（材料加工工程专业论文）pom注塑专用螺杆开发及其性能研究.pdf

四川大学硕士毕业论文 p o m 注塑专用螺杆开发及其性能研究 材料加工工程专业 研究生；邓聪指导教师：刘廷华 近年来，聚甲醛( p o m ) 注塑制品的需求呈逐渐增长的趋势。然而 通常成型p o m 制品所用的常规全渐变螺杆塑化效果一般，严重制约了 p o m 注塑制品生产效率的提高，并难以满足市场对p o m 注塑制品越来 越高的质量和性能的要求。因此，研制高效新型的p o m 注塑螺杆具有 重要的现实意义。 本课题进行了两方面的研究。一方面致力于用空心玻璃微珠填充改 性聚甲醛( p o m ) ，研究了玻璃微珠的含量、粒径对p o m 玻璃微珠复合 体系力学性能、流动性和分散形态等的影响。另一方面，本项研究设 计了13 种新型的组合式p o m 注塑螺杆，并在p o m 填充共混研究的基础 上，用无填充p o m 和所设计的两种p o m 配方在自行研制的p o m 注塑螺 杆上进行了注塑成型实验，通过分布混合效果、分散混合效果及力学 性能测试验证了所设计螺杆的效果。 用空心玻璃微珠填充改性聚甲醛( p o m ) 研究结果表明，影响复合体 系性能的主导因素是玻璃微珠在p o m 中的分散形态及其与p o m 间的界 面粘结状况。用量一定的小粒径玻璃微珠可在p o m 中均匀分散，与p o m 间界面粘结好，可以提高复合体系的性能。 螺杆长径比为17 时，加料段、压缩段和均化段长度以8 d 、5 d 和 4 d 搭配较为合适，梨钉型注塑螺杆注塑成型p o m 制品有利于获得更好 的力学性能和微观形态结构，合理的屏障型螺杆剪切棱间隙将有助于 p o m 物料的塑化。 四川大学硕士毕业论文 最后，通过建立均化段模型，对p o m 熔体在通用螺杆、梨钉型螺杆 和屏障头螺杆中的流动进行了模拟分析，找出了各类螺杆元件对p o m 物料塑化产生差异的根本原因。 关键词： 新型螺杆；注塑螺杆；聚甲醛；梨钉型；屏障头 i i 四川大学硕士毕业论文 s t u d yo nd e v e l o p m e n to fs p e c i a li n je c t i o ns c r e w f o rp o ma n di t sp r o p e r t i e s m a j o r ：m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g g r a d u a t e ：d e n gc o n gs u p e r v i s o r ：p r o f l i ut i n g h u a r e c e n t l y ，t h e r e i sa s t e a d y i n c r e a s ei nt h ed e m a n do f p o l y o x y m e t h y l e n e ( p o m ) i n j e c t i o np r o d u c t s w h i l ei nt h ep o mi n j e c t i o n m o l d i n g ，p o mp r o d u c t sa r em o l d e db yc o n v e n t i o n a li n j e e t i o ns c r e w ，w h i c h h a sp o o rp l a s t i c a t i o na n dr e s t r i c t st h ei m p r o v e m e n to fm o l d i n gp r o c e s si n e f f i c i e n c y a t t h es a m e t i m e ，t h ep o o rp r o d u c t sc a n n o tm e e tt h e e x p e c t a t i o n so fh i g hp e r f o r m a n c e t h e r e f o r e i ti ss i g n i f i c a n tt os t u d yo n s p e c i a li n je c t i o ns c r e wf o rp o m t h e r ea r et w oa s p e c t si nt h i s s t u d y o nt h eo n eh a n d ，b y c o m p o u n d i n gg l a s sb e a d ( g b ) w i t hp o l y o x y m e t h e l e n e ( p o m ) ，t h ei n f l u e n c e o fg bc o n t e n t ，d i a m e t e ro nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，t h er h e o l o g i c a l b e h a v i o ra n d d i s p e r s i o nm o r p h o l o g yo fp o m g bc