高分子成型加工

高分子成型加工原理第六章塑料的一次成型★一次成型：塑料原材→粘流态→流动→成型→定型（冷却热塑、交联固化热固）→后处理★二次成型：一次成型产品（片、管等）→高弹态→→成型→→定型、后处理★一次成型工艺：①挤出（extrusion）；②注射（injection）；③模压（molding）；④压延（calendering）；⑤铸塑（casting）；⑥传递模（transfermolding）；⑦模压烧结（moldedsintering）；⑧泡沫塑料（foamplastic）Δ外力Δ6.1挤出成型（挤塑、挤压、模塑）★定义：借助螺杆或柱塞的挤压作用，使受热融化的塑料在压力推动下，强行通过口模而成为具有恒定截面的连续型材的一种成型方法。★种类：连续—螺杆挤出；间歇—柱塞挤出。★适用范围：原材料：热塑性、热固性（较少）产品：管材、片材、线缆包覆等。6.1.1连续法挤塑的工艺过程及主要设备★挤出过程：挤压→→熔化→→强行通过口模→得到一定形状的制品。（1）工艺及设备*工艺过程：原材料准备和干燥→→挤出成型→→定型→→牵引→→后处理*主要设备：挤出机定径套牵引机切割机冷却系统卷取装置等Δ挤压（2）挤出机*基本结构：传动装置、加料装置、料筒、螺杆、机头与口模。A.螺杆：→→经过滤网到机头加料段（75%固态）、压缩段（固/液共存区）、均化段*选择螺杆应注意几个特征参数：直径（D）、长径比（L/D）、压缩比、螺距、螺槽深度、螺旋角、螺杆与料筒的间隙等。①直径（D）：D↑，加工能力↑。挤出机生产率∝D2，D通常为45~150mm；但L/D过大，物料可能发生热降解，螺杆也可能因自重而弯曲，功耗增大；L过小则塑化不良。L/D通常为18~25；②长径比（L工作部分有效长度/D）：L/D↑，改善物料温度分布，有利于混合及塑化，生产能力↑；④螺旋角（φ，螺纹与螺杆横断面的夹角）：φ↑，生产能力↑，对塑料的剪切作用和挤压力↓。通常φ=10~30o，若用等距螺杆，螺距=直径，则φ=17o41’；⑤螺槽深度（h）：h↓，剪切速率↑，传热效率↑，混合及塑化效率↑，生产率↓。故热敏性塑料（如PVC）宜用深螺槽，而熔体粘度低且热稳定性好的塑料（如聚酰胺等）宜用浅螺槽。③压缩比（螺杆加料段第一个螺槽与均化段最后一个螺槽的容积比）：压缩比↑，塑料受到的挤压作用↑；B.机头与口模：滤网、多孔板、分流器、模芯、口模和机颈等。★作用：机头将处于旋转运动的塑料熔体转变为平行直线运动，使塑料进一步塑化均匀，并导入口模。口模给予塑料熔体所需的形状。★组成：6.1.2挤出成型原理（1）固体输送（主要发生在加料段）*依靠力：压力流动拖曳流动*W.H.Darnell等认为，料筒与螺杆间的固体离子连续整齐地排列着，并塞满了螺槽，形成“弹性固体”。受力情况：Fs—螺杆对固体塞的摩擦力，推力；Fb—料筒对固体塞的摩擦力，阻力。Fbz—Fb在Z轴方向上的分力。流动的基本条件：FbzFsQ=V·vaQ—单位时间内固体物料的流动体积；va—物料前进速度；V—螺槽截面积。当Fbz=Fs=0时，物料不发生任何移动；FbzFs，螺杆带动物料转动而不移动。其中：N—螺杆转数，Φ—展开后的螺线角，Φ+θ=90o，l—螺杆转动一周物料移动距离的轴向投影。22)2(4hDDVctgctgDNNlva，故，tgtgtgNtghDDhQ)(2∴，故N↑，D↑，h↑，Q↑（2）熔化过程①整个熔化过程：②一个螺槽中固体物料的熔化过程：固体物料充满螺槽→→→→形成熔膜→→→→→→→→→→→→螺纹刮下熔体进入熔池→→因熔池中的熔体挤压而使固体床形变，径向加厚，固体进入熔膜以补充熔体流入熔池→→不断往复逐渐熔化。（δ—螺杆与料筒间隙）热传导当熔膜厚度δ（3）均化段—熔体输送：设：Q1—送料速率；Q2—压缩段熔化速率；Q3—均化段挤出速率。当Q1≥Q2≥Q3，均化段为控制区，操作平稳；若Q1Q2Q3，供料不足。★流态：①正流（QD）；②逆流（机头、口模的反压引起的反压流动，QP）；③横流（环流，QT）；④漏流（QL）A.