第5章-压延成型

第五章压延成型本章学习主要内容5.1压延设备5.2压延原理5.3压延工艺概述压延成型是利用压延机的辊筒之间的挤压力作用并在适当的温度（接近粘流温度）条件下，使聚合物发生塑性变形，制成薄膜或片状材料的加工工艺。是加工塑料薄膜、片材如地板胶及胶布、人造革、等制品的主要方法。压延成型的塑料主要适用于热塑性非晶态塑料和部分橡胶。以非晶型的聚氯乙烯及其共聚物最多。压延成型制品的厚度：0.05~1.0mm，厚度公差<10%。厚度为0.05~0.5mm的软质PVC薄膜。厚度为0.3~1.0mm的硬质PVC片材。一般厚度小于或大于这范围，采用吹塑或挤出。优点：压延成型速度快、生产能力大、可自动化连续生产、产品厚度尺寸精确，质量好。缺点：设备庞大，精度要求高，辅助设备多，投资较高。所以生产连续片材方面不如挤出发展快。压延制品生产过程供料阶段包括原料的混合、塑化和供料工艺过程。所需设备包括混合机、开炼机、密炼机和挤出机。压延阶段包括压延、牵引、轧花、冷却、卷取和切割工艺过程。所需设备包括压延机及上述相应辅助设备。压延成型机压延成型机压延成型生产线5.1压延设备5.1.1压延机的结构类型及规格表示5.1.1.1压延机的结构辊筒和加热冷却装置制品厚度调整机构传动机构机架和轴承1.辊筒和加热冷却装置1）辊筒辊筒作用是压延机的主要部件它与物料直接接触并施压和加热，制品的质量很大程度受辊筒控制。对辊筒的要求有足够的刚度和强度，辊筒的弯曲变形不超过允许值。表面有足够的硬度，耐磨、耐腐蚀。有较高的加工精度，保证尺寸精度和表面粗糙度。2）加热冷却装置辊筒的加热冷却装置可通入蒸汽、过热水或冷却水来控制辊筒表面温度。2.制品厚度调整机构制品厚度控制是通过调节辊筒之间的距离实现。辊简的弹性形变对压延产品横向断面的影响。补偿辊简弹性形变的方法中高度法轴交叉法预应力法轴交法预应力法3.其他机构传动机构包括联轴器、减速箱、速比齿轮和电机（一般为直流电机）。主要任务是驱动辊筒，调节速度和速比。机架和轴承主要作用是通过轴承将辊筒固定在机架上。辅助装置包括牵引、轧花、冷却、卷取和切割等装置。（图4-3）5.1.1.2压延机的类型1.按辊筒数量分类两辊压延机常用于塑炼和压片；三辊压延机常用于橡胶压延，正逐步被四辊取代；四辊压延机常用于塑料压延。速度较三辊快2~4倍；五辊压延机用于UPVC片材生产。2.按辊筒排列方式分类可分为Ι型、Δ型、Γ型、

L型、z型、S型。常用L型、S（斜Z）型。S排列的主要优点一是各辊相对独立互不干扰易调节间距，二是易拆卸检修。L

排列的主要优点供料方便，便于观察存料情况。3.按用途分类压片材（薄膜）压延机通常三辊或四辊；擦胶压延机用于织物擦胶，通常中辊速大于上、下辊速；通用压延机多功能，可供压片、压膜、贴合和擦胶等多用途；压型压延机其中有一辊表面有花纹。5.1.1.3压延机的规格表示压延机规格一般用辊筒外直径(mm)x辊简工作部分长度(mm)来表示。如Φ610x1730压延机，Φ610为辊筒外直径，1730为辊筒工作部分长度。根据压延机用途、辊筒数量、排列方式及辊筒工作部分长度表示。如XY-4Ґ-1730XY-4Ґ-17304辊Ґ

