1、挤出挤出成型工艺及设备成型工艺及设备 挤出成型工艺是生产热塑性复合材料(Fiber Reinforced Thermo Plastics 简称FRTP)制品的主要方法之一。 工艺过程：工艺过程：先将树脂和增强纤维制成粒料，然后再将粒料加入挤出机内，经塑化、挤出、冷却定型而成制品。 应用： 广泛用于生产各种增强塑料管、棒材、异形断面型材等。 优点： 1、能加工绝大多数热塑性复合材料及部分热固 性复合材料； 2、生产过程连续，自动化程度高； 3、工艺易掌握及产品质量稳定等。 缺点： 只能生产线型制品。 1、FRTP粒料生产工艺及设备 短纤维增强FRTP是将玻璃纤维或其它纤维(长0.2 一7mm)均
2、匀地分布在热塑性树脂基体中的一种复合材料，其生产工艺一般都要经过造粒和成型两个过程。 长 纤 维 ： 3 - 1 3 m m ， 纤 维 平 行 于 粒 料 长度方向排列。 增强粒料 短 纤 维：0.25-0.5mm,纤维和树脂无规 混合 长纤维粒料生产的制品其力学性能较高，短纤维粒料则用于生产形状复杂的薄壁制品。1.1 长纤维粒料生产工艺及设备 1.1.1 造粒工艺 长纤维粒料是将玻璃纤维束包覆在树脂中间，纤维长度等于粒料长度。根据纤维在粒料断面的分布情况，分为三种形式:Lbc(a)bc(b)dbc(c)1.1.2 长纤维粒料的生产工艺流程 玻璃纤维束树脂及助剂包覆机头挤 出冷 却牵 引切
3、粒包 装制 品 1.1.3 生产长纤维增强粒料的设备布置工艺形式 图11-1 增强粒料设备平面布置简图2345671图11-2 增强粒料设备立面布置图1.1.4 机头 玻璃纤维通过型芯中的导纱孔进入机头型腔与熔融的树脂混合。 1236451.1.4.1 型芯构造形式 分瓣式套管式迷宫式1.1.5 牵引和切粒 牵引和切粒一般是在一台机器上完成，牵引机构是由两对牵引辊完成，第一对牵引辊的牵引速度比第二对辊低，从而保证两道牵引辊之间有一定的张力，防止料条堆积，但张力不能过大，否则会将料条拉断。 切粒是用切刀将料条连续不断地切成所需要长度的粒料。 冷切造粒机组 本机组主要由塑料挤出机、冷却水槽、刀式吹
4、干机、切粒机、振动筛五个单元组成，总长约12米，适用于PVC，PE等及其它工程塑料造粒。 最大切粒长度（3mm） 最大切粒长度（3mm） QLJ-3 、SQ2001.2 短纤维粒料生产工艺 1、短纤维粒料生产方法有三种： (1) 短切纤维原丝单螺杆挤出法 将短切玻璃纤维原丝与树脂按设计比例加入到单螺杆挤出机中混合、塑化、挤出条料，冷却后切粒。对于粒料树脂，要重复23次才能均匀。对于粉状树脂，则可一次挤出造粒 。 优点： 纤维和树脂混合均匀，能适应柱塞式注射机生产。 缺点： 玻璃纤维受损伤较严重；料筒和螺杆磨损严重；生 产速度较低；劳动条件差，粉状树脂和玻璃纤维易飞扬。 SJ系列单螺杆挤出机(2
5、)单螺杆排气式挤出机回挤造粒法 将长纤维粒料加入到排气单螺杆挤出机中，回挤一次造粒。如果粒料中挥发物较少，则可用普通挤出机回挤造粒。 优点： 生产效率高；粒料质地密实，外观质量较好；劳动条件好，无玻璃纤维飞扬。 缺点： 用长纤维粒料二次加工树脂老化几率增加；粒料外观及质量不如双螺杆排气式挤出机造粒好。如果考虑到长纤维造粒过程；其工序多，劳动生产率低。 (3)排气式双螺杆挤出机造粒法 将树脂和纤维分别加入排气式双螺杆挤出机的加料孔和进丝口，玻璃纤维被左旋螺杆及捏合装置所破碎，在料简内纤维和树脂混合均匀，经过排气段除去混料中的挥发性物质，进一步塑炼后经口模挤出料条，再经冷却、干燥(水冷时用)，然后
