课件：高分子材料成形工艺塑性成形.ppt

第八章 塑性成形,8.1 热成形 8.2 中空吹塑成形 8.3 双向拉伸薄膜成形,塑性成形（二次成形）：粘流态成形的型材为坯件， (或 )间再成形 热固性聚合物不能进行塑性成形，塑性成形仅适合于热塑性聚合物 塑性成形：热成形、中空吹塑成形、拉幅薄膜的成形和纤维的拉伸等,8.1 热成形 8.1.1 工艺方法 8.1.2 工艺条件,热成形：塑料片材（通常12mm）裁剪、加热至高弹态，然后加压使其紧贴模具型面，冷却定形和修整后得制品 施加压力方法：片材两面形成气压差或者借助于机械力或液压力 热成形制品：种类多，应用广（从日用与医用器皿到电子电器仪表外壳、玩具、包装用具、车船构件、化工设备、雷达罩和飞机舱罩等）,热成形优点：成形压力低，设备及工艺较简单，投资小，生产效率高，能够制造面积较大的制品 缺点：需采用塑料片材作为坯件，后加工工序多，成本较高 对于能够注射成形者多采用注射成形，而不采用热成形,8.1.1 工艺方法,一、差压成形 差压成形：最简单，采用措施使片材两面具有不同气压 两种类型：真空成形（模具底部抽真空），加压成形（从片材顶部加压缩空气） 特点：制品结构比较鲜明，贴合面为精细部位，表面光滑无瑕疵，光洁度较高，透明性不改变，但厚薄差异 应用：常用来制造飞机部件、仪器和天窗等,图8.1 典型的热成形工艺原理示意图 (a)真空成形 (b)覆盖成形 (c)柱塞助压真空成形 (d)真空回吸成形 (e)对模成形 (f) 双片热成形,二、覆盖成形,覆盖成形：只采用阳模，靠液压力将阳模顶入热片材或采用机械力将片材扣覆阳模上，完全密封后再抽真空 特点：与差压成形相似，结构较鲜明，表面质量较高，但是厚薄差异 应用：制造壁较厚和深度较大的制品，如家用电器部件，如门、内衬件等,三、柱塞助压成形,柱塞助压成形：柱塞助压真空成形和柱塞助压气压成形 工艺过程：片材加热后用柱塞将热片材压入气体封闭的模具型腔，然后从阴模底部抽吸（柱塞助压真空成形）或从柱塞内孔通压缩空气（柱塞助压气压成形） 特点：制品厚度分布较均匀，其它特点与差压成形相似 气胀柱塞助压成形：在柱塞下降之前从模底送进压缩空气，使热片材预吹塑成适度上凸的泡状物，然后柱塞压下 特点：是采用阴模成形得到厚度均匀制品的最好方法，特别适合于大型的深度拉伸制品的制造,四、回吸成形,回吸成形：真空回吸成形和气胀真空回吸成形等 特点：制品壁厚均匀、结可以较复杂 真空回吸成形：热片材吸进预定深度后将阳模伸进凹进的片材，再从阳模顶部的气门抽真空将片材回吸与阳模面贴合 气胀真空回吸成形：从箱底引入压缩空气使片材凸成泡状物，再用阳模将泡状物压入箱内，然后从阳模抽真空将片材回吸与阳模面贴合,五、对模成形,对模成形：采用彼此配对的模具进行成形 特点：制品复制性和尺寸准确性好，结构可以较复杂，表面甚至可以刻花或刻字，厚度分布很大程度上依赖于制品样式,六、双片热成形,双片热成形：两片热片材放在两片模具的模框中间夹紧，然后插入吹针吹入压缩空气，同时两个闭合模壁处抽真空，使片材贴合于两模内腔而成形制品 特点：生产的中空制品的壁厚较均匀，还可生产双色和厚度不同的制品,8.1.2 工艺条件,热成形工艺过程：片材准备、夹持、成形、冷却、脱模和制品后处理等 加热、成形和冷却脱模是影响制品质量的重要环节 一、加热 加热要求：片材加热到合适温度，片材各处温度均匀 片材温度适中：热片材同时有很大伸长率和适当拉伸强度 伸长率在某温度处出现极大值，强度随温度提高而逐渐减小（适当强度下伸长率大，制品壁厚可以更薄，可成形的深度较大）,片温过低，制品轮廓清晰度和因次稳定性不佳 片温度过高则聚合物热降解，制品变黄、性能下降和失去光泽等。 