排列辊筒工作部分长度橡胶压延机5.1.2压延联动装置1.压延联动装置压延联动装置根据生产用途不同，由压延机和不同的辅机组成。如：导开装置→接头机→送布辊→蓄布器→牵伸辊→干燥装置→扩布装置→压延机→测厚装置→冷却装置→后牵伸辊→后蓄布器→张力架→卷取装置贮布器贮布器干燥装置冷却装置压延装置卷取装置牵伸装置牵伸装置2.干燥装置1）作用：控制布料含水率在1%~2%左右；控制温度在700C左右。2）干燥机多辊筒式干燥机密封式干燥室3.贮布器1）组成由导辊和松紧辊组成2）作用通过松紧辊调节接头、干燥、冷却和卷取等辊速的暂时不协调。贮布长度取决于压延速度和接头时间，一般为长达100m。4.定中心装置

通过旋转托架的角度，使帘布保持在各辊的中间位置。5.冷却器冷却定型，防粘附，防过早硫化，将材料降温到200C~350C。一般由6~10辊组成。6.扩布器7.测厚装置射线法可在线连续自动测厚，测厚范围为0.1~3.2mm，精度可达±0.01mm5.1.3压延机的发展趋势

大型化由于制品的幅宽要求越来越宽，采用拉伸拉幅工艺，可生产幅宽4500mm以上的薄膜。高速化

压延速度一般为100

m/min左右，新型机台可超过300m/min，年加工能力可达万吨。高自动化

生产线上厚度在线监测控制、调速全数字式自动化控制系统。精密化

辊筒温度控制在±1℃范围，径跳可达0.001mm双下。速比可在0.5～1之间连续控制。5.2压延原理压延过程是使物料在辊筒的挤压作用下发生塑性流动变形的过程。所以，要了解压延原理，必须了解物料受压状态和流动变形的规律：进入压延机辊筒的条件物料的延伸变形情况受压状态和流动速度分布情况压延效应5.2.l压延时聚合物的塑性流动和变形压延时推动物料流动的力：物料与辊筒间的摩擦力把物料拉入辊筒间隙。辊筒间隙对物料的挤压力将物料推向前进，产生延伸变形。物料发生流动变形是由辊筒间隙的压力分布决定的。5.2.1.1进入压延机辊筒的条件

1.物料与辊筒的接触角α必须小于其摩擦角β

压延机辊筒对物料的作用原理与开炼机基本是一样的，物料与辊筒的接触角α必须小于其摩擦角β时，才能在摩擦力作用下被带入辊间隙。2.辊筒的半径要足够大

Δh=h1-h2，当R1=R2=R时

Δh/2=R-O2C2=R(1-COSα)

Δh=2R(1-COSα)h1=Δh+e＝2R(1-COSα)+e

可见，α越大h1越大，但α必须小于β。当辊距e一定时，辊半径R越大，能进入辊间的供料最大厚度h1就越大。

是否通过提高e来提高h1呢？辊筒间的压缩形变Δh/25.2.1.2压延时物料的延伸变形聚合物高弹体几乎是不可压缩的，压延过程其体积不变。

L1·b1·h1=L2·b2·h2

当b1≈b2时

h2/h1=L1/L2

片材压延时厚度减少，宽度不变，长度增加，压延厚度要求一定时，在辊筒接触角范围的积胶厚度h1增加，压延后的长度增长。5.2.2物料在压延机辊简间隙的压力分布物料受压区域在a-d之间，称钳住区。辊筒开始向物料施压的点a称始钳住点，p=0。物料受压终点d称终钳住点，p=0。两辊筒中心的连线的c点，称中心钳住点，p=1/2pmax。最大压力点b，p=pmax。横压力在钳住区内各点压力的总和称为横压力，是压延机设计的重要参数，它会使辊筒弯曲，影响压延制品沿辊筒轴向厚度的均匀性，因此要采用补偿措施。辊筒所受的横向力与物料的粘度（硬度），辊筒的尺寸、速度、速比、辊距有关，生产上常通过控制粘度和辊距来控制横压力。如粘度大硬度高时，先用大辊距，等料变软后再缩小辊距。5.2.3物料在压延辊筒间隙的流速分布在最大压力处b和终钳住点d物料流速vx等于辊筒表面线速度v，vx=v。速度分布为直线，没有速度梯度。从b→o，接触辊筒表面的物料速度vx=v外，随着与辊筒表面距离的增加，vx