6、切成粒料。粒料中的纤维含量，可由调整送入挤出机的玻纤股数和螺杆转速来控制。 单螺秆挤出机主要是靠机头压力产生均质熔体， 双螺抨挤出机完全是靠螺杆作用使树脂充分塑化，并与纤维均匀复合。 因此，它除具有排气式单螺杆挤出造粒的优点外，比单螺杆挤出机更有效地挤出造粒和利用松散物料。SJSZ系列锥形双螺杆挤出机2、设备生产短纤维粒料的主要设备是挤出机和造粒机头，它不需要单独的牵引和切粒机。A、挤出机 B、造粒机头 长纤维粒料的造粒是采用冷切法，其原因是不使纤维从粒料中抽出，短纤维粒料的造粒是采用热切法。因为从机头挤出来的料条中纤维已经很短，可以不经冷却直接通过造粒机头造粒。构造见P2962 2 影响影响
7、FRTPFRTP性能的因素性能的因素1 基体树脂对FRTP性能影响 1)力学性能提高23倍以上 2)提高热变形温度 3)产品尺寸稳定提高 4)降低线膨胀系数13倍 5)对于吸水率影响 FRTP的耐化学腐蚀性能主要取决于树脂的品种 不同的热塑性树脂，性能差别很大，用纤维增强后，其效果也有很大差别。6)耐疲劳性能、抗蠕变性能 7)防止开裂 2 纤维含量对FRTP性能的影响 3 纤维质量对性能的影响 (1)纤维直径对性能的影响 各种树脂品种的FRTP的最佳纤维含量不同。 一般来讲，纤维直径越细，强度越高，但有时相差不大，可能是因为纤维细强度高，但同样含量纤维用在CM中，弱界面也随之增加，加工过程中纤
8、维磨损严重，强度损失也较大。(2)纤维长度和分散状态对性能影响 (3)玻璃纤维表面处理对CM性能影响 一般规律是纤维越长，制品强度越高。试验表明，当玻纤长度小于0.04mm时，纤维不起增强作用。 纤维在制品中的分散状况对制品性能影响较大。一般来讲，纤维分散越均匀，机械强度和热性能就越好，弹性模量也有明显的增加，所以要保证纤维尽可能分散均匀。 玻纤表面处理情况对FRTP性能影响很大。处理后，力学性能有明显的提高。表11-5。界面问题表面：把物体与空气接触的面叫该物体的表面。液体表面液体与饱和了的空气所接触的面。固体表面固体与它接触的空气面。界面：把几个不同相相互交界部分叫“界面”。 界面包括表面
9、，比表面范围大。3 FRTP挤出成型工艺 定义： 挤出成型需要完成粒料输运、塑化和在压力作用下使熔融物料通过机头口模获得所要求的断面形状制品。 图11-16 挤出成型示意图1-转动机构；2-止推轴承；3-料斗；4-冷却系统； 5-加热器； 6- 螺杆；7-机筒；8-滤板；9-机头孔型加料 塑化 成型 定型 过程: 加料段 压缩段 均化段 3 FRTP挤出成型工艺料温料温/ /TfTg料温料温/ /MPaMPa机头加料段压缩段均化段图图11-17 11-17 挤出过程中物料和压力的变化挤出过程中物料和压力的变化 粒料从料斗进入到挤出机的机筒，在热压作用下发生物理变化，（非化学变化），并向前推进。