片材实际加热温度一般比成形温度稍高 片材加热时间一般占热成形周期50%80% 加热条件应保证整个片材各处均匀升温：片材各处厚度尽可能相等；片材可以双面加热,二、成形,成形较容易出现的问题是制品厚薄不均匀，原因分析： 片材各部分所受的牵伸不同（差压成形最严重） 牵伸和拖曳片材的速度快慢（抽鼓气速率、模框或辅助柱塞等移动速率） 速率应尽量快（如抽鼓气孔改为长窄狭缝），有利成形或缩短周期 速率过大，常因流动不足而制品偏凹或偏凸部位呈现厚薄过度不匀 速率过小，因片材过度降温使变形能力下降而出现拉伸裂纹,牵伸速率确定应考虑片材成形时的温度 温度较高时，片材变形能力大，故牵伸速率可高一些 热压力随塑料品种、片材厚度和成形温度不同而有所不同 聚合物分子刚性大、相对分子质量高、存在极性基团及片材厚度大、成形温度低等，成形压力应较高,三、冷却脱模,冷却方式：内冷和外冷两种 内冷是金属模内通水冷却，外冷有风冷法和空气水雾法等，可单独和组合使用 冷却降温速率：塑料导热性越好，壁厚越薄，冷却降温速率可越快 降温速率过大，则冷却温度梯度过大而制品内应力大，高拉伸区会因降温过快而出现裂纹 热成形制品很少粘附模具：偶有粘模可在模具面涂适量脱模剂,8.2 中空吹塑成形 8.2.1 工艺方法 8.2.2 工艺条件,中空吹塑：借气体压力把模腔中热型坯吹胀成为中空制品的方法 制品：各种液体的包装容器，如各种瓶、壶、桶等 （按型坯制造方法）中空吹塑工艺：挤出吹塑法和注射吹塑法两种 热坯成形（常用）：挤出或注射型坯直接在热状态送入吹塑模吹胀成形 冷坯成形：将压延、挤出或注射坯件加热后放入吹塑模内吹塑成形,8.2.1 工艺方法,一、挤出吹塑工艺 1挤出吹塑工艺过程 挤出吹塑：挤出制坯进行吹塑成为中空制品的工艺 类型：单层直接挤坯吹塑、多层共挤坯吹塑、挤出蓄料压坯吹塑和挤坯拉伸吹塑等（挤坯拉伸吹塑成形过程复杂，很少采用）,图8.2 单层直接挤出吹塑工艺过程示意图,单层直接挤坯吹塑（简称挤坯吹塑）：型坯是单一物料型坯 多层共挤坯吹塑：型坯是多台挤出机共挤出的多层复合管坯 大型中空制品存在问题：挤坯时间较长，管坯因自重下坠而出现上下部壁厚差异明显且因空气停留时间而温度差异明显，制品壁厚均匀性差，内应力大 挤出蓄料压坯吹塑：将挤出机塑化熔体蓄积在料缸内，当熔体量达到预定量后用加压柱塞以很高速率使熔体经环形口模压出制得管坯 应用：大型中空制品,2挤出吹塑工艺特点,优点：生产效率高，型坯温度均匀，制品内应力小、强度高 设备简单，投资少，对制品尺寸、大小和壁厚范围较大 局限：热挤管壁易因自重流动，制品壁厚均匀性不如注射吹塑 带底中空制品需吹塑模闭合封底并切余，制品出现挤缝和余料 目前中空制品生产中挤出吹塑工艺占绝对优势,二、注射吹塑工艺,1注射吹塑工艺过程 注射吹塑工艺：注射机制型坯且型坯为有底型坯 实施方法：无拉伸注射吹塑和注射拉伸吹塑两种 无拉伸注坯吹塑：0.20.7MPa压缩空气 特点：吹塑仅受到径向拉伸，制品内分子取向主要为单轴取向,图8.3 两种注射吹塑工艺过程示意图,注射拉伸吹塑工艺 拉伸比和吹胀比 增大拉伸比和吹胀比有利于提高制品强度，一般两者取23为宜 特点：制品透明度、拉伸及冲击强度、杨氏模量和热变形温度等明显提高 拉伸注坯吹塑比无拉伸注坯吹塑制品更薄，可节约物料50%左右,2注射吹塑工艺特点,制品壁厚较均匀，可通过注塑芯模和吹塑模型腔的结构及尺寸精确控制 注塑型坯可全部进入吹塑模腔内，故制品无接缝，边角废料少 塑料品种适应范围较宽，包括难以采用挤出吹塑成形的塑料品种 制品内应力较大，形状复杂、尺寸较大的制品易出现应力开裂 应用：生产批量大的小型精制容器和广口容器,8.2.2 工艺条件,工艺因素：型坯温度、吹塑模温度、充气压力与速率、吹胀比和冷却时间等 一、型坯温度 严格控制型坯温度：保证型坯吹胀前形状稳定，制品有较高接缝强度，适宜的冷却时间，制品表面光洁 