10高分子材料加工工艺学(第十章)

高分子材料加工工艺学

杨彦功

2012.3

1山东理工大学教案

2011~2012学年第2学期

课程名称高分子材料加工工艺学A（总论）授课对象材本09级复合方向主讲教师杨彦功教师所在院（部）、系（室）材料科学与工程学院材化教研室选用教材高分子材料加工工艺学A学时/学分48学时/3学分山东理工大学2012.32高分子材料加工工艺学第十章塑料制品的成型加工杨彦功3山东理工大学教案材本第

14-17次课教学课型：理论课主要教学内容（注明：*重点#难点）第十章本章共有5节内容，其中：第1节讲述合成树脂及其添加剂第2节是物料的配制，包括物料混合原理、效果评价及配制方法。第3节是挤出成型，包括挤出机结构，挤出理论、挤出成型工艺与过程、典型制品的挤出成型工艺和挤出新技术*。第4节是注射成型，包括注射设备、成型过程及工艺条件*。第5节是塑料的的其它成型，包括中空吹塑、发泡、模压和真空成型。教学目的要求：学习本章内容主要学习塑料的各种生产加工方法，了解和掌握挤出、注塑等生产工艺原理与技术，及塑料的性能和应用。教学方法和教学手段：采用多媒体教学，提问时和启发式教学讨论、思考题、作业：1.共挤出与复合挤出对改进塑料制品的作用有哪些？2.比较挤出螺杆与柱塞螺杆推料方向与作用有何区别？3.试说明模具的作用与主要组成部件。压缩模塑与传递模塑的主要区别。4第十章塑料制品的成型加工

杨彦功内容提要：本章共有5节内容，其中：第1节讲述合成树脂及其添加剂，可适当了解。第2节是物料的配制，包括物料混合原理、效果评价及配制方法，要注意掌握。第3节是挤出成型，包括挤出机结构，挤出理论、挤出成型工艺与过程、典型制品的挤出成型工艺和挤出新技术。要重点掌握。第4节是注射成型，包括注射设备、成型过程及工艺条件，也要认真学习和掌握。第5节是塑料的的其它成型，包括中空吹塑成型、发泡、模压和真空成型，也是需要要很好掌握的内容。5第十章塑料制品的成型加工1.塑料定义：是指一定配合的高分子化合物在成型设备中，受一定温度和压力的作用熔融塑化．然后通过模塑成一定形状，冷却后在常温下能保持既定制品形状的一类高分子材料。本章主要介绍塑料制品的生产工艺与制备方法。6第一节合成树脂及其添加剂塑料的主要成分是树脂，树脂是指用聚合方法制得的高分子化合物原料颗粒或粉体。另外还要加进一些助剂，助剂主要是为了改进塑料的成型性能和使用性能，同时也可以降低成本。7一、合成树脂用作塑料加工的合成树脂主要有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS、聚碳酸酯、酚醛树脂等。(一）聚乙烯分子式为：通常包括低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、线型低密度聚乙烯(LLDPE)和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。(1)低密度聚乙烯(LDPE)

是在反应温度150一300℃，反应压力150—300MPa条件下，采用O2或过氧化物作引发剂的乙烯气相本体自由基聚合而成的聚合物。是高压法聚乙烯。8通常采用釜式法和管式法实施。釜式法常用过氧化物引发剂，由于搅拌作用，釜内返混严重，所得LDPE的相对分子质量分布较宽，支链分布窄，长支链多；而管式法常以O2作引发剂，所得LDPE的相对分子质量分布较窄，支链分布宽，长支链少。必须指出：反应压力高，相对分子质量较高，支链较少；反应温度高，相对分子质量较低，支链较多。(2)中压法高密度聚乙烯系在反应温度130—270℃，反应压力1．8—8MPa条件下，乙烯溶于烷烃溶剂中的溶液聚合，采用载于SiO2—A12()3上的CrO3为催化剂或载于γ—A1203上的MoO3为催化剂的离子聚合方法。其所得产物支链较少，分子链等规度较高，属高密度聚乙烯。9(3)低压法高密度聚乙烯在反应温度85一100℃，反应压力常压-2MPa条件下，采用Zeigler-Natta催化剂的乙烯络合配位聚合，支链较少，分子等规度高，密度较高，称高密度聚乙烯。(4)线型低密度聚乙烯(LLDPE)系乙烯与C4~C8烯烃共聚，用低压法生产高压法产品，反应温度80—230℃，反应压力1-4MPa，采用ZeiglepNatta催化剂生产LLDPE.(5）超高分子量聚乙烯（UHMWPE)分子量在5×105~6，具有线性结构的热塑性工程塑料材料。用作耐冲击性的部件、齿轮等。1011（二）聚氯乙烯聚氯乙烯(PVC)树脂是由氯乙烯单体经均聚或与其他单体共聚而成的一类聚合物的统称。聚氯乙烯树脂是白色或淡黄色的坚硬粉末，密度约1.49，氯原子的存在使材料具有阻燃性。Tg约为80℃，在80～85℃开始软化，完全流动温度约为140℃

，此时聚合物已开始明显分解并析出氯化氢，因氯化氢有自动催化分解作用，使分解加快，所以工业上生产各种品级和牌号的聚氯乙烯都加有热稳定剂。由于聚氯乙烯熔体黏度高，流动性差，必须添加增塑剂改善其加工性能。根据增塑剂用量的不同，可分为硬质PVC(增塑剂质量含量小于10％)和软质PVC。硬质PVC主要用于成型管材、板材等，软质PVC可做薄膜、人造革、软管等制品。12通常采用以下方法生产：

(1)本体聚合法氯乙烯单体(VCM)在油溶性引发剂存在下，加热到一定温度使之聚合的一种生产PVC的方法。由于不用水和分散剂等添加剂，聚合工艺简化，颗粒形态和树脂质量大有改进，与悬浮聚合法PVC相比．透明性、电绝缘性能优良、吸收增塑剂较快、加工流动性好。此种聚合方法必须解决聚合反应热的排除、树脂颗粒形态的控制和防止粘釜三大技术难题。两段聚合工艺可以解决这些问题。13(2)悬浮聚合法在搅拌作用和分散剂的保护作用下，VCM在以水为介质的体系中分散成稳定的液滴，然后在油溶性引发剂作用下使之聚合生产Pvc的一种方法。(3)乳液聚合法在乳化剂存在下，将VCM分散在水中形成乳状液，然后在水溶性引发剂作用下聚合生产乳液Pvc树脂的一种方法。此法所得树脂颗粒较细，用作糊树脂。14（三）聚丙烯聚丙烯密度较低，具有优良的物理性能，特别是填充和复配后更好．加上良好的注塑特性，使之得以大量应用。聚丙烯应用中注塑制品占据绝对优势，包括硬包装(如瓶盖、容器)、消费用品(如家用器具)、运输(如汽车内装饰)、器械及医用制品(如注射器、工具箱)。我国包装市场广阔，编织袋产量多年来均居世界首位。薄膜是我国聚丙烯树脂的重要应用领域，包括取向膜(OPP)、流延膜(cPP)及吹塑膜(IPP)。15（四）聚苯乙烯通常也采用本体聚合法、悬浮聚合法和乳液聚合法生产，所得树脂的性能和用途也有差异，如下表所示。16（五）ABS

ARS树脂通常是指聚丁二烯橡胶与单体苯乙烯和丙烯腈的接枝共聚物，ABS一般结构如下：其中A代表丙烯腈，提供耐化学性和热稳定性，B代表丁二烯，提供韧性和抗冲性．s代表苯乙烯，赋予刚性和易加工性。但是，在接枝共聚反应中，单体苯乙烯和丙烯腈会发生共聚生成游离SAN(丙烯腈和苯乙烯共聚物)。所以，实际上得到的是ABS和SAN的混合物。商业上通常将这种混合物与其他SAN的掺混物称之为ABS树脂。17

AB5树脂具有复杂的二相结构。橡胶是分散相，SAN作为基体树脂是连续相。橡胶以颗粒状分散腈在基体树脂中。由于橡胶颗粒的存在．使ABs树脂具有更优异的性能．其具有高抗冲击性、高刚性、耐油性、耐低温性、耐化学药品性，机械强度和电气性能优良,是一种用途极广泛的热塑性工程塑料，广泛应用于机械、汽车、电子电器、仪器仪表、纺织和建筑工业等。改变ABS树脂中3种组分比例，可适应各种特殊应用。按配料组成不同，ABs树脂可分为通用型、中抗冲型、高抗冲型、耐低温抗冲型、耐热型、耐候型等品种。18（六）聚碳酸酯聚碳酸酯(PC)是指在分子主链中含有重复单元碳酸酯基(O-R-O-CO)的高分子化合物的总称。随着R基团的不同，可以分为脂肪族聚碳酸酯、芳香族聚碳酸酯和脂肪-芳香聚碳酸酯。工业上具有实用价值的是芳香族聚碳酸酯，特别是双酚A型聚碳酸酯，其特点是原料价格低廉、加工性能及制品性能优良。双酚A型聚碳酸酯的分子结构式如下：19双酚A型聚碳酸酯为优良的工程塑料，透光率为87％一91％，与PMMA相近；成型收缩率小且均匀，尺寸稳定性良好，可制造高精度产品耐热性良好，可在130℃下长期使用，电性能优异；其制造方法如下：