o m p o s i t e sw e r e i n v e s t i g a t e d o nt h eo t h e rh a n d ，w ed e s i g n e d 13c o m b i n a t i o ni n je c t i o n s c r e w s ，a n dd i de x p e r i m e n tb yt h en o v e l t yi n je c t i o ns c r e ww i t ht h r e e f o r m u l a s t h e r ew e r et h r e ek i n d so fp r o p e r t i e st e s t e d ，i n c l u d i n ge f f e c to f d i s t r i b u t i v e b l e n d i n g ，e f f e c t o f d i s p e r s i v eb e n d i n ga n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e d b yc o m p o u n d i n gg l a s sb e a d ( g b ) w i t hp o l y o x y m c t h e l e n e ( p o m ) t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a j o rf a c t o r so f e f f e c t i n gt h ep r o p e r t i e sa r et h e g bd i s p e r s i o nm o r p h o l o g yi nm a t r i xa n dt h ei n t e r r a c i a la d h e n s i o n a b e t t e rp r o p e r t i e se f f e c tw a so b s e r v e dw h e nt h ed i s p e r s i o no fp a r t i c l e si s 1 1 1 四川大学硕士毕业论文 h o m o g e n o u sa n dt h ea d h e n s i o nb e t w e e nt h ef i l l e ra n d m a t r i xi ss t r o n g w h e nt h es l e n d e r n e s sr a t i oi s 17 ，i ti sr e a s o n a b l et h a tt h el e n g t ho f f e e dz o n e ，e x t r a c t i o nz o n ea n dp u m pz o n ei s8 d ，5 da n d4 dr e s p e c t i v e l y i t i si n d i c a t e dt h a tp e r f e c tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n de x c e l l e n tm i c r o s c o p i c m o r p h o l o g yw e r eg o t t e n a f t e rp o mc o m p o u n dm a t e r i a l sm o l d e db y p i n e a p p l ei n j e c t i o ns c r e w ，a n dt h ec l e a r a n c eo fm a d d o e ki n j e c t i o ns c r e w p l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei np o mp l a s t i c i z i n ge f f i c i e n c y i na d d i t i o n ，t h em o d e l si nh o m o g e n i z i n gz o n ew e r ee s t a b l i s h e dt o a n a l y s i st h em o v e m e n to fm e l tp o mi nc o m m o ns c r e w ，p i n e a p p l e s c r e w a n dm a d d o c ks c r e w f u n d a m e n t a lr e a s o n st h a ti n f l u e n c e dt h ep l a s t i c a t i o n w e r ec a r r i e do u t k e y w o r d s ：n e ws c r e w ；i n j e c t i o ns c r e w ；p o l y o x y m e t h e l e n e ( p o m ) ； p i n e a p p l es c r e w ；m a d d o c ks c r e w ；b a r r i e rs c r e w i v 四川大学硕士毕业论文 第一章绪论 1 1 聚甲醛注塑螺杆研究的意义及现状”“3 聚甲醛学名聚氧亚甲基，英文名称a c e t a lp o l y o x y m e t h y l e n ep 0 1 y a c e t a l ，简称p o m ，可分为均聚甲醛和共聚甲醛两种。