《复合材料工艺与设备》课程教学资源（教案讲义）10 挤出成型工艺

第十章挤出成型工艺教学参考资料武汉理工大学精品课程

第十章 挤出成型工艺 教学参考资料 武汉理工大学精品课程

1.1概述1.复合材料的挤出和注射成型是从塑料成型工艺中发展过来的，它主要用来加工热塑性复合材料。2.热型性复材GRP即玻璃纤维增强热塑性塑料，其纤维合量一般在30～40%，热塑性塑料经玻璃纤维增强之后，其物理性能、力学性能发生很大变化。目前，热型性GRP，应用最广泛的塑料是尼龙、聚丙烯、聚碳酸酯聚酰胺和聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等。由于各种塑料的性能不同，GF增强后其效果也有很大差异，现将几种常见的塑料经GF增强前后的性能进行比较。3.另一方面，热型性塑料用GF增强后，明显的缺点是使其成型工艺性变差，主要表现为粘度增加，流动性降低，对机械的磨损增加，成型温度升高，熔接性变差等。另外制品的冲击强度，表面光洁度及透明性降低。但总的来说，仍可沿用热塑性塑料的加工方法。2热型性GRP的物理状态和流变性热型性GRP仍然沿用塑料的成型工艺方法，两者，在成型原理上基本相似因此我们首先看看塑料的成型原理。一、热塑性塑料的物理状态和温度的关系热塑性塑料在恒定压力下，受热后存在着三种物理状态，玻璃态、高弹态、粘流态，大的非结晶型塑料更为明显，它们的划分主要根据4个温度点，即：Tx熔化温度、T.玻璃化温度、T粘流温度、Ta分解温度，而结晶型塑料的高弹态却很不明显，当高于熔化温度时，很快变为粘流态。常用的非结晶型塑料有：聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚、聚甲基丙烯酸甲酯。结晶型塑料有：尼龙、聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛、氯化聚醚等。由于热塑性塑料的成型都是通过粘流态来实现的，因此热塑性塑料（GRP）的成型工艺原理都在T一Ta温度范围内进行研究。达到塑料的粘流温度Tr（即

1.1 概述 1. 复合材料的挤出和注射成型是从塑料成型工艺中发展过来的，它主要用 来加工热塑性复合材料。 2. 热型性复材 GRP 即玻璃纤维增强热塑性塑料，其纤维合量一般在 30～ 40%，热塑性塑料经玻璃纤维增强之后，其物理性能、力学性能发生很大变化。 目前，热型性 GRP，应用最广泛的塑料是尼龙、聚丙烯、聚碳酸酯聚酰胺和聚 乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等。 由于各种塑料的性能不同，GF 增强后其效果也有很大差异，现将几种常见 的塑料经 GF 增强前后的性能进行比较。 3. 另一方面，热型性塑料用 GF 增强后，明显的缺点是使其成型工艺性变差， 主要表现为粘度增加，流动性降低，对机械的磨损增加，成型温度升高，熔接性 变差等。另外制品的冲击强度，表面光洁度及透明性降低。 但总的来说，仍可沿用热塑性塑料的加工方法。 2 热型性 GRP 的物理状态和流变性 热型性 GRP 仍然沿用塑料的成型工艺方法，两者，在成型原理上基本相似， 因此我们首先看看塑料的成型原理。 一、热塑性塑料的物理状态和温度的关系 热塑性塑料在恒定压力下，受热后存在着三种物理状态，玻璃态、高弹态、粘 流态，大的非结晶型塑料更为明显，它们的划分主要根据 4 个温度点，即：Tx 熔化温度、Tg 玻璃化温度、Tf 粘流温度、Td 分解温度，而结晶型塑料的高弹态 却很不明显，当高于熔化温度时，很快变为粘流态。 常用的非结晶型塑料有：聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚砜、聚甲基丙 烯酸甲酯。 结晶型塑料有：尼龙、聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛、氯化聚醚等。 由于热塑性塑料的成型都是通过粘流态来实现的，因此热塑性塑料（GRP） 的成型工艺原理都在 Tf—Td温度范围内进行研究。达到塑料的粘流温度 Tf（即

