管接头注塑模设计

四川大学本科毕业设计管接头注塑模设计PAGE41管接头注塑模设计说明书摘要：针对管接头制品的结构，结合注塑模设计的特点，通过对塑件进行工艺的分析和比较，最终设计出一套管接头注塑模具。本次设计从产品结构工艺性、具体模具结构出发，对模具的浇注系统、模具成型部分的结构、冷却系统、顶出系统、注塑机的选择和有关参数的校核都进行了详细的设计，同时简单的编制了模具的加工工艺。最终采用的注塑模为一模两腔的三板式模具，通过四面滑块和型芯对制品进行成型，同时采用三次分型的方法实现制品的顶出和凝料的脱除。经设计标明该模具能够实现制品的注塑成型并满足预定的质量要求。关键词：注塑模具管接头UG三维设计Abstract：accordingtothestructureofpipefittingsproducts,combiningthecharacteristicsofinjectionmoldingdesign,throughtheprocessofplasticparts,analyzeandcomparethefinaldesignoutacasingjointinjectionmold.Thisdesignfromproductstructuremanufaturability,specificmoldstructureofmould,startingthegatingsystem,thestructureofitsmoldingpart,coolingsystem,ejectorsystems,injectionmachineselectionandrelatedparametercheckingmakesadetaileddesign,andsimplecompiledthemouldprocessingtechnology.Theinjectionmoldforfinallyadoptedthethreeexactlytwocavityboardmold,throughallthesliderandcores,shapingofproductsbyadoptingthemethodofthreepointsandrealizeproductsejectormaterialremoval.Thedesigntoindicatethismoldcanrealizeproductsmoldingandmeetpredeterminedqualityrequirements.Keywords:InjectionmouldPipejointUGThree-dimensionaldesign目录第一章TOC\o"1-3"\h\u12407绪论 32435第二章塑件的工艺性分析 462462.1塑件的结构工艺分析 4291152.1.1产品外观设计和2D尺寸图 559342.1.2产品技术要求 559342.1.2塑件工艺分析 510742．2塑件材料工艺性的分析 540932.2.1基本特性 6295142.2.2材料的成型工艺性 6291152.2.3塑件成型工艺参数的确定 610742．3计算塑件的体积和质量 730664第三章注塑模的结构设计 7224763.1分型面位置的确定 8224763.2型腔数量和布置方式的确定 8224763.3模具结构形式的确定 9224763.4浇注系统的设计 9177203.4.1浇口的设计 9177203.4.2主流道的设计 1047913.4.3冷料穴的设计 11177203.4.4浇注系统最终方案的确定 11224763.5注射机型号的确定 11177203.5.1注射机的初选 11177203.5.2注射机有关参数的校核 12218303.6侧向抽芯机构 12103783.7成型零件的设计 12106423.7.1模具成型部分的结构设计 1443853.7.2成型零件工作尺寸的计算 15219853.7.3脱模推出机构设计 15219853.7.4冷却系统的设计 16219853.7.5模具结构草图的绘制 16219853.7.6开合模过程 17219853.7.7成型零件的加工工艺 17219853.7.8成型零件材料的选用 17219853.7.9模具的安装调试与维护 18675第四章结论 1932557第五章致谢 2015134附录1聚合物混炼设备（综述） 219524附录2聚合物基纳米复合材料拉伸流动混合器（翻译） 28第一章绪论随着科学技术的发展，模具工业在国民经济中的地位越来越重要。利用模具成型塑件的方法实质是一种少切削、无切削、多工序重合的生产方法。采用模具成型工艺代替传统的切削加工工艺，可以大大的提高生产效率，保证零件质量，节约材料，降低成本，从而取得很高的经济效益。因此，模具成型方法在现代工业的主要部门中得到了极其广泛的应用。它已成为工业中进行大批量生产的重要技术手段，对于保证制品质量，缩短试制周期，进而争先占领市场，以及产品的更新换代和新产品的开发都具有决定性的意义，明显地成为国民经济发展的关键。近年来，模具增长十分迅速，高效率、自动化、大型、微型、精密、高寿命的模具在整个模具产量中所占的比重越来越大，日本的模具产能约占全球的40%，居世界第一位，每年向国外出口大量模具。模具行业在美国工业总产值中所占的比重呈现出不断下降的态势，但是美国模具在全球模具的高端产品仍然占据着重要地位。德国拥有世界领先的汽车、船舶等制造技术，受上游行业需求影响，德国模具在世界上具有较为重要的地位。所以在许多方面与工业发达国家相比仍有较大的差距。例如，精密加工设备在模具加工设备中的比重比较低。第二章塑件的工艺性分析2.1塑件结构工艺分析2.1.1产品外观设计及二维尺寸图图2-1

管接头产品图

图2-2

管接头产品图图1-3

管接头产品2D尺寸图2.1.2产品技术要求塑料零件的材料为PVC，塑件要求外形美观，不允许有错牙现象,其内表面要求光洁美观，其工作面成型时不允许有浇口、顶杆痕迹，开模时要求不被动模型芯拉裂或者拉变形，以保证一定的机械强度。

此塑件高为45mm，最大宽度39.40mm。查表-常用材料模塑件公差等级和选用（GB/T14486）、表-模塑件尺寸公差表（GB/T14486）得知，对精度要求一般，根据PVC塑料的性质及特性，其精度等级可按MT5来查并取其公差。2.1.3塑件的工艺分析(1)该塑件尺寸中等且塑件同轴度等级较高，其内表面要求光洁美观，成型时不允许有浇口、顶杆痕迹，开模时要求不被定模型芯拉裂或者拉变形。所以采用的浇口形式要保证其表面精度。(2)该塑件为中小批量生产，塑件的形状较复杂。为了保证产品一定的机械强度，对于模具设计要求较高，产品不许有尖角，以免产生产品开裂现象。2.2塑件材料工艺性的分析2.2.1基本特性PVC塑料（聚氯乙烯）是世界上产量最高的塑料品种之一。其原料来源丰富，价格低廉，性能优良，应用广泛。其树脂为白色或者浅黄色粉末，形同面粉，造粒后为透明块状，类似明矾。根据不同的用途加入不同的添加剂，聚氯乙烯塑件可呈现不同的物理性能和力学性能。在聚氯乙烯树脂中加入适量的增塑剂，可制成多种硬质、软质制品。纯聚氯乙烯的密度为1.4g/cm3，加入了增塑剂和填料等的聚氯乙烯塑件的密度范围一般为1.15~2.00g/cm3。硬聚氯乙烯不含或含有少量增塑剂。它的机械强度颇高，有较好的抗拉、抗弯、抗压和抗冲击性能，可单独用做结构材料；其介电性能好，对酸碱的抵抗能力极强，化学稳定性好；但成型比较困难，耐热性不高。