张弢高分子材料学课件 25 polymer processing 塑料加工.ppt

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1、高分子材料成型加工I,塑料加工,塑料制品生产,主要内容,塑料成型的理论基础（加工流变学）成型物料及其配制各种成型加工方法：压缩模塑挤出成型注射模塑浇铸成型层压塑料和增强塑料的成型泡沫塑料的成型；压延与涂层热成型机械加工、修饰与装配,成型物料及其组成,物料状态：粉料、粒料、溶液和分散体。组成：聚合物助剂主要助剂种类：增塑剂、稳定剂、填充剂、增强剂、着色剂、润滑剂、防静电剂、阻燃剂、防霉剂等二十多类不是所有的助剂都必需，根据需求选择；各种助剂务求相互发挥，切忌彼此抑制。,增塑剂,为了改进聚合物成型时的流动性能和增进制品柔顺性加入聚合物体系中用以降低聚合物分子间作用力的物质称增塑剂。增塑剂要求：相容

2、性好，挥发度低，化学稳定性好，对光、热稳定性好，无色、无毒、无臭、不燃、吸水率低、电性能好、制品外观好并价廉；增塑剂的逸失：游移：增塑剂从已增塑的聚合物中向与之接触其它聚合物中迁移的现象。决定于增塑剂对接触聚合物的亲合力，增塑剂在已增塑聚合物中扩散速率，温度（升高会增大游移速度）和压力；萃出：制品中的增塑剂因与溶剂接触而被洗去的现象。取决于增塑剂对所接触溶剂的溶解度。渗出：增塑剂达到一定量后象“发汗”一样从制品中游离出来的现象，往往经过一定时间后才出现，温度和阳光会加剧渗出。,增塑剂分类,按化学组成，增塑剂包括：邻苯二甲酸酯类、脂肪族二元酸酯、石油磺酸苯酯、磷酸酯、聚酯、环氧化合物、含氯化合物

3、等按对聚合物的相容性：主增塑剂：增塑剂与聚合物具有足够的相容性，在一定范围内可完全相容（以增塑剂与聚合物1:1不发生析出为准），能单独使用；次增塑剂：对聚合物亲合力较差，只能与主增塑剂共用，相容限量最多是1:3，使用目的是代替部分主增塑剂降低成本；主次往往因聚合物品种、温度、聚合物分子量等而不同，只有相对的意义按结构分：单体型（小分子型，粘度30cP）和聚合物型（高分子型，粘度2104105cP）。,增塑剂的评价,与聚合物的相容性：按不同比例的聚合物与增塑剂分别配料并制成规定试样，在一定温度和压力下测定增塑剂渗出所需的时间。时间越长相容性越好。增塑剂效率：改变聚合物一定量的物理性能所需加入的增

4、塑剂量为标志。物理性能：弹性模量、玻璃化温度、脆折温度、回弹量及一切变形（伸长、弯曲、扭曲、压缩等），物理性能的选择不同，效率比值也不同。PVC增塑，25C，伸长率100%，弹性模量70.31Kg/cm2，DOP需63.5份，DBP需54.0份，氯化石蜡需89份。评价还应考虑挥发性、抽取性、迁移性、价格等因素。如PVC增塑中实际DOP更好。,稳定剂,能阻缓材料因外界因素如光、热、氧、细菌、霉菌以及简单的存放引起的变质的物质。紫外线抗御剂：先于聚合物吸收紫外线而放出无害的长波光或热的紫外线吸收剂（蔽光剂）：2-羟二苯甲酮衍生物、2(2-羟基苯)连二氮杂茚衍生物、取代丙烯酸酯类、芳酯、三嗪衍生物等

5、；移出聚合物吸收的光能（能量转移剂）：重金属络合物，较少使用抗氧剂：自由基或增长链的终止剂：化合酚类和芳基仲胺类；氢过氧物的分解剂：亚磷酸酯类和各种类型的含硫化合物转变降解催化剂的物质：聚合物中的微量金属离子往往是其降解的催化剂，往往加入适量螯合剂如亚磷酸的烷基酯和芳基酯阻止其作用去除活性中心的物质,其它助剂,填充剂（填料）：碳酸钙、滑石粉、二氧化硅、炭黑等；增强剂：玻璃纤维等；着色剂：无机颜料、有机颜料、染料，加入量往往2%；润滑剂：减少对设备的摩擦和粘附，用量1%；包括脂肪酸皂、脂肪酸、脂肪醇、石蜡、低分子量聚乙烯及有机硅等；防静电剂：胺的衍生物、季胺盐、磷酸酯、聚乙二醇酯等，用量1%；阻