均聚甲醛是两端 均为乙酰基，主链由甲醛单元构成的大分子，示性式为c h 。c o o ( c h 。0 ) n c o c h s 。共聚甲醛主链是以一( c h z 0 ) 一链节为主，其间杂以少量一 ( c h z c hz 0 ) 一或一( c - 凡0 ) 链节，端基为甲氧基醚或羟基乙基醚结构的 大分子( 如分子量调节剂采用丁缩醛，则相应的端基是丁氧基醚或羟基 乙基醚) 。均聚甲醛密度、结晶度、机械性能均高于共聚甲醛，但热稳 定性、耐强碱性不如共聚甲醛，且其加工温度范围较窄。而共聚甲醛 加工成型的条件并不象均聚甲醛那样苛刻，加工过程中热分解释放出 甲醛气体少，可多次回收使用，而对产品质量无明显影响。从以上产 品性能比较，我们可以得知，共聚法是生产聚甲醛的方向。 1 9 5 9 年美国d up o n t 公司首先实现了均聚甲醛的工业化生产。商品 名d e l r i n 。1 9 6 2 年美国c e l a n e s e 公司推出了共聚甲醛产品，商品名为 c e l c o n 。直到2 0 世纪7 0 年代初，聚甲醛的生产一直由这两个公司所垄 断。国内聚甲醛的研制始于上世纪7 0 年代末，目前国内生产厂家有上 海溶剂厂和吉化石井沟联合化工厂，年生产能力分别为1 9 0 0 t 和 1 0 0 0 t 。前几年云天化股份有限公司从波兰引进的l o k t a 装置现已建 成投产，目前国内的年生产能力已达1 1 2 9 k t 。 聚甲醛综合性能优良、加工方便、用途广泛，而且原料来源充沛， 问世以后很快发展成为通用工程塑料的重要品种。其性能特点是：减 摩、耐磨、耐疲劳和耐药品性能优异，制品刚性、弹性和尺寸稳定性 好。特别适用于制作尺寸要求精密的、配合要求高的零部件。聚甲醛 是目前比较理想的可部分代替铜、铸锌、钢、铝等金属材料的工程塑 料，用途极为广泛，其主要的应用领域是农业器械、汽车、电子电器、 仪表、建筑、轻工等行业，大量用作承受循环交变载荷的零部件，如 齿轮、叶轮、轴承、衬套、垫圈、拉杆、导轨管等。 四川大学硕士毕业论文 近年来，聚甲醛在国内的消费量迅猛增加，尤其是进入2 1 世纪 以来，每年的消费量均9 0 k t 以上，主要依赖进口解决国内市场缺口， 年进口量近1 0 0 k t ，预计2 0 0 5 年，国内聚甲醛的年消费量将突1 0 0 k t 达到1 2 0 k t 左右。由于国内产品数量少，市场潜力巨大，国际跨国公 司纷纷在我国投资建厂，美国杜邦公司、日本三菱瓦斯化学公司均计 划建万吨级生产装置。日本宝理塑料、t ic 0 1 a 等公司合作投资1 1 2 8 亿美元，在江苏南通建6 0 k t 装置已通过国家有关部门批准立项。此外， 湖南湘氮实业有限公司、内蒙古伊化化学股份有限公司、浙江巨化股 份有限公司、中石化四川维尼纶厂等也都在积极筹建1 0 4 0 k t a 聚 甲醛生产装置。 从世界范围内生产消费情况来看。目前，美国、德国、荷兰、日 本、韩国等均建有万吨级p o m 生产装置，世界总生产能力达6 6 万t a ， 其产量仅次于聚酰胺和聚碳酸酯，成为了第三大通用工程塑料。6 0 7 0 年代p o m 消费市场主要在欧美，8 0 年代前期，日本的消费量增长迅速， 自8 0 年代后期以来，日本的消费量增长放慢，而亚洲其它地区的消费 增长很快。由于亚洲金融危机的影响，距洲地区p o m 的消费增长速度有 所下降，而欧美国家仍保持一定的发展势头。随着新兴产业的不断发 展，世界p o m 总需求量将以年均4 5 的速度增长。 近年来，随着注塑设备和技术的发展与改造，p o m 注塑技术得到 了飞速发展，出现了各种注塑成型方法。按注塑原理将其分为普通注 塑和特种注塑。特种注塑主要包括动力熔融注塑、气体辅助注塑、注 射一吹塑( 或中空注射) 成型等方法。其中某些方法，根据其技术革 新过程又衍生出不同特点的方法，如注射吹塑成型有注一吹成型和注 射一拉伸一吹塑( 简称注一拉吹) ，以及一步法和两步法之分等。 然而，在p o m 制品注塑方面，通常采用未加止逆环的全渐变螺杆注 塑成型p o m 制品，其结构示意图见图卜l ，此种螺杆塑化效果差，在 p o m 实际注塑生产成型中经常出现物料塑化不良或过热分解的情况， 严重制约了p o m 注塑制品生产效率的提高，难以满足市场对p o m 注塑 制品越来越高的质量和性能的要求。因此，高效的p o m 注塑塑化部件， 尤其是高效的p o m 塑化螺杆的开发具有很大的市场需求。 