挤出成型和现代挤出机

特 种 橡 胶 制 品 � � � �年 山 � � 碑‘ 口‘钊 �峨叫 � � � 勺协‘吸肪曰� 肠山如, ” —� ‘ 冲� , 尸 � � � 目� � , , 甲 � , � , � � , , � 一�一—一� 吧 , , 倪, 觉 ,一代 二 � 介 代一一——一 挤出成型和现代挤出机 程 源 �北京化工学院 � � � � ! � 介钾矫出成型在橡胶 制品方面习庄用 , 现代济出机发展的概况和其关键部件 � 螺 杆 、 机筒 、 机头 传动、 监测等方面发展的特点 。 关健词� 挤出成型 , 挤出机 , 螺杆 , 机筒 , 机头 � 前 言 挤出成型和挤出机 , 在橡胶工业的各个 领域都将起到必不可少的重要作用。 它可以 塑炼 生胶 、 连 接混炼 母胶 、 下 片 �条� 造 粒 , 更可预 成型或连续生 产半成 品。 近 年 来 , 以挤出代替压延 , 也已 日益普遍 。特别是 复合挤出 �如 轮胎 的三方四块� 和 多层共 挤 , 将为橡胶工业的 “继续生存” 和 “东山 再起 ,, , 提供设备保证 。 � 挤出机的特点及其发展 续的塑炼混合 , 直至挤出成型 。 且由于螺杆 长 、 压力大 , 加之优化造型 , 挤出稳定。 对 于后有连续硫化配套者 , 尚可抽真空排出水 分和挥发物 �排气挤出机 � , 以防止低压或常 压硫化时 , 出现气泡和海绵。 此时 , 螺杆还 要加长 �� � � � � , 以减压排气。 最早的冷限料挤出机 , 仅仅是加长了的 热喂料挤出机 , 有的� � � 二 �� � � 。 且都是 单级挤压 。 杆长糟浅 , 热量传递和混炼效果 都比较差 , 故其生产能力低 �为热 喂料 的 �� � �能耗却很大 。 �� 年代以来 , 由于螺杆 更新 , 冷喂料有了飞速进展 , 并逐渐普及起 来 。 � � � 冷热变革—杆长加大螺杆挤出机 自�� � �年间世至今 , 一直都 在变革 。 最早都是热喂料 , 长径比� � � ‘ � , 因其造价低 , 效率高 , 现在仍然沿用着 。 但 在先进 工业国 家 , 冷喂 料都已处 于主导地 位 。 这是因为 , 热喂料尚需用 � � � 台开炼 机组热炼供料 , 更 由于开 炼机人 工间歇操 作 , 难于控制质量波动 , 特别是温度和可塑 度的均一稳定 , 从而影响挤出制品的尺寸误 差和 口型膨胀量的变化 。而冷喂料 , � � � 全 �� 不需热炼供胶 , 可靠自身的长螺杆 , 进行连 � � � 螺杆设计—不断更新 螺杆是挤出机研究设计的关键 , 它决定 了生产效率 、 质量和稳定性。 现代的螺杆设 计 , 可按胶料配方 、 挤出温度 、 机头压力和 速度与产 量 , 用计算机 �� � � �优化组合 , 故有万能螺杆或 “魔杆 ,, 之称 。 旧的老三段 螺杆 , 即 � 喂料段 、 输送段和压出段 , 国外 现 已不多见了 。 新螺杆既保证挤出均匀、 温 升小 , 又有高质量 。 与传统螺杆相比 , 螺纹 深浅变化 、 螺旋角之大小及螺距改变 , 都可 通过 �� � 优选最佳值。 且增 添了副螺纹 , 收稿 日期� �� � �一 � �一�事 第 �� 卷 第 � 期 特 种 橡 胶 制 品 机筒销钉、 阻流档板及巢穴式混合段等 。 致 使新结构螺 杆不断涌 现。 如 � � � � �� � 波浪 一 形螺 杆 , � � � ��� �� �主�� 螺 纹螺杆 , � � � � � 巢穴式 ��丁� �螺杆� � � �公司的机简有销 钉的螺杆 ���� �, � � � 剪切 机头 螺杆 , � �� 传递混 炼螺杆 等 。 