10、由于滤板、机头和机筒的阻力，使粒料压实，排气；与此同时外部热源与和物料摩擦热使粒料受热塑化，变成熔融粘流态，凭借螺杆推力，定量地从机头挤出，挤出过程中的压力和温度变化为图图11-17 11-17 挤出过程中物料和压力的变化挤出过程中物料和压力的变化料温料温/ /TfTg料温料温/ /MPaMPa机头加料段压缩段均化段1 加料段工作原理 靠螺纹旋转时产生的轴向分力向前推进。如图11-18 加料段由加料区（料斗）、固体输送区和迟后区所组成。功能是对加入的料进行压实和输送。F1向前FF2向上 粒料在机筒内的运动可以分解为旋转运动和轴向运动；旋转运动是由粒料和螺杆的摩擦作用，被螺杆带动旋转；轴向运动是
11、靠螺纹旋转时产生的轴向分力向前推进。为使粒料沿轴向运动，采取的措施有：1、提高螺杆的表面光洁度，使其高于机筒表面光洁度。2、加料段的料筒温度高于螺杆温度（因为粒料熔融前与钢铁的摩擦系数随温度升高而增大）3、机筒表面开设纵向槽沟。 在加料段的末端，由于摩擦热的作用，与机筒内壁接触的粒料已达到粘流温度，并开始熔融。2 压缩段工作原理 松散的粒料被压实、软化，同时把夹带的空气压回到加料口排出。如图11-19 把压缩段送来的熔融物料进一步塑化均匀，使其能定量、定压挤出。螺杆结构如图11-20 3 均化段工作原理 至压缩段末端，全部物料已转变为粘流态。压缩比：螺杆在加料口的螺槽容积与均化段最后一个螺槽容
12、积之比。图11-18 塑料在普通螺杆挤出机中的挤出过程简图图11-19 固体物料在螺槽中的熔融过程 1-熔膜；2-熔池；3-迁移面（分界面）；4-熔结的固体粒；5-未熔结的固体粒子机筒1螺杆2345(1)正流 (2)逆流 (3)横流 (4)漏流 图11-20 螺杆几何构造DtyezWxh作业：1、长纤维的造粒工艺； 2、挤出机螺杆压缩段的功用； 3、纤维质量对FRTP性能的影响。4 FRTP管挤出成型工艺 1 挤管工艺 FRTP管的成型条件与普通塑料管工艺基本相似，只是成型温度要提高10-20。 物料在主机内塑化完全后，经虑板、分流器和型孔初步定型，经过定径套初步冷却定型，进入冷水槽硬化，再经
13、牵引装置引出，定长切断。成型过程中，不断由模心通入压缩空气，保证管材挤出后的尺寸稳定。3 挤管过程中注意事项 (1)温度高1020； (2)型孔温度比机头温度稍低； (3)开车时要慢转； (4)开始时不要加足料； (5)不使制品产生内应力和气泡。 2 成型条件 见表11-7，P303 5 挤出成型设备 1 挤出成型机组组成 挤出机主机、辅机和控制系统组成。 1.1 挤出机主机组成 (1)挤压系统 (2)传动系统 (3)加热和冷却系统 2 挤出机辅机 由机头、定型装置、冷却装置、牵引装置、切割装置和堆放装置组成 评价挤出机，从两个方面考虑：(1)生产能力的高低，适用范围是否广泛 (2)应具有较完
14、善的控制系统 (1)、机头 机头的型孔决定制品断面的形状，不同的制品可更换。(2)、定型装置 其作用是稳定挤出型材的形状，一般采用冷却式压光法。(3)、冷却装置 使挤出的制品充分冷却固化。(4)、牵引装置 将挤出制品引出，牵引速度的大小对断面尺寸也有一定影响，对生产效率有一定的影响。(5)、切割装置 将挤出的制品按要求切断。(6)、堆放装置 将切断的制品整齐堆放。三、控制系统一般是电器控制设备或计算机控制系统。作用：保证机组正常运行，使设备准确完成各工艺动作。5.2 挤出机主机一、分类及构造按工作原理分螺杆式无螺杆式单螺杆式双螺杆式普通型高速自热型按排气状况分排气式分段组合式按用途分造粒挤出机
