（材料加工工程专业论文）高效新型pvc注塑螺杆开发及其性能研究.pdf

四川大学硕士毕业论文 高效新型p v c 注塑螺杆开发及其性能研究 材料加工工程专业 研究生：陈志俭指导教师：刘廷华 近年来，聚氯乙烯( p v c ) 注塑制品的需求呈逐渐增长的趋势， 然而通常成型p v c 注塑制品所用的常规全渐变螺杆塑化效果一般， 严重制约了p v c 注塑制品生产效率的提高，并难以满足市场对p v c 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 v c 注塑螺杆具有重要的现实意义。 本项研究一方面致力于普通p v c 材料的填充共混改性研究， 对刚性粒子增韧p v c ( 填料的处理和添加含量的确定) 、弹性体增 韧p v c 及增容剂的选择三个方面进行了深入细致地探讨。研究表 明：采用硬脂酸处理c a c o 。增加了c a c o ，的分散能力，填充2 0 p h r c a c o ：，后p v c 复合材料的冲击强度仍增加4 0 。玻璃微珠经钛酸酯 处理效果较好。s b s 对p v c 有一定的增韧作用，加入增容剂c p e 后 效果更佳。增塑剂含量在4 0 p h r 时，软质p v c 体系有较好的力学 性能。 另一方面，本项研究设计制作了8 种新型的组合式p v c 注塑 螺杆，并在p v c 填充共混研究的基础上，用所设计的三种p v c 配 方在自行研制的p v c 注塑螺杆上进行了性能( 分布混合效果、分 散混合效果及力学性能) 的测试。研究表明：犁钉型注塑螺杆注 塑成型p v c 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问隙将有助于p v c 物料的塑化。 最后，通过建立均化段模型，对p v c 熔体在通用螺杆、犁钉 四j i i x 学硕士毕业论文 型螺杆和屏障型螺杆中的流动进行了模拟分析，找出了各类螺杆 元件对p v c 物料塑化产生差异的根本原因。 关键词：注塑螺杆；聚氯乙烯；屏障头：犁钉型；分离型 婴业查兰堡主兰些堡奎一 s t u d y o nd e v e l o p m e n to fp o l y v i n y lc h l o r i d ei n j e c t i o n s c r e ww i t hh i g hp e r f o r m a n c ea n dn o v e l t ya n di t s p 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 ：c h e n z h i j i a ns 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 ei s as t e a d yi n c r e a s ei nt h ed e m a n do fp o l y v i n y l c h l o r i d e ( p v c ) i n j e c t i o np r o d u c t s w h i l e i nt h ep v ci n j e c t i o n m o l d i n g ，p v cp 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 hh 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 g p r o c e s si ne f f i c i e n c y i nt h es a m et i m e ，t h ep o o rp r o d u c t sc a n n o tm e e t t h ee 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 s s i g n i f i c a n tt o s t u d yo np o l y v i n y lc h l o r i d ei n j e c t i o n s c r e ww i t hh i g hp e r f o r m a n c e a n dn o v e l t y i nt h i ss t u d y ，o no n eh a n d ，w ef o c u s e do nf i l l i n ga n db l e n d i n go f p v cm a t e r i a l t h ec o n t e n ti n c l u d e dt h r e ea s p e c t s ，r i ft o u g h i n gp v c ( a s w e l la st r e a t m e n to ff i l l e ra n dc o n t e n to f f i i l e r ) ，e l a s t m o r t o u g h e n i n gp v c a n ds e l e c t i n gc o m p a t i b i l i z e r ，i ti si n d i c a t e dt h a tt h e p e r f e c td i s p e r s i v ec a p a c i t y o fc a c 0 3w a sg o t t e na f t e rc a c 0 3w a s d e a l tw i t hs t e a r i ca c i d a f t e rf i l l e dw i t h2 0p h rc a c 0 3 ，t h ei m p a c t s t r e n t ho fp v cc o m p o u n dm a t e r i a l ss t i l li n c r e a s e db y4 0 p v c c o m p o u n dm a t e r i a l s w o u l db e t o u g h e n e db ys b s ，e s p e c i a l l y a f t e r a d d e dc p e w h e nt h ec o n t e n to fp l a s t i c i z e rr e a c h e d4 0p h r ，t h es o f t