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混合与压制成型本讲稿第一页，共七十三页高分子材料成型加工原理螺杆挤出熔融纺丝等加工方法的特点进行讨论。第五章注射成型：注射机的结构与作用；注射成型过程原理；橡胶注射成型；热固性塑料注射成型；反应注射成型；气体辅助注射成型。第六章压延成型：压延设备；压延成型原理。本讲稿第二页，共七十三页第二章第二章 混合设备混合设备w为了满足不同的使用要求，高分子材料制品很少采用单一品种的聚合物或纯聚合物生产，大部分是由聚合物与其他物料（聚合物、填料、着色剂、增塑剂、改性剂等）混合，进行配料后才能成型加工。加入其他物料的目的是改善高分子材料制品的使用性能和成型工艺性能以及降低成本。本讲稿第三页，共七十三页2.12.1混合与分散理论混合与分散理论w2.1.12.1.1混合机理混合机理w混合是一种趋向于减少混合物非均匀性的操作，是在整个系统的全部体积内各组分在基本单元没有本质变化的情况下的细化和分布过程。w1 1、扩散、扩散w混合过程中组分非均匀性的减少和组分的细化是通过各组分的物理运动（即扩散）来完成的。本讲稿第四页，共七十三页混合设备w扩散有三种形式：分子扩散、涡流扩散和体积扩散。w分子扩散 是由浓度梯度驱使自发发生的一种过程。分子扩散一般发生在气体和低粘度液体中，在固体与固体间，分子扩散极慢，因此聚合物熔体与熔体的混合不是靠分子扩散实现的，但若混合物中有低分子组分（如抗氧剂、发泡剂、颜料等），则分子扩散可能也是一个重要因素。本讲稿第五页，共七十三页混合设备w涡流扩散 即紊流扩散。在聚合物加工过程中由于物料的运动速度达不到紊流，而且聚合物熔体的粘度很高，故很少发生涡流扩散。如通过提高流速来达到紊流状态，势必要对聚合物施加很高的剪切速率，容易引起聚合物的降解。本讲稿第六页，共七十三页混合设备w体积扩散 即对流混合。是指流体质点、液滴或固体粒子由系统的一个空间位置向另一空间位置的运动，两种或多组分在相互占有的空间内发生运动，以期达到各组分的均匀分布。在聚合物加工中，这种混合占支配地位。对流混合通过两种机理发生：一种是体积对流混合，另一种是层流对流混合。前者通过塞流对物料进行本讲稿第七页，共七十三页混合设备w体积重新排列，而不需要物料连续变形，这种重复的重新排列可以是无规的，也可是有序的。而层流对流混合是通过层流而使物料变形，它是发生在熔体之间的混合，在固体粒子之间的混合不发生层流混合。在层流混合中，物料要受到剪切、伸长（拉伸）和挤压（捏合）。本讲稿第八页，共七十三页混合设备2 2、混合过程要素混合过程要素w粘性流体混合三要素：剪切、分流和位置交换。w混炼三要素：压缩、剪切和分配置换 本讲稿第九页，共七十三页 2.1.22.1.2混合的分类混合的分类w1.1.按按混混合合形形式式分分类类：分分布布混混合合，分分散散混混合。合。w分布混合：在混合中仅增加粒子在混合物中分布均匀性，而不减少粒子初始尺寸的过程称为分布混合（非分散混合）或简单混合。w分散混合是指在混合过程中发生粒子尺寸减少到极限值，同时增加相界面。本讲稿第十页，共七十三页混合的分类 和提高混合物组分均匀性的混合过程 在实际混合过程中分散混合与分布混合一般不会截然分开，分散混合过程中存在分布混合，反之亦然。本讲稿第十一页，共七十三页2.1.22.1.2混合的分类混合的分类w2.2.