材料成型工艺 | 鬼鬼的博客

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层流 laminar flow

湍流 turbulent flow

应力 stress

应变 strain

剪切 shear

拉伸 extensional

结晶度 crystallinity

假塑性流体 Pseudoplastic 膨胀流体 Dilatant 料斗 hopper

料筒 barrel

螺杆 screw

口模 die

平行的 parallel

圆锥形的 conical

理论产量计算公式：

符号	英文名称	中文名称	工艺意义	备注
D	Diameter	螺杆直径	决定产量；越大越高产	Q ∝ D³n
L/D	Length to Diameter Ratio	长径比	决定塑化效率；15–30为宜	过大→降解；过小→混合差
h	Channel Depth	螺槽深度	影响物料输送、塑化、剪切	浅→塑化好；深→产量高
S / θ	Pitch / Helix Angle	螺距 / 升角	影响物料停留时间与推进速度	θ ↑ 输送快，剪切低
e	Flight Width	螺棱宽度	影响能耗与密封性	应尽量小但强度足
ε	Compression Ratio	压缩比	2–4，确保塑化与脱气	过大影响产量和强度
δ	Screw-Barrel Gap	螺杆与料筒间隙	0.1–0.65mm	大→泄漏，小→剪切强
n	Rotating Speed	转速范围	控制剪切速率与产量	中速稳定运行最优
Head	Head Shape	螺杆头部形状	影响熔体滞留时间	常见：锥形、半球、鱼雷
t	Lead	导程	控制螺旋前进距离	t↑→产量↑、能耗↑
P_push	Longitudinal Force	轴向推力	决定推力系统强度	受D、压力分布与结构影响
Torque	Torque	扭矩	决定螺杆最大承载能力	设计需与实际物料匹配

编号	英文名称	中文名称	主要功能	结构特点	过长 / 过短的影响
L₁	Feeding section	加料段	输送固体物料，产生部分热量，使颗粒表面黏化	(2–10)D，槽深大，根径小	过短 → 输送不足，黏化不充分；过长 → 过热风险 ↑
L₂	Compression section	压缩段	熔融、压实物料，排出气体	槽深逐渐减小，压力逐步建立	过短 → 熔融不完全；过长 → 剪切过度，能耗 ↑
L₃	Metering section	计量段	均质塑化、定量输出，建立恒压	槽深恒定，20–25%螺杆长度	过短 → 计量不稳；过长 → 停留过久，易降解
协调原则	Zone matching	段间匹配原则	三段物料输送量需平衡	输送量 = 熔化量 = 输出量	任一不匹配均会引起产量不稳或堵塞
扩展结构	Extended screw types	多段螺杆	提升混合与排气性能	如双级排气螺杆（Two-stage venting）	增强功能但结构复杂，需精确匹配前后段

符号	含义（英文）	中文解释
Q_1	solids convey efficiency	固体输送效率（单位时间内螺杆输送固体物料的能力）
D	diameter of screw	螺杆直径
h_1	depth of channel in feeding section	加料段槽深
n	rotating speed	螺杆转速（r/min）
\theta	helical angle of flight	螺旋升角（螺棱与轴线夹角）
\varphi	angle between solid bed movement and screw axis	固体床运动方向与螺杆轴线间夹角

英文名称	中文名称	形成原因	工艺作用	主要影响因素
Drag flow	正流（顺流）	螺杆旋转推动熔体前进	产量的主要贡献部分	螺杆直径、转速、计量段槽深/槽宽、计量段长度
Pressure flow	逆流（反流）	模头、鱼雷等形成的背压	削弱正流产量，但增强熔体混合和塑化	模头压降、螺杆直径、通道宽度、熔体粘度、计量段长度
Circulate flow	横流（环流）	螺棱旋转推挤 + 通道阻力交替作用	增强混合、传热和均匀性；对产量几乎无影响	螺杆转速、螺旋升角 θ
Leakage flow	漏流	螺杆与料筒之间的微小间隙 δ + 背压	轻微降低产量，同时有助于进一步塑化	δ 间隙、螺杆外径、通道宽度、熔体粘度、模头压差

模头特性方程（Die Characteristic Equation）

参数说明：

符号	含义	中文解释
q_v	输出体积流量	单位时间挤出的熔体体积
k_d	模头常数	与模头几何结构相关（模口尺寸、长度、形状）
\Delta P	压力降	熔体通过模头时的压差
\eta	熔体粘度	与温度、剪切速率有关的流变特性