p v cm a t e r i a l sh a dg o o dp e r f o r m a n c e o nt h eo t h e rh a n d ，w ed e s i g n e d8c o m b i n a t i o ni n j e c t i o ns c r e w s ， i l l 四川大学硕士毕业论文 a n dd i d e x p e r i m e n tb y t h e n o v e l t yi n j e c t i o n s 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 s t e s t e d ，i n c l u d i n g e f f e c to fd 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 fd i s p e r s i v e b e n d i n g a n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s i t i si n d i c a t e dt h a t p e r f e c t m e c h a n i c a l p 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 cm o r p h o l o g yw e r eg o t t e n a f t e r p v cc o m p o u n dm a t e r i a l sm o l d e db yp i n e a p p l ei n j e c t i o ns c r e w ，a n d t h ec l e a r a n c eo fm a d d o c ki n j e c t i o ns c r e wp l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei n p v c p 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 d t oa n a l y s i st h em o v e m e n to fm e l tp v ci nc o m m o n s c r e w ，p i n e a p p l e s c r e wa 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 e p l a s t i c a t i o nw e r ec a r r i e do u t k e y w o r d s ：i n j e c t i o ns c r e w ；p o l y v i n y lc h l o r i d e ( p v c ) ；m a d d o e k s c r e w ；p i n e a p p l es c r e w ；b a r r i e rs c r e w 1 v 四川大学硕士毕业论文 第一章绪论 1 1 聚氯乙烯注塑螺杆研究的意义及现状 聚氯乙烯( p o l y v i n y lc h l o r i d e ，p v c ) ，是由氯乙烯单体( v c m ) 均聚合或 则与其他多种单体共聚合而制得的合成树脂，再配合以增塑剂、稳定剂、高 分子改性剂、填料、偶联剂和颜料等加工助剂，经过混炼、塑化、成型加工 而成的合成材料。p v c 树脂自1 9 3 5 年乳液聚合法和1 9 4 0 悬浮聚合法工业 化以来，经过6 0 余年的不懈努力。生产技术得到不断改进、完善加工、 应用技术也获得了很大的发展。目前，全世界聚氯乙烯产量仅次于聚乙烯 ( p e ) 居通用树脂第二位，在我国其产量居第一位( 占我国塑料总产量的 4 0 左右) ，特别是近几年来发展非常迅速( 见表卜1 ) 。p v c 制品由于具 有原料来源丰富、价格低廉、耐腐蚀、耐磨损、阻燃、耐老化、抗化学药品 性、耐溶剂、优良的电绝缘性能和较高的强度等优点，广泛应用于建筑、包 装、电子电器、家具、一般消费品、办公自动化、汽车、粘合剂、油墨、涂 料等领域。 表1 - 1 我目p v c 产量与需求量 k t t a b i - 1o u t p u ta n dd e m a n do fp v c i nc h i n ak t 按所选p v c 树脂和加工助剂的种类和数量的不同。可以制造出从软质、 半硬质、硬质塑料到纤维、涂料、胶粘剂、弹性体、特种功能材料等性能截 然不同的制品。同时，p v c 加工成型形式多样化，有：挤出、注塑、压延、 吹塑、烧结、刮涂、喷涂、搪塑和涂敷等，相应的产品形式有管材、型材、 注塑制品、中空制品、薄膜、片材、电缆料和人造革等，产品性能多样化， 因而消费结构复杂( 见表1 2 拉i ) 。在我国，p v c 制品与聚乙烯( p e l 和聚丙 烯( p p ) 相比，具有开发早、应用范围广、产品品种多、性能好等特点。在市 第一章绪论 场上占有相当重要份额。 表1 - 2 世界p v c 制品的消费结构 t a b 1 2t h ec o n s u m es t r u c t u r eo f p v c p r o d u c t s 近年来，随着注塑设备和技术的发展与改造，p v c 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、注射发泡( 又称结构发泡) 成型、层合( 或称多层) 注塑等方法。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，如注射发泡成 型有低压法、中压法( 或成反压法) 、高压法和夹芯发泡法；注射吹塑成型 有注一吹成型和注射一拉伸一吹塑( 简称注一拉一吹) ，以及一步法和两步 法之分等。 当前，聚氯乙烯注塑制品的发展呈逐渐增加的趋势。自1 9 9 0 年以来， 我国p v c 的表观消费量以年均1 0 的速度增加，特别是我国用于硬制品的p v c 比例将继续增大。硬质p v c 注塑制品按配混料的主要应用领域，分为管件制 品和通用注塑制品，按制品材质的内在结构不同，分为实壁制品、结构泡沫 制品、夹心发泡制品、层合制品和空心筋制品。