6、燃剂：磷酸酯类、有机卤化物、无机阻燃剂如氧化锑、硼砂等，用量可达到30%；驱避剂：防止老鼠、昆虫、细菌、霉菌的危害，有机锡类、抗菌素、硫脲、三硝基苯胺、氯化三酚吡嗪等。发泡剂、开口剂、防雾剂等。,物料的配制,混合：将聚合物与助剂依靠扩散、对流、剪切等作用相互分散均匀的过程。螺带式混合机、捏合机、高速混合机、密炼机、挤出机、切碎机等。,螺带式混合机,捏合机,高速混合机,切碎机,密炼机,挤出成型,也称挤出模塑，简称挤出，用于加工管、棒、丝、板、薄膜、电线电缆的涂覆等两个过程：塑化：使固态的塑料（粒或粉）成为粘流态并在一定压力下经口模成为截面与口模相仿的连续体；固化：用适当的方法使挤出的连续体失去塑

7、性而变成固体，得到所需制品；两种工艺：干法（加热塑化）和湿法（溶解塑化）；两种工艺：连续（螺杆挤出）和间歇（柱塞挤出）；以连续干法塑化为主（螺杆挤出）,单螺杆挤出机,传动装置：电机、减速机构、轴承组成。要求转速恒定，能无级调速，以每挤出一公斤塑料所需千瓦小时为指标；加料装置：加料斗和切断装置、标定装置、卸除余料装置等。料筒：受压（55MPa）和受热容器（180-250C）。带有加热和冷却装置，电阻加热或电感加热，水冷或风冷；机头：口模和料筒的过渡段，长度和形状随塑料品种、制品形状、加热方式及挤出机的大小和形式而定；口模：制品横截面的成型部件，固定在机头上，直接决定制品的产量和质量。与机头的过渡

8、应平滑、有足够的刚度。附属设备：物料预热、干燥设备；挤出物的冷却、牵引、卷取、切断等设备；各种控制设备等,传动装置加料装置料筒螺杆机头口模,螺杆,螺杆直径、长径比、各段长度比例及螺槽深度、螺旋角、螺翅宽度、螺杆头部形状等对螺杆的工作特性有重要影响。送料段：塑料入口向前2-10D部分，物料呈固体，使物料前移，螺槽深度不小于0.1D，螺距1-1.5D。要求尽量增大物料与料筒的摩擦，因而料筒上往往开纵向槽，螺杆应光滑。熔化段(压缩段）：螺杆中部一段，长度5-10D。物料逐渐被压实并软化成连续熔体，同时将空气向后排出。螺槽深度渐变小，此段第一螺槽与最后一个螺槽容积之比称几何压缩比，决定于物料种类、进料

9、时的聚集状态和挤出制品的形状。计量段（均化段）：最后一段，长度4-7D，螺槽深度0.02-0.06D。使物料熔体进一步塑化均匀并使之定量、定压地由机头流道挤出。,双螺杆挤出机与双联挤出机,摩擦生热少；物料所受的剪切均匀；螺杆输送能力大；料筒可自清洁。,反向双螺杆,同向双螺杆,管材的挤出,设备：挤出机、机头、定型装置、冷却槽、牵引设备和切断设备等。口模通道的截面积不应超过挤出机料筒截面积的40%，内径定型、外径定型装置。出口膨胀现象、合流痕、管材弯曲问题。挤出管材温度较低，PVC175C，聚烯烃200C，板材等其他型材稍高。,吹塑薄膜的挤出,塑料熔体由环隙口模挤成薄壁管状物后被牵引装置牵引上升，

