塑料成型的理论基础

塑料成型的理论基础第1页/共354页第一节聚合物的流变行为

流：常用来描述液体的流动。古希腊和古中国哲人已有“万物皆流”的思想萌芽。变：常用来描述固体形变。流变：研究流动和变形规律的科学，“流”和“变”是两个紧密结合的概念，万物皆流，万物皆变。1928年美国物理化学家Bingham正式命名“流变学（rheology）”的概念，取自古希腊哲学家Heraclitus所说的，意即万物皆流。他次年创办了至今都十分著名的流变学报。聚合物流变学：主要包括结构流变学（流变特性和链结构、聚集态结构之间的关系）和加工流变学（加工工艺与流动性质之间的关系、流动性能与聚合物分子结构和组成之间的关系）。1.1基本定义第2页/共354页流体的定义：大多数成型过程中都要求聚合物处于粘流状态(塑化状态)，因为在这种状态下聚合物不仅易于流动，而且易于变形，这给它的输送和成型都带来极大的方便。为使塑料在成型过程中易于流动和变形，并不限定用粘流态的聚合物(聚合物熔体)，采用聚合物的溶液或分散体(悬浮液)等也是可以的，熔体和分散体都属于流体的范畴。熔体应力的分类：液体的流动和变形受到的应力有剪切、拉伸和压缩三种应力。三种应力中，剪切和拉伸应力对塑料的成型最为重要。但在很多成型方法中，往往是多种应力的耦合作用。熔体流动的形式：流体在平直管内受剪切应力而引发的流动形式有层流和湍流两种，流动的形式和雷诺数有关（公式见下），聚合物流体在成型的时由于粘度较大、速率小，属于层流。描述层流的最简单定律是牛顿流动定律：当有剪切应力τ（N/m2或Pa）于定温下作用在两个相距为dr的流体平行层面并以相对速率dv运动，则剪切应力和剪切速率之间呈线性关系：τ=(ηdv)/dr=ηּγRe<2100~2300时均为层流Re＝2300~4000时为过渡流Re>4000时为湍流第3页/共354页剪切下的形变不同类型的流体1.2流动模式第4页/共354页假塑性流体：这种流体的流动曲线也不是直线，与牛顿流体不同的是它的表观粘度会随剪切应力的增加而下降。常规聚合物熔体都属于这一类型。假塑性流体之所以有这样的流动行为，多数的解释是：剪切作用使分子链解缠。第5页/共354页膨胀性流体：这种流体的流动曲线也不是直线，与假塑性流体不同的是它的表观粘度会随剪切应力的增加而上升。属于这一类型的流体大多数是固体含量高的悬浮液，处于较高剪切速率下的聚氯乙烯糊塑料的流动行为就很接近这种流体。膨胀性流体之所以有这样的流动行为，多数的解释是：当悬浮液处于静态时，体系中由固体粒子构成的空隙最小，其中流体只能勉强充满这些空间。当施加于这一体系的剪切应力不大时，也就是剪切速率较小时，流体就可以在移动的固体粒子间充当润滑剂，因此，表观粘度不高。但当剪切速率逐渐增高时，固体粒子的紧密堆砌就次第被破坏，整个体系就显得有些膨胀。此时流体不再能充满所有的空隙，润滑作用因而受到限制，表观粘度就随着剪切速率的增长而增大。第6页/共354页流动类型流动规律符合的流体备注牛顿流体

(η为常数)PC和PVDC接近低分子多为此类宾汉流体

(τy

和η为常数)凝胶糊、良溶剂的浓溶液在剪切力增大到一定值后才能流动。假塑性流体

n<1，K为稠度系数大多数聚合物熔体、溶液、糊剪切增加，粘度下降。原因为分子“解缠”膨胀性流体

n>1高固体含量的糊剪切增加，粘度升高。第7页/共354页管壁滑移:在剪切作用下，聚合物熔体在管壁处的速率不为零。滑移程度不仅与聚合物的化学结构有关，而且与是否采用润滑剂和管壁的性质有关；末端效应（挤出胀大）：熔体从口模出来后其直径大于口模直径，或称离模膨胀，是分子链的弹性回复造成的。聚合物分子在流动中受到拉伸力的作用，弹性变形受到粘性阻滞，出口模后才能恢复，对制品的外观、尺寸，对产量和质量都有影响。增加管子或口模平直部分的长度（即增加口模的长径比），适当降低成型时的压力和提高成型温度，采用强制定型装置，并对挤出物加以适当速度的牵引或拉伸等，均有利于减小或消除弹性变形带来的影响。“鲨鱼皮”：由于口模对聚合物表面产生周期性张力或口模对聚合物发生时粘时滑作用而在挤出物表面产生的有一定的间距细微棱脊状结构；实验结果表明：①这种症状不依赖于口模的进口角或直径，而且只能在挤出物的线速度达到临界值时才出现；②这种症状在聚合物相对分子质量低、相对分子质量分布宽，挤出温度高和挤出速率低时不容易出现；③提高El模末端的温度有利于减少这种症状，但与口模的光滑程度和模具的材料关系不大。1.3流动带来的缺陷第8页/共354页熔体破裂：

即塑料的挤出或注射成列中常看到这样一种现象，在较低的剪切速率范围内，挤出物的表而光滑，形状均匀．但当剪切速率过大超过一定极限值时，从模口出来的挤以物，其表面变得粗糙、失去光泽、粗细不匀和弯曲，这种现象被称为“鲨鱼皮症”。此时如再增大剪切速率，挤出物会成为波浪形、竹节形或周期件螺旋形，在极端严重的情况下，会断裂。这种现象称为“熔体破裂”。总之，它是挤出物出现凸凹不平或外形发生畸变、断裂的总称；弹性对层流的干扰：熔体在流动过程中会由于剪切所储备的弹性逐渐释放出来，这样弹性的释放就不会使流动单元限制在同一个流层，从而引起了湍流；第9页/共354页第二节聚合物的加热和冷却

