光缆护套挤出工艺优化方案

光缆护套挤塑成型设备最基本和最通用的是塑料挤出机，本节主要介绍与塑料挤出机相关的内容。挤出也称挤出模塑或挤出成型，它在热塑性塑料领域中是一种用途最广泛、比重很大的加工方法，由挤出制成的产品都是连续的型材，如管、棒、丝、板、薄膜、电线电缆涂覆和涂层制品等。塑料挤出过程可以分为两个阶段：第一个阶段是使固态塑料塑化（即变成粘性流体）并在加压情况下使其通过特殊形状的口模而形成与口模形状相仿的连续体；第二阶段是用适当的方法使挤出的连续体失去塑性状态变成固体。

按照塑料塑化的方式不同，挤出工艺可分为干法和湿法两种。干法的塑化靠加热将塑料塑化变成熔体，而塑化和加压可在同一设备内进行，其定型处理仅为简单的冷却。湿法的塑化和定型处理比较复杂，它主要适用于硝酸纤维素和少数醋酸纤维素填料的挤出。

塑料挤出可将挤出工艺分为连续挤出和间歇挤出两种，前一种主要是螺杆式挤出机，而后一种为柱塞式挤出机。螺杆挤出机又分为单螺杆挤出机和多螺杆挤出机，使用较多的为单螺杆挤出机，光缆外护套挤出工艺主要用单螺杆式挤出机。塑料的挤出绝大多数为热塑性材料，而且又是连续挤出和干法塑化，下面重点介绍应用最为广泛的单螺杆挤出机的基本结构。

单螺杆挤出机的大小主要通过螺杆直径来表示，其基本结构主要包括：上料装置、传动装置、螺膛、螺杆、机头和口模等五个部分构成，如图4.6.1所示。现将几个部分分别予以介绍。

图4.6.1塑料挤出机结构示意图

1—机座；2—电动机；3—传动装置；4—料斗；5—料斗冷却区；6—机筒；7、机筒加热器；8—热电偶控温点；9—螺杆；10—过滤网和多孔板；11—机头加热器；12—机头；13—模具座；14—冷却风机

4.6.1.1　上料装置

由于材料形状有颗粒状、粉状和带状等多种。加料装置一般采用加料斗。料斗的容量至少要满足1小时的用料。加料斗内应有切断料流、标定料量和卸除余料等装置，并且根据需要设有定时、定量供料及烘干或预热等。目前抽真空方式加料方式比较普遍，料斗内放置磁力架避免产生“架桥”现象而使得加料口缺料，也能帮助清除料中混有的细小金属，避免损伤螺膛和螺杆。对于一些特殊物料在加料口还需要增加冷却夹套，避免材料在加料口受高温影响而导致料斗中塑料升温发黏，引起加料不均或料流受阻。

4.6.1.2　传动装置

传动装置是带动螺杆转动的部分，通常由电机、减速机构和轴承等组成。挤出过程中，螺杆转速变化就会引起塑料料流的压力波动，所以在正常情况下，螺杆在不同的负荷条件下螺杆的转速应该保持不变，以确保挤出制品的质量稳定。在不同的场合下，螺杆的转速能够变级，以便同一台挤出机能够挤出加工不同的塑料材料。衡量挤出机的能量消耗指标，常用挤出每一公斤塑料所需千瓦小时数表示。随着挤出机的不断改进，螺杆设计的优化，同一直径的挤出机的挤出量都有不断增大的趋势。

4.6.1.3　料筒

料筒是挤出机的主要构件之一，是塑料的塑化和加压进行的区域。料筒的工作温度一般为180℃～250℃，工程类塑料加工温度甚至达到350℃及以上，因此，料筒可看作是受压及受热的容器。制造料筒的材料必须具有高强度、耐磨和耐腐蚀特性，料筒通常由钢制外壳和合金钢内衬组成，外部设有分区加热和冷却装置，各分区独自附有热电偶和自动仪表。加热采用电阻加热或电感加热，采用后者加热效果好，冷却方便。

