1. 1. 1 挤出机

（1） 挤出机概述  挤出机是塑料挤出成型生产线的主要设备 。挤出机的主要功能是为 塑料树脂挤出成型塑料制品时提供塑化均匀的熔融料 ，保证生产原料在工艺要求的温度范围 内混合均匀 、塑化充分 ，为成型机头提供流量均匀 、压力稳定的熔融料 ，使挤出料坯出模平 稳 、形状准确 、符合尺寸要求 ，并能顺利连续生产 。单螺杆挤出机结构如图 1-1 所示。

图 1-1 单螺杆挤出机结构

1—机头法兰 2—过滤板    3—铸铝加热器 4—鼓风机 5—螺杆    6—机筒 7—液压泵

8—测速电动机 9—料斗    10—推力轴承    11—减速箱体 12—螺杆冷却管

挤出机主要由螺杆 、机筒 、上料系统 、加热冷却系统 、传动系统 、温度控制和电气控制系统等组成 。而螺杆又是挤出机最关键的部件 ，它承担了对物料的输送 、压实 、塑化 、均 化 、加压和推挤出的全过程 。通过螺杆的转动 ，机筒内的塑料才能移动 ，得到增压和产生摩 擦热 。与螺杆接触的塑料被螺杆咬住 ，随螺杆的旋转被螺纹强制地向机头方向推进 。在塑料 往前推进前移的过程中 ，经历了温度 、压力 、黏度甚至化学结构的变化 。为了适应不同的塑 料特性 ，要设计各种不同结构的螺杆以生产成型各种塑料制品 。单螺杆挤出机普通螺杆分为 三段 ，分别是加料段 、压缩段（ 塑化段）、挤出段（ 均化段）。挤出机螺杆的参数有螺杆直径 D 、螺杆长径比 L/D 、压缩比 ε 等 。其他参数有螺纹升角 、螺槽深度 、螺棱宽度 、螺杆与 机筒的间隙 、螺纹线数 、螺杆头部形状 。螺杆的作用是输送固体 、熔融塑料 、输送熔体 。熔 体沿螺槽流动时分解成四种流态。

1） 正流（ 又称拖曳流动） 是指塑料沿螺槽向机头方向流动 ， 塑料从机头挤出是靠 正流。

2） 横流（ 又称环流） 是塑料在螺槽内不断地改变方向 ，作环形流动 。横流对塑料混 合 、热交换和塑化起积极作用 ，对挤出量不产生影响。

3） 逆流（ 又称倒流或压力流动） 是由机头 、 口模 、过滤网等对塑料反压引起的反向流 动 ，逆流的结果减少了挤出量。

4） 漏流也是由机头 、 口模 、过滤网等对塑料反压引起的反向流动 ， 区别在于它是在螺 杆和机筒的间隙缝中 ，漏流的结果使挤出量减少。

（2） 挤出成型制品的用途    挤出成型制品主要有薄膜 ，管材 ，板材 ， 片材 ，异型材， 棒材 ，丝 、绳 、网 、带 、条 、电线 、电缆及管线包覆 ， 中空容器 ，泡沫塑料 ，复合材料等。

其中 ，薄膜 、复合材料 、中空容器 、编织袋 、包装网 、打包带 、捆扎绳等广泛用于食  品 、药品 、化工产品 、精密仪器 、 日用品等的包装 。工程塑料棒材可用于加工轴承 、齿轮、 管件 ；塑料管 、板 、（ 异） 型材等可用于制造各种仪表盘 、车门内壁 、挡泥板内衬 、水管、 油管 、气管 、装饰件 、门 、窗 、顶板 、扶手 、地板等。

