复合材料成型工艺与设备(10挤出成型工艺与设备)

1挤出成型工艺是生产热塑性复合材料(FiberReinforcedThermoPlastics简称FRTP)制品的主要方法之一。工艺过程：先将树脂和增强纤维制成粒料，然后再将粒料加入挤出机内，经塑化、挤出、冷却定型而成制品。2•应用：广泛用于生产各种增强塑料管、棒材、异形断面型材等。•优点：1、能加工绝大多数热塑性复合材料及部分热固•性复合材料；2、生产过程连续，自动化程度高；3、工艺易掌握及产品质量稳定等。缺点：只能生产线型制品。310.1、FRTP粒料生产工艺及设备短纤维增强FRTP是将玻璃纤维或其它纤维(长0.2一7mm)均匀地分布在热塑性树脂基体中的一种复合材料，其生产工艺一般都要经过造粒和成型两个过程。长纤维：3-13mm，纤维平行于粒料长度方向排列。增强粒料短纤维：0.25-0.5mm,纤维和树脂无规混合长纤维粒料生产的制品其力学性能较高，短纤维粒料则用于生产形状复杂的薄壁制品。410.1.FRTP粒料生产工艺及设备•造粒工艺•长纤维粒料是将玻璃纤维束包覆在树脂中间，纤维长度等于粒料长度。根据纤维在粒料断面的分布情况，分为三种形式:Lbc(a)bc(b)dbc(c)5长纤维粒料的生产工艺流程•玻璃纤维束树脂及助剂包覆机头挤出冷却牵引切粒包装制品•6生产长纤维增强粒料的设备布置工艺形式图11-1增强粒料设备平面布置简图23456717图11-2增强粒料设备立面布置图8机头玻璃纤维通过型芯中的导纱孔进入机头型腔与熔融的树脂混合。1236459型芯构造形式分瓣式套管式迷宫式10牵引和切粒•牵引和切粒一般是在一台机器上完成，牵引机构是由两对牵引辊完成，第一对牵引辊的牵引速度比第二对辊低，从而保证两道牵引辊之间有一定的张力，防止料条堆积，但张力不能过大，否则会将料条拉断。切粒是用切刀将料条连续不断地切成所需要长度的粒料。11冷切造粒机组本机组主要由塑料挤出机、冷却水槽、刀式吹干机、切粒机、振动筛五个单元组成，总长约12米，适用于PVC，PE等及其它工程塑料造粒。最大切粒长度（3mm）最大切粒长度（3mm）QLJ-3、SQ2001210.1.2短纤维粒料生产工艺1、短纤维粒料生产方法有三种：(1)短切纤维原丝单螺杆挤出法•将短切玻璃纤维原丝与树脂按设计比例加入到单螺杆挤出机中混合、塑化、挤出条料，冷却后切粒。对于粒料树脂，要重复2—3次才能均匀。对于粉状树脂，则可一次挤出造粒。•优点：•纤维和树脂混合均匀，能适应柱塞式注射机生产。•缺点：•玻璃纤维受损伤较严重；料筒和螺杆磨损严重；生产速度较低；劳动条件差，粉状树脂和玻璃纤维易飞扬。13SJ系列单螺杆挤出机14(2)单螺杆排气式挤出机回挤造粒法•将长纤维粒料加入到排气单螺杆挤出机中，回挤一次造粒。如果粒料中挥发物较少，则可用普通挤出机回挤造粒。•优点：•生产效率高；粒料质地密实，外观质量较好；劳动条件好，无玻璃纤维飞扬。•缺点：•用长纤维粒料二次加工．树脂老化几率增加；粒料外观及质量不如双螺杆排气式挤出机造粒好。如果考虑到长纤维造粒过程；其工序多，劳动生产率低。15(3)排气式双螺杆挤出机造粒法•将树脂和纤维分别加入排气式双螺杆挤出机的加料孔和进丝口，玻璃纤维被左旋螺杆及捏合装置所破碎，在料简内纤维和树脂混合均匀，经过排气段除去混料中的挥发性物质，进一步塑炼后经口模挤出料条，再经冷却、干燥(水冷时用)，然后切成粒料。粒料中的纤维含量，可由调整送入挤出机的玻纤股数和螺杆转速来控制。•单螺秆挤出机主要是靠机头压力产生均质熔体，•双螺抨挤出机完全是靠螺杆作用使树脂充分塑化，并与纤维均匀复合。•因此，它除具有排气式单螺杆挤出造粒的优点外，比单螺杆挤出机更有效地挤出造粒和利用松散物料。16SJSZ系列锥形双螺杆挤出机172、设备生产短纤维粒料的主要设备是挤出机和造粒机头，它不需要单独的牵引和切粒机。A、挤出机B、造粒机头长纤维粒料的造粒是采用冷切法，其原因是不使纤维从粒料中抽出，短纤维粒料的造粒是采用热切法。