软聚氯乙烯含有较多的增塑剂，柔软且富有弹性，类似橡胶，但比橡胶更耐光、更持久。在常温下其弹性不及橡胶，但耐蚀性优于橡胶，不怕浓酸、浓碱的破坏，不受氧气及臭氧的影响，能耐寒冷。成型性好，但耐热性低，机械强度、耐磨性及介电性能等都不及硬聚氯乙烯，且易老化。总的来说，聚氯乙烯有较好的电气绝缘性能，可以用做低频绝缘材料，其化学稳定性也较好。优于聚氯乙烯的热稳定性较差，长时间加热会导致分解，放出氯化氢气体，使得聚氯乙烯变色，所以其应用范围较窄，使用温度一般在-15℃~55℃之间.2.2.2材料的成型工艺性由于其熔体黏度高，所需的注射成型压力较高，因此塑件对型芯的包紧力较大，故塑件应采用较大的脱模斜度。另外熔体黏度较高，使PVC制品易产生熔接痕，所以模具设计时应注意尽量减少系统对料流的阻力。PVC易吸水，成形加工前需要进行干燥处理。在正常的成形条件下，PVC制品的尺寸稳定性较好2.2.3塑件成型工艺参数查有关手册得到PVC（抗冲）塑料的成形工艺参数：密度1.01~1.04g/cm3收缩率0.3%~0.8%预热温度80℃~85℃,预热时间2~3h料筒温度后段150℃~170℃,中段165℃~180℃前段180C~200℃;喷嘴温度170℃~180℃模具温度50℃~80℃注射压力60~100MPa成形时间注射时间20~90s，保压时间0~5s，冷却时间20~150s2.2计算塑件的体积和质量用UG软件测量出塑件的体积为5.744cm3，查《塑料注射模具设计实用手册》表2.1国产常用注射成型塑料名称及成型特性可知PVC的密度为1.20g/cm3,计算可得其质量为5.744cm3×1.20g/cm3=6.9328g。第三章注塑模的结构设计3.1分型面位置的确定如何确定分型面，需要考虑的因素比较复杂。由于分型面受到塑件在模具中的成型位置、浇注系统设计、塑件的结构工艺性及精度、嵌件位置形状以及推出方法、模具的制造、排气、操作工艺等多种因素的影响，因此在选择分型面时应综合分析比较，从几种方案中优选出较为合理的方案。选择分型面时一般应遵循以下几项原则：a)保证塑料制品能够脱模这是一个首要原则，设置分型面的目的，就是为了能够顺利从型腔中脱出制品。根据这个原则，分型面应首选在塑料制品最大的轮廓线上，最好在一个平面上，而且此平面与开模方向垂直。分型的整个廓形应呈缩小趋势，不应有影响脱模的凹凸形状，以免影响脱模。b)使塑件外形美观，容易清理尽管塑料模具配合非常精密，但塑件脱模后，在分型面的位置都会留有一圈毛边，我们称之为飞边。即使这些毛边脱模后立即割除，但仍会在塑件上留下痕迹，影响塑件外观，故分型面应避免设在塑件光滑表面上。d)尽量避免侧向抽芯塑料注射模具，应尽可能避免采用侧向抽芯，因为侧向抽芯模具结构复杂，并且直接影响塑件尺寸、配合的精度，且耗时耗财，制造成本显著增加，故在万不得己的情况下才能使用。e)使分型面容易加工分型面精度是整个模具精度的重要部分，力求平面度和动、定模配合面的平行度在公差范围内。因此，分型面应是平面且与脱模方向垂直，从而使加工精度得到保证。如选择分型面是斜面或曲面，加工的难度增大，并且精度得不到保证，易造成溢料飞边现象。g)使侧向抽芯尽量短抽芯越短，斜抽移动的距离越短，一方面能减少动、定模的厚度，减少塑件尺寸误差；另一方面有利于脱模，保证塑件制品精度。h)有利于排气对中、小型塑件因型腔较小，空气量不多，可借助分型面的缝隙排气。因此，选择分型面时应有利于排气。按此原则，分型面应设在注射时熔融塑料最后到达的位置，而且不把型腔封闭。综上所述，选择注射模分型面影响的因素很多，总的要求是顺利脱模，保证塑件技术要求，模具结构简单制造容易。当选定一个分型面方案后，可能会存在某些缺点，再针对存在的问题采取其他措施弥补，以选择接近理想的分型面。对于本塑件的分型面选择，如图2-3所示。图3的分型面Ⅰ位置，塑件割除毛边后，在塑件光滑表面留下痕迹，但是模具结构为哈夫模结构，塑件的分型面不得不在Ⅰ处，在Ⅱ处分型面是产品竖直方向上的最大轮廓处，此处分型面用于塑件的顶出，选在Ⅱ处分型面也是考虑到顺利顶出的因素。所以在图3中的Ⅰ、Ⅱ处分型面分别代表竖直方向和水平方向上的分型面。3.2确定型腔数量及布置方式当塑件分型面确定之后，就需要考虑是采用单型腔还是多型腔模。由表一可以看出单型腔、多型腔的优缺点及适用范围，但由于以上确定的二次分型方式，及PVC料的固有性质，以致于其浇注系统的特殊性。因此考虑到生产批量，本模具采用一模两腔的排列方式。表1单型腔、多型腔的优缺点及适用范围类型优点缺点适用范围单型腔模具塑件的精度高；工艺参数易于控制；模具结构简单；模具制造成本低，周期短。塑料成形的生产率低，塑件的成本高。塑件较大，精度要求较高或者小批量及试生产。多型腔模具塑料成形的生产率高，塑件的成本低。塑件的精度低；工艺参数难以控制；模具结构复杂；模具制造成本高，周期长。大批量、长期生产的小型塑件。3.3模具结构形式的确定根据以上分析计算、型腔尺寸及数量和分型结构可确定模架的结构形式和规格。模具的大小取决于塑件的大小和结构，对于模具而言，在保证足够强度和刚度的条件下，结构越紧凑越好。为了节约模具钢材和便于热处理，根据产品的外形尺寸（平面投影面积与高度），以及产品本身结构，可以确定镶（模仁）的外形尺寸，确定镶件的尺寸后，就可大致确定模架的大小。查《塑料模具设计指导》表7-6得：选择LKN－TP—FCI型结构脱料板厚度为20mm定模板厚度：A=70mm动模板厚度：B=70mm垫快厚度：C=80mm模具厚度：H=30+20+A+B+C+25+动定模板间隙=(30+20+70+70+80+25+1)mm=296mm模具外形尺寸：280mm×400mm×296mm。3.4浇注系统的设计浇注系统可分为普通浇注系统和热流道浇注系统两大类。浇注系统控制着塑件成型过程中充模和补料两个重要阶段，对塑件质量关系极大。浇注系统是指从注塑机喷嘴进入模具开始，到型腔入口为止的那一段流道。普通模具的浇注系统由主流道、分流道、浇口、冷料井几部分组成。3.4.1浇口设计浇口的形式众多，通常都有边缘浇口、扇形浇口、平缝浇口、圆环浇口、轮辐浇口、点浇口、潜伏式浇口、护耳浇口、直浇口等。但由于管接头塑件结构的限制，且塑件尺寸不大，因此采用点浇口最合适。如下图：图2-1局部放大图3.4.2主流道的设计从上面分析中可知，本模具采用一模两腔，单列直排，且还有侧型芯分型。滑块和推件板及型芯构成成型零部件。流道采用平衡式获得良好的压力传递和保持理想的填充状态，使塑料熔体尽快地经流道均衡地分配到各个型腔。浇口采用点浇口。浇口直径为0.5mm，主流道为圆锥形，锥角为，主流道小端直径与注射机喷嘴配合。小端直径d=注射机喷嘴尺寸+(0.5~1mm)=4+1=5mm，大端直径为8mm，主流道高度为50mm，主流道球面半径SR=喷嘴球面半径＋（1~2mm）=18+2=20mm。其余尺寸如图2-1示。浇注系统和浇口套如下图主流道与喷嘴的接触处多做成半球形的凹坑。二者应严密接触以避免高压塑料的溢出，凹坑球半径比喷嘴球头半径大1-2mm；主流道小端直径应比喷嘴孔直径约大0.5-1mm，常取Ф3.5-6mm，视制品大小及补料要求决定。大端直径应比分流道深度大1.5mm以上，其锥角不宜过大，一般取2°～6°。为了便于加工和缩短主流道长度，衬套和定位圈还是设计成分体式，主流道长度取43mm。衬套如图示，大端直径为50mm，小端直径为16mm，材料采用T10A钢，热处理淬火后表面硬度为53HRC~57HRC。