聚烯烃管材，从工艺控制到技术处理，看这篇就够了
聚烯烃通常指乙烯、丙烯或高级烯烃的聚合物，英文缩写为PO。其中以聚乙烯和聚丙烯最重要。
关于聚烯烃管的工艺控制
挤出成型工艺的控制参数包括成型温度、压力、螺杆转速、挤出速度、牵引速度、加料速度以及冷却定型等。
1．原材料的预处理
聚烯烃是非吸水性材料，通常水分含量很低，可以满足挤出的需要，但当聚烯烃含吸水性颜料，如炭黑时，对湿度敏感。另外，在使用回料及填充料时，含水量会增大。水分不但导致管材内外表面粗糙，而且可能导致熔体中出现气泡。通常应对原料进行预处理。一般采用干燥处理，也可加相应的具有除湿功能的助剂。如消泡剂等。PE的干温度一般在60-90度。在此温度下，产量可提高10%--25%。
2．温度控制
挤出成型温度是促使成型物料塑化和塑料熔体流动的必要条件。对于聚烯烃来说温度范围较宽。通常在熔点以上，280度以下均可加工。
口模和芯模的温度对管子表面光洁度有影响，在一定的范围内，口模与芯模温度高，管子表面光洁度高。通常来讲，口模出口的温度不应超过220度，机头入口的熔体温度为200度，机头入口和出口熔体温差不应超过20度。
聚乙烯管材挤出的熔体温度上限一般规定为230度，一般控制在200度左右为佳。聚丙烯管材挤出的熔体温度上限一般为240度。
3．压力控制
挤出过程中最重要的压力参数是熔体压力，即机头压力。熔体压力通常控制在10-30MPa之间。
4．真空定型
真空定型主要控制真空度和冷却速度两个参数。通常在满足管材外观质量的前提下，真空度应尽可能低，这样管材内应力小，产品在存放过程中变形小。
聚乙烯管材挤出成型中冷却水温要求一般较低，通常在20度以下，在生产PPR管材时，第一段温度可以稍高，后段较低，从而形成温度梯度。
6．螺杆转速与挤出速度
螺杆转速是控制挤出速率，产量和制品质量的重工参数。单螺杆挤出机的转速增加，产量提高。剪切速率增加，熔体表观粘度下降。有利于物料的均化。
7．牵引速度
牵引速度直接影响产品壁厚，尺寸公差，性能及外观，牵引速度比须稳定，且牵引速度与管材挤出速度相匹配。牵引速度与挤出线速度的比值反映出制品可能发生的取向程度，该比值称为拉伸比，其数值必须等于或大于1。
8．管材的在线质量控制与后处理
聚烯烃属结晶聚合物，刚下线管材的性能与管材制品交付使用时的尺寸和性能时有差距的。
主要原因有：一，聚烯烃熔体冷却过程中要发生结晶作用，与温度和时间有关。第二，刚下线管材的温度通常高于常温。第三，刚下线的管材内应力较大。为了达到性能及尺寸的稳定性，一般的聚乙烯管材应下线放置24小时，聚丙烯管材需放置48小时后，可依照相应的标准进行性能测试。
聚烯烃管材挤出常见问题
一、表面黯淡无光
1、原料水分
2、熔体温度不合适
3、挤出机挤出的熔融物料不均匀
4、定径套过短
5、口模成型段过短
1、原料预处理
2、调整温度
3、增加背压，用较细的过滤网，设计适宜的螺杆结构
4、加长定径套
5、加长口模成型段
二、表面有斑点
1、原料中有水分
2、水槽中的管子上有气泡
1、干燥原料
2、消除气泡。调整工艺温度。
三、外表面呈光亮透明的块状
1、机头温度过高
2、冷却水太小或不足，或不均匀
1、降低机头温度
2、冷却水开大或清理定径套
四、管材光滑外表面规则的斑纹
管材趋向粘附定径套
加大冷却水流量清理水路或降速
五、管材外表面较深的波纹
定径套口模没对准
对中，保持定径箱与口模在同一轴线
六、内表面粗糙
1、原料潮湿
2、芯模温度低
3、口模与芯模间隙过大
4、口模定型段太短
1、烘干，或预处理
2、增加温度或保温时间
4、换较长的口模
七、管内壁波纹状
1、挤出机产量变化，下料不稳
2、牵引打滑
3、管材冷却不均
1、降低螺杆喂料区温度
2、调节牵引气压
3、调节水路
八、管内壁有凹坑
1、原料水分大
2、填充料分散性差未塑化，杂质
1、原料预热干燥
2、换料，调节温度，清洁原料
九、管内壁有焦粒
1、机头与口模内壁不干净
2、局部温度过高
3、口模积料严重
2、检查热电偶是否正常
3、清模，降低温度
十、外径或壁厚随时变化
1、挤出速度变化
2、牵引速度发生变化或打滑
3、下料不稳
4、熔体的不稳定性
5、冷却不均
1、检查牵引机
2、适当提高压力
3、原料过筛或造粒
4、提高料温，降低线速度，增加模口间隙
5、清理水路
十一、管材壁厚不均
1、口模没对中
2、口模温度不均
3、牵引机和定径套口模没对准
4、定径套与口模距离太远
1、调节口模同心
2、调节温度
3、牵引机和定径套口模保持在同一轴线上
4、拉近定径套与口模的距离
十二、熔接缝不良
1、口模成型段太短
2、熔融温度低
3、模头中塑料分散
4、机头机结构不合理
1、换较长口模成型段
2、提高料温
3、清理模头
4、更换或改造
十三、管材过早损坏穿孔
4、颜料或填充料分散不良
1、干燥原料
2、除湿或降低温度
3、清洁原料或用过滤网
4、调节温度或更换原料
十四、管材过早损坏（脆性破坏）
2、温度过高，原料分解
1、提高料温
2、清理模具，降低温度
十五、管材开裂
1、机头温度低，挤出速度快
2、冷却水太大
1、升温，降速
2、减小冷却水流量
十六、管材圆度不好，弯曲
1、口模，芯模中心位置不正
2、机头温度四周不均
3、冷却水离口模太近
4、冷却水喷淋力过大
5、冷却水喷淋太小
6、水位过高
7、牵引机压力过大
1、调整同心
2、调节温度
3、调整冷却水位置
4、调节喷头角度
5、清理水路
7、调节气压
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塑料异型材生产开机与制品质量缺陷控制
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3秒自动关闭窗口2013第三章 挤出加工新技术_甜梦文库
2013第三章 挤出加工新技术
第三章挤出加工新技术北京工商大学 材料科学与工程系New Polymer Extruding technique磨盘挤出 振动挤出 反应挤出 固态挤出 精密挤出 共挤出2第一节磨（圆）盘挤出设计原理?磨（圆）盘挤出机依Weissenberg效应的原 理而设计。 ?当具有粘弹性的熔融物料在两平行的圆盘间 受到剪切作用时，会产生一个垂直于圆盘面 的轴向作用力（即法向应力），此时，若在不动盘的中心开一个口，则处于两圆盘间的熔融物料就会在轴向应力的作用下挤出。4单圆盘 挤出机磨盘型 力化学 反应器带辅助 螺杆的 圆盘挤 出机磨(圆) 盘加工串联 式磨 盘挤 出机端面混 炼挤出 机独立 式磨 盘挤 出机5单圆盘挤出机? 工作原理：物料从料斗加入定 盘3和转（动）盘1组成的空间， 在外热和两圆盘剪切摩擦的作 用下熔融，并在法向应力的作 用下从设在定盘中心的口模挤 出。?特点：进料容易，物料在挤 出机内停留时间短 ?适合加工各种形状的物料， 如粉料、粒料、废旧料等。6常见磨盘的形状? 为增强混炼效果，在两个圆盘上开有沟槽，沟槽 的形状多种多样，例如：7带辅助螺杆的圆盘挤出机特点：? 采用辅助螺杆，增大了挤出压力? 间隙可变，可根据物料调节剪切力的大小。8端面混炼挤出机采用IKV强制加料系统。 保证物料的稳定输送、 较高的产量和较小的压 力波动。1-电机 2-传动部 分 3-送料螺杆 4转盘 5-定盘 6-箱 体 7-端盖 8-料斗 9-转盘用键 10-锁 紧螺母 11-固定螺 钉 12-螺钉 13-垫 片14-电加热器 15出料口 16-排气孔 17 、 18- 透 明 视 窗 19-测试孔?转盘为圆台形，使螺杆至转盘端面 的过渡成为锥形。 ?圆台锥面上增加了螺旋线槽送料螺杆和转盘安装在 同一轴线上，电机通过 传动系统驱动送料螺杆 和转盘在箱体内转动物料从料斗加入，通过送料螺杆经转盘 的圆周面与箱体之间的环隙送到转盘与 定盘的端面，由端面的外缘向中心输送， 在螺杆的推力作用和环隙中剪切力的作 用下物料不断塑化混合，最后从定盘中 心出料口离开挤出机。9端面混炼挤出机转盘与定盘的端面形状动 定 盘 为 镶 嵌 结 构转盘的端面与定盘的端面均可设计为圆盘平面，也 可将定盘的端面设计为平面而将转盘的端面开设有 阿基米德螺旋槽（左上图），还可以将定盘的端面 设计为平面而转盘端面设有辐射折线槽（左下图） 以及转盘和定盘均为扇形镶嵌结构（右上图）。端 面混炼挤出机的加料段采用IKV强制加料系统，这样 保证物料的稳定输送、较高的产量和较小的压力波 动。10定 盘 为 平 面， 转 盘 开 槽端面混炼挤出机的混炼效果研究单位：北京化工大学 材料：LDPE/CaCO311对混炼结果的解释?填充体系的分散程度主要取决于混炼设备对物料施加的 剪切作用的大小。 1. 端面挤出机端面盘的直径远大于单螺杆挤出 机的螺杆直径，在相同的转速下，其边缘部 分的速度远大于料筒对螺杆的速度，因此， 端面挤出机的拖曳作用大，分散效果也优于 普通单螺杆挤出机。 2. 镶嵌盘的剪切作用大于螺旋盘，因此其分散 效果最佳。12对混炼结果的解释? 混合物的均匀度不仅与剪切作用有关，而且还与所受的分流置换、压缩和挤压作用有关。?单螺杆挤出机的分流、置换和挤压作用小，其混 合均匀度差。端面挤出机的两端面盘均有径向分流 槽，混炼过程中，物料反复经历分流和置换，均匀 程度大有提高。