四川大学硕士毕业论文 图卜1 普通p o m 注塑螺杆结构示意图 f ig 1 1c o n f ig ur a t ；0 ns k e t c hm a po fc o n v e n t j o n a lp o m n j e c t io n 1 2p o m 注塑螺杆塑化的特性研究状况 p o m 的注塑成型就是将p o m 粒料或粉料从注塑成型机的料斗送入 机筒内加热熔融塑化后，在柱塞或螺杆加压下，物料被压缩向前移动， 通过机筒前端的喷嘴，以很快的速度注入温度较低的闭合模具中，经 过一定时间的冷却定型后，开启模具即得到制品的加工方式。 p o m 物料难以成型的原因是它的成型加工温度与热分解温度十分 接近，可操作的温度范围非常狭窄，物料的熟稳定性差。熔融的物料 不能在高温下停留过久，否则会分解出甲醛气体。对于一个给定的塑 化设备，使p o m 熔化的速度必须大于它的分解速度。注塑设备可分为 柱塞式注塑机和往复式螺杆注塑机，柱塞式注塑机塑化效果差，塑化 速度慢，致使p o m 注塑成型难以成功，因此通常注塑成型p o m 的设备 都采用往复式螺杆注塑机。影响往复式螺杆注塑机注塑成型p o m 制品 性能的主要因素有三个： ( 1 ) 原料的配方设计；( 2 ) 注塑螺杆、机筒、喷嘴构型及模具设计的 合理性：( 3 ) 正确的工艺条件。这三个因素是相互关联，不可分割的。 对于加工p o m 的注塑螺杆而言，根据物料的形态变化要求其具有 较小的压缩比( 2 n3 ) ，压缩比越大，在同等条件下的剪切越强，物 料温度因剪切过度而升高的可能性越大，这对p o m 加工是不利的。另 外，在实际生产过程中，任何一根给定的螺杆的压缩比是固定的，物 料所受的剪切力及其塑化程度，必须利用注塑机的可控特性，即螺杆 的转速和背压来调节，显然，压缩比越大的螺杼留给操作的转速和背 压调节的范围越窄，熔体温度控制难度越大。因而p o m 注塑螺杆的压 四川大学硕士毕业论文 缩比不应过大。通常，p o m 注塑螺杆的长径比为1 8 左右，螺杆端部呈 锥形且无止逆环，螺杆头部总是居于高温熔体区，尖头螺杆可减小螺 杆旋转时头部的剪切强度，防止死点停料和熔体过热降解。并且螺杆 与直通式全锥形喷嘴相匹配，配合间隙应该小，最大限度减少注塑时 熔体的积存量，喷嘴宜短，见图1 2 。所有的设计参数都是为了缓和 剪切强度，防止料温过高，以提供操作安全性和更大的操作灵活性。 聚甲醛采用螺杆式注塑成型时，制品的注塑量不应超过成型机最大注 射量的7 5 ，计量段长度4 5 d 。应尽量减少机简内部产生的过量摩 擦热。螺杼转速一般控制在5 0 6 0 r m in ，并尽量减少背压。背压一 般在0 6 m p a 左右。 图卜2p o m 注射头结构示意图 同时，在p o m 物料塑化过程中，螺杆的轴向位移和螺杆工作的间歇 性造成非稳态的熔融过程，又由于螺杆高速注射，将使螺槽内的熔融 物料形成较大的横流和漏流，导致固体床比挤出螺杆提早解体，熔融 物料将包裹住解体后大小不等的固相料，使破碎后的固相料块很难与 机简接触接受外熟，同时因被熔融料包裹而不能经受剪切热，从而降 低了熔融的效率。因此要想获得高的物料均化质量，加工p o m 的螺 杆宜为专用注塑螺杆。合理改进p o m 注塑螺杆的构型和几何参数，将 有助于提高注塑螺杆的分布混合效果和分散混合效果、提高注塑机的 4 四川大学硕士毕业论文 塑化能力和降低熔体温度的不均匀性”1 。 1 3p o m 注塑螺杆结构的研究 在过去几十年中，p o m 注塑机核心部件一螺杆的研究开发很有限。 在开发高效p o m 注塑螺杆时应考虑以下四个因素： ( 1 ) 提高螺杆的分布混合能力： ( 2 ) 改善螺杆的分散混合能力； ( 3 ) 增加螺杆的塑化能力； ( 4 ) 降低熔体温度的不均匀性。 1 3 1p o m 注塑螺杆结构及混合机理的探讨 混合从作用机理上分为两类，一是分布混合，一是分散混合。前者 是在不改变组份颗粒尺寸的条件下，获得其在基体组份空间位置上的 广延性和均匀性。分布混合借助的是对料流的多次分割，多次折叠，多 次再取向。分散混合则借助于拉伸应力和剪切应力使颗粒尺寸减小细 化，不断使料流形成新的界面。分布混合和分散混合是不可分的，通常 因结构、材料和配方的不同，所要求的混合作用的强度不同，混合作用 的持续时间也不同。 p o m 属于结晶型熟塑性热敏料，对p o m 注塑螺杆来说，属于分布 混合的螺杆结构有t 突交螺杆、销钉螺杆和犁钉螺杆等，这些螺杆并 不改变p o m 组份颗粒尺寸大小，但可使p o m 的各种助剂在基体组份空 间位置上的广延性和均匀性得到提高。其中的梨钉类螺杆可对物料进 行多次分割和多次折叠，分布混合效果将更显著。属于分散混合螺杆 有屏障头螺杆等，屏障头螺杆的剪切棱借助于对物料实施拉伸作用和 剪切作用使p o m 中的各种助剡颗粒尺寸减小细化，不断使料流形成新 的界面，从而改善混合效果。 国外对加工热敏料的注塑螺杆研究开发较早。一些相关的资料认 为：采用组合式的注塑螺杆，更有利于针对不同的注塑料的性能进行 分段更换“1 。n u n n “盯的研究指出：在螺杆头部增加一无螺棱的光滑段 可以降低对物料的剪切，防止p o m 等热敏料降解，见图1 - 3 。而 f r a n k l a n d 的研究得出：在螺杆头部设置了一个进料口和一个出料 口，两者之间用螺纹段相隔，能使进料口一侧压力高和剪切强，提 四j | i 大学硕士毕业论文 高注塑成型制品的塑化效果。