(1)酯交换法采用双酚A和碳酸二苯酯在催化剂存在下，在约200℃熔融状态下进行酯交换，然后在295—300℃下缩聚得PC，此法获得的树脂相对分子质量受到限制，一般在2．5—3万。(2)光气法采用双酚A和光气在氢氧化钠或吡啶和溶剂存在下，反应制得Pc。此法得到的树脂相对分子质量很高，可达(15—20）×l04。20（七）聚砜聚砜类树脂(PolysulfonePlastic)是指大分子主链中含有砜基(一S02一)和芳环的高分子聚合物。属热塑性工程塑料。目前聚砜塑料主要有以下3类：21聚砜大分子链刚性大，玻璃化温度高，例如PSU、PAS、PES三者的玻璃化转变温度(Tg)分别为196℃，288℃和225℃

，其熔体黏度也很高，成型时螺杆的温度一般在300-360℃

，也正是其刚性链的结构使成型后制品的性能比其他工程塑料优良(表10一2)。2223(八)聚酰胺聚酰胺(Polyamide，PA)也称尼龙(Nylon)，是一类主链上含有许多重复酰胺基团(-HNCO-)的高分子化合物。聚酰胺首先是作为最重要的合成纤维原料而发展起来的，后来才用做塑料，且在塑料工业中占有很重要的地位，是工程塑料之一。聚酰胺是结晶性聚合物，密度1.01～1.15，是塑料中吸湿性最强的树脂，例如聚酰胺6的吸湿率为4.5％，聚酰胺3的吸湿率可达7.0％～9.0％，所以成型前要进行干燥。聚酰胺塑料具有耐磨、强韧、质轻、耐药品，耐热、耐寒、易成型、无毒、自润滑和易染色等优点，因而是最早应用于受力结构部件的工程塑料，例如齿轮、凸轮和轴承等传动和摩擦零件。在与金属材料及其他工程塑料的竞争中，通过不断完善技术和性能，其应用领域不断拓宽。可作为汽车发动机部件、电气部件、车体部件、机械设备等。24（九）酚醛树脂酚醛树脂(PF)耐热性和电绝缘性优良，是重要的热固性塑料。其生产可分为两个过程：一是具有反应活性的线型或支化型低聚物的合成；二是上述低聚物在固化剂及一定条件下，使未反应的潜在官能团进一步反应，生成不熔不溶的体型结构的高分子化合物。下面以最常用的苯酚—甲醛树脂加以说明。

(1)碱法酚醛树脂甲醛和苯酚(醛/酚比＞1)在碱性催化剂(PH＞7)存在下形成多种羟甲基苯酚。(2)酸法酚醛树脂采用酸性催化剂(PH＞1)存在下，甲醛和苯酚(醛酚比＜1)反应形成低聚物。25(3)酚醛树脂的固化碱法酚醛树脂由于含有经甲基、二亚甲基醚和活泼氢原子，受热或在酸性条件下，可继续反应，形成体型结构的高分子化合物；酸法酚醛树脂由于只含活泼氢原子，必须加入六次甲基四胺、多聚甲醛等可以与活泼氢原子继续反应的固化剂，才能继续反应，形成体型结构的高分子化合物。酚醛树脂的固化历程大致可分为三个阶段：26甲阶酚醛树脂：为苯酚和甲醒缩聚、干燥脱水后得到的产品，热可熔化，也能溶于适当的溶剂中；乙阶酚醛树脂：甲阶酚醛树脂继续加热，分子上的羰基在分子间反应而交联，相对分子质量增大，外观上呈固化，受热可软化但不能熔化，在适当溶剂中只能溶胀不能溶解；丙阶酚醛树脂：乙阶酚醛树脂继续受热，发生深度交联，变成不熔不溶的体型结构的高分子化合物。27(十)其他树脂：除上述树脂外，聚苯醚(PPO)、聚甲醛(POM)是重要的工程塑料品种；聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)是透明度高、耐候性好、迄今为止合成透明材料中价格适宜，质地优异的树脂品种；聚对苯二甲酸乙二酯(PET)和聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)也是工程塑料的重要树脂。热固性树脂如酚醛树脂(PF)、氨基树脂(Aminoresin)、环氧树脂(Epoxide，EP)等也是塑料成型加工中的重要原料品种28二、添加剂添加剂又称助剂，是实现高分子材料成型加工工艺过程并最大限度地发挥高分子材料制品的性能或赋予其某些特殊功能性必不可少的辅助成分。以塑料添加剂为例，现有30多个功能类、200多种化合物、4000多个牌号。29（一）增塑剂1.增塑剂是指用以使高分子材料制品塑性增加，改进其柔软性、延伸性和加工性的物质。增塑剂主要用于聚氯乙烯、聚乙酸乙烯、丙烯酸酯类塑料和纤维素塑料，其中聚氯乙烯塑料的用量最大，占增塑剂总产量的80％以上。因Pvc分子间存在着极性，分子链僵硬。加入增塑剂后，就可制得软质Pvc塑料制品。通常情况下，软质PvC塑料中增塑剂为45—50份／100份树脂。302.增塑剂也可分为极性增塑剂与非极性增塑剂，非极性增塑剂的主要作用是通过溶剂化作用来增大分子间距，削弱分子间作用力。而极性增塑剂则是靠极性基团之间的作用，取代大分子之间的作用点来削弱大分子间作用力。3.按作用方式，有外增塑作用和内增塑作用之分。外增塑剂用的是低分子质量的化合物或聚合物，通常为高沸点的较难挥发的液体或低熔点的酯类固体。其分子上的极性基因与Pvc上的-Cl相互吸引，减少了Pvc分子间的相互作用，减少了物理交联点。增加了Pvc分子链段活动的空间，从而使PVC的Tg下降，塑性增加。这类增塑剂缺点是耐久性较差，易挥发、迁移和抽出。31起内增塑作用的通常为共聚树脂，即在均聚物Tg较高的单体中引入均聚物Tg较低的第二单体，进行共聚，降低高分子化合物的有序程度(即结晶度)，增加分子的柔软性，氮乙烯—醋酸乙烯共聚树脂即为典型的一种。它们的优点是耐久性好，不挥发，难抽出，缺点是在聚合过程中引入，工艺较复杂，成本高，应用较少。324.理想的增塑剂，还必须与聚合物有较好的相容性，良好的加工性，耐低温性能，耐老化性，耐挥发性、耐抽出性和耐迁移性。耐久性与增塑剂的相对分子质量及分子结构均有密切关系。增塑剂相对分子质量在350以上才能有良好的耐久性，相对分子质量在1000以上的聚酯类和苯多酸酯类(如偏苯三酸酯)增塑剂有十分良好的耐久性；5.增塑剂的混入方法主要是在一定温度下用机械混合法强制混合到聚合物当中。336.增塑剂的常用品种有以下几类：(1)苯二甲酸酯类：常用品种包括邻苯二甲酸二丁酚和二辛酯等。这类增塑剂的优点是可使材料保持良好的绝缘性和耐寒性。(2)磷酸酯类：常用品种有磷酸三甲酚酯、磷酸三酚酯和三辛酯。这类增塑剂的特点是可以使材料保持良好的耐热性，但耐寒性却较差，且该类增塑剂有毒性。(3)己二酸、壬二酸、癸二酸等的二辛酪类：这类增塑剂可以使材料具有较好的耐寒性，但耐油性却较差。34（二）稳定剂高分子材料在制备(合成和干燥)、贮存、成型加工和应用过程中，因受外界因素的作用下，会发生多种老化过程，发生表面状态、物理机械性能和结构的变化，甚至失去使用价值。为防止上述现象发生，通常要加入某些光、热、氧稳定剂来提高塑料的稳定性能。1.热稳定剂热稳定剂主要用于Pvc塑料中，是生产Pvc塑料最重要的添加剂。35热稳定剂的分类热稳定剂有铅盐类、金属皂类、有机锡类、有机锑类、稀土类、复合稳定剂等几大类。稳定剂的选择理想的稳定剂应能满足下列要求：具有吸收或中和Hcl的作用。与Pvc树脂、增塑剂的相容性良好，且不会与其他添加剂发生化学反应。不影响Pvc制品的物理、机械加工和使用性能。且价廉，效果好，用量少。362.光稳定剂许多高分子材料制品是在室外环境下使用的，由光引起的光降解作用是不容易忽视的。