而镶嵌盘对物料还存在反复挤压作用，因而其均匀程度最好。13独立式磨盘挤出机磨盘 结构螺杆挤 出机? 独立式磨盘挤出机是在单螺杆挤出机基础上将单螺杆圆柱面上螺 纹的部分功能移至圆盘的端面上来进行，从而达到提高混炼质量 的目的。采用独立式磨盘挤出机和单螺杆挤出机两套单独的控制 系统，使物料的熔融塑化和混合过程实现了独立控制。14独立式磨盘挤出机A-机头区 B-控制和传动系统 C-接单螺杆挤出机 1-冷却水管 2-加热器 3-混炼盘 4-混炼腔体 5-机筒 6-漏料口 7-密封结构 8-挤出机连接体? 其轴线与单螺杆挤出机轴线呈一角度连接，由单螺杆挤出机挤出的熔融 物料经挤出机连接体8的熔体入口C进入独立式磨盘挤出机，由C进入的 熔融物料经混炼盘3的混炼后进入机头区A，再由机头挤出。B为控制盒 传动部分，不仅提供混炼盘3的动力，而且能够调整混炼盘3与混炼腔壁 的间隙。冷却水管1和加热器2可精确控制混炼强熔体的温度。为了防止 物料进入传动系统B，在混炼盘与传动系统之间的轴上增加密封结构7， 在密封结构7和机筒5下方还开有漏料口6。15独立式磨盘挤出机的结构设 计 或 调 整?混炼盘的结构 盘间间隙 转速?实现不同剪切混合效果16串联式磨盘挤出机喂料 装置 螺杆挤 出机 机头 磨盘 结构CPJ- 75/ 135串联式磨盘螺杆挤出机的数码照片17串联式磨盘挤出机的设计思想? 集单螺杆挤出机和独立式磨盘挤出机为一体 ? 不仅具有一般单螺杆挤出机的共性，同时还有独立式 磨盘挤出机的特性。18串联式磨盘挤出机的组成串联式磨盘挤出机的结构特点： ?其转子是由单螺杆和一组磨盘 串联而成； ?通过增大螺杆直径，它可承受 很大的扭矩； ?物料在若干组开有很多沟槽的 旋转磨盘和固定磨盘之间相互 碾磨，具有超强的混合、破碎 和塑化功能； ?通过加长螺杆计量段长度，可 以建立较高的机头压力； ?串联式磨盘挤出机不仅适用于 聚合物材料，还可用于陶瓷、 磁钢等高密度、高硬度材料以 及其他特殊材料的连续混炼及 挤出成型。19工作原理? 物料经料斗加入，传动系统通过花键连接带动加料螺杆转动，把物料向前输送，并将物料部分塑化。? 当物料进入混炼段后，经过数对旋转磨盘和固定磨盘之间沟槽的剪切、破碎作用，使物料熔融、混炼并向前输送。? 在法向应力的作用下进入挤出段，物料在此段进一步均 化和增压，然后从机头挤出。20串联式磨盘挤出机的结构?挤出机的主轴是一根花键芯轴，挤出元件依次串联在花键轴上。 ?主要包括加料段螺杆、动盘、定盘、螺纹元件、排气段动盘及挤出段螺杆 等。 ?在花键轴上先安装加料段螺杆17，然后串联数个可与主轴一起旋转的动盘 11和螺纹元件12，而定盘14就是螺纹元件12的机筒部分，之后串联一个排气 段动盘8和固定盘，最后安装挤出段螺杆6。 ?在装配时，动盘11和螺纹元件12交替安装，则动盘11和定盘14也交替安装。 这些动盘11和动盘14之间形成锯齿状态的交错，一个动盘的两个端面分别于 两个固定盘的端面之间形成加工面。2122混炼元件23混合机理?当两磨盘的凹面与凹面相对时，间隙最大，物料发生置换；? 分布混合?当两磨盘的凸面与凹面相对时，间隙减小，物料发生压缩； ?当两磨盘的凸面与凸面相对时，间隙最小，物料发生剪切。?动盘每转一圈，动定盘间的物料经历若干次这样的混合作用， 因而提高了物料的混合效果。? 分散混合在串联式磨盘挤出机中，每一对动盘和定盘的 相对端面都有多个剪切区，而且磨盘的转速和 间隙可调，物料重复经过高剪切区时要经受大 的剪切形变，因而具有很好的分散效果。24混炼效果? 研究者分别用串联式磨盘挤出机和平行同向双螺杆挤出机对HDPE/Mg(OH)2 体系混炼，电镜照片显示，前者的混合效果优于后者。25混炼效果? 用不同磨盘间隙的串联式磨盘挤出机对聚苯乙烯/四氧化三铁/丙烯酸体系进 行混合，结果如下： 1、在同样的间隙下, 转速v越高, 分散相平均表面直径dA 和总体均 匀度M也就越小, 这表明转速高时 混炼效果更佳。这是因为转速v高 时, 物料在磨盘间经受的剪切速率 高, 分散性及分布性混合均大大加 强。 2 、在 相 同的转 速 下 , 间隙 越 小, 分散相平均表面直径dA 和总体均匀 度M也就越小, 混炼效果更佳。 其原因是当磨盘间隙小时, 物料不 但经受较大的剪切作用, 同时也受 到较大的挤压作用, 因而混炼质量 大大提高。26应用范围? 适用于从橡胶、塑料到陶瓷的各类工业材料的连续混炼? 制取其它螺杆挤出机无法加工的特殊高分子合金材料和高填充的物料，例如软、硬PVC混合材料；电子复写、传真用调色涂料；陶瓷、塑料和各种有机混合料；磁钢、导电塑料、热熔涂料、高粘度工程塑料、电池的电极以及粉末涂料等。27磨盘型力化学反应器? 四川大学徐僖、王琪等借鉴中国传统石磨的巧妙构思，自行设计和制 造了用于聚合物及填料的粉碎、混合和力化学反应的设备，开辟了运 用力场技术制备具有特殊功能和高性能新材料的途径。 ? 磨盘型力化学反应器可用于聚合物及填料的粉碎、混合及力化学反应。 能提供强大的挤压、剪切作用，使材料受到垂直、环向、剪切等多种 应力的作用而破碎，产生较现有设备更有效的粉碎作用和力化学反应。去年中期 考核题目28结构和原理?固定磨盘2固定在壳体上，转动磨盘 固定在支架11上，由电机带动传动装 置12上的转轴驱动。 ?磨盘间的压力通过手柄5调节，整个系统为封闭式结构。?热介质通过入口6进入以调节温度， 出料口8通惰性气体保护。 ?物料从加料口1经输料螺杆4连续进 入磨盘内受力反应，反应物从输料软管7至出料口8出料。29磨盘结构30磨盘型力化学反应器的应用? 该反应器在加工高分子材料的过程中，能够提供强大的 挤压、剪切作用，使材料受到垂直、环向、剪切等多种 力的作用而破碎，产生较现有设备更有效的粉碎作用和 力化学反应。 ? 可进行材料在力化学作用下的运动过程、反应机制、形 态变化、材料改性及加工等多方面的研究。31磨盘型力化学反应器的应用?固相力化学接枝?聚合物共混 ?韧性塑料的粉碎32固相力化学接枝? 刘才林等利用磨盘型力化学反应器在室温下实现了马来酸 酐（MAH）在PP上的固相接枝。该方法是利用力作用使 PP降解产生自由基，在固态下引发单体接枝共聚。 ? 研究表明，MAH在PP的固相接枝受温度、磨盘静压力、 磨盘转速、碾磨次数及原料配比的影响。与常规的热反应及化学反应不同, 温度较 低有利于固相力化学接枝反应。这是因为 温度较低时,大分子热运动减慢, 松弛过程 较长, 在应力作用下大分子链更易断链, 有利于大分子自由基的产生, 从而有利于 固相力化学接枝反应。 反应温度高于20 ℃,MAH 在PP上的接枝率 随温度升高而降低; 此时的聚合物反应呈 现负的反应温度系数, 为典型的力引发聚 合物的反应特征。33固相力化学接枝磨盘碾磨过程中, 材料受到的挤压剪切力 与施加在磨盘上的静压力直接相关。随静 压力增加, PP 的降解程度增加, 大分子自 由基数目增加,从而导致接枝率增加。但当 静压力过大, 使得磨盘转动困难, 物料循环 不畅, 从而影响对材料的碾磨效果, 使接枝 率下降。MAH 在PP 上的接枝率随碾磨次数的增加 而升高。当碾磨次数超过16 次, 接枝率 趋于定值。34固相力化学接枝当磨盘转速在40 r/m in 以下时,MAH在 PP上的接枝率受磨盘转速影响较小; 相同 碾磨次时, 转速越大, 物料在力化学反应器 内停留时间越短, 由此可看出, 此时力的作 用是第一位的。当转速高于40r/min时, 接 枝率下降。表明PP/MAH 配比为40∶3 时，MAH 在PP 上的接枝率最高。当配比太大, 自由基易就 地终止, 当配比太小,MAH 的润滑作用不利 于PP降解, 产生的大分子自由基不多, 均不 利于接枝率的提高。35聚合物共混? 王琪等利用磨盘型力化学反应器制备TPU/CaCO3复合粉体 对POM进行了改性研究。TPU/CaCO3 复合体系在碾磨5遍以后 可形成平均粒径～500μm的碎片,之后 迅速粉体化,碾磨8遍后粉体粒径降至 80μm,进一步碾磨,复合粉体的粒径变 化缓慢。在碾磨10遍后,复合粉体的粒 径保持在50μm左右。36聚合物共混? 王琪等利用磨盘型力化学反应器制备TPU/CaCO3复合粉体 对POM进行了改性研究。比较了TPU/ CaCO3 超细复合粉体填充聚 甲醛与常规共混物的拉伸强度和缺口冲 击强度,其中所添加复合粉体聚氨酯弹 性体与碳酸钙的比例为65/35。 可以看出,超细复合粉体填充聚甲醛的 冲击性能明显优于常规共混聚甲醛。常 规共混中,添加入TPU和CaCO3 后,聚甲醛 缺口冲击强度先略有上升,但随着添加 物含量的增加,缺口冲击强度基本保持 不变。虚线为常规共混方法制备37聚合物共混? 王琪等利用磨盘型力化学反应器制备TPU/CaCO3复合粉体 对POM进行了改性研究。而复合粉体加入聚甲醛后,材料的缺口 冲击强度迅速提高,并在超细复合粉体 含量为10%(TPU含量为6.5%)时达到最大 值15.3 kJ/m2,是纯聚甲醛缺口冲击强度 的2.3倍,比常规共混物缺口冲击强度高 近1倍。 当超细复合粉体的含量高于10%后,缺口 冲击强度下降。同时,从拉伸强度的对 比可以看到,当填充物含量小于10%时, 复合粉体填充聚甲醛的拉伸强度比常规 共混物高,当填充物含量大于10%,两者 的拉伸强度基本相同。