进入其粘流态），可采用加热，加入溶剂及机械作用等。从分子结构上讲，T是高分子链开始运动的最低温度，因而在物理状态上发生流动状态，出现不可逆的塑料变形。因此Tr是挤出，注射成型的最低温度。另外，T一T.温度范围的宽窄对塑料的成型也有影响，T一Ta范围愈宽，塑料进入粘流态后，愈不易分解，故成型愈易进行，相反则成型困难一些。Tr首先与塑料的结构有关，不同的塑料具有不同的Tr，同时与其分子量大小有关，分子量增加，大分子间的相互作用也随之增加，需要在较高温度下分子才能流动，所以T随分子量增加而升高。对于高分子塑料而言，由于其分子量存在多分散性，因而Tg、Tr都不是一个明显的转拆点，而是一个温度范围。二、流变性我们除了研究塑料出现粘流态的温度点Tr及范围F一Ta外，还必须研究塑料处于粘流态的一些性质，其中最主要的是流态性。关于高聚物的流变性是一门专门学科，在此只能作简单介绍。所谓流变性是指塑料处于粘流态时的特性参数粘度与温度及剪切速度（压力）的相互关联当成型温度和压力变更后，粘流态的塑料的表观粘度会发生一些相关的变化。高聚物的流变性，通常是由其流变性曲线表示（即表观粘度和温度及剪切速率的关联曲线）。高聚物流变性能（或流变曲线），对于塑料成型工艺条件的确定和变更具有重要的参考价值，如在加工聚甲醛薄壁制件时。3挤出成型工艺一、挤出成型工艺的特点和应用1.挤出成型工艺的基本概念2.剂出成型的特点

进入其粘流态），可采用加热，加入溶剂及机械作用等。 从分子结构上讲，Tf是高分子链开始运动的最低温度，因而在物理状态上发 生流动状态，出现不可逆的塑料变形。 因此 Tf是挤出，注射成型的最低温度。 另外，Tf—Td温度范围的宽窄对塑料的成型也有影响，Tf—Td范围愈宽，塑 料进入粘流态后，愈不易分解，故成型愈易进行，相反则成型困难一些。 Tf首先与塑料的结构有关，不同的塑料具有不同的 Tf，同时与其分子量大小 有关，分子量增加，大分子间的相互作用也随之增加，需要在较高温度下分子才 能流动，所以 Tt随分子量增加而升高。 对于高分子塑料而言，由于其分子量存在多分散性，因而 Tg、Tf 都不是一 个明显的转拆点，而是一个温度范围。 二、 流变性 我们除了研究塑料出现粘流态的温度点 Tf 及范围 Ff—Td外，还必须研究塑 料处于粘流态的一些性质，其中最主要的是流态性。关于高聚物的流变性是一门 专门学科，在此只能作简单介绍。所谓流变性是指塑料处于粘流态时的特性参数 粘度与温度及剪切速度（压力）的相互关联。 当成型温度和压力变更后，粘流态的塑料的表观粘度会发生一些相关的变 化。 高聚物的流变性，通常是由其流变性曲线表示（即表观粘度和温度及剪切速 率的关联曲线）。 高聚物流变性能（或流变曲线），对于塑料成型工艺条件的确定和变更具有 重要的参考价值，如在加工聚甲醛薄壁制件时。 3 挤出成型工艺 一、挤出成型工艺的特点和应用 1. 挤出成型工艺的基本概念 2. 剂出成型的特点

3.挤出成型的应用二、挤出成型的工艺原理（一）工艺原理基本过程：粒料由料斗进入挤出机料筒，由于热压作用而发生物理变化：一方面依靠螺杆的推进及滤板、机头、料筒壁的阻力，使粒料压实、气体排出；另一方面，则是热源加上由物料与筒壁等的摩擦所产生的热量，使粒料受热塑化，逐渐由玻璃态变为粘流态，并在螺杆的推力下，定量地从机头孔型中挤出成型，再经过冷却定型成为固定形状的产品。综上所述，挤出成型主要包括加料、塑化成型、定型四个过程。其中，无论是从物料状态的变化，还是挤出成型工艺原理，以及四个过程与机筒简的关系来看，塑化最具特殊意义。因此作为工艺原理部分，我们主要讨论物料在机筒内的塑化过程：根据粒料在机筒内的变化情况，通常把螺杆工作部分分为加料，压缩和均化三步。1.加料段在此段内，粒料为固态，主要是受热前移，因此螺槽容积可以保持不变。粒料在螺杆作用下，其运动Vz可分解为旋转运动和轴向运动，旋转运动是由于粒料与螺杆之间的摩擦作用，被螺杆带动旋转，轴向移动是靠螺纹旋转时产生的轴向分力向前推进，我们希望粒料沿轴向移动，因此必须使粒料与螺杆的摩擦力小于粒料与机筒的摩擦力，常用以下方法检测摩擦系数。2.压缩段此段的作用是把松散料压实、软化，并把夹带的空气排向加料段。粒料在此段内逐渐由固体变为粘流体输运到均化段，为了达到这个目的，通常采用使螺槽容积逐渐或突然变小的办法实现。螺杆加料口处的螺槽容积与均化段（计量段）最后一个螺槽容积之比，称为压缩比。压缩段的长短和压缩比的大小与物料比能有关。3.均化段