1．高分子材料的光降解作用太阳光进入大气层后,其中紫外光仅占太阳总辐射量的6%左右。这部分波长在290一400nm之间的紫外光线会引起高分子材料降解。因为它大于高分子材料中典型化学键的键能。

2．光稳定剂的作用和分类光稳定剂是指可有效地抑制光致降解物理和化学过程的一类化合物。通常，其用量为0．05％一2％。根据其作用机理可分为以下几种。37(1)光屏蔽剂指能反射和吸收紫外光的物质，可屏蔽紫外光波，减少紫外光的透射能力，从而使制品内部不受紫外线的危害的通常为炭黑、某些元机颜料和填充剂。

(2)紫外线吸收剂指能强烈地选择性吸收高能量的紫外线，并进行能量转换，以热能形式或无害的低能辐射将能量释放或消耗的一类物质。这是目前应用最普遍的一类光稳定剂。工业上常用二苯甲酮类和苯并三吡类。38(3)猝灭剂是指通过分子间的能量转移，迅速而有效地将激发态分子(单线态氧和二线态物质)淬灭，使转变成热能或转变成荧光或磷光．而辐射散失，回到基态的一类物质常用镍的有机化合物。(4)自由基捕捉剂指通过捕获自由基，分解过氧化物。其特征是几乎不吸收紫外光。常见的有受阻胺类光稳定剂。393.抗氧剂(亦称防老剂)抗氧剂是指可抑制或延缓高分子材料自动氧化速度，延长其使用寿命的物质。在橡胶工业中抗氧剂也被称为防老剂。分为两大类：

(1)链终止型抗氧剂可与自由基R·反应，中断自动氧化的链增长，所以这类抗氧剂又称主抗氧剂。常见有受阻酚类、仲芳胺类。

(2)预防型抗氧剂又称辅助抗氧剂.这类抗氧剂又可分为两类。①过氧化物分解剂常见的有有机亚磷酸酯、硫代二丙酸酯等。②金属离子钝化剂(铜抑制剂)主要为酰胺类及脂肪类。抗氧剂塑料中用量为o.1-1％,在橡胶中用量为l-5份。40（四）填充剂为了提高塑料制品的物理-力学性能或赋予制品某种特殊性能，同时也提高加工性能，减少树脂单耗或降低成本而加入的物质称为填充剂。填充剂的作用主要如下：（1）增加体积，减少高分子化合物的用量，降低制品成本。（2）改善某些特定的性能，如改善高分子化合物的熔融粘度、流动性及其他加工性能；提高制品的电性能、导热性、耐水、耐溶剂性和耐候性；赋予阻燃性等。41（3）改善橡胶混炼胶的性能，如调节可塑度和粘度，防止收缩，提高表面性能等；提高硫化胶的性能，如增加拉伸强度、抗撕强度、耐磨耗性、耐候性等。常用的填充剂有炭黑。碳酸盐类、硫酸盐类、金属氧化物、金属粉、高岭土等粉状、球状类物质。也有先与树脂共混做成“填料母粒”在用作填充剂的。表10一3为常用填充剂种类、来源及其作用。424344（四）增强剂添加到树脂中使其物理一力学性能得到提高的材料称为增强剂。它实际也是一种填充剂，由于性能上的差别和近年来得到了较大的发展，因此特将其单列一类。增强剂有纤维类和非纤维类两种。以纤维状、晶须、织物状填料为主。增强剂如玻璃纤维、硼纤维、碳纤维，金属晶须，无机中空微球和金属微球。纤维类增强剂具有更明显的增强效果，大量用于各种塑料制品，例如环氧树脂、不饱和聚酯等与玻璃纤维或织物制成的玻璃钢。其中玻璃纤维以提高拉伸强度著称，价格便宜，应用最普遍。近年来有一些高性能纤维，如碳纤维，芳纶加入增强纤维材料的行列，在宇航、化工、耐高温等方面具有重要意义。45（五）阻燃剂大多数塑料是可燃烧的，能够增加塑料等高分子材料耐燃烧性能的物质统称为阻燃剂。含有阻燃剂的塑料大多数是自熄性的，也可以是难燃的或不燃的。阻燃剂通常分为添加型和反应型两大类。添加型阻燃剂有磷酸盐、卤代烃和氧化锑等。反应型阻燃剂主要有卤代酸酐和含磷多元醇等。它们在聚合物制备过程中加入，作为一个组分参加反应而成为聚合物分子链的一部分，从而赋予了塑料阻燃性，且主要用于热固性塑料。反应型阻燃剂对制品性能影响小、阻燃性持久。46（六）着色剂

1.随着塑料应用的日益广泛，除了要求塑料制品具有各种优良的性能以外，还要考虑其外观色泽，以提高制品的商品价值，增加市场竞争力。因此常需要将塑料着色。2.塑料的着色，就是在塑料中或制品的表面上加入或涂覆一种物质(通称着色剂)，以改变原有色泽，而赋于制品各种鲜艳颜色或特殊光学性能的一种方法。3.塑料的着色，可分为内着色和外着色两种。内着色是在塑料加工前的配料中加入着色剂。外着色是指在塑料制品的表面着色．诸如印刷、烫金、电镀、贴花．真空蒸饺、涂布涂料等，474.着色剂的种类较多，按其形态可分为：（1）粉状着色剂将着色剂研磨成细粉后，不加处理直接用于着色。（2）糊或膏状着色剂把着色剂分散在增塑剂等挥发性有机液体中，制成糊或膏状物，分散性好，无飞散污染等；但得多次研磨。（3）浓色母料将着色剂以高浓度分散在聚合物中，经研磨成细粉后，再用于着色．（4）粒状着色剂将着色剂分散在聚合物中，经混炼制成粒状料，分散好，质量好，无飞散，且使用方便。48

5.按种类分，可分为染料和颜料两大类。染料可溶于水、油、有机溶剂等，分子内一般都含有发色基团和助色基团，具有强烈的着色能力，色泽鲜艳，色谱齐全。主要用于纺织纤维的印染，在塑料着色中应用很少。颜料是不溶于水和溶剂的，为塑料的主要着色剂。它们呈微小颗粒分散于塑料中，藉遮盖作用而着色。根据其化学组成，分为无机颜料和有机颜料两类。无机颜料耐热、耐光和耐磨性优良。如二氧化钛、锌钡白(立德粉)、镉黄、镉红、铬朱红等。有机颜料耐热、耐光和分散性均不及无机颜料，但色彩鲜艳等。如塑料红GR、塑料紫RI(永固紫)、耐晒黄G。49(七）润滑剂润滑剂是降低熔体与加工机械(如简体、螺杆)之间和熔体内部相互同的摩擦和粘附，改善流动性，促进加工成型，提高生产能力和制品外观质量及光洁度等的一类添加剂。用量一般在o.5—1份之间。按作用机理可将润滑剂分为两类。