虚线为常规共混方法制备38韧性塑料的粉碎? 采用磨盘式力化学反应器还可以粉碎韧性强的工 程塑料。 ? 对PA6的实验表明，在碾磨力场的作用下，PA6 分子链断裂，粒度减小，最小可达到80nm。碾 磨使PA6的屈服强度和杨氏模量下降。39第二节 振动挤出振动源 有哪些？流变性能机头 全过程聚集态结构注射成型实验仪器何为振动加工?聚合物熔体振动加工就是在聚合物塑化、充模、保压或冷却成型阶段，通过机械、电磁、声波、超声波、微波等振动源在机筒、流道或模腔内部引入振动，以使聚合物受到周期性的压力或剪切 作用，从而加工出预期制品的过程。机械振动和波 振动的区别 ?根据熔体所受振动形式的不同，可将聚合物熔体 振动加工分为剪切振动和压力振动两大类。 挤出膨大效应41剪切振动剪切振动使熔体受到强烈的剪切作用，破坏 了聚合物之间的物理交联点，并使之难以及 时重建；聚合物分子沿剪切方向取向，分子 链间的摩擦阻力减小，从而使其粘度降低。42压力振动压力振动是对聚合物熔体施加周期性的压力。 由于受到周期性压力的作用，聚合物熔体分 子线团不断受到压缩与拉伸作用，从而占据 或释放聚合物的有效空间，一些运动模式的 松弛来不及完成，其能量未能耗散殆尽而以 弹性储能的形式储存起来，这样粘性耗散相 应减小，从而降低了粘度。43本节内容提要振动挤出其它振动加工技术44振动挤出加工原理? 在挤出成型加工中，振动力场作用于聚合物熔体，其作用机理是在主剪切流动上叠加了一个附加的交变应力，使物料的状态由组合应力决定。――挤出过程中的质量平衡、动量平衡、能量平衡关系都发生了变化。? 由于振动力场的作用，加工过程中形成的局部压力场和速度场都是脉动的，加速和加强了高分子链段的扩散运动，使高分子解缠、取向容易。45振动挤出加工原理? 同时，周期性的脉动剪切力产生大量的耗散热，导致聚 合物熔体的粘度降低。因此，挤出熔体所需的压力降低， 平均挤出流率增大，挤出功率降低。 ? 振动还使挤出胀大（弹性行为）减小，制品的物理机械 性能得以提高。 ? 振动强化了聚合物在加工中的物理和化学变化过程，改变了聚合物熔体的流变状态。在振动力场的作用下，温度、压力、振动场的频率和振幅都能改变熔体的粘弹性 能，这就是动态加工中熔体的表观粘度降低、弹性减小的原因所在。46振动挤出的形式机头内引入振动整个加工过程置于振动之中47机头引入低频机械振动? 机头内的螺旋芯棒能以25Hz的频率往复旋转? 引入振动后，挤出加工特 性得到改善，机头压力降 低(20～30％)、流率显著 增加(1.4～2.0倍)、单位能耗减小。48机头引入低频机械振动? 由此说明低频机械振动可以降低聚合物熔体的有效粘度；而且测试结果证明： 振幅增加，其物理力学性 能有所提高。但振幅的改 善也是有限的。阈值一般在22.3°以下。49机头引入低频机械振动? 采用偏心机构将电动机的旋转 运动转化为圆环机头内表面平 行于聚合物熔体挤出方向的振动。? 实验结果表明，平均挤出流率 恒定时，随着频率和振幅的增大，模头压力降低，熔体温度上升。机械振动挤出系统50机头引入超声波振动（一）? 机头上方装有超声波发生器? 通过转换器和产生纵向振动 的扬声器，在圆形机头中平 行挤出方向叠加超声波振动 ? 采用该系统后，将引起搅动 和空化作用，并产生化学和 机械作用。 ? 机头压力降低，出模膨胀减 小。振幅比频率的影响大。有理论认为，低频振动时压力的降低是聚合物粘弹性本质的体现， 而高频振动时压力的降低是温度升高和粘弹性共同作用的结果。51机头引入超声波振动（二）? 郭少云等研制 ? 机头相当于一个特殊的角状毛细管流变仪(长径比为10)? 超声波振动探针插入聚合熔 体内产生振动，在平行于熔 体流动方向施加振动? 将尼龙与聚乙烯共混可提高尼龙 ? 在机头上安装压力传感器和 的冲击强度和聚乙烯的拉伸强度。由 于高密度聚乙烯( HDPE) 与尼龙6( PA 热电偶分别记录压力和温度 6) 的相容性很差, 通常加入相容剂来改 善体系的相容性, 制备性能优异的共混 的变化 材料 。52聚合物加工全过程引入振动力场? 瞿金平等研制? 由挤压系统、传动系统、加料系统、加热冷却系统和特殊的 驱动系统组成。? 挤压系统整个置于电机转子内，可使物料的塑化挤出全过程均 在电机转子内腔完成 ? 已成功应用于吹膜、微孔塑料 以及管材、片材的成型53电磁动态塑化挤出机的工作过程? 主电磁绕组装置和辅助电磁绕组装 置产生旋转磁场和脉动磁场 ? 金属运动体在磁场的作用下带动整 个挤压系统同步转动和振动 ? 物料经料斗进入输料螺杆后，沿设 定方向向前输送，经通道进入挤压 螺杆的螺槽，在挤压螺杆和塑化滚 动体的转动和振动下，经历动态压 实、排气、塑化和混炼过程，然后 进入计量螺杆的螺槽，经过计量螺 杆的转动和振动被定压、定量、定 温地向前泵送。 ? 熔体经过过渡套和机头挤出成型。54电磁动态塑化挤出机的振动原理? 挤出机从定子侧观察相当于一个铁 磁体实心转子异步电动机 ? 定子和转子之间的气隙中产生的谐 波磁场对整个塑化过程产生影响； 气隙中的高次波不仅在转子上产生 热耗，而且经过特殊的结构设计后 也可在气隙中产生脉动磁场和旋转 磁场，引起转矩的脉动和处于悬浮 状态转子的轴向振动 ? 螺杆和转子同轴固定连接，故螺杆 也做脉动旋转和轴向振动，实现了 将电磁场引起的机械振动引入聚合 物塑化全过程55电磁动态塑化挤出机的性能良好的线 性关系挤出量对机头 压力稳定挤出温 度较低56其它振动加工技术?振动注射?振动密炼?振动拉伸?振动吹塑?振动压铸57振动注射?在注射成型中，振动力场的引入侧重于改善制品的物理机械性能；当然，振动力场的存在对加工的压力、温度和熔体的流动性也有一定的影响。58振动注射的施振方式波振动机械振动气体振动?声波、超声波、场能和感应能 模具加振成型 螺杆加振注射成型 辅助加振注射成型 单点动态进料保压注射成型 多点动态进料保压注射成型 推拉注射成型 全振动注射成型59振动注射――塑化阶段? 严正等研制 ? 用该装置对HDPE、PS、ABS熔体在不同压力、温度、频率和 振幅下的表观粘度进行了测量，结果普遍随频率增加而下降60振动注射――注射保压阶段? 如图所示，在注射和保压冷却阶段， J.W.Pendleton, 超声振动发生器激活附在模具上的 US Patent, No. 3,298,065 换能器，换能器将超声振动通过模 具作用于模腔中的聚合物熔体。超 声波作用于聚合物熔体，导致球晶 生长，而又将球晶破碎成小颗粒； ? 同时，超声波作用于熔体和冷却面 之间，加速热传递，使熔体更快冷 却，获得更小的球晶。 ? 经过超声波作用的注射成型制品， 具有更高的冲击强度、应力开裂阻 力和透明度。61振动注射――全过程? 瞿金平研制的电磁动态注射机? 将塑化装置、振动装置和控制系统巧妙地结合在一起，采用无拉杆、双动模板的结构方式，并将脉振电磁场引起的振动力场引入到注射成 型的全过程，实现了动态塑化、注射和保压。 瞿金平.欧洲专利(EP Patent),No. 瞿金平.美国专利(US Patent),No.5,951,92862振动密炼? 周持兴等研制? 两转子安装于两平行轴上做异 向旋转 ? 主动转子由带有振动装置的电 机驱动，振动规律为正弦函数，其速度是振动速度与稳定速度的叠加 ? 从动转子由主动转子通过齿轮 驱动，两转子的速比为3/263振动拉伸? T.Kunugi等采用振动热拉伸技术制备了尼龙6纤维，所制备尼龙6纤维的力学性能大幅提高，其动态储能模量室温时可达25.3GPa。64振动吹塑? 空气、氮气等均可用于对聚合物熔 体产生振动或压力脉冲。将之应用 于吹瓶，发现振动将增加取向，有 利于产品的质量提高。? 1995年，B.Miller在吹塑过程中引入 振动，吹塑产品中的气体压力振动 改变了熔体的粘弹性，并提高Ｇ′/Ｇ 和Ｋ′/Ｋ 的比值(其中Ｇ 指复合剪切 模量,它有两个分量:储能模量Ｇ′和 损耗模量Ｇ″;Ｋ 指复合体积模量， 亦有两个分量(储能模量Ｋ′和损耗模 量Ｋ″)，从而增加了取向，改善了 制品的形态和性能。J.P.Ibar, Polym.Eng.Sci., ）：1B.Miller , PlasticsWorld,1995,765振动压铸? 在八十年代，J.P.Ibar首先将振动应用于压铸成型加工PP和PS 的冷却期间。模具一半固定，一半振动，动模紧紧地安装于振 动台上，在熔体迅速冷却期间将压力脉冲传递过去。试样为 3mm厚,直径为32mm～70mm的圆盘。? 结果表明，PP与未振动试样相比,断裂伸长率由原来的500%～ 900%提高到最高1700%，硬度最高提高了18%，抗蠕变性提 高了69%，且试样在屈服后无应力下降，普通试样则有99MPa 的下降。PS试样与未受振动的普通试样相比力学性能得到了很 大提高:其弹性模量提高了120%，断裂强度提高了90%甚至更 好，断裂能量提高了150%。 ? 该方法振动程度控制非常容易 (控制振动模具的能量)，经济花 费不大，但是其机械性能提高相当可观。J.P.Ibar , ACS Polym. Prep., ) ：215 J.P.Ibar, Polym. Plast. Technol. Eng. ,)：1166熔体振动成型技术对聚合物成型加工的益处? 