15、超高分子量挤出机混炼挤出机安装位置分立式挤出机卧式挤出机目前用的最广泛的是卧式单螺杆和双螺杆挤出机。二、单螺杆挤出机（前11-25图）其基体结构包括（1）、加料装置 一般为锥形漏斗，其大小能容纳1小时用料为宜。料斗内装有阀门，定量计算，卸除余料等装置。（2）、挤压系统 包括螺杆、机筒、端头多孔板。a、螺杆 （图11-26）加料段L1，压缩段L2，均化段L3 (通常螺杆) 螺槽越来越浅。 图11-27 排气式螺杆 分为六段。 其它工艺参数见 P307b、机筒 工作过程中压力3050MPa， 150300 机筒强度需强度高、耐腐蚀、耐磨损； 机筒外采用电阻加热和水冷却。c、筒端多孔板 使物料由旋转
16、流动变为直线流动，沿螺杆轴方向形成压力，增大塑化的均匀性。 多孔板的孔径为36mm，板厚为直径的1/5。三、双螺杆挤出机 在“”字形机筒内，装有两根互相啮合的螺杆。 双螺杆挤出机的每根可以是整体，也可以加工成几段组装，其形状可以是平行式，也可以是锥形，两螺杆的旋转方向分为同向和异向两种。（1）双螺杆挤出机的特点 a、由摩擦产生的热量较少； b、物料受到的剪切力比较均匀； c、输出能力较大，挤出量比较稳定； d、机筒可以自动清洗。MSSJ-30120/25单螺杆挤出机系列锥形双螺杆挤出机 移动式挤出机系列（专用型） 平行螺杆积木块平行螺杆积木块往复式螺纹块往复式螺纹块平行积木式螺杆平行积木式螺杆
17、 a、螺杆直径 45400mm，国产最大250mm； b、螺杆长径比 一般为78，最长可达36； c、螺槽深度 可以取较大的螺槽深度，可以超过0.06D d、螺纹厚度 P308计算公式 （2）螺杆的主要参数e、螺杆转速 同向旋转转速可达 300转/分 双向旋转转速可达 850转/分f、双螺杆的中心距A 0.71 Ds （Ds螺杆外径） 单螺纹、双螺纹、三头螺纹（来复线根数）g、螺杆转向 目前国内多采用双向旋转式，可加工硬度较大的塑料混合料。h、螺杆与机筒的间隙 0.32 mm小直径螺杆取大值，大直径取小值。（大直径不易变形）四、挤出机生产能力计算（1）经验公式计算法 Q nD2Q挤出量，cm3
18、/sn螺杆转速，r/sD螺杆直径， cm系数，0.0030.007Q0.06D2.5 （11-2）（2）理论公式计算五、影响挤出机生产能力的因素（1） 物料压力与生产能力的关系 正流量与压力无关，倒流和漏流量与压力成反比，因此，一般压力增加挤出机产量降低。如图11-30。 螺杆与机筒的间隙愈大，产量降低愈多。 但是提高压力对物料的塑化有利。（2） 树脂种类及螺杆转速对生产能力的影响 转速增加生产能力增加； 不同树脂，其增加的幅度不一样。 图11-31（3） 螺杆几何尺寸对生产能力的影响 a、螺杆直径越大生产能力越大； b、螺槽深度 螺槽深度大，当压力低时生产能力大；当压力高时生产能力小。如图1
19、1-32 c、螺杆长度 均化段长度增加，生产能力增加； d、螺杆与机筒间隙 间隙愈大产量愈低。 Q漏3（4） 温度对生产能力的影响 T升高时，生产能力下降； 原因：T升高时，物料粘度下降，逆流、漏流增加。六、部分国产挤出机型号和性能 表11-9 SJ表示塑料挤出机；Z表示造粒机； W表示喂料机 5.3 辅机作用：是将连续挤出的已获得初步形状和尺寸的制品进行定型，达到一定的表面质量，最终成为可供使用的制品或半成品。 一、制管和异型材的辅机 如图11-23，前面已经介绍过的挤管工艺流程。 辅机由机头、定型装置、冷却装置、牵引装置、夹紧切割装置等组成。（1） 机头 分为直型和弯型两种。图11-35为