聚合物加工大部分要通过熔融来实现，其加热或冷却效果是由温度或热量在其中的传递速度来决定的，而传递速度又取决于聚合物的一个固有参数－热扩散系数:以上各字母分别表示热扩散系数、导热系数和定压比热容，精确计算热扩散系数是件很难的事情，以上各参数都是温度的函数 聚合物的热扩散系数要比金属的小1~2个数量级思考题：从聚合物热扩散系数小的这一特点，尽量减少由此带来的制品缺陷？第10页/共354页第三节聚合物的结晶－－－小分子无机物质：从溶液里得到有一定几何形状的晶体的过程叫结晶。－－－大分子有机物质：从熔体或溶液中得到有序结构的过程叫结晶。第11页/共354页链的规整性：规整度越高，越容易结晶；此外，结构不对称但空间排列规整的聚合物也容易结晶；分子链节和柔性：分子链节小柔性适中的容易结晶，主要原因是易于成核，链的活动能力强，易于使适当的构象排入晶格而形成结晶结构；规整结构的稳定性：规整结构只能说明分子链能够排列成整齐的阵列，但不能保证该阵列在分子运动下的稳定性。聚合物所处的热－机械环境，即加工环境。3.1影响聚合物的结晶能力的因素第12页/共354页结晶度：晶区含量所占比例；结晶度的测量方法：量热法（差示扫描量热仪）、X射线衍射法、密度法、红外光谱法、核磁共振波谱法；3.2聚合物的结晶度由于聚合物的分子链足够长，同一个分子链可能结合到不同的微晶中去，这样其它链段因此失去了足够的运动活性而无法排入晶格，因此聚合物不是完全结晶的，而且结晶度因结晶历史的不同而不同第13页/共354页3.3聚合物的结晶形态单晶：只能从极稀（<0.01%）的溶液，通过缓慢降温获得，其尺寸从几个微米到几百个微米；单晶球晶纤维状晶柱晶伸直链晶体第14页/共354页球晶：聚合物从浓溶液或熔体中结晶所得到的晶体，最大可达厘米级，用偏光显微镜可见十字消光纹，球晶的分子链总是垂直于球晶的半径方向纤维状晶：聚合物熔体在应力作用下的结晶，中心为伸直链构成的微束原纤结构，周围串着许多折叠链片晶。柱晶：聚合物熔体在应力作用下冷却结晶时，若是沿应力方向成行地形成晶核，晶体在应力方向生长收到限制，不能形成完善的球晶，只能沿垂直于应力方向生成柱状晶体。第15页/共354页由于结晶作用使大分子链段排列规整，分子间作用力增强，因而使制品的密度、刚度、拉伸强度、硬度、耐热性、抗溶性、气密性和耐化学腐蚀性等性能提高，而依赖于链段运动的有关性能，如弹性、断裂伸长率、冲击强度则有所下降。制品中含一定量的无定形部分，可增加结晶制品的韧性和力学强度，但能使制品各部分的性能不均匀，甚至会导致制品翘曲和开裂。结晶度升高耐化学性、熔点也均有所提高，透明性下降。晶粒对透明性影响很大，小的球晶，透明性好。3.4结晶对性能的影响第16页/共354页冷却速度慢：聚合物在加工过程中的结晶并非等温静态过程，同时冷却速度慢，成核密度小，在制品中容易形成大的球晶。而大的球晶结构使制品发脆，力学性能下降，加大了成型周期，并因冷却程度不够而易使制品扭曲变形。故大多数成型过程很少采用缓慢的冷却速度，成核密度大，在制品中容易形成小的球晶，使制品韧性好。冷却速度快，熔体的过冷程度大，骤冷甚至使聚合物来不及结晶而成为过冷液体的非晶结构，使制品体积松散。而在厚制品内部仍可形成微晶结构，这样由于内外结晶程度不均匀，会使制品产生内应力。同时由于制品中的微晶和过冷液体结构不稳定，成型后的继续结晶会改变制品的形状尺寸和力学性能。外力的影响：塑料在挤出、注射、压延、模压和薄膜拉伸等成型过程中，由于受到高应力的作用而使聚合物的结晶作用加快。这是因为在应力作用下聚合物熔体的取向，起到了诱发成核的作用(在拉伸和剪3.4成型过程中影响结晶的因素第17页/共354页切应力作用下，大分子沿力方向伸直并排成有序排列，有利于晶核形成和晶体的生长)，使结晶速度增加。熔体的结晶度还随压力的增加而提高，并且压力能使熔体结晶温度升高。此外，应力对晶体的结构和形态也有影响。例如在剪切应力或拉伸应力作用下，塑料熔体中往往生成一长串的纤维状晶体。压力也能影响球晶的大小和形状，低压下形成的是大而完整的球晶，高压下则生成小而形状不规则的球晶。退火：退火(热处理)的方法能够使结晶聚合物的结晶趋于完善(结晶度增加)，比较不稳定结晶结构转变为稳定的结晶结构，微小的晶粒转变为较大的晶粒等。退火可明显使晶片厚度增加，熔点提高，但在某些性能提高的同时又可能导致制品“凹陷”或形成空洞及变脆。此外退火也有利于大分子的解取向和消除注射成型等过程中制品的冻结应力。成核剂的影响：在聚合物中加入成核剂可提高结晶度，提高定型速度，减小晶粒的直径，提高透明度。第18页/共354页定向：聚合物的链段，分子链，结晶聚合物的晶片及具有几何不对称性的纤维状填料，在外力作用下做某种形式和程度的排列，叫定向或取向。分类：根据外力作用方式不同分为：①流动取向，聚合物处于流动状态时，由于受剪切力作用流动，取向单元沿流动方向所做的平行排列；成型时的流动取向，可分为填充物和聚合物分子取向例如纤维会在剪应力作用下发生定向排列。②拉伸取向，取向单元在拉伸力作用下产生，并特指热塑性塑料在Tg～Tm之间发生的取向。定向特点：①一般定向方向与流动方向一致②其产生主要依赖于应力而非温度③制品使用时一般不会解取向3.5成型过程中的定向（取向）作用第19页/共354页益处：可使制品在取向方向上的强度和光泽提高害处：无论何种取向，都会使制品性能表现为各向异性，造成制品内应力，翘曲变形，沿与取向方向垂直方向上的力学及其它性能变劣，取向后热收缩率变大等，都应极力避免。第20页/共354页3.5.1热固性塑料模压制品中纤维状填料的定向填料排列的方向主要是顺着流动方向的，碰上阻断力(如模壁等)后，它的流动就改成与阻断力成垂直的方向

第21页/共354页3.5.2热塑性塑料成型过程中聚合物分子的定向注射成型过程中流动模式第22页/共354页Typicalprofilesoftheshearstresscomputedattheendofthefillingphase(axi-symmetricdumbbell-likespecimenof1.5mmofdiametermouldedinapropylenecopolymer,Znisthenormalizedthickness)

C.Triboutetal.Polymer,2002,43,4185

注射成型过程中温度和剪切速率的分布第23页/共354页第24页/共354页用热塑性塑料生产制品时，只要在生产过程中存在着熔体流动，几乎都有聚合物分子定向的问题，不管生产方法如何变化，影响定向的外界因素以及因定向在制品中造成的后果基本上也是一致的。流动取向会造成制品各向异性，存在内应力，一般不希望在制品中存在取向。塑料试样在分子定向的力学强度

第25页/共354页注射成型中影响取向的因素①随着塑模温度、制品厚度(即型腔的深度)、塑料进模时的温度等的增加，分子定向程度即有减弱的趋势；②增加浇口长度、压力和充满塑模的时问，分子定向程度也随之增加；③分子定向程度与浇口安设的位置和形状有很大关系，为减少分子定向程度，浇口最好设在型腔深度较大的部位。第26页/共354页3.5.3聚合物的拉伸取向成型过程中如果将聚合物分子在玻璃化温度与熔点之间的温度区域内，沿着一个方向拉伸，则其中的分子链将在很大程度上沿着拉伸方向作整齐排列，也就是分子在拉伸过程中出现了定向。由于定向以及因定向而使分子链间吸引力增加的结果，拉伸并经迅速冷至室温后的制品在拉伸方向上的拉伸强度、抗蠕变等性能就会有很大的提高。对薄膜来说，拉伸如果是在一个方向上进行的，则这种方法称为单向拉伸(或称单轴拉伸)；如果是在横直两向上拉伸的，则称为双向拉伸(或称双轴拉伸)。拉伸定向要在聚合物玻璃化温度和熔点之问进行，分子在高于玻璃化温度时才具有足够的活动，这样，在拉应力的作用下，分子从无规线团中被拉伸应力拉开、拉直和在分子彼此之问发生移动。实质上，聚合物在拉伸定向过程中的变形可分为三个部分：①瞬时弹性变形：这是一种瞬息可逆的变形，是由分子键角的扭变和分子链的伸长造成的。这一部分变形，在拉伸应力解除时，能全部恢复。②分子排直的变形：排直是分子无规线团解开的结果，排直的方向与拉伸应力的方向相同。这一部分的变形即所谓分子定向部分，是拉伸定向工艺要求的部分。它在制品的温度降到玻璃化温度以下后即行冻结而不能恢复。③粘性变形：这部分的变形，与液体的变形一样，是分子间的彼此滑动，也是不能恢复的。第27页/共354页取向分子和保持是通过把温度降到玻璃化温度之下来实现。拉伸后的薄膜或其它制品，在重新加热时，将会沿着分子定向的方向(即原来的拉伸方向)发生较大的收缩。拉伸之后聚合物的强度得到明显提高，例如，聚苯乙烯薄膜可以由拉伸前的34MPa，提高到拉伸后的82MPa第28页/共354页拉伸影响因素