其一，振动在加工过程中会导致聚合物熔体粘度降低， 改善聚合物材料的可模塑性，增加流动长度，可有效降低注塑压力和温度，从而降低能耗，提高生产率。? 其二，振动将改善聚合物内部结构和微观形态，从而获 得良好的力学性能、热性能及外观质量。 ? 其三，振动应用于造粒或挤出使相与相之间熔合得更好， 具有良好的混合特性，这对于废料回收更具现实意义， 并有益于环境保护。67第三节 反应挤出? 以螺杆和机筒组成的塑化挤出系统作为连续化反应器 ? 将欲反应的各种原料组分如单体、引发剂、聚合物、 助剂等一次或分次由相同或不相同的加料口加入到螺 杆中高粘？功能？? 在螺杆转动下实现各原料之间的混合、输送、塑化、 反应和从模头挤出的过程，聚合物单体或聚合物熔体在螺杆挤出机内发生 物理变化 ？，同时发生 化学反应？，是一种新的工艺方法。反应挤出的优点? 将聚合物的合成与加工融为一体，装备投资少，工艺简洁， 生产线短，成本较传统生产方法低，建设周期短。 ? 可以实现反应过程的精确控制。如通过改变螺杆转速、加料 量和加工温度就可控制反应的开始和停止时间。 ? 物料在挤出机中的停留时间短，通过螺杆的结构设计和加工 条件的调整可控制物料在加工设备中的停留时间和停留时间 分布。 ? 可根据不同物料体系对螺杆结构和挤出工艺进行调整，灵活 性大。 ? 可以实现一些在常规反应器中不能实现的高粘反应？。 ? 既能控制化学结构，又能控制物理形态，可制得具有奇异性 能的新型聚合物。 ? 可以使用少量溶剂或不使用溶剂进行反应，省去了回收溶剂 的麻烦，增加了生产的安全性，减少了环境污染。69对反应性挤出机的要求? 高效率的混合影响反应速率和反应物的质量。应提 供尽可能多的界面交换以增加反应几 率。提高螺杆转速可增加剪切界面， 但影响物料的停留时间（反应时间）计量？? 足够的反应空间主要决定于反应器结构的几何设计易燃？? 合理的停留时间和停留时间分布溶剂？决定于反应器结构的几何设计以及工艺 条件的设置。停留时间短，反应不完全； 停留时间长，对物料性能有影响，停留 时间分布窄反应物质量才均匀。70对反应性挤出机的要求? 可靠的热交换 能力和温控系 统反应既可能是放热反应，也可能是吸热反应， 对聚合物而言大多是放热反应，而聚合物的 导热性比较差，所以冷却是反应挤出所要解 决的重要问题之一。这就要求挤出机有较大 的热传递面积和较高的热导率来实现良好的 热交换。监测？? 优异的挥脱能 力反应挤出过程中往往有水份、副产物和 其它未反应的产物需要排除，一般都要 设计多个真空排气口。71常用挤出机反应器? 单螺杆挤出 机普通三段式单螺杆挤出机在螺杆总长4/5处才 能熔融，不能胜任反应挤出。用于反应挤出的 一般都是多段螺杆，即增加了反应段。 目前应用最为广泛，一般采用两头螺纹以增加 反应空间和减小剪切功的输入。螺杆为组合式， 组合模块的结构形式和组合顺序根据反应挤出 的需要而设定。为精确控制反应，可对积木式 机筒各段进行单独或成组的加热冷却。 其正位移输送机理使得挤出性能对物料的流 变性能不敏感，非常适合反应挤出。? 啮合同向双 螺杆挤出机? 啮合异向双 螺杆挤出机? 非啮合双螺 杆挤出机非啮合――反应空间大；扭矩小――螺杆长度可 以加长，物料的停留时间长；剪切低――粘性散 热小，不易导致物料过热或分解。界面少――采 用间断三头螺纹输送元件以增加界面 72常用挤出机反应器电磁动态多螺杆反应挤出机，采用振动力场作 用，使螺杆啮合间隙随着时间周期性变化，进 入啮合区的物料也因压延作用而被快速地塑化 和混合，加强了各组分之间的相互扩散作用， 从而获得性能优异的聚合物制品。? 专门设计 制造的反 应挤出机第1 阶为多螺杆挤出机，物料快速熔融 和混炼，各组分之间的相互扩散加强， 参与反应的物质充分均匀混合，反应进 行得更加彻底；第2 阶为单螺杆挤出机， 在振动力场作用下使聚合物进一步熔融 和塑化，实现低温挤出。通过调节各阶 的转速、温度、压力、频率和振幅，可 以达到控制化学反应过程、反应产物结 构与性能的目的。73反应挤出的应用? 本体聚合――缩聚、加聚? 共聚? 接枝反应 ? 交联74本体聚合?本体聚合反应，是指单体或单体的混合物在很少量或无稀 释剂存在下转化成高相对分子质量的聚合物。 ?随着反应的进行，反应混合物的黏度可能会迅速猛增，通 常由小于50 Pa.s 到大于1000 Pa.s，这样体系的热转移作 用比较困难。 ?所以作为本体反应的挤出机反应器已设计成在不同的机筒 部分能同时传递黏度相差很大的反应物和生成物，以及高 效地控制反应混合物的温度梯度，同时进入挤出段之前， 在减压排出处及时地移去未反应的单体和脱挥除副产物， 达到有效地控制聚合度和得到稳定的单一产物。 ?在挤出机进行的本体聚合反应包括缩合聚合反应和加成聚 合反应。75提 高 转 化 率 的 办 法 ？缩 聚 反 应 的 特 点 ？什 么 是 缩 聚 反 应 ？缩聚?1977年，Banucci和Mellinger用图示啮合式双螺杆 挤出机反应器合成了聚醚酰亚胺 ?原料单体为双酚A二酐和芳香族二元胺 ?物料在挤出机中的停留时间为4～5min?2区为反应区，物料为部分充满，可通过表面更新 将生成的副产物排出?3区为特殊螺纹结构，以防止2区和4区的物料回混 ?4区有真空排气口，可彻底除去水份76???45℃250℃320℃缩聚?由于缩合聚合是按逐步反应机理并且伴随有小分子产生的反应。需要采取两个措施：?一是必须在机筒一处或多处提供真空出口，有效移去低分子的副产物，达到最佳的反应平衡点；?二是当反应物为两种或两种以上的单体时，为了能得到高相对分子质量的聚合物，对反应物的化学计量必须严格控制，因此反应物尽量以熔融或液体状态进入挤出机的加料口。77加聚?虽然加成聚合反应无低相对分子质量的副产物，但在挤出机中进行的本体加成聚合反应中，同样需在机筒适当处 有真空出口以移去未反应的单体。 ?由于加成聚合反应会导致产生大量的反应热，通常采取 加入易挥脱的惰性物质，以达到控制反应体系的热效应。 ?在挤出机进行的本体聚合反应，由于反应温度较高( 物 料的熔融温度以上)，黏度迅速增大，因此聚合物链自由基的扩散转移及链段的运动比较困难，从而终止速率降低.所以生成的聚合物相对分子质量较大，单体的转化率较高。78本体聚合?应用挤出技术进行本体聚合反应最关键的问题： ?一是物料的有效熔融混合、均化和防止形成固相而发生 对挤出机的阻塞； ?二是单体有效地向增长的聚合物链自由基转移； ?三是聚合反应热的除去以保证反应温度低于聚合反应的上限温度。79举例――PA6的合成? 邵佳敏等的工作 ? 用己内酰胺制备PA6 ? 所制材料性能的强度优于普通水解法合成的PA680共聚――共聚甲醛的合成? Semanchik和Braunstein的 工作 ? 三氧环己烷：环氧乙烷＝ 98：2催 化 剂单体? 同心管式加料系统，加料 速度160g/min? 双螺杆挤出机，反应区设 有啮合元件 ? 反应温度144～120℃，单 体转化率80％，并且转化 率随加料速度的增加而降 低。81共聚――聚苯乙烯共聚物的合成? 因苯乙烯的聚合需要相当长的时 间，采用了串接式双螺杆挤出机 ? 首先将引发剂、苯乙烯和丙烯腈 的混合物加到第一台挤出机，该 挤出机的温度为130～180℃， 物料停留时间为20～40s ? 第二台挤出机的直径大于第一台， 能够对薄层状的反应物进行强烈 捏合使其发生聚合反应，其压力 保持在15.2MPa，物料停留时间 控制在1.5~18min范围内。 ? 物料进入第三台挤出机并受到进 一步的剪切，通过两个真空口除 去挥发性的反应物。82接枝反应――使用双螺杆? 在聚合物分子链上接枝上不同的官能团或单体 ，从而弥补了有些聚合物合成时根本无法引入 特殊官能团的缺陷，改善了原有聚合物的染色 性、吸湿性、粘接性、反应活性及与其他聚合 物的相容性等，从而开发性能更优的高分子材 料。 ? 作为接枝反应的挤出机一般要求有较强的混合 段，设计的螺杆能使聚合物与接枝单体有最大 的接触表面，所以单体通常注射到熔融态聚合 物中，引发剂在单体注射前或后加入，或者预 先与聚合物混合，未反应的单体和一些易挥发 成分在脱挥段通过真空出口而除去。? 接 枝 反 应 的 引 发 方 式 ？? 为 什 么 要 进 行 接 枝 ？? 何 为 接 枝 反 应 ？83接枝反应――使用双螺杆? LDPE-g-MAH ? 同向双螺杆挤出机？ ? 螺杆被反螺纹分为四段， 四段温度分别为215℃， 228℃，233℃和235℃ ? 反应主要发生在第二段， 该段设有捏合元件对反 应物加强混合 ? 三段、四段开有排气口， 用于除去挥发份反应区84LDPEMAH 等引发剂交联反应? 链间共聚物的形成?两种或两种以上聚合物通过化学反应形成共 聚物的反应 ?这种反应一般都在双螺杆挤出机上完成?聚合物与缩合剂、多官能团偶联剂或交联剂 发生链的增长、支化、交联来改变分子链或熔 体粘度的反应。 ?适用于偶联/交联反应的挤出机通常都有若干 个强烈的混炼段。 ?在某些情况下，随着低粘度聚合物发生偶联/ 交联反应而生成高粘度聚合物，挤出反应体系 的粘度梯度与在挤出机内进行本体聚合的粘度 梯度是相似的， ?因此，用于偶联/交联反应的挤出机的整体结 构与本体聚合的挤出机类似。85? 偶联交联反应反应挤出缺点? 