1、10.擠出成型工藝與設備,1,擠出成型工藝是生產熱塑性復合材料(Fiber Reinforced Thermo Plastics 簡稱FRTP)制品的主要方法之一。 工藝過程：先將樹脂和增強纖維制成粒料，然后再將粒料加入擠出機內，經塑化、擠出、冷卻定型而成制品。,2,應用： 廣泛用于生產各種增強塑料管、棒材、異形斷面型材等。 優(yōu)點： 1、能加工絕大多數(shù)熱塑性復合材料及部分熱固 性復合材料； 2、生產過程連續(xù)，自動化程度高； 3、工藝易掌握及產品質量穩(wěn)定等。 缺點： 只能生產線型制品。,3,10.1、FRTP粒料生產工藝及設備,短纖維增強FRTP是將玻璃纖維或其它纖維(長0.2 一7mm)均勻地

2、分布在熱塑性樹脂基體中的一種復合材料，其生產工藝一般都要經過造粒和成型兩個過程。 長纖維：3-13mm，纖維平行于粒料 長度方向排列。 增強粒料 短 纖 維：0.25-0.5mm,纖維和樹脂無規(guī)混合 長纖維粒料生產的制品其力學性能較高，短纖維粒料則用于生產形狀復雜的薄壁制品。,4,10.1. FRTP粒料生產工藝及設備,造粒工藝 長纖維粒料是將玻璃纖維束包覆在樹脂中間，纖維長度等于粒料長度。根據(jù)纖維在粒料斷面的分布情況，分為三種形式:,5,長纖維粒料的生產工藝流程,玻璃纖維束,樹脂及助劑,包覆機頭,擠 出,冷 卻,牽 引,切 粒,包 裝,制 品,6,生產長纖維增強粒料的設備布置工藝形式,圖11

3、-1 增強粒料設備平面布置簡圖,7,圖11-2 增強粒料設備立面布置圖,8,機頭,玻璃纖維通過型芯中的導紗孔進入機頭型腔與熔融的樹脂混合。,9,型芯構造形式,分瓣式,套管式,迷宮式,10,牽引和切粒,牽引和切粒一般是在一臺機器上完成，牽引機構是由兩對牽引輥完成，第一對牽引輥的牽引速度比第二對輥低，從而保證兩道牽引輥之間有一定的張力，防止料條堆積，但張力不能過大，否則會將料條拉斷。 切粒是用切刀將料條連續(xù)不斷地切成所需要長度的粒料。,11,冷切造粒機組,本機組主要由塑料擠出機、冷卻水槽、刀式吹干機、切粒機、振動篩五個單元組成，總長約12米，適用于PVC，PE等及其它工程塑料造粒。,最大切粒長度（

4、3mm）,最大切粒長度（3mm）,QLJ-3 、SQ200,12,10.1.2 短纖維粒料生產工藝,1、短纖維粒料生產方法有三種： (1) 短切纖維原絲單螺桿擠出法 將短切玻璃纖維原絲與樹脂按設計比例加入到單螺桿擠出機中混合、塑化、擠出條料，冷卻后切粒。對于粒料樹脂，要重復23次才能均勻。對于粉狀樹脂，則可一次擠出造粒 。 優(yōu)點： 纖維和樹脂混合均勻，能適應柱塞式注射機生產。 缺點： 玻璃纖維受損傷較嚴重；料筒和螺桿磨損嚴重；生 產速度較低；勞動條件差，粉狀樹脂和玻璃纖維易飛揚。,13,SJ系列單螺桿擠出機,14,(2)單螺桿排氣式擠出機回擠造粒法,將長纖維粒料加入到排氣單螺桿擠出機中，回擠一

5、次造粒。如果粒料中揮發(fā)物較少，則可用普通擠出機回擠造粒。 優(yōu)點： 生產效率高；粒料質地密實，外觀質量較好；勞動條件好，無玻璃纖維飛揚。 缺點： 用長纖維粒料二次加工樹脂老化幾率增加；粒料外觀及質量不如雙螺桿排氣式擠出機造粒好。如果考慮到長纖維造粒過程；其工序多，勞動生產率低。,15,(3)排氣式雙螺桿擠出機造粒法,將樹脂和纖維分別加入排氣式雙螺桿擠出機的加料孔和進絲口，玻璃纖維被左旋螺桿及捏合裝置所破碎，在料簡內纖維和樹脂混合均勻，經過排氣段除去混料中的揮發(fā)性物質，進一步塑煉后經口模擠出料條，再經冷卻、干燥(水冷時用)，然后切成粒料。粒料中的纖維含量，可由調整送入擠出機的玻纖股數(shù)和螺桿轉速來控