在给定拉伸比(拉伸后的长度与原来长度的比)和拉伸速度的情况下，拉伸温度越低(不得低于玻璃化温度)越好。其目的是增加排直变形而减少粘性变形(参见图2—27)。在给定拉伸比和给定温度下，拉伸速度越大则所得分子定向的程度越高。在给定拉伸速度和定温下，拉伸比越薄膜的拉伸强度大，定向程度越高不管拉伸情况如何，骤冷的速率越大，能保持定向的程度越高。第29页/共354页结晶对拉伸过程的影响是比较复杂的。首先，要求拉伸前的聚合物中不含有晶相，含有晶相的聚合物，在拉伸时，不容易使其定向程度提高。其次，具有结晶倾向的聚合物，在拉伸过程中，伴有晶体的产生、结晶结构的转变(指拉伸前已存有晶相的聚合物)和晶相的定向。拉伸过程中的分子定向能够加速结晶的过程这是晶体在较短时间(拉伸所需时间不长)就能够产生的缘故。结晶常能限制分子的运动。因此，通过热处理，聚合物形成高的结晶度以防止收缩。结晶性聚合物的拉伸第30页/共354页思考题1、什么是取向？2、流动取向对制品性能有何影响？3、掌握分析流动取向的方法（注意：聚向程度取决于剪切力大小、作用时间和解取向的程度）4、举几个拉伸成型的产品的例子。第31页/共354页2.6聚合物的降解

学习目标：1、明确降解的类型2、注意不同聚合物对不同降解的敏感性3、如何有效的防止降解第32页/共354页聚合物的降解降解：在光热氧等外界因素影响下，聚合物分子量下降，化学结构发生改变，导致外观、力学性能等下降。降解的类型：热降解氧化降解力降解水降解第33页/共354页热降解是在温度较高或作用时间较长时发生的降解。热降解与聚合物的化学键能有关，化学键能越大，越不容易发生降解。比加聚四氟乙烯，C-F键键能大，所以稳定性很好。热降解还与聚合物的纯度有关，如果分子存在不稳定结构或杂质，降解更容易发生。容易发生热降解的塑料有：PVC、PVDC、POM。由于聚合物成型加工多数要进行加热，所以如何防止热降解非常重要。防止热降解的方法主要有：添加热稳定剂；温度不要太高或高温时间不要太长。2.6.1热降解第34页/共354页

氧化降解分为：热氧老化、光氧老化。热氧老化是在热引发下氧参与的降解，降解速度一般较快；光氧老化是在光引发下氧参与的降解，一般降解速度比较慢。氧化降解有自动催化加速作用，降解速度会越来越快。一般的聚合物都有被氧化降解的驱势，尤其有不饱合键和带支链结构的聚合物。比加PP、ABS。有效防止氧化降解的方法是：加入抗氧剂和光稳定剂；尽量减少高温与氧接触。2.6.2氧化降解第35页/共354页2.6.3力降解成型加工中总是要受到各种各样的力，如剪切力、拉伸力。这些力可能造成分子链的断裂。力降解是不以避免的。

2.6.4水解含有酯、酰胺基聚合物在与水接触时，可能发生水解。防止的方法：干燥。第36页/共354页思考题：1、什么是降解？2、发生热降解的塑料主要有哪些？如何有效防止热降解？3、氧化降解主要有哪两类？如何有效防止氧化降解？第37页/共354页第三章成型用物料及其配制内容简介：塑料用树脂、助剂的基本性能，不同状态原料的配制方法。本章重点：粒料的配制和粉料的配制及其目的－改善工艺性能、改善制品性能或降低生产成本。第38页/共354页3.2粉料和粒料的组成

在塑料成型加工中，压延和挤出都可采用粉料。一般配制粉料是把各组分混合分散均匀，因此这种粉料也称作干混料。不管是粉料还是粒料，都是聚合物和助剂两类物质组成的。其中聚合物是主要成分，助剂则是为使复合物或其制品具有某种特性或者易于加工而加入的一些物质。常用的塑料助剂种类很多，主要有增塑剂、稳定剂、加工助剂、冲击改性剂、填充剂、增强剂、着色剂、润滑剂、防静电剂、阻燃剂、防霉剂等20多类。加至塑料中的助剂是随制品的不同要求而定的，并不是各类都需要，加入的各类助剂必须以相互发挥协同效应为要则，切忌彼此抑制。第39页/共354页3.2.1聚合物(树脂)聚合物的作用和要求：聚合物就是塑料的主要成分，所以它决定了制品的基本性能。在塑料制品中，聚合物应成为均一的连续相，其作用在于将各种助剂粘结成一个整体，从而具有一定的物理力学性能。由聚合物与助剂配制成复合物需要有良好的成型工艺性能，例如，在成型过程中，一般应在一定的温度、压力下具有可塑性(连续流动的行为)。从配料的角度来考虑，对聚合物的选择要求主要是相对分子质量大小及其分布、颗粒大小、结构和它们与增塑剂、溶剂等相互作用的难易等。凡相对分子质量偏高，颗粒结构紧密，以及与增塑剂和溶剂作用较难的，则配制时即需较高的温度、较强的外作用力和较长的作用时间。常用的聚合物树脂有：PE聚乙烯、PVC聚氯乙烯、PP聚丙烯、PS聚苯乙烯、ABS丙烯－丁二烯－苯乙烯共聚物、PA聚酰胺、PC聚碳酸脂、PMMA聚甲基丙烯酯甲酯、POM聚甲醛、PPO聚苯醚、PPS聚苯硫醚、PUR聚氨酯、PSU聚砜、PF酚醛树脂、PTFE聚四氟乙烯等第40页/共354页3.2.2增塑剂增塑剂的作用：为降低塑料的软化温度范围、降低玻璃化转变温度和提高其加工性，柔韧性或延展性，加入的低挥发性或挥发性可忽略的、能使聚合物分子链间作用力减弱的物质称为增塑剂，而这种作用则称为增塑作用。增塑剂通常是一类对热和化学试剂都很稳定的有机物，大多是挥发性低的液体，少数则是熔点较低的固体，而且至少在一定范围内能与聚合物相容(混合后不会离析)。经过增塑的聚合物，其软化点(或流动温度)、玻璃化温度、脆性、硬度、拉伸强度、弹性模量等均将下降，而耐寒性、柔顺性、断裂伸长率等则会提高。目前工业上大量应用增塑剂的聚合物只有聚氯乙烯、醋酸纤维、硝酸纤维等少数几种。其中主要是聚氯乙烯，所耗增塑剂占其总产量的80％以上。因此，以下将着重讨论聚氯乙烯的增塑剂。但所述的原理部分对其它塑料也同样适用。分子链增塑剂连接点增塑模型第41页/共354页增塑剂的应用：实际采用的增塑剂，除要求它们对聚合物的相容性好、增塑效率高、挥发度低、化学稳定性高、对光、热稳定性好等外，还要求无色、无臭、无毒、不燃、吸水量低，在水、油、溶剂等中的溶解度和迁移性小、介电性能好，在室温和低温下制品外观和手感好耐霉菌及污染以及价廉等。要求一种增塑剂同时兼具这些性能是困难的，但其中相容性好和挥发度低是最基本的要求，在使用时，应在满足这两项要求后再按具体情况作适当选择，在多数情况下，常将几种增塑剂混用来达到要求。聚合物与增塑剂的相容性：由于增塑剂对聚合物的作用是发生在它们分子之间的。因此，最重要的要求是它们之间应该有相容性，即彼此之间有互溶性。相容性好的可作为主增塑剂，能单独使用；增塑剂不易析出。相容性差的对聚合物的亲合力差，只能与主增塑剂共用。增塑剂的效率：它是从改变聚合物的一定量的物理性能所需加入增塑剂的量作为标记的。选择的物理性能指标可以不同，如用弹性模量、柔顺性、玻璃化温度、脆折温度、回弹量以及一切变形(伸长、弯曲、扭曲、压缩等)等均可。即要满足特定的需要。第42页/共354页3.2.3稳定剂定义：在塑料中加入稳定剂是制止或抑制聚合物因受外界因素(光、热、氧、细菌、霉菌以至简单的长期存放等)所引起的破坏作用。稳定剂可分为热稳定剂、光稳定剂(紫外线吸收剂，紫外线猝灭剂、光屏蔽剂等)及抗氧剂等。第43页/共354页3.2.4填充剂（填料）

