高分子材料加工工艺

1高分子材料加工工艺第九章压延成型教学目的：掌握压延成型的定义，主要成型对象及在各领域中的应用；压延成型的工序及各设备；压延机的组成及结构；压延成型的原理；压延成型的工艺及操作工艺；影响压延制品性能的因素；橡胶制品的压延工艺。重点内容：压延成型的原理、压延成型的工艺及影响压延制品性能的因素。难点内容：压延成型的原理。熟悉内容：压延成型工艺的适用范围及应用领域；压延成型工艺的设备。主要英文词汇：calendering----压延Calenderedfilm---压延薄膜calender----压延机roll—辊筒plasticizing---塑化film---薄膜sheet---片状embossedfilm---压化薄膜embossedsheet---压花片材参考教材或资料：1、《高分子材料成型加工》，周达飞，唐颂超主编，中国轻工业出版社，2005年第2版。2、《橡胶及塑料加工工艺》，张海，赵素合主编，化学工业出版社，1997年第1版。3、《高分子材料加工工艺》讲义，青岛科技大学印刷厂，2000年。压延成型是生产高分子材料薄膜和片材的主要方法，它是将接近粘流温度的物料通过一系列相向旋转着的平行辊筒的间隙，使其受到挤压和延展作用，成为具有一定厚度和宽度的薄片状制品。2压延成型与前面的模压成型、挤出成型、注射成型并列为四大高分子材料加工方法。压延成型广泛应用于橡胶和热塑性塑料的成型加工中。橡胶的压延是橡胶制品生产的基本工艺过程之一，是制成胶片或与骨架材料制成胶布半成品的工艺过程，它包括压片、压型、贴胶和擦胶等作业。塑料的压延成型主要适用于热塑性塑料，其中以非晶型的聚氯乙烯及其共聚物最多，其次是ABS，乙烯-醋酸乙烯共聚物以及改性聚苯乙烯等塑料，近年来也有压延聚丙烯、聚乙烯等结晶型塑料。压延成型产品除了薄膜和片材外，还有人造革和其他涂层制品。塑料压延成型一般适用于生产厚度为0.050.5mm的软质PVC薄膜和厚度为0.31.00mm的硬质PVC片材。当制品厚度小于或大于这个范围时，一般不用压延成型，而采用吹塑或挤出等其他方法。压延软质塑料薄膜时，如果以布、纸或玻璃布作为增强材料，将其随同塑料通过压延机的最后一对辊简，把粘流态的塑料薄膜紧覆在增强材料之上，所得的制品即为人造革或涂层布(纸)，这种方法通称为压延涂层法。根据同样的原理，压延法也可用于塑料与其他材料(如铝箔、涤纶或尼龙薄膜等)贴合制造复合薄膜。压延薄膜制品主要用于农业、工业包装、室内装饰以及各种生活用品等，压延片材制品常用作地板、软硬唱片基材、传送带以及热成型或层压用片材等。所以压延制品在国民经济各个领域应用相当广泛。压延成型具有生产能力大、可自动化连续生产、产品质量好的特点。但压延成型的设备庞大，精度要求高，辅助设备多，投资较高，维修也较复杂，而且制品宽度受到压延机辊筒长度的限制。第一节压延设备压延制品的生产是多工序作业，其生产流程包括供料阶段和压延阶段，是一个从原料混合、塑化、供料，到压延的完整连续生产线。供料阶段所需的设备包括混合机、开炼机、密炼机或塑化挤出机等。压延阶段由压延机和牵引、扎花、冷却、卷取、切割等辅助装置组成，其中压延机是压延成型生产中的关键设备。压延机主要由几个平行排列的辊筒组成。压延机的类型很多，通常是根据辊筒的数目和排列形式进行分类。1、辊筒数目按辊筒数目来分，压延机有双辊、三辊、四辊、五辊，甚至六辊。双辊压延机只有一道辊隙，通常用于塑炼和压片，即开放式炼胶机或辊压机。3目前以三辊和四辊压延机用得最为普遍，一般橡胶用三辊压延机较多，而塑料压延较多用四辊压延机。压延机随着辊简的数目的增加物料受压延的次数也就增加，因而可生产更薄的制品，而且厚度更均匀，表面更光滑，产品质量提高；因此四辊压延机目前正逐步取代三辊压延机。五辊和六辊压延机的压延效果当然更好，但是设备太复杂庞大，目前较少使用，只有五辊压延机用在硬质PVC片材的生产上。