而若使出料口的压力低、剪切弱，可使 物料避免剪切过强，适合注塑成型热敏料制品。y a m a g i w a “”的研究指 出：螺杆的计量段分成三段，第一计量段、中间段和第二计量段，第 二计量段的根径要小于第一计量段，这样可以有效调整塑料熔体的温 度波动。 围1 - 3 低剪切螺抒麸 圈卜4 双级挤出螺杆示意圈 与p o m 注塑螺杆相比，p o m 挤出螺杆结构的研究更为成熟些，目 前，双级螺杆、波状螺杆、销钉螺杆、屏障型、分离型及变流道型等 多种结构形式的挤出螺杆已在挤出方面得到了广泛的应用。所谓“双 级”指具有两段普通螺杆几何形状，这种螺杆一般在排气式挤出机中 使用，以排除夹带在粉料中的气体，其基本构造如图i - 4 所示。在非 排气式挤出机中，使用这种螺杆目的在于利用减压段，破坏螺槽内层 流以改进混炼。上述的几种螺杆既提供有效的湛合，又保证了热敏料 四川大学硕士毕业论文 不过热分解。 1 3 2 注塑螺杆的塑化能力研究 通常，增加螺杆的预塑行程可以增加注塑机的预塑量，但预塑量 过大会引起熔料轴向熔体温度的温差增大，造成充模困难和缺陷1 。 注射螺杆的塑化能力随螺杆直径、计量段螺槽深度、计量段长度 的增加而提高。王喜顺等“引的研究表明：在相同的计量段螺槽深度的 条件下，当计量段长度大于螺杆直径的5 倍后，注射螺杆的塑化能力 将随计量段长度的增加而提高的趋势会逐渐减缓。注射螺杆的塑化能 力与螺杆转速成正比，而与螺杆的背压及计量段成型温度成反比。 深螺槽螺杆较相同尺寸的浅螺槽螺杆的塑化能力高。可是，以增 加螺槽深度来提高塑化能力是有限的，因为随着塑化能力的增加熔体 质量变坏。因此为了改善熔体质量，往往用较浅螺槽的螺杆。然而螺 槽也不能过浅，否则物料流动将过分受到限制，增加作用在物料上的 剪切力，致使料温难于控制。所以，螺杆深浅程度应以求适宜的塑化 能力和塑化质量上的平衡为度。 图1 5 螺杆和机筒展开图 四川大学硕士毕业论文 王喜顺等“5 1 根据其研究特别指出：垂直于螺槽方向的速度的增加 有助予螺槽内物料的混合，而注塑螺杆垂直于螺槽方向的速度随螺杆 后退速度的增加而减少，见图卜5 ，螺杆垂直于螺槽方向的速度为： 一= + = 圪s i n o - v rc o s 0 ( 卜1 ) 其中v ，为螺杆后退的速度，圪= 观月，而见是螺杆的直径，r l 为 螺杆转速。 这就说明；在相同的成型条件及相同的螺杆尺寸条件下，注射螺 杆横向速度比挤出螺杆小，也就是说注射螺杆的混合、搅拌和均化等 作用都比挤出螺杆差。为了提高混合效果并改善均化作用，在注塑螺 杆的计量段末端增设混合元件就显得有必要。 1 3 3 熔体温度均匀性研究 注塑成型过程中，工艺参数的选择和调整对制品的质量将产生直 接的影响，而这些工艺条件中，最重要的是温度、压力和速度。尤其 是熔体温度是这些加工变量中最重要的变量之一，它直接影响熔体的 性质，如粘度和密度等性能；并且熔体温度也决定了其他的加工变量， 如熔体流动率、喷嘴口的压力、型腔压力、冷却时间和注塑制品的质 量特性等“”。因此，研究熔体温度均匀性和其他螺杆参数、加工变量 的关系就显得尤为重要，研究这些关系将为为正确设计制造注塑螺杆、 调整加工工艺参数和改善制品质量提供理论依据。 在对热敏性物料塑化过程中温度均匀性研究方面，b o z z e l l i 根据 其研究指出：在塑化过程中，熔体经常会出现温度不均一等问题，丽 熔体温度的不均一会导致制品性能差、制品的熔接痕强度低和制品容 易翘曲等问题“”。由于p o m 的热敏性，必须控制螺杆头部料温的均匀 性，而注塑螺杆后退、旋转速度、螺杆的间隙性运动等因素均会影响 p o m 熔体温度的均匀性。 塑化行程也是影响熔体温度均匀性的一个重要因素，随着塑化行 程的增大，熔体温度不均匀性增大。随着背压的增大，熔体温度整体 升高，同时熔体温度均匀性提高。此外注射熔体的温度均匀性还与加 工工艺条件密切相关。对于普通三段式螺杆，随螺杆转速、注射行程 的增加，熔体温度不均匀性加大；但随着背压的增大和物料在螺杆中 四川大学硕士毕业论文 停留时间的增大，熔体温度均匀性呈提高趋势。螺杆的几何参数与熔 体温度均匀性的关系密切，提高螺杆长径比、减小计量段槽深、减小 螺距等都会提高熔体温度均匀性，从而提高注射制品的质量“1 。 p o m 注塑机的螺杆一料筒间隙不宜过大，否则将增大其间隙间的物 料反流，从而增大作用于物料上的剪切，导致料温升高，甚至使料温 无法控制 1 4 本论文研究的目的和内容 1 4 1 研究目的 当前，p o m 优异的综合性能使得对其的消费需求正处于迅猛增长 的时期，无论是国际国内都潜在着巨大的消费市场。以往采用普通通 用型螺杆注塑成型p o m 的加工方式，由于生产物料塑化效果差、螺杆 塑化过程中局部过热等原因，难以生产高质量的p o m 制品并满足社会 发展的需要。所以，在对p o m 注塑产品质量的研究中，除了对p o m 添 加剂和加工工艺进行研究外，要想获得良好的塑化质量，新型高效注 塑螺杆的探索也刻不容缓，即根据不同的p o m 物料的特点，有针对性 地设计不同的螺杆结构，才链使物料塑化更均匀和混合效果更好。 