按物料状态分类按物料状态分类w固体与固体混合：主要是固体聚合物与其他固体组分的混合。这种混合通常是无规则分布性混合。w液体与液体混合：这种混合有两种情况，一种是参与混合的液体是低粘度的单体，中间体或非聚合物添加剂，另一种是参与混合的是高粘本讲稿第十二页，共七十三页2.1.22.1.2混合的分类混合的分类w度的聚合物熔体，这两种情况的混合机理是不同的。在聚合物加工中，发生在熔体之间的是层流混合。w固体与液体混合：有两种形式：一种是液态添加剂与固态聚合物的掺混，而不把固态转变成液态；另一种是将固态添加剂混到熔态聚合物中，而固态添加剂的熔点在混合温度之上。本讲稿第十三页，共七十三页2.1.22.1.2混合的分类混合的分类w3.按混合温度或剪切强度大小分类w混合：温度低（一般低于聚合物熔点），剪切速率小；w混炼：温度高（一般高于聚合物熔点），剪切速率大。本讲稿第十四页，共七十三页2.22.2混合设备混合设备2.2.12.2.1混合设备的分类混合设备的分类 混合设备根据其操作方式，一般可分为间歇式和连续式两大类；根据混合过程特征，可分为分布式和分散式两类；根据混合强度大小，又可分为高强度、中强度和低强度混合设备。本讲稿第十五页，共七十三页混合设备的分类混合设备的分类w1.1.间歇式和连续式间歇式和连续式w间间歇歇式混合过程是不连续的。混合过程主要有三个步骤：投料、混合、卸料，此过程完成后，再进行下一个循环。w间间歇歇式混合设备有：捏合机、开炼机、密炼机等。本讲稿第十六页，共七十三页混合设备的分类混合设备的分类w连续式混合设备的混合过程是连续的，由于是连续操作，所以生产能力提高，易实现自动控制，减少了能耗，混合质量稳定，降低操作人员的劳动强度。连续混合设备有：单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、行星螺杆挤出机和FCM连续混炼机。w2.2.分布式和分散式分布式和分散式本讲稿第十七页，共七十三页混合设备的分类混合设备的分类w3.3.高强度、中强度和低强度混合设备高强度、中强度和低强度混合设备w通常以物料所受的剪切力大小或剪切变形程度来决定混合强度的高低本讲稿第十八页，共七十三页混合设备的分类混合设备的分类w在高分子材料加工过程中，间歇混合设备用得最多的是Z形捏合机、高速混合机、开炼机和密炼机。本讲稿第十九页，共七十三页 2.2.22.2.2间隙式混合设备间隙式混合设备w1.1.Z Z形捏合机形捏合机w（1）基本结构：带有加热（冷却）夹套的鞍形混合室、一对Z形搅拌器、电气传动装置等。捏合机除了通过夹套加热和冷却外，还可在搅拌器中心开设通道，通加热或冷却载体，以便准确及时地控制捏合时物料的温度。本讲稿第二十页，共七十三页本讲稿第二十一页，共七十三页Z Z形捏合机形捏合机w（2）工作原理：混合时，物料借助于相向转动的一对搅拌器沿着混合室的侧壁上翻而后在混合室的中间下落，再次为搅拌器所作用。这样重复循环，物料得到重复折叠和撕捏作用，从而得到均匀混合。w（3）用途：适用于固态与固态物料（非润性）和固态与液态物料（润性）的混合，是一种常用的初混设备。捏合机混合物料，一般需要较长时间，约半小时至数小时。本讲稿第二十二页，共七十三页2.2.高速混合机高速混合机（1）基本结构：附有加热或冷却夹套的圆筒形混合室、一个装在混合室底部的高速转动的搅拌叶轮、排料装置、折流板（挡板）以及电气传动装置等。