2、排列形式辊筒的排列形式很多，通常三辊压延机的排列形式有I型、三角型等几种，四辊压延机则有I型、L型、倒L型、Z型和斜Z型等。辊筒排列形式的不同将直接影响压延机制品质量和生产操作及设备维修是否方便。一般的原则是尽量避免备辊筒在受力时产生的形变彼此发生干扰，应充分考虑操作的方便和自动供料的需要等。因此目前以倒L型和斜Z型应用最广。辊筒按斜Z型排列的压延机，物料与辊筒的接触时间短，可防止塑料过热分解或橡胶焦烧；各辊筒互相独立，受力时互不干扰，传动平稳，操作稳定，四个辊筒之间的距离调节容易，检修也方便；供料方便，控制生产、观察检验也方便；而且特别适合织物贴合。但是由于物料的包辊程度低，产品的表面光洁度较低，所以此类压延机目前广泛应用于加工双层辊压贴合或层合的橡胶薄片制品，加轮胎帘布或橡胶帘子线等。倒L型压延机生产薄而透明的薄膜显示出优于斜Z型的功能，这是因为生4产时中辊筒受力不大，辊筒挠度小，只要补偿第四辊的挠度就可压延出厚度均匀的制品，而且物料的包辊程度高，制品表而光洁度高。因而近年来倒L型压延机已成为生产刚薄膜的主要设备。二、压延机的基本结构各类压延机虽然其辊筒数目和排列方式不同，但其基本结构大致相同。压延机主要由压延辊筒及其加热冷却装置、制品厚度调整机构、传动设备及其他辅助装置等组成。1、辊筒辊筒是压延成型的主要部件，其与物料直接接触并对它施压和加热，制品的质量在很大程度上受辊筒的控制。压延机铜简的结构和开炼机铜筒的结构大致相同，但由于压延机的辊筒是压延制品的成型面，而且压延的均是薄制品，因此对压延辊简有一定的要求：1)辊简必须具有足够的刚度与强度，以确保在对物料的挤压作用时，辊筒的弯曲变形不超过许用值。2)辊筒表面应有足够的硬度，同时应有较好的耐磨性和耐腐蚀性。3)辊筒的工作表而应有较高的加工精度，以保证尺寸的精确和表面粗糙度压延制品的质量。4)辊筒材料应具有良好的导热性。辊筒内部可通蒸汽、过热水或冷水来控制表面温度，其结构有空心式和钻孔式两种，空心式辊简的简壁较厚，加热面积较小，传热较慢，工作表面温差较大，往往中部温度比两端高，从而导致压延制品厚薄不均匀，所以这种辊筒目前较少采用。钻孔式辊筒在表面附近沿四周分布钻有直径为30mm左右的通孔数十个，5这些孔与中心孔道相通，载热体流道与表面较为接近，其传热面积大，传热分布均匀，因此辊筒的温度控制较准确和稳定，辊简表面的温度均匀，可有效地提高制品的精度。但这种辊筒加工难度大，制造费用高。目前大型高速压延机还是较多采用这种压延辊简。每个辊简都通过一对滑动轴承支撑在机架上。2、制品厚度调整机构制品的厚度首先由辊距来调节。压延机在物料运行方向倒数第二辊(三辊压延机为第二辊，四辊压延机为第三辊)的轴承位置，是固定不变的，其余辊简的轴承都可通过辊距调节装置进行调节，在机架上特设的导轨中作前后移动，以便调整辊间距，对制品的厚度进行控制。物料在辊简的间隙受压延时，对辊筒有横向压力，这种企图将辊筒分开的作用—力称为分离力，将使两端支撑在轴承上的辊简产生弹性弯曲，这样就有可能造成压延制品的厚度不均，其横向断面呈现中间部分厚两端部分薄的现象。通常采用以下三种方法来补偿辊筒弹性变形对薄膜横向厚度分布均匀性的影响。(1)中高度法，亦称凹凸系数法，即把辊筒的工作表面加工成中部直径大，两端直径小的腰鼓型，沿辊筒的长度方向有一定的弧度。6(2)轴交叉法。如果将压延机相邻的两个平行辊筒中的一个辊筒绕其轴线的中点的连线旋转一个微小角度，使两轴线成交叉状态，在两个辊筒之间的中心间隙不变的情况下将增大两端的间隙。(3)预应力法。在辊筒工作负荷作用前，在辊筒轴承的两端的轴颈上预先施加额外的负荷，其作用方向正好与工作负荷相反，使辊简产生的变形与分离力引起的变形方向正好反，这样，在压延过程中辊筒所产生的两种变形便可以互相抵消，从而达到补偿的目的。3、传动机构为了适应不同压延工艺的要求，辊筒速比应能变换，辊筒速度应在较大范围7内调节。压延机辊筒的转动一般由电动机通过齿轮联结带动，经人字齿轮减速装置达到所要求的精确速度。