(1)内润滑剂利用其与高分子化合物之间一定的相容性，少量可以进入高分子化合物的分子链之间，削弱分子链间的相互作用力。

(2)外润滑剂与高分子化合物相容性极差，只能附着在熔体或加工机械、模具的表面，形成润滑界面，降低熔体与加工机械之间的摩擦力。50(八)抗静电剂。抗静电剂是添加到塑料中或涂覆在塑料制品表面，以防止制品的静电危害的一类化学助剂。抗静电剂的作用是将体积电阻高的塑料表面层的电阻率降低到1010Ω·cm以下，从而降低塑料在成型加工和使用过程中的静电积累一般高分子材料的体积电阻率都非常高，约在1010～1020Ω·cm范围内，其表面摩擦就容易产生静电。会妨碍生产和制品的使用。因此，在使用中需消除静电的危害。防止静电危害的方法一方面是减轻或防止摩擦以减少静电的产生；另一方面就是使用抗静电剂。抗静电剂主要有胺的衍生物、季铵盐类、磷酸酯类和聚乙二醇酯类。这类物质既有微弱的电离性，又有适当的吸水性，为其提供导电能力。此外，导电填料(如炭黑、石墨、金属粉或镀金属的纤维)也可作为抗静电剂使用。51（九）发泡剂可使一定粘度范围内的液态或塑性状态的高分子化合物形成微孔结构的物质。分为物理发泡剂：发泡过程中以其本身物理状态的变化来达到发泡目的的物质。如压缩气体（如氮气），挥发性液体等。化学发泡剂：为无机或有机热敏性化合物，在一定温度下热分解而产生一种或几种气体，使高分子化合物发泡。具体有无机发泡剂：如碳酸铵、亚硝酸铵，双氧水等。有机发泡剂；如：N亚硝基化合物：发泡剂H等。偶氮化合物：偶氮二甲酸酯，偶氮二甲酸钡等。52（九）其他助剂其它还有很多种助剂，例如防生物剂、驱避剂、防霉剂、加工改性剂增韧剂、增粘剂、偶联剂、交联剂、抑烟剂、成核剂、荧光增白剂、橡胶软化剂、抗冲击改性剂等等。总起来讲，它们的功能都是为改进某些性能如增塑、增韧、润滑、稳定、抗静电、阻燃、填充、增强、着色等。这里不再一一讨论。53第二节物料的配置一、物料混合的基本原理在高分子材料制品的生产中大部分由聚合物与其他物料混合，进行配料后才能进行成型加工。因此把各种组分混合在一起，成为均匀的体系(如粉料、粒料等)是成型加工前必不可少的过程，这一操作过程统称为物料的配制。广义的混合作用应包括混合和分散两个基本过程。混合或称单纯混合是指两种或多种组分占有的空间分布情况发生变化，各自向其他组分的空间分布，其原理如图10-1所示。54分散是指在混合中，一种或多种组分的物理状态或物理性能发生变化并向其他组分渗透的过程，如颗粒尺寸减小或溶于其他组分中。混合与分散作用一般是同时进行和完成的，即在混合过程中，物料在混合的同时，通过粉碎、研磨等机械作用，使被混合物料的粒子不断减小，从而达到均匀分散的目的。55混合过程中各组分单元分布非均匀性的减小和组分单元的细化，只能通过各组分单元的物理运动或在外力作用下的物理变化来实现。发现、认识这种运动和变化就是认识混合机理的过程。目前对混合机理尚未获得统一认识，在此从扩散、对流、剪切三种作用来理解混合过程。1．扩散作用扩散作用是利用各组分之间的浓度差，使组分微粒从浓度大的区域向浓度小的区域迁移，从而达到组成的均一。气体与气体、液体与液体或液体与固体之间，扩散作用较明显，但在固体物料之间，扩散作用很小，需增加温度和接触面积才能实现。56按照Erdkey混合理论，混合涉及到三种扩散形式，即分子扩散、涡流扩散和体积扩散。(1)分子扩散是由浓度梯度驱使自发地发生的一种过程，各组分的微粒子由浓度较大的区域迁移到浓度较小的区域，从而达到各处组分的均化。

(2)涡流扩散即紊流扩散。在化工过程中，流体的混合一般是靠系统内产生紊流来实现的，但在聚合物加工中，很少发生涡流分散。(3)体积扩散即对流混合。是指流体质点、液滴或粒子由系统的一个位置向另一位置的运动，以达到各组份均匀分布。在聚合物加工中，这种混合占支配地位。572．对流作用两种或两种以上的物料各自向其他物料占有的空间流动，从而达到组成均一。对流需要借助于外力的作用，通常采用机械搅拌力。要使其组成均一，对流作用必不可少。583．剪切作用利用机械的剪切力使物料组成达到均一，剪切作用可用图10一2加以说明。物料块上有一个力F作用于上平面而使其产生移动，由于下平面不动使物料块发生变形、偏转和拉长而成为图10—2(b)中的形状。在这个过程中物料本身的体积没有变化，只是截面变小向倾斜方向伸长，并使表面积增大，扩大了物料的分布区域，因而使其进入另外的物料块占有空间的机会加大，渗入别的物料块中的能力增加，因此达到了混合的目的。59剪切力的混合作用，特别适用于黏性物料，因为黏性物料的黏度大、流动性差，又不能用粉碎的方法将其分散混合。用剪切作用混合时，由于两剪切力之间的距离一般都很小，因此，物料在变形过程中，能很均匀地分散在整个物料中。剪切的混合效果与剪切力的大小和力的作用距离有关。剪切应力和剪切速率越大，混合效果就越好。在混合过程中，常使物料承受相互垂直的两个方向剪切力的交替作用，以提高混合效果。通常在塑炼中是以变换物料的受力位置来改变剪切力方向，也就是通过机械或人力翻动的办法来不断改变物料的受力位置，从而达到混合和分散均匀的目的。实际上在混合过程中，扩散、对流、剪切三种作用都是同时进行的，只是在一定条件下，三种作用中的某种占优势而已。但不管哪种作用，除了造成层内流动还应产生层间流动，才能达到最佳的混合效果。60二、物料混合工艺与设备塑料是以合成树脂为主要成分与某些配合剂相互配合而成的一类可塑性材料。根据组成不同，塑料可分为单组分和多组分塑料。塑料的配制是一个较复杂的的过程，一般包括原料的准备、混合、塑化、粉碎或粒化等工序，其中物料的混合和塑化是最主要的工艺过程。工艺流程见图6所示。6162（一）、物料的混合1.原料的准备原料的准备主要是对原材料进行预处理、配料、计量和输送、除杂质和水分等。包括树脂过筛、除杂、干燥；增塑剂细化、预热；稳定剂、填充剂和着色剂等组分分散在树脂中，混合搅拌均匀。有时，搅拌后还须再用三辊研磨机或其他装置研细。还包括物料的计量和储存等过程。632.物料的混合工业上，混合一般由初混合和初混物的塑炼两部分组成。物料的初混合是一种在树脂熔点以下和较为缓和的剪切力作用下进行的简单混合。其过程仅在于增加各组分微粒空间的无规则排列程度，微粒的尺寸尚未减小。混合依靠设备的搅拌、振动、翻滚、研磨等作用完成。这是指物料的初步混合，是一种简单混合。一般使用s型和z型捏合机，主要适用于固态和液态混合，对物料有较强的撕捏作用，另外还有转鼓式混合机和螺带式混合机。64（2）初混物的塑炼这是物料在初混合基础上的再混合过程，是在高于树脂流动温度和较强剪切作用下进行的。塑炼的目的是使物料在温度和剪切力的作用下，获得剪切混合的作用，驱出其中的水分和挥发物，使各组分的分散更趋均匀，得到具有一定可塑性的均匀物料。塑化的终点可以测定试样的均匀和分散程度或试样的撕裂强度来决定，但实际生产上是凭经验来决定的。653.塑炼物的粉碎和粒化为了便于贮存、运输和成型时的操作，必须将塑化后的物料进行粉碎或造粒，制成粉状或粒状塑料。一般挤出、注射成型要求的多是粒状塑料，热固性塑料的模压成型多数是要求粉状塑料。（1）

粉碎粉状塑料一般是将塑化后的片状物料用切碎机先进行切碎，然后再用粉碎机粉碎得到。某些热固性粉状塑料，如酚醛压塑粉则选用具有冲击作用和摩擦作用的粉碎机和研磨机来完成粉碎。66（2）粒化塑料常用具有切割作用的造粒设备造粒。造粒的方法根据塑化工艺的不同有以下三种。

(a)开炼机轧片造粒开炼机塑化或密炼机塑化的物料经开炼机轧成片状物，经过风冷或水冷后进入平板切粒机，先被上、下圆辊切刀纵切成矩形断面的窄条，再被回转刀模切成方块状的粒料。67(b)挤出机挤出条冷切造粒挤出机塑化的物料在有许多圆孔的口模中挤出料条，在水槽中冷却后引出并切成粒料，用这种方法可制得圆柱形粒料。

