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挤出成型PPT课件.ppt

挤出成型PPT课件

wjoiuffg
2011-06-28 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《挤出成型PPT课件ppt》,可适用于领域

第四章挤出成型第四章挤出成型挤出成型是使高聚物的熔体(或粘性流体)在挤出机的螺杆或柱塞的挤压作用下通过具有一定形状的口模而连续成型的方法所得的制品为具有恒定断面形状的连续型材。挤出成型是高分子材料加工领域产量较大、生产率高、适应性强、用途最广泛的成型加工方法。挤出机的产量仅次于注射机在塑料高分子加工机械中产量占第二位。singlescrewextrudersinglescrewextruderFeedingcoolingSensorports(standard,othersoptional)Screwbackpressuresensor(optional)collarsforheatingandcooling、挤出成型特点:、挤出成型特点:适合于所有高分子材料的加工几乎能成型所有的热塑性塑料也能加工少数热固性塑料塑料挤出的产品多有管材、板材、棒材、片材、薄膜、单丝、电线电缆包覆层、各种异型材以及塑料与其他材料的复合物等挤出工艺还可用于塑料的着色、混炼、塑化、造粒、及塑料的共混改性等以挤出为基础配合吹胀、拉伸等技术则发展成为挤出-吹塑成型和挤出-拉幅成型制造中空吹塑制品和双轴拉伸薄膜制品。挤出成型特点挤出成型特点橡胶的挤出成型通常称压出压出是使胶料通过压出机连续地制成各种不同形状半成品的工艺过程广泛用于制造轮胎的胎面、内胎、胶管及各种断面形状复杂或空心、实心的半成品也可用于包胶操作。在合成纤维生产中螺杆挤出熔融纺丝是从热塑性塑料挤出成型发展起来的连续纺丝成型工艺在合成纤维生产中占有重要的地位。、挤出成型分类:、挤出成型分类:根据物料塑化方式不同挤出成型可分为干法挤出和湿法挤出两种。干法挤出是靠外加热将物料变成熔体塑化与挤出在挤出机内完成制品的定型处理为简单的冷却固化湿法挤出物料的塑化是通过有机溶剂对物料的作用使其成为粘流状态塑化是在挤出机以外预先完成的制品的定型处理是依靠溶剂的挥发而固化。湿法挤出的优点是物料塑化均匀可以避免物料成型时的热降解但溶剂回收麻烦、环境污染大目前仅用于挤出成型挤出成型纤维素塑料等不能加热塑化的少数几种塑料的加工。、挤出设备分类:螺杆式挤出机和柱塞式挤出机前者为连续式挤出后者为间歇式挤出。螺杆式挤出机又分单螺杆挤出机和多螺杆挤出机目前单螺杆挤出机是生产上用得最多的挤出设备多螺杆挤出机中双螺杆挤出机近年来发展最快。挤出设备分类挤出设备分类柱塞式挤出机借助于柱塞的推挤压力将事先塑化好的或由挤出机料筒加热塑化的物料从机头口模挤出成型的。物料挤完后柱塞退回再进行下一次操作生产是不连续的而且挤出机对物料几乎没有混合作用故生产上较少采用。但由于柱塞能对物料施加很高的推挤压力所以可应用于熔融粘度很大及流动性极差塑料的加工如聚四氟乙烯和硬质聚氯乙烯管材的挤出成型。单螺杆挤出机基本结构及作用单螺杆挤出机基本结构及作用组成:挤出系统、传动系统、加热和冷却系统及控制系统等。挤出系统是挤出机的关键部分对控制挤出制品的质量和产量起着重要作用。挤出系统通常包括:加料装置、料筒、螺杆、机头和口模等。单螺杆挤出机结构示意图单螺杆挤出机结构示意图加料装置加料装置挤出成型的供料一般是粒料、粉料和带状料。单螺杆挤出机通常使用粒料双螺杆挤出机可加粉料或粒料橡胶挤出机(压出机)一般加带状料。加料装置的作用是保证向挤出机料筒连续供料。加料装置(料斗)形状通常呈漏斗状有圆锥形和方锥形两种。料筒连接料斗的部分称为料斗座料斗座带有冷却水套防止高温料筒的热量传向料斗避免料斗中的料因受热而产生“架桥”现象。为了加工吸水性物料料斗还可设预热干燥装置为了加强搅拌或防止粉料的“架桥”现象料筒料筒可在料斗内设置搅拌器为了减轻操作工的劳动强度料斗可采用定时自动上料装置。料筒料筒(机筒)的结构比较简单是一个受热、受压的金属圆筒。螺杆在料筒内旋转将物料向机头方向输送并将物料压实在输送过程中物料受到来自料筒的外加热和物料与物料之间物料与螺杆、料筒的摩擦热的作用熔融熔融的物料被定量、定压、定温地挤出机头。为了使挤出的物料密实挤出机料筒结构料筒结构料筒料筒料筒料筒内必须有一定的压力(由机头阻力和螺杆的压缩比等产生)因此料筒必须能承受一定压力教材介绍最高可达Mpa所以料筒应具有足够的强度和刚度。对于单螺杆挤出机生产过程中一般压力没有教材所说的那么高大概在Mpa以下。在进行料筒设计时除了考虑要承受压力外还要考虑热惯性一般实际厚度要大于承受压力所要求的厚度。料筒料筒根据所对应职能区的不同料筒的加热冷却系统也分段设置通常分三至四段机头加热(机头不冷却)一般分两段所以控制柜上通常有~组温度控制仪表。冷却一般采用风冷或水冷冷却的目的是防止料筒内物料过热降解和停车时对料筒内的物料快速冷却。由于部分物料在高温下具有腐蚀性有些填料和增强材料对料筒有磨损所以料筒的材料宜采用高强度的合金钢或双金属料筒。螺杆螺杆螺杆是挤出机最主要的部件。螺杆的结构常规普通单螺杆挤出机全螺纹螺杆(等距变深)一般分三段:第一段为加料段(固体输送段)该段槽深最深且不变第二段压缩段(熔融段)槽深由深变浅第三段均化(计量段)槽深最浅且不变。