注塑法在软质p v c 成型中的 应用，可用于生产凉鞋、玩具，以及用于机械、电器的软质塑料配件等。 然而，在p v c 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 v c 制品，其结构示意图见图卜l ，此种螺杆塑化效果差，在p v c 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 v c 注塑制品生产效率的提高，难以满足市场对p v c 注塑制品越来越高的质量和 性能的要求。因此，高效的p v c 注塑塑化部件，尤其是高效的p v c 塑化螺杆 四川大学硕士毕业论文 的开发具有很大的市场需求。 图1 - 1 普通p v c 注塑螺杆结构示意圈 f i g 1 - 1c o n f i g u r a t i o ns k e t c hm a p o fc o n v e n t i o n a lp v c i n j e c t i o ns c r e w 1 2p v c 注塑螺杆塑化的特性研究状况 p v c 的注塑成型就是将p v c 粒料或粉料从注塑成型机的料斗送入机简内 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 v c 物料难以成型的原因有两点，一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，物料的热稳定性见图卜2 。熔融的 物料不能在高温下停留过久，否则会分解出氯化氢气体，以致物料发生连锁 反应而加速分解，同时这些分解物会腐蚀机筒、螺杆和模具。二是p v c 的熔 体粘度在可允许的最高加工温度下仍e l 很高，往往发生充模困难，尤其是硬 质p v c 制品。对于一个给定的塑化设备，使p v c 熔化的速度必须大于它的分 30 。2 b = g l0 0 图1 - 2 硬质p v c ( a ) 和软质p v c ( b ) 的热稳定性和成型温度范围 f i g l 一2t h eh e a ts t a b i l i z a t i o na n dm o l d i n gt e m p e r a t u r e o f n n p l a s t i c i z e dp v c ( a 】a n d s o f tp v c ( b ) 第一苹绪论 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 v c 注塑成型难以成功，因此通常注塑成型 p v c 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 v c 制品性能的主要因素有三个： ( i ) 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 v c 的注塑螺杆而著，根据物料的形态变化要求其具有较小 的压缩比( 1 5 2 0 ) ，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 v c 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， 压缩比越大的螺杆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 v c 注塑螺杆的压缩比不应过大。通常，p v c 注塑螺杆的长 径比从1 6 ( 粒料) 到2 4 ( 干混料) ，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 3 】，见图l 一3 。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。 圈l - 3p v c 注射头绪构示意霄 f i g 1 - 3c o n f i g u r a t i o ns k e t c hm a p o fp v c i n j e c t i o ns c r e wh e a d 4 婴坐查兰堕主墨兰兰堡兰 同时，在p v c 物料塑化过程中，螺杆的轴向位移和螺杆工作的问歇性造 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筒接触接受外热，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1 4 j 。因此要想获 得高的物料均化质量，加工p v c 的螺杆宜为专用注塑螺杆。合理改进p v c 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、提高注塑机的塑化能力和降低熔体温度的不均匀性【) j 。 l _ 3p v c 注塑曩杆结构的研究 在过去几十年的当中，p v c 注塑机核心部件一螺杆的研究开发很有限， 除了开发波状螺杆用于p v c 注塑成型外，基本上局限于螺槽深度、三段长 度和长径比的优化上，其他改变甚少。在开发高效p v c 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 v c 注塑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，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1 6 j 。 p v c 属于无定形热塑性热敏料，对p v c 注塑螺杆来说，属于分布混合的 螺杆结构有：全渐变螺杆、销钉螺杆、犁钉螺杆和波状螺杆等，这些螺杆并 不改变p v c 组份颗粒尺寸大小，但可使p v c 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。其中的销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分离型螺杆、屏障 兰：! 堑丝 头螺杆等，分离型螺杆的分离螺棱和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? v c 中的各种助剂颗粒尺寸减小细化，不断使料流形 成新的界面，从而改善混合效果。 