填充剂一般都是粉末状的物质，配制塑料时加入填充剂的目的是改善塑料的成型加工性能，提高制品的某些性能，赋予塑料新的性能和(或)降低成本。通常用偶联剂或表面活性剂处理，以改善填料在塑料中的分散程度。填充剂的加入量一般为塑料组成的40％以下。近年来生产的一些高填充塑料制品等，填充剂的加入量则可能远超过此范围。填充剂的大小和表面状况对塑料性能有一定影响，球状、立方体状的通常可提高成型加工性能，但机械强度差，而鳞片状的则相反。粒子愈细时对塑料制品的刚性、冲击性、拉伸强度、因此稳定性和外观等改进作用愈大。第44页/共354页3.2.5增强剂

加入聚合物中使其机械性能得到提高的纤维(金属纤维和颗粒)类材料，称作增强剂。它实际上也是聚合物的填料，只是由于性能上的差别和目前有很大的发展，所以特将其单独列作一类。增强剂用量越高，增强效果也越大，但却使塑料流动性下降，恶化成型加工性能，对设备的磨蚀也较严重。第45页/共354页3.2.6着色剂

赋予塑料以色彩或特殊光学性能或使之具有易于识别等功能的材料称为着色剂（色母料）。塑料着色剂主要有无机颜料、有机颜料和染料三类。色料一般有粒状、膏状、粉状之分。用前两种在运输上虽较方便，但在混合时比较费工：用后一种，操作时会引起粉尘飞扬，需要添加防尘措施，所以选择色料时应该结合混合成本以及工厂所能提供的设备和环境保护的要求作出合理的选择。此外目前也有工厂专业生产一些高浓度(50～200倍或更高)的色母料，供成型加工厂使用，因它清洁、方便又易于控制，因而发展很快。第46页/共354页3.2.7润滑剂

为改进塑料熔体的流动性能，减少或避免对设备的摩擦和粘附(粘附也可能由其它助剂引起)以及改进制品表面光亮度等，而加入的一类助剂称为润滑剂。常用热塑性塑料中需要加润滑剂的有聚烯烃、聚苯乙烯、醋酸纤维素、聚酰胺、ABS、聚氯乙烯等，其中又以硬聚氯乙烯更为突出。常用的润滑剂有脂肪酸及其皂类、脂肪酸酯类、脂肪醇类和酰胺类、石蜡、低相对分子质量聚乙烯、合成蜡、丙烯酸酯类及某些有机硅化合物。润滑剂的用量常低于1％。选用时应注意的是：润滑剂的用量和品种对物料的配制及成型加工都有较大的影响。第47页/共354页3.2.8防静电剂

聚烯烃、聚苯乙烯、聚酰胺、聚氯乙烯等塑料制品的表面，常因在成型过程中与模具或设备表面分开而积有静电，这种积电还会在制品后加工或运转中增加。带有静电的制品表面容易积灰，对生产与使用不利。静电过大时常会震击人身，如果静电压大至3000V时还会产生静电火花，甚至引起火灾。为使制品具有适量的导电能力以消除带静电的现象，可在塑料中加入少量防静电剂。防静电剂主要有胺的衍生物、季胺盐类、磷酸酯类和聚乙二醇酯类。微弱的电离性，又有吸水性，能够在制品表面形成导电层，目前主要是加入填料来实现此功能第48页/共354页3.2.9阻燃剂

不少塑料是可燃的，这给应用带来许多限制。如在塑料中加入一些含磷、卤素的有机物或三氧化二锑等物质常能阻止或减缓其燃烧，这类物质即称为阻燃剂。此外在某些聚合物(如环氧、聚酯、聚氨酯、ABS等)合成时，引人一些难燃结构(基团)，也可起到降低其燃烧性能的作用，这些称为反应型阻燃剂。

常用阻燃剂如磷酸酯类、含卤磷酸酯类、有机卤化物、无机阻燃剂。添加型阻燃剂的使用量一般较大，从百分之几到30％，因此，添加型阻燃剂常会使制品的性能，特别是力学性能下降。反应型阻燃剂则有可能克服这一缺点。

第49页/共354页3.2.11其它助剂①为生产泡沫塑料用的发泡剂。

②为防止聚烯烃和聚氯乙烯薄膜自身之间的粘着所加入的改性脂肪酸类(在吹塑薄膜中使用时常称作开口剂)。

③为免除农用薄膜因水汽凝结而出现的雾层而加入的非离子型表面活化剂，如木糖醇酯。加入这种物质的薄膜也有利于包装一般含有少量水分的食品。

④为增进聚氯乙烯制品在受荷下的热稳定性所加入的氯化聚氯乙烯。

⑤为降低聚氯乙烯熔体粘度而有利于成型和后加工(指板材)所加入的丙烯酸类树脂、氯化聚乙烯和ABS树脂等。

⑧为提高聚氯乙烯的冲击强度、耐热性、耐寒性而加入的增韧剂，如氯化聚乙烯、丙烯腈一苯乙烯共聚物、甲基丙烯酸甲酯、丁二烯等的合成物。应该指出的是，上列的后几类添加剂都是不同品种的聚合物，因此，可看作是高分子共混合物，而不属于助剂的范畴。

第50页/共354页3.3混合过程

原料的准备：树脂的干燥，称量，固体助剂的研磨等。原料的混合：定义：是一种趋向于减少混合物非均匀性的操作，在整个系统的全部体积内各组分在其单元内没有发生本质变化情况下的细化和分布过程混合设备：

①转鼓式混合机，靠混合室的转动来完成。用于非润性物料的混合

②螺带式混合机，多用在高速捏合后物料的冷却上，也叫冷混合机

③捏合机，混合时间长，均匀性差，效率较前两者高

④高速捏合机

第51页/共354页混合原理和效果评定

1、混合理论分析扩散：靠各组分间浓度差推动微粒从浓度高向浓度低的区域迁移。（对固、液态物料，这种作用不明显）对流：靠各组分在外界因素下向其它组分所占空间流动，达到各组分在空间上的均匀分布（主要手段为机械搅拌）剪切：机械作用产生剪切力使物料各组分的物料块形变甚至分离崩溃，达到均一混合的目的（物料初混以对流为主，塑炼主要靠剪切作用）