(c)挤出热切造粒此法是用装在挤出机机头前的旋转切刀切断由多孔口模挤出的塑化料条。切粒需在冷却介质中进行，以防粒料互相粘结。68(二)物料混合设备工业上用于固体物料混合的设备主要有高速混合机、转鼓式混合机、双锥混合机、螺带混合机、Z型混合机、开炼机等。1．高速混合机兼用于润性与非润性物料，而且更适宜于配制粉料。该机主要是由一个圆筒形的混合室和一个设在混合室的搅拌装置组成(图10一4)。69混合时，物料受到高速搅拌，在离心力的作用下，由混合室底部沿侧壁上升，至一定高度时落下，然后再上升和落下，从而使物料颗粒之间产生较高的剪切作用和热量。因此，除具有混合均匀的效果外，还可使塑料温度上升而部分塑化。挡板的作用是使物料运动呈流化状，更有利于分散均匀。高速混合机在需要时可利用外加热套进行加热，视具体情况而定。702．转鼓式混合机图10—5是最简单的转鼓式混合设备。转鼓式混合机的混合室两端与驱动轴相连接，当驱动轴转动时，混合室内的物料即在垂直平面内回转。初始时位于混合室底部的物料由于物料间的黏结作用以及物料与侧壁间的摩擦力而随鼓升起，又由于离心力的作用，物料趋于靠近壁面，使物料间以及物料与室壁问的作用力增大。当物料上升到一定高度时，在重力作用下落到底部，接着又升起，如此循环往复，使物料在竖直方向反复重叠、换位，从而达到分散混合的目的（图10-6）。713．卧式单螺带混合机图10一7所示为卧式单螺带混合机。它由螺带、混合室、驱动装置和机架组成。混合室是一个两端封闭的半圆筒，上部有可以开启或关闭的压盖或加料口，下部有卸料口。混合室可设计为夹套式，用于通入加热介质或冷却物料。72卧式单螺带混合机是最简单的螺带混合机。当螺带旋转时，螺带的推力棱面推动与其接触的物料沿螺旋方向移动。由于物料之间的相互摩擦作用，使得物料上、下翻转，同时部分物料也沿着螺旋方向滑移，这样就形成了螺带推力棱面一侧部分物料发生螺旋状的轴向移动，而螺带上部与四周的物料又补充到螺带推力面的背侧(拖曳侧)，于是发生了螺带中心处物料与四周物料位置的更换。随着螺带的旋转，推力棱面一侧的物料渐渐堆积，物料的轴向移动现象减弱，仅发生上、下翻转运动，所以卧式单螺带混合机主要是靠物料的上、下运动达到径向分布混合的。在轴线方向，物料的分布作用很弱，因而混合效果并不理想。734．Z形捏合机Z形捏合机又称双臂捏合机或Sigma桨叶捏合机，是广泛用于塑料和橡胶等高分子材料的混合设备。典型的Z形捏合机结构如图10一8所示。Z形捏合机主要有转子、混合室及驱动装置组成。混合室是一个W形或鞍形底部的钢槽，上部有盖和加料口，下部一般设有排料口。钢槽呈夹套式，可通入加热或冷却介质。对于转子为相切式安装的捏合机，当转子旋转时，物料在两转子相切处受到强烈剪切，可达到很好的剪切作用。74（三）树脂溶液的配制1.塑料溶液配置是将合成树脂及各种配合剂加入到有机溶剂中制成溶液。2.溶液的制备工艺工业上常用下面两种配制方法。（1)慢加快搅法先将溶剂置于溶解釜内加热至一定温度，而后在恒温和不断搅拌的作用下，缓慢加入固体聚合物，直到加完为止。(2)低温分散法先在溶解釜内将溶剂的温度降到其对聚合物失去溶解的活性温度为止，而后将聚合物一次投入釜中，并使其很好地分散在溶剂中，再在不断搅拌下将温度升到溶剂具有熔化聚合物的活性，这样就能使已经分散的聚合物很快地溶解。753.溶胶塑料的配制溶胶塑料又称糊塑料，是固体树脂稳定地悬浮在非水液体介质中形成的分散体(悬浮体)。在溶胶塑料中氯乙烯聚合物或共聚物应用最广，通常称聚氯乙烯糊。溶胶塑料中的非水液体主要是在室温下对树脂溶剂化作用很小而在高温下又很易增塑树脂的增塑剂或溶剂，是分散剂。除此之外，溶胶塑料还因不同的要求加入胶凝剂、填充剂等各种配合剂。溶胶塑料的配制，关键是将固体物料稳定地悬浮分散在液体物料中。配制工艺通常由研磨、混合、脱泡和贮存等工序组成。76第三节挤出成型1.特点.挤出成型是高分子材料加工领域中变化众多、生产率高、适应性强、用途广泛、所占比重最大的成型加工方法。2.适用范围.挤出成型工艺适合于所有的高分子材料。塑料挤出的制品目前约50％的热塑性塑料制品是挤出成型的。橡胶的挤出成型通常叫压出．在合成纤维生产中，螺杆挤出熔融纺丝，在合成纤维生产中占有重要地位。773.分类.1）根据挤出物料塑化方式不同，挤出成型可分为干法挤出和湿法挤出。干法挤出是靠外加热将物料变成熔体后挤出，制品经冷却固化；湿法挤出的物料塑化是通过有机溶剂对物料的作用，使其成为粘流状态，制品的定型处理是靠溶剂挥发固化。2）挤出设备有螺杆挤出机和柱塞式挤出机两大类，前者为连续式挤出，后者为间歇式挤出。螺杆挤出机又可分为单螺杆挤出机和多螺杆挤出机。柱塞式挤出机是借助柱塞的推挤压力，将事先塑化好的或由挤出机料筒加热塑化的物料从机头口模挤出而成型的。78一、螺杆挤出机基本结构及作用单螺杆挤出机是由传动系统、挤出系统、加热和冷却系统、控制系统等几部分组成。挤出系统主要包括加料装置、料筒、螺杆、机头和口模等几个部分，如图10—9所示。79传动部分通常由电动机、减速箱和轴承等组成。2.加料装置加料装置是保证向挤出机料简连续供料的装置，形如漏斗，有圆锥形和方锥形，亦称料斗。料斗的底部与料同连接处是加料孔，该处有截断装置，可以调整和截断料流。在加料孔的周围有冷却夹套，用以防止高温料筒向料斗传热，避免料斗内塑料升温发粘而引起加料不均和料流受阻情况发生。1.传动部分803.料筒又叫机筒，是一个受热受压的金属圆筒。物料的塑化和压缩都是在料筒中进行的。挤出成型时的工作温度一般在180一290℃。料筒内的压力可达55MPa。在料筒的外面设有分段加热和冷却的装置，以便对塑料加热和冷却。加热一般分三至四段，常用电阻或电感应加热，也有采用远红外线加热的。冷却的目的是防止塑料的过热或停车时须对塑料快速冷却，以免塑料的降解。冷却一般用风冷或水冷。料筒一般用耐磨、耐腐蚀、高强度的合金钢或碳钢内衬合金钢来制造.料筒的长度一般为其直径的15—24倍。814.螺杆螺杆是挤出机最主要的部件，通过螺杆的转动，对料筒内塑料产生挤压作用，使塑料发生移动，得到增压，获得由摩擦产生的热量。（1）螺杆的结构螺杆是一根笔直的有螺纹的金属圆棒。图10-10为一般螺杆的结构。螺杆是用耐热、耐腐蚀、高强度的合金钢制成的，有很高的硬度和光洁度，以减少塑料与螺杆的表面摩擦力，使塑料在螺杆与料筒之间保持良好的传热与运转状况。螺杆的中心有孔道，可通冷却水，目的是防止螺杆因长期运转与塑料摩擦生热而损坏，同时使螺杆表面温度略低于料筒，防止物料粘附其上，有利物料的输送。82螺杆由电动机通过减速机构传动，转速一般为10一120r／min，要求是无级变速。83(2)．螺杆的几何结构参数螺杆的几何结构参数有直径、长径比、压缩比、螺槽深度、螺旋角、螺杆与料筒的间隙等(见图10—11)，对螺杆的工作特性有重大的影响。84(a)螺杆直径指其外径，通常在30—200mm之间，最常见的是60—150mm。直径增大，挤出机的生产能力提高，挤出机的规格常以螺杆的直径大小表示.(b)螺杆的长径比L／Ds指螺杆工作部分的有效长度L与直径Ds之比，此值通常为15—25，但近年来有达40倍甚至更大的。L／Ds大，能改善塑料的温度分布，混合更均匀，可减少挤出时的逆流和漏流，提高挤出机的生产能力。(c)螺杆的压缩比A指螺杆加料段第一个螺槽的容积与均化段最后一个螺槽的容积之比，它表示塑料通过螺杆的被压缩的程度。A愈大，压缩作用愈大，排除物料中所含空气能力越大。压缩比一般在2—5之间。85(d)螺槽深度H螺槽深度影响塑料的塑化及挤出效率，H小时，可提高的剪切速率，有利于传热和塑化，但挤出率降低。

(e)螺旋角θ是螺纹与螺杆横截面之间的夹角，θ增大，挤出机生产能力提高，但螺杆对塑料的挤压的切作用减少。通常θ介于10o一30o之间。

(f)螺纹棱部宽E螺棱宽E太小会使漏流增加，导致产量降低；E太大会增加螺棱上的动力消耗，有局部过热的危险。一般取E=0.08—0.12Ds,(g)螺杆与料筒的间隙