圈1 - 4p v c 专用波状螺轩结构示意图 f i g 1 4c o n f i g u r a t i o n s k e t c hm a po fs p e c i a lp v cw a v es c r e w 在对p v c 注塑螺杆结构开发研究方面，国内北京化工大学王兴天等p l 根 据h p v c 物料的性能和注塑过程的形态变化开发设计了一种新型波状注塑 螺杆( 简称b s 2 螺杆) ，如图1 - 4 。这种螺杆的特点是在压缩段和计量段均有 偏心距，螺槽展开为波型。h p v c 在这种螺杆中经受塑化时，除要在输送中 要经历一定的热历程外还要受波峰和波谷的捏炼作用，从而具有较高的塑 化能力和质量。王兴天等【3 1 研制出无计量段d s 4 螺杆在加工h p v c 时具有塑 图1 - 5 注塑装置止逆环结构示意图 f i g i - 5c o n f i g u r a t i o ns k e t c hm a p o fp v c i n j e c t i o nm o l d i n gm a c h i n e w i t hs e a l i n gr i n g 化能力强，塑化质量好，塑化温度低，塑化扭矩及能耗小，工作平稳等特点。 另外，杨于光等9 1 已研制了一种适宜加工h p v c 的止逆环和螺杆及螺杆头注 6 螺6 4 h “ 硼引 “甜 m 鬻篡一 黜一一一 四j i i 大学硕士毕业论文 塑系统，如图卜5 。该系统塑化质量更稳定。 式书 圈1 - 6 低剪切杆头 f i g 1 - 6s c r e wh e a dw i t hl o ws h e a r 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p v c 注塑螺杆，更有利于针对不同的p v c 注塑料的性能进行分 段更换。n u n n 1 1 1 的研究指出：在螺秆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 v c 等热敏料降解，见图i - 6 。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，两者之间用一螺纹段相 隔，能使进料口一侧压力高和剪切强。提高p v c 软制品塑化效果。而若使 出料口的压力低、剪切弱，可使物料避免剪切过强，适合加工硬质p v c 热 敏料。y a m a g i w a i 】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。 与p v c 注塑螺杆相比，p v c 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 的挤出螺秆已在p v c 制品挤出方面得到了广泛的应用”。所谓“双级”指 圈1 7 双级p v c 挤出曩杆示意图 f i g 1 7c o n f i g u r a t i o ns k e t c hm a p o f t w i n - s t a g ep v c e x t r u d e rs c r e w 第一章绪论 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l - 7 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 螺杆既提供有效的混合，又保证了p v c 物料不过热分解。 1 3 2 注塑曩杆的塑化能力研究 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i l6 j 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。 王喜顺等1 7 1 根据其研究 特别指出：垂直于螺槽方向 的速度的增加有助于螺槽内 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8 ，螺杆垂直于螺槽方向 的速度为： 田1 - 8 黑杆和机筒展开圈 f i g 1 8e x p e n d i n gm a p o fs c r e wa n db a r r e l 8 婴型查兰堡主望些堡兰 = + 吒= 酥s i n 0 一咋c o s 0 ( 1 一1 ) 其中v ，为螺杆后退的速度，k = 碱h ，而协是螺杆的直径，n 为螺杆 转速。 这就说明：在相同的成型条件及相同的螺秆尺寸条件下，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 熔体沮度均匀性研究 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i l ”。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p v c 物料塑化过程中温度均匀性研究方面，b o z z e l l i 据其研究指出： 在塑化过程中，熔体经常会出现温度不均一、粘度差异较大等问题，而熔体 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 v c 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 v c 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【2 “j 。 笙二皇堡垒 p v c 注塑机的螺杆一料筒间隙不宣过大，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 v c 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。以往采用全渐变螺杆注塑成 型p v c 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 v c 制品并满足社会发展的需要。所以，在对 p v c 注塑产品质量的研究中，除了对p v c 添加剂和加工工艺进行研究外，要 想获得良好的塑化质量，新型高效注塑螺秆的探索也刻不容缓，即根据不同 的p v c 物料( 硬质、半硬质和软质p v c ) 的特点，有针对性地设计不同的螺 杆结构，才能使物料塑化更均匀和混合效果更好。 