由于塑料具有优异的耐化学腐蚀性 ， 因而还被广泛应用于槽 、罐 、管道 、泵 、风机 、塔 等内衬 、填料 ，可节约大量金属材料。

在电子 、电信工业上 ，利用塑料的电绝缘性能好的优点 ，大量用于制作绝缘材料生产包 覆电线 、电缆 、各种电器件 、绝缘板等。

1. 1. 2    挤出机结构

（1） 螺杆

1） 螺杆的结构形式。

① 渐变型螺杆 。渐变型螺杆的结构特点是螺杆的螺纹部分螺距相等 ，螺纹槽的深度从 加料段向均化段逐渐变浅 。还有一种渐变型螺杆 ，是加料段和均化段的螺纹槽深度不变 ，而 塑化段的螺纹槽深度由深逐渐变浅 。这种螺杆结构适宜聚氯乙烯和聚乙烯等塑料的塑化 。如 图 1-2a 所示。

② 突变型螺杆 。突变型螺杆的加料段和均化段螺纹槽深度不变 ，而螺杆的塑化段（ 也 叫压缩段） 长度很短 ，这段的螺纹槽深是突然由深变浅 。这种结构螺杆适合于聚烯烃等结 晶型塑料的挤出成型 。如图 1-2b 所示。

图 1-2    常用螺杆结构

a） 渐变型螺杆 b） 突变型螺杆

③ 分离型螺杆 。近几年分离型  螺杆在挤出成型 PP- R 、HDPE 管材  中得到普遍应用 ，其结构型式如图  1-3 所示 。它与上述两螺杆不同之  处是在螺纹部分又增加一条辅助螺  纹 ，从而改进了原料的塑化速度， 提高了挤出机产量。

图 1-3 分离型螺杆结构

2） 螺杆的技术参数。

① 螺杆直径（ D）。螺杆直径从 φ20mm 开始 ， 每加 5mm 为一挡 ， 目前世界最大已有 φ500 ~ φ600mm 的特大螺杆 ，我国生产的螺杆最小只有 φ12mm ，大的螺杆达 φ400mm 以上。

螺杆直径是指螺杆的外径 。选择螺杆直径的大小 ，要根据产品规格的大小所需的熔体供 胶量和产量要求决定 ，见表 1-1。

表 1-1 挤出机螺杆直径和挤出制品尺寸关系推荐表        （ 单位 ：mm）

② 螺杆长径比（ L/D）。螺杆长径比是指螺杆的有效工作长度和螺杆直径的比值 ，用 L/ D 表示 。L/D 值越大 ，螺杆的有效工作长度越长 ，物料在机筒内停留的时间越长 ，塑化条件 越好 。高黏度 、难塑化的塑料（ 比如 PET） 需要长径比较大的螺杆 ，而低黏度 、容易塑化 的塑料（ 比如 LDPE） 可以使用长径比较小的螺杆 。螺杆长径比大有利于提高产量和塑化程 度 ， 比如目前发展很快的 PP- R 管材 ， 由于是无规共聚聚丙烯比较难塑化 ，所以 PP- R 管材 需配套专用挤出机的螺杆长径比都在 28 ～34 ，φ65mm 的螺杆转速可达 100r/min 以上 ，产量 可达到 100kg/h 以上 。 目前用于 HDPE 的螺杆 ，为了追求高转速 、高产量 ，螺杆长径比也多

在 30 ～34 。而对于交联 、发泡挤出工艺要求长径比更大 ，可达 40 ，甚至更高（ 可达 50

60）。螺杆长径比越高 ，其塑化程度就越好 。但是聚氯乙烯（ PVC） 制品螺杆不能太长 ，否 则会发生物料分解 ，一般 20 ～25 就可以了 。所以要根据不同的塑料和性能要求 ，选择合适 的长径比。

③ 螺杆压缩比 。螺杆压缩比是螺杆加料段第一个螺槽的容积和均化段最后一个螺槽的 容积比值 ，而不是螺槽的深度比值 。螺杆压缩比是几何压缩比 ，螺杆常用塑料压缩比见表 1-2 。螺槽容积的变化可以通过改变螺槽深度来实现 ，这种螺杆叫变深螺杆 ；也可以通过改 变螺纹的螺距来实现 ，这种螺杆叫变距螺杆 ，但大多采用变深螺杆来实现压缩比变换。