其大小影响挤出机的生产能力和物料的塑化。

值大，生产效率低不利于物料的熔融和混合。—般

＝o.1一o.65mm为宜。86（3）．螺杆的作用挤出成型时，螺杆的运转对物料产生如下三个作用：（a）输送物料螺杆转动时，物料在旋转的同时受到轴向压力，向机头方向流动。（b）传热塑化物料螺杆与料筒配合使物料接触传热面不断更新，在料筒的外加热和螺杆摩擦作用下，物料逐渐软化，熔融为粘流态。（c）混合均化物料螺杆与料筒和机头相配合产生强大剪切作用，使物料进一步均匀混合，并定量定压由机头挤出。87根据物料在螺杆中的温度、压力、粘度等的变化特征，可将螺杆分为加料段、压缩段和均化段三段来讨论，见图10—9。(1)加料段加料段的作用是对料斗送来的塑料进行加热，同时输送到压缩段。挤出结晶型热塑性塑料的加料段要求较长，该段约占螺杆全长的60％一65％。挤出无定形塑料的加料段较短．约占螺杆全长的10％一25％。88(2)压缩段又叫相迁移段，其作用是对加料段送来的料起挤压和剪切作用，同时使物料继续受热，由固体逐渐转变为熔融体．赶走塑料中的空气及其他挥发成分，塑料通过压缩段后，成为完全塑化的粘流态。压缩段的长度与塑料的性质、压缩率有关。无定形塑料压缩段较长，为螺杆全长的55％一65％。

(3)均化段又叫计量段，其作用是将塑化均匀的物料在均化段螺槽和机头回压作用下进一步搅拌塑化均匀，并定量定压地通过机头口模挤出成型。通常是螺杆全长的20％一25％。89（4）双螺杆挤出机双螺杆挤出机与单螺杆挤出机区别之处在于双螺杆挤出机中有两根平行的螺杆置于一”

”形截面的料筒中，如图9—9所示：90双螺杆挤出机与单螺杆挤出机的差别主要在以下方面：

物料的传送方式

在单螺杆挤出机中，物料传送是拖曳诱发型的。而在双螺杆挤出机中，特别是啮合型双螺杆挤出机，物料的传送在某种程度上是正向位移传送。91

物料的流动速度场目前对物料在单螺杆挤出机中的流动速度分布已描述得相当明确，而在双螺杆挤出机中物料的流动速度分布情况相当复杂且难以描述。双螺杆挤出机的优点如：混合充分，热传递良好，熔融能力大，排气能力强及对物料温度控制良好等。

自洁式挤出机高速同向挤出机具有紧密匹配的螺棱外形，相当小的螺杆间隙，所以螺杆具有密闭式自洁作用，这种双螺杆挤出机称为紧密自洁同向旋转式双螺杆挤出机(CSCO)。925、机头和口模机头是口模与料筒的过渡连接部分，口模是制品的成型部件，通常机头和口模是一个整体，习惯上统称为机头。机头和口模的作用为：

1)使粘流态物料从螺旋运动变为平行直线运动，并稳定地导人口模而成型。

2)产生回压，使物料进一步均化，提高制品质量。

3)产生必要的成型压力，以获得结构密实和形状准确的制品。93为了获得塑料成型前必要的压力，机头和口模的流道型腔应逐步连续地缩小，过渡到所要求的成型截面形状。机头内塑料流道应光滑，呈流线型，不存在死角。口模应有一定长度的平直部分。图10—12为挤出机机头和口模示意图。94根据所生产的不同挤出制品，机头和口模组成部件有所不同。图10一13为挤出管材时用的环形孔状口模示意图。956.辅助设备主要包括以下几类：原料输送、干燥等预处理设备；定型和冷却设备，如定型装置、水冷却系统；用于连续地、平稳地将制品引出的可调速率牵引装置；成品切断和辊卷装置；控制设备等。96二、挤出成型的特点和挤出理论在挤出成型过程中，塑料经历了固体—弹性体—粘流(熔融)体的形变过程，在螺杆和料筒之间，塑料沿着螺槽向前流动。在此过程中，塑料有温度、压力、粘度，甚至化学结构的变化，如图10-14。因此挤出过程中塑料的状态变化和流动行为相当复杂。多年来，许多学者进行了大量的实验研究工作，提出了多种描述挤出过程的理论，有些理论已基本上获得应用。97(一)挤出过程和螺杆各段的职能由高分子物理学知道，高聚物存在三种物理状态，即玻璃态、高弹态和粘流态，在一定条件下，这三种物理状态会发生相互转变。根据塑料在挤出机中的三种物理状态的变化过程及对螺杆各部件的工作要求，通常将挤出机的螺杆分成加料段(固体输送区)、压缩段(熔融区)和均化段(熔体输送区)三段。对于这类常规全螺纹三段螺杆来说，塑料在挤出机中的挤出过程可以通过螺杆各段的基本职能及塑料在挤出机中的物理状态变化过程来描述，见图10。9899

1．加料段塑料自料斗进入挤出机的料筒内，在螺杆的旋转作用下，由于料筒内壁和螺杆表面的摩擦作用向前运动，在该段，螺杆的职能主要是对塑料进行输送并压实，物料仍以固体状态存在，虽然由于强烈的摩擦热作用，在接近加料段的末端，与料筒内壁相接触的塑料已接近或达到粘流温度，固体粒子表面有些发粘，但熔融仍未开始。这一区域称为迟滞区，是指固体输送区结束到最初开始出现熔融的一个过渡区。1002熔融段塑料从加料段进入熔融段，沿着螺槽继续向前，塑料受到压缩，进一步被压实，同时物料受到料简的外加热和螺杆与料简之间的强烈的剪切搅拌作用，温度不断升高，物料逐渐熔融、并排除物料内的空气和挥发份。在该段．熔融料和未熔料以两相的形式共存，至熔融段末端，塑料最终全部熔融为粘流态。3均化段从熔融段进入均化段的物料是已全部熔融的粘流体。在机头口模阻力造成的回压作用下被进一步混合塑化均匀，并定量定压地从机头口模挤出，在该段，螺杆对熔体进行输送。101(二)、挤出理论目前应用最广的挤出理论是根据塑料在挤出机三段中的物理状态变化和流动行为来进行研究的，建立了固体输送理论、熔融理论和熔体输送理论。