6、制。 單螺稈擠出機主要是靠機頭壓力產生均質熔體， 雙螺抨擠出機完全是靠螺桿作用使樹脂充分塑化，并與纖維均勻復合。 因此，它除具有排氣式單螺桿擠出造粒的優(yōu)點外，比單螺桿擠出機更有效地擠出造粒和利用松散物料。,16,SJSZ系列錐形雙螺桿擠出機,17,2、設備,生產短纖維粒料的主要設備是擠出機和造粒機頭，它不需要單獨的牽引和切粒機。 A、擠出機 B、造粒機頭 長纖維粒料的造粒是采用冷切法，其原因是不使纖維從粒料中抽出，短纖維粒料的造粒是采用熱切法。因為從機頭擠出來的料條中纖維已經很短，可以不經冷卻直接通過造粒機頭造粒。構造見P296,18,10.2 影響FRTP性能的因素,1 基體樹脂對FRTP性

7、能影響,1)力學性能提高23倍以上,2)提高熱變形溫度,3)產品尺寸穩(wěn)定提高,4)降低線膨脹系數(shù)13倍,5)對于吸水率的影響 不一,FRTP的耐化學腐蝕性能主要取決于樹脂的品種,不同的熱塑性樹脂，性能差別很大，用纖維增強后，其效果也有很大差別。,6)耐疲勞性能、抗蠕變性能,7)防止開裂、改善電性能,19,2 纖維含量對FRTP性能的影響,3 纖維質量對性能的影響,(1)纖維直徑對性能的影響,各種樹脂品種的FRTP的最佳纖維含量不同。,一般來講，纖維直徑越細，強度越高，但有時相差不大，可能是因為纖維細強度高，但同樣含量纖維用在CM中，弱界面也隨之增加，加工過程中纖維磨損嚴重，強度損失也較大。,2

8、0,(2)纖維長度和分散狀態(tài)對性能影響,(3)玻璃纖維表面處理對CM性能影響,一般規(guī)律是纖維越長，制品強度越高。試驗表明，當玻纖長度小于0.04mm時，纖維不起增強作用。 纖維在制品中的分散狀況對制品性能影響較大。一般來講，纖維分散越均勻，機械強度和熱性能就越好，彈性模量也有明顯的增加，所以要保證纖維盡可能分散均勻。,玻纖表面處理情況對FRTP性能影響較大。處理后，力學性能有明顯的提高。表11-5。,21,界面問題,表面：把物體與空氣接觸的面叫該物體的表面。 液體表面液體與飽和了的空氣所接觸的面。 固體表面固體與它接觸的空氣面。,界面：把幾個不同相相互交界部分叫“界面”。 界面包括表面，比表面

9、范圍大。,22,23,24,25,11.3 FRTP擠出成型工藝,定義：,擠出成型需要完成粒料輸運、塑化和在壓力作用下使熔融物料通過機頭口模獲得所要求的斷面形狀制品。,圖11-16 擠出成型示意圖 1-轉動機構；2-止推軸承；3-料斗；4-冷卻系統(tǒng)； 5-加熱器； 6- 螺桿；7-機筒；8-濾板；9-機頭孔型,26,27,加料,塑化,成型,定型,過程:,加料段,壓縮段,均化段,圖11-17 擠出過程中物料和壓力的變化,28,粒料從料斗進入到擠出機的機筒，在熱壓作用下發(fā)生物理變化，（非化學變化），并向前推進。由于濾板、機頭和機筒的阻力，使粒料壓實，排氣；與此同時外部熱源與和物料摩擦熱使粒料受熱塑

10、化，變成熔融粘流態(tài)，憑借螺桿推力，定量地從機頭擠出，擠出過程中的壓力和溫度變化為,圖11-17 擠出過程中物料和壓力的變化,29,1 加料段工作原理,靠螺紋旋轉時產生的軸向分力向前推進。如圖11-18,加料段由加料區(qū)（料斗）、固體輸送區(qū)和遲滯區(qū)所組成。功能是對加入的料進行壓實和輸送。,F1向前,F,F2向上,粒料在機筒內的運動可以分解為旋轉運動和軸向運動；旋轉運動是由粒料和螺桿的摩擦作用，被螺桿帶動旋轉；軸向運動是靠螺紋旋轉時產生的軸向分力向前推進。,30,為使粒料沿軸向運動，采取的措施有： 1、提高螺桿的表面光潔度，使其高于機筒表面光潔度。 2、加料段的料筒溫度高于螺桿溫度（因為粒料熔融前與