其 中 , � � ���� �� � 螺杆属于普及型 , 用的最多。 它的主副螺纹 �主螺纹槽由� � � ” � , 副 螺 纹 槽 由 � ” 。� � �主要解决冷 喂料的塑化均 匀。 未塑化 的胶料被阻 , 继续塑化后方可越过 。 因而 , 可加深螺槽 , 降低温升 , 提高质量 , 而又不 致于混合不好 。 其中的���销 钉 机 筒挤出 机 �螺杆开有让销钉通过的环形槽� , 其突 � 一 出特点是强劲的塑化混合效果 。 又不过分生 热 �面不断被销钉的蜗流运动更新 , 热交 换充分 � , 产量可提高 �� �� � 写 , 且灵活 性大 , 可适应各种工艺要求。 但销钉弯断后 �因磨损变径或硬脆而发生的� 造成的 检修麻烦 , 尚待 进一步设 法解决。 �� �螺 杆本来是塑料挤出机上的均化机头 , 它在机 筒和螺杆上 部有呈 螺旋线排 列的半 圆型巢 穴 , 长度为�� , 放 在螺杆末端。 它 的突 出 特点是产生低剪切的三维切割混合 , 可提高 产量 、 降低生热 , 且使挤出物稳定均匀 。 并 可减少混 炼段 的� � � , 而又 不降低 混合效 果 。 带有 � � � �剪 切机 头� 的螺杆 , 可使 胶料在挤出口 型之前 , 靠螺杆前的剪切元件 升温预热至起硫点 , 此温度应控制在士 �℃ , 致使其出 口型后 , 尺寸精确, 膨胀量小 , 且 挺性好 。 对于异型材的挤出 , 尚可使厚薄处 同步硫 化 , 形状 准确。 用 低常压 连续硫化 时 , 不起气泡 , 热能消耗也大大减少 。 缺点 是温度和质量控制难度大 , 已开始交联的半 成品 , 初开车时或不合格者 , 其胶料都难于 回收 �需再生脱 硫� 。 � � �连续混炼螺杆 挤出机 , 可根据胶料性能调整 , 又称为万能 挤出机 , 由 于螺杆和机筒 的变径 放大或缩 小 , 使它等于有 � 个塑化段 , 因而 , 最有效 的体现了流动分散原理 , 故其转速可增高 , 产量随之增大 , 但温度升高很小。 其 � � � 只 等于其他冷喂料杆的一半 �通常可达� � � � � , 仅稍高于热喂螺杆� 。 北京化工学院己 设计出小型中试用样机 。 � � � 追求产盆 �—设计新机 近年来 , 随着螺杆挤出机的用途和用量 都与日速增 , 各国又不断开发出新的机型 。 如瑞土的 � � � �� � � � 公司新 推出了“紧凑型 ” 挤出机 , 其� � � � � , 与热喂料螺杆一样长 , 故大大减少生热和早期硫化的可能 。 冷喂料 螺杆如此之短 , 产量提高了 , 仍可挤出胶料 均匀 , 避免尺寸波动 。 其得力措施是在剪切 区后头设有 “截流阀” , 其靠液压调节 。 现 已用于中�� 中� �。的各种螺 杆挤出机上 。如 小 � � �普 通冷�喂, 产 量 � � � � � � � � � � � � , 而 中� � �紧凑 型 , 则可 达� � � � � � � � �� � � � , 近 于翻番。 最大生产能力曾达到 � � � �� � 。 现代螺杆挤出机 , 正向高产 、 优质 、 高 速自动化方向发展 。 如� � � � � �的中� � �螺杆 , � � � � � � , 生产能力 已达� � � � � � � � , 而� � � � 的� ��挤出机类似规格的已达 �� �� � � � � , 进一步追求的产量目标 是 �� �� � 。 为 达此 目 标 , 除螺杆还在不断优化设计之外 , 其它各 个组成部分 , 如机筒 、 机头 、 加料装置、 控 制系统等 , 都必须相应跟上来。 � � � 机筒改进—稳定寿命机筒的大小 , 关系到产量的高低。 