到目前为止，人们对p o m 注塑螺杆的研究仍停留在探索阶段，对 其塑化机理尚缺乏足够的认识，也没有找到螺杆元件和塑化效果之间 的正确对应关系并形成一套较为系统和成熟的理论，确证其设计的有 效性和设计的重要性。因此，对注塑p o m 螺杆结构的研究有必要继续 深化，着重探讨螺杆元件的塑化机理，为新型高效p o m 注塑螺杼设计 的推广和应用做准备。 1 4 2 研究内容 本论文着重以下几个方面进行一些研究工作： ( 1 ) p o m 注塑组合螺杆的研制： 实验所用注塑机的确定以及原注塑螺杆参数的测绘； p o m 注塑螺杆组合方案的研究； 注塑螺杆元件的设计与制造； ( 2 ) 探讨p o m 基础配方： 9 四川大学硕士毕业论文 包括填料的选择和处理： 填料的最佳含量确定： 填料的不同粒径粒径对p o m 性能的影响； ( 3 ) 实验论证螺杆组合对兰种不同p o m 体系塑化效果的差异： ( 4 ) 探讨不同螺杆组合对p o m 塑化效果差异以及产生塑化效果差异 的机理。 参考文献 1 王洪记，胡东山，路文学聚甲醛工业现状及我国发展的对策四川化工 与腐蚀控制，2 0 0 1 ，4 ( 6 ) ：1 8 2 2 2 3 e 4 5 6 汪家铭甲醛蕴含巨大市场潜力聚化工设计，2 0 0 5 ，1 5 ( 1 ) 王洪记世界聚甲醛工业现状及我国发展的对策工程塑料应用，2 0 0 0 ， 2 8 ( 1 ) ：2 5 汪建萍我国聚甲醛工业现状及发展浙江化工，2 0 0 0 ，3 1 ， ( 2 ) ：1 9 金国珍工程塑料，化学工业出版社2 0 0 1 ，0 l ：2 2 0 2 5 3 北京化工大学，华南理工大学塑料机械设计 m ，中国轻工业出版杜， 1 9 9 5 1 2 ：3 5 3 7 c p j mv e r b r a a k 。h ，e ，h m e i j e r s c r e wd e s i g ni ni n j e c t i o n m o l d i n g j ，p o l y m e re n g i f i e e r i f i ga n ds c i e a c e ，1 9 8 9 ，2 9 ( 7 ) ：4 7 9 4 8 7 8 席世亮，姜南单螺杆挤出机螺纹元件的改进结构及混合 j 塑料，2 0 0 2 ， 3 1 ，( 4 ) ：7 6 7 9 9 l a i n g ，m u h w a n g ，t s a y ，l a n g - f u i n j e c t i o ns c r e ws e tf o ra ni n j e c t i o n m o l d i n gm a c h if i e p u sp a t e n t ：u s5 5 2 0 4 5 4 1 9 9 6 1 0 n u n n ，r o b e r te i n j e c t i o nm o l d in gp r o c e s su t i z i f i gl o ws h e a rs c r e w e p u sp a t e f i t ：u s4 2 9 9 7 9 2 ，1 9 8 1 1 1 v r a n k l a n d ，j r ，j a m e sd ，i n j e c t i o nm o l d i n gs c r e wf o rp r o e e s s i n gh e n t s e n s i t i w ep o l y m e r i cm a t e r i a l se p u sp a t e n t ：u s4 2 4 0 7 5 5 1 9 8 0 1 2 y a m a g i w a ，y o s h i t o s h i ，t a k i z a w ae ta 1 i f i j e c t i o ns c r e w p u sp a t e n t u s 5 9 8 4 5 1 7 e 1 3 e b u r k l e ，m b a u e r ，m w u r t e l e s c r e w sf o ri n j e c t i o nm o u l d i n g j i o 四川大学硕士毕业论文 k u n s t s t o f f ep 1 a s te u r o p e ，1 9 9 7 ，8 7 ( 1 0 ) ：8 1 2 n 4 王喜腰，颜家华，彭玉成影响注射螺杆塑化能力的因素 j 中国塑料t 2 0 0 1 ，1 5 ( 8 ) ：6 6 6 9 1 5 王喜顺。颜家华，彭玉成注射螺杆的熔体输送理论 j 中国塑料，2 0 0 1 ， 1 5 ( 8 ) ：7 3 7 5 c 1 6 许文耀，岑运福注塑成型熔体温度的研究 j 昆明理工大学学报( 理工 版) ，2 0 0 3 ，2 8 ( 1 ) ：3 1 3 4 1 7 j o h nb o z z e l l i ，b r i a nl a r i n a d v a n c e di n j e c t i o ns c r e wi sk e yt o p r o d u c t i v i t yf o rag l o b a lc o m p e t i t o r j m o d e r n p l a s t i c s 。