2、混合效果的评定均匀程度；分散程度。第52页/共354页混合过程中的物理化学作用第53页/共354页3.3溶液和分散体的配制学习目标：1、了解溶液配制方法2、掌握溶胶的制备过程第54页/共354页3.3.1溶液的制备简介：成型中所用的聚合物溶液，有些是在合成聚合物时特意制成的，如酚醛树脂和聚酯等的溶液。而另一些则需在使用时配制，如乙酸纤维素和氯乙烯一乙酸乙烯酯共聚物的溶液等。设备：配制溶液所用的设备，一般都用附有强力搅拌和加热夹套的釜。为便于将聚合物结块撕裂和加强搅拌作用，也有在釜内加设各式挡板的。以下结合上面所述溶解过程原理，介绍两种工业上常用的具体配制方法。

第55页/共354页制备的方法慢加快搅法配制时，先将选定的溶剂在溶解釜内加热至一定温度，然后在快速搅拌和定温下，缓缓加入粉状或片状的聚合物，直至投完应加的量为止。投料的速率应以不出现结块现象为度。缓慢加料的目的在于使聚合物完全分散之前不致结块，而快速搅拌则既有加速分散和扩散作用，又借搅拌桨叶与挡板问的剪应力来撕裂可能产生的团块。低温分散法先将溶剂在溶解釜内进行降温，直到它对聚合物失去活性的温度为止，然后将应加的聚合物粉状物或片状物一次投入釜中，并使它很好地分散在溶剂中，最后再不断地搅拌将混合物逐渐升温。这样当溶剂升温而恢复活性时，就能使已经分散的聚合物很快溶解。配制溶液时，对溶剂和溶液加热的温度，应在可能范围内尽量降低，不然即使在溶解釜上设有回流冷凝装置，也会引起溶剂的过多损失，甚至影响生产安全。另外，由于溶解过程时间较长，高温常易引起聚合物的降解。当然过猛的搅拌也可能使聚合物有一定降解。用上述方法配制的溶液均须经过滤、脱泡后方能使用。配制过程中的生产控制和质量检验指标主要是固体含量与粘度。至于溶液的检查项目，则视其用途而定。

第56页/共354页3.3.2分散体的配制分散体又称塑料糊，它是常温下可以流动的固液混合物，主要应用于人造革、地板革、铸塑、滚塑、搪塑。（1）组成：树脂+非水液体+助剂（2）分类：

溶胶和凝胶之分→前者流变性为假塑性，后者为宾汉流体；

塑性胶和有机胶之分→前者为软产品，后者为硬产品。第57页/共354页第四章压缩模塑

主要内容：模压成型主要用于热固性塑料制品的生产。成型经过加热使其熔化，加压充模，再经加热交联固化，脱模后即得制品。本章重点：模压过程和操作方法第58页/共354页模压成型方法简介定义：模压成型又称压缩模塑，这种方法是将粉状、粒状、碎屑状或纤维状的塑料放入加热的阴模中，合上阳模后加热使其熔化，并在压力的作用下，使物料充满模腔，形成与模腔形状一样的模制品，再经加热或冷却，脱模后即得制品。从工艺角度看,上述过程可分为三个阶段：流动阶段、胶凝阶段、硬化阶段。适用对象:

①几乎所有热固性塑料。常见的有酚醛、脲醛、环氧塑料、不饱和聚酯、氨基塑料、聚酰亚胺、有机硅等，也可用于热塑性的聚四氟乙烯和PVC唱片生产；

②适于形状复杂或带有复杂嵌件的制品，如电器零件，电话机件、收音机外壳等;③无翘曲变形的薄壁平面热塑性塑料制品。第59页/共354页特点：

优点设备投资少，工艺简单，易操作；压力损失小，多用以成型大型平面制品及多型腔制品；材料取向小；

无流道及浇口，材料浪费少；适用的材料广泛（可成型带碎屑状、片状及纤维状填料制品）

缺点

固化时间长，生产效率低；精度不高；合模面处易产生飞边；对形状复杂或带嵌件的制品不易成型；自动化程度低。适用范围

模压成型主要用于热固性塑料制品的生产。对于热塑性塑料也可以采用，但由于生产效率低，很少采用。第60页/共354页4.1预压定义：

将松散的原料预先用冷压法（模具不加热）压成形状规整，质量一定的密实体的过程压缩粉的性能对预压的影响

水分及挥发分

颗粒大小，最好是大小相同

倾倒性（120g压缩粉通过管径为10mm，锥角为60度的标准漏斗时间来衡量，一般取25～30s）

压缩率在3.0左右⑤润滑剂用量要适当⑥温度，一般为室温⑦压力,以预压物的密度达到制品密度的80％为适宜。约40～200MPa3.设备和操作

压模结构：上下阳模和阴模组成

预压机偏心式有（尺寸较大的预压物，但效率不高）旋转式（尺寸小的预压物，效率高）液压式（用于松散性较大的预压物，效率高，紧凑）两种第61页/共354页4.2预热

为了改善物料的成型性能及除去多余的水分和挥发组分，对预压物进行加热处理

作用

缩短成型周期

提高制品的力学性能

提高塑料流动性

降低模压压力

预热工艺温度范围

酚醛塑料：分低温和高温两种，低温为80～120℃，高温为160～200℃；

脲甲醛塑料：最高不超过85℃；

三聚氰胺甲醛塑料：105～120℃；

脲－三聚氰胺甲醛塑料：80～100℃

聚酯塑料：只有增强塑料才预热，预热温度为55～60℃。

预热方法

热板加热

烘箱加热（料层不要超过2.5cm，加热均匀）

红外线加热:表面得到辐射热量,然后传到内部

高频加热:热量不是从外传到内,而是在各点自行加热（不宜加热水分含量大,宜加热极性物质，高频电场使分子间发生摩擦而产生热量）

第62页/共354页4.3压缩模塑设备一.压机

①形式:

上动式和下动式液压机②结构组成：上、下压板，固定（活动）垫块，柱塞（主机筒）。③特点：

上动式:下压板固定，上压板与主柱塞连并上下运动；顶出机构由位于下部机座内的顶出活塞带动

下动式:上压板固定，主柱塞位于下压板下并与之相连；脱模一般由安装在活动板上的机械装置完成上动式液压机1-柱塞;2-压筒;3-液压管线;4-固定垫板;

5-活动垫板;6-绝热层;7-上压板;8-拉杆;

9-下压板;l0-机座

第63页/共354页压缩模由阴阳模组成，按结构特征分为三种：溢式、不溢式和半溢式溢式压模成本低，操作容易，适合用于模压扁平状或近碟状制品，制品精度不高。

二模具溢式模塑示意图1-上模板;2-组合式阳模;3-导合钉;4-阴模;

5-气口;6-下模板;7-推顶杆;8-制品;9-溢料缝第64页/共354页③不溢式压模适合流动性较差的物料和深度较大的制品，投料量要准确，排气不利。

④半溢式模具兼具以上两种特点。不溢式塑模示意图1-阳模;2-阴模;3-制品;4-脱模杆;

5-定位下模板

无支承面半溢式塑模示意图

1-阳模;2-溢料槽;3-制品;4-阴模;