本讲稿第二十三页，共七十三页本讲稿第二十四页，共七十三页本讲稿第二十五页，共七十三页高速混合机w（2）工作原理：高速混合机工作时，高速旋转的叶轮借助表面与物料的摩擦力和侧面对物料的推力使物料沿叶轮切向运动。同时，由于离心力的作用物料被抛向混合室内壁，并且沿内壁面爬升，当升到一定高度后，由于重力的作用，本讲稿第二十六页，共七十三页高速混合机高速混合机w物料又落回到叶轮中心，接着又被抛起。使物料的表面不断得到更新，由于叶轮的转速很高，物料运动速度很快，快速运动的物料粒子之间相互碰撞、摩擦，使得团块破碎，物料因摩擦升温，同时迅速地进行着交叉混合，这些作用促进了各组分的均匀分布和对液态添加剂的吸收。本讲稿第二十七页，共七十三页高速混合机高速混合机w（4）折流板的作用：改变混合时物料的流型；内部安装测温传感器,测试物料的温度。w（5）高速混合机内物料的热量来源：摩擦热；夹套外加热。通常开机时夹套加热，随着剪切作用增强，物料摩擦生热，温度升高，有时要通过夹套冷却，冷却时叶轮应减速。本讲稿第二十八页，共七十三页高速混合机w（6）规格型号：GH200，GH表示高速混合机，200工作容量200升。实际加料量为工作容量的5075。本讲稿第二十九页，共七十三页3.3.开炼机开炼机w（1）基本结构：两个辊筒、辊距调节装置、安全装置、加热冷却系统和传动系统等。辊筒为中空结构，内部可通加热或冷却载体，也可直接放置电加热棒加热。本讲稿第三十页，共七十三页本讲稿第三十一页，共七十三页本讲稿第三十二页，共七十三页开炼机开炼机w（2）工工作作原原理理：开炼机工作时，两个辊筒相向旋转，且速度不等。放在辊筒上的物料由于与辊筒的摩擦和粘附作用以及物料之间的粘结力而被拉入辊隙之间，在辊隙内物料受到强烈的挤压和剪切，这种剪切使物料产生大的形变，从而增加了各组分之间的界面，产生了分布混合。该剪切也使物料受到大的应力，当应力大于物料的许用应力时，物料会分散开，所以提高剪切作用就能提高混合塑炼效果。本讲稿第三十三页，共七十三页开炼机开炼机w（3）用途：用于橡胶的塑炼和混炼；塑料的塑化和混合；填充与共混改性物料的混炼；为压延机连续供料；母料的制备等。w（4）开炼机正常工作时的两个条件：一是物料与辊筒的摩擦角应大于接触角；二是两个辊筒之间存在速比。减小辊筒间距和加大辊筒速比，可以加大剪切作用。w（5）被混物料热量的来源：辊筒外加热，物料之间的摩擦热。本讲稿第三十四页，共七十三页开炼机w（6）规格型号：SK160；SK塑料开炼机，160辊筒直径160mm。X橡胶，K双辊开炼机w（7）使用维护注意事项。本讲稿第三十五页，共七十三页 4.4.密炼机密炼机w（1）基本结构：一对表面有螺旋形凸棱的转子、密炼室、加料装置（上顶栓）、卸料装置（下顶栓）、传动系统等。密炼室带有夹套，夹套内可通加热（冷却）介质进行控温，转子内部也设有加热冷却系统。本讲稿第三十六页，共七十三页本讲稿第三十七页，共七十三页本讲稿第三十八页，共七十三页密炼机密炼机w（2）工工作作原原理理：密炼机中各种物料在转子的作用下进行强烈的混合，其中大的团块被粉碎，逐步细化，这一过程称为分散过程；在混合过程中，粉状与液体添加剂附在聚合物表面，直到被聚合物包围，这一过程称为浸润过程；混合物中各组分在密炼室中进行位置更换，形成本讲稿第三十九页，共七十三页密炼机密炼机w各组分均匀分布状态，该过程称为分布过程；混合中由于剪切、挤压作用，聚合物逐步软化或塑化，达到一定流动性，这一过程称为塑炼过程。