塑料橡胶压延成型工艺

第五章压延成型学习目的与要求掌握塑料、橡胶压延成型工艺原理、工艺条件的控制方法，了解压延成型设备的工作原理及实际应用等。概述压延成型是利用压延机的辊筒之间的挤压力作用并在适当的温度（接近粘流温度）条件下，使聚合物发生塑性变形，制成薄膜或片状材料的加工工艺。是加工塑料薄膜、片材如地板胶及胶布、人造革、等制品的主要方法。压延成型的塑料主要适用于热塑性非晶态塑料和部分橡胶。以非晶型的聚氯乙烯及其共聚物最多，如PVC灯箱布，其次是ABS。近年来也有压延聚丙烯、聚乙烯等结晶型塑料。压延成型塑料的厚度：0.05~1.0mm，厚度公差10%。如生产厚度为0.05~0.5mm的软质PVC薄膜。生产厚度为0.3~1.0mm的硬质PVC片材。压延制品厚度小于或大于这范围，一般采用吹塑或挤出。压延速度橡胶片材一般为30~50m/min；塑料薄膜一般为60~100m/min。优点：压延成型速度快、生产能力大、可自动化连续生产、产品厚度尺寸精确，质量好。缺点：设备庞大，精度要求高，辅助设备多，投资较高，维修也较复杂，而且制品宽度受限制。所以生产连续片材方面不如挤出发展快。压延成型机压延制品生产过程供料阶段包括原料的混合、塑化和供料工艺过程。所需设备包括混合机、开炼机、密炼机和挤出机。压延阶段包括压延、牵引、轧花、冷却、卷取和切割工艺过程。所需设备包括压延机及上述相应辅助设备。学习主要内容5.1压延设备5.2压延原理5.3压延工艺5.1压延设备5.1.1压延机的结构类型及规格表示5.1.1.1压延机的结构辊筒和加热冷却装置制品厚度调整机构传动机构辅助装置机架和轴承1.辊筒和加热冷却装置1）辊筒辊筒作用是压延机的主要部件它与物料直接接触并施压和加热，制品的质量很大程度受辊筒控制。对辊筒的要求有足够的刚度和强度，辊筒的弯曲变形不超过允许值。表面有足够的硬度，耐磨、耐腐蚀。有较高的加工精度，保证尺寸精度和表面粗糙度。2）加热冷却装置辊筒的加热冷却装置可通入蒸汽、过热水或冷却水来控制辊筒表面温度。轴交法2.制品厚度调整机构制品厚度控制是通过调节辊筒之间的距离实现。辊简的弹性形变对压延产品横向断面的影响。补偿辊简弹性形变的方法中高度法轴交叉法预应力法预应力法3.其他机构传动机构包括联轴器、减速箱、速比齿轮和电机（一般为直流电机）。主要任务是驱动辊筒，调节速度和速比。机架和轴承主要作用是通过轴承将辊筒固定在机架上。辅助装置包括牵引、轧花、冷却、卷取和切割等装置。（图4-3）5.1.1.2压延机的类型1.按辊筒数量分类两辊压延机常用于塑炼和压片；三辊压延机常用于橡胶压延，正逐步被四辊取代；四辊压延机常用于塑料压延。速度较三辊快2~4倍；五辊压延机用于UPVC片材生产。2.按辊筒排列方式分类可分为Ι型、Δ型、Γ型、L型、z型、S型。常用L型、S（斜Z）型。S排列的主要优点一是各辊相对独立互不干扰易调节间距，二是易拆卸检修。L排列的主要优点供料方便，便于观察存料情况。3.按用途分类压片材（薄膜）压延机通常三辊或四辊；擦胶压延机用于织物擦胶，通常中辊速大于上、下辊速；通用压延机多功能，多用途；压型压延机其中有一辊表面有花纹。5.1.1.3压延机的规格表示压延机规格一般用辊筒外直径(mm)x辊简工作部分长度(mm)来表示。如Φ610x1730压延机，Φ610为辊筒外直径，1730为辊筒工作部分长度。根据压延机用途、辊筒数量、排列方式及辊筒工作部分长度表示。如XY-4Ґ-1730。5.1.2压延机的发展趋势不断向着大型化、高精度、高效率及高度自动化的方向发展1）大型化由于制品的幅宽要求越来越宽，目前辊面宽度达四米、五米的大型塑料压延机已得到较普遍的使用。另外，为了获取宽幅制品，还采用了拉伸拉幅工艺与装备，可生产幅宽4500mm以上的薄膜。（2）高速化压延工艺的最大优势在于精密、连续、高效。