一般 说来 , 其内径 在中 � � 、 中。� 、 中 �� � 和。� � 中 , 每增加一级 , 产量则增大 � 倍。 产量增 大后 , 寿命就是关键因素了。 通常 , 机筒强 度应是以承受 �� � �� � � � 的内压力 , 而内衬尚 需以耐磨和耐蚀的材料制造 。 新型挤出机用 钨铬钻合金 、 � �� � �一�� �高强度合金 、 碳化 钨或铬化硼等硬质合金 , 采用双金属结构。 配上耐膺的螺杆 �通常作为易损替换件� , 弓� 特 种 橡 胶 制 品 � �息�年 螺梭顶端用硬金合堆焊。 这比我国通常用的 � �� �� � � �氮化螺杆和机筒内衬 , 寿命可增 高 � � �倍。 一般 , 其间隙范围为 �� , 能�� 二� ���� � , 当磨损加大初始值导倍时 , 即告朱效。 其征兆是产量减小 , 胶温升高 , 挤出物质量 不均还伴有气孔 。 可见 , 机筒的耐磨性对稳 定寿命至关重要 。 一 � � � 改进喂料�一质鱼恒定 进料 日和料斗对挤出讥的稳定质量亦很 重要 , 如缺料则产量降低 , 并使挤出胶中有 气泡 , 且生热高 , 压出 口型后膨胀率波动变 化大 , 故有力矩加料器、 气动辅助喂料辊 、 喂料中报警器等 , , 当喂入胶片宽度和螺杆转 速变化时 , 恒定加料器可保证不影响产量和 挤出尺寸波动。 � � � 监测系统—不断完善现代挤出机的先进与否 , 主要看拄制和 监测水平 , 尤其是多通道温控 , 乃挤出成败 的关键所在。 与以往相比 , 监控已有很大进 步 。 现不仅有监测转速 、 电流、 压力、 温度 等操作参数 , 还有挤出物尺寸扫描 、 数据记 录 , 过程控制和故障诊断等。 � � 了传动系统—已经吏新对于传动系统 , 以往多用直流马达 , 一 般按挤出胶料重量计算所需功率范围为 �马 力�� � � � � 。 由于用户不断追求增产 , 传统的 冷喂料挤出机功率常感不足 。 螺杆转速通常 � � �� �� � � 之 间 , 别转 速的限制 , 取决于 胶料能够承受的生热能力。 近年米 , 液压马 达得以推广。 油泵抓组放入地下 , 地上的挤 出机干净紧凑而又没有噪音 , 尤其是变速和 变扭矩很方便 , 适于不同胶料配方和工艺条 件的优选 。 我国原用整流子电机和齿轮减速 器 , 电机风冷和齿轮啮合的噪音多超 过 �� �刀口为此, 北京化工学院已设计开发成功全 液压传动的中 � �� 冷喂料 和中� �。冷喂排气翰 鳅。� � �共混挤出—适应改进对于热塑性橡胶�� � � �的挤出 , 螺杆与 机简间隙应重新设计 , 还需改变喂料系统不 能只吃条料或粒料 , 要能喂入混炼好了的不 胶料。 对此 , 螺杆压缩比还要加大 , 以 避免空气在不规则材料中聚留。 挤出温度要 高 , 需要更改传统的橡胶挤出冷却系统 , 并 需用汽热 、 油热或电热 , 温度高达塑料软化 点以上 �� ℃左右 。 由于温度升高 �有的高到 � � 下 � , 轴承润滑 和寿命均受 影响。 又由 于挤出机轴向 推动力非 常之大, 如 中� �� 挤 出机可产生 �� � �� ��� 的后压力 , 此 力对止 推轴承的作用力可高 达 � � � � �� � � 。 为便于 各种小药和配合剂的分段加入 , 共混用挤出 机需分设若干个喂料段 , 如� � � � �� �需 � 段 , 第一段 加� � � 、 增塑齐�和稳定 剂 , 第 二段加入� � � , 第三段加入硫化剂 , 第四 段加入促进剂 , 经此四段混合后 , 最后经压 出段由机头排料。 若为粉末橡胶 �如丁睛橡 胶� 与塑料的粒或粉 , 在空间三维混合器中 予混 , 则挤出机喂料可大大简化。 