10、以压缩空气的压力控制泡状物的壁厚，到一定距离后通过导向夹板被牵引辊夹拢，经展平、破缝、折叠、表面处理、卷取后得到薄膜。吹胀比（泡管直径与口模直径比）约2-3；吹塑薄膜挤出温度最低（低于管材挤出）。,双向拉伸薄膜的平挤,塑料熔体经扁平机头挤成厚片后，被送至具有一系列不同转速和温度的拉伸辊上进行纵向牵伸（牵伸比4:110:1），然后在拉幅机上作横向拉伸（拉伸比2.54），冷却、切边、卷取后得到成品双向拉伸薄膜。挤出薄片厚度、拉伸比、拉伸时的温度和温度变化是重要的控制点。,注射成型,也称注射模塑，是将粒状或粉状塑料从注射机的料斗送进加热的料筒中，经加热熔化呈流动状态后，由柱塞或螺杆的推动而通过料筒前

11、端的喷嘴并注入温度较低的闭合模具中，充满模具的熔体在受压的情况下冷却固化后得到可保持模具型腔所赋予的形状，松开模具取得制品的过程。塑料制品的20-30%由注射成型，主要用于热塑性材料，少量热固性塑料也用注射成型。制品重量从几克到几十公斤不等，成型时间从几秒到几分钟。,成型周期短、可成型复杂外形制品、尺寸精确、可嵌入金属或非金属嵌件、对塑料适应性强、生产效率高。,注射机,基本作用：加热塑料使其熔化呈熔体；对塑料熔体施以高压使其射出而充满模具型腔。基本类型：柱塞式注射机：结构简单，温度和压力控制难，60g以下的小型制品用；单螺杆定位预塑注射机：由预塑料筒和注射料筒衔接组成，塑化充分，可成型30Kg

12、的制品，但结构复杂、操作困难；移动螺杆式注射机：熔化和注射由同一套螺杆和料筒完成，多用于热敏性、流动差的塑料和大中型注射机。,几种常见的注射机,柱塞料斗冷却套分流梭加热器,喷嘴固定模板制品活动模板顶出杆,单螺杆定位预塑注射机,移动螺杆式注射机,注射系统设备,加料装置：锥形料斗，定量或定容装置，容量约1-2小时的生产用料量；料筒：耐压、耐热、耐疲劳、抗腐蚀、传热性好，分2-3个加热区，靠近喷嘴处较高。容量：柱塞式4-8倍注射量，螺杆式2-3倍注射量；柱塞与分流梭：柱塞直径20-100mm，坚实、表面硬度高。分流梭使料层变薄，有利传热并增加熔体受到的剪切力，使粘度下降；加压和驱动装置：液压加压，液

13、压马达驱动。,螺杆和喷嘴,螺杆长径比和压缩比较小，一般L/D=1620，压缩比25，螺杆槽深度偏大以提高生产效率。进料段较长(0.5L)，压缩段和计量段各约0.25L。粘度大的塑料多用锥形螺杆头，低粘度塑料还带止逆环以防止物料回流。喷嘴：应避免“流涎”。直通式、自锁式、杠杆针阀式,直通式喷嘴,自锁式喷嘴,液控杠杆针阀式喷嘴,带止逆环的锥形螺杆头,注射模具和锁模装置,模具：成型中赋予塑料形状的部件的组合。浇注系统、成型零件、结构零件三大部分。浇注系统：塑料从喷嘴进入型腔前的流道部分，主流道、冷料穴、分流道和浇口。成型零件：构成制品形状的各种零件，动模、定模和型腔、型芯、成型杆及排气口等。锁模装置

14、：注射机上实现锁合、开启模具和顶出制件相互关联的机构。液压式、机械式等。,注射成型前的准备,原料的预处理：外观、工艺参数（熔融指数、流动性、热性能和收缩率等）检验，物料的干燥；料筒的清洗：换料清洗；嵌件预热：防止嵌件与塑料温差太大导致塑料收缩时产生大的内应力甚至裂纹。涂抹脱模剂：硬脂酸锌（除尼龙外的一般塑料可用）；液体石蜡（主要用于聚酰胺类塑料）；硅油（配制成甲苯溶液使用）。脱模剂量适中（过少脱模困难，过多影响制品质量）。,注射过程,加料、塑化、注射入模、稳压冷却和脱模。两个本质过程：塑化，流动与冷却。塑化：塑料在料筒内经加热达到流动状态并具有良好的可塑性的全过程；要求：塑料在进入模腔之前应达