到目前为止，人们对p v c 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 v c 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 v c 注塑螺杆设计的推广和应用做准备。 1 4 2 研究内窖 本论文着重以下几个方面进行一些研究工作： ( 1 ) p v c 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 v c 注塑螺杆组合方案的研究； 注塑螺杆元件的设计与制造； ( 2 ) 探讨各种p v c 基础配方( 软质p v c 、硬质p v c 和高填充含量p v c ) 包括填料的选择和处理； 填料的最佳含量确定； 弹性体的增韧改性以及增容剂的选择； 0 四川大学硕士毕业论文 软质p v c 最佳增塑剂含量的确定； ( 3 ) 实验论证螺杆组合对三种不同p v c 配方( 软质p v c 、硬质p v c 和高填 充含量p v c ) 塑化效果的差异； ( 4 ) 探讨不同螺杆组合对p v c 塑化效果差异以及产生塑化效果差异的机 理。 参考文献 1 刘龙，张英民，郎需霞世界p v c 供需状况分析 j 聚氯乙烯2 0 0 2 ，( 4 ) ：1 5 2 潘祖任，邱文豹，王贵恒塑料工业手册聚氯乙烯 m ，1 9 9 9 ，8 ，( 1 ) ：4 3 5 3 林师沛聚氯乙烯塑料配方设计指南【m 化学工业出版社，2 0 0 2 7 ：1 5 6 4 北京化工大学，华南理工大学塑料机械设计【m 】，中国轻工业出版社，1 9 9 5 1 2 ： 3 5 3 ， 5 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 n i n j e c t i o nm o l d i n g j p o l y m e r e n g i n e e r i n ga n ds c i e n c e ，i9 8 9 ，2 9 ( 7 ) ：4 7 9 - 4 8 7 6 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 【7 】王兴天- 杨于光加工h p v c 的b s 2 型高效注塑螺杆的实验研究 j 】塑料加工与应用 1 9 9 1 ，( 4 ) 1 2 2 7 【8 】杨于光，王兴天，止逆环在h p v c 注射成型中的应用【j 】，北京化工学院学 报1 9 9 1 ，1 8 ( 3 ) ：3 9 4 2 【9 】王兴天，杨于光d s a 螺杆实验与理论研究 j 】塑料技术1 9 9 1 ( 3 ) ：4 - 8 1 0 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 n s c r e ws e tf o ra n i n j e c t i o nm o l d i n g m a c h i n e 【p 】u sp a t e n t ：u s5 5 2 0 4 5 4 ，19 9 6 【1 1 】n u n n ，r o b e r te i n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s su t i l i z i n gl o ws h e a rs c r e w 【p 】u sp a t e n t ： u s4 2 9 9 7 9 2 1 9 8 1 【1 2 】f r a n k l a n d ，j r ，j a m e sd i n j e c t i o n m o l d i n g s c r e wf o r p r o c e s s i n g h e a ts e n s i t i v e p o l y m e r i cm a t e r i a l s 【p 】u sp a t e n t ：u s4 2 4 0 7 5 5 ，1 9 8 0 第一章绪论 【13 】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 n j e c t i o ns c r e w p u sp a t e n t ：u s5 9 8 4 5 17 【1 4 】孔岱东新型结构螺杆在p v c 制品挤出中的应用【j 】中国塑料，2 0 0 2 1 6 ，( 3 ) ：8 3 8 5 1 5je b u r k l e m b a u er 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 k u n s t s t o f f ep l a s t e u r o p e 1 9 9 7 8 7 ( 1 0 ) ：8 1 2 1 6 王喜顺。颜家华彭玉成影响注射螺杆塑化能力的因素 j 中国塑料，2 0 0 1 ，1 5 ( 8 ) ：6 6 6 9 1 7 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 1 8 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 9 j o h nb o z z e l l i ，b r i a nl a t i n a d v a n c e di n j e c t i o ns c r e wi s k e yt op r o d u c t i v i t yf o ra g l o b a lc o m p e t i t o r j 】m o d e r np l a s t i c s ，19 9 0 ，( 12 ) ：6 6 6 8 2 0 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 ，1 7 ( 3 ) ：8 8 9 1 2 1 nd o n t u l a ，pcs u k a n e k ，hd k v a n a t h a n ，g ac a m p e l l a n e x p e r i m e n t a l a n dt h e o r e t i c a l i n v e s t i g m i o n o ft r a n s i e n tm e l t t e m p e r a t u r e d u r i n g i 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 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 v c 注塑螺杆的研制 2 1 p v c 注塑螺杆的研制的理论依据i l 】 2 1 1 加工中p v c 颡粒形态的变化 悬浮聚氯乙烯树脂是一种粒径为7 5 2 5 0 的白色粉末，颗粒外边的皮 层与颗粒内部的初级粒子或附聚体连在一起，几乎成一体。