料筒通常设有冷却系统，主要作用是防止塑料过热，或在停机时快速冷却，以免树脂分解或降解。料筒一般采用风冷或水冷方式，就冷却效果来说，用冷水通过嵌入在料筒上的铜管冷却比较合适，但水冷容易导致急冷，冷却水管容易结垢、生锈等不良现象。当然，也有采用二者结合的方式对挤出机不同部位进行冷却，如料筒采用风冷，下料口部分采用水冷方式冷却。

4.6.1.4　螺杆

1）螺杆基本参数

螺杆是挤出机的最关键性部件，由于它的转动，机筒内的塑料才发生移动，得到增压和部分的热量（摩擦热）。螺杆的几何参数，例如螺杆直径、长径比、各段长度分布比例、螺槽深度等，对螺杆的工作特性均有重大的影响，关系到挤出机的应用范围和生产效率。为适应不同塑料加工的需要，螺杆的型式也不同。下面主要介绍螺杆的一些基本参数意义及其作用。一般螺杆的结构如图4.6.2所示。

图4.6.2　螺杆结构示意图

D—螺杆外径；P—螺距；W—螺槽宽度；h—螺槽深度；φ—螺旋角；L—螺杆长度；δ—间隙

（1）螺杆直径（D）

螺杆直径是指螺杆的外径，是螺杆的基本参数之一，它在一定意义上表征挤出机挤出量的大小。因此，挤出机大小的规格常用螺杆的外径来表示。螺杆直径大小的确定：一般根据所加工制品的断面尺寸、加工塑料的种类、所需的挤出量来确定。行业不同，挤出机的大小存在很大差异。在通信光缆加工领域，室外光缆普遍采用直径为65mm，90mm，120mm的挤出机，而室内光缆使用较广泛的是直径为30mm，45mm，65mm的挤出机。

（2）长径比（L／D）

长径比是指螺杆有效长度和螺杆直径之比，是螺杆的重要参数之一。若将它与螺杆转速结合起来考虑，在一定意义上也表示螺杆的塑化能力和塑化质量。长径比大，螺杆长度增加，塑料在机筒中停留的时间延长，有利于塑料的混合和塑化，塑化将更充分、均匀，提高了产品质量；在塑化质量要求不变的前提下，长径比增大后，螺杆的转速可提高，提高了生产效率。但螺杆、料筒的加工和装配较困难，成本增高，消耗的功率相应增大。螺杆太长易变形、磨损，影响挤出机寿命。目前，世界各国的螺杆都有长径比增大的趋势，最大甚至达到43倍。长径比以25左右居多，例如加工聚烯烃和聚氯乙烯的螺杆L／D分别为25～28和20。

（3）压缩比（ε）

它的作用是将物料压缩，排除气体，产生必要的压力，保证物料到达螺杆末端时有足够的致密度。

几何压缩比：加料段第一个螺槽容积与均化段最后一个螺槽容积之比。

物理压缩比：物料加工之前的松密度与均化段熔体密度之比。

螺杆的压缩比是指螺杆的几何压缩比，设计时几何压缩比应大于物料的物理压缩比。对于各种不同的塑料，由于加工性能不同、进料时的聚集状态和挤出制品的形状不同，它所需要的压缩比也不同。粉料比粒料的压缩比大，薄壁型材比挤出厚制品大。压缩比1.5～5。高密度聚乙烯（HDPE）和聚丙烯（PP）为3～5；低密度聚乙烯（LDPE）、软质聚氯乙烯（PVC）和聚酰胺（PA）的压缩比为2～3；聚苯乙烯（PS）和硬质聚氯乙烯（PVC）为2.5～4.5。

（4）螺槽深度（h）

螺纹外半径与螺纹底部半径之差。根据压缩比的要求，加料段槽深大于熔融段，熔融段又大于均化段。螺槽深度与物料的热稳定性、螺杆的塑化效率及压缩比有关，其中均化段螺槽深度很重要，它对螺杆的混合效率和生产的最大压力有很大影响。