因为从机头挤出来的料条中纤维已经很短，可以不经冷却直接通过造粒机头造粒。构造见P2961810.2影响FRTP性能的因素1基体树脂对FRTP性能影响1)力学性能提高2—3倍以上2)提高热变形温度3)产品尺寸稳定提高4)降低线膨胀系数1—3倍5)对于吸水率的影响不一FRTP的耐化学腐蚀性能主要取决于树脂的品种不同的热塑性树脂，性能差别很大，用纤维增强后，其效果也有很大差别。6)耐疲劳性能、抗蠕变性能7)防止开裂、改善电性能192纤维含量对FRTP性能的影响3纤维质量对性能的影响(1)纤维直径对性能的影响各种树脂品种的FRTP的最佳纤维含量不同。一般来讲，纤维直径越细，强度越高，但有时相差不大，可能是因为纤维细强度高，但同样含量纤维用在CM中，弱界面也随之增加，加工过程中纤维磨损严重，强度损失也较大。20(2)纤维长度和分散状态对性能影响(3)玻璃纤维表面处理对CM性能影响一般规律是纤维越长，制品强度越高。试验表明，当玻纤长度小于0.04mm时，纤维不起增强作用。纤维在制品中的分散状况对制品性能影响较大。一般来讲，纤维分散越均匀，机械强度和热性能就越好，弹性模量也有明显的增加，所以要保证纤维尽可能分散均匀。玻纤表面处理情况对FRTP性能影响较大。处理后，力学性能有明显的提高。表11-5。21界面问题表面：把物体与空气接触的面叫该物体的表面。液体表面——液体与饱和了的空气所接触的面。固体表面——固体与它接触的空气面。界面：把几个不同相相互交界部分叫“界面”。界面包括表面，比表面范围大。2223242511.3FRTP挤出成型工艺定义：挤出成型需要完成粒料输运、塑化和在压力作用下使熔融物料通过机头口模获得所要求的断面形状制品。图11-16挤出成型示意图1-转动机构；2-止推轴承；3-料斗；4-冷却系统；5-加热器；6-螺杆；7-机筒；8-滤板；9-机头孔型2627加料塑化成型定型过程:加料段压缩段均化段料温/℃TfTg料压/MPa机头加料段压缩段均化段图11-17挤出过程中物料和压力的变化28粒料从料斗进入到挤出机的机筒，在热压作用下发生物理变化，（非化学变化），并向前推进。由于滤板、机头和机筒的阻力，使粒料压实，排气；与此同时外部热源与和物料摩擦热使粒料受热塑化，变成熔融粘流态，凭借螺杆推力，定量地从机头挤出，挤出过程中的压力和温度变化为图11-17挤出过程中物料和压力的变化料温/℃TfTg料温/MPa机头加料段压缩段均化段291加料段工作原理靠螺纹旋转时产生的轴向分力向前推进。如图11-18加料段由加料区（料斗）、固体输送区和迟滞区所组成。功能是对加入的料进行压实和输送。F1向前FF2向上粒料在机筒内的运动可以分解为旋转运动和轴向运动；旋转运动是由粒料和螺杆的摩擦作用，被螺杆带动旋转；轴向运动是靠螺纹旋转时产生的轴向分力向前推进。30为使粒料沿轴向运动，采取的措施有：1、提高螺杆的表面光洁度，使其高于机筒表面光洁度。2、加料段的料筒温度高于螺杆温度（因为粒料熔融前与钢铁的摩擦系数随温度升高而增大）3、机筒表面开设纵向槽沟。在加料段的末端，由于摩擦热的作用，与机筒内壁接触的粒料已达到粘流温度，并开始熔融。312压缩段工作原理松散的粒料被压实、软化，同时把夹带的空气压回到加料口排出。如图11-19把压缩段送来的熔融物料进一步塑化均匀，使其能定量、定压挤出。螺杆结构如图11-203均化段工作原理至压缩段末端，全部物料已转变为粘流态。压缩比：螺杆在加料口的螺槽容积与均化段最后一个螺槽容积之比。32图11-18塑料在普通螺杆挤出机中的挤出过程简图33图11-19固体物料在螺槽中的熔融过程1-熔膜；2-熔池；3-迁移面（分界面）；4-熔结的固体粒；5-未熔结的固体粒子机筒1螺杆234534(1)正流(2)逆流(3)横流(4)漏流图11-20螺杆几何构造DtyezWxhφδ3511．4FRTP管挤出成型工艺1挤管工艺FRTP管的成型条件与普通塑料管工艺基本相似，只是成型温度要提高10-20℃。