过大的压缩比会造成等距螺杆加料段螺槽过深 ，影响螺杆强度 。 比如回收废塑料的挤出 造粒机的螺杆压缩比高达 8 ～10 ，甚至更大 。为了保证螺杆能够具有足够的压缩比又具有足 够的强度 ，选用变距螺杆或者锥形螺杆。

表 1-2 螺杆常用塑料（ 几何） 压缩比推荐值

④ 螺杆分段及槽深 。根据物料在螺槽中的运转情况 ，螺杆通常分为加料段 、压缩段、 计量段 。普通单螺杆的基本结构如图 1-4 所示。

a.  加料段是从加料口向前延伸的一段距离 ，其长度为（4 ～8）D 。这一段的功能是从料 斗攫取固态料输送给压缩段 ， 同时使物料受热 。为便于物料输送 ，应尽量减少物料与螺杆的 摩擦 ，这段螺槽较深 ，其深度 h1  为（0. 10 ～0. 15）D。

b.  压缩段（ 塑化段） 是螺杆中部的一段 ，其长度 L2  视需要而定 ，物料在该段受热向前  运动 ，且由松散状态逐渐压实并转化为连续的熔体 。为适应这一变化 ，螺槽深度逐渐变小， 直至减小到计量段的螺槽深度 h3 ，如图 1-4 所示。

c. 计量段（ 均化段） 是螺杆的最后一段 ，其长度 L3  为（6 ～10）D 。这一段的功能是使 熔体进一步塑化均匀 ，并使熔体定量 、定压地从机头口模挤出 ，所以称为计量段 。该段的槽 深较浅 ，其深度 h3  为（0. 02 ～0. 06）D。

图 1-4 普通单螺杆基本结构

L—螺杆全长 D—螺杆外径    L1 —加料段长度 L2 —压缩段长度  L3 —计量段长度

h1 —加料段螺槽深 h2 —计量段螺槽深    s—螺纹螺距 ϕ—螺纹升角    θ—螺棱宽

⑤ 螺纹升角和螺棱宽度 。螺纹升角对物料的输送效率有影响 。螺纹升角从制造方便的 角度 ，通常是螺距等于直径的螺杆易加工 ，其螺纹升角为 17. 6 ° ,  螺旋方向为右旋 ，螺棱宽 度为（0. 08 ～0. 12）D 。但螺槽底部较宽 ，其根部有圆弧过渡。

3） 螺杆的冷却 。在热敏性塑料或高速挤出机的场合下 ，为保证下料输送顺畅 ，螺杆要 接水冷却 ，如图 1-5 所示。

图 1-5 螺杆冷却装置结构示意图

4） 螺杆头部形状 。螺杆头部形  状是指螺杆的螺纹前端形状 ，它对熔  料的停留时间有影响 ，对不同原料的  挤出应注意选择不同的结构型式 。图  1-6a 、1-6b 中螺杆头部呈圆弧形状， 用于流动较好的聚烯烃类和尼龙类塑  料的挤出 ，应用广泛 ，一般前端要加  过滤网和多孔板 。 图 1-6c 、1-6d 所  示螺杆头部锥角较小 ，适合于聚氯乙  烯原料的挤出 ，此种形状可减少熔料  在机筒的停滞时间 ，从而避免原料分  解 。在生产中可参照图 1-6 中所示的  螺杆头部结构选取。