逐渐增大，速度分布呈凸状曲线，在o点速度梯度达到最大值，即“超前现象”。过o点后速度梯度逐渐变小。bdoR1=R2v1=v2从b向左，因挤压力变小，摩擦力作用明显，中心层速度逐渐变小，速度分布为凹状曲线(所谓滞后现象），直到负值，物料运动出现两个相反方向的速度，出现局部环流。bdo讨论：为什么速度梯度最大值不出现在最大压处？在中心钳住点O处具有最大的速度梯度，当物料流过此处时，受到最大的剪切作用，物料被拉伸、流动、压延而成薄片。当物料离开O点后，由于弹性恢复的作用而使料片增厚，最后所得料片的厚度大于辊间距。5.2.4物料在压延中的粘度效应1.物料的粘度效应物料的流动性与其粘度大小有关，在压延中其粘度会随压延条件，如剪切速率、压延速度、温度等因素而变化。生产中要使压延顺利进行要求物料有良好的流动性，粘度越小，流动性越好。1）剪切速率与粘度的关系在低剪切速率范围时粘度不变（牛顿区）当剪切速率达到一定范围(如压延成型时10~102s-1)时，出现剪切变稀现象（非牛顿区），物料粘度随剪切速率增大而下降。剪切速率很高时，粘度再次保持恒定。logηologη∞聚合物的粘度与切变速率的关系logγ2）压延速度与粘度的关系提高压延速度，可提高剪切速率，降低粘度，提高流动性，有利于压延成型，但太高时，回弹增加，表面粗糙度增加，可能损伤帘子线。对于对切变速率敏感的聚合物，可通过调节压延速度来调节流动性。如右图。3）温度与粘度的关系温度提高物料粘度下降。生产上通过混炼、热炼和辊筒加热的方法，来提高物料温度，改善流动性。对温度敏感的聚合物，可通过调节温度来调节其流动性。2.物料的粘弹效应高聚物实际上是一种粘弹体，兼有粘性和弹性两种性质。在压延过程中物料的形变如（图4-22），包括瞬时弹性形变（AB段），粘弹性形变（BC段）和粘性流动（CD段）。外力取消后物料进行回复，包括弹性回复（DE段），粘弹性回复（EF段），热弹性回复（FG段）和永久变形（GH）段。高分子材料产生变形的条件高分子材料受外力作用后，开始产生弹性形变，需经过一定时间后（通常等于材料最大松驰时间τm），才能从弹性形变转变为粘性流动；外力消除后，又需要经过一定时间后才能回复到平衡状态。物料的粘弹效应与材料的松驰时间及成型工艺条件（速度、温度）密切相关。辊筒转速很慢时，变形时间远大于材料的τm

时，形变主要为粘性流动变形，材料表现出良好的流动性，容易压延成型；辊筒转速很快时，变形时间远小于材料的τm

时，形变主要为弹性变形，材料表现出流动性差，弹性大，难以压延成型。提高物料温度，会增加大分子动能，提高运动速度，缩短材料最大松驰时间，相当于减慢转速，或延长形变时间。小结：材料τm大，回复慢，收缩大；τm小，回复快，收缩小。温度高，回复快，收缩小；温度低，回复慢，收缩大。转速慢，胶片在辊筒表面停留时间长，变形时间长，回复充分，收缩小。5.2.5压延效应1.压延效应物料在压延过程中，在通过压延辊筒间隙时受剪切力作用，大分子作定向排列，以致制品物理力学性能会出现纵、横方向差异的现象，即沿片材纵向(沿着压延方向)的拉伸强度大、伸长率小、收缩率大；而沿片材横向(垂直于压延方向)的拉伸强度小、伸长率大、收缩率小。这种纵横方向性能差异的现象就叫做压延效应。2.压延效应对成型和产品质量的影响对于压延效应，从加工角度来考虑，会造成产品变形，应尽可能消除之。但从制品的角度来考虑，有时又可适当利用。如生产捆扎带需提高纵向强度，生产薄膜和片材时，要避免各向异性。3.压延效应产生的原因及消除方法产生这种现象的原因主要是由于高分子链及针状或片状的填料粒子，经压延后产生了取向排列。压延效应消除的方法是提高温度、降低压延速度。5.3压延工艺

