固化）。

2.1，塑化阶段。

也称为压缩阶段。它是在挤塑机机筒内完成的，经过螺杆的旋转作用，使塑料由颗粒状固体变为可塑性的粘流体。塑料在塑化阶段获得热量的来源有两个方面：一是机筒外部的电加热；二是螺杆旋转时产生的摩擦热。起初的热量是由机筒外部的电加热产生的；当正常开车后，热量的取得则是由螺杆旋转物料在压缩，剪切、搅拌过程中与机筒内壁的摩擦和物料分子问的内摩擦而产生的。

2.2，成型阶段。

它是在机头内进行的，由于螺杆旋转和压力作用，把粘流体推向机头，经机头内的模具，使粘流体成型为所需要的各种尺寸形状的挤包材料，并包覆在线芯或导体外。

2.3，定型阶段。

它是在冷却水槽中进行的，塑料挤包层经过冷却后，由无定型的塑性状态变为定型的固体状态。

三，塑化阶段塑料流动的变化

塑化阶段，塑料沿螺杆轴向被螺杆推向机头的移动过程中，经历着温度、压力、粘度、甚至化学结构的变化，这些变化在螺杆的不同区段情况是不同的。塑化阶段根据塑料流动时的物态连续变化过程又可分成三个阶段：①加料段（又称破碎段）；②熔融段（又称塑化段）；③均化段又称均压段）。各段对塑料挤出产生不同的作用，塑料在各段呈现不同的形态，从而表现出塑料的挤出特性。

3.1，加料段，

首先就是为颗粒状的固体塑料提供软化温度，其次是以螺杆的旋转与固定的机筒之间产生的剪切应力作用在塑料颗粒上，实现对软化塑料的破碎。而最主要的则是以螺杆旋转产生足够大的连续而稳定的推力和反向摩擦力，以形成连续而稳定的挤出压力，进而实现对破碎塑料的搅拌与均匀混合，并初步实行热交换，从而为连续而稳定的挤出提供基础。在此阶段产生的推力是否连续均匀稳定、剪切应变率的高低，破碎与搅拌是否均匀都直接影响着挤出的质量和产量。

3.2，熔融段，

经破碎、软化并初步搅拌混合的固态塑料，由于螺杆的推挤作用，沿螺槽向机头移动，自加料段进人熔融段。在此段塑料遇到了较高温度的热作用，这时的热源，除机筒外部的电加热外，螺杆旋转的摩擦热也在起着作用。而来自加料段的推力和来自均化段的反作用力，使塑料在前进中形成了回流，回流产生在螺槽内以及螺杆与机筒的间隙中，回流的产生不但使物料进一步均匀混合，而且使塑料热交换作用加大，达到了表面的热平衡。由于在此阶段的作用温度已超过了塑料的流变温度，加之作用时间较长，致使塑料发生了物态的转变，与加热机筒接触的物料开始熔化，在机筒内表面形成一层聚合物熔膜，当熔膜的厚度超过螺纹顶与机筒之间的间隙时，就会被旋转的螺纹刮下来，聚集在推进螺纹的前面，形成熔池。由于机筒和螺纹根部的相对运动，使熔池产生了物料的循

环流动。螺棱后面是固体床（固体塑料），物料沿螺槽向前移动的过程中，由于熔融段的螺槽深度向均化段逐渐变浅，固体床不断被

挤向机简内壁，加速了机筒向固体床的传热过程，同时螺杆的旋转对机筒内壁的熔膜产生剪切作用，从而使熔膜和固体床分界面的物料熔化，固体床的宽度逐渐减小，直到完全消失，即由固态转为粘流态（可塑态）。此时塑料分子结构发生了根本的改变，分子间张力极度松弛，若为结晶性高聚物，则其晶区开始减少，无定形增多，除其中的特大分子而外，主体完成了塑化，即所谓的初步塑化，并且在压力的作用下，排除了固态物料中所含的气体，实现初步压实。

3.3，均化段，

具有这样几个突出的工艺特性：这一段螺杆螺纹深度最浅，即螺槽容积最小，所以这里是螺杆与机筒间产生压力最大的工作段；另外来自螺杆的推力和筛板等处的反作用力，是塑料短兵相接的直接地带；这一段又是挤出工艺温度最高的一段，所以塑料在此阶段所受到的径向压力和轴向压力最大，这种高压作用，足以使合于塑料内的全部气体排除，并使熔体压实、致密。该段所具有的均压段之称即由此而得。由于高温的作用，使得经过融熔段未能塑化的高分子在此段完成塑化，从而最后消除颗粒，使塑料塑化充分均匀，然后将完全塑化熔融的塑料定量、定压地由机头均匀地挤出。