15、到规定的成型温度并能在规定时间内提供足够数量的熔融塑料，熔体各点温度应均匀一致，不发生或少发生热分解以保证生产的连续进行。,流动与冷却,用柱塞或螺杆的推动将具有流动性和温度均匀的塑料熔体注入模具开始，而后经过型腔注满、熔体在控制条件下冷却固化定型，直至制品从模腔中脱出为止的过程。充模、压实、倒流和浇口冻结后的冷却四个阶段,充模：0-t1，柱塞前移起到模腔中充满熔体止；压实：t1-t2，柱塞或螺杆不后撤前，压力恒定或有少许降低，时间越长分子取向程度越高；倒流：t2-t3，柱塞或螺杆后撤到浇口冻结为止，（有止逆环则无倒流），倒流的多少取决于压实段的时长；冷却：t3-t4，浇口冻结到制品顶出，压力逐

16、渐下降，残余压力取决于压实段的时长，过大会导致内应力增加，残余压力为负导致制品出现真空泡。,制品后处理,退火：使制品在定温的加热介质（水、油、热空气）中静置一段时间使内应力消除，时间取决于塑料品种、退火温度、制品形状、成型条件等；退火温度应高于制品的使用温度以上10-20C，低于其热变形温度10-20C；调湿处理：对聚酰胺类塑料将其置于热水中一方面使隔绝空气不至氧化变色，另一方面使加快达到吸湿平衡不至使尺寸膨胀；处理时间随聚酰胺品种、制品形状、厚度和结晶度大小而定。,注射成型工艺条件,温度：料筒温度：非晶塑料应高于粘流温度Tf而低于分解温度Td；结晶塑料应高于熔融温度Tm而低于Td；喷嘴温度：

17、略低于料筒的最高温度以防止“流涎”；模具温度：严重影响制品的质量，应低于塑料的热变形温度，取决于塑料结晶性的有无、制品的尺寸与结构、性能要求及其他的工艺条件等。压力：塑化压力：采用螺杆注射机时，螺杆顶部熔料在螺杆转动后退时所受到的压力，亦称背压。在保证制品质量的前提下应越低越好，通常20Kg/cm2；注射压力：柱塞或螺杆对塑料熔体所施加的压力，其作用是克服流动阻力、给予熔体充模的速率和压实熔体。与制品的质量和数量要求、塑料品种、注射机类型、制件和模具的结构及其他工艺条件有关。时间：完成一次注射成型所需的时间称成型周期，包括注射时间、闭模冷却时间、开模、脱模、涂抹脱模剂、安放嵌件等时间；在保证制

18、品质量的前提下越短越好。一般从几十秒到几分钟不等。,注射吹塑,瓶颈模闭合,注射模闭合注射,注射模开启,吹塑模闭合进行吹塑,注射模具和吹塑模具都打开，脱出制品,成型后的制品,压延成型,将加热塑化的热塑性塑料通过两个以上相向旋转的辊筒间隙而使其成为规定尺寸的连续片状材料的成型方法。主要原料：PVC、纤维素、改性聚苯乙烯等产品：薄膜（0.3mm）、人造革、和其他涂层制品等。加工能力大、生产速度快、产品质量好、生产连续,压延流程,两个阶段：前阶段：备料、塑化、向压延机供料等；后阶段：压延、牵引、轧花、冷却、卷取、切割等。,压延机,按辊筒数目：二辊、三辊、四辊、五辊、六辊；按辊筒排列方式：三辊：I型、三角型等；四辊：I型、倒L型、正Z型、斜Z型等；,I型三辊,三角型三辊,I型四辊,倒L型,斜Z型,正Z型,人造革的制造,压延法,涂覆法,三辊压延,四辊压延擦胶法,四辊压延内贴法,四辊压延外贴法,压缩成型,差压成型,真空成型,加压成型,浇铸成型,敞开式浇铸,水平浇铸,真空浇铸,