此三维混 合器北京化工学院己开发成功。 � � 息机头革新—功能多样机头乃挤出机 “画龙点睛” 之举 , 它决 定着挤出质量影响 的 � � � 。 近年来 , 机头 开发的进展很大。 除常规压型机头而外 , 尚 有多种特殊功能。 如� � � � � � 辊筒机头 可代替压延压片和开炼机下片 , 压出厚 度 � � � � 。 , 辅以圆筒破开 式 口型 , 幅宽 可达 � � �� 队 � �� , 厚度差 � � � � �� � 。 � � � � � 剪切机头 它可靠剪切生热而达到起硫点 , 出口型 后 即快速低压或常压连续硫化 。 由于它是内 部加热 , 均匀升温 , 可免除制品内外或厚薄 第�� 卷 第 � 期 特 种 橡 胶 制 品 弓� 不同之处硫化不均。 此机头一般 长� 二 �� , 所生 热量功�� 聆 � , 即与粘度刀和剪切速率丫 的平方成正比 。 与热空气硫化箱匹配 , 硫化 时间可缩短 � � � � � � 。 此连续硫化箱已由 北京化工学院试制出来并投入生产应用 。 � � � � � 取向机头 此机头用于挤出短纤维增强的橡胶或橡 塑共混物 , 通过纤维扩张取向 , 可控制挤出 制品模量在不同方 向上的大 小 , 相差 可达 �� � � , 从而改变扩张力和力学性能。 如胶 管 , 可令外层纤维偏于轴向取向 , 中层偏于 周向取向 , 内层又为轴向。 这如编织一样 , 使胶管既有轴向柔性 , 又有周向刚性 , 且内 ‘一 外光滑 , 并可按需要取向以承受工况的环向 和轴向应力 。 �� � · � � 型机头 此机头用于挤出宽幅度板或片材 , 如耐 酸衬里或防水卷材 , 并可代替压延机挤出运 输带的覆盖胶 。 由于它的出片方向与螺杆轴 线成�� 。角 , 故破坏了通 常沿轴 向挤出的抛 物线速度分 布 , 再加 上锤形 流道的 压力均 布 , 并配有阻尼板的微调 , 可使挤出胶片厚 度均匀 、 质地致密而又无任何气泡 。 此 � 机 头挤出生产 线 , 已在 北京化 工学院研制成 功 , 并通过了化工部技术鉴定 , 配上鼓式硫 化机或多鼓式硫化机 , 则可连续生产不同厚 度的板片 。 其中 , 单鼓式已由北京化工学院 开发成功 , 多鼓式也正在设计研制当中。 单 鼓式面的热空 气补充 连续硫化 , 亦 正在试 制 。中 � � � � � � 环带鼓式硫 化机曾获化工部 科技成果二等奖 , 现已放大到� � � �和� �。。� � 宽度 。 � � � � � 弯管机头 采用人为的控制挤出口型偏心 , 可随意 � , 使挤出胶管按使用要求呈空间三维弯曲 , 这 对汽车用短纤维管连续生产 , 创造了条件 。 一般芯子偏距 � � �� � 即可 , 这 样 , 胶料在 宽隙中流动阻力小 , 流速快 , 在窄间隙料 , 流速慢 , 这如行军编队拐弯一样 , 可使胶管 产生弯曲。 其弯曲半径 � 大小 , 取决子两者 的速度� �和� � 。 即 � 一 ” � � � 〔�� � � � � � � � 〕� 〔�� � � � � � 一 � 〕 可见 , 只要 � � � � � 斗 � , � 今。 , 即 可弯 曲。 此机头需用计算机和液压系统精确快速 的控制偏心 �和� � � � � 的变化 �方向和大小� 及偏移的时间 , 即可控制弯管形状和制造过 程 。 当然 , 定型环状 口型板这是轴对称的 , 以确保挤出的弯管壁厚均匀。 2 . 9 . 6 可调节流量机头 它是在挤出口型前设置多个等截面流道 汇合 , 每个流道可由机外控制开闭 , 以调节 压力和流量 , 借以修正复杂断面制品的形状 准确性。 