1 9 9 0 ，( 1 2 ) ：6 6 “6 8 1 s 3 金志明，朱复华，高福荣注射成型中的熔体温度均匀性研究 j 中国塑 料，2 0 0 3 ，17 ( 3 ) ：8 8 9 1 1 9 nd o n t u l a ，pcs u k a n e k ，md k v a n a t h a n ，g ac a m p e l l a ne x p e r i m e n t a l a n dt h e o r e t i c a li r i v e s t i g a t i o i lo ft r a n s i e n tm e l tt e m p e r a t u r ed u r i n g i n j e c t i o nm o i d i n g j p 0 1 y m e re n g i n e e r i n ga n ds c i e n c e 。1 9 9 1 ，3 1 ( 1 ) ： 6 7 4 四川大学硕士毕业论文 第二章p o m 注塑螺杆的研制 2 1p o m 注塑螺杆的研制的理论依据 2 1 1 螺杆强化料简内物料的塑化过程 对于螺杆式注射装置，螺杆的转动能产生剪切、摩擦热量，使物 料温度提高。由于螺杆转动促进物料产生各种运动，物料位置的交换 起到搅拌混合作用，使物料温度均匀。与挤出机螺杆工作情况相似， 注射装置中螺杆工作时亦可分为加热段( 固体输送区) 、压缩段( 熔融区) 和均化段( 熔体输送区) 。不同的区段，螺杆转动时的机械功转变成热 的机理有所不同。在螺杆加料段，主要是固体粒子与料筒内壁和螺杆 表面摩擦生热：在全部为熔体充满的均化段，主要是熔体粘性流动， 由于剪切作用粘性耗散而析出热量；在压缩段，固液共存，因而两种 摩擦生热都有。从物料状态而言，以上三段可以看成是物料的固态与 熔态的差异而产生的摩擦热量的不同，而后者对料筒内物料加热系数 的影响更为重要。 当聚合物已处于粘流态时( 主要在螺杆的均化段) 粘度很高的熔 体因受剪切作用而产生大量的热，使熔体温度很可能大幅度上升。在 单位时间内，单位体积的熔体因受剪切作用而产生的热量q 可用下式 表示： q 。t 1 y 2 在螺杆的螺槽中，剪切速率可简化为下式计算： 。玎万d y = 一 。 6 0 h 式中d 一螺杆直径，m m n 一螺杆转速，r m i n h 一螺槽深度，m m 即聚合物熔体在螺槽内受剪切作用而产生的热量与螺杆直径和转 速的平方成正比，而与螺杆深度的平方成反比，而且熔体的粘度越高， 在其他条件相同时所生成的热量越大。由上可见，螺杆式的注射装置， 1 2 四川大学硕士毕业论文 由于螺杆转动，机械功转化为物料的剪切而生成热量，其效果可能大 于料筒外部热量的传入，致使物料熔体温度t a 上升，加热系数可大于 1 ，而且在聚合物的加工温度范围内，料简温度越低，由于熔体粘度较 高，能生成并吸收的摩擦热就越多，加热系数也就越大。螺杆转动对 聚合物塑化的强化作用，可以用料筒内物料沿料筒轴向升温曲线表示 出来。 辩筒辅向距离 图2 - 1 注射机料筒内升温曲线 卜螺扦式注射机( 剪切作用强烈) 2 - 螺杆式注射机( 剪切作用较平稳) 3 一柱塞式注射机( 剪切作用强烈) 3 - 柱塞式注射机( 剪切作用较平稳) 如图2 一l 所示。聚合物在料筒内从加料口到喷嘴处的温度变化与 螺杆的作用密切相关。对柱塞式注射装置，仅靠料筒的外部加热，可 以看出，与料筒接触的物料升温较快，靠近轴线的中心物料升温很慢， 直到流经分流梭附近时，温度才迅速上升，并逐渐减小物料各点的温 差，但仍低于料筒壁温度。对于螺杆式注射装置，开始升温速度并不 太大，因为此时物料处于固体状态摩擦发热不很大，并以料筒的传 四川大学硕士毕业论文 热为主，但当出现熔融物料时，粘性流体剪切发热量比较大促使其 温度很快上升，所以在料筒前方或在压缩段以后，由于螺杆的剪切和 混合作用，熔体温度不断上升，螺槽中物料熔融后，由于剪切摩擦导 致聚合物熔体温度升高，其值可近似计算为： 。了= ! ：! ：里：翌 6 0 h c 式中c 一聚合物比热容 由式可见：当浅槽螺杼转速很高时，可使温升大大提高，强烈的 剪切可使熔体温度接近甚至高于料筒壁温度，这种情况在离喷嘴较远 处已发生。螺杆对塑化的强化作用，除与螺杆转速有关外，阻止螺杆 后退的背压对剪切摩擦热的产生也有影响。背压提高时，螺杆旋转后 退所受的阻力增大，为克服增大的阻力，势必要增大驱动螺杆转动的 功率，使更多的机械功转化为热量，螺杆对聚合物塑化的作用，除了 能提高熔体的温度外，还可以提高熔体温度的均匀性。在一般情况下， 采用高转速、低背压工作，且注射量接近最大注射量时，螺杆头部熔 体温度的均匀性就较差。如果塑化效率不是生产中要考虑的主要因素 时，采用较低的螺杆转速和较高的背压，延长聚合物在料筒内的停留 时间，从而可能建立如同挤出机工作时那样的更均匀和连续的塑化条 件，则有利于提高熔体温度的均匀性。 2 1 2 塑化度对p o m 制品性能的影响 制品的塑化度介于6 0 一6 5 ，即割品在加工过程中初级粒子尚未 完全熔化、大部分熔合的时候，所成型的制品冲击强度较大。