为了使辊筒转动平稳，一般采用直流电动机。4、辅助装置主要包括引离辊、轧花装置、冷却装置、卷取或切割装置等，以及金属监测器、测厚仪等，还包括压延人造革时使用的烘布辊筒、预热辊简、贴合装置等。第二节压延成型原理压延成型过程是借助于辊筒间产生的强大剪切力，使粘流态物料多次受到挤压和延展作用，成为具有一定宽度和厚度的薄层制品的过程。这一过程表而上看只是物料造型的过程，但实质上它是物料受压和流动的过程。一、物料在压延辊筒间隙的压力分布从流体力学知道，任何流体产生流动，都有动力推动。压延时推动物料流动的动力来自两个方面，一是物料与辊筒之间的摩擦作用产生的辊简旋转拉力，它把物料带入辊筒间隙；二是辊筒间隙对物料的挤压力，它将物料推向前进。压延时，物料是被摩擦力带入辊缝而流动。由于辊缝是逐渐缩小的，因此当物料向前行进时，其厚度越来越小，而辊简对物料的压力就越来越大。然后胶料快速地流过辊距处．随着胶料的流动，压力逐渐下降，至胶料离开辊筒时，压力为零。压延中物料受辊筒的挤压，受到压力的区域称为钳住区，辊筒开始对物料加压的点称为始钳住点，加压终止点为终钳住点，两辊中心(两辊筒圆心连线的中点)称为中心钳住点，钳住区压力最大处为最大压力钳住点。8二、物料在压延辊筒间隙的流速分布处于压延辊筒间隙中的物料主要受到辊筒的压力作用而产生流动，辊筒对物料的压力是随辊缝的位置不同而递变的，因而造成物料的流速也随辊缝的位置不同而递变。即在等速旋转的两个辊筒之间的物料，其流动不是等速前进的，而是存在一个与压力分布相应的速度分布。实际上辊筒大都是同一直径而有不同表面线速度，此时流动速度分布规律基本一样，只是物料的流动状况和流速分布在y轴上存在一个与两辊筒表面线速度差相对应的变化，其主要特点是改变速度梯度分布状态，如图所示。这样就增加了剪切力和剪切变形，使物料的塑化混炼更好。在中心钳住点h0处，具有最大的速度梯度，而且物料所受到剪应力和剪切速率与物料在辊筒上的移动速度和物料的粘度成正比，而与两辊中心线上的辊间9距h0成反比，当物料流过此处时，受到最大的剪切作用，物料被拉伸、辗延而成薄片。但当物料一旦离开辗距h0后，由于弹性恢复的作用而使料片增厚，最后所得的压延料片的厚度都大于辊距h0。第三节压延成型工艺完整的压延成型工艺过程可以分为供料和压延两个阶段。供料阶段是压延的备料阶段，主要包括塑料的配制、混合、塑化和向压延机传输喂料等几个工序。压延阶段是压延成型的主要阶段，包括压延、牵引、刻花、冷却定型、输送及卷绕或切割等工序。所以压延成型工艺过程实际上是从原料开始经过各种聚合物加工步骤的整套连续生产线。在各种塑料压延制品中，最典型、最主要的是聚氯乙烯软质薄膜、硬质片材以及人造革。一、供料阶段密炼机塑化、双辊开炼机塑化是间歇操作，生产效率低，劳动强度大；挤出机塑化和输送棍炼机塑化效果好，产量大，且能连续供料。塑化后的熔融物料均匀地向压延机供料。目前连续供料方法已取代间歇喂料操作，因为间歇的料卷供料会使压延机加料区存料量周期性地变化，从而导致辊筒分离力发生波动。10二、压延阶段送往压延机的物料应该是塑化完全、无杂质、柔软的，处在粘弹态，供料要先经过金属监测器然后加到四辊压延机的第一道辊隙，物料压延成料片，然后依次通过第二道和第三道辊隙而逐渐被挤压和延展成厚度均匀的薄层材料，然后由引离辊承托而撤离压延机，并经拉伸，若需制品表面有花纹，则进行轧花处理，再经冷却定型、测厚、切边、输送后，由卷绕装置卷取或切割装置切断成品。压延成型是连续生产过程，在操作时首先对压延机及各后处理工序装置进行调整，包括辊温、辊速、辊距、供料速度、引离及牵引速度等，直至压延制品符合要求，即可连续压延成型。轧花装置是由有花纹图案的钢制轧花辊和橡胶辊组成，要使轧出的花纹不变形，可温水冷却轧花辊和橡胶辊。作用在轧花辊上的压力、冷却水的流量及辊的转速是影响轧花操作和花纹质量的重要因素。PVC人造革是以布(或纸)为基材，在其上覆以聚氯乙烯塑料膜层后制得的，其方法主要有涂刮法和压延法等。用压延