图 1-6 螺杆的头部形状

a）、b） 应用广泛 c）、d） 用于聚氯乙烯 e） 用于聚苯乙烯 f）、g） 用于熔融料流动性较好的原料 h） 用于挤出电缆料

5） 螺杆挤出成型的优点。

① 设备成本低 ，制造容易 ，投资 少 ，投产快。

② 生产效率高 。如一台 φ65mm的挤出机 ，生产聚乙烯薄膜 ，年产量可达 300t 以上。

        ③ 可连续化生产 ，能制造较长的管材 、板材 、异型材 、薄膜等 ，产品质量均匀 、密实。

④ 生产操作简单 ，工艺控制容易 ，易于实现自动化 。 占地面积小 ，生产环境清洁 ，污 染小。

（2） 机筒  机筒加料段的冷却结构如图 1-7 所示 。机筒承受的压力较大 ，最大可达 50MPa ，工作温度最高可达 300℃ 。为工作需要可开一个或多个小孔作排气孔 ，构成排气挤 出机 。为了保证塑料在加料段的输送效率 ，在加料段设置冷却装置 ，这主要是满足热敏性塑料和高速挤出的需要。

图 1-7 机筒加料段的冷却结构 1—进水 2—出水 3—隔热垫

机筒的作用是将热量传给塑料 ， 又 可将热 量 从 塑 料 中 带 走（ 机 筒 吹 风 冷 却）。它是在高温 、高压 、严重磨损和有 腐蚀条件下工作的。

小型机筒一般做成整体式结构 ， 而 大型的挤出机为了便于加工制造和方便 改变长径比做成分段式结构 ，但分段式 难于保证对中性要求 。法兰连接机筒加 热稳定性差 ，所以尽量少用 。机筒的设 计要注意如下三点：

1） 加料段的纵向沟槽 。有些塑料在挤出成型时呈现供料不足的现象 ，这是机筒壁与塑  料间的摩擦引起的 ，如 PP 料尤为突出 ，所以在挤出机进料口这一段设置沟槽是最佳选择。 这些沟槽与螺杆轴线平行 ，并通常是直的 。对沟槽的深度 、宽度 、形状 、数量要根据不同塑  料性能设计 ，其原则是沟槽深度大约为 1 ～4mm 或塑料粒料尺寸的一半 。沟槽长度大约为螺杆直径的 2 ～4 倍 。有了沟槽后大大提高了螺杆对塑料材料的推力 ，增大了进料速率 ，提高 了挤出产量 ，挤出熔料更为稳定 ，还扩展了单螺杆机的应用范围。

2） 加料口 。加料口的结构必须与塑料粒的形状相适应 ，使加入的塑料能从料斗中自由 流入螺杆而不中断 。加料口的形状多为矩形 ，其长边平行于轴线 ，长度约为 1. 3 ～ 1. 8 倍的 螺杆直径 。加料口与排气口相结合的加料口 ，要设计抽真空孔。

3） 机筒的壁厚 。机筒壁厚主要涉及温度和时间的滞后性 。筒壁的厚度大 ，则滞后性就 会大些 ，所以厚度要适度为好。

（3） 挤出机的其他系统

1） 传动系统 。一般由电动机和减速箱等组成 ，要求无级变速。

2） 加料系统 。主要是料斗 ，料斗内有切断料流的插板 、料量观察标志 ，较好的料斗还  有定时定量供料系统 、干燥和失重加料器 ，大的挤出机有鼓风上料 、弹簧上料 、真空上料， 以减轻劳动强度 。如果使用粉料 ，料斗会出现物料搭接 、架空 ，引起下料不畅 、架桥 、堵塞  现象 ，造成挤出断料 ，所以粉料要设置搅拌器或螺旋输送强制加料器 。为防止加料口熔融造  成粉料或粒料不能推动前移 ，在加料口设置冷却夹套 ，如图 1-7 所示 ，可控制机筒对料斗的  传热 ，避免料斗斗座升温 、物料发黏引起下料不畅。

3） 加热系统 。一般用电加热 ，它由加热与冷却风机两部分构成 ， 电加热升温 ，风机用 于降温 ，其用途都是为了控制温度在要求范围内运行。

4） 控制系统 。控制主机 、辅机电动机 、液压泵 、汽缸和各种执行机构 ，使其按所需的 速度和轨迹运行 ， 同时检测主辅机的温度 、压力 、流量 ，发现问题及时调整。

参考文献: 《塑料挤出机头典型结构设计及试模调机经验汇编》 陈泽成 、陈斌 编著