5.3.1橡胶压延工艺橡胶压延方法压片：把胶料制成一定厚度和宽度的胶片；压型：在胶片上压出某种花纹；贴合：胶片与胶片、胶片与挂胶织物的贴合等过程。贴胶和擦胶；在作为制品结构骨架的织物上覆上一层薄胶；橡胶的压延是橡胶半制品的成型过程，所得半制品必须经过硫化反应后才能最终成为制品。5.3.1.1压延准备工艺1.胶料的热炼与供胶

热炼是混炼后的胶料在开炼机上翻炼，预热软化，进一步提高均匀性和可塑性的工序。

开炼机热炼方法（分三步）：

粗炼用低温薄通法进行热炼，提高胶料的均匀性；

细炼是以较大辊距、速比和较高辊温下翻炼，达到加热软化提高流动性的目的；

供胶把热炼好的胶料连续向压延机喂料，保证压延宽度方向供胶量分布均匀。2.纺织物的预处理1）纺织物烘干是把纺织物含水率控制在1%~2%范围，在3%以下的工序。纺织物绕过辊筒式干燥机的辊筒表面，用蒸汽将辊筒表面加热到1100C~1300C，使水分蒸发。2）热伸张处理热伸张处理

是尼龙、聚酯帘子线在一定温度和张力下进行热拉伸和热定型的工序，达到提高帘子线尺寸稳定性目的。分三步完成：热伸张在软化点以上，在张力作用下拉伸变形和取向，提高取向度和结晶度；热定型在温度、张力用作用时间与热伸张相同或略低的条件下，进行热松驰，作用是消除内应力；冷却作用是把胶料冷却到玻璃化温度以下。举例：3）浸胶浸胶是在纺织物表面浸上一层乳液的工序。目的是在胶料与纺织物之间形成一过渡的中间层，以增强它们之间的结合强度。帘布的浸胶和热伸张处理有两种工艺技术路线：先浸胶后热伸张先热伸张后浸胶帘子布浸胶热伸张工艺流程干燥定型伸张冷却干燥帘子布浸胶热伸张工艺流程5.3.1.2橡胶压延工艺1.胶片压延橡胶胶片压延是将预热好的胶料用辊速相同的压延机压制成具有一定厚度和宽度的表面光滑胶片工艺过程。如胶片厚度需较大时，可将两层以上的胶片贴合在一起；也可在胶片表面压上花纹。因此橡胶胶片压延可分为压片、贴合、压型。a.压片压片是利用压延机一次成型断面厚度小于3mm的胶片。压片成型工艺分为两种：三辊压延法厚度范围2~3mm。中下辊无积料法（如右图a）中下辊有积料法，有利于提高密度和表面光滑（如右图b）,适用丁苯橡胶。四辊压延法（如右图c）厚度范围0.04~0.1mm，厚度精度高。影响压片质量的因素：辊温辊温高，胶料粘度低，流动性好，收缩率低，表面光滑，但过高会产生汽泡。根据生胶品种，可塑性和配方含胶率而定。另外，为使胶片在各辊间顺利转移，辊筒间由前到后有50C~100C的温差。天然橡胶易包热辊，后辊温高于前辊，大多数合成橡胶正好相反。辊速辊速快，生产效率高，收缩率大，可塑性大和配方含胶率低，辊速可快些。适当速比，有利于排气，但表面会粗糙，通常三辊机是中下辊等速，上辊稍慢。胶料种类对压延特性影响很大，天然橡胶易压延。合成橡胶压延相对困难，可通过调整配方和工艺条件来改善。b．贴合贴合是用压延机将两层薄胶片贴合成一层胶片的工艺，一般用于制造质量要求较高，较厚的胶片的贴合以及两种不同胶料组成的胶片或夹布层胶片的贴合。有三种压延工艺：两辊压延贴合三辊压延贴四辊压延贴合两辊压延贴合，贴合后厚度可达5mm，不适宜厚度1mm以下的胶片，厚度精度低。三辊压延贴合（如图4-26a，b），可将预选压延好的一次胶与新压的二次胶经辅助压辊压合在一起，形成贴合胶片。四辊压延贴合特点：可一次同时压延贴合两片新胶片。优缺点：该法生产效率高，胶片质量好内部密实、无气泡、表面光滑，厚度精度高，工艺简单；但压效应大。适用性：当胶料配方和厚度都不相同的两层胶片贴合时，要用四辊压延。c.压型压型是指将热炼后的胶料压制成具有一定断面形状或表面具有某种花纹的胶片的工艺。压延机可分为两辊、三辊和四辊。其中有一个表面带花纹的辊筒。胶料要求塑性好，弹性低，收缩率小。工艺要求提高辊温、降低辊速或急冷。花纹辊筒2.纺织物的挂胶纺织物的挂胶是用压延机在纺织物上挂上一层薄胶的一种压延工艺。制成的挂胶帘布或挂胶帆布作为橡胶制品的骨架层，如轮胎外胎的尼龙挂胶帘布。目的是使制品中纺织物的线与线、层与层之间通过胶料的作用相互紧密牢固地结合成整体，共同承受应力作用；减少相互间的位移和摩擦生热，并使应力分布均匀；还可以提高胶布的弹性和防水性能，保证制品具有良好的使用性能。特点是胶料对纺织物的渗透性好，附着力高，胶层厚度均匀。挂胶工艺分为贴胶、压力贴胶和擦胶。a.贴胶贴胶