11、鋼鐵的摩擦系數(shù)隨溫度升高而增大） 3、機筒表面開設縱向槽溝。,在加料段的末端，由于摩擦熱的作用，與機筒內壁接觸的粒料已達到粘流溫度，并開始熔融。,31,2 壓縮段工作原理,松散的粒料被壓實、軟化，同時把夾帶的空氣壓回到加料口排出。如圖11-19,把壓縮段送來的熔融物料進一步塑化均勻，使其能定量、定壓擠出。螺桿結構如圖11-20,3 均化段工作原理,至壓縮段末端，全部物料已轉變?yōu)檎沉鲬B(tài)。,壓縮比：螺桿在加料口的螺槽容積與均化段最后一個螺槽容積之比。,32,圖11-18 塑料在普通螺桿擠出機中的擠出過程簡圖,33,圖11-19 固體物料在螺槽中的熔融過程 1-熔膜；2-熔池；3-遷移面（分界面）；

12、4-熔結的固體粒；5-未熔結的固體粒子,34,(1)正流,(2)逆流,(3)橫流,(4)漏流,圖11-20 螺桿幾何構造,35,114 FRTP管擠出成型工藝,1 擠管工藝,FRTP管的成型條件與普通塑料管工藝基本相似，只是成型溫度要提高10-20。,物料在主機內塑化完全后，經慮板、分流器和型孔初步定型，經過定徑套初步冷卻定型，進入冷水槽硬化，再經牽引裝置引出，定長切斷。成型過程中，不斷由模心通入壓縮空氣，保證管材擠出后的尺寸穩(wěn)定。,36,3 擠管過程中注意事項,(1)溫度高1020；,(2)型孔溫度比機頭溫度稍低；,(3)開車時要慢轉；,(4)開始時不要加足料；,(5)冷卻水的溫度應保證不使

13、制品產生內應力和氣泡。,2 成型條件,見表11-7，P303,37,115 擠出成型設備,1 擠出成型機組組成,擠出機主機、輔機和控制系統(tǒng)組成。,1.1 擠出機主機組成,(1)擠壓系統(tǒng),(2)傳動系統(tǒng),(3)加熱和冷卻系統(tǒng),38,2 擠出機輔機,由機頭、定型裝置、冷卻裝置、牽引裝置、切割裝置和堆放裝置組成,評價擠出機，從兩個方面考慮：,(1)生產能力的高低，適用范圍是否廣泛,(2)應具有較完善的控制系統(tǒng) ，能準確無誤地調整各工藝參數(shù),39,(1)、機頭 機頭的型孔決定制品斷面的形狀，不同的制品可更換。,(2)、定型裝置 其作用是穩(wěn)定擠出型材的形狀，一般采用冷卻式壓光法。,(3)、冷卻裝置 使擠

14、出的制品充分冷卻固化。,(4)、牽引裝置 將擠出制品引出，牽引速度的大小對斷面尺寸也有一定影響，對生產效率有一定的影響。,40,(5)、切割裝置 將擠出的制品按要求切斷。,(6)、堆放裝置 將切斷的制品整齊堆放。,三、控制系統(tǒng),一般是電器控制設備或計算機控制系統(tǒng)。 作用：保證機組正常運行，使設備準確完成各工藝動作。,41,11.5.2 擠出機主機,一、分類及構造,按工作原理分,螺桿式,無螺桿式,單螺桿式,雙螺桿式,普通型,高速自熱型,按排氣狀況分,排氣式,分段組合式,42,按用途分,造粒擠出機,超高分子量擠出機,混煉擠出機,安裝位置分,立式擠出機,臥式擠出機,目前用的最廣泛的是臥式單螺桿和雙螺

15、桿擠出機。,43,二、單螺桿擠出機（前11-25圖）,其基本結構包括,（1）、加料裝置 一般為錐形漏斗，其大小能容納1小時用料為宜。料斗內裝有閥門，定量計算，卸除余料等裝置。,（2）、擠壓系統(tǒng) 包括螺桿、機筒、端頭多孔板。,a、螺桿 （圖11-26） 加料段L1，壓縮段L2，均化段L3 (通常螺桿) 螺槽越來越淺。 圖11-27 排氣式螺桿 分為六段。 其它工藝參數(shù)見 P307,44,b、機筒 工作過程中壓力3050MPa， 150300 機筒強度需強度高、耐腐蝕、耐磨損； 機筒外采用電阻加熱和水冷卻。,c、筒端多孔板 使物料由旋轉流動變?yōu)橹本€流動，沿螺桿軸方向形成壓力，增大塑化的均勻性。 多