若熔体为牛顿型：Q—挤出及生产率（cm3/sec）；D—螺杆直径（cm）；N—螺杆转速（round/sec）；h—均化段螺槽深度（cm）；ф—旋转角（o）；e—螺纹斜棱宽度（cm）；ΔP—均化段料流压力降（kg/cm2）；δ—螺杆与料筒间隙（cm）；η—塑料熔体粘度（kg·sec/cm2）；L—均化段长度（cm）。Q=QD-（QP+QL）其中，2sincos22hNDQDLPDhQP12sin23eLPtgDQL12322，，*一般QL值不大，实际计算时常略去。若令，，用机头压力P代替ΔP，则有：Q=AN-B(P/η)→螺杆特征曲线。对某一特定螺杆，A、B为常数。B.若熔体为非牛顿型：则式中，K—流动常数，m—常数。2sincos22hDALDhB12sin23mmmmLPKmDhhNDQ)(2)2(sin2sincos11222（4）螺杆和机头的特征曲线与挤出机生产率之间的关系①螺杆特征曲线牛顿型熔体Q=AN-ΔP(B/η)非牛顿型熔体Q=AN-B’K(ΔP)m→→Q~ΔP在一定的N下绘出曲线。②机头特征曲线牛顿型熔体Q=K(ΔP/η)非牛顿型熔体Q=K’K(ΔP)m对圆管→→对不同的D有不同的Q~ΔP曲线。)4(1284DLDK如图：∴N↑，Q↑；D↑，Q↑。6.1.3挤出成型工艺与过程（自学）*工艺过程：原材料准备和干燥→→挤出成型→→定型→→牵引→→后处理针对课本P124/式6-5讨论θ角、φ角与Q的关系。看是否能得出课本上的结论，并解释理由。作业：6.2注射成型6.2.1注射成型的含义：注射成型就是将塑料(一般为粒料)在注射成型机的料筒内加热熔化，当呈流动状态时，在柱塞或螺杆加压下熔融塑料被压缩并向前移动，进而通过料筒前端的喷嘴以很快速度注入温度较低的闭合模具内，经过一定时间冷却定型后，开启模具即得制品。这种成型方法是—种间歇操作过程。6.2.2注塑机的基本结构及工作原理（1）注塑机的基本结构注射系统：塑化、注射。（包括：加料装置、料筒、螺杆（分流梭和柱塞）、喷嘴）锁模系统：注射时，保证模具闭合；取制品时，保证模具打开。模具：给制品一定的形状和尺寸。（包括：主流道、分流道、浇口、型腔、排气孔（槽）、导向零件、脱模装置、抽芯机构、加热或冷却系统）卧式柱塞式注塑机分流梭喷嘴卧式螺杆式注塑机锁模系统模具★注意：①分流梭——在螺杆注射机中是没有的；②螺杆：注塑螺杆与挤出螺杆的区别。③螺杆和柱塞的双重功能：i）推挤——活塞；ii）挤压塑化。（2）工作原理塑化——充模——保压——冷却——脱模6.2.3影响注塑的因素*注塑核心：塑化的好不好？又无均匀充满模具的型腔？有否充分冷却？*相应的影响因素：a.料温：料筒末端温度：Tf（Tm）~Td之间；b.注射压力：c.注射周期和注射速度：快速注射与慢速注射e.模具温度：d.保压时间：6.3压制成型层压成型：以片状材料作填料，通过压制成型得到层压材料的成型方法。模压成型：又称压缩模塑；即将粉状、粒状、碎屑状或纤维状的塑料放入加热的阴模模槽中，合上阳模后加热使其熔化，并在压力作用下使物料充满模腔，形成与模腔形状一样的模制品，再经加热(使其进一步发生交联反应而固化)或冷却〔对热塑性塑料应冷却使其硬化〕，脱模后即得制品。（主要用于热固性材料及大型制件）压机结构（1）模压成型工艺：加料→合模→加热熔化→加压充模→固化→退模→后处理*物态：固态→熔化态→固态（2）模压成型的工艺特性和影响因素：*特点：加压预成型→熔化→加压充模→固化成型*影响因素：①温度——T↑，交联反应速度↑，固化时间↓，模压周期↓。▲温度过高的缺点：a.固化太快易充模不足；b.易引起物料分解变色；c.外层固化较内层快，内层挥发份难以排除。模压成型工艺（3）层压成型工艺②模压压力——P↑，物料流动性↑，制品密度↑，收缩率↓，性能↑。▲但压力过大，则模具寿命↓，设备功耗↑。③模压时间——模压时间短，则物料固化不完全(欠熟)，制品物理机械性能差，外观无光泽，脱模后易变形；模压时间过长，则会使塑料“过熟”，成型周期↑，生产率↓，功耗↑，制品收缩率↑，性能↓。