1．固体输送理论物料自料斗进入挤出机的料筒内．沿螺杆向机头方向移动。首先经历的是加料段，在加料段主要对固体塑料起螺旋输送作用。102固体输送理论是以固体对固体的摩擦静力平衡为基础建立起来的。该理论认为物料与螺槽和料筒内壁所有面紧密接触，形成具有弹性的固体塞子，并以一定的速率移动。物料受螺杆旋转时的推挤作用向前移动可以分解为旋转运动和轴向水平运动，旋转运动和轴向运动的同时作用的结果，使物料沿螺槽向机头方向前进。2．熔化理论由加料段送来的固体物料进入压缩段，在料筒的外加热和物料与物料及与金属之间的摩擦作用的内热作用下而升温，同时逐渐受到越来越大的压缩作用，固体物料逐渐熔化，最后完全变成熔体，进入均化段。1033．熔体输送理论均化段熔体输送理论研究的最早，也最为充分和完善，该理论通常把物料在螺槽中的流动看成由下面四种类型的流动所组成：(1)正流是物料沿螺槽方向向机头的流动，这是均化段熔体的主流，是由于螺杆旋转时螺棱的推挤作用所引起的，从理论分析上来说，这种流动是由物料在深槽中受机筒摩擦拖曳作用而产生的，故也称为拖曳流动，它起挤出物料的作用。104(2)逆流沿螺槽与正流方向相反(—z方向)的流动，它是由机头口模、过滤网等对料流的阻碍所引起的反压流动，故又称压力流动3)横流物料沿x轴和y轴两方向在螺槽内往夏流动，也是螺杆旋转时螺棱的推挤作用和阻挡作用所造成的，仅限于在每个螺槽内的环流，对总的挤出生产率影响不大。(4)漏流物料在螺杆和料筒的间隙沿着螺杆的轴向往料斗方向的流动。105物料在螺杆均化段的实际流动是上述四种流动的组合，是此螺旋形的轨迹沿螺槽向机头方向的流动，如图16所示。其输送流率就是挤出机的总生产能力为正流、逆流、漏流的代数和。106三、挤出成型工艺各种挤出制品的生产工艺流程大体相同，一般包括原料的准备、预热、干燥、挤出成型、挤出物的定型与冷却、制品的牵引与卷取(或切割)，有些制品成型后还需经过后处理。工艺流程如图12所示。1071．原料的干燥和预处理由于原料中可能含有水分，将会影响挤出成型的正常进行，同时影响制品质量。因此，挤出前要对原料进行预热和干燥：不同种类塑料允许含水量不同．通常应控制原料的含水量在o．5％以下。此外，原料中的机械杂质也应尽可能除去。2挤出成型首先将挤出机加热到预定的温度，然后开动螺杆，同时加料。初期挤出物的质量和外观都较差，应根据塑料的挤出了艺性能等调整工艺条件与参数，从而达到最终控制挤出物的产量和质量的目的。108不同的塑料品种要求螺杆特性和工艺条件不同。特别是温度和剪切作用直接影响制品的外观和物理机械性能。温度升高，物料粘度降低。有利于塑化，且可降低熔体的挤出压力，但机头和口模温度过高成型也不能顺利进行；温度降低，物料粘度增大，机头和口模压力增加。所以，温度不能太低。口模和型芯的温度应该—致，相差较大，制品会出现向内或向外翻甚至扭歪等现象。增大螺杆的转速能强化对塑料的剪切作用，有利于塑料的混合和塑化，大多数塑料的熔融粘度随螺杆转速的增加而降低。1093定型与冷却热塑性塑料挤出物离开机头口模后仍处在高温熔融状态，具有很大的塑性变形能力，应立即进行定型和冷却。否则，就会变形，出现凹陷或扭曲等现象。不同的制品有不问的定型方法，大多数情况下，冷却和定型是同时进行的，只有在挤出管材和各种异型材时才有—个独立的定型装置。未经定型的挤出物必须用冷却装置使其及时降温．以固定挤出物的形状和尺寸，已定型的挤出物由于在定型装置中的冷却作用并不充分，仍必须用冷却装置，使其进一步冷却。冷却一般采用空气或水冷。1104制品的牵引和卷取(切割)热塑性塑料挤出离开口模后，由于有热收缩和离模膨胀双重效应，使挤出物的截面与口模的断面形状尺寸并不一致。连续挤出的制品，要及时引出，否则会造成堵塞，使挤出不能顺利进行或制品变形。因此在挤出热塑性塑料时，要连续而均匀地将挤出物牵引出，其目的一是帮助挤出物及时离开口模，保持挤出过程的连续性，二是调整挤出型材截面尺寸和性能。定型冷却后的制品按要求进行卷绕或切割。软质型材在卷绕到给定长度或质量后切断；硬质型材从牵引装置送出达到—定长度后切断。1115．后处理有些制品挤出成型后还需进行后处理，以提高制品的性能。后处理主要包括热处理和调湿处理以消除内应力。有些吸湿性较强的挤出制品，如聚酰胺，在空气中使用或存放过程中会吸湿而膨胀，而且这种吸湿膨胀过程需很长时间才能达到平衡，为了加速这类塑料的吸湿平衡，常备在成型后浸入含水介质加热进行调湿处理，使制品受到消除内应力的热处理，以改善这类制品的性能。112四、典型挤出制品成型工艺典型的塑料挤出制品包括管材、棒材、板材、吹塑薄膜和塑料电线电缆。下面介绍几种典型的挤出制品的成型工艺和所需的设备。（一）．塑料管材挤出管材是塑料挤出制品中的主要品种，有硬管和软管之分。用来挤管的塑料品种很多，主要有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、尼龙、ABS和聚碳酸酯等。113管材挤出的基本工艺是：由挤出机均化段出来的塑化均匀的物料，经过过滤网、粗滤器到达分流器，并被分流器支架分为若干支流。离开分流器支架后再重新汇合起来，进入管芯口模间的环形通道，最后通过口模到挤出机外而形成管子。接着经过定径套定径和初步冷却，由牵引装置引出并根据要求切割得到所需要的制品。图10一17为管材挤出工艺示意图。114管材挤出装置由挤出机、机头、口模、定型装置、冷却水槽、牵引及切割装置等组成，其中挤出机的机头、口模和定型装置是管材挤出的关键部件。挤出管材所用机头的形式较多，常见的是直通式和直角式两种，这两种机头与相关的定径装置如图10一18所示。直通式机头[图10—18(a)-]结构简单，制造和维修都比较方便，在生产中最常采用。直角式机头[图10—18(b)]由于有利于内径定型，故多用于对内径尺寸要求准确的管材成型。115所有的直通式机头都需要分流器支架(模芯支架)来支撑芯棒，而这种支架的每一个分流筋，都将使通过的料流产生一条合流线。如果料流离开口模之前尚未融合，就会在定型后的管壁上显露出一条可见的纵向微裂纹。管壁上纵向微裂纹的存在，常常是管材爆破强度明显下降的重要原因。116挤出成型硬管的定径方法有外径定型和内径定型两种，其中外径定型又可用两种方式实现：其一是在挤出物外壁与定径套内壁紧密接触的情况下，往夹套内通水使挤出物冷却定型，而为保证这种紧密接触需要往管状物内部通人压缩空气，并使管状物内部维持高于0.1MPa的压力，这种外径定型方式如图10—17所示；其二是在定径套部分内壁上钻孔，用抽真空的方法使管状物外壁和定径套内壁紧密接触，这种外径定型方式所用的定径套如图10一19所示。前者称内压法外径定型，后者称真空法外径定型。内径定型用定径套直接装在直角式机头芯棒的前端，从环隙口模挤出的管状物与定径套的外壁紧密接触，冷却水管从芯棒处伸进，与直角式机头配合的内径定型装置如图10—18(b)所示。117常用冷却水槽和喷淋水箱作为挤出管状物的冷却装置。冷却水槽通常分作2～4段分别控制水温，借以调节冷却强度。常用的挤管牵引装置有滚轮式和履带式两种，不论采用哪一种牵引装置，牵引速度都必须与挤出速度相适应，一般情况是前者比后者大1％---,10％。牵引速度与挤出速度之比过大，会在管壁中产生不适当的聚合物大分子取向，从而降低硬管的爆破强度。118常用的牵引装置有滑轮式(也称滚轮式或称轧轮式)和履带式两种，其结构分别见图17和18。119对挤出硬管切断装置的要求是：切下的管材尺寸准确而且切口均匀整齐。小直径管材可用手工锯断，大直径管材多用自动式或手推式圆锯切割机切断。棒材和各种中空异型材的挤出成型工艺与管材挤塑无本质上的差别，只是所用机头口模的模孔截面形状有所不同。因此，棒材和中空异型材可采用与管材挤塑大致相同的工艺流程和挤塑机组成。120(二)塑料板材挤出用挤塑技术可以成型厚度为0．02---20mm的热塑性平面型材，即包括平膜、片材和板材，三者一般按厚度划分，通常将厚度在lmm以上者称为板材，厚度在0．25～lmm之间者称为片材，厚度在0．25mm以下者称为平膜。以下着重介绍板材的挤出成型工艺，但由于板、片和膜之间并无严格界限，故挤板工艺也适用于片材和平膜的挤出成型。121典型的挤板工艺流程如图10一20所示。由图可见，物料经挤出机塑化均匀后，由狭缝机头挤出成为板坯，板坯立即进入三辊压光机降温定型；从压光机出来的板状物先在导辊上进一步冷却，冷却定型后的板用切边装置切去废边后，由二辊牵引机送入切断装置裁切成所需长度的板材。如果在三辊压光机后面加设加热装置、压波纹装置和冷却装置，就是成型塑料瓦楞板的流程。122123板材挤出所用狭缝机头均具有宽而薄的出料口，熔体由料筒挤入机头，由于流道由圆形变成狭缝形，因而必须采取措施使熔体沿口模宽度方向有均匀的速度分布。