螺杆几何参数对挤出性能的影响

参数	含义	增大该参数的影响
Diameter of screw	螺杆直径	有利于提高产量，但加工制造更困难、成本更高
Geometry of channel	螺槽几何（主要是深度）	浅槽提高剪切力与塑化效率，但会降低产量，且太浅易烧料
Length of metering section	计量段长度	增加长度可减少泄漏与压力回流，从而提高产量

2.6 Twin-screw extruder 双螺杆挤出机

✅ Main advantages 优点汇总：

序号	优点	中文解释
1	Loading the material easily	原料易加料
2	Shortening the raw material staying time in barrel	缩短原料在料筒中的滞留时间
3	Enhancing transportation capacity of raw material	增强原料输送能力
4	Ensuring a steady output	保证稳定产量
5	Better plasticizing, mixing and venting	塑化、混合、排气效果更佳
6	Reduced specific energy consumption	降低单位产量的能耗
7	Self-cleaning ability	具有自清洁能力
8	Plastics transportation rate can be kept unchanged	即使通道被填满也能保持输送速率稳定

ℹ️ 附注：

一体式双螺杆常用 L/D 比范围：7~28，某些情况可达 36。

逆向旋转双螺杆挤出机（Counter-rotating Twin-Screw Extruder）

两根螺杆旋转方向相反，螺纹方向也相反。分为向内旋转与向外旋转两种形式。

类型	压力分布	特点与应用	使用现状
向内旋转（Counter-rotate inward）	上方压力高，下方压力低	原料入口处压力极高，加料困难	几乎不再使用
向外旋转（Counter-rotate outward）	下方压力高，上方压力低	有利于原料填充，适合进料阶段	仍有应用

🧠 提示：向内旋压缩太剧烈，易导致物料返流与堵塞；向外旋反而更有利于连续稳定加料。

3️⃣ Self-cleaning 自清洁能力

🔍 原理：

材料附着在螺杆通道上会导致劣化，特别是热敏性塑料。

双螺杆之间的啮合点（intermeshing points）存在速度差 → 形成速度梯度 → 促进物料从螺杆表面脱离。

不论同向或逆向旋转，理论上都有自清洁能力，但表现不同。

🧾 对比：同向 vs 逆向 vs 单螺杆

类型	螺纹与通道运动方向	剪切力大小	自清洁效果
单螺杆	相对无剪切流	很小	差
逆向双螺杆	相反方向	中等剪切	一般
同向双螺杆	相反方向（更快）	最大剪切	最强自清洁能力 ✅

🧠 小结：

速度差越大 → 剪切越强 → 自清洁越明显

同向旋转时剪切最强、相对速度最大，是现代主流结构。

📌 图示说明（右侧）：

中间图（逆向旋转）：对材料施加横向拉伸力

右图（同向旋转）：剪切力更大，料被主动带走

4️⃣ Calendering（压延作用）

🔍 形成机制：

当物料进入两根向内逆向旋转的螺杆之间的啮合区（intermeshing gap）时：

因重力和与螺杆表面的摩擦力，原料被拉入狭缝。
材料在狭缝中被“压扁+剪切”，类似压延机（calendering machine）中的受力情况。

⚙️ 作用与影响：

影响类型	描述
剪切增强	材料被剪切并塑化，有助于混合
磨损加剧	被压延的材料反作用于螺杆 → 螺杆产生变形和磨损
速度相关性	螺杆转速越高，压延作用越明显 → 磨损越重

💡 补充说明：

这种效应在逆向旋转双螺杆中更明显。

所以对于逆向螺杆，应尽量控制转速在 50 rpm 以下以减少磨损。

📌 图示右侧总结：

逆向旋转（异向）：剪切与挤压并存 → 强烈压延

同向旋转：虽有剪切但无明显压延 → 适合高转速、长寿命运行

📌 Twin-screw Extruder Advantages Summary

特点	内容描述
⏱ 缩短停留时间	Twin-screw 可缩短塑料在料筒中的停留时间，避免热降解
🎨 混合均匀	能将塑料混合得更均匀，提高制品质量
💡 多功能处理	具备混合、着色、塑化、脱水、排气、造粒等多种功能
🧱 多样产品	可生产管材、板材、型材、薄膜等多种制品
🌍 应用广泛	应用面广，运行成本与维护成本较低

2-7

🧩 一、挤出方式分类（Classification of Extrusion Processes）

分类依据	类型	英文术语	说明
根据压实方式	连续式	Continuous process	螺杆连续推送熔体，稳定挤出
ㅤ	间歇式	Intermittent process	依靠柱塞压力推进，非连续过程
根据塑化方法	干法挤出	Dry process	熔融塑料后直接挤出
ㅤ	湿法挤出（少用）	Wet (solvent) process	适用于硝化纤维素等特殊材料