A段为平直段第65页/共354页4.4模压过程和操作方法

模压成型工序：安放嵌件、加料、闭模、排气、固化、脱模、模具清理

嵌件的安放

①埋入塑料的部分要采用滚花、钻孔或设有凸出的棱角、型槽等以保证连接牢靠

②安放时要正确平稳

③嵌件材料收缩率要尽量与塑料相近加料

加料方法：重量法，容量法，计数法。闭模

阳模未触及物料前要快，触及物料后要放慢速度。排气闭模后需再将塑模松动少许时间，以便排出其中的气体。一般一到两次，20s/次固化热固性塑料依靠在型腔中发生交联反应达到固化定型的目的脱模一般是靠推顶杆完成，带嵌件的制品要先用专用工具将成型杆件拧脱，再行脱模清理模具型腔用钢刷或铜刷刮去残留的塑料，并用压缩空气吹净。第66页/共354页4.5模压成型的控制因素一．模压压力的作用

使塑料在模腔内流动；增加原料的密实性；克服树脂在缩聚反应中放出的低分子物和塑料中其它挥发物所产生的压力，避免出现胀大，脱层等缺陷；使模具紧密闭合，从而使制品具有固定的尺寸，形状和最小毛边；防止制品在冷却时发生变形。影响模压压力的因素①物料流动性越小，固化速度越快，物料的压缩率越大时，所需模具压力越大。②制品复杂，压力越大。第67页/共354页用不溢式塑模时，压力与体积随时间的变化示意图第68页/共354页

二.模压温度的作用使物料熔融流动充满型腔；提供固化所需热量。

调节和控制模温的原则：保证充模固化定型并尽可能缩短模塑周期

一般模压温度越高，模塑周期越短。对于厚壁制品，应适当降低模压温度，以防表面过热，而内部得不到应有的固化。模温与物料是否预热有关，预热料内外温度均匀，塑料流动性好，模压温度可比不预热的高些。其它影响因素还有如材料的形态、成型物料的固化特征等，应确保各部位物料的温度均匀。第69页/共354页

三.模压时间模压时间是指熔融体充满型腔到固化定型所需时间，一般提高模温，可缩短模压时间。模具温度不变，壁厚增加，时间延长。另外还受预热、固化速率、制品壁厚等因素影响。通常，模压压力、温度和时间三者并不是独立的，实际生产中一般是凭经验确定三个参数中的一个，再由试验调整其它两个，若效果不好，再对已确定的参数进行。第70页/共354页4.6模压成型不正常现象分析不正常现象产生原因解决办法制品表面起泡和内部鼓起１、压缩粉中的水分及挥发物含量过多２、模具温度过低或过高３、成型压力过低４、保持温度时间过长或过短５、模具内有其它气体６、材料压缩率太大、含空气量过多７、加压不均匀１、将压塑粉干燥和预热２、调节好温度３、增加成型压力４、延长固化时间５、闭模时缓慢和加压模具６、物料先预热，改变加料方式７、改进加压装置制品欠压有缺料现象１、塑料流动性过小２、加料少３、加压时物料溢出模具４、压力不足５、模具温度过高，以致存料过早固化１、改用流动性大的物料２、加大加料量３、增加压力４、调节压力５、加速闭模、降低成型温度毛料（飞边）过厚１、加料过长２、物料流动性太小３、模具设计不合理４、模具导柱孔被堵塞５、模具毛刺清理不净１、准确加料２、降低成型温度３、改进模具设计４、彻底清理模具，保证闭模严密５、仔细清模制品尺寸不合格１、材料不符合要求２、加料不准确３、模具已坏或设计加工尺寸不准确１、改用合格材料２、调整加料量３、修理与更换模具第71页/共354页思考题１、简述压缩模塑成型的工艺流程。２、模压成型中的预压有什么优点？３、预热的方式有哪几种？第72页/共354页第五章挤出成型内容简介：挤出成型是借助螺杆的挤压作用,使塑化均匀的塑料强行通过机头成为的连续制品，如管、板、丝、薄膜、电线电缆等。挤出成型是塑料成型加工中重要方法之一。根据对塑料的加压方式不同，可分为连续式和间歇式；按塑料的塑化方式不同可分为干法和湿法两种。本章重点：1.单螺杆挤出原理2.几种制品的挤出工艺：吹塑薄膜、管材、拉伸产品、板与片、其它产品

第73页/共354页

定义：挤出成型又叫挤塑、挤压、挤出模塑。是借助螺杆或柱塞的挤压作用,使塑化均匀的塑料强行通过模口而成为具有恒定截面的连续制品。第74页/共354页挤出管材生产第75页/共354页

管材挤出的辅助设备第76页/共354页挤出片材生产第77页/共354页挤出线缆包覆成型第78页/共354页

挤出吹塑薄膜第79页/共354页挤出中空吹塑成型第80页/共354页塑料挤出成型工艺流程挤出过程：加料——在螺杆中熔融塑化——机头口模挤出——定型——冷却——牵引——切割第81页/共354页挤出成型的特点:

①连续化,效率高,质量稳定②应用范围广③设备简单,投资少,见效快

④生产环境卫生,劳动强度低

⑤适于大批量生产

适用的树脂材料：绝大部分热塑性塑料及部分热固性塑料，如PVC、PS、ABS、PC、PE、PP、PA、丙烯酸树脂、环氧树脂、酚醛树脂及密胺树脂等

应用：料薄膜、网材、带包覆层的产品、截面一定、长度连续的管材、板材、片材、棒材、打包带、单丝和异型材等等，还可用于粉末造粒、染色、树脂掺和等。

第82页/共354页由挤出机、机头和口模、辅机等组成。5.1挤出设备第83页/共354页主要设备第84页/共354页5.1.1单螺杆挤出机的组成单螺杆挤出机主要由传动系统、加料系统、塑化系统、加热与冷却系统、控制系统等组成。挤出系统是最主要的系统，它由料筒、螺杆、多孔板和过滤网组成。第85页/共354页单螺杆挤出机的结构第86页/共354页传动系统：是带动螺杆转动的部分，通常由电机、减速机构以及轴承等组成；加料装置：主要是料斗，但工厂都采用自动加料装置，甚至带有烘干、计量装置等；料筒：包裹在螺杆外部的装置，起到受热受压的作用，物料的塑化和加热、加压都在其中进行，大部分都有冷却装置（风、水冷）；螺杆：利用它才能使料筒内的塑料向前移动，得到加压和热量（摩擦热）；①螺杆的直径（D）和长径比（L/D），长径比决定了体积容量以及塑化的均匀性。第87页/共354页

螺杆的主要参数：

D：螺杆外径；d：螺杆根径；L：螺杆长度；ｔ：螺距； Ｗ：螺槽宽度；ε：压缩比ｅ：螺纹宽度；ｈ：螺槽深度；φ：螺旋角；Ｌ/D：长径比。第88页/共354页1-渐变型(等距不等深)2-渐变型(等深不等距)3-突变型4-鱼雷头螺杆Ⅰ-加料段（固体输送段）Ⅱ-压缩段（熔融段）Ⅲ-计量段（均化段）最常用的是等距不等深螺杆②螺杆形式和分段第89页/共354页③螺旋角和螺棱宽度(e):螺旋角取决于料粒的形状，例如30o对应粉状，15o左右对应方块状，17o左右对应球状和柱状，④螺杆头部形状：一般呈锥形，以避免在螺杆头部停留过久而导致分解出现。第90页/共354页5.1.2双螺杆挤出机的结构第91页/共354页典型的双螺杆挤出机的螺杆：Colombo螺杆；锥型双螺杆；组合型双螺杆；第92页/共354页5.2.2机头和口模圆孔口模主要用来生产棒材、单丝造粒，口模平直部分长度和直径比小于10扁平口模一般用来生产厚度小于0.25mm的膜或板材环形口模一般用来生产管材、管状薄膜、吹塑用型胚以及电线电缆异形口模主要用来挤出不同横截面的制品第93页/共354页

过滤板（网）的作用：

Ⅰ.使物料由螺旋运动转变为平直运动。

Ⅱ.过滤杂质和未熔化好的塑料颗粒。

Ⅲ.使物料受到较大的剪切作用，以利于塑料塑化均匀。

Ⅳ.使料筒和机头定位。

对机头结构的要求：

Ⅰ.口模定型部分应有适当长度。

A.