如下图：图3-2浇口套放大图3.4.3冷料穴的设计冷料穴是浇注系统的结构组成之一。冷料穴的作用是容纳浇注系统流道中料流的前锋冷料，以免这些冷料注入型腔，既影响熔体充填的速度，又影响成型塑件的质量。主流道冷料穴一般开设在主流道对面的动模板上（也即塑料流动的转向处），其标称直径与主流道大端直径相同或略大一些，深度约为直径的0.5－1.5倍，最终要保证冷料的体积小于冷料穴的体积。主流道末端的冷料穴除了上述作用外，还便于在该处设置主流道拉料杆，注射结束模具分型时，在拉料杆的作用下，主流道凝料从定模浇口套中被拉出，最后由推出机构将塑件和浇注系统凝料一起推出模外。本模具中的冷料穴是在定模板上开设的锥度的冷料穴。3.4.4浇注系统最终方案的确定图2-3浇注系统3.5注射机型号的选定3.5.1注塑机的初选本次设计与实际在工厂中的设计有所不同。工厂中的注塑机是已有固定的，模具设计人员通常都是根据车间内的注塑机来确定最大的之间产量，即是说厂中的注塑机选择是有限的。而在本次设计中，我们选择注塑即的原则则是按我们想象中的产品产量和实际的塑件形状来选择任何一款注塑机，最后校核能满足使用要求即可。在查阅《塑料注射模具设计实用手册》后，初选G54-S200/400型注塑机。其有关参数如下：额定注射量200/400cm3注射压力109MPa锁模力2540KN最大注射面积645cm2模具厚度165～406cm最大开合模行程260mm喷嘴圆弧半径18mm喷嘴直径4mm拉杆间距290368mm3.5.2注射机有关参数的校核3.5.2.1注射量的校核根据带有浇注系统的塑件的三维模型，如上图，利用三维软件直接可查询到可得出其体积约为30.903cm3，查《塑料注射模具设计实用手册》表2.1国产常用注射成型塑料名称及成型特性可知PVC的密度为1.02g/cm3,计算可得其质量为31.52106g。由上述注塑机参数满足注射量V机≥V实即200cm3≥30.903cm3式中V机——额定注射量（cm3）V实——塑件与浇注系统凝料体积和（cm3）因此注塑机注射量满足要求3.5.2.2注射压力的校核Pe≥=1.3ⅹ70=91而Pe109，注射压力校核合格。式中——取1.3；——取70（属薄壁窄浇口类）。3.5.2.3锁模力校核锁模力是指当高压熔体充满模具型腔时，会在型腔内产生一个很大的力，力图使模具分型面涨开，其值等于塑件和流道系统在分型面上总的投影面积乘以型腔内塑料压力。作用在这个面上的力应小于注塑机的额定锁模力。FKA=0.82517.730=775.325KN,而F=2540KN,所以锁模力校核合格3.6侧向抽芯机构由于塑件类似“工”字型，因此应有侧向抽芯机构，由于抽出距离较短，抽出力较小，所以采用斜导柱，滑块抽芯机构。斜导柱安装在定模板上，滑块装在推件板上。斜导柱的倾角，斜导柱的材料为T10A，由于斜导柱经常与滑块摩擦，因此热处理硬度为55HRC，表面粗糙度值为Ra为0.8um。斜导柱与定模板间采用过渡配合H7/m6,且滑块与斜导柱之间采用间隙值为1mm。斜导柱直径经计算，且考虑到弯曲应力取16mm。具体相关数值及尺寸如下：抽芯距计算：抽芯力：Fc=chp(ucos3.7成型零件的设计3.7.1模具成型部分的结构设计型腔是模具上直接成型塑料制件的部位。直接构成模具型腔的所有零件的所有零件都称为成型零件，通常包括：凹模、凸模、成型杆、成型环、各种型腔镶件等。按结构主型芯可分为整体式和组合式两种。采用组合式型芯，可简化结构复杂的型芯的加工工艺，减少热处理变形，便宜模具的维修，节省贵重的模具钢。为了保证组合后的型芯尺寸的精度和装配的牢固，要求镶件的尺寸、形位公差等级较高，组合机构必须牢固，镶块的机械加工工艺性要好。因此，选择合理的组合式结构是非常重要的。下图是用UG软件进行对塑件3D拆模后模具成型部分的结构设计。由于本产品管接头的特殊结构形式，在模具成型部分采用四面滑块结构，因此哈夫块和侧抽滑块是产品成型的主要部件，也是构成型腔部件。所以在设计计算哈夫块和侧抽滑块的尺寸时，尤其要求严格的配合。具体各部件的尺寸结构在CAD图档中已详细注明。在这里需要解释的是，由于本塑件尺寸结构复杂，特别是哈夫块。所以在哈夫块直接与塑件成型的部分不表明尺寸，直接将哈夫块的3D图档给制造部进行CNC加工。据我了解，现今制造企业对与复杂曲面的部件加工将以UG的3D图档形式输入CNC加工，由CNC自动生成加工程序。如果设计人员直接将曲面部分标注，这将使得图面相当复杂，而且也是没有必要的。本塑件型芯的也是不适合完完全全标注在图纸上，部分曲面也是给CNC加工。型芯与动模板做成镶件配合形式，以节省贵重材料，降低成本3.7.2成型零件工作尺寸的计算3.7.2.1成型零件的工作尺寸形零件工作尺寸指直接用来构成塑件型面的尺寸，例如型腔和型芯的径向尺寸、深度和高度尺寸、孔间距离尺寸、孔或凸台至某成形表面的距离尺寸、螺纹成形零件的径向尺寸和螺距尺寸等。塑件成形的总误差δ＝δs+δz+δe+δi应小于塑件的公差值，即δ≤△式中δs——塑件的收缩率波动；δz——模具成形零件的制造误差；δe——模具成形零件的磨损；δi——模具安装配合的误差；3.7.2.2考虑塑件尺寸和精度的原则在一般情况下，塑料收缩率波动、成形零件的制造公差和成形零件的磨损是影响塑件尺寸和精度的主要原因。对于大型塑件，其塑料收缩率对塑件的尺寸公差影响最大，应稳定成形工艺条件，并选择波动较小的塑料来减小塑件的成形误差；对于中、小型塑件，成形零件的制造公差及磨损对塑件的尺寸公差影响最大，应提高模具精度等级和减小磨损来减小塑件的成形误差。3.7.2.3成型零件工作尺寸的计算(1)型腔径向尺寸模具最大磨损量取塑件公差的1/6;模具的制造公差δz=△/3;取x=0.5。(2)型腔深度尺寸模具最大磨损量取塑件公差的1/6;模具的制造公差δz=△/3;取x=0.5。（3）型芯径向尺寸模具最大磨损量取塑件公差的1/6;模具的制造公差δz=△/3;取x=0.5。(4)型芯高度尺寸模具最大磨损量取塑件公差的1/6;模具的制造公差δz=△/3;取x=0.5。3.7.3脱模推出机构设计由于管接头的特殊结构形式，且不易用顶针推出，所以本产品用推管推出机构。推管推出实用来推出圆筒形、环形塑件或带有孔的塑件的一种特殊结构形式，其脱模运动方式和推杆相同。而且推管是一种空心推杆，故整个周边接触塑件，推出塑件的力量均匀，塑件不易变形，也不会留下明显的推出痕迹，很显然推管推出最使用与本产品管接头的推出机构。下图所示有关推管的配合形式。推管的内径与型芯相配合，小直径时选用H8/f7的配合，大直径取H7/f7配合；外径与模板上的孔相配合，直径较小时采用H8/f8配合。推管与型芯的配合长度一般比推出行程大3~5mm，推管与模板的配合产度一般为推管外径的1.5~2倍，推管固定端外径与模板有单边0.5mm装配间隙，推管的材料、热处理硬度要求及配合部分的表面粗糙度要求与推杆相同。3.7.4冷却系统的设计由于冷却水道的位置、结构形式、表面状况、水的流速、模具的材料等很多因素都会影响模具的热量向冷却水传递，精确计算比较困难。实际生产中，通常都是根据模具的结构来确定冷水水路，通过调节水温、水速来满足要求。由于模具成型部分由型芯、哈夫块和A板组成，制品平均壁厚为1.5mm左右，制品尺寸不大，在哈夫块上冷却水路的直径做为6mm，在A板上的冷却水路做直径为8mm。哈夫块上和A板上的冷却水路布置如下图所示。图2-7冷却水道示意图3.7.5模具结构草图的绘制3.7.6开合模过程首先分型面Ⅰ－Ⅰ分型，脱料板与A板分开拉断塑件上的点浇口，拉出A板上的分流道凝料。