这四个过程在混合中不是独立的，而是相互伴随着存在于混合过程的始终，并且相互影响。本讲稿第四十页，共七十三页密炼机w（3）用途：常用于橡胶的混炼与塑炼，也用于塑料的混合。w（4）规格型号：SM50/70 塑料密炼机；S（X）塑料（橡胶），M密闭式炼胶机，50工作容量（单位升），70转子转速（单位rpm)w（5）密炼机的发展 以上为间歇式混合设备，捏合机与高速混合机常用于混合，开炼机与密炼机用于混炼。本讲稿第四十一页，共七十三页 2.2.32.2.3连续混合设备连续混合设备 连续混合设备主要有单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、行星螺杆挤出机和连续混炼机。w1.1.单螺杆挤出机单螺杆挤出机单螺杆挤出机是聚合物加工中应用最广泛的设备之一，主要用来成型板、管、异型材、丝、膜、中空制品等产品，也用于造粒和混合过程。本讲稿第四十二页，共七十三页single screw extruderFeeding coolingSensor ports(2 standard,others optional)Screw back-pressuresensor(optional)collars for heating and cooling本讲稿第四十三页，共七十三页单螺杆挤出机单螺杆挤出机（1）基本结构：螺杆、料筒、加热冷系统、传动系统等。（2）工作过程：物料自加料斗落入到料筒中，随着螺杆的旋转,经固体输送区、熔融区和熔体输送区输送至机头，由机头挤出造粒或成型为制品。在固体输送区和熔融区，固体粒子之间不发生混合；只是在熔体输送区，本讲稿第四十四页，共七十三页单螺杆挤出机单螺杆挤出机 由于产生环流，才会发生混合。因此，普通单螺杆挤出机混合能力不是很强。由于普通单螺杆挤出机剪切力小，分散强度较弱，同时分布能力也有限，因而不能有效地完成要求较高的混合任务。为了改进混合性能，可以对螺杆和料筒的结构进行改进。如：在螺杆上加混合元件和剪切元件，形成屏障型螺杆、分离型螺杆、销钉本讲稿第四十五页，共七十三页单螺杆挤出机单螺杆挤出机 型螺杆等新型混炼型螺杆；在料筒上也可加销钉，增强挤出机的混合性能；也有在螺杆和机头之间设置静态混合器，以增强分布混合。w（3）用途：采用以上这些改进措施，单螺杆挤出机已广泛用于共混改性、填充改性及反应性加工等方面。本讲稿第四十六页，共七十三页2.2.双螺杆挤出机双螺杆挤出机 双螺杆挤出机是非常有效的连续混合设备，可用作粉状料（特别是粉状PVC料）的熔融混合、填充改性、纤维增强改性、共混改性以及反应性挤出等。双螺杆挤出机的主要作用是将聚合物及各种添加剂熔融、混合、塑化、定量、定压、定温地由口模挤出。双螺杆挤出机的种类：本讲稿第四十七页，共七十三页本讲稿第四十八页，共七十三页双螺杆挤出机双螺杆挤出机（1）啮合异向旋转双螺杆挤出机：用于挤出成型和配料造粒；（2）啮合同向旋转双螺杆挤出机：用于聚合物的物理改性共混、填充和纤维增强等；（3）非啮合相切型双螺杆挤出机：用于反应挤出、着色、玻璃纤维增强等。本讲稿第四十九页，共七十三页2.2.行星螺杆挤出机行星螺杆挤出机这是一种应用越来越广泛的混炼机械。（1）基本结构和工作原理：该挤出机有两根结构不同、作用各异、串联在一起的螺杆。