两个角度影响形状稳定性： 型坯温度影响型坯黏度 型坯温度偏高时，型坯黏度较低，易因重力等而变形，尤其黏度温敏的聚合物,型坯温度影响离模膨胀效应 型坯温度偏低时，模膨胀效应突出，严重时出现鲨鱼皮症和流痕等缺陷，制品表面质量下降，壁厚不均匀性增大 型坯温度：聚合物 (或 ) 间并偏向( 或 ) 侧 适当提高型坯温度，有利于改善制品表面光洁度和提高接缝强度 型坯温度过高，则型坯形状稳定性变差且需延长冷却时间，效率降低,二、吹塑模具温度,吹塑模具温度：首先应根据塑料种类确定 聚合物玻璃化温度或热变形温度高，采用较高模温 模温过低：使型坯在模内定位到吹胀的时间段内过早冷却，导致吹胀时形变困难，制品轮廓和花纹不清晰 模温过高：吹胀物在模内冷却时间过长，生产周期增加，冷却不充分时制品脱模会变形和表面缺乏光泽等 模具各处温度应均匀以保证制品均匀冷却,三、吹气压力和吹气速度,充气压力：与塑料品种、成形温度、制品壁厚大小有关，一般0.20.7MPa 通常型坯黏度大、模量高、薄壁和大容积制品，充气压力应取高值 合适的充气压力应保证制品的外形、表面花纹和文字等清晰 充气体积流率：较大可缩短吹胀时间，提高制品壁厚均匀性和较好表面质量 过大，则充气速度过大，在吹入口附近可能出现负压，导致型坯凹陷，气流通道减小甚至型坯颈部被高速气流拖断，吹胀无法进行 充气速度和体积流率矛盾，有效办法是采用大直径吹管,四、吹胀比,吹胀比：制品尺寸和型坯尺寸之比 增大吹胀比可节约材料，但制品壁厚变薄，吹胀困难，制品强度和刚度降低 吹胀比过小，制品壁较厚，冷却时间延长，成本增高 吹胀比应根据材料性质、制品形状尺寸及型坯尺寸等决定，一般24倍,五、冷却时间,冷却时间：通常占吹塑制品成形周期总时间1/3以上 影响因素：热特性、制品形状与壁厚、吹塑模具温度、型坯温度等 随制品壁厚的增加，冷却时间必需相应延长 缩短冷却时间方法：对吹塑模加强冷却；向吹胀物的空腔内通入液氮和液态二氧化碳等强冷却介质直接冷却,8.3 双向拉伸薄膜成形 8.3.1 平膜法 8.3.2 管膜法,两种生产方式：厚片坯或管坯的挤出工序与拉伸工序独立分开进行，挤出和拉伸在同一生产线连续进行 拉伸方式：单轴拉伸和双轴拉伸 单轴拉伸主要用于生产打包带、编织条和捆扎绳等 双轴拉伸应用较广，比如高强度双轴拉伸膜和热收缩膜等成形 双向拉伸薄膜力学强度比流涎法和压延法薄膜高,双向拉伸薄膜工艺：平膜法和管膜法两种 平膜法：设备及工艺较复杂，但薄膜强度很高，生产中多采用平膜法 管膜法：两个方向同时拉伸，设备和过程与薄膜挤出吹塑很相似 设备简单，占地面积小，制品厚度不均匀，强度较低 平膜法主要用于生产高强度薄膜，管膜法主要用于生产热收缩薄膜,8.3.1 平膜法,两种拉伸方法：逐次双向拉伸和纵横同步双向拉伸 逐次双向拉伸工艺控制相对较容易，生产应用最广 逐次双向拉伸方法：先纵拉后横拉（普遍）和先横拉后纵拉两种 先纵拉后横拉：挤出厚片后立即送冷却辊急冷定形，厚片经预热辊加热后引入拉伸辊组纵向拉伸，然后冷却即可直接送至拉幅机内预热、横向拉伸、热定形和冷却等,图8.4 平膜法逐次双向拉伸薄膜的成形工艺过程示意图 1挤出机 2厚片冷却辊 3预热辊 4多点拉伸辊 5冷却辊 6横向拉幅机夹子 7、8加热装置 9风冷装置 10切边装置 11测厚装置 12卷绕机,一、厚片急冷,双向拉伸的厚片应是无定形，厚片中允许结晶度5%以下的少量微晶 结晶性聚合物应采取熔融态厚片急冷办法 急冷装置：冷却转鼓，绕轴旋转，圆筒内有冷却水通道 转鼓尽量靠近挤出口模以防降温结晶，表面线速度应与出片速度相同或略有拉伸 转鼓温度力求稳定，成形PP最好250.5，工作区温度分布要均一 设吹风装置吹风冷却未与转鼓接触的一面以避免厚片两面冷却不匀,二、纵向拉伸,纵向拉伸操作：单点拉伸和多点拉伸 