完成浇注系统凝料与塑件分离后模具继续开模，当定距拉杆作用与A板时，Ⅱ－Ⅱ分型面开始分型,此时脱料板与定模底板分离从而使得凝料脱除。当Ⅱ－Ⅱ分型面结束后主分型开始此时由于斜导柱和哈夫块之间有一定间隙，动模型芯先与塑件脱离一小段距离，之后斜导柱带动哈夫块、弯销带动滑块同时与塑件分离。此时完成开模。模具开模结束，注塑机的液压机构作用与顶针底板，顶针底板作用与套筒进行塑件顶出动作。当塑件顶出完毕取下塑件和凝料时，注塑机作用与顶针底板的顶出力移除，此时开始合模状态。在复位杆弹簧的作用与顶针板下模具完成先复位动作防止定模在合模时板套筒撞伤。同时斜导柱和弯销分别带动哈夫块和滑块移动到开模前的精确位置，模具合模完毕。3.7.7成型零件的加工工艺哈夫块的加工工艺序号工序名称工序内容1下料锯床下料155mmX85mmX65mm2铣铣上、下平面至尺寸60.5mm；以底面为基准，铣四侧面至尺寸151mmX80.5mm；3磨平磨A、B面至尺寸60，四侧面至尺寸150.00mmX80.00mm。4线切割线割哈夫块，一分为二。5数控铣以底面为基准铣型芯及点孔。6表面处理表面镀硬铬7钳钻M8mm螺纹底孔，并攻螺纹到要求，抛光表面。图2-9哈夫块和型芯示意图型芯镶件的加工工艺序号工序名称工序内容1下料锯床下料32mmX200mm2车以一端面为基准车圆柱面至22.5mm3磨磨22.5mm圆柱面至22mm4数控铣依照3D图档铣出型芯5表面处理表面镀硬铬6钳钻M8mm螺纹底孔，并攻螺纹到要求，抛光表面。3.7.8成型零件的材料的选用成型零件结构设计完后，就要开始零件的下材料和加工制作等。塑料模具的品种规格多，形状复杂，表面粗糙度值低，制造难度大，因此探讨塑料模具的选材问题需要综合分析塑料模具的工作条件、性能，以提高模具的使用寿命、保证加工质量、降低生产成本。由于此塑件成分是PVC，熔融时粘度高，需要较大的成型压力，因此模具材钢需要足够的强度、硬度、良好的耐磨性、耐腐蚀性，以使模具能承受工作时的负荷而不致变形、磨损。通常塑料模具钢的硬度在38～55HRC范围内，形状简单抛光性能要求高的，工作硬度值可取高些；反之，工作硬度值可取低些。为了保证模具的制造精度、简化加工工艺及符合工艺性能的要求，所以根据塑料模具工作条件及钢的使用性能要求确定模具成型部分零件选用718H钢，硬度在HRC35-40。该钢材的耐磨性、耐腐蚀性、机加工稳定性能都良好，而且现在企业中都广泛使用，因此在购买此钢方便。成型部分零件包括型芯、哈夫块和滑块。此外在斜导柱和弯销的材料选用P20钢材，以保证斜导柱和弯销的刚性强度。3.7.9模具的安装调试与维护3.7.9.1模具的安装（1）清理模板平面定位孔及模具安装表面上的污物、毛刺；（2）因模具的外形尺寸不大，故采用整体安装法。先在机器下面的两根导轨上垫好板，模具从侧面进入机架间，定模入定位孔，并放正，慢速闭合模板，压紧模具，然后用压板或螺钉压紧定模，并初步固定动模，然后慢速开闭模具，找正动模，应保证开闭模具时平稳，灵活，无卡住现象，然后固定动模；（3）调节锁模机构，保证有足够开模距及锁模力，使模具闭合适当；（4）慢速开启模板直至模板停止后退为止，调节顶出装置，保证顶出距离。开闭模具观察顶出机构的运动情况，动作是否平衡、灵活、协；（5）模具装好后，待料筒及喷嘴温度上升到距离预定温度20º～30º，即可校正喷嘴浇口套的相对位置及弧面接触情况，可用一纸片放在喷嘴与浇口套之间，观察两者接触印痕，检查吻合情况，须使松紧合适，校正后拧紧注射模座定位螺钉，紧固定位。3.7.9.1模具的调试试模时，塑件上常可能会出现各种弊病，为此必须进行原因分析，排除故障。造成次、废品的原因是很多的，有时是单一的，但经常是多方面的综合原因。需按照成型条件、成型设备、模具结构及制造精度、塑件结构及形状等因素逐个分析找出其中的主要矛盾，然后再采取调节成型工艺参数、修整模具等方法加以解决。结论本设计首先说明了塑料工业的重要地位和当今注塑模具的现状，随着经济的发展，塑料工业将继续呈现蓬勃发展之势。其次介绍了注塑件的一般设计原则，对塑件的特性做了说明。从实际来看，几乎所有的注塑件都遵循这些原则。在做好注塑成型的准备工作之后，接着介绍了模具设计的内容，冷流道注塑模具无外乎包括四大系统：浇注系统、温度调节系统、顶出系统和脱模机构系统。在浇注系统的设计中根据经验公式取流道横截面形状，确定浇口尺寸；温度调节系统说明了设计的一般步骤；顶出系统着重推杆的设计；该模具属于简单脱模机构，做完这些工作后，该模具的设计到此结束。通过完成毕业设计，全面地对大学所学的知识复习了一遍，并巩固了塑料成形工艺、塑料制品设计、注塑模具设计，以及运用所学知识解决实际问题，提高了分析问题、解决问题的能力。掌握了对各种手册、文献资料的查询方法。第五章致谢感谢在本次设计中给与我大力支持和帮助的雷军老师，每有问题，老师总是耐心的解答，使我能够充满热情的投入到毕业设计中去；还要感谢我的同学们，他们热心的帮助，使我感到了来自兄弟姐妹的情谊；最后还要感谢相关资料的编著者和给予我们支持的社会各界人士，感谢您们为我们提供一个良好的环境，使本次设计圆满完成。附录1聚合物混炼设备综述赵佳旭（四川大学高分子科学与工程学院高分子材料加工工程2007级四班）摘要：聚合物混炼设备是高分子成型加工中的重要设备。介绍了混炼设备的主要类型：开炼机、密炼机、单（双）螺杆挤出机、双转子连续混炼机。阐述了密炼机近年来的技术进展。介绍了拉伸混合机理在混合器上的应用。关键词：混炼设备；开炼机；密炼机；单（双）螺杆挤出机：双转子连续混炼机；拉伸混合0前言近年来，随着生活水平的提高，人们对高分子材料在数量和质量上都提出了更高的要求。高分子共混作为一种获得新型材料简便、迅速、价廉的方法得到了极大的发展。橡胶工业，尤其是轮胎行业，也正向着连续化、自动化、大型化、集约化发展。混炼加工设备在这一过程中起着重要作用，混料效果的好坏在很大程度上决定了最终制品性能的优劣。因此对混炼设备的改进，混炼工艺的优化成为提高制品质量的关键。文中首先介绍了混炼设备的发展历程，同时阐述了混炼设备改进的主要方法。改进措施主要是对密炼机转子的优化以及根据拉伸混合原理重新设计的混合器。1混炼设备1.1开炼机开放式炼胶机简称开炼机或炼胶机，是橡胶制品加工使用最早的一种基本设备。它通过两个转动的滚筒混炼物料，由于构造简单，加工适应性强，使用方便，在聚合物加工领域使用较为广泛。它主要用于橡胶的塑料、混炼、热炼、压片和供胶，也可用于再生胶生产中的粉碎、捏炼和精炼。此外，它还广泛应用于塑料加工和油漆颜料工业生产中。开炼机的投资较低，但劳动强度大、劳动条件差、粉尘及排出的低分子物料污染大。更主要的是开炼机的剪切效应和速度梯度都太低，因而物料分散不充分，质量不稳定。另外，开炼机无横向混合，须靠人工捣胶切割，从而造成批间的人为差异，在后继的挤出加工过程中，造成挤出制品的质量波动[1]。但是开炼机工作时，可随时观察到聚合物的加工程度，经取样可以直接观察到混合过程中变化，从而能够及时调整操作工艺及配方。目前，捷克Buzuluk公司生产的开炼机代表了当今的国际先进水平，开炼机规格从φ200mm×900mm到φ750mm×2500mm，驱动系统使用直流电机、变频调速电机或液压马达，同时可以对辊筒进行无级调速。辊筒表面圆周钻孔，配有温度检测和热水循环温控系统，并采用液压调距和定位。辊筒轴承润滑系统的安全措施可防止润滑系统失败而产生故障。大型热炼压片用开炼机配有翻胶装置和割胶刀，割胶刀可以遥控。