使物料处于稳定流动;B.减小熔体弹性和出口膨胀；

C.L长，产量提高;D.太长，笨重，阻力大，Q降低。

Ⅱ.机头中过渡部分应光滑，呈流线型。

原因：防止物料的停滞和分解。

Ⅲ.应设置调节装置，改善周边的流率分布。（厚度均匀）

第94页/共354页物料处理设备主要指预热干燥等设备挤出物处理设备主要指冷却、牵引、切割、卷取、检测设备控制生产工艺的设备主要指各种测控设备5.2.2挤出机的辅助设备第95页/共354页5.2.2挤出机的一般操作方法

设备调试

安全

清洗

5.3单螺杆挤出原理

学习目标：掌握挤出理论中影响生产和产品质量的因素第96页/共354页5.3单螺杆挤出工作原理第97页/共354页5.3.1固体输送

加料段具有输送固体物料，兼有预压、预热作用。要使制品质量、产量稳定，须满足以下两个条件：

1.熔体的输送速率等于固态物料的熔化速率

2.沿螺杆轴向任一截面物料的质量流率等于挤出机生产率目前对此理论的推导最为简单的是以固体对固体的摩擦力静平衡为基础的。

第98页/共354页

物料在该段类似于“弹性固体塞”，固体塞在螺槽内的运动就如螺帽在螺丝上的运动一样。

①如旋转螺丝，而螺帽上无压力，则螺帽跟着螺丝转动而不前移。

②若在螺帽上加一定压力，再旋转螺丝，则螺帽就会随螺丝旋转而前移。

成型时，塑料与螺杆的摩擦力应小于塑料与料筒的摩擦力，也即螺杆的光洁度应大于料筒的光洁度。否则，塑料只能抱着螺杆空转打滑不能前移。

第99页/共354页固体塞摩擦模型第100页/共354页螺槽中固体输送的理想模型(a)和固体塞移动速度的矢量图(b)第101页/共354页

受力分析

由上图知：Fb=PAbfb，Fs=PAsfs

，Fbz=AbfbPcosφ。稳定流动时，Fs=Fbz，则Asfs=Abfbcosφ

①Fs=Fbz=0，物料在料筒中不能发生任何流动。

②

Fs>Fbz，物料被夹带于螺杆中随螺杆转动不产生移动。

③

Fs<Fbz，物料能在料筒与螺杆间产生相对运动。第102页/共354页

假设条件：

①物料与螺槽和料筒壁紧密接触形成固体塞（床），以恒速移动；

②略去物料重力、密度变化的影响；

③磨擦系数恒定，压力是螺槽长度的函数；

④螺槽为矩形

经过分析可看出物料的运动类似螺母运动。

提高固体输送的措施

①适当提高螺杆转数N和螺槽深度H;②采用锥形结构料筒；在加料段料筒内壁开设纵向沟槽（提高fb）；冷却进料段防止物料提前软化；

③冷却螺杆加料段（减小fs）,增加螺杆表面光洁度（减小fs）第103页/共354页

加料段的送料量Qs（摩擦力静平衡）

Qs应为螺槽的横截面积与轴向速度Va的乘积，可得:螺杆的展开图(a)和固体塞移动距离的计算(b)

Qs=SVa=π/4[D2－（D－2h)2]Va=πh(D-h)×Va（1）第104页/共354页

由上图的展开图可见，螺杆转动一周，物料在螺纹斜棱推力作用下，沿与斜棱垂直的方向由A移向B，AB在螺杆轴上的投影距离为l，物料在轴向的移动速度为Va；若螺杆的转速为N，则Va=l×N

由上图中螺杆的几何关系可得出：πD=b1+b2=l·cotθ+l·cotφ=l（cotθ+cotφ）第105页/共354页所以因此（2）（3）第106页/共354页

影响加料段送料量的因素：

①前进角的影响：0≤θ≤900Ⅰθ=00时，θ最小。

Ⅱθ=900时，θ最大。

②槽深h的影响：在D不变时，h增大，θ提高。

③减小fs，Q↑。

④增大fb，Q↑。

⑤选择合适的螺旋角φ,且使最大，Q↑。

⑥D↑，Q↑，N

，Q↑。

⑦φ↑，θ↑。

第107页/共354页①适当提高N和H;②采用锥形或强烈冷却的进料段料筒结构；在加料段料筒内壁开设纵向沟槽（提高fb）；③冷却螺杆加料段（减小fs）,增加螺杆表面光洁度（减小fs

）一等螺杆Ra=0.8μm,优等0.4μm。④在螺杆中心通冷却水，以降低螺杆表面的摩擦系数

影响加料段送料量的因素：第108页/共354页5.3.2固体熔融研究目的：①预测螺槽中未熔化物料量②

熔化全部物料所需螺杆长度③熔融与螺杆参数、物料特性、工艺参数间的关系冷却试验和熔融机理：

冷却试验：本色料+3~5%着色料挤出——稳定后停止并迅速冷却螺杆和料筒——取出螺杆、剥下物料——切断螺旋带状料并观察截面形状现象：

①熔融料呈流线型，未塑化料始终呈固态

②固—液两相有一明显分界线

③固相逐渐消失，固体塑化完全集中在熔膜处熔融机理：加料段压实——逐渐熔融成一层熔膜——超过后边螺槽刮落于前侧形成熔体池——固体床减小——直至物料完全熔融

第109页/共354页主要作用

①使物料熔融塑化。②压实物料。③排出物料中的气体。

螺杆的压缩比(ε):

定义：指螺杆加料段第一个螺槽容积与计量段最后一个螺槽容积之比。对于常用的等距不等深螺杆的压缩比常用加料段和计量段螺槽的横截面积之比来表示。几何压缩比：

工厂常用式ε=0.93h1/h3来表示。

第110页/共354页

（3）

熔化过程:图3-6-11为固体物料在螺槽中的熔化过程示意图。

固体物料在螺槽中的熔融过程

1-熔膜2-熔池3-迁移面4-熔融的固体粒子5-未熔融的固体粒子第111页/共354页

①熔膜：

与料筒（螺杆）表面接触的固体物料，由于料筒热传导和摩擦热作用，首先熔化，形成一层熔膜（1）。②

熔池：逐渐熔化的物料，在料筒与螺杆的相对运动作用下，不断向槽螺的推进面汇集，而形成漩涡状的流动区，称为熔池→液相。③固体床：

熔池前面充满着受热软化和半熔化后粘接在一起的固体粒子，和完全未熔化的固体粒子，总称为固体床。④迁移面：熔膜和固体床间的界面称为迁移面。熔化过程主要在迁移面进行。第112页/共354页螺槽全长范围固体床熔融过程示意图:

固体床在螺槽中的分布变化(a)