16、孔板的孔徑為36mm，板厚為機筒內徑的1/5。,45,三、雙螺桿擠出機,在“”字形機筒內，裝有兩根互相嚙合的螺桿。 雙螺桿擠出機的每根可以是整體，也可以加工成幾段組裝，其形狀可以是平行式，也可以是錐形，兩螺桿的旋轉方向分為同向和異向兩種。,（1）雙螺桿擠出機的特點 a、由摩擦產生的熱量較少； b、物料受到的剪切力比較均勻； c、輸出能力較大，擠出量比較穩(wěn)定； d、機筒可以自動清洗。,46,47,錐形雙螺桿擠出機,48,移動式擠出機系列（專用型）,49,50,51,平行螺桿積木塊,往復式螺紋塊,平行積木式螺桿,52,a、螺桿直徑 45400mm，國產最大250mm； b、螺桿長徑比 一般為78（

17、整體式），最長可達36(組合式)； c、螺槽深度 可以取較大的螺槽深度，可以超過0.06D d、螺紋厚度 P308計算公式,（2）螺桿的主要參數(shù),53,e、螺桿轉速 同向旋轉轉速可達 300轉/分 雙向旋轉轉速可達 850轉/分（有壓延效應） f、雙螺桿的中心距A（取決于螺桿直徑和間隙） 0.71 Ds （Ds螺桿外徑） 單螺紋、雙螺紋、三頭螺紋（來復線根數(shù)） g、螺桿轉向 目前國內多采用雙向旋轉式(對稱螺桿)，可加工硬度較大的塑料混合料。 h、螺桿與機筒的間隙 0.32 mm 小直徑螺桿取大值，大直徑取小值。（大直徑不易變形）,54,四、擠出機生產能力計算,（1）經驗公式計算法,Q nD2

18、Q擠出量，cm3/s n螺桿轉速，r/s D螺桿直徑， cm 系數(shù)，0.0030.007 Q0.06D2.5 （11-2）,（2）理論公式計算 Q= Q1- Q2- Q3,55,Q1-正流 Q2-逆流 Q3-漏流,五、影響擠出機生產能力的因素,（1） 物料壓力與生產能力的關系 正流量與壓力無關，倒流和漏流量與壓力成反比，因此，一般壓力增加擠出機產量降低。如圖11-30。 螺桿與機筒的間隙愈大，產量降低愈多。 但是提高壓力對物料的塑化有利。,（2） 樹脂種類及螺桿轉速對生產能力的影響 轉速增加生產能力增加； 不同樹脂，其增加的幅度不一樣。 圖11-31,56,（3） 螺桿幾何尺寸對生產能力的影響

19、 a、螺桿直徑越大生產能力越大； b、螺槽深度 螺槽深度大，當壓力低時生產能力大；當壓力高時生產能力小。如圖11-32 c、螺桿長度 均化段長度增加，棱寬增加，生產能力增加； d、螺桿與機筒間隙 間隙愈大產量愈低。 Q漏3,57,（4） 溫度對生產能力的影響 T升高時，生產能力下降； 原因：T升高時，物料粘度下降，逆流、漏流增加。,六、部分國產擠出機型號和性能 表11-9 SJ表示塑料擠出機；Z表示造粒機； W表示喂料機,58,11.5.3 輔機 作用：是將連續(xù)擠出的已獲得初步形狀和尺寸的制品進行定型，達到一定的表面質量，最終成為可供使用的制品或半成品。,一、制管和異型材的輔機 如圖11-23

20、，前面已經介紹過的擠管工藝流程。 輔機由機頭、定型裝置、冷卻裝置、牽引裝置、夾緊切割裝置等組成。,59,（1） 機頭 分為直型和彎型兩種。圖11-35為直型擠管機頭。 機頭的設計制造原則如下：（1）（5） P313 實踐證明：口模形狀和擠出制品的界面形狀有很大關系，正確的口模設計如表11-10,（2） 定型裝置 從機頭擠出的制品處于熔融狀態(tài)，(溫度很高)，在重力作用下容易變形，因此在機頭后必須立即冷卻，以使制品定型。 定型裝置分為外徑定型和內徑定型兩種。,60,1） 外徑定型 是國內普遍采用的方法，又分為內壓定型和真空定型。 內壓定型法：是在機頭芯棒的肋上打孔，向管內或型材內通入壓縮空氣，由氣