整个控制系统采用PLC控制技术[2]。1.2密炼机正式的橡胶密炼机出现于20世纪初叶。1913年，普弗雷德与威尔纳经过研究，取得了GK型密炼机（GummiKneader）的技术专利。1916年，美国的法勒尔（Ferrel）公司开始生产，班伯里（Banburry）型机。目前以这两种密炼机为基础的一系列密炼机已经成为橡胶工业最具代表性的机种[3]。后来又出现了多棱形转子密炼机和销钉转子密炼机等其它新型密炼机。密炼机的主要工作部分是密炼室和转子。物料在上顶栓施加的压力下进入密炼室，在转子的剪切、啮合作用下，达到均匀混合、塑化。经过这个过程，树脂和配合剂进行混合、混炼、塑化，达到合适的分散度，并具有良好的可塑性，从而获得各种性质不同的混炼产品。相比开炼机，密炼机由于混炼过程是在密闭的混炼室内完成，因此它明显的提高了工人的工作环境，解决了在开炼机混炼过程中存在的工作条件恶劣、混合质量不高的缺点。除此之外，密炼机还降低了劳动强度，缩短了生产周期，同时可以应用多种自动控制技术。但是密炼机的加料系统比较复杂，不能连续工作，维护也比较复杂，因而在一定程度上限制了它的应用。经过百年来的发展，密炼机的生产使用技术已经完全成熟，实现了现代化。混合室的容量由小到大，日趋多样化、大型化；转子的速度由低到高走向高速化、变速化；转子的形状出现多元化、异型化和复合化；驱动动力更加趋向强力花、节能化；上顶栓由气动改为液压并使压力加大化；金属温度控制系统实行单元化；排料系统由滚筒开炼压片改为锥形螺杆挤出滚筒下片机，实现了不间断连续化；供料系统基本实现了储运、称量、称料密闭化，自动化；控制系统已经实现电脑化、屏蔽化，群控化、智能化；密炼机炼胶由多机、多段、多次走向一机化[4]。混炼过程中影响聚合物共混物形态变化的因素有：（1）温度（2）物料在密炼机中停留时间（3）混炼的强度即密炼机的转子速度（4）物料的性质（5）粘度比（6）弹性比（7）表面张力[5]。为了提高密炼机的生产效率和炼胶质量，减小混合生热和能量损耗，人们对密炼机进行了大量的研究，研究的核心是转子的结构。研究的重点是对其几何形状、角度、配置、棱数和长短棱比、转子转数、速比、冷却和间隙进行优化。据报道，当前的转子种类已达36种之多，但得到商业化使用的主要还是椭圆形、三角形和圆筒形三种基本形状结构。三者分别为相切型、啮合型和咬合型。为了提高混炼效率，椭圆形转子的棱片从标准型的2W逐渐改进为4W、4WH、ST和ZZ2型，目前6W1型也开始进入了使用阶段。翼数的增加提高了密炼机的吃料速度，在转子翼片和辊筒内表面之间，施加给胶粒的剪切力作功量也得到了增加，从而使得生产效率得到了提高[6]。另一方面，随着翼数的增加，密炼机的有效容积减少，导致生产批量的减少，剪切生热的增加，最后使得橡胶温度急剧上升[7]。咬合型的棱片方面则研制开发了PES1、PES3和VIC等导型棱片，而且扩展到了F型和G型转子上。新的啮合型Co-flow密炼机具有L/D大，投料可顺/逆时针流动，填充系数高等优点，因而使得它对各种胶料的混炼效果优于一般啮合型转子。通过比较正向输送元件和逆向输送元件的不同组合方式发现，逆向输送元件可以建立起更好的剪切应力，但是对物料的输送却不利。为了获得足够的熔体输送率，逆向元件的数目应当限制在两个左右。当正向输送元件和逆向输送元件交替排列时可以获得更好的剪切应力和混合效果[8]。作为啮合型转子的一种，高技术NR-5转子凸棱的断面形状与以前的结构已经有所不同。新结构改善了胶粒在棱顶和混炼腔壁上的剪切流动，这种改变增加了密炼机的净腔体积，同时可以在凸棱与密炼机混炼腔侧壁之间产生额外的分散混炼。除此之外，还对NR-5转子的大直径和小直径转子的热传递和金属温度控制进行了优化。相切型转子的研究发展的一个方面是ST和NST切向转子的研制，这两种转子在相同速度下旋转，具有高效的棱顶温度控制能力，但它们对位置要求很精确。NST转子使材料在混炼腔内剧烈的沿轴向运动。每个转子上有一个棱，这个棱使得材料在混炼腔内轴向移动，还有一个棱则有效地剪切材料。ST转子则是由传统的切向式二棱和四棱转子发展而来。转子的主棱在混炼过程中具有同等的分布和分散能力。ST转子中对棱的布局、棱顶温度控制和等速驱动下的转子-转子相互作用都进行了优化[9]。1.3单螺杆挤出机开炼机和密炼机均有一个缺点，即混炼过程是间歇批量完成。而当前橡胶工业的发展方向是连续化、自动化、集约化生产，因此寻找一种能够完成连续操作的混炼设备是橡胶工业发展的一个重点。单螺杆挤出是聚合物加工中的一个重要设备，主要用在塑料的挤出造粒，板材、片材、管、丝、膜、异型材等的成型。单螺杆挤出机结构简单，制造容易，成本较低但是混合能力有限，因此不能作为作用的混炼设备使用[10]。单螺杆挤出机由于存在固体床易破碎，物料停留时间长且分布宽，混合均匀度低，温度、压力和产量易波动等缺点，因此只有经过改进，配上具有良好混合能力的新型螺杆，才能完成一定的混炼任务。为此出现了诸如销钉螺杆挤出机、屏障螺杆挤出机、波形螺杆挤出机等新型单螺杆挤出机。研究表明，具有特殊的三头螺纹的加长螺杆拥有好的混炼效果，无论是对压缩原料还是粉状原料[11]。聚合物的混合按混合方式可分为分布混合和分散混合，分布混合是分散相粒子空间位置改变，而无粒度的变化；分散混合主要是分散相粒度减小，也有空间相对位置的变化。当前聚合物的混合大多是在单螺杆或者双螺杆挤出机中进行，在这个混合过程中依靠的主要是剪切力。与拉伸流动场产生的混合相比，剪切流动场中的混合显得效率较低同时消耗更多的能量，尤其在分散粘度为基体树脂四倍的液体方面更表现得力不从心。拉伸流动场则能更好的实现分散混合，从而提高混合的效率和质量。拉伸流动混合器就是基于这样的原理而研制的一种混合设备。这种装置可以增强拉伸流动场，因而能实现液体和不同粘度的材料的混合。在拉伸流动混合器中通过一系列同心狭缝便可获得收敛和发散流动，从而实现聚合物得分散混合[12]。在常规的聚合物加工设备中，改变混合螺杆的外形及尺寸是获得拉伸流场的主要方法。ChrisRauwendaal[13-14]采用了楔形螺棱，在螺棱上开设了许多锥形的槽，通过这些槽来实现拉伸流场。物料通过螺棱和螺棱中的锥形槽时，随着槽的间隙变小，物料通过间隙时将被加速，使物料受到双重拉伸流场的作用，从而产生强烈的拉伸流动。Suzaka等人提出在挤出成型加工设备的多孔板上设置多个具有拉伸作用的收敛孔道，对液-液体系以及固液体系的分散情况进行了研究，并做了定量的报道。研究表明只有当拉伸比（收敛流道大径和小径之比）在10：1时，分散相才会开始产生分散。但是这种方法压力损失较大，能量利用率不高，同时易造成孔的堵塞[15]。瞿金平等人通过设置新型的屏障段来提高混合分散效果。在转子轴上开设多条过料槽，该新型的屏障段与常规的屏障段不同之处在于前者的过料槽的横截面积是逐渐减小的。依据不同材料的不同性能，通过对过料槽截面形状的控制可有效的改变拉伸速率从而控制拉伸强度。该装置由于界面的横截面积逐渐减小，物料在流动过程中受到的作用力与速度梯度方向一致，因而实现了物料在拉伸流动场中的混合[16]。Utracking等则提出了另一种能够实现拉伸流动的混合装置。该装置的底面突起的圆环状拉伸块使填充体系通过径向与周向时能够同时得到拉伸，从而提高混合效率。而且通过轴向调整拉伸块得位置可以有效地改变拉伸比，适宜于不同物理性能的材料的分散混合需要。吴大鸣等人则采用原位生成膨胀拉伸产生的高拉伸速率提出了一种新型的非机械力的分散工艺——原位气泡拉伸法。