技术难度大。螺杆构型及材料等。? 难以观察检测。不同时间，区域。? 技术含量高。多学科交叉。86反应挤出成型的工艺控制-总结? 粘度变化：受制于料温的变化和反应物相对分子量的变化。 一般来说，挤出机机筒沿物料前进的方向温度逐渐递增。其与普通挤出机的粘度分布相反。? 停留时间：通过螺杆转速、进料速度和挤出拉伸速度控制。 ? 聚合热：应该考虑反应是吸热和放热，进而采取不同的温控 方式。 ? 脱除小分子：主要来自于未反应的单体或其它未反应的低聚 物、助剂等。因此，产生小分子的缩聚反应，不太适合反应 挤出。87第四节 固态（相）挤出?聚合物形态控制学是聚合物材料科学中迅速发展的一个领域，它主要是研究固态高分子材料的有序性及其形成过程(结晶、形 变等)对材料的化学、物理性能的影响。 ?形态控制在聚合物自增强材料的研究中得到了极为充分的利 用，显示出巨大的开发潜力和广阔的工业前景。?所谓自增强就是利用特殊的成型方法(物理方法)控制聚合物形态，在材料内部构造有序排列的伸直链晶体和串晶结构作为 材料自增强相，从而大幅度提高其力学性能，达到增强效果。? 固态形变法是将聚合物在熔融温度以下加工的一种成型方 式，是获得聚合物自增强材料的一种重要工艺。固态形变 法又可分为冷拉伸、柱塞式固态挤出（下图）、静水压式 固态挤出和口模拉伸等方法。89固态挤出的创立? 聚合物固态挤出是由金属压力加工演化而来的。 ? 早在第一次世界大战之前人们就发现，在静水压作用下许多材料的可塑性(延展性) 会得到改善，甚至一些脆性材料也发生了脆-韧转变，包括大理石、砂石等。 ? 20世纪40年代，Bridgman 系统而广泛地研究了室温下 静水压对金属加工如拉丝、冷挤压过程的作用，发现金 属材料在压力下加工塑性良好，产品大幅度强化并且保 留了一部分在压力下获得的可塑性。90固态挤出的创立? 不过，虽然大多数结晶材料在压力下表现出塑性增加或脆韧转变，撤去压力后上述现象却消失。他同时研究了压力对部分聚合物玻璃化转变温度Tg 的影响。 ? 60年代，Pugh 与Low在研究塑性较差的金属的静水压冷加 工时，顺便试验了一些塑料的室温挤出，发现在相当低的压 力下即可挤出。这一发现成为聚合物固态挤出的抛砖之作，在随后的20 年间，相关研究如雨后春笋般蓬勃发展。? 而我国的聚合物加工自增强研究基本上仍局限于薄膜和单丝 的拉伸、剪切控制挤出等领域，尤其是在工业应用方面尚缺 乏获取高强度、高模量、大截面制品的有效方法。91何为固态挤出?固态挤出是将聚合物坯料在低于熔点、高于αc晶 体松弛转变温度的区间内在外力作用下从口模挤 出的一种成型加工方法。92αc晶体松弛? 如何判断材料是否具有αc晶体松弛：一般认为是由分子作 用力决定的。 ? 这些作用力分为分子内和分子间。分子内作用是沿分子链 作用于链段之间的；分子间作用力则作用于晶体内相邻平行排列的链干。? 具有αc转变的材料，其晶区大分子的最低能量构象位于浅而宽的能量阱底部，分子链的扭转相对容易。稍有温升可使取得接近于最低能量构象的分子链的数目增多。进而在 相当大的体积内破坏晶体的完善和有序程度，当这一体积 占据晶体体积的大部分时，就发生晶体松弛。93固态聚合物在静水压下的力学行为静压和静水压是不同的?静压是指压力对时间的导数为0，字面上体现不出对传压介质的限制，而且压力场的分布也不要求均匀。?静水压是指通过静止(或者流速很低)的各 向同性流体传递的压力，其特征在于传 压介质的各向同性。94聚合物固态可挤性? 固体聚合物对压力的反应与金属有明显的差异？? 首先，由于大分子链活动能力受自由体积大小的直接影响，材料发生形变时分子重组与取向都会因自由体积的 变化而不同。可以预见，承受静水压力的聚合物固体将 表现出比常压时高得多的弹性模量屈服强度(如果有的话) 和断裂强度。? 其次，由于大多数热塑性塑料的模量仅及结构金属模量的1/50～1/100，而承受压力时应变是有限的，所以压力 对其力学行为的影响将比对金属的影响大得多。95聚合物固态可挤性? 第三，大多数聚合物的结构具有非均匀性，例如，部分结晶性聚合物可以看作是刚性结晶相浸没于柔性无定形基体之中。? 由于聚合物熔点和玻璃化转变等特征温度均随压力变化而漂移，所以当它承受的压力达到某一临界值时，材料的力学响应会发生突变。不过，大多数脆性聚合物在静水压下的可塑性都明显改善，或者发生脆韧转变。这为脆性材料的固态挤出提供了可能性。96韧性聚合物在室温时于不同静水压下 的拉伸应力-应变行为――无细颈? 真实应力-应变与名义应力-应变 (工程应力-应变)的换算关系（该关系适用于变形时不出现细颈的情况）如下：σ′=σ(1+ε) ε′=1n(1+ε)式中： σ、ε――名义应力、应变值；σ′、ε′――真实应力、应变值；97韧性聚合物在室温时于不同静水压下 的拉伸应力-应变行为――无细颈?施加静水压后PTFE的弹性模量、 拉伸强度均有所增加，但断裂伸长率 却有所减小，即延展性变差了。?名义曲线上不出现最大屈服应力， 即样条横截面积持续地在整个样品上 均匀减小。?真实应力-应变曲线可由转折处分 成弹性区和塑性硬化区两部分，每一 部分都可以直线近似。 ?POM的测试结果十分相似，只是断 裂应变随压力值升高而增加。98韧性聚合物在室温时于不同静水压下 的拉伸应力-应变行为――有细颈? 与前面不同，在名义应力-应变 曲线上出现最大屈服应力值，即 样条出现细颈，此时要得到真实 应力-应变曲线是非常困难的。 ? 如图，PP在压力&296MPa时拉 伸，尽管也像在常压下拉伸时那 样出现细颈，但是细颈不能稳定 地向两端传播，而是出现裂纹并 在截面上扩散，名义应力持续下 降到0(断裂)。 ? 压力越高，材料屈服后断裂越快99可见，PP、PTFE等不少韧性 材料的静水压拉伸试验都表 现出断裂应变随压力升高而 减少的趋势，即其冷拉行为 在静水压下受到限制。脆性聚合物在室温时于不同静水 压下的拉伸应力-应变行为? 脆性材料在静水压下常常显示断裂应变随压力增加而 增加，在适当压力下还表现出脆-韧转变行为。 ?常压时PSF(聚砜)在较低应变时即 断裂，呈典型的脆性特征；而静水 压大于408MPa时能形成细颈并稳 定地传播。 ?PS在200～300MPa时发生脆韧转变，在更高压力下其塑性变形显著增大，屈服行为很明显。100? 主链含苯环的刚性无定形材料PI， 在常压下断裂应变只有6%～10%， 400℃时仍不发生明显软化，常规 工艺难以加工；但在静水压下拉伸 时，不仅断裂强度和断裂伸长率均 增 加 ， 而 且 当 静 水 压 大 于 544 ～ 680MPa时发生明显的屈服现象，为其加工带来了契机。? PI、PSF的临界脆-韧转变压力分别 为544～680MPa和296～408MPa。101静水压力对聚合物材料相对模量比的影响? 相对模量比E(p)/E(0)随静水压力的变化基本 上呈线性或双线性特征? 双线性特征是因为材料低于实验温度的某种 松弛温度(如玻璃化转变、次级玻璃化转变 等)在压力下升高至实验温度时，材料内聚 能密度发生突变而引起的。? 低于这一临界压力试验时，材料在测定时已 处于相应松驰温度以上，此时其模量较低， 承受静水压时自由体积变化较大，因此 E(p)/E(0)～P曲线在低压端斜率较大；而当 静水压足够高，超过临界压力，使松弛温度 超过测试温度时，材料本身处于内聚能较大 的状态，模量受压力的影响较小。102静水压力对聚合物材料相对屈服应力比的影响? 聚 合 物 σy( ｐ )/σy(0) 随 压 力 的变化基本呈线性关系，而 且模量越低的材料其屈服应 力比对压力的敏感性越强。103小结高分子材料在静水压下的脆韧转变效 应和强化效应(模量、强度增大)分别成为 聚合物固态挤出的理论前提和影响挤出动力学的重要因素。104聚合物固态挤出的温度区间? 聚合物的特征转变温度如玻璃化转变温度Tg、熔点Tm等，都 有随着所受压力增高而升高的趋势，所以有可能在材料的常 压熔点下进行固态挤出。 ? S.M.Aharoni与J.P.Sibilia将成功的固态挤出定义为：在温度明 显低于Tm的情况下，能够挤出光滑透明或半透明产品、截面 变化比(或称挤出比、拉伸比――定义为坯料截面积/产品截面 积)不小于14、出模膨胀很小的挤出过程。 ? 通过对20余种结晶性聚合物的挤出试验，发现只有那些在 Tg ～ Tm之间具有αc晶体松弛转变的材料才可能成功地固态挤 出，挤出温度T αc &TSSE&Tm。 固态挤出温度105聚合物固态挤出的温度区间需要说明的是，由于对“成功”固态挤出的认识不同、以及实验设 备、工艺条件的差异等，表中所列不具固态挤出性的材料，在其 他文献中可能是固态可挤的，如尼龙、PET等，而PE、PP通常 认为在室温的可挤性就很好，PE 甚至可在100 K的低温下挤出， 这已经远低于其Tg了。106聚合物固态挤出工艺? 固态挤出主要分为两大类，即静 水压固态挤出与柱塞固态挤出。 ? 静水压法的优点在于传压均匀， 坯料在液体传压介质(煤油、海狸 油水、正戊烷以及一些对坯料不 起化学作用的混合液等)包围下不 会因为压缩变形而胀紧料腔使挤 出力过大，并且坯料可以预加工 成不同的直径，从而在一个口模 上实现不同挤出比，是广泛采用 的一种工艺。 ? 