是使纺织物和胶片通过压延机等速旋转的两个辊简之间，在辊筒的挤压力作用下贴合在一起，制成胶布的挂胶方法。压延机三辊压延机一次只能完成单面贴胶。四辊压延机一次可完成纺织物的双面贴胶，效率高，应用广泛。贴胶压延法的优点是压延速度快，生产效率高，由于两辊间摩擦力小，对纺织物损坏小，胶布表面附胶厚而均匀。缺点是渗透性差附着力小，易产生汽泡。适用于薄的纺织物或经纬线密度稀的纺织物（如帘布）。不适于未经涂胶或浸胶处理的直接挂胶压延。b.压力贴胶压力贴胶与贴胶相似，唯一差别是在辊筒入口处有少量积存胶料，以增加对纺织物的挤压和渗透，提高胶料对纺织物的附着力。积料c.擦胶擦胶——是压延时利用辊简之间速比的作用将胶料挤擦进入纺织物缝隙中的挂胶方法。擦胶的胶料浸透程度大，胶料与织物附着力较高，但易擦损坏织物，适用于密度大的纺织物，如白坯帆布。擦胶压延可分两种方法：包擦法和光擦法。包擦法包擦法的中间辊表面全部被胶料包覆，胶厚1.5~2.0mm（细布）和2.0~3.0mm（帆布），织物从中辊通过时只有部分胶料附着在织物表面上。优缺点：渗透性强，附着力大，对织物损伤相对小，但相对挂胶量较少。适用：薄细帆布和平纹细布的挂胶。光擦法光擦法的中辊只有半周包胶，织物从中辊通过时全部胶料附着在织物表面上。优缺点：是附着胶较厚，但对织物损伤相对大。适用：厚度大的帆布的挂胶。双面擦胶擦胶设备擦胶设备为三辊压延机（图4-30），v2>v1=v3，速比范围为1:1.3~1.5:1,中辊温度高于上、下辊温度。影响擦胶压延工艺主要的因素压延温度温度高，可塑料性、流动性、渗透性和附着力高。压延温度由生胶不同而异。一般为90~1100c（表4-4）。辊筒速度