该方法中气泡优先在无机粒子团聚体上产生，气泡快速长大，附着的团聚体无机粒子在气泡的拉伸作用下解聚，从而实现分散的目的。1.4双螺杆挤出机双螺杆挤出机于1935年问世，按旋转方向可分为同向旋转双螺杆挤出机和异向双螺杆挤出机，按啮合情况则可分为啮合型和非啮合型挤出机。双螺杆挤出机的研制成功，为聚合物混炼加工提供了强劲的动力，促进了聚合物混炼加工的发展。双螺杆挤出机中的连续混炼，代表着当今热塑性塑料配混技术发展的最新水平。同向旋转双螺杆挤出机具有轴向的敞开式导管，高的混合效率和熔体的高剪切变形，因而成为了热塑性塑料的标准配混设备。物料随着两根啮合式螺杆的每一次旋转，熔体即从一根导管传递到另一根导管而发生剪切。不同的螺杆组件，如啮合段、混合元件及传送元件等，决定了热塑性塑料是分散性混炼还是分布性混炼。双螺杆挤出机的料筒和螺杆呈模块式结构，可以依据不同的配混任务来进行组合。往双螺杆挤出机中添加物料是连续的，完全自动化的[17]。双螺杆挤出机的混炼工作原理与单螺杆挤出机有较大的区别。单螺杆挤出机的分散、混合作用主要依靠螺杆的压缩比和螺杆旋转时产生的背压，以及由背压引起的反向流动，因而造成它的混炼效果差。而双螺杆挤出机对物料的混合和分散具有好的效果主要是双螺杆挤出机中两根互相啮合的螺杆在啮合处产生的强烈剪切作用。双螺杆挤出机由于可直接加入粉料、混炼塑化效果好、物料在机器中的停留时间分布窄，生产能力高等一系列优点。因此它在塑料填充、共混改性以及硬PVC制品的生产等方面得到了广泛的应用。当前，双螺杆挤出机的数量和类型无论是在国外还是在国内都得到了很快的增长。西欧在70年代末，双螺杆挤出机已占全部挤出机总数的40%左右。但是由于双螺杆挤出机的使用历史比不上单螺杆挤出机，另一方面由于双螺杆几何学的复杂性和物料在其中输送过程的复杂性，因此双螺杆挤出机混炼过程的理论实验研究，与单螺杆挤出机混炼过程的研究相比，差距较大，尚处于初级阶段。此外双螺杆挤出机的加工复杂性、已经高的成本也使它的应用受到一定的限制。1.5双转子连续混炼机20世纪60年代，美国Farrel公司首先研制出了一种新型的双转子连续混炼机——FCM（Farrelcontinuousmixer）。该机器揉合了密炼机优异的混合特性和螺杆挤出机可连续工作的操作特性，是一种性能优异的高剪切熔融混炼机。双转子连续混炼机作为混炼设备没有密炼机那样复杂的加料和卸料系统，因此结构较简单，重量也较轻，而且可以连续混炼，效率更高，质量均匀。而与双螺杆挤出机相比，双转子混炼机则具有适应性更广，结构简单耐用，操作维护方便等特点。双转子连续混炼机可以用于对填充高聚物、未填充高聚物、增塑高聚物、未增塑高聚物、热塑性高分子材料、橡胶掺混材料、色母粒等进行共混。它具有工作连续，操作简单，工艺适应性强，维护方便，效率高和产量大等特点[18]。该机器主要由机筒、转子、卸料装置等部分组成。机筒上的混炼腔是两个相互贯通的、横截面为圆形的孔，物料在混炼腔内收到转子的剪切、粉碎、捏合和混合作用，机筒上开设有冷却水孔和电加热器，可对物料进行加热和冷却以满足需要的工艺条件。转子由加料段、混炼段和出料段组成，加料段就如同两根非啮合的双螺杆，加料口加入的物料在加料段螺纹的推动下到达混炼段。转子混炼段就像是一对密炼机转子，表面有两对旋转方向相反，螺旋角不相同的螺纹，物料在混炼段的作用下熔融、混合、塑化。卸料装置用来控制卸料门得开启度，以实现对物料在混炼腔中停留时间进行控制的目的。双转子连续混炼机与反向旋转非啮合的转子将混合与挤出两种功能分开，所以对混炼程度能更灵活的调节，且不受挤出量的影响，这是双螺杆挤出机无法比拟的，通过对机器的加料量、转子的转速、混炼温度、出料口开启度等操作参数的调节，可以实现对高分子材料在混炼机中的混炼程度和停留时间进行控制的目的，因此可以在同一设备上加工各种物料。与FCM同时期出现的还有DSM型和CIM型双转子连续混炼机。他们与FCM相比，相同的是两根转子都有带螺旋凸棱的混炼段和螺杆形喂料段，不同的是DCM和CIM型转子的混炼段末端都带有锥形节流段，设置锥形节流段的目的是对产量进行调节和混炼程度进行控制[19]。FCM存在一个缺点，即用于FCM的原料只能是粒料或者是粉料而不能使用块状橡胶。经过多年的理论和实验研究，一种新的混炼设备被研制成功。在实验机器里，橡胶和塑料能够很好的实现混合，同时在挤出机中被连续挤出。采用这种设备简化了加工过程，而且降低了能源和加工的成本。这种间歇式混炼与连续挤出的结合将会引导混炼过程由间歇式生产向连续化生产的发展与进步[20]。3总结混炼设备由起始之初的开炼机经过不断的发展、完善和更新，现今已有开炼机、密炼机、单螺杆挤出机、双螺杆挤出机和双转子连续混炼机五大类设备。各种设备具有不同的特点，因而被使用于不同的场合。如果将开炼机、密炼机视作第一代混炼设备，单、双螺杆挤出机视为第二代挤出机，那么双转子连续混炼机则可视作第三代挤出机。密炼机是当前使用最为广泛的橡胶混炼设备，对它的研究和完善主要集中于转子的新结构的研发，但它的间歇性生产成为其进一步发展的障碍。而单、双螺杆则具有连续操作的优势，但其混合质量则远不如密炼机，提高混合效率的一个重要方法便是由以前剪切流动混合为主的混合方式转换为剪切流动与拉伸流动并驾齐驱的混合方式。因此怎样在混炼设备中实现和加强以及控制拉伸流动将是提高混炼设备的一项重要工作。双转子连续混炼机成功地将密炼机优异的混炼质量和单双螺杆挤出机连续操作的优点结合在了一起，从而具有了优异的混炼性能和操作性能。当前聚合物工业正向着连续化、自动化、大型化、集约化生产的方向发展，因此双转子连续混炼机在混炼设备中会占据越来越重要的地位，得到广泛的使用。参考文献[1]王艳秋.橡胶塑炼与混炼[M].北京：化学工业出版社，2005.10[2]杨顺根.国外橡胶机械发展概况[J].橡塑技术及装备，2006,32（9）：22-26[3]耿孝正，张沛.塑料混合及设备[M].北京：中国轻工业出版社，1992.301.[4]于清溪.橡胶混炼设备使用现状与工艺发展[J].橡塑技术与装备，2007,33（5）：6-16[5]JeKyunLee,ChangDaeHan.Evolutionofpolymerblendmorphologyduringcompoundinginaninternalmixer[J].Polymer,1999,40:6277-6296[6]于清溪，密闭式橡胶混炼机的技术现状及最近发展[J]橡塑技术与装备.2010,36(9):4-16[7]唐孝先，近期橡胶混炼装置及技术开发状况[J]世界橡胶工业，2009,29（5）30-35[8]CHIH-HSIANGYAO,ICAMANAS-ZLOCZOWER.Influenceofdesignondispersivemixingperformanceinanaxialdischargecontinuousmixer-LCMAX40[J].PolymerEngineeringandScience,1998,38(6):936-946[9]王进文.混炼技术进展[J].世界橡胶工业，2009,36（5）：34-39[10]刘同帅，丁玉梅.混炼设备的发展[J].