柱塞法的坯料尺寸必须与料腔匹 配，压力传递也不理想，因此一 般只在某些加工温度较高的场合 使用。何为挤出比？107背压法固态挤出? 为了避免挤出过程中的“滑移―胶结” 现象，或者为了减少挤出物扭曲、开裂 的倾向，可以采用背压法固态挤出。 ? “滑移―胶结”(Slip-Stick)现象：是指 在挤出压力逐渐建立的过程中，坯料先 是在模口处静止不动，像胶结在口模上 一样，待压力升至足够高时，坯料突然 快速挤出直至挤出结束，或者在压力降 至足够低时重新胶结在口模入口，整个 挤出过程是脉动的。 ? 在下腔充入与上腔相同的传压介质并保 持一定的压力，可以减缓和稳定挤出速 度，并使挤出物暂时处于静水压的保护 之下，从而避免上述现象。此外，用 PTFE喷涂口模表面也有助于缓解这一 问题。 108剖分圆柱共挤技术? B.S.Kim等开发的剖分圆柱共挤技术， 促进了固态挤出的发展。? 预压成型的HDPE圆柱纵向对剖后，用细砂纸将剖面打光，将常规固态挤出 较困难的原料以薄片的形式夹于其中 一起置于料腔内，并在组装的坯柱尾 部加盖一层HDPE垫片改善应力的传递，可以在比较低的压力下无润滑地挤出，得到拉伸比很大的微薄薄膜。109剖分圆柱共挤技术? HDPE只起加工助剂的作用 ? 剖分引入了纵向自由表面，使坯料进 入口模锥形段时内应力分布发生变化， 流动场由未剖分时的 剪切流动 为主转 变为剖分后的 拉伸流动 为主。故这种 固态共挤出工艺得到的产品具有单轴 取向的特征。 ? 改变组装的形式比如将棒状料坯插在 对剖的管状坯柱中共挤，可以得到具 有鞘―芯组装的单丝，为生产同种树 脂自增强复合材料提供了新途径。采 用多个剖面，或在同一剖面上叠放多 层坯料条带，则可以实现多层共挤， 极大地提高生产效率。110影响固态挤出力的因素? 通常以稳定固态挤出时传压介质提供的动力或柱塞承受的负荷作为衡量固态挤出动力消耗的指标(下文称挤出力)。 ? 影响挤出力大小的因素很多，包括挤出材料的品种、加工 温度、挤出比Ｒ′(坯料截面积/出口截面积)或截面收缩率 Ｒ[(坯料截面积-产品截面积)/坯料截面积]、挤出速率、背压大小、口模直径及入口角、模壁粗糙度、模壁与料坯间摩擦系数以及料坯的应变硬化特征等。 ? 材料本身的性能是决定挤出力水平的根本因素。低模量品 种如PE、PP的挤出力比高模量品种如尼龙要低得多。 ? 对于给定的材料，影响最显著的是挤出比和挤出温度。111挤出比的影响? T.Nakeyama 和 N.Inoue 在 28～34℃、采用入口半锥角α=10°、20°、45°的圆形口模挤出多种塑料时， 发现最大挤出压力Pmax 与 挤出比Ｒ′基本成线性关系， 稳定挤出时挤出力对 α角 变化不敏感。112挤出温度的影响? H.N.Yoon等实测PP通过α=15° 圆形口模固态挤出时的挤出力结 果见右图，挤出力与挤出比表现 出良好的线性关系。 ? 从此图还可以看出，在挤出比相 同的情况下，挤出力随温度的升 高而显著下降。 ? 挤出温度对挤出压力的影响是通 过材料的软化体现出来的。高温 时分子活动性强，材料的模量和 屈服强度均有下降，挤出压力可 以得到明显的减少。113影响稳态固挤的因素? 影响挤出稳定性的因素主要有滑移-胶结和挤出破碎。 ? 破碎可能发生于料坯，也可能发生于挤出产物。前者可 能是由于传压介质渗入料坯微裂隙所致；后者则是由于 料坯与模壁间的摩擦使表面层材料前进受阻，速度比中 间层慢而形成层间剪切力，垂直于轴线的一个环行外层 畸变成旋转的抛物线形。当剪切力超过材料抗剪强度时， 挤出物在一个象限的对角线上被切开，逐渐发展为沿挤 出物长度方向分布的旋梯状断口。? 料坯的破碎可以通过橡胶包覆等技术避免；挤出物的破 碎多采用改变温度―压力匹配的办法来克服；减小入口 角或在模壁喷涂PTFE也可以避免滑移-胶结；背压法虽 然有时也是可行的，但效果不太明显。114固态挤出的典型实例? 超高相对分子质量聚乙烯 ? 超高相对分子质量聚乙烯（PE-UHMW）固态挤出和坯料 的制备均由自行研制的柱塞式固态挤出机实现。 ? 该挤出机的工作原理为由手动油泵提供挤压力，系统压力 放大比为16，机筒内最高压力可达256 MPa，并随口模收 缩而增大；温度控制由具备PID自整定功能的单路温控系 统实现，口模结构放大图如图所示。115PE-UHMW固态挤出成型将PE-UHMW粉料在该挤出机机筒熔融和封闭口模中压缩后加热到200℃，保温一定时间，达到均热后淬冷脱模，得到PE-UHMW坯料。 口模与固态挤出口模类似，但末端封闭，可以承受一定压力。 将PE-UHMW坯料置于挤出机机筒和具有一定拉伸比的固态 挤出口模中，在一定的温度和压力下实现固态挤出，得到 PE-UHMW制品。固态挤出成型工艺流程如图所示。116PE-UHMW固态挤出制品性能? UHMWPE粉料、坯料及固态挤出制品的DSC曲线如下图 所示。坯料和固态挤出制品的熔点(Tm) 、熔融焓(ΔH)、 熔融熵(ΔS )及结晶度见下表。1―粉料 2―坯料 3―固态挤出制品117? 在成型料坯的熔融过程中缺乏成核剂，导致空穴的产生， 固态挤出使得这些空穴被拉长(如图a)，因而形成微纤结构 ，挤出速度越快，空穴封闭也越多。 ? 从图b可以看出，制品中产生了大量的微纤结构。正是这 种大量排列的取向度很高的微纤结构形成了基体的增强相 ，导致材料拉伸强度和拉伸弹性模量的大幅提高。固态挤出PE-UHMW制品纵切面微观形貌的SEM照片118? 坯料固态挤出前的退火处理使PE-UHMW伸直链晶形态有所恢 复，固态挤出制品内形成取向微晶、取向非晶和未取向非晶三 相共存的结构，使得制品的熔点、熔融焓、熔融熵和结晶度都 有所提高。119HDPE的固态挤出? 用4个不同拉伸比的口模对PE-HD进行固态挤出，以研究其 力学性能与拉伸比、挤出温度以及试样微观结构的关系。 ? 采用如图3-49所示挤出装置，并用具备PID自整定功能的精 密温控仪对机筒的温度进行控制，用千斤顶作为推动压杆 的动力源，挤压时料腔中的最大压力可达480 MPa 。挤出 成型中分别用3个圆形横断面口模和1个矩形横断面口模， 见图b。其拉伸比分别为12.9，10.8，8.3和8.7 (矩形)。 ? 为减少挤出物扭曲、开裂倾向，避免产生“滑移-胶结”现象 ，采用预成型的棒材，并在口模内壁涂上脱模剂。采用尽 量低的挤出速度，以避免因分子剧烈形变导致的温升，减 小试验中的温度波动。120HDPE的固态挤出制品性能?自增强后试样的拉伸强度由熔融挤出试样的23 MPa最高提 高到250 MPa。 ?温度和拉伸比对固态挤出试样的拉伸强度有很大的影响。在 同一拉伸比下，挤出温度在105 ℃左右得到的试样拉伸强度最 大，说明该HDPE的最佳固态挤出温度区间在105 ℃左右；在 同一温度下，挤出试样的拉伸强度有随拉伸比增大而提高的趋 势。试样拉伸强度大幅度提高的原因之一在于沿挤出方向生成 了大量高度取向的微纤结构。 ?经固态挤出试样熔融峰由熔融挤出样的137. 68 ℃升高到 141. 97 ℃和144. 38 ℃；并且其熔程由熔融挤出样的17. 69 ℃变为9. 47 ℃和17. 19 ℃，结晶度由63. 9 %提高到76. 6 % 和71. 3 %。这表明固态挤出试样晶片厚度增加，并且晶体尺 寸更加均匀，缺陷减少，结晶度增加。121固态挤出的应用固态挤出与传统的熔融挤出相比，具有许多独特的优点， 非常适合加工一些具有特殊要求和常规方法难于加工的产品。 例如： ? 加工生物降解聚合物。可有效提高其弯曲强度和弯曲模量。? 加工含水量大的（回收）聚合物。实验表明，固态挤出能够 迫使低粘度成分逆物料流动方向排出，从而达到干燥之目的， 且耗能低。 ? 固态剪切挤出制备聚合物粉料。所谓固态剪切挤出指的是在 低于聚合物熔点的情况下，基于压力和剪切力的作用将聚合 物粉碎挤出。122第五节 精密挤出?背景 ?特征 ?主要影响因素 ?制品不精密的原因 ?技术措施与装置 ?应用前景123背景? 聚合物挤出成型过程是一个十分复杂的生产过程，在此过 程中，聚合物要经历固体输送、熔融、混合、增压、泵送 、成型、冷却固化等过程，并受到剪切、拉伸、压缩以及 加热、冷却等作用，发生熔融、固化、取向、解取向、结 晶等复杂的相态和结构变化，使得挤出过程的控制难度较 大，导致挤出制品的成型精度较低。 ? 挤出成型装备主要包括主机（挤出机）和辅机（包括机头 模具、定型装置、冷却装置、牵引装置、卷取装置、切割 装置等）两部分。在挤出制品的加工过程中，为了保证制 品尺寸的精确性和加工过程的稳定性，挤出成型设备的主 要控制参数包括机筒温度、机头温度、熔体压力、主机转 速、牵引转速、卷取速度以及不同制品几何尺寸等的质量 指标：如制品的外形尺寸和形状、壁厚及其分布、表面光 洁度等。124传统挤出的不足? 机加工精度较低，材料表面处理技术落后，设备磨损严重； ? 动力系统工况性能差，设备噪音大，工作条件恶劣； ? 塑化效率低，控制手段落后，从而导致挤出机工作状态不稳定。? 这样的加工水平自然使得生产出的挤出制品尺寸精度低，废 品率高，壁厚均匀性差，从而造成原材料的极大浪费，同时 也限制了挤出成型的应用领域。125举例? 一些高科技产品，如以聚碳酸酯（PC）为原料的光导纤 维，在设计上要求产品直径的尺寸公差不能超过其公称直 径的1%，由于常规挤出机的挤出精度达不到此要求，从而限制了挤出制品的应用范围。? 