有些螺杆内部有孔可通冷却水冷却螺杆。冷却螺杆的目的有两个:一是使螺杆表面温度略低于料筒温度防止物料粘附其上有利于物料的输送二是防止螺杆因长期运转与塑料摩擦生热而损坏。螺杆螺杆螺杆螺杆的几何结构参数螺杆结构主要参数螺杆的几何结构参数螺杆的几何结构参数()螺杆直径DS指其外径通常在~mm之间最常见的是~mm。螺杆的直径大挤出机的产量高所以挤出机的规格型号常一螺杆的直径表示。如挤出机型号SJ-表示塑料挤出机螺杆直径mm。国标规定的螺杆直径系列是:mm。()螺杆的长径比LDS指螺杆工作部分的有效长度与直径DS之比LDS大能提高挤出机的生产能力有利于物料的混合螺杆的适应性强螺杆的几何结构参数螺杆的几何结构参数但加工安装困难不适于热敏性物料的加工。LDS小对塑料的混合塑化不利。目前螺杆长径比有增大的趋势。()螺杆的压缩比A指螺杆加料段第一个螺槽的容积与均化段最后一个螺槽的容积之比。一般约等于HH(HH分别为加料段和均化段槽深)该压缩比也称为几何压缩比。物理压缩比是指塑料在熔融状态下的密度于固体松散状态下的密度之比。螺杆的几何结构参数螺杆的几何结构参数挤出机的几何压缩比应大于物理压缩比。粉状塑料的相对密度小夹带空气多螺杆的压缩比应大于粒状料。螺杆的压缩比一般是通过螺槽的等距变深、等深变距和变距变深的方法来实现的国内一般采用等距变深的方法实现螺杆的压缩比。()螺槽深度H一般螺槽的深度H、H、H分别表示三段的槽深。H小时挤出机对物料的剪切速率大有利于传热和塑化但挤出生产率低。H大则反之。H大适于加工热敏性物料(如HPVC)的加工H小的浅槽螺杆螺杆的几何结构参数螺杆的几何结构参数可加工熔体粘度低和热稳定性好的塑料的挤出成型。()螺旋角θ是螺纹与螺杆横截面之间的夹角。θ角大挤出机的产量高但螺杆对塑料的挤压和剪切作用减小。θ角一般在°~°之间螺杆中沿螺纹走向螺旋角大小有所变化。根据挤出理论和实验证明:θ=°最适合细粉状料θ=°适于方块料θ=°则适于圆柱料。在均化段θ=°时挤出机产率最高。在实际生产螺杆的几何结构参数螺杆的几何结构参数过程中θ一般取°此时螺杆直径等于螺距(DS=LS)螺杆的机加工比较方便。()螺棱部分宽度E螺棱宽度E太小会使漏流增加产量降低E太大会增加螺棱上的功率消耗螺棱上的物料过热的危险(传热量大剪切热大)。()螺杆与料筒的间隙δδ的大小影响挤出机的生产能力和物料的塑化。δ值大生产效率低不利于热传导剪切速率低不利于物料的熔融和混合δ过小剪切速率大螺杆的几何结构参数螺杆的几何结构参数易引起物料过热降解对螺杆、料筒的加工和安装要求高。螺杆的作用挤出加工时螺杆的运转对物料产生下列三个作用:()输送物料螺杆转动时物料在旋转的同时受到轴向力的压力向机头方向流动。()塑化物料螺杆与料筒配合使物料接触传热面不断更新在料筒的外加热和螺杆的剪切摩擦热的作用下物料逐渐软化熔融螺杆的作用螺杆的作用为粘流态。()混合均化作用螺杆与料筒和机头配合产生剪切作用和物料垂直螺棱方向的流动以及漏流使物料进一步混合并定量定压由机头挤出。螺杆各功能区示意图螺杆各功能区示意图螺杆的形式螺杆的形式为了满足加工不同塑料的要求设计了不同形式的螺杆。螺杆一般分为普通螺杆和高效专用型螺杆(新型螺杆)。()普通螺杆是指常规全螺纹三段螺杆这种螺杆应用最广泛。普通螺杆中又以等距变深螺杆应用最多。根据压缩段(熔融段)长度的大小普通螺杆又分为通用型螺杆、渐变型螺杆和突变型螺杆三种。普通螺杆形式普通螺杆形式(a)渐变型螺杆的压缩段较长有的螺杆(如加工聚氯乙烯的螺杆)螺杆全长均起压缩作用这样的螺杆即为渐变型螺杆。这种螺杆适于加工非晶型塑料。(b)突变型螺杆的压缩段很短压缩段长度为~DS。这种螺杆适于加工熔融温度范围窄的结晶型塑料。普通螺杆形式普通螺杆形式(c)通用型螺杆的压缩段长度介于渐变型和突变型螺杆之间。适于大多数物料的加工。()高效螺杆(新型螺杆)(将在后面章节一部分介绍)渐变型、突变型螺杆普通螺杆存在的问题普通螺杆存在的问题a熔融段固体床与熔池同处一个螺槽中降低了熔融效率挤出产量不高。(熔池不断增宽固体床逐渐变窄减少了固体床与料筒的接触面积从而减少了料筒传给固体床的热量)。b固体床过早解体形成固体床碎片(固体床破碎)造成熔融速度缓慢。普通螺杆存在的问题普通螺杆存在的问题c固体床过早破碎还造成一部分物料得不到彻底熔融另一部分物料过热导致物料温度不均匀。d压力波动、温度波动和产量波动大。e普通螺杆往往不能适应一些特殊物料的加工或进行混炼、着色等工艺。解决普通螺杆存在问题的一些做法解决普通螺杆存在问题的一些做法()从工艺的角度a提高螺杆转速以提高生产力。转速过高物料在料筒的停留时间短物料在均化段前不能全部熔融同时压力波动大b提高料筒温度促使残余固态物料熔融。对于热敏性物料加工温度不能太高同时也增加了辅机冷却系统的负担由于温度高制品冷却过程中会产生很大内应力。解决普通螺杆存在问题的一些做法解决普通螺杆存在问题的一些做法()从螺杆结构角度改进加料段结构解决输送效率低的问题:设置加料螺杆料筒加料段开设沟槽(IKV系统)。增大螺杆长径比以提高生产能力和挤出物质量但长径比大挤出机的制造安装困难。上述措施未能从根本上改变普通螺杆螺杆存在的问题因此人们针对普通螺杆的缺陷研制了几种新型高效螺杆。