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1、实验一 热塑性聚合物挤出造粒实验一、实验目的1. 掌握热塑性聚合物挤出成型的基本原理；2. 了解双螺杆挤出机的基本结构和挤出成型的基本操作；3. 掌握双螺杆挤出机造粒的工艺过程，观察挤出料条的色泽、塑化程度和工艺参数之间的关系。二、实验原理1. 挤出成型原理挤出成型，又称挤塑，是热塑性塑料成型加工的重要方法之一，热塑性塑料的挤出是在挤出机的作用下完成的重要成型加工过程。在挤出过程中，物料通过料斗进入挤出机的料筒内，挤出机螺杆以固定的转速推动料筒内物料向前输送。不论是挤出造粒还是挤出制品都分两个阶段。第一阶段即挤出过程，固体树脂原料在进入机筒后，借助于料筒外部的加热和螺杆转动的剪切挤压作用而熔融
2、，同时熔体在压力的推动下被连续挤出口模；第二阶段即定型过程，是指被挤出的物料通过各种冷却和定型手段失去塑性变为固体，制品形状可为条状、片状、棒状、管状。因此，应用挤出的方法即可以造粒也能够生产各种型材。通常根据物料在料筒内的变化情况，又可以将挤出过程分成三个阶段，即加料段、压缩段和均化段。在料筒加料段，在转动的螺杆作用下，物料通过料筒内壁和螺杆表面的摩擦作用向前输送和压实。物料在加料段内呈固态向前输送。物料进入压缩段后由于螺杆螺槽逐渐变浅，以及靠近机头端滤网、分流板和机头的阻力而使所受的压力逐渐升高，进一步被压实；同时，在料筒外加热和螺杆、料筒对物料的混合、剪切作用所产生的内摩擦热的作用下，物
3、料逐渐升温至粘流温度，开始熔融，大约在压缩段处物料全部熔融为粘流态并形成很高的压力。物料进入均化段后将进一步塑化和均化，最后螺杆将物料定量、定压地挤入机头。机头上的口模是成型部件，物料通过它便获得一定截面的几何形状和尺寸，再通过冷却定型、切割等工序就得到成型制品。2. 树脂造粒 合成出来的树脂大多呈粉末状，粒径小成型加工不方便，而且合成树脂中又经常需要加入各种助剂才能满足制品的要求，为此就要将树脂与助剂混合，制成颗粒，这步工序称作“造粒”。如果树脂中加入功能性助剂就可以造出功能性母粒，造出的颗粒是塑料成型加工做成塑料制品的原料。 使用颗粒料成型加工的主要优点有：颗粒比粉料加料方便，无需强制加料
4、器；颗粒料比粉料密度大，制品质量好；挥发物及空气含量较少，制品不容易产生气泡；使用功能性母料比直接添加功能性助剂更容易分散。树脂造粒可以使用辊压法混炼，塑料出片后切粒，也可以使用挤出塑炼，塑化挤出条后切粒。挤出造粒可分冷切法和热切法两大类。冷切法又可分拉片冷切、挤片冷切和挤条冷切等几种；热切法则可分干热切、水下热切和空中热切等几种。造粒的主要设备是混炼式挤出机或塑炼机（开炼机或密炼机）和切粒机。除拉片冷切法用平板切粒机造粒外，其余都是用挤出机造粒。挤出造粒有操作连续，密闭，机械杂质混入少，产量高，劳动强度小，噪音小等优点。 常见树脂适用的造粒方法见表4-1，无论何方法，均要求粒料颗粒大小均匀，
5、色泽一致，外形尺寸不大于34mm，因为如果颗粒尺寸过大，成型时加料困难，熔融也慢。造粒后物料形状以球形，圆柱形或药片形较好。表4-1 常用树脂的造粒方法 造粒方法树脂冷切法热切法拉片冷切拉片冷切挤条冷切干热切水下热切空气热切软聚氯乙烯软聚氯乙烯聚乙烯聚丙烯ABS聚酰胺聚碳酸酯聚甲醛颗粒形状长方形正方形长方形正方形圆柱形球形药片形球形药片形圆柱形注：最适宜；可以；不可以3. 挤出工艺 挤出工艺控制参数包括挤出温度（料筒各段，机头和口模等温度），挤出速率，口模压力，冷却速率，牵引速率，拉伸比，真空度等对于双螺杆挤出机而言，物料熔融所需要的热量主要来自于料筒外部加热，挤出温度应在塑料的熔点（Tm）或