这是保证挤出的板材厚度均匀和表面子整的重要条件。从口模挤出的板坯温度较高，应立既弓l入三辊压光机压光并降温，故压光机在挤板流程中起定型装置的作用。压光机对板坯还起一定的牵引作用，在将板坯引进压光机辊隙的过程中，应将板坯宽度方向上各点速度调整到大致相同，这是保证板材平直的重要条件之一。压光机与机头的距离应尽可能靠近，若二者之间的距离过大，从口模出来的板坯会下垂而发皱，还会由于进入辊隙前散热降温过多而对压光不利。124冷却定型后的板材往往两侧边厚薄不均，板的纵向上各处宽窄不一致，故需将两侧边各切去一部分以满足产品标准的要求；这项操作称为切边，是板材挤塑特有的工序。常用的切边装置为圆盘切刀，切边装置通常都安装在牵引辊之前。在板材挤塑流程中牵引装置的作用是将已定型的板材引进切断装置。板材成型的最后一道工序为切断，切断板材的方式有电热切和锯切，但以锯切最为常用。挤出成型中多采用p射线测厚仪连续检测板、片和膜的厚度。这种厚度测定仪测量精度可达0．002mm。用挤出法生产的板材主要是聚氯乙烯软、硬板材和聚乙烯板材。125（三）塑料薄膜的挤出吹塑塑料薄膜—般是指厚度在0.25mm以下的平整而柔软的塑料制品。塑料薄膜在工业、农业、日常生活中用途十分广泛。塑料薄膜的生产方式大体上可分为：挤出法(其中还可分为挤出吹塑法、挤出拉伸法和挤出流延法)压延法和流涎法三类。根据薄膜牵引方向不同，可将欢塑薄膜的生产形式分为平挤上吹、平挤平吹和平挤下吹三种，其中以前者最为常见。126上吹法薄膜吹塑装置如图10一21所示，用这种装置成型筒膜的基本过程是：成型物料经挤出机塑化均匀后，自机头的环形隙缝挤出成筒坯，筒坯被从机头下面进气管引入的压缩空气横向吹胀，同时被机头上方的牵引辊纵向拉伸，并由机头上面的冷却风环吹出的空气冷却；充分冷却定型后的筒膜被人字形板压叠成双折，再经牵引辊压紧封闭并以均匀的速度引入卷取辊；进到卷取辊的双折筒膜，当达到规定长度时即被切断成为膜卷。127薄膜吹塑机组主要由挤出机、环形狭缝机头、吹胀系统、冷却风环、人字板、牵引辊、卷取辊和切断装置等组成。128筒坯在吹胀和牵引双重作用下形成泡状物的过程中，其纵横两个方向都在伸长，因此两方向上都会产生聚合物大分子的取向。为制得性能良好的筒膜，纵、横两方向上的大分子取向程度最好取得平衡，为此应使纵向上的牵伸比与横向上的吹胀比尽可能保持相等。牵伸比是指牵引速度与挤出筒坯的线速度之比；而吹胀比则是指筒膜直径与模孔直径之比。由于吹胀比可调整的范围不大。故要使筒膜的厚度减小就只能增大牵伸比，这就使在实际生产中经常是吹胀比远小于牵伸比。在这种情况下，如果仍然希望维持筒膜纵、横两向大分子取向程度的一致，就只能依靠调整口模温度和冷却系统的冷却能力来实现。129薄膜吹塑的二个显著特点是吹胀、牵伸和冷却三者同时进行。实际生产中常用冷固线(也称冷冻线或起霜线)高度来判断所选定的冷却条件是否适当。冷固线高度是指泡状物纵向上的温度下降到塑料固化温度的点到模口的距离。对于结晶能力强的聚合物，可用泡状物纵向上透明区和混浊区的交界线来确定冷固线高度。因泡状物在上升到冷固线以上之后，其直径和厚度均不再变化，故冷固线高度有时也被称作“定径高度”。对于结晶性塑料，为了得到透明度高和强度好的筒膜，应适当降低冷固线高度。130冷却不充分的泡状物被牵引辊压叠双折后会发生“自粘”。自粘是指折叠后筒膜内表面相互贴合在一起难以分离开的现象，这对后加工(如剖分)和使用都不利。降低或消除自粘的办法，一是降低冷固线的高度；二是加大牵引辊到模口的距离，即延长泡状物未被折叠前的冷却时间。挤出吹塑法成型薄膜的主要特点是成型设备简单，在同一套机组上只要适当改变成型工艺条件即可生产出多种规格的薄膜，而且成型过程产生的废料很少、成本低、膜的强度也比较高，主要不足之处是所制得的薄膜的厚度均一性差。131五、双螺杆挤出(一)双螺杆挤出机的结构与特点与单螺杆挤出机相比，双螺杆挤出机具有强制输送、剪切力大等优点，所以更容易加入粉料、带状料及玻璃纤维等；物料在机筒内停留时间短，塑化混合充分，综合性能优良。双螺杆挤出机按在机筒内两根螺杆的相对位置可分为啮合型和非啮合型。根据啮合的程度可将啮合型双螺杆挤出机分为部分啮合型和完全啮合型；按照两根螺杆的转向分为同向旋转和异向旋转；按照螺杆轴线是否平行又分为平行双螺杆挤出机和锥形双螺杆挤出机。双螺杆挤出机中同向旋转螺杆的类型如图10一22，商品化双螺杆挤出机的四种典型结构如图10一23所示。132133由于两个螺杆的存在，机筒结构也与单螺杆不同，同向双螺杆挤出机机筒大多采用分段积木式结构，每段长度为螺杆外径的3～4倍，平行异向旋转双螺杆大多采用衬套式机筒(或整体式)，另外还有剖分式机筒(图10一24)。134(二)双螺杆挤出机的工作原理双螺杆挤出机的工作原理与单螺杆挤出机不同。以啮合型同向旋转双螺秆为例，物料在同向旋转双螺杆挤出机的全螺纹段的流动情况如图10—25所示。135由于同向双螺杆在啮合处的速度方向相反，一根螺杆要把物料拉入啮合间隙，而另一根螺杆把物料从间隙中推出，所以物料从一根螺杆转到另一根螺杆，呈“∞”形前进。物料在啮合处的速度改变以及在啮合区有较大的相对速度非常有利于物料的混合和均化。由于啮合区间隙很小，啮合处螺纹和螺槽的速度方向相反，因此，啮合区具有很高的剪切速度和很好的自洁作用(即能刮去黏附在螺杆上的任何积料，使物料的停留时间很短)，这正是双螺杆挤出机的优点。136六、圆盘式挤出机目前出现的圆盘式挤出机有单圆盘式挤出机和带有辅助螺杆的圆盘式挤出机，如图10-26所示。137(一)圆盘式挤出机基本结构圆盘式挤出机有一对用作混炼和塑化物料的圆盘，包括转盘和固定盘。由于圆盘挤出压力较低，可采用辅助螺杆来增大挤出压力[图10—26(b)]。为了增强混炼效果，在两个圆盘上设有沟槽，沟槽根据被加工物料种类可以做成放射形、磨盘形、八字形和螺旋形等(图10—27).138(二)圆盘式挤出机的工作原理圆盘式挤出机是根据威逊柏格(Weissenberg)效应的原理设计出来的。这种效应的原理是：当具有黏弹性的熔融物料在两平行的旋转圆盘间受到剪切摩擦作用时，会产生一个垂直于圆盘面的轴向力。这时，若在不动的圆盘中心开个出口(相当于挤出机的口模)，则处于两圆盘之间的熔体便会在轴向力的作用下，由此出口处挤出。139七、其他类型的挤出(一)串联式挤出某些塑料很难用一根螺杆完成固体输送、塑化、混炼、排气、均化和计量、升压等多种功能，而且在提高产量上受到一定制约，为此出现了串联式挤出机。它常用两根独立驱动相互串联起来的螺杆构成。若对这两根螺杆根据其功能不同分别设计，就有可能用较小的螺杆在较广的操作范围内进行大容量挤出。串联式挤出机的基本结构如图10一28所示，它由两段螺杆直径不同的挤出机组成。140141串联式挤出机的工作原理：第一挤出机螺杆的直径小，在高转速下短时间内给物料较大的剪切应力，使之强力塑化和混炼；第二挤出机螺杆直径较大，以低速旋转，使物料缓慢地混炼和塑化，而在输出端建立高压，实现稳定挤出。从热平衡来看，第一螺杆以加热升温为主，而第二螺杆则以冷却保温为主。两段螺杆的温度互不干扰，因此可提高热能利用率。串联式挤出机有以下优点：由于两段螺杆的转速可以独立地调节，两者产量容易到达平衡，不易产生冒料现象；第一螺杆转速高，对提高产量有利；第二螺杆转速低，对稳定挤出有利；两螺杆的长径比都比较小，便于制造和安装；根据需要可选择单-单和双-单匹配，因此，串联式挤出机在高分子成型加工中被日益广泛地应用。142(二)共挤出所谓共挤出是指将几种不同的成型物料同时挤出，并将挤出物以适当方式汇集成一体，以制得复合塑料制品的成型方法。目前共挤出主要用于成型复合筒膜和复合片材。成型复合筒膜时，几种成型物料挤出物的复合在口模内实现。所用设备和操作技术都比较简单，而且不同物料膜层的复合黏结主要依靠物料间的互溶性和亲合力。成型复合片材时，需先将各成型物料分别用狭缝口模挤成平膜后再将这些平膜汇集在一起，常需用增黏剂来改善各层的黏结强度；由于要同时用多个机头与口模，因而所用设备和操作技术都比较复杂。在上述的两种挤出工艺中，以前一种工艺在生产中应用最为广泛。143共挤出成型复合筒膜的关键在于机头设计，而设计机头的关键又在于调整好机头内各层物料熔体的流动阻力，使各层物料有大致相同的挤出线速度。图10一29为共挤出吹塑双层复合筒膜的机头，这种机头与两台挤出机连通，通过控制各台挤出机的挤出量和熔体温度，以调整外层和内层膜的厚度比和二者的结合牢度。用共挤出方法，可将两种以上不同品种的塑料或不同颜色的同一种塑料挤塑成复合的或多色的筒膜。144采用共挤出技术成型制品，不仅是为了求得制品色彩的多样化，更主要的是为了获得不同塑料在功能上的配合。例如，用聚酰胺6