几种典型的高效螺杆几种典型的高效螺杆()分离型螺杆:针对常规螺杆因固液相共存于同一个螺槽中所产生的缺点在熔融段采取措施(采用主附螺纹开设熔体槽等)将已熔物料与未熔的固相尽早分离促使未熔物料更快地熔融已熔物料不再承受导致过热的剪切。从而获得低温挤出并在保证塑化质量的前提下提高挤出量。具体有BM型和熔体槽型两种分离型螺杆分离型螺杆分离型螺杆工作示意图分离型螺杆工作示意图螺杆其它类型的分离型螺杆其它类型的分离型螺杆分离型螺杆几种典型的高效螺杆几种典型的高效螺杆()屏障型螺杆:基本结构:在一段外径等于螺杆直径的圆柱上交替开出数量相等的进出料槽。进料槽出口在轴线方向是封闭的出料槽入口在轴线方向也是封闭的。两组槽隔一相间将进料槽和出料槽隔开的棱面与料筒的间隙大小为Δ。屏障型螺杆屏障型螺杆几种典型的高效螺杆几种典型的高效螺杆工作原理:螺杆工作时物料从熔融段进入均化段后含有未熔融的固体颗粒到达屏障型混炼段时被分成若干股料进入屏障混炼段的进料槽熔融料和粒度小于Δ的故相碎片才能越过间隙进入出料槽粒度较大的固相碎片被屏障挡住并继续熔融。塑化不良的小颗粒在通过间隙Δ时受到强烈的剪切作用而完全熔融。进入出料槽的物料在槽中产生涡流而得到混合。几种典型的高效螺杆几种典型的高效螺杆屏障通常设置在熔融段末段到螺杆头之间所以习惯称为屏障头带有屏障头的螺杆其产量、制品质量、单耗等指标均优于常规全螺纹螺杆。为什么要设置在熔融段末段到螺杆头?请课后思考。几种典型的高效螺杆几种典型的高效螺杆()分流型螺杆:是指在螺杆的某一部位设置许多突起部分或沟槽或孔道将螺槽内的料流分割以改变物料的流动状况以促进熔融、增强混炼和均化的一类螺杆。具有代表性的是销钉型和DIS型。()组合型螺杆:螺杆不是整体制造它是将起输送固体料、压缩熔融、剪切、混炼等作用的元件根据需要组装而成的螺杆。特点:适应性强专用性强。分流型螺杆分流型螺杆分流型螺杆分流型螺杆分流型螺杆DIS混合元件混合元件分配混合几种典型的高效螺杆几种典型的高效螺杆()静态混合器:设置在口模和螺杆之间的固定元件它不是螺杆的一部分。主要作用是混炼改善径向(TD)方向的温度均匀性对流动方向(MD方向)的温度波动改善不大新型螺杆设计中应注意的几个问题新型螺杆设计中应注意的几个问题a首先必须确切地弄清各种新型螺杆的工作原理适用场合。例如:销钉型、DIS型属于混炼型螺杆适于混炼获得均匀熔体屏障型则是剪切型螺杆适于塑化物料。b选择合适的混炼和剪切元件的位置。c螺杆的熔融能力必须与计量及固体输送能力相匹配。新型螺杆设计中应注意的几个问题新型螺杆设计中应注意的几个问题总之设置新型螺杆的混炼元件和剪切元件时必须注意到每一种元件都具有各自理想的工作条件只有在理想工作条件下它才能很好地工作。因此不加分析地使用混炼和剪切元件或盲目地在一根螺杆上叠加多种元件想以此得到好的效果的做法是不可取的。机头和口模机头和口模机头是口模与料筒的过渡连接部分口模是制品的成型部件通常机头和口模是一个整体习惯上统称为机头。机头和口模的作用为:()使粘流态物料从螺旋运动变为平行直线运动并稳定地导入口模而成型。()产生机头阻力(回压)使物料进一步均化并获得结构密实和形状准确的制品提高制品质量。机头结构示意图机头结构示意图管机头管材成型机头机头和口模机头和口模多孔板(粗滤器)和过滤网:多孔板是一块多孔的金属圆板孔眼的大小和板的厚度随料筒的直径增大而加大过滤网为~层的铜丝网或不锈钢丝网。多孔板和过滤网的作用是改变塑料的旋转运动为平直运动过滤粘流态物料中可能混入的杂质和未熔融或分解焦化的物料同时增大料流压力。机头和口模机头和口模机头口模设计注意事项:为了获得塑料成型前必要的压力机头和口模的流道型腔应逐步连续地缩小(产生压缩比)过渡到所要求的成型截面形状。机头内流道应光滑呈流线型不存在死角。为了保证料流的稳定以及消除熔接缝口模应有一定长度的平直部分。挤出成型原理挤出成型原理塑料能进行加工的依据是:高聚物一般存在玻璃态、高弹态和粘流态三种物理状态在一定条件下(温度、压力、剪切等)这三种状态可发生相互转化。高分子材料的成型加工(压制、压延、挤出、注射等)一般是在粘流态下进行的。挤出过程和各段的职能挤出过程和各段的职能挤出机的工作过程固体输送塑料由料斗进入料筒后随着螺杆的旋转而逐渐推向机头方向。在加料段螺槽被松散的固体粒子(或粉末)所充满物料开始被压实。熔融物料当物料进入压缩段后由于螺槽逐渐变浅以及机头、多孔板和过滤网的阻力在料筒中的物料形成很高的压力把物料压得很密实同时在料筒外加热和螺杆、料筒对物料的混合、剪切作用所产生的挤出机的工作过程挤出机的工作过程内摩擦热的作用下塑料的温度逐渐升高。对于常规的三段全螺纹螺杆来说大约在压缩段的处与料筒壁相接触的某一点的物料温度达到粘流温度开始熔融。随着物料的不断向前输送熔融的物料量逐渐增多未熔物料减少大约在压缩段的结束处全部物料熔融转变为粘流态但此时各点的物料温度尚不均匀。挤出机的工作过程挤出机的工作过程均化计量经过均化段的均化作用物料温度就比较均匀了最后螺杆将熔融物料定量、定压、定温地挤入机头。挤出理论挤出理论挤出理论的研究方法(黒箱)挤出理论的研究目的是:试图建立合适的物理、数学模型研究物性参数、螺杆参数和加工参数通过挤出机这一“黑箱”的“加工”后与产量、能耗、料温、料压等之间的关系从理论上来分析解决生产实际中的实际问题指导生产,进而对挤出机进行改进。挤出理论的理论基础和研究历史挤出理论的理论基础和研究历史固体输送理论:以理论力学为基础年建立了固体输送理论。