这一工艺的工作线速度一般为100m/min左右，新型机台可达200～250m/min，甚至已经超过了300m/min。一台普通的塑料四辊压延机的年加工能力可达5000～10,000吨。3）精密化A、调距装置由伺服电机驱动或液压调距机构，使辊筒间隙的调整更加精准。B、使辊筒工作表面的温度控制在±1℃。C、采用镜面辊筒，可使辊筒在工作温度（如：180℃）状态下，其辊面的径跳可达0.001mm，粗糙度在Ra0.025以下，保证了薄膜的纵向精度。E、辊筒间的速比可以通过调节电机的转速来调节，速比可在0.5～1之间。D、对压延制品的厚度进行适时在线监测和对压延机与制品厚度有关的系统进行自动闭环反馈控制，使制品的厚度精度得到极大的改善。（4）高自动化塑料压延机生产线除上述在线监测和对压延机与制品厚度有关的系统进行自动闭环反馈控制外，还配有电、液、气组合的高自动化控制系统。塑料压延机的传动主电机，采用全数字式调速系统。辅机组的传动电机，大部分已采用了交流变频电机。目前采用半导体集成电路的高精度变流技术的调速系统已经成熟。5.1.3压延联动装置1.压延联动装置压延联动装置根据生产用途不同，由压延机和不同的辅机组成。2.干燥装置1）作用：控制布料含水率在1%~2%左右；控制温度在700C左右。2）干燥机3.贮布器1）组成由导辊和松紧辊组成2）作用通过松紧辊调节接头、干燥、冷却和卷取等辊速的暂时不协调。贮布长度取决于压延速度和接头时间，一般为长达100m。5.测厚装置射线法4.扩布器5.定中心装置使帘布保持在各辊的中间位置。6.冷却器冷却定型，防粘附，防过早硫化，将材料降温到200C~350C。一般由6~10辊组成。5.2压延原理5.2.L压延时聚合物的塑性流动和变形压延时推动物料流动的力：物料与辊筒间的摩擦力把物料拉入辊筒间隙。辊筒间隙对物料的挤压力将物料推向前进。压延使物料发生塑性流动变形的过程。表面上看只是物料成型的过程，但实质上它是物料受压和流动的过程。物料发生流动变形是由辊筒间隙的压力分布决定的。5.2.1.1进入压延机辊筒的条件1.物料与辊筒的接触角α必须小于其摩擦角β压延机辊筒对物料的作用原理与开炼机基本是一样的。物料与辊筒的接触角α必须小于其摩擦角β时，才能在摩擦力作用下被带入辊间隙。2.辊筒的半径要足够大Δh=h1-h2，当R1=R2=R时Δh/2=R-O2C2=R(1-COSα)Δh/2=R(1-COSα)h1=Δh+eα越大h1越大，但α必须小于β。当辊距e一定时，辊半径R越大，能进入辊间的供料最大厚度h1就越大。是否通过提高e来提高h1呢？辊筒间的压缩形变5.2.1.2压延时物料的延伸变形聚合物高弹体几乎是不可压缩的，压延过程其体积不变。L1·b1·h1=L2·b2·h2当b1≈b2时h2/h1=L1/L2片材压延时厚度减少，宽度不变，长度增加，压延厚度要求一定时，在辊筒接触角范围的积胶厚度h1增加，压延后的长度增长。5.2.2物料在压延机辊简间隙的压力分布物料受压区域在a-d之间，称钳住区。辊筒开始向物料施压的点a称始钳住点，p=0。物料受压终点d称终钳住点，p=0。两辊筒中心的连线的中点o，称中心钳住点，p=1/2pmax。最大压力点b，p=pmax。横压力在钳住区内各点压力的部和称为横压力，是压延机设计的重要参数，会使辊筒弯曲，影响压延制品沿辊筒轴向厚度的均匀性，因此要采用补偿措施。辊筒所受的横向力与物料的粘度（硬度），辊筒的尺寸、速度、速比、辊距有关，生产上常通过控制粘度和辊距来控制横压力。如粘度大硬度高时，先用大辊距，的料变软后再缩小辊距。5.2.3物料在压延辊筒间隙的流速分布在最大压力处b和终钳住点d物料流速vx等于辊筒表面线速度v，vx=v。速度分布为直线，没有速度梯度。从b→o，接触辊筒表面的物料速度vx=v外，随着与辊筒表面距离的增加，vx逐渐增大，速度分布呈凸状曲线，在o点速度梯度达到最大值，即“超前现象”。