物料在主机内塑化完全后，经虑板、分流器和型孔初步定型，经过定径套初步冷却定型，进入冷水槽硬化，再经牵引装置引出，定长切断。成型过程中，不断由模心通入压缩空气，保证管材挤出后的尺寸稳定。363挤管过程中注意事项(1)温度高10—20℃；(2)型孔温度比机头温度稍低；(3)开车时要慢转；(4)开始时不要加足料；(5)冷却水的温度应保证不使制品产生内应力和气泡。2成型条件见表11-7，P3033711．5挤出成型设备1挤出成型机组组成挤出机主机、辅机和控制系统组成。1.1挤出机主机组成(1)挤压系统(2)传动系统(3)加热和冷却系统382挤出机辅机由机头、定型装置、冷却装置、牵引装置、切割装置和堆放装置组成评价挤出机，从两个方面考虑：(1)生产能力的高低，适用范围是否广泛(2)应具有较完善的控制系统，能准确无误地调整各工艺参数39(1)、机头机头的型孔决定制品断面的形状，不同的制品可更换。(2)、定型装置其作用是稳定挤出型材的形状，一般采用冷却式压光法。(3)、冷却装置使挤出的制品充分冷却固化。(4)、牵引装置将挤出制品引出，牵引速度的大小对断面尺寸也有一定影响，对生产效率有一定的影响。40(5)、切割装置将挤出的制品按要求切断。(6)、堆放装置将切断的制品整齐堆放。三、控制系统一般是电器控制设备或计算机控制系统。作用：保证机组正常运行，使设备准确完成各工艺动作。4111.5.2挤出机主机一、分类及构造按工作原理分螺杆式无螺杆式单螺杆式双螺杆式普通型高速自热型按排气状况分排气式分段组合式42按用途分造粒挤出机超高分子量挤出机混炼挤出机安装位置分立式挤出机卧式挤出机目前用的最广泛的是卧式单螺杆和双螺杆挤出机。43二、单螺杆挤出机（前11-25图）其基本结构包括（1）、加料装置一般为锥形漏斗，其大小能容纳1小时用料为宜。料斗内装有阀门，定量计算，卸除余料等装置。（2）、挤压系统包括螺杆、机筒、端头多孔板。a、螺杆（图11-26）加料段L1，压缩段L2，均化段L3(通常螺杆)螺槽越来越浅。图11-27排气式螺杆分为六段。其它工艺参数见P30744b、机筒工作过程中压力30～50MPa，150～300℃机筒强度需强度高、耐腐蚀、耐磨损；机筒外采用电阻加热和水冷却。c、筒端多孔板使物料由旋转流动变为直线流动，沿螺杆轴方向形成压力，增大塑化的均匀性。多孔板的孔径为3～6mm，板厚为机筒内径的1/5。45三、双螺杆挤出机在“∞”字形机筒内，装有两根互相啮合的螺杆。双螺杆挤出机的每根可以是整体，也可以加工成几段组装，其形状可以是平行式，也可以是锥形，两螺杆的旋转方向分为同向和异向两种。（1）双螺杆挤出机的特点a、由摩擦产生的热量较少；b、物料受到的剪切力比较均匀；c、输出能力较大，挤出量比较稳定；d、机筒可以自动清洗。46MSSJ-30～120/25单螺杆挤出机系列47锥形双螺杆挤出机48移动式挤出机系列（专用型）495051平行螺杆积木块往复式螺纹块平行积木式螺杆52a、螺杆直径45～400mm，国产最大250mm；b、螺杆长径比一般为7～8（整体式），最长可达36(组合式)；c、螺槽深度可以取较大的螺槽深度，可以超过0.06Dd、螺纹厚度P308计算公式（2）螺杆的主要参数53e、螺杆转速同向旋转转速可达300转/分双向旋转转速可达8～50转/分（有压延效应）f、双螺杆的中心距A（取决于螺杆直径和间隙）0.7～1Ds（Ds－螺杆外径）单螺纹、双螺纹、三头螺纹（来复线根数）g、螺杆转向目前国内多采用双向旋转式(对称螺杆)，可加工硬度较大的塑料混合料。h、螺杆与机筒的间隙0.3～2mm小直径螺杆取大值，大直径取小值。（大直径不易变形）54四、挤出机生产能力计算（1）经验公式计算法Q＝nD2βQ——挤出量，cm3/sn——螺杆转速，r/sD——螺杆直径，cmβ——系数，β＝0.003～0.007Q＝0.06D2.5（11-2）（2）理论公式计算Q=Q1-Q2-Q355Q1-正流Q2-逆流Q3-漏流五、影响挤出机生产能力