第4章塑料成型加工原理

第四章塑料成型加工原理一、基本概念有机高分子材料应用最广：遍及人们生活的各个领域产量最大：2005年全球料塑产量达2亿吨品种最多：300多种或上千种第一节概述塑料加工的概念塑料加工是将塑料物料转变为实用制品的各种工艺和工程。即在加工条件下使塑料物料通过形变和流动转变为满足使用性能的所需形状产品。塑料加工方法分类(一)根据加工工艺、方法和加工时塑料物料的特点，塑料的成型加工有不同分类方法。按塑料成型加工过程的运作方式，有连续法(Continuous)、半连续法(Semi-continuous)间歇法(Intermittent)。二、塑料加工基本过程与分类①加工成型过程为连续运作方式,不产生任何间断，②每一种制品具有各自特定的，且生产过程中均保持不变的断面形状和尺寸，而制品的长度是连续地形成的，且不受限制。③加工过程各生产环节或岗位始终只起到各自的特殊作用，实现物料在该位置上的加工或特定的转变。连续法加工技术有以下特点①循环中一个工序或岗位运作时，其他工序或岗位可处于暂停运作或准备状态；②制品在加工过程中是逐个制备的，每个制品均按相同的运作步骤或时间进行生产；③生产线中的设备分别完成各自的特定作用，按预先设定的程序和运作时间周期性地对物料实施加工和转变。半连续法的特点类似于半连续法加工技术产品均为具有特定形状的单个制品，每个制品生产过程大致有相同的工序步骤，但工艺条件和加工运作时间均可产生较大波动而不能用有规律的循环程序进行运作。间歇法加工技术的特点塑料加工方法分类(二)按塑料加工时的物态特征，有熔体加工技术和固态加工技术之分。熔体加工技术是指塑料物料在其熔流温度Tf范围进行加工成型的方法，注射成型、挤出吹塑成型、挤出成型、压延成型、涂覆成型和浸涂成型等均为熔体加工技术。固态加工技术是当塑料物料在高于玻璃化温度Tg以上和低于其熔流温度Tf以下温度区间进行加工如塑料片材的热成型、真空成型和压力成型等。综合各种加工方法的本质和规律，将这些成型方法归类为口模成型，模塑成型，压延成型及二次成型定义借助螺杆或柱塞的挤压作用，使受热熔化的聚合物物料在压力推动下，强行通过口模并冷却而成为具有恒定截面的连续型材的成型方法。第二节口模成型管材挤出生产线1.按塑化方式分类(PlasticatingManner)p2591）干法挤出(DryExtrusion)2）湿法挤出(WetExtrusion)2.按加压方式分类(PressuringManner)1）连续挤出(ContinuousExtrusion)2）间歇挤出(IntermittentExtrusion)挤出成型的分类(Classification)挤出成型在聚合物加工中的地位塑化能力强生产效率高材料适应宽产品范围大突出的优点（一）单螺杆挤出机单螺杆挤出机由传动系统、挤出系统、加热和冷却系统等几部分组成。一、螺杆挤出机的基本结构单螺杆挤出机基本结构控制单元Controlunit加料装置Feedingunit驱动装置Drivingunit料筒Barrel螺杆Screw口模Die1）料斗：一般利用圆柱形，圆锥形，圆柱－圆锥形等，料斗内应设有切断断流，卸除余料，干燥，预热装置等装置2）加料方式：重力上料强制上料2.加料装置1.传动装置传动装置就是带动螺杆转动的部分，通常由电动机、减速机构和轴承组成。3.挤出机机筒（Barrel）可看作受热、受压容器，要求高强度，耐磨，耐腐蚀，通常机筒由钢制外壳和合金钢内衬共同组成。机筒的结构形式(1)整体式：便于加热，冷却系统的设置与拆装，而且加热在轴向分布上较为均匀。(2)组装式：由几段机筒组装而成，各段用法兰螺栓联接在一起，破坏了机筒加热的均匀性，增加了热损失。(3)瓣合式：机筒由两瓣组装而成，用螺栓联接在一起，便于螺杆拆卸和研究。但同样破坏了机筒加热的均匀性，增加了热损失。4.