弹性体，2002,12（6）：64-66[11]AIBagno,VVBastrygin,Selectionofoptimaldesignofscrewmixerforproducingandconvertingrubbermixtures[J]khimicheskoe,1986,11:7-9[12]D.BOURRY,F.GODBILLE.Extensionalflowofpolymericdispersions[J]PolymerEngineeringandScience,1999,39(6):1702-1086[13]M.delpilarNoriegaE.,Chris.Rauwendaal.挤出过程的问题分析及解决方案[M],北京：化学工业出版社，2003.90-92[14]C.Rauwendaal.塑料挤出[M].第二版，北京：中国轻工业出版社，2003.90-92[15]黄磊，欧相麟，吴世见.拉伸流场对聚合物填充体系的分散混合作用[J]中国塑料.2006,20(9):53-58[16]何光建，殷小春，瞿金平.基于拉伸流动的聚合物复合材料分散混合研究进展[J]塑料，2010,39（3）：8-10[17]朱永康.白炭黑填充橡胶在双螺杆挤出机中的连续混炼[J]橡塑技术与装备，2010,36（2）：28-32[18]谢林生，缪国兵，颜惠庚.双转子连续混炼机结构与混炼原理[J]塑料科技，1996,6:39-42[19]张海燕，双转子连续混炼机转子结构的优化及混炼机理的研究[J]北京化工大学硕士研究生学位论文，2009:2[20]WANGChuan-shengLILi,Anewtypemachineofmixing-moldingforpolyblend[J]JournalofDonghuaUniversity,2009,26(1):68-74附录2聚合物基纳米复合材料拉伸流动混合器拉伸流动混合器（EFM）在工业上被用来均化反应物、聚合物共混、增塑剂的混合等。最近，一些实验室尝试使用EFM将有机硅酸盐分散在熔体聚合物中以制得聚合物基纳米复合材料。因此，通常把EFM安装在配有齿轮泵的双螺杆挤出机上。使用EFM提高了填料的分散程度和制品的性能，这种提高在聚酰胺和热塑性聚酯中尤为明显，在聚烯烃和聚苯乙烯中则收效甚微。近来，为了提高EFM的效率，对商用型EFM-3进行了改进。改进的方面主要是对能产生拉伸流动的缩放盘进行了重新设计，并且使用单螺杆挤出机对两种混合器（EFM和EFM-3）进行了评价。实验在以下两种体系中进行：（1）添加了C15A的聚酰胺6树脂（2）添加马来酸化PP和C15A的聚丙烯树脂。混合样品由注射成型制得并对混合程度和力学性能做了测试，结果表明EFM-N的性能更为优异。混有C15A的PA-6经安装有EFM-N的单螺杆挤出机混合后，体系中的有机硅酸盐被剥离从而获得了高性能的聚合物基纳米复合材料。商业化聚合物基纳米复合材料是在预添加有活性阴离子的粘土存在的条件下，ε-己内酰胺进行缩聚反应制得。两种复合材料相比，前者的性能与后者相当甚至更优。引言当前，聚合物基纳米复合材料（PNCs)的制备方法主要是反应法。也就是在预添加有活性剂的天然或人工粘土的存在下，对给定的单体进行聚合反应[1-3]。只有那些能够把至少一条生产线用于PNC生产的树脂厂家才能采用这种方法。可靠而简单的熔体混合方法的开发将会使PNC产品转移到对最终产品进行混合和生产的厂家，而这些厂家才是多组分体系的主要生产者[4]。这种技术革新将增加生产的灵活性，具有期望性能的纳米材料也可以在使用之前马上进行生产。毫无疑问这将加快PNCs产品市场化的步伐。PNCs是最近才商业化的材料，年增长率为18.4%，如2004年该行业的收入为1.95亿美元而2008年则达到了3.11亿美元[5]。PNCs材料的主要应用领域为汽车行业（如通用、三菱和丰田汽车）。到2009年，美国对PNCs的消耗量将达到550kton/y[6]。这些消耗主要集中在包装、家电、房屋建筑、市政建设、电力、电子、草坪、花园和电力工具等方面。就目前而言，聚酰胺树脂和由它而制得的PNC产品成本相差10%左右。绝大多数的混合机和塑化机都是在剪切场下工作,拉伸部分仅仅存在于流动方向不平行的区域。然而，理论研究表明剪切分散作用的能源利用率较低，同时就混合而言组分的黏度比也被限制在较低的数值范围内。相对而言，拉伸流动在以下几方面比剪切流动更有优势。能源的利用率比剪切流动高几个数量级不受黏度比的限制产生更好的分散和分布混合作用拉伸流动产生的温升为1~3℃不会像剪切那样引起固体粒子的重新聚集不论是在静态还是动态混合器里，都可以采用缩放流道经济地产生拉伸流动这些优点促使NRCC/IMI开发拉伸流动混合器（EFM）[7]。将其安装在单螺杆挤出机（SSE）上就可得到用于混合、合金化、或者均化聚合物熔体但价格却不昂贵的机器。单螺杆挤出机能够熔融并挤出聚合物熔体，但它的混合性能也是公认的很差。而且。作为纯剪切机器，它可能因为剪切生热而使熔体温度超过设定温度，超过幅度最高可达70℃，从而引起聚合物的热降解。作为一种选择，可以采用配备了齿轮泵的双螺杆挤出机（TSE）。TSE能更好的对混合过程进行控制，但固定投入和操作费用却比SSE高[8]。为了产生足够的压力必须使用齿轮泵，而这将会增加资金投入，带来更多的技术问题。就聚合物共混物的制备而言，SSE+EFM系统不仅价格上比TSE便宜好几倍，而且使用上也常常比TSE好[9-10]。如薄膜树脂中凝胶颗粒的去除，将弹性体添加到热塑性塑料当中，或者混合两种不相容的聚合物。这些结果可依据混合的理论分析得到。实际上，EFM在熔体均化和熔体融化方面表现得相当不错。但是，将一种聚合物熔体分散在另一种聚合物熔体之中的理论与将固体颗粒聚集体分散在聚合物熔体之中是不相同的，要采用前种理论描述后者时必须对该理论进行修正。EFM是唯一采用拉伸流动场来产生混合的机器。1999年，汽车工业协会（IMI）将该混炼器授权给EFM公司，允许该公司生产和分配EFM[11]。2004年初，该授权被终止。过去的几年里，采用商业化EFM-3将有机硅酸盐分散在极性热塑性塑料中取得了出于意料的好成果[12]。混合理论表明拉伸流场的混合效率比剪切流场高四倍[13]。将含4wt%有机硅酸盐的PET在TSE+GP+EFM-3中混合，所得产品的拉伸模量提高了~70%[14,15]。但是，将有机硅酸盐分散在非极性聚合物（如PP和PS）中，然后将其在TSE+GP+EFM-3中混合所得效果则没有这么成功[16,18]。初步使用EFM来生产PNC表明（1）稳态热力学决定剥离过程能否发生（2）混合起着动力的作用，它将加速剥离过程，但前提是该系统是热力学互溶系统（3）由于有机硅酸盐不同的分散机理（与一种液体分散在另一种液体中比较而言），流道的几何结构也就是EFM缩放盘的外形应该加以改进。持续增长的使用要求使得EFM更加通用化，更加适用于分散粘土、有机硅酸盐、碳纳米管、碳晶须、炭黑、硅胶等纳米粒子。因此，设计新型的缩放流道对于纳米复合材料是必须的。关键问题就是对纳米聚集体流动和取向的理解，对拉伸场和剪切场必要的顺序和强度的理解。日本钢铁公司和NRC/IMI公司在设计和测试EFM-N上进行了共同合作，该EFM-N带有新的缩放流道。在这篇文章中，我们将介绍它们在合作中取得的初步成果。广泛的测试程序涉及到两种类型的PNC在不同组分和不同加工条件下的混合。由于空间的限制，我们主要关注使用SSE+EFM-N连续生产PA6基纳米复合材料。出于对比的需要，这些混合物将会与由SSE+EFM-3、TSE+GP+EFM和TSE+GP制得的混合物进行比较。实验混合实验中用到的材料性能如表一。在氮气的氛围下进行两步混合，第一步由TSE制得母粒，基体树脂由料斗处加入，C15A由侧进料口加入，料筒温度T=180℃，物料为PA6时T=240℃，PP时T=200℃。