*工艺过程：填料浸胶→浸胶材料干燥→压制成型6.4压延成型（主要用于热塑性非晶态塑料）（1）压延成型的含义：将已经塑化的接近粘流温度的热塑性塑料通过一系列相向旋转着的水平辊筒间隙，使物料承受挤压和延展作用，成为具有一定厚度、宽度与表面光洁度的薄片状制品。（2）压延设备：压延机（主要结构：机体、辊筒（有加热冷却功能）、辊筒轴承、辊距调整装置、档料装置、切边装置、传动系统、安全装置和加热冷却装置等。）压延机辊筒排列（3）压延工艺过程：（供料阶段）（压延阶段）捏合→塑化→供料→压延→牵引→刻花→冷却定型→输送→切割、卷取①人造革的生产人造革就是以布(或纸)为基材，在其上复以聚氯乙烯糊的一种复合材料。刮涂法：将聚氯乙烯糊涂于布(或纸)上。不属于压延技术。压延法：压延法：通过辊压方式将熔态聚氯乙烯复合于布(或纸)上。擦胶法：上、中、下三辊转速比=1:(1.3~1.5):1贴胶法：上、中、下三辊转速比=1：1：1擦胶法原理图②软质聚氯乙烯薄膜的生产混合→预塑化→塑化→压延→冷却→卷取6.5其它成型方法（1）铸塑成型*分类：静态铸塑、嵌铸、离心铸塑、流涎成膜、搪塑和滚塑等。*工艺流程：配制浇铸液→过滤及除泡→浇铸→聚合→后处理和后加工*优缺点：优点：设备较简单，成型时不需加压，对制品的尺寸限制较少，制品的内应力低，质量良好；缺点：成型周期较长，制品的尺寸准确性较差等。①静态铸塑（浇铸）：用液状单体、部分聚合或缩聚的浆状物、以及聚合物与单体的溶液等，将其与催化剂(有时为引发剂)促进剂或固化剂一起倒在模腔中，使其完成聚合或缩聚反应，从而得到与模具型腔相似的制品。*工艺流程：原料配制与处理→浇铸入模→硬化或固化→制品后处理*常用原料：聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、碱催化聚己内酰胺、有机硅树脂、酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯、聚胺酯等。*典型产品：有机玻璃。②嵌铸:又称封入成型。即在浇铸的模型内放入一预先经过处理的样品（或零件），然后将准备好的浇铸原料倾入摸中，在一定的条件下硬化（或固化）后，样品（或零件）便包嵌在塑料中。*常用原料：透明性好的丙烯酸酯类塑料及有机硅、不饱和聚酯、环氧树脂等。③离心浇铸：将塑料原料浇铸入高速旋转的模具或容器中，在离心力的作用下，使其充满回转体型的模具或容器，再使其硬化定型而得的制品。*与普通浇铸成型的区别：模具要求转动。优点：宜于生产薄壁或厚壁的大型制品，精度更高，后加工量少；缺点：设备较复杂。*常用原料：热稳定性较好的热塑性塑料如聚酰胺、聚烯烃等。*典型产品：圆柱形或近似圆柱形的制品，如大型管材、轴套、垫圈、滑轮、转子、齿轮等。④流涎成膜：将热塑性塑料与溶剂等配成一定粘度的胶液，然后以一定速度流布在连续回转的基材（一般为无接缝的不锈钢带）上，通过加热排除溶剂成膜的成型方法。*产品：流涎薄膜。薄膜的宽度取决于钢带的宽度，长度可以是连续的，厚度取决于胶液的浓度和钢带的运动速度等。*优缺点：优点：薄膜厚度小（可达5—10微米）且厚薄均匀、不易带入机械杂质、透明度高，内应力小，光学性能好；缺点：生产速度慢，需耗用大量溶剂，设备昂贵、成本较高。（2）模压烧结成型*主要用于聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯等树脂的成型。（原料特点：粘流温度过高，甚至超过分解温度。）①定义：模压烧结法是将粉末状的聚四氟乙烯等原料冷模压成密实的各种形状的预成型品（锭料），然后将预成型品加热到高于其结晶熔点以上的温度，使树脂颗粒互相熔结，形成一密实的连续整体，最后冷至室温即得产品。②工艺流程：选择树脂→捣碎过筛→加料预成型→烧结→冷却→成品检验和后处理（3）传递模塑①定义：又称传递成型或注压成型。是将热固性塑料置一加料室内加热熔化后，借助于