第一根螺杆为常规螺杆起供料作用；第二根为行星螺杆，起混炼塑化作用。第二根螺杆本讲稿第五十页，共七十三页行星螺杆挤出机行星螺杆挤出机 末端呈齿轮状，螺杆套筒上有特殊螺旋齿。在螺杆和套筒的齿间嵌入12只带有螺旋齿的特殊几何形状行星式齿柱，当螺杆转动时，这些齿柱既能自转，又能围绕螺杆转动。当物料通过啮合的齿侧间隙时，形成0.20.4mm的薄层，其表面不断更新，这非常有利于塑化熔融。本讲稿第五十一页，共七十三页行星螺杆挤出机行星螺杆挤出机（2）用途：特别适于聚氯乙烯的混炼，如作为压延机的供料装置，其具有混炼和塑化双重作用。本讲稿第五十二页，共七十三页3.3.FCMFCM连续混炼机连续混炼机FCM（Farrel Continuous Mixer）连续混炼机既保持了密炼机的优异混合特性，又使其转变为连续工作。本讲稿第五十三页，共七十三页FCMFCM连续混炼机连续混炼机（1）基本结构和工作原理：两根转子、料筒、传动装置和加热冷却系统等，其外形像双螺杆挤出机，但喂料、混炼和卸料的方式与挤出机不同。转子的工作部分由加料段、混炼段和排料段组成，两根转子作相向运动，但速度不同。加料段像异向旋转相切型双螺杆挤出机，在分开的料筒孔中回转，混炼段的形状很像Banbury密炼本讲稿第五十四页，共七十三页FCMFCM连续混炼机连续混炼机机转子，它有两段螺纹，在混炼段，混合料受到捏合、辊压，发生混合。（2）用途：用于各种类型的塑料和橡胶的混合。连续混合设备还有双阶挤出机、传递式混炼挤出机，Buss-kneader连续混炼机以及隔板式连续混炼机等。本讲稿第五十五页，共七十三页第三章第三章 压制成型压制成型w 压制成型是高分子材料成型加工技术中历史最久的成型方法，也是热固性塑料和橡胶制品最重要的成型方法之一。热塑性塑料也有采用此方法成型，如聚氯乙烯层压板的成型。热热塑塑性性塑塑料料与与热热固固性性塑塑料料、橡橡胶胶压压制制成成型型最最大大的的区区别别是是成成型型过过程程中中热热塑塑性性塑塑料料不不发发生生化化学学变变化化，而后两者有物理和化学变化而后两者有物理和化学变化。本讲稿第五十六页，共七十三页3.13.1压制成型原理压制成型原理w 压制成型是依靠外压的作用，实现成型物料造型（成型）的一次成型技术。w压制成型分类：模压成型和层压成型。w模模压压成成型型：包括热固性塑料的模压 成型（即压缩模塑）、橡胶的模压本讲稿第五十七页，共七十三页压制成型 成型（即模型硫化）和增强复合材料的模压成型（如：玻璃钢制品成型）。w层层压压成成型型：包括复合材料的高压和低压压制成型。压制成型的主要特点是需要较大的压力，加压的目的是为了加速热固性塑料和橡胶成型时的物理化学本讲稿第五十八页，共七十三页压制成型 变化，防止制品出现气泡，保证制品的质量。但对于有些不饱和聚酯树脂的压制成型，因为成型过程中没有低分子物析出，一般不用加压或仅需加较低的压力即可，这样的压制称为低压成型或接触成型。本讲稿第五十九页，共七十三页3.23.2模压成型和层压成型模压成型和层压成型3.2.13.2.1热固性塑料的模压成型热固性塑料的模压成型（1 1）热固性塑料的模压成型工艺过程热固性塑料的模压成型工艺过程 模压成型通常称压缩模塑，是将模塑塑料在已加热到指定温度的模具中加压，使物料熔融流动并均匀地充满模腔，在加热和加压的条件下，经过一定的时间，使其发生化学交联反应而变成具有三维体型结构的热固性本讲稿第六十页，共七十三页压制成型塑料制品。