四，挤出过程中塑料的流动状态

挤出过程中，由于螺杆的旋转使塑料推移，而机筒是不动的，这就在机筒和螺杆之间产生相对运动，这种相对运动对塑料产生摩擦作用，使塑料被拖着前进。另外，由于机头中的模具、多孔筛板和滤网的阻力，又使塑料在前进中产生反作用力，这就使塑料在螺杆和机筒中的流动复杂化。通常将塑料的流动状态看成是由以下四种流动形式组成的：

4.1，正流

是指塑料沿着螺杆螺槽向机头方向的流动。它是由螺杆旋转的推挤力产生的，是四种流动形式中最主要的一种。正流量的大小直接决定着挤出量。

4.2，倒流

又称逆流，它的方向与正流的流动方向正好相反。它是由于机头中的模具、筛板和滤网等阻碍塑料的正向运动，在机头区域里产生的压力（塑料前进的反作用力）造成的。由机头至加料口形成了压力下的回流也称为反压流动。它能引起生产能力的损失。

4.3，横流

它是沿着轴的方向，即与螺纹槽相垂直方向的塑料流动。也是由螺杆旋转时的推挤所形成的。它的流动受到螺纹槽侧壁的阻力，由于两侧螺纹的相互阻力，而螺杆是在旋转中，使塑料在螺槽内产生翻转运动，形成环状流动，所以横流实质是环流。环流对塑料在机筒中的混合、塑化及热交换影响很大，塑料所以能在螺杆中混合、塑化成熔融状态，是和环流的作用分不开的。环流使物料在机筒中产生搅拌和混合，并且利于机筒和物料的热交换，它对提高挤出质量有重要的意义，但对挤出流率的影响很小。

4.4，漏流

它也是由机头中模具、筛板和滤网的阻力产生的。不过它不是螺槽中的流动，而是在螺杆与机筒的间隙中形成的倒流。它也能引起生产能力的损失。由于螺杆与机筒的间隙通常很小，故在正常情况下，漏流流量要比正流和倒流小得多。在挤出过程中，漏流将影响挤出量，漏流量增大，挤出量将减小。

塑料的四种流动状态都不能以单独形式出现，就某一塑料质点来说，既不会有真正的倒流，也不会有封闭的环流。熔体塑料在螺纹槽中的实际流动是上述四种流动状态的综合，以螺旋形轨迹向前的一种流动。

五，挤出量

挤出量是挤塑机的重要特性参数，是挤出理论的重要研究内容之一。如上所述挤出过程中塑料流动是人为的将螺杆按某工作特性分为三个部分，事实上，螺杆本身是一个整体；塑料沿螺杆全长上的物态变化，是逐渐连续发生、发展并完成的，并不存在一个两相界面。为此，对挤出量就有了两个假设，把塑料由固态转为粘流态的全过程假定发生并完成在变化区段的所谓粘结点，而塑料被压实则假定发生并完成在变化区段的所谓填实点，由此人为的将全部物料分为两部分，即粘结点前的固体部分和粘结点后的流体部分。对于一个结构合理的挤出机构，由于挤出具有连续性的特点，其固态下的挤出量与粘流态下的挤出量应绝对相等（逸出的气体忽略不计），因此挤出量即可由两部分之一求得，一般都以后段的流体力学方法计算，对等距不等深螺杆的挤出量计算公式是：

式中：

Q挤出量（cm3／分）；V螺杆在推进方向的速度（cm/分）；

b螺槽宽度（cm）；h1填实点螺纹深度（cm）；

h2端部螺纹深度（cm）； g重力加速度（cm/分2）；

p挤出压力（kg/cm2）； η塑料粘度（kg／cm·分）；

L填实点到端部螺纹展开长度（cm）。

挤出量计算公式来看，影响挤出量的因素主要是：

1）挤出压力越大，挤出量就越小。挤出压力是推力与其反作用力形成的，挤出压力大则反作用力大，而反作用力是回流（倒流和漏流）产生的根源，故挤出压力越大，对正流的抵消作用也就越大，从而使挤出量减少。

2）螺槽越浅，挤出量越稳定。在挤出过程中，因温度、螺杆速度的微小变化，将导致挤出压力的变化。从挤出量计算公式第二项可以知道，当螺槽深度较大时，（h1平方*h2平方）之值将很大，即使挤出压力发生微小变化，也将引起第二项式的大量波动，影响挤出量的大幅度波动。

3）螺槽宽度越大，螺槽容积越大，则挤出量越大。但不能一味地加大螺槽宽度来提高挤出量，因加宽螺槽宽度，将使螺纹厚度减小或塑化路径缩短，前者使螺纹耐磨强度降低，后者使塑化能力降低。

4）螺纹深度要适当，太浅则挤出量小；太深则形成挤出量不稳，并影响塑化均匀性。

5）温度，随着螺杆转速、挤出压力、外加热条件以及挤出机周围介质温度的变化，料筒中物料的温度也会相应的发生变化。为使塑料始终能在挤出机中按要求达到加热、塑化，并均匀地输送到模口，温度的正确控制是非常重要的。