比较典型的是Mol塞流理论该理论认为在固体输送段物料均为固体且被压缩为固体塞物料的输送是靠与料筒、螺杆的摩擦作用实现的。后来人们研究发现该理论存在一些缺陷如固体物料进入料筒后并未立即形成“塞流”而是“散粒流”经过输送一段距离后才形成“塞流”。挤出理论的理论基础和研究历史挤出理论的理论基础和研究历史北京化工大学的朱复华教授利用透明视窗挤出机和剖分机筒挤出机研究了挤出理论提出了“散流”固体输送理论研究结论与实际结果比较接近。熔融理论(熔化理论):由于熔融段存在相变过程该理论的研究比较复杂直到~年才有ZTadmor等研究人员在大量实验的基础上经分析总结提出了塑料在挤出机熔融段的熔融模型。挤出理论的理论基础和研究历史挤出理论的理论基础和研究历史熔体输送理论:熔体输送理论的研究过程比较简单在熔体输送段螺槽中为熔体所充满所以年建立了以流体力学为理论基础的熔体输送理论。挤出理论研究挤出理论研究剖分机筒挤出理论研究挤出理论研究移去上部分料筒物料的在螺杆上的状态挤出理论研究挤出理论研究透明视窗挤出机挤出理论研究挤出理论研究通过透明视窗观察到的物料状态固体输送理论模型固体输送理论模型固体输送固体输送理论模型固体输送理论模型固体输送受力分析挤出理论挤出理论()固体输送理论固体输送理论认为物料与螺槽和料筒内壁所有面紧密接触形成具有弹性的固体塞子并以一定速率向机头方向移动。固体塞在螺槽中的运动可分解为轴向运动和旋转运动。轴向运动起输送物料的作用而固体塞的移动情况是旋转运动还是轴向移动占优势主要决定于螺杆表面和料筒表面的与物料之间的摩擦力的大小。只有物料与螺杆之间的摩擦力小于物料与固体输送理论固体输送理论料筒之间的摩擦力时物料才能沿轴向前移否则物料将与螺杆一起转动。因此在螺杆设计和加工时适当提高物料与料筒的摩擦系数减小物料与螺杆的摩擦系数可以提高固体输送效率。提高固体输送效率的方法:a增大物料与料筒的摩擦系数减小物料与螺杆的摩擦系数。具体措施是:对螺杆表面进行抛光降低表面粗糙度螺杆中心通冷却水适当降低螺杆的表面温度。在加料段的料筒内壁开设一些纵向沟槽以增加物料与料筒间的径向摩擦力。b适当增加螺槽深度H和螺旋角。加料段开设纵向沟槽的料筒SpecialsinglescrewextrudersforfoodextrusionSpecialgroovedextruderbarrel:nonwallstickingmaterialcanbeextruded熔融区物料的固液共存区(透明区为熔融的液相,不透明区为固相)熔融过程螺槽中固液相边缘也在熔融(无颗粒分界线)()熔化理论(熔融理论)()熔化理论(熔融理论)a熔化过程当固体物料从加料段进入压缩段时物料是处在逐渐软化和相互粘接的状态与此同时越来越大的压缩作用使固体粒子被挤压成紧密堆砌的固体床。固体床在前进过程中受到料筒外加热和内摩擦热的同时作用逐渐熔化。首先在靠近料筒表面处形成熔膜层当熔膜层厚度超过料筒与螺棱间的间隙时就会被旋转的螺棱刮下来并汇集于螺纹推力面的前方形成熔池而在螺棱的后侧则为固体床。随着螺杆的转动来自熔化理论熔化理论料筒的外加热和熔膜的剪切热不断传至未熔融的固体床使与熔膜接触的固体粒子熔融。因此在沿螺槽向前移动的过程中固体床的宽度逐渐减小直至全部消失即完成熔化过程。b相迁移面熔化区内固体相和熔体相(液相)的界面称为相迁移面大多数熔化均发生在此分界面上它实际是固体相转变为熔体相的过渡区域。熔体膜形成后的固体熔化是在相迁移面处发生的所需的热量一部分熔化理论熔化理论来源于料筒的外加热通过熔膜传递的热量另一部分则来源于螺杆和料筒对熔膜的剪切作用。c熔化长度在熔化区物料的熔化过程是逐渐进行的自熔化区起始点A开始固体床的将逐渐减小熔池的宽度逐渐增加直到熔化区终点B固体床的宽度下降到零。从熔化开始到固体床的宽度降到零为止的总长度称为熔化长度。熔化长度的大小反映了固体的熔化速度一般熔化速度越高则熔化长度越短反之越长。熔化理论熔化理论d模型假设挤出过程是稳定的即在挤出过程中螺槽内的熔化物料与固体床的分界面位置是固定不变的。固体床是均匀的连续体而且螺槽的横截面为矩形。物料的熔融温度范围较窄因此固液相之间的分界面比较明显。螺杆相对静止料筒相对运动当熔膜厚度超过螺杆与料筒的间隙时熔膜被料筒表面拖曳熔化理论熔化理论汇集于熔池同时固体床以恒定的速度移向分界面以保持稳定的状态。固体粒子的熔化是在分界面上进行的。熔融(熔化)理论模型  其中:X(z)固体床宽度W螺槽宽度Tb料筒温度Tm物料的熔点Ts固体床的初始温度。料筒熔膜螺杆熔膜固体床熔池熔融区的固相破碎现象()熔体输送理论()熔体输送理论在均化段物料不仅受到旋转螺杆的挤压作用同时还受到由于机头口模的阻力所造成的反压作用物料的流动情况很复杂。一般可分为下列四种流动形式。a正流是物料沿螺槽方向(Z向)向机头的流动是均化段熔体的主流它起到挤出物料的作用。(这种流动是由物料在螺槽中受料筒摩擦拖曳作用而产生的故也称为拖曳流)。正流在螺槽中沿螺槽深度方向的速度分布是线性变化的。正流逆流正流熔体输送理论熔体输送理论b逆流沿螺槽与正流方向相反的流动它是由机头口模、过滤网等对料流的阻碍所引起的反压流动故又称压力流动它将引起挤出生产能力的损失。逆流的速度呈抛物线形分布见上图所示。正流和逆流的综合流称为净流。