过o点后速度梯度逐渐变小。bdoR1=R2v1=v2为什么速度梯度最大值不出现在最大压处？从b向左，因挤压力变小，摩擦力作用明显，中心层速度逐渐变小，速度分布为凹状曲线(所谓滞后现象），直到负值，物料运动出现两个相反方向的速度，出现局部环流。bdo两辊筒直径相同表面线速度不同时在x轴速度分布规律基本一样。在y轴上存在表面线速度差异的相应变化。结论：在中心钳住点O处具有最大的速度梯度，当物料流过此处时，受到最大的剪切作用，物料被拉伸、流动、辗延而成薄片。当物料离开O点后，由于弹性恢复的作用而使料片增厚，最后所得料片的厚度大于辊间距。5.2.4物料在压延中的粘度效应1.物料的粘度效应物料的流动性与其粘度大小有关，在压延中其粘度会随压延条件，如剪切速率、温度等因素而变化。生产中要使压延顺利进行要求物料有良好的流动性，粘度越小，流动性越好。1）剪切速率与粘度的关系在低和高剪切速率范围时粘度不变（牛顿区），当剪切速率达到一定范围(如压延成型时10~102s-1)时，出现剪切变稀现象（非牛顿区），剪切速率增大物料粘度下降。剪切速率很高时，粘度再次保持恒定。logηologη∞聚合物的粘度与切变速率的关系logγ2）压延速度与粘度的关系提高压延速度，可提高剪切速率，降低粘度，提高流动性，有利于压延成型，但太高时，回弹增加，表面粗糙度增加，可能损伤帘子线。对于对切变速率敏感的聚合物，可通过调节压延速度来调节流动性。如右图。3）温度与粘度的关系温度提高物料粘度下降。生产上通过混炼、热炼和辊筒加热的方法，来提高物料温度，改善流动性。对温度敏感的聚合物，可通过调节温度来调节其流动性。2.物料的粘弹效应高聚物实际上是一种粘弹体，兼有粘性和弹性两种性质。在压延过程中物料的形变如（图4-22），包括弹性形变（AB段），粘弹性形变（BC段）和粘性流动（CD段）。外力取消后物料进行回复，包括弹性回复（DE段），粘弹性回复（EF段），热弹性回复（FG段）和永久变形（GH）段。高分子材料产生变形的条件高分子材料受外力作用后，开始产生弹性形变，需经过一定时间后（通常等于材料最大松驰时间），才能从弹性形变经高弹性变形转变为粘性流动；外力消除后，又需要经过一定时间后才能回复到稳定状态。物料的粘弹效应与材料的松驰时间及成型工艺条件（速度、温度）密切相关。辊筒转速很慢时，变形时间远大于材料的松驰时间，形变主要为粘性流动变形，材料表现出良好的流动性，容易压延成型；辊筒转速很快时，变形时间远小于材料的松驰时间，形变主要为弹性变形，材料表现出流动性差，弹性大，难以压延成型。提高物料温度，会增加大分子动能，提高运动速度，缩短材料最大松驰时间，相当于减慢转速，或延长形变时间。小结：材料最大松驰时间大，回复慢，收缩大；松驰时间短，回复快，收缩小。温度高，回复快，收缩小；温度低，回复慢，收缩大。转速慢，胶片在辊筒表面停留时间长，变形时间长，回复充分，收缩小。5.2.5压延效应1.压延效应物料在压延过程中，在通过压延辊筒间隙时受剪切力作用，大分子作定向排列，以致制品物理力学性能会出现纵、横方向差异的现象，即沿片材纵向(沿着压延方向)的拉伸强度大、伸长率小、收缩率大；而沿片材横向(垂直于压延方向)的拉伸强度小、伸长率大、收缩率小。这种纵横方向性能差异的现象就叫做压延效应。2.压延效应对成型和产品质量的影响对于压延效应，从加工角度来考虑，会造成产品变形，应尽可能消除之。但从制品的角度来考虑，有时又可适当利用。如生产捆扎带需提高纵向强度，生产薄膜和片材时，要避免各向异性。3.压延效应产生的原因及消除方法产生这种现象的原因主要是由于高分子链及针状或片状的填料粒子，经压延后产生了取向排列。压延效应消除的方法是提高温度、降低压延速度。习题请简述压延成型过程中物料压力和流动速率分布情况。5.3压延工艺5.3.1橡胶压延工艺橡胶压延方法压片：把胶料制成一定厚度和宽度的胶片；压型：在胶