螺杆（Screw）螺杆功能段•固体输送段(SolidConveyZone)•熔融段(MeltingZone)•均化段(HomogenizingZone)•加料段(FeedingZone)•压缩段(CompressingZone)•计量段(MeteringZone)螺杆结构段(1)螺杆各段的作用加料段：自物料入口向前延伸的一段称为加料段，在加料段中，物料依然是固体，主要作用是使物料受压，受热前移，螺槽一般等距等深。融化段：压缩段是指螺杆中部的一段，物料在这一段中受热前移并压实熔化，同时也能排气，压缩段的螺槽体积逐渐减小。均化段：螺杆最后一段，均化段的作用是使熔体进一步塑化均匀，并使料流定量，定压由机头流道均匀挤出，这段螺槽截面是恒等的，但螺槽深度较浅。螺杆三段长度的分配比例a.螺杆直径（D）螺杆直径是指螺纹的公称直径，表示挤出机的大小规格，目前国内广泛使用为30mm、45mm、65mm、90mm、120mm、150mm、180mm的挤出机，螺杆直径的选择视制品截面而定。(2)螺杆的主要参数长径比是螺杆的有效长度与螺杆直径之比，常见的长径比有15、20、25、30等，长径比加大后，螺杆长度增加，物料相对停留时间增加，塑化更充分均匀，但加工难度增大，故应为求在较低长径比的条件下获得优质高产。b.长径比（L/D）c.压缩比（ε）定义——螺杆加料段第一个螺槽容积和均化段最后一个螺槽容积之比称为压缩比。压缩比获得方法：①等矩不等深②等深不等矩③不等距不等深④复合型螺杆3311hhDhhD普通螺杆的压缩比：d.螺槽深度（h）•螺槽深度与物料的热稳定性有关，•对剪切比较敏感的低黏度物料如PE、PA适合选择较浅的螺槽，•对剪切速率不太敏感的高黏度物料如PVC，PC等，应选择较深螺槽。通常hs＝KD（hs为均化段螺槽深度）K—常数取0.02～0.06(3)螺杆的结构形式•突变形：适于结晶型塑料•渐变形：适于无定形塑料分离型螺杆(SeparatorScrew)屏障型螺杆(BarrierScrew)分流型螺杆(DiffluentScrew)(4)几种新型螺杆机头和口模通常为一个整体，机头为口模和料筒之间的过渡部分，口模是制品横截面的成型部件。5机头和口模1)原料输送干燥(Convey&Dry)2)定型冷却(Sizing&Cooling)3)牵引装置(DrawingDevice)4)切割装置(CuttingDevice)5)其他辅助装备(OtherDevices)6.辅助设备(AuxiliaryDevices)双螺杆挤出机的组成双螺杆挤出机的分类双螺杆挤出机的工作特性双螺杆挤出机结构MainStructureofaTwinScrewExtruder二.双螺杆挤出机•全啮合型•非啮合型•部分啮合型双螺杆挤出机螺杆的啮合类型双螺杆挤出机螺杆的旋转方向同向反向(向内)反向(向外)平形双螺杆锥形双螺杆双螺杆挤出机的螺杆结构1.强制输送作用双螺杆挤出机的工作特性2.混合作用3.自洁作用1.原料干燥水分的影响：①影响挤出过程中的塑化。②制品表面产生气泡，表面阴暗。③制品的物理机械性能下降。挤出成型工艺过程及影响因素(一)挤出成型的工艺与过程2.挤出成型挤出成型过程中的工艺因素有温度，压力和螺杆转速。同时，温度和螺杆转速又决定了压力的分布。挤出机中的压力和温度分布3.制品的定型与冷却(1)冷却定型与方法冷却条件①结晶聚合物或软质聚合物宜快速冷却,否则易变形，无定型硬质物料宜慢冷,以免产生内应力。②薄型制品快冷，厚型制品慢冷。4.牵伸和后处理(1)牵伸的作用①保持挤出物的稳定性。②消除离模膨胀引起的尺寸变化③使制品产生一定程度的取向，改进轴向强度和刚度。①后处理可提高尺寸稳定性②消除内应力(2)后处理的作用挤出制品不均匀性及影响因素挤出制品的纵横向不均匀性挤出制品的纵横向不均匀性影响挤出制品不均匀性的因素(1)制品的纵向不均匀性，产生的主要原因是当熔融混合物通过口模挤出时，进入口模的熔体温度，压力和组成随时间而发生变化。(2)制品的横向不均匀性通常由不合理的口模设计造成的。