单点拉伸：急冷后的厚片由两个不同转速的辊实现纵向拉伸 多点拉伸：纵向拉伸比分配在若干个不同转速的辊筒上实现拉伸 多点拉伸优点：变形均匀、拉伸程度大和不易产生细颈现象（即膜片两侧边变厚中间变薄的现象）等，实际生产多采用多点拉伸,纵拉伸装置：主要包括预热辊、拉伸辊和冷却辊 预热辊作用：将急冷后厚片重新加热到拉伸温度 预热温度过高，膜片上会出现粘辊痕迹，降低制品表观质量，严重时还出现包辊使拉伸难以顺利 预热温度过低，则会出现冷拉现象，使制品厚度公差增大、横向收缩稳定性变差，严重时在拉伸接头处发生脱夹和破膜,纵拉后膜片的结晶度可增至10%14% 冷却辊作用：使结晶过程迅速停止并固定取向结构；张紧厚片避免发生回缩 冷却辊温度：不宜过低（因纵拉后膜片冷却后须立即进入拉幅机预热段），聚合物玻璃化温度或结晶最小速率温度附近,三、横向拉伸,横向拉伸前需重新预热，预热温度稍高于玻璃化温度或接近熔点 横向拉伸：拉幅机进行，拉幅机有两条张开呈一定角度（一般10o）的轨道 横向拉伸比：一般小于纵向拉伸比，超限后薄膜会出现破损 横向拉伸后聚合物的结晶度通常增至20%25%,四、热定形和冷却,热定形段之前须先通过缓冲段，缓冲段作用：防止热定形段温度对横拉伸段的影响，以便横拉伸段的温度能得到严格控制 热定形：温度至少比最大结晶速率温度高10，薄膜的控制宽度应稍有减小以防止破膜，方式为部分收缩热定形 热定形后应冷至室温后才成卷，避免薄膜的继续结晶、解取向和热老化 冷却后双轴取向薄膜的结晶度一般为40%42%,五、切边和卷取,冷却后双向拉伸膜两侧边各有约100mm未拉均匀的厚边，应在收卷前切边 切边后薄膜经导辊引入收卷机，卷绕成一定长度或一定重量的膜卷 膜卷须放在时效架上进行一定时间的时效处理才成为最终产品,8.3.2 管膜法,管膜法：挤成薄壁管状物，芯棒中心导入压缩空气吹胀，膜管在冷风环、牵引装置作用下引申定形，最后卷绕装置叠卷成双折的塑料薄膜 生产工艺：上吹法、平吹法和下吹法,上吹法：设备较紧凑，但膜管运动方向与冷却空气一致，不利于传热 下吹法：膜管运动方向与冷却空气相反，冷却效果优于上吹法，但挤出位置较高，增加建筑空间和原料提升，重力牵伸作用不利于薄膜厚度控制 平吹法：占用空间较少，膜管轴向的上下两个半部的冷却不均匀，且重力作用使膜管中部受到悬垂作用而影响薄膜均匀性，仅限于生产折径较小的薄膜,一、管坯挤出,吹塑薄膜的主要设备：单螺杆挤出机 机头口模类型：主要有直角式和直通型两大类 直通型：适用于熔体粘度较大和热敏性塑料，生产多用直角型机头 口模缝隙宽度和平直部分长度与薄膜厚度有一定关系 实例: 0.030.05mm薄膜所用模隙宽度0.4 0.8mm，平直部分长度714mm,二、吹胀与牵引,吹胀比：通常26 牵伸比：膜管通过夹辊度与口模挤出管坯速度比 吹胀比和牵伸比最好相等以使薄膜纵横向强度均等 实际生产往往用同一环形间隙口模，靠调节牵引速度控制薄膜厚度，因此吹塑薄膜纵横向力学强度并不相同，通常纵向强度大于横向强度,三、薄膜的冷却,最常用方法：挤出机头后在管膜外面设冷却风环 风环装置：空气冷却风环和喷雾风环两种，前者是应用最广，喷雾风环以雾状水气为冷却介质,冷凝（却）线距离：膜管开始变得浑浊（原因：结晶和取向）的位置离机头的距离（约20cm处） 物料挤出温度升高、挤出速度加快和冷却速率降低，冷却线距离将增大 实际中利用冷却线距离高低判断冷却条件是否适当 一个风环冷却达不到要求时可用两个或两个以上的风环冷却 对于结晶型塑料：降低冷却线距离可获得透明度高和横向撕裂强度较高的薄膜,图8.6 普通风环结构图 1调节风量螺纹 2出风缝隙 3盖板 4风环体,四、薄膜的卷绕,膜管经冷却定形后经人字导向板夹平，再通过牵引夹辊，