低温挤出有很多好处，容易保持挤出物的形状，由于聚合物中热能较少，缩短了冷却周期或冷却时间，减少聚合物的降解，特别是对热敏性塑料更为重要。但当温度过低时会发生熔体破裂，成型不好造成产品外观低劣或完全无用的制品，还会降低挤出量。

挤出物温度与产品物理性能及各方面的关系是非常复杂的。要根据聚合物的物理性能、设备及产品性能要求，使用合适的温度，是取得合格制品的重要条件之一。

所以对一个良好的挤出过程来说，要求挤出物有稳定的流率、恒定的压力、恒定的温度和均匀的挤出物组成。然而这些条件不是独立的。例如，压力的波动会引起流率的波动，温度的波动将引起黏度的波动，而黏度的波动又将引起压力的波动以及流率的波动。

挤出机，无论是单螺杆还是双螺杆，提到挤出量就必须要说明两个概念：

①理论极限挤出量

②实际挤出量理论极限挤出量的算法是：通过螺杆几何学计算（机筒内部空间的横截面积-螺杆横截面积=流道横截面积）然后乘以加料段大导程螺纹元件的导程再乘以主机转速，都用国际标准单位，得到的m³/h就是在这个转速下的理论极限挤出量。实际挤出量是不需要计算的，一般来说都是计量喂料，挤出量就是你设置的喂料量。如果是饥饿喂料（实际中很少见因为加料量不够稳定），就需要结合物料的特性了，比如是粉料还是粒料，他的固态颗粒流动性怎么样，还有喂料装置的结构尺寸都有关系，但是通常固态饥饿喂料实际挤出量不会超过理论极限挤出量的80% 在设计计量喂料量的时候，通常为理论极限挤出量的60%比较合适，可以在一定主机转速范围内不需要调整喂料量。

一般预估产量为：

51/105mm设计挤出量约为150kg/h

65/132mm设计挤出量约为160-280kg/h

80/156mm设计挤出量约为350-450kg/h

92/188mm设计挤出量约为450-600kg/h

六，挤出质量

挤出质量主要指塑料的塑化情况是否良好，几何尺寸是否均一。即径向厚度是否一致，轴向外径是否均匀。决定塑化状况除塑料本身之外，主要是温度和剪切应变率及作用时间等因素。挤出温度过高不但造成挤出压力的波动，而且导致塑料的分解，甚至可能酿成设备事故，因此挤出温度应按工艺温度控制。而减小螺槽深度，增大螺杆长径比，虽然有利于塑料的热交换和延长受热时间，满足塑化均匀，但将影响挤出量，又为螺杆制造和装配造成困难。所以确保塑化的重要考虑应是提高螺杆旋转对塑料所产生的剪切应变率，以达到机械混合均匀，挤出热交换均衡，并由此为塑化均匀提供保障。这个应变率的大小由螺杆与机筒间的剪切应变力所决定，其剪切的应变率数值的为：

Δ= Πd*N /h

其中：Δ为剪切应变率（l/min）；D为螺杆直径（cm）；

N为螺杆转速（r／min）； H为螺槽深度（cm）；

由此可见，在保证挤出量的要求下，可以在提高转速的情况下加大螺槽深度。此外，螺杆与机筒的间隙也对挤出质量有影响，间隙过大时则塑料的倒流、漏流增加，不但引起挤出压力波动，影响挤出量；而且由于这些回流的增加，使塑料过热而导致塑料焦烧或成型困难。

七，挤出理论的研究

塑料挤出理论的研究就是根据塑料在挤出机中的三个历程即从加料区的固态到过渡区（熔融区）的固态粘流态、直到均化区的粘流态这三种物理过程进行研究。挤出机的挤出理论主要分成三个职能区进行研究，即一般所谓加料区的固体输送理论、熔融区的熔融理论和粘流体输送理论。

理论不同程度上揭示了物质性质、机器结构参数和工艺条件对熔融过程、输送流率的影响，为改进挤出机结构、制定合理的工艺条件、选择材料等提供了依据。

7.1，固体输送理论

在挤出过程中，加入螺杆中的固体塑料，由旋转螺杆的推力作用，向前推进，在机头阻力作用下，物料不断被压实。开始塑化和尚未塑化物料连续整齐排列，形成充塞于整个送料段螺槽有弹性的固体塞。根据这一现象，利用固体对固体摩擦的静力平衡方程为基础，建立了固体输送理论。

7.2，熔融理论

熔融理论是建立在热力学、流变学基础上的一种理论。在加料段末段与加热机筒接触的物料开始熔化，在筒内表面形成一层聚合物熔膜，当熔膜的厚度超过螺纹顶与机筒之间的间隙时，就会被旋转的螺纹刮下，聚集在螺纹的前面，形成

熔池。由于随着温度的不断提高及螺杆的剪切作用，熔池不断扩大。影响熔融段长度的因素主要是物料特性、流率、螺杆转速、机筒温度和物料初温。