c横流物料沿x轴和y轴两方向在螺槽内往复运动也是螺杆旋转时螺棱的推挤作用和阻挡作用所造成的仅限于在每个螺槽内的环流对总的挤出生产率影响不大但对物料的热交换、混合和进一步均匀塑化影响很大。熔体在螺槽中的流动方式熔体输送理论熔体输送理论d漏流物料在螺杆和料筒的间隙沿着螺杆的轴向往料斗方向的流动它也是由于机头和口模等对物料的阻力所产生的反压流动。由于螺杆与料筒间的间隙很小故在一般情况下漏流要比正流和逆流小得多。速度分布见下图(注:为了画图方便该间隙夸大了)。挤出机的生产能力=正流-逆流-漏流熔体在螺槽中的流动方式挤出机的生产率挤出机的生产率挤出机生产率的计算方法有下列几种:(a)实测法qm=*v*G*α其中:qm-挤出机的生产能力kghv-从机头口模挤出制品(或半成品)的线速度mminG-挤出m长制品(或半成品)的质量kgmα-挤出机的时间利用系数一般α=~。挤出机的生产率挤出机的生产率(b)按经验公式计算qm=β*D*n其中:β-系数一般β=~D-螺杆直径cmn-螺杆转速rmin。(c)按固体输送理论计算其中:qm=*πDs*A*ρ*n*β’cosθDs-螺杆螺纹的平均直径cmA-螺纹槽的横断面积cm(A=W*h)挤出机的生产率挤出机的生产率ρ-物料的密度gcmn-螺杆转速rminβ’-挤出机的传送系数一般β’=~新机器取大值旧机取小值θ-螺纹的螺旋角。此公式没有考虑存在于挤出内的粘性物料也未考虑机头阻力和因温度、粘度改变而引起的物料与料筒、螺杆摩擦系数的改变。挤出机的生产率挤出机的生产率(d)按熔体输送理论计算挤出机的生产能力=正流-逆流-漏流螺杆和机头(口模)的特性曲线螺杆和机头(口模)的特性曲线()螺杆特性曲线根据挤出机产量公式qv=An-B可知对于给定的螺杆A与B均为常数。如果以挤出压力为横坐标产量为纵坐标改变转速可得到一组斜率为(-Bη)的直线该直线即为螺杆特性曲线见下图。而螺杆特性线的倾斜程度主要取决于均化段螺槽深度HH越大特性线越倾斜意味着挤出机的产量对机头阻力(挤出压力)敏感我们称螺杆特性曲线螺杆特性曲线n>n>n>n螺槽深度对螺杆特性的影响螺槽深度对螺杆特性的影响H>H>H(H、H、H为计量段槽深不同的螺杆的槽深)计量段槽深对螺杆特性的影响螺杆、机头特性曲线螺杆、机头特性曲线该螺杆特性软H越小螺杆特性线越平意味着挤出机的产量对机头阻力(挤出压力)不敏感我们称该螺杆特性硬。()机头(口模)特性曲线假定聚合物熔体为牛顿流体则通过机头口模的体积流率qv为:qv=k•Δpη式中k为机头口模的阻力常数仅与口模的尺寸和形状有关η为物料通过口模时的粘度PasΔp物料通过口模时的压力降螺杆、机头特性曲线螺杆、机头特性曲线(与挤出螺杆产量公式中的Δp近似相等。同样以Δp为横坐标产量为纵坐标作图得到机头(口模)的特性曲线。口模特性曲线的斜率的大小决定于口模阻力的大小图中k斜率小大为低阻力机头k斜率小为高阻力机头。机头(口模)特性曲线机头(口模)特性曲线口模特性线()挤出机的综合工作点()挤出机的综合工作点正常工作时挤出机的产量应与机头(口模)的产量相等我们把螺杆特性线与口模特性线的交点称为挤出机的综合工作点见下图。由下图还可以看出高阻力机头配特性曲线硬的螺杆可获得较高的产量而低阻力机头配特性线软的螺杆能得到较高的产量。挤出机综合工作点挤出机综合工作点挤出机综合工作图影响挤出机生产率的因素影响挤出机生产率的因素()机头压力与生产率的关系压力增大挤出流率(产量)减小但对物料的混合和塑化有利。因此机头压力过低对挤出制品的质量不利。当机头阻力为零时可得挤出机的最大产量这种挤出称为“自由挤出”。若令挤出产量为零则可得挤出机机头的最大压力实际生产中是不允许的会应压力过高而破坏机器。影响挤出机生产率的因素影响挤出机生产率的因素()螺杆转速与生产率的关系均化段物料的压力近似等于物料通过口模时的压力降联立均化段产量公式和机头产量公式可得:qv=(Ak(Bk))•n。由该式可知在机头和螺杆的几何尺寸一定时螺杆转速与挤出机的生产率成正比。但是挤出机的转速不能过高否则难以保证塑化质量影响挤出机生产率的因素影响挤出机生产率的因素()螺杆几何尺寸与生产率的关系a螺杆直径挤出机生产率近似正比于螺杆直径的平方因此对生产率的影响要大于螺杆转速的影响通常生产大尺寸的制品一般采用较大直径螺杆的挤出机。b均化段螺槽深度H正流与H成正比但逆流与H的三次方成正比。因此H对产量的影响比较复杂。均化段螺槽浅螺杆特性硬对机头口模的适应性强物料所受剪切作用大塑化效果好但螺槽过浅剪切过大易使物料分解。影响挤出机生产率的因素影响挤出机生产率的因素c均化段长度L均化段长度增加逆流和漏流减少挤出机生产率增加。均化段长度增加还可使螺杆特性曲线变平螺杆特性变硬。当然L大会使机器的安装制造困难。()机头口模的阻力与生产率的关系物料挤出时的阻力与机头口模的截面积成反比与长度成正比即口模的截面积越大或口模的平直部分越短机头阻力越小这时挤出机生产率受机头内压力变化的影响就越大。因此一般要求口模的平直部分有足够的长度。挤出成型工艺挤出成型工艺一般挤出生产机组由挤出机、机头口模、定型装置、冷却水槽、牵引装置、切割(卷取)装置和堆放装置等组成根据实际生产的制品挤出生产机组的组成可能有所变化。通常我们将挤出机称为主机其余部分为辅机部分。宽幅板材生产线宽幅板材生产线五层共挤生产线五层共挤生产线挤出工艺流程挤出工艺流程()原料的准备和预处理()挤出成型()定型与冷却热塑性塑料挤出物离开机头口模后仍处于高温粘流状态具有很大的塑性变形能力应立即进行定型和冷却。