热塑性塑料模压成型时，必须将模具冷却到塑料固化温度以下才能定型为制品，为此需交替加热与冷却模具，生产周期长，故生产中很少采用。目前，对有些熔体粘度较大的热塑性塑料或成型较大平面的制品时，也采用压缩模塑法。本讲稿第六十一页，共七十三页压制成型（2 2）模模压压成成型型的的特特点点 模压成型是间歇操作，工艺成熟，生产控制方便，成型设备和模具较简单，所得制品的内应力小，取向程度低，不易变形，稳定性好。本讲稿第六十二页，共七十三页压制成型 缺缺点点是：生产周期长，生产效率低，较难实现生产自动化，劳动强度大，且由于压力传递和传热与固化的关系等因素，不能成型形状复杂和较厚的制品。本讲稿第六十三页，共七十三页（3 3）模压成型的设备和模具模压成型的设备和模具A压机本讲稿第六十四页，共七十三页压机w模压成型的主要设备是压机，压机是通过模具对塑料施加压力，在某些场合下压机还可以开启模具或顶出制品。目前常用的是液压式压机，液压机的结构形式很多，主要是上压式和下压式两种。w上上压压式式压压机机的工作油缸设在压机的上方，柱塞由上往下压，下压板是固定的。模具的阳模和阴模可以分别固定在上下压板上，靠上压板的升降来完成模具的启闭和对塑料施加压力。w下下压压式式压压机机的工作油缸设在压机的下方，柱塞由下往上压。本讲稿第六十五页，共七十三页压机B模具w模具主要有溢式、半溢式和不溢式三种3.2.23.2.2橡胶制品的模型硫化橡胶制品的模型硫化 模压成型广泛用于各种橡胶制品的加工，特别是许多橡胶制品的硫化往往是在模压成型过程中完成的。通常把橡胶的模压称作模型硫化，在橡胶制品生产中，模型硫化在硫化工艺中应用最为广泛。本讲稿第六十六页，共七十三页（1）橡胶制品生产工艺 以轮胎生产为例，介绍橡胶制品的生产工艺。首先通过压出得胎面坯料，压延的橡胶帘布及胶片，然后在轮胎成型机上将胎面、胶布及胶片等粘贴组合成轮胎半成品，在放入模型中硫化得橡胶轮胎。本讲稿第六十七页，共七十三页(2）橡胶制品模型硫化工艺流程 模型硫化是将混炼胶经成型后制得的橡胶半成品（坯料）置于闭合的金属模具内加热、加压，使橡胶硫化交联而定型为制品。在硫化过程中主要控制的工艺条件是硫化的压力、温度和时间。本讲稿第六十八页，共七十三页3.2.33.2.3复合材料压制成型复合材料压制成型 高分子复合材料是指由高聚物和各种填充或增强材料所组成的多相复合体。复合材料制品较多的是指在热固性树脂中加有纤维性增强材料所制得的增强塑料制品，也有纤维材料加入热塑性树脂中作原料用注射成型加工制品。本讲稿第六十九页，共七十三页复合材料压制成型复合材料压制成型 复合材料常用的热固性树脂复合材料常用的热固性树脂 主要有酚醛、氨基、环氧、不饱和聚酯、有机硅等树脂。复合材料常用的增强材料复合材料常用的增强材料 有玻璃、石棉、金属、棉花或合成纤维所制成的纤维或织物，其中用得最多的是玻璃纤维及其织物。玻璃纤维增强塑料的比强度（强度/密度）可与钢材相比，故亦称“玻璃钢”。本讲稿第七十页，共七十三页复合材料压制成型复合材料压制成型 玻璃纤维复合材料可以用压制、缠绕和拉挤等方法成型，其中压制成型是最主要的加工方法。根据成型压力可分为高压法和低压法，高压法包括层压成型、模压成型；低压法主要是手糊成型。本讲稿第七十一页，共七十三页压缩模塑w压缩模塑本讲稿第七十二页，共七十三页压缩模塑w压缩模塑工作原理（动画）本讲稿第七十三页，共七十三页