辊速快，生产效率高，渗透性差，附着力小，根据纺织物厚薄或强度，控制在5~70m/min。辊筒速比

速比大，提高渗透力和附着力，改善擦胶效果，三辊的速比一般为1:1.3~1.5:1。胶料可塑性可塑料性好，有利于压延成型，提高渗透力和附着力，改善擦胶效果。5.3.2塑料压延成型工艺概述a塑料压延成型主要产品：PVC软质薄膜厚度为0.05~0.50mm范围，宽度可达2500mm，增塑剂用量大于25份。PVC硬质片材厚度为0.30~0.70mm范围，增塑剂用量小于5份。PVC人造革

b成型工艺过程准备供料阶段准备供料阶段是压延前的备料阶段，主要包括塑料的配制、混合、塑化和向压延机传输喂料等几个工序。压延阶段压延阶段是压延成型的主要阶段，包括压延、牵引、刻花、冷却定型、输送及卷绕或切割等工序。各种制品的配方和品种不同，生产工艺和工艺条件可有所不同，但基本原理是相同的。举例：塑料压延成型工艺流程图5.3.2.1软质PVC薄膜的压延成型工艺1.工艺流程举例：PVC薄膜四辊压延生产线北京市亚大塑胶总公司引进于德国“贝尔斯托夫（Berstorff）”公司生产线。生产能力：4000吨/年PVC压延薄膜品种：工业薄膜：用于工业产品包装；防水薄膜：用于制做雨衣；民用薄膜：印刷底料。规格：厚度：0.08-0.40mm，宽度:1500mmPVC压延薄膜产品规格类别名称规格(mm)用途透明包装膜0.045～0.5×2100(普通透明与超亮透明）工业产品包装及各种袋制品压花膜0.06～0.4厚，20种花纹文具制品、装饰制品印花膜0.06～0.4厚，1100～2100宽，1～4色家庭装饰、产品包装工业品、复合制品浴帘膜0.05～0.12厚1300～2100宽单色压纹或印花浴室装饰胶带膜0.08～0.3厚(一般电工膜)电工绝缘胶带、工业用保护胶带800～1510宽(环保阻燃电工膜)灯箱膜、喷绘膜

1200～2200宽广告灯箱布、遮阳棚、喷绘布薄膜产品2.成型工艺1）准备供料阶段配合剂的配制。增塑剂、稳定剂和各种添加剂研磨分散，计量打入高速混合机。混合高速捏合机工艺参数：5~8min，800c~1000c。塑化螺杆挤出塑料化机参数（表4-5）向压延机传输喂料2）压延阶段压延机转速、辊温、轴交叉量和辊间隙存料（表4-6）辅助设备5.3.2.2硬质PVC片材的压延成型工艺1.工艺流程捏合冷搅拌挤出塑化压延剥离树脂称量配合剂计量牵引切边卷取冷却硬质PVC片材压延工艺流程2.硬质PVC片材性能及用途。透明度高、强度高、容易印刷，可二次加工。主要用途有广告材料、机械零件、服装、药品、食品包装。3.对PVC树脂的性能要求。加工透明片材，要求用热稳定性好、白度高、疏松型分子量较低的PVC树脂。加工过程避免塑化温度过高、时间过长。食品包装片材，要求单体含量在规定范围内，并选用无毒增塑剂。硬PVC板材4.硬质PVC片材压延工艺四辊压延机生产硬质PVC片材的工艺参数（表4-7）例：德国“贝尔斯托夫（Berstorff）”公司硬质、半硬质PVC透明片材压延机。辊筒表面温差为±10c。辊简弹性形变的补偿方法：中高度、轴交叉法、预应力法，使厚度误差在±10%以内。牵引、冷却辅机采用多辊，可减缓冷却速度，消除内应力。5.3.2.3PVC人造革的压延成型工艺1.概述人造革是将塑料涂复或贴合在基材上，再经加工制成的一种复合材料，与天然皮革性能相近，可替代天然皮革使用。PVC人造革是人造革的主要品种，PVC人造革的主要品种有：PVC壁纸（基材为纸张）普通人造革（基材为纺织布）2.PVC人造革的成型加工方法PVC人造革的成型加工方法有：层压法、涂覆法和压延法。压延法是指利用压延机将PVC压延薄膜与基材贴合在一起，生产人造革的方法。可分为两种方法：贴胶法和擦胶法（1）贴胶法

贴胶法压延的特点：上、中、下辊速相同，或中、下辊速相同上辊速稍慢。基材导入有两种方式：内贴法（图4-35，b）外贴法（图4-35，c）（2）擦胶法擦胶法压延