和固体床在螺杆熔融区的体积变化(b)第113页/共354页

Ⅴ随着塑料向机头方向的移动，熔化过程逐渐进行。从始熔点A起，固体床宽度逐渐减小，熔池宽度逐渐增大，直至B点时，固体床消失，即完成了熔化过程。（固体床深度的变化见下图）

螺杆中聚丙烯熔融时固体床在螺槽中的深度D=90mmN=60转/分Q=71Kg/h第114页/共354页螺杆压缩段中物料的计算速度分布(a)

和计算温度分布(b)第115页/共354页压缩段速度和温度的分布

①料筒内表面处，Vz最大。

②熔膜中，Vz­在深度方向（Y）自上而下减小。

③固体床中，各处Vz相等。这是因为有熔结固体块，粘度大，移动困难，差别不明显。

④靠近螺杆的熔膜中，Vz在Y方向自上而下减小，直至螺杆处，Vz=0。第116页/共354页

粒料加人挤出机后,固体粒子以松散状态向前运动,同时粒子之间存在相互滑移。随着内部压力的建立,松散的粒子渐渐被压实,粒子间隙缩小,粒子相互运动的自由度减小

进入熔融段后,粒子受热发生粘连,但粒子间界面仍然很清楚。由于热、力的作用使粒子发生变形,粒子间的空隙逐渐被填充,如图所示。从图可以看出,粒子中心的颜色接近固体颜色,粒子周边的颜色半透明,接近熔体颜色,这表明粒子中心部分的温度低于周边温度,同一粒子内部存在温度差。因此对每一个粒子而言,其熔融过程是从外向内进行的。可视化研究熔融实验结果第117页/共354页熔体有四种形式的流动：正流：

正流(拖曳流)Qd(cm3/h)，沿螺槽向机头方向的流动。由于螺杆转动，塑料在螺杆根部与机筒间形成相对运动造成的，它决定挤出量的大小；逆流：

逆流（反流）Qp，与Qd相反的流动。由机头、多孔板等阻力元件对熔体的反压力造成，也叫压力流，随机头压力的升高而增加；环流：

横流（环流）Qt,由分速度Vbx引起的在螺槽内与正流垂直的流动。对总挤出量影响不大，可忽略不计，但对熔体的混合、塑化、热交换起重要作用；漏流：

漏流Ql，由机头阻力元件引起的物料反向流动，沿螺杆与料筒间隙向加料口方向流动，可降低挤出量。正常情况很小0.1～0.6mm，Ql小，但磨损严重时，Ql的增加与平方成正比。

5.3.3熔体输送理论第118页/共354页第119页/共354页5.3.5单螺杆挤出机生产能力分析第120页/共354页第121页/共354页第122页/共354页5.3.6螺杆和口模的特征曲线第123页/共354页第124页/共354页第125页/共354页5.3.7挤出率的影响因素第126页/共354页第127页/共354页第128页/共354页第129页/共354页第130页/共354页5.4普通三段式螺杆存在的问题

目前，一般单螺杆多采用等距不等深螺杆，加料段常和均化段螺槽深度不变，压缩段螺槽逐渐变浅。这种螺杆可以满足一般的挤出成型，但存在以下几方面的问题：熔融效率低

熔融段熔体与固体床共同存在于一个螺槽中，减小了料筒壁与固体床的接触面积；

固体床随着熔融解体，部分碎片进入熔体中，很难从剪切获得热量，这样，固体床不能彻底熔融；

另外，已熔物料与料筒壁接触，从料筒壁和熔膜处获取热量，温度继续升高过热。压力、温度和产量波动大

固体输送时又与螺杆旋转产生较高频率的波动，由于熔融过程的不稳定性产生低频波动，温控系统的稳定性差或环境因素的变化引起的波动。

混合效果差

不能很好适应一些特殊塑料的加工或混炼、着色工艺过程。第131页/共354页5.4.1新型螺杆

排气式螺杆主要适用于含水和易产生挥发组分的物料，或易夹杂气体的物料。排气原理：物料到排气段基本塑化，由于该段螺槽突然加深，压力骤降，气体从熔体中逸处，从排气口排出。这就要求排气段处的压力非常低，此外，气体或水份的排出受扩散过程控制，而扩散过程受温度影响，因此要求排气段物料的温度尽可能高，即处于熔融状态。

第132页/共354页第133页/共354页5.4.2分离型（屏障型）螺杆原理：在螺杆熔融段再附加一条螺纹，将原来一个螺纹所形成的螺槽分为两个，将已熔物料和未熔物料尽早分离，促进未熔料尽快熔融。第134页/共354页不同类型屏障型螺杆的比较

第135页/共354页5.4.3销钉型螺杆

基本原理：物料流经过销钉时，销钉将固体料或未彻底熔融的料分成许多细小料流，这些料流在两排销钉间较宽位置又汇合，经过多次汇合分离，物料塑化质量得以提高。销钉形状设置在熔融区，排列形状有人字形、环形等，销钉形状有圆柱形、菱形、方形等。第136页/共354页第137页/共354页5.4.4混合螺杆

在熔融段末或均化段增设置混合、混炼、剪切、均化等作用的元件，可以提高混合的均匀性、混炼效果好，混色均匀，分散性好。第138页/共354页第139页/共354页

和单螺杆挤出机相比，双螺杆挤出机的特点是：①较高的固体输送能力和挤出产量；②自洁能力；③混合塑化能力高；④较低的塑化温度，减小分解可能；⑤结构复杂，成本高。

5.4.双螺杆挤出的特点第140页/共354页5.7几种典型的挤出工艺

管材中空吹塑吹塑薄膜双向拉伸薄膜第141页/共354页5.7.1管材的成型

机头和口模第142页/共354页滤网

过滤机械杂质、未熔物料；增加料流阻力，提高混合、塑化效果。由若干片叠在一起的30~120目不锈钢网组成，用多孔板支承。多孔板（筛板、分流板）厚度为螺杆直径的1/3~1/5，上边钻有φ3~6mm的中间疏、两边密的同心圆孔，距螺杆头部0.1D,即约为计量段一个螺槽容积，太大易积料分解，太小料流不稳定。分流器（鱼雷头）将圆柱形料流变为薄环状并便于进一步加热塑化。大型分流器内设加热器，支架用以支承分流器及芯棒，同时使料流分束以加强搅拌，小型分流器与芯棒做为一体。此外还有多脚架和芯棒。第143页/共354页

直通式熔体在机头中流动方向与螺杆轴向一致结构简单易制造适于硬、软PVC,PE,PA第144页/共354页

直角式(偏移式)熔体在机头中流动方向与螺杆轴向垂直从料筒流出的熔体绕过芯模再向前流动，会产生一条分流痕，流动阻力小，料流稳定，出料均匀，但其结构复杂，占地面积大。适于PP、PE及尺寸要求严格的管材第145页/共354页3旁侧式熔体经过一个近似直角的过渡区才流入机头阻力大，结构更复杂。第146页/共354页

两种挤出圆管的定径方法

(上)内压空气定径法(下)外真空定径法

1-机头2-定径套3-水冷却槽4-管状制品5-密封塞

定型第147页/共354页冷却冷却水槽和喷林水箱牵引常用滚轮和履带两种，且有较大的夹持力

管材挤出成型的步骤准备→管坯挤出→冷却定径→牵伸→切割挤出前的准备工作：①根据管材要求，选择适当机头（口模），并将其安装好。包括分流器、芯模、口模、过滤板、网等。第148页/共354页

②初步调整口模、芯模同心，并使机头、冷却定径、牵引、切割等装置一致。

③

将应加热的部件加热，开通料斗底部冷却水。

④当达到要求的温