如果定型和冷却不及时挤出物会在自重的作用下变形。定型装置的作用是确定制品的形状和尺寸经定型装置后制品冷却仍不充分必须进一步冷却。挤出工艺流程挤出工艺流程()制品的牵引热塑性塑料挤出离开口模后由于热收缩和离模膨胀双重效应使挤出物的截面与口模的断面形状尺寸并不一致此外制品连续不断挤出其质量越来越大如不引出会造成堵塞生产停滞。因此要连续而均匀地将挤出物牵引出以保证挤出过程的连续性且可以调整挤出型材的截面尺寸和性能。挤出工艺流程挤出工艺流程()卷取(切割)定型冷却后的制品根据需要的长度(重量)进行卷取和切割一般软质制品采用卷取的方式而硬质制品采用切割的方式。()后处理后处理包括热处理和调湿处理。热处理一般在高于制品使用温度~℃或低于该塑料热变形温度~℃的条件下对制品进行热处理以消除内应力。有些吸湿性强的挤出制挤出工艺流程挤出工艺流程品如聚酰胺制品在空气中使用或存放过程中会吸湿膨胀而且这种吸湿膨胀过程需很长时间才能达到平衡为了加速这类塑料制品的吸湿平衡常需调湿处理。一般是采用将制品浸入含水介质中加热进行调湿处理在调湿的同时进行热处理。典型挤出制品成型工艺典型挤出制品成型工艺()塑料管材挤出(波纹管成型)管材挤出装置由挤出机、机头口模、定型装置、冷却水槽、牵引及切割(卷取)装置等组成。其中挤出机的机头口模和定型装置是管材挤出的关键部件。a机头口模管机头大体上可分为直通式、直角式和偏移式三种。国内用得较多的是直通式机头。塑料管材挤出塑料管材挤出b管材的定径和冷却管材的定径方式有内定径和外定径两种。若管材的外径尺寸要求高则选用外定径法国内要求管材外径带公差所以常用外定径法反之则采用内定径法。外定径法又分内压法和真空定径法两种。内压法是在管子内部通压缩空气并在管端或管内封塞使管外壁贴紧定径套内壁定径套夹套内通冷却水冷却经定径后的管子离开定径套时不再变形。真空定径法是在管子外壁抽真空使管子外壁与定径套内壁紧密贴合。管材成型机头内压法挤管生产线管材挤出管材挤出定径后的管子进入冷却水槽或喷淋水箱进一步冷却一般大直径管子采用喷淋水箱冷却避免水的浮力导致管子弯曲。()塑料薄膜的挤出吹塑()塑料薄膜的挤出吹塑塑料薄膜的生产方法有:吹塑、压延、流延、挤出拉幅(拉伸)和使用狭缝机头直接挤出等方法制造。其中吹塑法比较普遍。塑料薄膜的挤出吹塑塑料薄膜的挤出吹塑吹塑法根据牵引方向的不同可分为:上吹、平吹和下吹三种。聚乙烯、PVC薄膜主要采用上吹法聚丙烯采用下吹法生产而平吹法主要成型小尺寸的薄膜。上吹膜装置由挤出机、机头口模、风环、人字板、夹辊、牵引辊和卷取装置等组成。其中挤出机的机头口模关键部件。上吹膜示意图上吹膜生产线下吹膜示意图平吹法示意图塑料薄膜的挤出吹塑塑料薄膜的挤出吹塑a机头和口模吹塑薄膜的主要设备为单螺杆挤出机其机头口模的类型主要有转向式的直角机头和水平向的直通型机头两大类结构与挤出管材的机头差不多作用是挤出管状坯料。直通型机头用于熔体粘度较大的和热敏性塑料实际生产中采用直角机头较多。塑料薄膜的挤出吹塑塑料薄膜的挤出吹塑b吹胀与牵引在机头处有通入压缩空气的气道通入气体使管坯吹胀成膜管调节压缩空气的通入量可以控制膜管的吹胀程度。吹胀比是指管坯吹胀后的膜管直径D与挤出机环形口模直径D之比。吹胀比的大小表示管坯直径的变化也表明了粘流态下大分子受到横向拉伸作用力的大小。常用吹胀比在~。过大的吹胀比易引起膜管的蛇形摆动。塑料薄膜的挤出吹塑塑料薄膜的挤出吹塑牵伸比是指膜管通过夹辊时的速度v与口模挤出管坯的速度v之比。一般牵伸比大于吹胀比。c薄膜的冷却吹塑薄膜是连续成型过程管坯挤出吹胀成膜管后必须不断冷却固化定型为薄膜制品。因此膜管在吹胀成型后要马上得到良好的冷却。目前最常用的方法是在挤出机头之后在管膜外面设置冷却风环。塑料薄膜的挤出吹塑塑料薄膜的挤出吹塑冷冻线(冷凝线):在吹塑聚乙烯薄膜时接近机头处的膜管是透明的但在高于机头约cm处的膜管则显得浑浊呈半透明状膜管在机头上方开始变得混浊的距离称为冷凝线距离这条线称为冷凝(冷冻)线。d薄膜的卷绕膜管经冷却定型后先经人字导向板夹平再通过牵引夹辊而后由卷绕辊卷绕成薄膜制品。()塑料板材挤出()塑料板材挤出挤出板材的生产线(机组)由挤出机、狭缝机头、三辊压光机、冷却导辊、切边装置、牵引装置和切割装置等。板、片机头双螺杆挤出双螺杆挤出双螺杆挤出机的结构与分类双螺杆挤出机由传动装置、加料装置、料筒和螺杆等组成。双螺杆挤出机的类型:啮合型非啮合型同向异向锥形平行。啮合异向双螺杆挤出机常用于型材挤出。高速啮合同向双螺杆挤出机用于配混、排气或作为连续化学反应器。双螺杆挤出机双螺杆挤出机非啮合型双螺杆挤出机用于混合、排气和化学反应其输送机理与啮合型挤出机大不相同比较接近于单螺杆挤出机的输送机理虽然二者有本质的区别。FeedingofmaterialintotwinscrewextrudersFeedingofmaterialintotwinscrewextruders双螺杆挤出机双螺杆挤出机螺杆与料筒ParalleltwinscrewextruderParalleltwinscrewextruder双螺杆挤出机的工作原理双螺杆挤出机的工作原理啮合和非啮合双螺杆挤出机的工作原理不一样。下面简单分述之。