1管材的挤出成型几种典型制品的挤出成型①温度控制:一般机头温度低于机身温度,有利于压实,定型。②冷却控制:料斗,螺杆,定径套,水箱。③定径方法:分真空定径和内压定径,大口径管材采用内压法,小口径管材则实行真空定径法。辅助设备及特点⑴管材机头•直通式•直角式•偏心式一般采用直通式机头⑵定径套内压定径⑶冷却水箱⑷牵引装置(5)切割装置2.波纹管挤出成型ExtrusionProcessoftheCorrugatedPipe波纹管成型原理示意图压缩空气口模芯棒管材口模波纹成型模具波纹管挤出吹塑薄膜直接挤出薄膜共挤薄膜（复合膜）3薄膜的挤出成型（1）工艺流程物料挤出机口模吹胀冷却切割卷取牵引人字板夹平检验包装薄膜平挤下吹生产流程挤出机口模风环膜泡人字板夹棍收卷4直接挤出薄膜工艺流程主要辅助设备主要辅助设备⑴T型机头：多采用支管式机头⑵冷却辊：表面镀铬，内通冷却水5片材的挤出成型工艺流程p2826棒材的挤出成型挤出成型p2967其他制品的挤出成型挤出造粒成型原理第三节模塑和铸塑(MoldingandMoulding)一、注射成型(InjectionMolding)1.概述1.注射成型的应用制品：20%～30%，装饰件、结构件、功能件等完整过程：将粒料或粉料从注射机的料斗送进加热的料筒，径加热剪切融化呈流动状态后，借柱塞或螺杆的推动作用通过料筒端部的喷嘴注入闭合夹紧的模具，充满模腔的熔料在受压的情况下，经冷却固化后保持模腔赋予的形状，最后拉开模具取出塑料制品2.注射成型的过程料斗→料筒→喷嘴→模具各向异性（morphologicalanisotropy）即依赖于注射条件，如注射速率、注射压力、注射温度，制品中不同位置有不同的形貌时间短、高剪切(条件苛刻）非连续、周期性(非稳定过程）多层次结构(微观结构多样化)注射成型的特点注射成型设备注射成型机的基本结构加料装置料筒螺杆与柱塞及分流梭喷嘴加压和驱动装置注射系统1.注射系统(InjectionSystem)2.锁模系统clamping1.作用：保证成型模具可靠地闭合和实现模具的启闭动作3.组成固定模板移动模板锁模机构顶出装置①机械式②液压式③液压机械组合式锁模力F≥P·AP为模腔压力，P为40%～70%注射压力启闭灵活，准确，迅速，安全，缓冲作用2.要求闭模：快→慢开模：慢→快→慢浇注系统成型零件结构零件组成3.注射模具(InjectionMold)浇注系统成型零件结构零件⑴动模⑵定模⑶型芯⑷排气孔⑴导柱；⑵导套；⑶脱模装置；⑷抽芯机构；⑸加热和冷却装置⑴主流道；⑵分流道；⑶浇口⑷冷料井（穴）(5)型腔反应注射成型(ReactInjectionMoulding)RIM：两种或两种以上的高活性原料在压力下通过混合头撞击混合后注入模具内进行化学反应并制得产品的一种成型工艺。1.工艺特点和优越性1）能耗少（比注射少10%～30％）温度低20～50℃周期短压力低2）模塑压力低可制作大型制件3）制品设计灵活性大大：45kg形状复杂各种厚板、肋条厚料选择自由度大（软硬）2.反应注射成型设备1)反应注射成型对设备的要求①流量及混合比率要准确，流量及混合比例是决定“RIM”制品的两大因素;②要求“RIM”设备能快速加热或冷却原料;③两组分应同时进入混合头，不允许某一组分超前或滞后，两组分在混合头内能获得充分的混合;④混合头内的原料以层流形式注射入模内，入模后固化速度快，能进行快速的成型循环。2)反应注射成型设备的组成(1)蓄料系统主要有蓄料槽和接通惰性气体的管路系统;(2)计量和输送系统(液压系统),由泵、阀及辅件组成的控制液体物料的管路系统和控制分配缸工作的油路系统所组成;(3)混合系统即混合头。RIM设备的工作原理1-比例控制2-混合头3-单体A4-单体B5一聚合物混合物6—模具3.反应注射成型工艺过程组分物料的贮存与加热计量撞击混合充模固化定型RIM生产中物料黏度和模量的变化压缩模塑(compressmolding)热固性塑料压缩模塑：在压力下熔体流满型腔而取