相对分 子质量大的比相对分子质量小的p o m 的冲击强度要大。润滑性较强的 体系由于润滑剂的作用使分子物理连接作用下降，形成的物理交联网 络弱，抗冲击强度较低。 制品的屈服性能与塑化度关系不大，塑化度介于4 0 1 0 0 ，制 品的屈服强度和屈服伸长率几乎相同。 制品的断裂性能也与塑化度有很密切的关系，凝胶化度在6 0 时 候，翎品的断裂强度最高，当凝胶化度在7 0 的时候，制品的断裂伸 长率最高。 四川大学硕士毕业论文 2 1 3 螺杆元件对塑化度及原料混合效果的影响 不同的螺杆元件，其构型存在着差异，当熔融物料流经螺纹元件 时，物料所受的热历程和剪切作用存在着差异，这些将直接导致塑化 度的差异及引起制品性能的差异。 p o m 是一种高结晶性的聚合物，具有较高的弹性模量，很高的硬 度和刚度，可以在一4 0 。c 1 0 0 。c 长期使用。p o m 物料有许多宝贵的性 能，但也存在稳定性差的缺点，当其在2 1 0o c 以上的温度下加工时， 会因为发生严重的降解作用而使性能变差，为防止这一现象的发生， 需要在加工过程中加入热稳定剂，同时为了加工顺利和经济等原因， 还需要在p o m 基体中加入加工助剂、填料和抗冲改性剂等物质，因此， 各种助剂在p o m 基体中分布和分散对基体的性能影响很大，这些混合 作用的实现就得借助于注塑螺杆的分布混合能力和分散混合能力，使 物料的混合效果更好。 因此合理的设计p o v l 注塑螺杆元件就显得十分必要。 2 2 新型p o m 注塑螺杆的研制阻3 1 p o m 新型注塑装置的研制包括新型螺杆的构型设计、新型螺杆头 的设计、新型喷嘴的设计、新型机筒的设计和螺杆机简材料的选择及 其强度刚度计算。机筒和螺杆共同组成了注塑枫的塑化系统，完成对 塑料的固体输送、熔融和定压定量输送的作用。机筒的结构形式关系 到热量传递的稳定性和均匀性，并且对于一些新型塑化系统来说，机 筒采用双金属层具有更高的承载能力和更长的使用寿命；进料段具有 纵向槽的沟槽型( i k v ) 机筒，可以改善固体输送能力，同时机简喂料 特性首先影响到塑化装置的输送效率和塑化过程的稳定，机筒的加料 口形式应适合自动落料，宽于螺杆直径或偏置的加料口有利于改善喂 料特性。机筒的机械加工和使用寿命也影响到整个塑化系统的工作性 能。因此，机筒在塑化系统中是仅次于螺杆的重耍零部件。在本论文 中仅考虑新型螺杆元件对塑化效果的影响，设计不同的螺杆元件以满 足不同p o m 物料的塑化工艺要求。 新型螺杆应用会对提高生产能力和注塑质量都有一定的效果。新 型螺杆元件是在普通螺秆的基础上设置某一种元件或几种来提高螺杆 四川大学硕士毕业论文 的某些性能。在设计新型螺杆元件时通常需要注意以下问题： ( 1 ) 提高螺杆生产能力； ( 2 ) 均衡设计；所设计新型螺杆对物料的熔融能力和均化能力应与 固体输送能力相匹配，即这三种能力在注塑机塑化过程中应近似平衡， 才能充分发挥新型螺杆元件的作用： ( 3 ) 元件应易于机械加工和安装，经济性好。 2 2 1p o i a 注塑螺杆设计方案对比 普通注塑机螺杆为整体式，加工方便，制造费较低；组合式注塑 螺杆由不同数目的具有不同功能的螺杆元件按一定的要求和顺序组装 到带导键或六角形螺杆芯轴上而成。人们可以根据物料和不同制品的 工艺要求，选择不同类型、不同数量的螺杆结构元件进行优化组合。 因而，可用有限的螺杆结构元件实现多种组合，从而使一台机器适合 于多种p o m 物料加工的需要。同时，对于实验研究，如果所有新型的 螺杆全部采用整体式设计，制造费用将很高，而采用组合式，在螺杆 元件变化不大的情况下，只需要更换其中的一部分元件即可进行研究， 制造成本较低。放在本项研究过程中，螺杆采用组合式设计。组合式 嫘杆芯轴结构如图2 2 。从经济性角度考虑，螺杼芯轴采用氮化钢 ( 3 8 c r m o a l ) ，而螺纹元件采用4 0 c r 。 螺杆头 苍轴 图2 - 2 组合式注塑螺杆芯轴结构示意圈 f i g ，2 - 2s c h e m a t icd ia g r a mo ft h ec o n f ig u r a t io r so fc o m b in a t io n in j e c tio ns c r e = wm a n d r ei 2 2 2 组合式p o m 注塑螺杆元件设计方案 注塑螺杆和挤出螺杆相比，有很多结构上的不同之处； 1 6 四川大学硕士毕业论文 注塑螺杆的长径比和压缩比较小；注塑螺杆均化段的螺槽较 深；注塑螺杆的加料段较长，而均化段较短；注塑螺杆的头部机 构具有特殊形式。以上几点决定了注塑机塑化部件的特点。在注塑螺 杆元件结构设计研究过程中，所采用的注塑机的技术参数如下： 型号：s z 1 0 0 螺杆直径：3 5 m m 螺杆长径比：1 7 ：l 最大注射量：1 0 0 9 注塑压力：16 5 6 k g c m 2 螺杆转速：o - - 1 8 0 r p m 总功率：1 5 3 k w 生产厂：南宁第二轻工机械厂 螺杆形式上采用三段式，螺杆的整体参数见表2 一l 。 在设计组合式p o m 螺杼元件时，考虑到p o m 物料特有的性质( 热 敏性物料，不