21、體壓力的作用，使管壁與定徑套壁接觸，定徑套靠水冷卻，使管初步冷卻然后進入水槽內進一步冷卻定型。 圖11-37 內壓定徑套示意圖。 真空定型法：由真空定型套、冷卻水槽、真空泵、電機、管道等組成。 采用在制品與定型套之間抽真空，使制品與定型套接觸冷卻的方法。,61,與內壓法相比，此法更適合于異型材的生產，此法無內壓力，制品的內壓力較小，操作方便，廢品率低。,在生產中采用更加簡單實用的校準技術的設想，促進了校準套管革命性的發(fā)展。適用于HDPE管及PP管生產中，通過校準套管的調準技術，可以平衡由不同原料及不同壓力等因素造成的管壁收縮數(shù)值。,62,同時具有如下有優(yōu)勢：- 可調直徑范圍大。適用于16mm到

22、630mm。目前最大已可達1600mm。- 操作簡便，獨立高效。外徑可在真空定徑前得到直接的調整。- 外徑調整比率大。160mm的管徑，最大可調12.7mm，調整比率達8%。,63,調整套管可以分成兩端來適應增加或減少的管道外徑，這樣有一個很大的調整范圍，需要的管道直徑用一個可變的錐形環(huán)來調整。 設計中涉及的入口尺寸不受調整功能的影響，調整套管入口尺寸等同于高容量套管的尺寸。 在生產過程中，調整套管的直徑可以手動調整，當然也可以選擇自動調整。,64,校準套管必需有很好的滑動性和極好的導熱性，此外還需要抗磨損。因為這些因素，校準套管是采用一種幾乎不磨損的合金用離心工藝鑄造的，校準圓盤采用高質鉻鋼

23、材料。 標準的制造材料是青銅。當然也可選擇用防腐的鋁合金材料作為制造材料。在特殊情況下，也可根據(jù)生產的要求選擇鍍鉻、鍍鎳材料。如果這些情況均不能滿足生產中的實際要求，那么也可選擇不銹鋼材料。,65,2） 內徑定型 圖11-39，靠芯棒冷卻定型的方法。冷卻水通入芯棒，同時使制品與芯棒接觸冷卻。 為適應收縮，芯棒一般制作成錐形，錐度為0.6； 與外徑定型相比：內徑定型的內表面光滑，外徑定型的外表面光滑。,66,（3） 冷卻裝置 制品由定型裝置出來后，并未完全冷卻，還需要繼續(xù)降溫。冷卻裝置：浸浴法與噴淋法。,1） 浸浴式冷卻水槽 圖11-40，冷卻水槽長26m，冷卻水從制品的最后一段流入，即逆流法，

24、使制品逐漸冷卻。（用于小口徑管或異型材），水應埋沒制品。,2） 噴淋式冷卻箱 圖11-41，用于較大截面的制品，由幾個噴淋管噴水冷卻。,67,（4） 牽引裝置 作用：給擠出管提供一定的牽引力，牽引速度。均勻穩(wěn)定地將制品引出。 牽引裝置必須滿足： a、速度無級調節(jié)； b、牽引力、速度保持恒定； c、對制品的夾持力能夠調節(jié) 牽引速度一般比擠出速度略快。,68,牽引裝置分履帶式、扎輪式兩種。 a、履帶式牽引裝置 圖11-42，由26條可調節(jié)的履帶組成，均勻地分布在管材地四周。其特點：P316 三段。 b、扎輪式牽引裝置 圖11-43，由25對牽引滾輪組成，下輪為主動輪，上輪為從動輪。 此種牽引裝置輪與管子地接觸面小，適合于管徑較小地制品（100mm以下），但設備簡便。,69,（5） 切割裝置 a、自動或手動園鋸切割機 如圖11-44，由行程開關控制夾持器和電動鋸片。夾持器夾住制品之后，鋸座與制品同步運動，鋸片開始切割，切斷后夾持器松開返回原處。（適用于切200mm直徑以下的管） b、行星切割裝置 鋸片不僅自轉，而且圍繞管的直徑旋轉，鋸片可以是一個也可以是幾個。適用于切大口徑管。,70,三、擠板輔機 （前面介紹的是擠管異型材輔機，下面介紹擠板輔機） 擠板工藝流程如圖11-45。 主要設備：擠出機