第二步，用适量的聚合物稀释母料，挤出机采用SSE（螺杆长63.5mm，L/D=24，有干燥混合元件）或者是Leitriz-34mmTSE（同向旋转，L/D=40，螺杆转速N=200rpm,产量Q=5~10Kg/h),EFM（不论是商用EFM-3还是新的EFM-N）被直接安装到SSE,中等齿轮泵加到TSE。EFM在缩放盘间隙h=5、15、30、63.5、100、300、1016和2000微米的条件下进行操作。测试样条由安装有ASTM模具的Engel150T注射成型机注射成型。在EFM中，由挤出机出来的熔体流直接到了缩放薄片的边缘，接着在缩放流道间隙中流动，最后由中间的孔流出。第三种设计，EFM-3，具有螺旋芯棒而有以下特点（1）坚固的设计，最小的压力扰曲（2）均匀的熔体温度（3）熔体在缩放盘的环形空间均匀分散（4）对熔体的形态产生最小的改变（5）低的压力消耗。在实际的生产线上，该结构拥有良好的性能。EFM-N上也采用了相同的加固结构，唯一的区别是缩放盘的结构不同。在PNC混合之前，对残留物的时间分布的联机检测由超声波来进行[19]。通过对碳酸钙示踪剂含量的检测便可获得时间分布，平均停留时间如表2。在TSE和SSE中，混合以及残留物时间分布的测量均是在产量恒定的条件下进行，如Q=5~10kg/h。不过，在TSE中产量是由喂料速率所决定而在SSE中产量则是由螺杆转数决定。因此，停留时间在TSE中会随着口模处的流动阻力发生变化而在SSE中在允许的实验误差（Q=5.21±0.33kg/h)之内则保持恒定.显然，SSE中提高转速可以增加产量同时会相同程度地减小停留时间。测试使用X光散射（XRD)、高分辨透射电镜（HRTEM)、扫描电镜对黏土的分散程度进行测定。使用带有金刚石刀片的LeicaUltracutFC切割机从狗骨形的狭窄处用切片的方法制得大约80nm厚的片状样品。样品随即由水中转移到200目的铜网上。XRD法使用的是带有Cu、Kα射线的BrukerD8Discover。XRD实验中X光的波长λ=0.15406nm，扫面速度为0.3度每分钟。样条水平放置。光谱实验中狭缝的宽度为1.0，0.1和0.6mm，扫描角为0.8到10度。从光谱中对分散程度的三种尺寸进行了计算（1）平均间隙宽度d001(2)每堆得薄层数N（3）黏土堆中黏土薄层的相对数量，依据这三个数据从而计算得到剥离度XE。使用Instron5500R型1125测试机对拉伸和弯曲性能进行了测试。杨氏模量由最小二乘方拟合法对形变小于0.2%的应力应变数据进行拟合而计算得到。弯曲试验中，支撑宽度为59mm。使用InstronModel8200冲击试验机在室温下进行了缺口悬臂梁冲击试验。本文中所提到的性能指标均是对单个样条进行了至少10次试验所得数据的平均值。在测试之前，PA6样条在真空50摄氏度下干燥了至少31天。结果将C15A分散在PA6中的混合条件如表3所示。对PP/PP-MA/C15A体系进行了相同的一系列测试（但是温度不同）。相容性混合物，PP-MA，含有同等数量的PP-MA1和PP-MA2（见表1）。如果C15A的含量为Xwt%，那么PP-MA的含量则为2X。在这篇文章中只讨论C15A含量为2wt%的情况。由于黏土薄层的平均平面比例P=287±9，所有它们在高作用力下的自由旋转是不可能的[20]。表4列出了拉伸、冲击和XRD的数据。拉伸性能由四个参数进行表征：杨氏模量E（GPa)，屈服强度σ（MPa),断裂强度σb(MPa)，以及断裂伸长率εb（%）。室温下的缺口悬臂梁冲击强度的数据列在了旁边。表中没有给出弯曲测试数据，因为弯曲模量和强度与拉伸参数线性相关，见图2a和2b。XRD扫描（见图3）用三个参数来表征：层间间隙d001(Eq.1),每堆中平均薄片数，N（Eq.2）剥离程度XE，XE由最高点下的面积求得。Bragg's方程如下n为整数，θ为X光的入射角（或反射角）。根据Scherrer关系由X光峰加宽可计算得到黏土堆的分散层数ts.由ts和d001便可由下面公式计算得到N.式中ts≌0.9λ/（B1/2cosθB),B1/2≌θ1-θ2,B1/2是半高处的宽度(Imax/2),θB≌(θ1+θ2）/2.XE可以通过主散射峰下的面积和适合基体树脂的指数衰减曲线的对比得到。图4给出了三种混合样品的显微照片，三种样品分别是PA-0,PA-3和含有2wt%的PA-4，它们分别由SSE、SSE+EFM-3,EFM+EFM-N挤出成型。使用EFM时，缩放盘间隙为30微米。值得注意的是，在PA-0挤出时没有EFM但也出现了剥离现象，但是样品中存在有较大的有机硅酸盐聚集块。增加EFM-3或者EFM-N之后消除了这些团聚颗粒同时也增加了剥离的程度，甚至超过了用UbePA1015C2获得的值。讨论缩放盘间隙对黏土分散的影响图5给出了PA-6基PNC在不同EFM间隙时的d001,XE和N。对EFM而言，在允许的实验误差之内，这三个参数保持恒定，而在EFM-N中d001,XE随着EFM间隙的减小而增大。含2wt%C15A的PA-6经SSE+EFM-N（缩放盘间隙较大）挤出后，留有少量的团聚颗粒同时N=3.2±0.1，这些结果与计算得到的数值相似。只有当缩放盘间隙很小的时候，大约h≌30微米时,N减小到2.1,同时XE增大能能观察到的最大值97.1%.进一步将间隙减小到15微米不会提高分散效果,这可能是因为在高的应力流动区域会有低的物料停留时间。图6给出了PP基CPNC的相同信息。除了最小间隙h=15微米（这种低间隙导致的降解会使得层间间隙的塌陷）以外，d001≌3.45±0.05nm，N≌3与缩放盘的间隙大小没有关系。随着缩放盘间隙的减小，只有XE略微增加，增加幅度EFM-N比EFM-3大。这种影响似乎表明黏土的分散机理是将聚集体的外层薄片剥离。图5和图6的数据表明EFM将同样的有机硅酸盐分散在PA-6和PP+马来酸化PP基体中的能力是不同的。采用SSE+EFM-N时，前一个体系被剥离。由于对UbePA1015C2类比计算得到的剥离度比混合样条的低，因而该结果显得特别重要。值得注意的是商业型PNC是通过将有机硅酸盐（蒙脱土中预添加了ω氨基十二烷基酸）分散在ε己内酰胺中，然后悬浮聚合得到。这个过程中，在ADA的作用下基体树脂和黏土之间形成了共价键，而这则成为了大分子链的第一个结构单元。[1,21-23]与反应法制得的PA1015C2相比，由PA-6和C15A混合制得的PNC具有更复杂的结构，这反映在后者的力学性能上。根据厂商提供的信息，C15A含有25%的多余的层间物质。这些层间物质为二甲基二氢化动物酯氯化铵。有机硅酸盐以黏土薄层聚集体的形式存在，表面还覆盖有一层厚的石蜡油。很显然，这样的共混物是不会溶解在PA-6之中的。但是，C15A在T>180℃时会经历Hofmann消去热降解反应[24](见反应式1）Tanaka和Goettler的研究证明[25]纯净的黏土对PA-66的粘结强度高于其它任何有机硅酸盐。对PA-6基PNC的研究也得出了相同的结论[26]。因此，在混合PA-6/C15A体系时，层间物质的消除伴随着PA大分子向黏土裸露表面的迁移，而这将致使剥离由外层有机硅酸盐团聚颗粒向内层逐步发展。这个过程中黏土表面和PA-6大分子之间没有独特的共价键，有的只是自由电子之间的相互作用。而且Hofmann消去反应要完全的进行时不太可能的。因此，被石蜡油覆盖的黏土内部不混容的部分必须与直接和聚合物