根据经验，一般螺杆均化段的螺槽深度h3为：

式中，D为螺杆直径；K为常数，取0.02～0.06。

对于螺杆直径较小者，加工粘度低，热稳定性较好的塑料，或机头压力大者，如PE、PA取小值；反之取大值。(www.xing528.com)

（5）螺杆与机筒内壁间隙（δ）

螺杆与螺膛之间的间隙δ根据不同物料，应选择不同的值，如热敏性料（如PVC），δ应选得大一些；对于低粘度非热敏性塑料，δ应当尽量小，以增加剪切作用，减少漏流。δ太小时，螺杆磨损加剧，也不利于正常工作。通常δ为0.1～0.6mm。

（6）螺旋角（φ）和螺纹宽度（e）

螺旋角的大小与物料的形状有关，物料形状不同，对送料段的螺旋角要求不一样。理论和实践证明，细粉料塑料采用30°螺旋角最合适；方块料15°较合适；而17°左右则适合球、柱状料，在计量段，根据公式推导，30°时产率最高。从螺杆加工方便角度考虑，通常螺旋角为17°41′，螺距等于直径的最易加工。螺纹宽度一般为0.08D～0.12D，但在螺杆的根径部分较宽，并采用圆弧进行过渡。

2）螺杆各段的作用

物料在挤出机螺杆中的运动是分为三段研究的，因而螺杆的设计也往往分段进行，一般分为加料段、压缩段（熔化段）和均化段（计量段）三部分，如图4.6.3所示。

在挤出成型过程中，塑料以固体粒料从料斗加入至挤出机后，要完成输送，压实，压缩，熔融塑化、均化成均匀熔体的过程。在此过程中，螺杆在三个区域中的作用不同。

（1）加料段

在螺杆加料段，松散的固体粒料充满螺槽，随着螺杆的旋转，塑料在与机筒螺杆摩擦力的作用下被向前输送，随着物料的不断输送，物料开始被压实，加料段长度根据材料不同可有2D～10D变化。在此段中，塑料依然呈固体状态，螺槽容积可以维持不变，一般采用等距等深结构，螺槽深度一般不小于0.1D，螺距1D～1.5D。为了达到较好的输送条件，要求减少物料与螺杆的摩擦而增大物料与料筒之间的剪切摩擦，通常在料筒和塑料接触的表面开设纵向沟槽，提高螺杆表面光洁度，并在螺杆中心通冷却水进行冷却。

图4.6.3　塑料在普通单螺杆挤出机中的挤出过程

（2）熔化段（压缩段）

当物料进入压缩段后，由于螺杆螺槽深度逐渐变浅以及机头的阻力，使塑料逐渐形成高压，并进一步被压实并排出其中夹带的空气。与此同时，在料筒外加热以及螺杆与料筒内表面对物料的强烈搅拌、混合和剪切摩擦所产生的内摩擦剪切热的作用下，塑料温度不断升高，与料筒相接触的某一点的塑料温度到达熔点，开始熔融。随着物料的输送，继续加热，熔融的物料量逐渐增多，而未熔融物料量相应减少。螺槽缩小的长度取决于塑料的压缩比。压缩比的定义和大小取值见上述螺杆基本参数部分。压缩段的长度也与物料性能有关，其长度为5D～15D。

（3）计量段（均化段）

螺杆的最后段为计量段，也称之为均化段。其主要作用是塑料熔体进一步均匀塑化，并定量、定压挤出熔融物料。此段螺槽截面可以是恒等的，但比前两段要小，其螺槽深度为0.02D～0.06D。对于热敏性塑料，塑料材料不宜在此段滞留过久，或高剪切导致高热量，因此实践中可取消计量段，聚烯烃类塑料可以在该阶段获得较好的均化，此段长度为4D～7D。

