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1、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,加工成
2、型过程为连续运作方式, 不产生任何间断，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。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,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；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；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
3、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
4、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(Plasticating Manner)p259 1）干法挤出 (Dry Extrusion) 2）湿法挤出 (Wet Extrusion) 2. 按加压方式分类(Pressuring Manner) 1）连续挤出 (Continuous Extrusion) 2）间歇挤出 (Intermittent Extrusion),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
5、）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 Control unit加料装置 Feeding unit驱动装置 Driving unit料 筒 Barrel 螺 杆 Screw 口 模 Die,1）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，
6、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 (Solid Convey Zone) 熔融段 (Melting Zone)均化段 (Homogenizing Zone),加料段 (Feeding Zone)压缩段 (Comp
7、ressing Zone)计量段 (Metering Zone),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、6
8、5mm、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（）,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：等矩不等深 等深不等矩 不等距不等深 复合型螺杆,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
9、、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 hsKD （hs为均化段螺槽深度） K常数 取0.020.06,(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 (Separator Screw)屏障型螺杆 (Barrier Screw)分流型螺杆 (Diffluent Screw),(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
10、) 牵引装置 (Drawing Device)4) 切割装置 (Cutting Device)5) 其他辅助装备 (Other Devices),6.辅助设备 (Auxiliary Devices),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Main Structure of a Twin Screw Extruder,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
11、合作用 3.自洁作用,1.原料干燥,水分的影响： 影响挤出过程中的塑化。 制品表面产生气泡，表面阴暗。 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, 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。 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, 保持挤出物的稳定性。 消除离模膨胀引起的尺寸变化 使制品产生一定程度
12、的取向， 改进轴向强度和刚度。,后处理可提高尺寸稳定性消除内应力,(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, 温度控制:一般机头温度低于机身温度,有 利于压实,定型。 冷却控制:料斗,螺杆,定径套,水箱。 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。,
13、辅助设备及特点, 管材机头,直通式 直角式偏心式,一般采用直通式机头, 定径套,内压定径,冷却水箱, 牵引装置,(5)切割装置,2.波纹管挤出成型,Extrusion Process of the Corrugated Pipe,波纹管成型原理示意图,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,4 直接挤出薄膜,工艺流程主要辅助设备,主要辅助设备,T型机头：多采用支管式机头冷却辊：表面镀铬，内通冷却水,5 片材的挤出成型,工艺流程 p282,6棒材的挤出成型,挤出
14、成型 p296,7 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 (Molding and Moulding),一、注射成型 (Injection Molding ),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（morphological anisotropy） 即依赖于注射
15、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 (Injection System),2. 锁模系统 clamping,1.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,机械式液压式液压机械组合式,锁模力FPA P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
16、快慢,浇注系统成型零件结构零件,组成,3. 注射模具 (Injection Mold),浇注系统,成型零件,结构零件,动模定模型芯 排气孔,导柱；导套；脱模装置；抽芯机构；加热和冷却装置,主流道；分流道；浇口冷料井（穴）(5) 型腔,反应注射成型(React Injection Moulding),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2050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
17、（软硬）,2.反应注射成型设备,1)反应注射成型对设备的要求,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;要求“RIM”设备能快速加热或冷却原料;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;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
18、头 3-单体A 4-单体B 5一聚合物混合物 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 (compress molding),热固性塑料压缩模塑 ：在压力下熔体流满型腔而取得型腔所赋予的形状，随着交联反应的进行，树脂的分子量增大、固化程度随之提高，模压料的黏度逐渐增加以至变为固体，最后脱模成为制品。,热塑性塑料压缩模塑 ：过程与热固性塑料基本相同，但没有交联反应，熔体充满型腔后，模具冷却使熔体变为具有一定强度的固体才能脱模成为制品。因此，模具需交替加热与冷却，周期长，不经济。只用于模塑较大平面的或流动性
19、差的塑料制品。,1.压缩模塑装备,1) 压机 模压成型的 主要设备是压机。压机是通过模具对塑料施加压力，压机还可开启模具或顶出制品。,上压式液压机1主油缸 2主油缸柱塞3上梁 4支柱 5活动板 6上模板 7阳模 8阴模 9下模板 10机台 11顶出缸柱塞 12顶出油缸13机座,2) 模具 压缩模塑(模压成型)用的模具按其结构特点分主要有溢式、不溢式和半溢式模具三种,溢式模具示意图1阳模 2导柱 3制品 4阴模 5模座 6顶杆 7溢料缝,不溢式模具示意图1阳模 2导柱 3阴模4制品 5顶杆,半溢式模具示意图(a)有支承面: 1阳模 2导柱 3阴模 4支承面 5制品 6顶杆(b)无支承面: 1阳模
20、 2导柱 3阴模 4制品 5顶杆,2.压缩模塑的工艺过程,加料,闭模,排气,保压固化,脱模冷却,制品后处理,计量,预压,预热,嵌件安放,铸塑(moulding),原理：将预先配制好的浇铸料（通常是聚合物单体、浆状低聚物与单体的溶液等）注入模具，通过加热等手段，促使其进一步发生聚合反应而固化定型，并最终获得模具所赋予的形状和尺寸。 种类：静态浇铸法，嵌铸、离心浇铸、流涎铸塑、搪塑、滚塑等。,1概述 (General ),压延是将混炼胶在压延设备上制成片材或与骨架材料制成复合片材半成品的工艺过程，即是使胶料受到延展的工艺工程，是通过旋转的两个辊筒的压力实现的。 包括压片、贴合、压型、贴胶和擦胶等作业，也可用于表面整饰（光滑、光泽、粗糙、图案）。,压延成型 (Calendering Forming),压延成型一般用于薄膜、片材的生产；还可以生产人造革和涂层产品。,（1） 薄膜,（2） 薄片,（3） 压延的最适宜加工范围,压延的主要产品,（1） 设备庞大，投资大,（2） 设备专用性强，产品调整困难,（3） 维修困难 （设备庞大、辅机众多）,（4） 幅宽同样受到限制,压延成型方法的缺点,1. 混炼机械,混合机械,低速捏合机,连续混合机,高速捏合机,炼塑机械,挤出机,密炼机,开炼机,压延成型设备 (equipment),混炼机械,2.压延机械,压延成型工艺 (technique),