🧩 二、干法挤出基本流程（Dry Process Steps）

步骤编号	中文步骤	英文步骤
①	原料准备	Raw materials preparation
②	原料预热	Raw materials preheating
③	熔体挤出	Items extrusion
④	冷却定型	Products cooling
⑤	图案/定型处理	Patterning
⑥	牵引与切割	Hauling off and cutting
⑦	后处理	Post treatment

🧩 三、详细过程讲解（Extrusion Process）

1. 原料准备（Preparation of Raw Materials）

保持干燥与预热：keep dry & preheated

控制含水量：control water content

去除杂质：remove impurities

2. 塑化（Plasticizing）

各段温度保持恒定：temperature stabilization

螺杆旋转推料、熔化、压实：screw rotation → melting → compacting

最后熔体被挤出：melt extruded out

3. 温度控制（Temperature Effects）

温度变化	英文	影响
升高温度	Increasing temp.	降低黏度，利于塑化，但过高可能引发收缩、变黄
降低温度	Decreasing temp.	黏度上升，导致塑化困难、密度大、外观差

4. 挤出过程（Extrusion）

设置温度和转速：set temp. & screw speed

技术参数影响外观和性能：technical parameters affect appearance & properties

5. 冷却与定型（Cooling & Shaping）

模口出来仍高温，易变形：still in molten state → risk of deformation

需及时冷却定型：must be cooled to maintain shape

6. 牵引与切割（Hauling Off & Cutting）

牵引问题	英文关键词	说明
速度匹配	Match with screw	与螺杆转速匹配
张力取向	Molecular alignment	张力影响分子排列
过慢	Thicker wall	壁厚变大
过快	Deformation, break	易弯曲断裂
实际应用	Slightly faster than extrusion	实际略快于挤出速率

7. 后处理（Post Treatment）

提升性能或获取特殊性质：improve properties or obtain special effects

例如残余应力释放、易吸湿材料水冷再热处理

🧩 四、挤出参数（Extrusion Parameters）

(1) 温度（Temperature）

影响塑化效率与成品质量

需严格控制在合适范围内

过高 → 降解、起泡、变色

过低 → 不易塑化、外观粗糙

(2) 压力（Pressure）

由机筒、模头、滤网、螺杆等产生阻力

可插入传感器实时监测

压力波动会影响产品性能

(3) 挤出速率（Extruding Rate）

英文定义	每单位时间产出质量或长度
影响因素	螺杆结构、转速、温控系统、原料性能等
控制要求	保持稳定，避免性能下降与形变

(4) 牵引速度（Hauling Off Speed）

与螺杆匹配，略快于挤出速率

过慢 → 壁厚增加

过快 → 弯曲、断裂

(5) 真空控制（Vacuum）

某些制品需在真空下挤出

否则会导致流动不稳定等问题

如你需要，我可以把这份中英对照总结导出为 Markdown、Word 或 PDF 格式，是否需要打包输出？如果有格式偏好也可以告诉我。

📘 Chapter 2.8 挤出工艺的优缺点

Advantages and Disadvantages of Extrusion Process

✅ 一、挤出工艺的优点（Advantages）

序号	中文要点	English Key Point
1	连续化、自动化生产，效率高	Continuous and automatic production, high efficiency
2	可通过更换模具生产多种制品（管、棒、板、膜、线缆、中空件等）	Can produce various items (pipes, rods, sheets, films, wires, etc.) with same extruder
3	设备结构简单，投资小、成本低，维护方便	Simple machine structure, low investment and cost, easy maintenance
4	操作简便，截面固定，性能易控制	Easy to operate, fixed cross-section, stable product performance
5	占地面积小，对厂房与设备要求低，污染少	Small footprint, low plant and equipment requirements, clean production environment
6	制品结构致密，尺寸稳定精准	Homogeneous and compact products, dimensionally stable and accurate
7	多种原料适用，包括热塑性和部分热固性材料	Wide raw material adaptability (thermoplastics & some thermosets)
8	高自动化，流程控制简便，人工成本低	High automation, easy process control, low labor cost
9	一机多用（可混合、塑化、造粒、着色等）	Versatile use: mixing, plasticizing, pelletizing, coloring, etc.
10	上料方便，尤其是双螺杆挤出机	Easy feeding, especially for twin-screw extruders
🌟补充	粉料可直接使用，无需预先造粒	Powder can be directly used without prior pelletizing

⚠️ 二、挤出工艺的缺点（Disadvantages）

序号	中文要点	English Key Point
1	不能生产三维立体结构的复杂制品	Cannot produce complex 3D structured products
2	挤出后可能还需二次加工或修整	Post-extrusion processing often required