()同向啮合型双螺杆挤出机a紧密啮合同向旋转式挤出机(CICO)低速挤出机具有紧密啮合式螺杆几何形状其中一根螺杆的螺棱外形与另一根螺杆的螺槽外形紧密配合即共扼螺杆外形。其螺杆几何形状见教材图。同向紧密啮合式挤出机(CICO)的输送特性不如紧密啮合异向旋转式挤出机。双螺杆挤出机的工作原理双螺杆挤出机的工作原理当物料由加料口加到一根螺杆上后在摩擦拖曳下沿着这根螺杆的螺槽向前输送至下方楔形区并受到一定压缩。如果螺腹间隙较大则另一根螺杆的螺棱不会把物料前进的道路堵死。由于两根螺杆在楔形区有一大小相等、方向相反的速度梯度故物料不会进入啮合区绕同一根螺杆继续前进而是被另一根螺杆托起并在料筒表面的摩擦拖曳下沿着另一根螺杆的螺槽向前输送当物料前双螺杆挤出机的工作原理双螺杆挤出机的工作原理进到上方楔形区时又重复此过程。从宏观来看物料是呈“”字形运动同时在轴线方向上移动。紧密啮合同向旋转式挤出机(CICO)必须在低速下运转。b自洁式挤出机(CSCO)高速同向挤出机具有紧密匹配的螺棱外形如教材图。螺杆间隙小螺杆具有密闭自洁作用。双螺杆挤出机的工作原理双螺杆挤出机的工作原理紧密自洁同向旋转式双螺杆挤出机可以高速运转正向输送特性低于CICO物料停留时间加宽压力对挤出量敏感性加大。因此该挤出机不用于直接挤出制品。()异向啮合形双螺杆挤出机紧密啮合异向旋转(CICT)式双螺杆挤出机的螺杆几何形状如教材图。两螺杆螺槽间的间隙很小(比同向啮合型双螺杆挤出机中的空隙小得多)。双螺杆挤出机的工作原理双螺杆挤出机的工作原理异向啮合型双螺杆挤出机具有研磨型啮合作用。啮合区的螺杆有两个方向相同的速度梯度因此进入啮合区的物料有强制通过啮合区的趋势。如果两根螺杆间的间隙很小则通过啮合区的料流很小这将在啮合区的进口处产生物料积累形成料垄进入螺杆间隙的物料会对两螺杆产生很大的压力导致螺杆挠曲。所以CICT挤出机一般适合在低速度下运转高速下螺杆的正向输送特性会损失。双螺杆挤出机的工作原理双螺杆挤出机的工作原理因而异向啮合形双螺杆挤出机的最大允许螺杆速度常常为挤出机输送特性的象征。螺杆转速为~rpm挤出机具有正向输送特性主要适用于型材挤出最大螺杆转速为~rpm挤出机的正向输送特性较小大多用于配混、连续的化学反应及其它特种聚合物加工。()非啮合型双螺杆挤出机双螺杆挤出机的工作原理双螺杆挤出机的工作原理非啮合型双螺杆挤出机的两根螺杆之间的中心距大于两螺杆半径之和。有实用价值的是异向旋转的非啮合型双螺杆挤出机(NOCT)其物料输送与单螺杆挤出机相似主要的差别是物料从一螺杆交换到另一螺杆。NOCT挤出机的正向输送特性比单螺杆挤出机小而逆流、返混特性优于单螺杆挤出机因此NOCT挤出机主要用于共混、排气和化学反应等操作而不太适合型材挤出。双螺杆挤出机与单螺杆挤出机差别双螺杆挤出机与单螺杆挤出机差别双螺杆挤出机与单螺杆挤出机的差别主要在以下几方面:()物料的输送方式在单螺杆挤出机中物料的输送是靠摩擦、拖曳完成的。在固体输送段物料的输送是由于物料与料筒、螺杆的摩擦作用实现的在熔体输送段物料的输送是由于料筒对粘性流体的粘性拖曳作用完成的。固体物料的摩擦性能和熔融物料的粘性决定了输送行为。如有些物料摩擦性能不良如果不解决喂料问题则较难双螺杆挤出机与单螺杆挤出机差别双螺杆挤出机与单螺杆挤出机差别将物料喂入单螺杆挤出机。而在双螺杆挤出机中特别是啮合型双螺杆挤出机物料的输送在某种程度上是正向位移正向位移的程度取决于一根螺杆的螺棱与另一根螺杆的相对接近程度。紧密啮合异向旋转(CICT)挤出机的螺杆几何形状能得到高度的正向位移输送特性螺杆特性线硬。双螺杆挤出机与单螺杆挤出机差别双螺杆挤出机与单螺杆挤出机差别()物料的流动速度场目前对物料在单螺杆挤出机中的流动速度分布已描述得相当清楚。而在双螺杆挤出机中物料的流动速度分布情况相当复杂且难以描述。此外双螺杆挤出机与单螺杆挤出机相比:混合充分、热传递良好、熔融能力强、排气效果好及对物料温度控制良好等。ParalleltwinscrewextruderScrewsegmentsParalleltwinscrewextruderScrewsegmentsConveyingelements:ParalleltwinscrewextruderRheomexPTWScrewsegmentsKneadingblocks:ParalleltwinscrewextruderRheomexPTWScrewsegmentsKneadingblocks:ParalleltwinscrewextruderRheomexPTWScrewsegmentsToothedblocks:热固性塑料挤出热固性塑料挤出热固性塑料的挤出成型技术目前仅限于加工酚醛塑料等少数几个品种但随着新的热固性塑料的开发特别是玻璃纤维增强聚酯的开发热固性塑料挤出技术又得到很大发展已成为挤出成型一个重要分支。热固性塑料挤出成型的基本原理热固性塑料挤出成型的基本原理()热固性塑料挤出机与热塑性塑料挤出机的差别热固性塑料在压力下加热发生不可逆的化学变化。因此热固性塑料挤出的方法与热塑性塑料的挤出方法不同。a热固性塑料挤出时不能仅靠加热而且还需要使材料受几十兆帕的压力要求如此高的压力普通螺杆挤出机无法满足。热固性塑料挤出热固性塑料挤出b热固性塑料受热会在挤出机内固化采用普通螺杆挤出机加工拆卸和清理螺杆困难因此不能采用连续螺杆挤出技术来挤出热固性塑料一般采用柱塞式挤出机。