以前的机头 , 常需反复拆下 口型修 模或局部抛光 , 用改变阻力和 口型长度的办 法 , 克服因挤出内应力造成的 制品走形 。 并 需控制多 口型压出时的速度一致性 。 2 . 9 . 7 复合机头 近年 来 , 随着 各种复 合机头 发展和普 及 , 其C A D 辅 助设计也 日益增 多。 不管哪 种复合 , 都要求胶胚从口型出来后 , 界线分 明的粘合在一起 , 互相间没有拉力 。 这对挤 出胀量和尺寸稳定的要求都很高 , 其速度 、 压力和流量的控制也很 严格 。 如 瑞士R C M 公司的复合机头 , 可用于力车胎二方三块或 三方五块的复 合胎而 均匀压 出 , 最薄 处达 o.3m m 以下 , 被称为世界领 先水平 。子午胎 面复合压出 , 如三方四块 , 以9.00一 20 一 14 P R 为例 , 重量由37.5, 36 . 4k g/ 条 , 若 年产10 。 万套 , 累计经济效益是很可观的。 自行车胎 的双色复合挤出 , 国内已能自行生产 , 扩大 后亦可用于摩托车胎。 2 . 10 塑料螺杆—演变借鉴当前 , 螺杆挤出饥正向高性熊、 多晶种 特 种 橡 胶 制 品 1仑93年 用差示扫描量热法来评估硫化胶 的耐老化性 周 胜 (化工部曙光橡胶工业研究所 541004) 用差示扫描量热计 (D s c ) 测定了几种硫化胶因热老化而热烙变化的 动态曲线 , 结 果 表明 , 随着 老化时间的增加 , 硫化胶在150 ~ 260 ℃之间放出的热量随之减小 , 这种孪化呈指数规律。 本文 用 回归 方法描述了这种老化过程 , 考核了用D SC 来定量评估硫化胶耐老化性的新方法 。 本法还和常规 法 进 行 了比较, 认为是一种可行的方法。 关抽询: 差示扫描置热法, 回归方法 , 热哈分析 。 1 前言 橡胶的老化会影响橡胶制品的性能和使 用寿命 , 因而橡胶的耐老化性是人们普遍关 心的间题 , 多年来 , 许多配方设计者和工艺 技术人员一直用物理性 能 来 表征其老化程 度, 象热空气老化方法 (用性能变化表示 ) 已成工5 0 和G B的方法 〔’, 2 ’。 近十几年 来 , 热分析在材料的老化和氧化等方面的研 究非常活跃 , 取得了许 多 令 人 瞩月 的成 果 〔. ’。 由于差示扫描量热计 (D SC ) 能检 测到橡胶交联和主链断裂这些反应 , 这就为 研究胶料的耐老化性提供了一种灵敏、 简单 而准确的方法。 本研究的目的是从化学反应的热力学为 出发点 , 通过D S C 测量来定量描 述 硫 化胶 的老化情况 , 根据热老化而 引 起 的多硫键 (交联键) 断裂的热烩损失的热力学速率 , 用回归方法来定量描述这种过程。 1 . 1 仪器 日本理学公司生产 的 “ T h e r o of l e r ” 型热分析仪 , 实验采用热重—差示扫描量热计 (T G 一 D S C ) 系列。 收稿日期: 1993一03一22 方向发展 , 而塑料螺杆已远远走在前面 , 其 L /D 可达到5。~ 60 , 转 速也比20 年前提高3‘ 倍 , 已达到300rpm , 个别高者可到50。~ 7 0 0 rP m , 各种新型螺杆还在不断涌现 。 更有趣 者 , 不仅有单螺杆、 双螺杆 、 三螺杆及行星 多螺杆挤出机 , 现又出现无螺杆挤出机 , 即 端面剪切挤出机 , 它利用韦森伯格效应 , 井 形如中国古老的石磨 , 这对于螺杆越多 , 螺 杆越 一长, 价格也就越贵来说 , 无疑是一场革 命 。 此外 , 还有把加料 、 塑化和混炼三个功 能分开的无螺杆挤出机。 它们对于热敏性胶 料 (如聚醋类) , 可避免降解 , 还可用于反 应挤出 , 并可加上排气功能 。它可排出 25写~ 99 , 。% 的未反应单体和溶剂挥发物。