6、粘流温度（Tf）至热分解温度范围之间，温度设置一般从加料口至机头呈逐渐升高，最高温度较塑料热分解温度Td低15以上各段温度设置变化不超过60。挤出温度高，熔体塑化质量较高，材料微观结构均匀，制品外观较好，但挤出产率低，能源消耗大，所以挤出温度在满足制品要求的情况下应该尽可能的低挤出速率同时对塑化质量和挤出产率起决定性的作用，对给定的设备和制品性能来说，挤出速率可调的范围则已定，过高的增加挤出速率，追求高产率，只会以牺牲制品的质量为代价。挤出过程中，需冷却的部位包括料斗和螺杆。料斗的下方应通冷却水，防止物料过早的熔化粘结搭桥。另外牵引速率与挤出速率相应匹配，以达到所造的塑料粒子均匀为准。三、实验
7、原料和仪器设备1. 原料聚丙烯（PP）、活性碳酸钙（CaCO3）、 硫酸钙（CaSO4）、润滑剂等。2. 仪器设备双螺杆挤出机，熔融流动速度仪，剪刀，耐热手套，切粒机，冷却水槽等。 所用双螺杆挤出机的主要技术参数为：直径34mm，螺杆长径比32，螺杆转速50 rpm，加热温度350。挤出机的主体结构及挤出造粒组合图，如图4-1所示。挤出机各部分的作用如下：（1）传动装置 由电动机、减速机构和轴承等组成。具有保证挤出过程中螺杆转速恒定、制品质量的稳定以及保证能够变速作用；（2）加料装置 无论原料是粒状、粉状和片状，加料装置都采用加料斗。加料斗内应有切断料流、标定料量和卸除余料等装置；（3）料筒
8、料筒是挤出机的主要部件之一，塑料的混合、塑化和加压过程都在其中进行。挤出时料筒的压力很高，工作温度一般为180250，因此料筒是受压和受热的容器，通常由高强度、坚韧耐磨和耐腐蚀的合金制成。料筒外部设有分区加热和冷却的装置，而且各自附有热电偶和自动仪表等；图4-1 挤出造粒过程示意图 1电动机；2减速箱；3冷却水；4机座；5料斗；6加热器；7鼓风机；8机筒；9真空表；10压力传感器；11机头和口模；12热电偶；13条状挤出物；14水槽；15风环；16切粒机控制面板；17切粒机（4）螺杆 螺杆是挤出机的关键部件，根据螺杆的结构特性和工作原理分为如下几类： 非啮合与啮合型双螺杆； 啮合区与封闭型双螺
9、杆； 同向旋转和异向旋转双螺杆； 平行和锥形双螺杆。本实验采用的挤出机是啮合同向双螺杆挤出机，螺杆结构如图4-2所示。通过螺杆的移动，料筒内的树脂颗粒才能发生移动，得到增压和部分热量（摩擦热）。螺杆的几何参数，诸如直径、长径比、各段长度比例以及螺槽深度等，对螺杆的工作特性均有重大影响。图4-2 啮合同向双螺杆（5）口模和机头 机头是口模与料件之间的过渡部分，其长度和形状随所用塑料的种类、制品的形状加热方法及挤出机的大小和类型而定。机头和口模结构的好坏，对制品的产量和质量影响很大，其尺寸根据流变学和实践经验确定。四、实验步骤和内容1. 了解挤出树脂的熔融指数和熔点，将树脂和各种助剂在高速混合机中
10、进行混合。初步设定挤出机各段、机头和口模的控温范围，同时拟定螺杆转速、加料速度、熔体压力、真空度、牵引速度及切粒速度等；2. 检查挤出机各部分，确认设备正常，接通电源，加热，同时开启料座夹套水管。待各段预热到要求温度时，再次检查并趁热拧紧机头各部分螺栓等衔接处，保温10min以上；3. 启动油泵，再开动主机。在转动下先加少量塑料，注意进料和电流计情况。待有熔料挤出后，戴上手套将挤出物慢慢引上冷却牵引装置，同时开动切粒机切粒并收集产物；4. 挤出平稳，继续加料，调整各部分，控制温度等工艺条件，维持正常操作；5. 观察挤出料条的形状和外观质量，记录挤出物均匀、光滑时的各段温度等工艺条件，记录一定时间内的挤出量，计算产率，重复加料，维持操作1h;6. 实验完毕，按下列顺序停机： 将喂料机调至零位，按下喂料机停止按钮； 关闭真空管路阀门； 降低螺杆转速，尽量排除机筒内残留物料，将转速调至零位，按下主电机停止按钮； 依次按下和电机冷却风机、油泵、真空泵、切粒机的停止按钮。断开加热器电源开关； 关闭各进水阀门； 对排气室、机头模面及整个机组表面清扫。五、思考题1. 影响挤出物均匀性的主要原因有哪些？如何控制？2. 造粒工艺有几种造粒方式？各有何特点？3. 如何计算挤出产率。4. 填料的加入对聚合物的加工性能有何影响？5. 双螺杆挤出机同单螺杆挤出机相比有哪些优点？