()热固性塑料挤出加工过程如教材图所示干燥的粉状或片状热固性塑料从安装在加料口上面的加料斗进入由水间接冷却的加料室内。液压机活塞推动由水冷却的柱塞柱塞在前进过程中将加料口关闭并将加料室中的物料推向前至热固性塑料挤出热固性塑料挤出前次物料的后面而予以压缩。这一过程在柱塞的每一次行程中重复进行于是物料便在加热的机头中逐渐向前移动同时在相当大的压力下改变它的形状和温度。物料从柱塞的圆形截面形状向所需的断面形状的变化主要发生在图的流动区域。在这一阶段中物料完全软化并被压缩成最终所需的形状。此后物料进入一个基本上是平行的固化区在此阶段物料起初仍是可塑的但当它进入最后部分时就开始固化。为了适应物料在固化过程中的收缩固化区的最后部分略呈锥形状。与热塑性塑料的比较与热塑性塑料的比较()热固性塑料制品的形状在离开机头后几乎不发生变化因此对每一种制品必须使用专用的机头且机头须精确地与制品的断面形状一致。而热塑性塑料挤出时制品离开机头仍可有许多方法改变和校正其断面形状。因此热塑性机头并不需要精确地与制品所要求的断面形状相匹配。()两种塑料挤出的生产率也有较大差别。热固性塑料挤出速度很低只能以每秒几毫米的速度进行而且挤出速度还受物料固化速度的限制。而热塑性塑料挤出速度可达每秒数厘米。反应性挤出反应性挤出反应性挤出(ReactiveExtrusion,REX)是指聚合性单体或低聚物熔体在螺杆挤出机内发生物理变化的同时发生化学反应从而挤出直接获得高聚物或制品的一种新的工具性工艺方法。反应性挤出的特点与传统的釜式合成反应相比反应挤出有下列几个特点:设备投资小生产周期短能耗低环境污染小生产过程控制方便既可实现小批量又可实现大批量连续反应和加工生产。反应性挤出反应性挤出REX技术的主要设备是螺杆挤出机特别是双螺杆挤出机选择合适的挤出机并配以机头可直接生产制品实现聚合反应过程与加工过程一体化。目前工业化生产的聚合物品种有POM、PA、PU、PMMA等。反应性挤出加工的反应类型及制备聚合物类型()本体聚合从一种单体、多种混合物、低相对分子量的预聚物或单体与预聚物的混合物出发通过加聚或缩聚制备得到高相对分子量的聚合物反应性挤出反应性挤出()接枝反应由聚合物与单体得到接枝型或共聚型聚合物的反应()链间形成共聚物反应由两种或两种以上聚合物通过离子键或共价键形成接枝或嵌段共聚物的反应。如PS聚烯烃()偶联交联反应由带有多官能偶联或枝化剂的聚合物通过链增长或支化提高相对分子量的反应由带有缩合剂的聚合物通过链增长提高相对分子量的反应由带有交联剂的聚合物通过交联提高熔体粘度的反应反应性挤出反应性挤出()可控降解反应控制高相对分子量的聚合物降解到一定相对分子量或控制降解到单体()官能化-官能基团的改性反应在聚合物分子链上、末端、侧链上引进官能化基团或对现有基团的改性以满足某种特殊需要。反应性挤出加工对设备的要求用于反应性挤出的挤出机除具有常规挤出机具有的加料、熔融、混合、挤出和造粒等功能外还应具有:反应性挤出反应性挤出具有极好的分散和分布能力温度控制方便停留时间分布可控制反应可在压力下进行能连续进料、连续加工未反应单体和小分子副产物可脱除粘性熔体易于排出。橡胶的压出(挤出)橡胶的压出(挤出)橡胶挤出(习称橡胶压出)是在压出机(挤出机)中对混炼胶加热与塑化通过螺杆的旋转使胶料在螺杆和料筒内壁之间受到强大的挤压作用不断向前推进并借助于口模压出具有一定断面形状的橡胶半成品。压出(挤出)机压出机的主要部件是料筒、螺杆、机头和口模等。()料筒(机身)橡胶压出(挤出机)Zone(heatingcooling)ZoneFeedingrollMotorforrollfeederSensorportsfeedingrollextruderbarrelrubberstripforrubberapplication:橡胶的压出(挤出)橡胶的压出(挤出)压出机的料筒为一带夹套的圆筒夹套内可通入蒸汽或冷却水控制温度。压出机的温度必须控制在胶料硫化温度以下。()螺杆压出机螺杆螺纹有单头、双头和复合螺纹三种。单头螺纹多用于滤胶双头螺纹的螺杆两沟槽同时出胶出胶快而均匀适用于压出成型复合螺纹螺杆的加料段为单头螺纹便于进料出料段为双头螺纹出料均匀。压出机的螺杆通常是双头螺纹或复合螺纹。()压出机螺杆与塑料挤出机螺杆主要差别在于:()压出机螺杆与塑料挤出机螺杆主要差别在于:a压出机螺杆长径比要比塑料挤出机螺杆小得多。这是因为橡胶的粘度要比塑料高约高一个数量级在挤出过程中会产生大量剪切摩擦热减小螺杆长径比可保持胶料温度升高在一定限度内防止胶料过热和焦烧。热喂料压出机的长径比约为~冷喂料压出机的长径比约为~排气冷喂料压出机长径比可达以上。而塑料挤出机长径比通常在以上而且目前有加大的趋势。压出机螺杆与塑料挤出机螺杆主要差别压出机螺杆与塑料挤出机螺杆主要差别b橡胶压出机螺杆的槽深要比塑料挤出机螺杆槽深大:一般螺纹深度为螺杆外径的%~%采用较深螺槽的原因是为了减少橡胶的剪切摩擦热。橡胶压出机螺杆的压缩比小一般是~而冷喂料压出机的压缩比为~滤胶机的螺杆压缩比为。橡胶压出工艺橡胶压出工艺()胶料塑炼经混炼后冷却停放的胶料在进入压出机前必须进行塑炼以进一步提高胶料的均匀性和可塑性使胶料易于压出。()挤出(压出)成型。()冷却、裁断

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