大约在压缩段的结束处，全部物料都转变为黏流态，但这时各点温度尚未均匀，经过均化段的均化作用进一步加强，最后螺杆将熔融物料定量、定压、定温地挤入机头。

3）螺杆头部的形状

螺杆头部一般呈钝尖的锥形，避免物料在螺杆头部停止太久而出现分解现象。螺杆头部也有鱼雷状的，称为鱼雷头或平准头。平准头与料筒之间的间隙通常小于它前面的螺槽深度，其表面开成沟槽或特殊花纹，这种螺杆混合和受热均匀，有利于增大压力和消除脉动现象，常用来挤压粘度大、导热性不良或熔点明显的塑料。

4）螺杆的分类和选择

普通螺杆结构一般分为：渐变型、突变型和分离型。对于不同塑料材料，螺杆的选择也非常重要，它关系到制品的加工工艺特性和制品质量。

渐变型：如图4.6.4（a）所示，多用于非结晶型塑料的加工，应用最广，对物料剪切作用较小，混炼特性不高，适用于热敏性塑料及部分结晶性塑料。其缺点是螺杆尾部细，强度差。

突变型：如图4.6.4（b）所示，压缩段较短，只有一个螺槽宽度，在此处螺槽突然变浅对物料有强烈剪切作用，适用于熔点突变、粘度低的塑料，如PA、PP、PE、聚烯烃等高结晶型高聚物挤出，对高粘度料易局部过热，不适于PVC等热敏性塑料的加工。

分离型：如图4.6.4（c）所示，螺杆由等距等深的加料段，等距变深的压缩段和等距等深的均化段组成。自加料段到压缩段末端有一主螺纹，自加料段末端至均化段又有一条螺距较大螺棱高度稍低的副螺纹，在熔融段形成双螺纹结构。双螺纹部分能将已熔融塑化和未熔融塑化的物料及时分离，促进未熔融物料的熔融，并且挤出剪切应变率较小，物料不易分解，这样可确保挤出质量，可实现定量、定压、高速挤出物料。

选择螺杆时，也可根据物料适当选取不同长度的压缩段。结晶性塑料，熔融温度范围窄，选择螺杆时，选用压缩段较短的，一般为3D～5D；尼龙选1D的螺杆挤出机。非晶性的聚合物，其螺杆压缩段较长，为全长的55%～65%，熔融温度宽的塑料其压缩段最长，如PVC，选择挤出机螺杆时选用渐变型螺杆——压缩段占全长的100%，螺杆对物料全长均起压缩作用。

图4.6.4　几种典型螺杆的结构型式

Ⅰ—加料段；Ⅱ—熔融段；Ⅲ—均化段

挤出机挤压塑料时挤出量、熔体温度、熔体均匀性以及功耗等，主要取决于螺杆的结构。因此，提高生产效率和改进产品质量通常凭合理化的螺杆设计来实现，而螺杆设计又涉及很多的理论研究，并且是一个非常复杂的课题，关于螺杆设计方面内容本文就不再介绍。

5）机头和口模

机头是口模和料筒之间的过渡部分，其长度和形状随塑料的种类、制品形状、加热方式和挤出机的大小和型式而定。口模是制品的横截面成型部件，通常固定在机头上。如果口模和机头是一个整体，一般统称为机头。

机头和口模的好坏关系到制品的产量和质量。从工艺角度来讲，一般需要注意以下几个部分：

（1）口模定型部分决定了制品的横截面形状，进入定型部分的料流不应发生紊乱，否则影响制品的质量。流道应足够长，确保产生相当的压力而保证物料塑化均匀和产品的密实，但也不能太长而影响产能发挥。定型部分长度（L）与其缝隙宽度（T）之间的比值（L／T）一般为8～30，另外还需要考虑熔体弹性、冷却收缩和牵引线速度对制品厚度（TS）的影响，TS／T通常在0.75～1.1变化。

（2）过渡部分的流道尽可能平滑，呈流线型，以免物料停止发生降解和分解。

（3）机头和口模应有足够的刚度，以免影响流道变形。

（4）需要具有调整偏心的结构，保证制品的尺寸符合要求。