3. 挤出成型的应用 二、挤出成型的工艺原理 （一）工艺原理 基本过程：粒料由料斗进入挤出机料筒，由于热压作用而发生物理变化：一 方面依靠螺杆的推进及滤板、机头、料筒壁的阻力，使粒料压实、气体排出；另 一方面，则是热源加上由物料与筒壁等的摩擦所产生的热量，使粒料受热塑化， 逐渐由玻璃态变为粘流态，并在螺杆的推力下，定量地从机头孔型中挤出成型， 再经过冷却定型成为固定形状的产品。综上所述，挤出成型主要包括加料、塑化、 成型、定型四个过程。 其中，无论是从物料状态的变化，还是挤出成型工艺原理，以及四个过程与 机筒的关系来看，塑化最具特殊意义。因此作为工艺原理部分，我们主要讨论物 料在机筒内的塑化过程：根据粒料在机筒内的变化情况，通常把螺杆工作部分分 为加料，压缩和均化三步。 1. 加料段 在此段内，粒料为固态，主要是受热前移，因此螺槽容积可以保持不变。 粒料在螺杆作用下，其运动 Vz可分解为旋转运动和轴向运动，旋转运动是 由于粒料与螺杆之间的摩擦作用，被螺杆带动旋转，轴向移动是靠螺纹旋转时产 生的轴向分力向前推进，我们希望粒料沿轴向移动，因此必须使粒料与螺杆的摩 擦力小于粒料与机筒的摩擦力，常用以下方法检测摩擦系数。 2. 压缩段 此段的作用是把松散料压实、软化，并把夹带的空气排向加料段。 粒料在此段内逐渐由固体变为粘流体输运到均化段，为了达到这个目的，通 常采用使螺槽容积逐渐或突然变小的办法实现。 螺杆加料口处的螺槽容积与均化段（计量段）最后一个螺槽容积之比，称为 压缩比。 压缩段的长短和压缩比的大小与物料比能有关。 3. 均化段

均化段是把压缩段送来的的熔融物进一步塑化均匀，并使其定量、定压挤出。到日前为止，研究最多的是均化段。下面我们主要是根据其结构，分析熔融物料在均化段中的运动情况，来推算它的生产率及其影响因素。（二）挤出机的挤出量（生产率）1.挤出机挤出量的理论公式按上述四种流动方式讨论得知，决定均化段流量的正流、逆流和漏流，而与横流有关。故Q=Q1—（02+03)2.影响挤出量（生产率）的主要因素①机头压力与生产率的关联；②螺杆转速与生产率的关联；③螺杆和机筒的间隙8对生产率的影响；④螺槽深度对生产率的影响。三、挤出成型工艺（一）挤出机的分类和组成1.挤出机的分类挤出机按不同的分类方法可分为很多类，在热型性GRP挤出成型中，通常采用单螺杆挤出机。2.组成以单螺杆挤出机为例挤出机通常由主机、辅机和控制系统组成①挤出机主机②挤出机辅机③控制系统（二）挤出成型工艺1.挤管工艺过程

均化段是把压缩段送来的的熔融物进一步塑化均匀，并使其定量、定压挤出。 到日前为止，研究最多的是均化段。 下面我们主要是根据其结构，分析熔融物料在均化段中的运动情况，来推算 它的生产率及其影响因素。 （二）挤出机的挤出量（生产率） 1. 挤出机挤出量的理论公式 按上述四种流动方式讨论得知，决定均化段流量的正流、逆流和漏流，而与 横流有关。 故 Q=Q1－（θ2+θ3） 2. 影响挤出量（生产率）的主要因素 ①机头压力与生产率的关联； ②螺杆转速与生产率的关联； ③螺杆和机筒的间隙δ 对生产率的影响； ④螺槽深度对生产率的影响。 三、挤出成型工艺 （一）挤出机的分类和组成 1. 挤出机的分类 挤出机按不同的分类方法可分为很多类，在热型性 GRP 挤出成型中，通常 采用单螺杆挤出机。 2. 组成 以单螺杆挤出机为例 挤出机通常由主机、辅机和控制系统组成 ①挤出机主机 ②挤出机辅机 ③控制系统 （二）挤出成型工艺 1. 挤管工艺过程

以聚丙烯GRP管的挤出成型为例。2.挤管工艺条件塑料管的成型工艺条件，比较复杂，而且随所用塑料种类不同差别较大。采用GF增强后的热塑性GRP挤出成型的各段温度要比未增强的塑料高出10~30℃。3、操作时应注意事项四、挤管时易出现的疵病及解决办法

以聚丙烯 GRP 管的挤出成型为例。 2. 挤管工艺条件 塑料管的成型工艺条件，比较复杂，而且随所用塑料种类不同差别较大。 采用 GF 增强后的热塑性 GRP 挤出成型的各段温度要比未增强的塑料高出 10～30℃。 3、 操作时应注意事项 四、挤管时易出现的疵病及解决办法