初级粒子或附聚 体之间的距离极小，附聚体的大小在1 5 3 p m ，它是由十多个圆形的初级 粒子凝聚而成，初级粒子的粒径为0 7 帅。组成初级粒子的更微细的粒子是 区域结构( d o m a i n ) ，粒径约为2 3 0 h m ，它是由5 n m 的大分子凝聚体组成的。 树脂颗粒均由亚颗粒、聚结体、初级粒子堆积丽成，但不同试样颗粒的粒径 大小、颗粒内部的疏松程度又有所差异，可分为紧密型和疏松型。其树脂颗 粒微观结构示意图如图2 1 。 酗磁 圈2 - 1s p v c 树脂颗粒徽观结构 f i g 2 1t h em i c r o s t r u c t u r eo fs p v cr e s i n p v c 树脂颗粒的结构是在合成过程中形成的，而在加工过程中颗粒结 构在热和剪切作用下会变成更微小的结构。p v c 树脂大部分是无定形的， 也存在少量结晶区域( 结晶度为5 l o ) ，傲晶结构通过连接分子物理交联 成一体。p v c 在较低熔融温度下加工( 1 4 0 1 9 0 ( 2 ) ，物料中的粉末粒子 受到热和剪切作用而破碎，其流动单元是初级粒子，熔体粘度比较小。当温 度更高的时候，初级粒子进一步解体粒子白外层向内部逐步熔融，熔体流 动以分子流动为主。粒子间熔融的p v c 大分子在剪切力作用下，逐步缠结， 第二章p v c 注塑螺杆的研制 形成网络结构，粘度上升。p v c 微观粒子相互熔融所形成的三维网络结构 在低温下，网络很弱，且不连续，相反在高温下加工( 2 0 0 ) ，三维网络 更强更光滑。由于p v c 树脂热稳定性差，加工温度不宜太高，因此实际加 工中p v c 粒子熔融往往是不彻底的，即使加入加工助剂，也只能熔化到某 一结构层次，很难获得真正的熔体。 p v c 加工过程中经过熔融作用和冷却过程中再结晶，物理交联网络进 一步生成。通常p v c 树脂的粒径越小，分布越集中，越容易完成粒子破碎和缠 结这两个过程。通常。对于p v c 加工，一般把粉末状颗粒破坏丽产生连续 网络的变化称为凝胶化或熔化，凝胶化程度即为塑化度。 2 1 2 塑化度对p v o 翻品性能的影响 制品的塑化度介于6 0 6 5 ，即制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 v c 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，制 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。 2 1 3 杆元件对童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，这些将直接影响p v c 树脂的颗粒 形态，导致塑化度的差异及引起制品性能的差异。 p v c 是低结晶性聚合物，玻璃化温度在8 0 9 0 ，塑化温度为1 3 0 1 5 0 。p v c 物料有许多宝贵的性能，但也存在稳定性差的缺点，当其在1 6 0 2 0 0 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稳定剂，同时为了加工顺利和经济等原 因，还需要在p v c 基体中加入润滑剂、加工助剂、填料和抗冲改性剂等物 质，因此，各种助剂在p v c 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。 四川大学硕士毕业论文 因此合理的设计p v c 注塑螺杆元件就显得十分必要。 2 2 新型p v c 注塑螺杆的研制 p v c 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、新型机简的设计和螺杆机筒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机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。机简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，机筒采用双金属层合具有更高的承 载能力和更长的使用寿命；迸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，同时机筒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要零部件。在 本论文中仅考虑新型螺杆元件对塑化效果的影响，设计不同的嫘杆元件以满 足不同p v c 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 元件是在普通螺杆的基础上设置某一种元件或几种来提高螺杆的某些性能。 在设计新型螺杆元件时通常需要注意以下问题： ( 1 ) 提高螺秆生产能力； ( 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 v c 注塑螺辑设计方案对比 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 v c 物料加工的需要。 兰= 皇! ! ! 兰望堡堑堕堕型 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。故在本项研究过程中，螺杆采用 螺杆头芯轴 f 一。一 暗e 三三三三三三兰三三三三三三 三三j 国 圈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 i cd i a g r a m o ft h e c o n f i g u r a t i o n so fc o m b i n a t