还有高速涂覆电缆、双向拉伸薄膜、医用特种管材制品以 及微孔发泡制品等对挤出精密性要求极高，常规挤出工艺 和设备也很难达到要求。126举例? 挤出成型制品因几何精度较低造成的浪费是十分惊人的， 采用常规挤出装备生产的板、片、膜、管的壁厚不均匀度一般可达8%至10%，由此造成的材料浪费可达8%左右。? 按近年我国塑料制品的产量21000kt为基数，挤出成型制 品的年产量12600kt计算，我国每年由于挤出制品的几何 精度低就浪费掉100多千吨树脂。如果20%的制品采用精 密挤出技术和装备来生产，我国每年就可以节约树脂消耗量10万吨左右，经济效益超过8亿元。127精密仪器的进展? 国外塑料机械制造行业普遍采用CAD、CAE、CAM 技术 ，以及高精密度的数控加工中心。近年来发展起来的高速 铣 床 的 主 轴 转 速 高 达 r/min ， 并 可 获 得 Ra≤1μm的表面粗糙度；加工精度超过1μm 的超精加工 技术和集电、化学、超声波、激光等技术综合在一起的复 合加工，将塑料机械的加工水平大大提升。 ? 国外螺杆端面跳动误差不大于0.01mm；螺杆外径误差可 以控制在0.005mm以下；螺杆外表面和机筒内表面的粗 糙 度 不 大 于 0.2μm 注 塑 机 模 板 的 形 位 公 差 不 大 于 ±0.02mm/1000mm。国内近年来从国外进口了一些高精 度的机加工装备，但整体水平与国外先进水平有很大的差 距。128精密仪器的进展? 目前国产挤出装备的销售量为8000余套/年，销售额30亿 元左右，进口挤出装备2000余套/年，进口额2亿美元左右 （约20亿人民币），进口挤出装备主要为大型和精密设备 ，其单价为国内设备的8~10倍，其附加值明显高于国内 设备。 ? 进口的挤出设备主要有大口径实壁管和波纹管生产线、土 工 膜 生 产 线 、 双 向 拉 伸 膜 （ BOPP、 BOET、 BOPA、 BOPS等）生产线、滴灌管生产线、医用导管生产线、音 像片基和感光片基生产线、石化用大型双螺杆挤出造粒装 备，以及各种实验室用多功能挤出等。 ? 这些进口挤出装备之所以能够以很高的价格进入中国市场 ，主要依靠技术上的优势，具体表现在高精密度、高速和 高效率、高可靠性。129精密挤出的关键技术? 精密挤出成型的控制要点：实现挤出制品几何尺寸高精密化和材料微观形态高均匀化的成型过程。? 主要特征：挤出装备工作状态极为稳定，加工工艺条件得 到严格保障，制品的几何精度比常规成型方法提高50%以 上。 ? 挤出成型的精密化更易于实现产品的自动装配及流水线生 产。聚合物精密挤出成型、提高制品尺寸精度和稳定性是 对传统挤出技术的发展，也是对传统挤出技术的挑战，实现挤出成型精密化具有广泛的经济效益和良好社会效益。130精密挤出的关键技术? 精密挤出成型的技术内容：精密塑化、精密控制、精密成型。? 实现精密挤出成型的技术途径： 一方面要最大程度地提高挤出成 型过程温度、压力和流量的稳定 性；另一方面是通过先进控制（闭环控制、模糊控制、统计过程控制等）手段，对挤出成型过程 的波动进行即时自动调整。131制品几何尺寸和形状的不精密的原因? 由于挤出机流率、温度和压力及牵引速度等工艺参数的波动 所致。 ? 挤出过程的波动可以引起制品横向或轴向几何尺寸的波动。 ? 轴向波动主要由挤出机的流率波动引起，而横向波动多由于 挤出机机头口型温度不均匀或冷却定型不均匀所致。132挤出过程中波动的量化分析挤出制品轴向尺寸波动的主要原因、方式和程度133原因一：挤出频率? 高频波动：一种高于螺杆转动频率的波动。由挤出机传动装 置精度低造成的。高频波动及熔体温度过低或不均匀，会使制品表面产生熔体破裂、鲨鱼皮？、拉伸共振等缺陷。? 其中熔体破裂和鲨鱼皮现象的产生，是由于聚合物流经机头 时熔体与口型发生粘滑，造成口型出口处表面应力的周期性 变化所致。 ? 等频波动：一种与螺杆转动频率相等的波动。由于螺棱前后 缘间存在轴向压差拖曳流动的结果。134原因一：挤出频率? (3) 中频波动：一种频率为1~5次/min的波动，影响挤出 稳定的主要原因，是固相瞬时堵塞的结果。若螺杆设计不 当，如熔融段长度太短或螺杆压缩比太大，会造成因熔融 不及时而产生聚合物在熔融区的瞬时堵塞，经过一段时间 后，堵塞的料块在压力和温度的作用下发生破碎，使流道 又通畅，堵塞和通畅的周期性变化，造成了挤出压力和流 率的周期性变化。 ? (4) 低频波动：螺杆转速10%~20%的波动。低频波动的主 要 原 因是 固 体 床破碎 并 加速造 成 的流率 波 动 。另 外 ， 10~30s内发生的流率波动通常是因机筒内表面处温度波 动，使得与其接触的熔体黏度发生变化所致。 ? (5) 随机波动：通常与不规则的加料、螺杆转速的波动等 有关，也可能是上述2种周期性波动的叠加所致。135原因二：挤出参数? 假设聚合物熔体在任何位置的黏度相同，可推导出流率与螺 杆转速呈线性关系。但实际上流率与螺杆转速一般不是线性 关系。 ? 对于普通螺杆而言，挤出机的流率曲线随机头阻力的增大而特性变“软”，这种“软”特性对提高挤出机的产量是不利的。? 开槽衬套(IKV)系统采用开槽衬套，显著提高了挤出机的固体输送效率，使得挤出机具有“硬”特性，但从螺杆转速波动对流率影响的角度来看，挤出机的特性越“硬”，螺杆转速波 动对流率波动的影响越大。136原因三：挤出设备挤出塑化系统是挤出机的最重要部件，螺杆和机筒组成的塑化系统设计不当会造成挤出过程的波动： ? 压缩比过大、压缩段偏短等，会造成聚合物熔融能力不足 ，产生周期性的固相阻塞，导致流率的中频波动。为克服 普通螺杆的塑化不稳定问题，可以采用分离型螺杆、波状螺杆、IKV系统等结构，强化塑化能力，尽可能消除固相阻塞； ? 螺杆加料段设计不当，会造成固体输送的不稳定性，直接 影响到流率的稳定性；137原因三：挤出设备? 计量段螺槽过深、计量段太短会造成挤出过程的压力和流率波动；? 螺杆与机筒间隙过大，会因漏流增大而引起流率的波动。 ? 挤出机电机传动系统国内多采用普通V形带加齿轮变速的 传动方式，理论分析表明V形带在工作过程中会发生 1%~1.6%的弹性滑动，造成丢转，由此可造成0.25%~ 1.6%的流率波动。 ? 加料方式目前常用的挤出机料斗多为自重下料方式，由于料斗设计不合理，可以造成物料架桥、漏斗流动和空心管流动等非稳定下料现象的出现。138原因三：挤出设备? 流道形式机头设计应保证适宜的压缩比，较小的压缩比会 造成流道内熔体的流动不稳定。 ? 冷却定型装置的冷却能力、冷却均匀度、定型套的阻力特性、真空度或压力的稳定性都会影响到制品的纵向或横向尺寸稳定性。 ? 牵引装置现有的牵引装置多为履带式，牵引电机经链条传 动并经齿轮变速箱变速带动履带移动，牵引速度的波动将 会引起制品轴向尺寸的波动。139原因四：材料特性? 聚合物熔体的非牛顿性决定了其流动过程的复杂性，这种复杂性主要表现为熔体黏度与温度、剪切速率、压力及应力作用时间的密切相关性。 ? 大多数聚合物熔体属于非时间依赖型熔体，这种流体的黏 度随温度升高而降低，随压力增大而提高，随剪切速率升 高而降低。? 挤出过程的闭环控制应根据不同类型的材料选择不同的反馈模式，否则不仅不能减小挤出波动，很可能会进一步增 大波动量。140技术措施与装置? 实现精密挤出成型的一个重要前提就是要消除各种影响因素的波动，以求实现定量、定压、定温的稳定挤出过程， 在此基础上再对制品截面尺寸的精度进行控制，从而生产 出高精度的挤出制品。 ? 普通挤出成型系统需要解决的一个主要问题是挤出产量的 稳定性，普通挤出机的挤出流量波动可达8%~10%，轴向 波动会使挤出制品轴向精度下降。为了解决挤出成型系统的挤出稳定性，通常采用熔体齿轮泵与挤出机串联使用。熔体齿轮泵是一种正位移输送装置，流量与泵的转速呈严 格的正比关系。141熔体泵的结构? 迄今为止，熔体齿轮泵是应用最广泛的稳压装置。其主要 功能是将来自挤出机的高温塑料熔体增压、稳压，保持熔 体流量精确稳定地送入挤出机头。 ? 熔体泵的结构类似液压传动中的齿轮泵，可在高温350℃ 、压力达35MPa 或更高的条件下连续工作。 ? 主要特点：结构简单紧凑、工作可靠、寿命较长。 ? 主要结构：泵体、前后盖板、两个相互啮合的齿轮、轴承 和密封件等组成。由两个齿轮的齿廓，泵体和侧盖板形成 的空间构成了泵进料区、输送区和排料区。142熔体泵的作用? 提高熔体压力稳定性，从而有效地提高制品精度，降低制 品废品率； ? 增加挤出机产量，降低能耗； ? 减小挤出机的磨损，延长机器寿命； ? 降低熔体温度； ? 曲线表明熔体泵的采用可以将挤出过程后的压力波动降低 90%以上。熔体齿轮泵稳压效果的实验曲线143失重计量加料系统? 单螺杆精密挤出机工作无论 多么稳定，总会存在波动， 这种波动可以通过挤出机的 控制系统加以调节，如可以 将挤出机的实测产量与挤出 机的螺杆转速或牵引速度形 成闭环，减少挤出制品的轴 向尺寸精度。 ? 但由于挤出制品的产量很难 测量，人们开发出了失重式 计量料斗，较好地解决了挤 出产量的在线测量问题。144失重计量加料系统? 失重式计量加料料斗上装有质量传感器，可以根据微小时 间间隔内被称重料斗质量的减小量，由计算机控制系统自 动计算出物料的消耗量。 ? 根据消耗多少挤出多少的质量不变原则相应反馈控制螺杆 的转速或牵引速度，以保持制品几何尺寸的稳定性。 ? 用料斗的物料消耗量代替口模的熔体挤出量来与螺杆转速 或牵引速度实施反馈控制，对消除控制过程的滞后性更为 有利。145失重计量加料系统? 失重式计量料斗上装有称重传感器，通过测量单位时间内 料斗重量的减少量，可以得到挤出机的即时产量。 ? 挤出机的PLC 控制系统可以根据失重式计量料斗得到的 挤出产量值，实现挤出产量与牵引机或挤出机电机转速的 闭环控制。采用失重式计量料斗控制挤出制品米重的特性曲线146口模间隙自动调节装置? 在管材、T型机头挤出片材、吹塑薄膜以及包覆成型中，壁 厚不均是常见弊病。 ? 解决的办法一般说来是在制品厚度检测装置与口模间隙可自 动调节的机头之间实施闭环控制，从而提高制品的横向精度 。口模间隙的调节一般是依靠电热膨胀螺栓或伺服加热器等 作为反馈信号的执行元件来实现。如图所示是其分瓣机头. ? 若测量装置测得某处的壁厚较薄，则反馈控制系统会提高相 应处加热器的温度，相反，若壁厚较厚，则降低加热温度。 当然，这只是挤出过程中的微调，而口模间隙的初步调整还 是要依靠手动调节。147高精度控制系统? 精密挤出成型设备除在结构设备及制造加工精度等方面有 一定的特殊要求外，其最创新的地方表现在控制方面。 ? 控制核心采用PLC及其相关功能模块实现开关量及模拟量 的输入输出及与RS232串口的数据通信，能够对温度、压 力、制品外径、挤出流量、主机转速、主机转矩及辅机( 齿轮泵、牵引机、切粒机) 转速等各种工艺参数实现PID 控制及部分参数的闭环反馈控制，如图所示。这是传统仪 表型控制系统所无法实现的。精密挤出成型设备控制原理图148高精度控制系统图3-18 精密挤出控制系统PLC及功能模块组成图3-19 精密挤出成型过程控制系统框图149高精度控制系统图3-20 北京化工大学塑机所研制的精密挤出实验平台150应用前景? 精密挤出，一方面可以显著提高挤出制品的精度，满足很多高精度产品的生产要求，拓宽了挤出成型的应用领域， 另一方面可以通过提高制品壁厚均匀度来显著减少树脂的 浪费，具有极大的经济效益和社会效益。 ? 精密制品成型、功能性制品成型、反应挤出制品成型的要求，以及双向拉伸、功能梯度材料、微发泡制品成型工艺的要求，是精密挤出技术发展的强大动力。151应用前景? 挤出成型是高效、低附加值的塑料加工方法，但精密挤出 成型技术的开发和应用将改变这一状态，在一些精密制品的成型加工中，可以带来高附加值，甚至能够起到点石成金的作用。 ? 精密挤出装备是生产精密挤出制品的必备条件，开发精密 挤出成型装备将为塑料机械厂家带来巨大的商机和丰厚的 利润。152第六节 共挤出技术153概述? 聚合物改性的方法？ ? 采用复合共挤出技术将几种材料机械地黏结在一起是最简 便易行的一种。? 彩虹膜154优势? 采用共挤出复合技术无需黏合剂黏结和基材； ? 生产成本低、能耗少； ? 生产效率高； ? 能够将具有不同性能的材料合理组合，互相取长补短，从而提高复合制品整体性能，最大程度地满足使用要求。155共挤出机头的设计类型? 分别完全独立的流道，在熔体出口模后粘合； ? 分别部分独立的流道，在接近口模出口处汇合共同出口模； ? 在共同流道中汇合后挤出口模。具体选择何种方式，则应根 据熔体的种类、性质和制品的要求而定。156共挤出系统的类型? 多流道模头法共挤出 ? 喂料块法(也称连接器法) ? 由多流道模头和共挤出喂料块组合法157多流道模头法共挤出? 在一个多流道模头中，如图所示，被数台挤出机挤出的熔体由模头进 料端流入各自所需宽度及厚度的一 个分流道里，而各料层只是在即将 流出口模前才形成复合，? 这种方法可以选择流动性和熔点相差较大的塑料原料制取复合制品，但复合层数不能太多，否则共挤出机头过于庞大。各层厚度还可以通 过各自的节流栓进行调节。158共挤出喂料块法? 采用共挤出喂料块法时，如图所示，由数台挤出机挤出的熔 体经喂料块分流道，通过其内设置的熔体流率比调节阀和厚 度调节栓调节，然后汇合进入衣架机头挤出成型。 ? 这种方法的优点是能够任意地复合所需层数的薄膜，其缺点 是只有那些流动性和加工温度相近的材料才能彼此复合，加 工范围较窄。现今的共挤出设备大都装有这种连接器。159多流道模头和共挤出喂料块相结合的方法? 采用多流道模头和共挤出喂料块相结合的方法时，如图所示，连接器恰到好处地伸入多流道模头中，具有较好的综合性能，但制造方法非常复杂。160复合共挤出加工的难点问题? 物料的流变性能以及本构方程如何用于复合共挤出的实际加工。 ? 共挤出产品与周围环境的热交换会影响熔体的流变特性， 此外不同的熔体之间性质、温度的差异以及它们之间的相 互影响，使定量分析、计算很困难。 ? 不同熔体之间的界面受生产条件(流率、温度)和物料本身 的性质影响，会产生界面不稳定，以及异常的压力梯度下降等现象，这给分析、计算带来困难。161共挤出流动分析中遇到的问题? 在机头出口处每种聚合物的不规则分布；? 在相邻层间的界面变形； ? 黏度低的聚合物对黏度高的聚合物的包裹现象。典型的 实际应用中，多层结构可包含两层到十一层。162复合共挤出技术的发展趋势? 近年来的理论研究大多集中在等温流动的研究上，这是由 于聚合物本身性质的复杂性所决定的，另外由于复合过程是在口型出口处很小的范围内进行的，等温假设是完全可行的； ? 有限元分析方法和迭代算法具有很大的优越性，被广泛地 用来模拟共挤出流动，但如何能够有效地反映共挤出流动 的真实情况并应用求解却是一个比较复杂的问题； ? 对共挤出界面的位置、稳定性的影响因素的研究一直是该 领域理论研究的核心。163共挤出技术的应用1 复合管材? 管材共挤出的目的是将不透明管的某一部分制成透明的，或在单色材料管材上 镶入加强筋、螺旋纹等花纹取得色标志 或进行装饰，或在管材的内、外层使用 不同的材料使其具有耐热性、耐化学药 铝塑复合管结构品性、阻隔性等特殊特性。? 多层共挤复合管材中比较典型的是铝塑复合管和芯层发泡复合管。164共挤出技术的应用2 发泡板材共挤出 PVC发泡板材是近年来国外迅速发展和推广的“以塑代木 ”化学材料。 PVC发泡板材与木材、钢材比较，具有节能、省料、使用 性能更加优越等特性，而且性能优越，可加工性强，是一 种十分理想的建筑装饰材料。 可广泛用于广告业中各种展版、展台、标牌、公共标志物 的制作。在建筑装饰中可作为天花板、隔板、壁柜、商店 店面、商品陈列布置的材料，还可以用做电脑桌、快餐桌 、轻体房等。在环保领域中可制作化学防腐槽、通风管道 及交通中轮船、火车、飞机内舱板和汽车内装饰等。165共挤出技术的应用3 复合薄膜 薄膜是用量最大的包装制品，塑料多层复合膜是最重要和 最有代表性的产品。多层复合膜的特点和功能是：①改进对氧和水蒸气的阻隔性和改进保香性；②提高薄膜强度和耐穿刺性；③具有良好的热封性；④赋予黏结性；⑤赋予 防雾性；⑥具有良好的着色性。 共挤出复合薄膜法是利用两台或两台以上挤出机同时挤出 ，一步法成型。不同材料在各自的挤出机熔融后在共挤出 机头出口处汇合成型为2~9层的复合薄膜。166共挤出技术的应用3 复合薄膜 采用共挤吹膜法生产工艺，通过厚度有效调整使膜的功能 得到量化控制，膜的各层结构组合方便灵活、基材选用范 围更加广泛。从而使复合膜的成本降抵、强度提高、阻隔 性增加，附加值增加而市场适应性强。共挤吹膜法的技术 难点在于复合机头的流道设计，流道设计应保证各层熔料 的流速均匀、结合层剪切应力一致，各层机头的料温应能 独立控制。为此，国外某些国家设计了各种型式的机头。多层圆盘式环 形共挤出机头同心螺旋芯轴式共挤出机头167共挤出挤出机? Conex挤出机是一种多层结构单机共挤出设备，它是由以 瑞士Nextrom公司为首的4家欧洲公司联合开发的，前后 用了5年时间，花费近千万美元。 ? 该工艺采用了一系列起着螺杆作用的锥形转子，每一转子 内均有一凹槽，每一凹槽内流动着一层树脂，与外部转子 表面的凹槽一样，内部凹槽也有一定几何形状，安放在锥 度相同的类似机筒的定子中，定子沿机器的平面方向倾斜 一角度。? 转子用来塑化、输送物料并使物料在最低程度上承受热与 剪切作用，以减少降解与应力。该设备极适用于加工对热 和剪切敏感的树脂，以及像填充聚烯烃和超高相对分子质 量PE之类的材料。168共挤出挤出机? ZX新型挤出机由北京化工大学塑料机械及塑料工程研究 所设计研发。ZX新型挤出机是在普通单螺杆挤出机上研 究开发的，只用一台机器可同时挤出两种相同或不同的物 料，可挤出单层或多层制品。 ? 当挤出相同物料时，一台挤出机可相当于两台单螺杆挤出 机的功效，因此产量和挤出效率大大提高；当挤出不同的 物料时，可实现单机双层共挤，从而使共挤机组减少一台 主机。 ? 这种技术不仅投资小、设备占地面积小，而且挤出效率高 、操作简单、维修简单。此外，ZX 新型挤出机使用单机 双层共挤复合机头，物料不会从侧面进入，可弥补传统共 挤出技术的缺点，如由于分隔器使熔体上形成一些称之为 “熔接线”的痕迹问题。169
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