20、直型挤管机头。 机头的设计制造原则如下：（1）（5） P313 实践证明：口模形状和挤出制品的界面形状有很大关系，正确的口模设计如表11-10（2） 定型装置 从机头挤出的制品处于熔融状态，(温度很高)，在重力作用下容易变形，因此在机头后必须立即冷却，以使制品定型。 定型装置分为外径定型和内径定型两种。1） 外径定型 是国内普遍采用的方法，又分为内压定型和真空定型。 内压定型法：是在机头芯棒的肋上打孔，向管内或型材内通入压缩空气，由气体压力的作用，使管壁与定径套壁接触，定径套靠水冷却，使管初步冷却然后进入水槽内进一步冷却定型。 图11-37 内压定径套示意图。 真空定型法：由真空定型套、冷却水
21、槽、真空泵、电机、管道等组成。 采用在制品与定型套之间抽真空，使制品与定型套接触冷却的方法。 与内压法相比，此法更适合于异型材的生产，此法无内压力，制品的内压力较小，操作方便，废品率低。 在生产中采用更加简单实用的校准技术的设想，促进了校准套管革命性的发展。适用于HDPE管及PP管生产中，通过校准套管的调准技术，可以平衡由不同原料及不同压力等因素造成的管壁收缩数值。 同时具有如下有优势：- 可调直径范围大。适用于16mm到630mm。目前最大已可达1600mm。- 操作简便，独立高效。外径可在真空定径前得到直接的调整。- 外径调整比率大。160mm的管径，最大可调12.7mm，调整比率达8%。
22、 调整套管可以分成两端来适应增加或减少的管道外径，这样有一个很大的调整范围，需要的管道直径用一个可变的锥形环来调整。 设计中涉及的入口尺寸不受调整功能的影响，调整套管入口尺寸等同于高容量套管的尺寸。 在生产过程中，调整套管的直径可以手动调整，当然也可以选择自动调整。 校准套管必需有很好的滑动性和极好的导热性，此外还需要抗磨损。因为这些因素，校准套管是采用一种几乎不磨损的合金用离心工艺铸造的，校准圆盘采用高质铬钢材料。 标准的制造材料是青铜。当然也可选择用防腐的铝合金材料作为制造材料。在特殊情况下，也可根据生产的要求选择镀铬、镀镍材料。如果这些情况均不能满足生产中的实际要求，那么也可选择不锈钢材
23、料。 2） 内径定型 图11-39，靠芯棒冷却定型的方法。冷却水通入芯棒，同时使制品与芯棒接触冷却。 为适应收缩，芯棒一般制作成锥形，锥度为0.6； 与外径定型相比：内径定型的内表面光滑，外径定型的外表面光滑。（3） 冷却装置 制品由定型装置出来后，并未完全冷却，还需要继续降温。冷却装置：浸浴法与喷淋法。 1） 浸浴式冷却水槽 图11-40，冷却水槽长26m，冷却水从制品的最后一段流入，即逆流法，使制品逐渐冷却。（用于小口径管或异型材），水应埋没制品。 2） 喷淋式冷却箱 图11-41，用于较大截面的制品，由几个喷淋管喷水冷却。（4） 牵引装置 作用：给挤出管提供一定的牵引力，牵引速度。均匀稳
24、定地将制品引出。 牵引装置必须满足： a、速度无级调节； b、牵引力、速度保持恒定； c、对制品的夹持力能够调节 牵引速度一般比挤出速度略快。牵引装置分履带式、扎轮式两种。a、履带式牵引装置 图11-42，由26条可调节的履带组成，均匀地分布在管材地四周。其特点：P316 三段。b、扎轮式牵引装置 图11-43，由25对牵引滚轮组成，下轮为主动轮，上轮为从动轮。 此种牵引装置轮与管子地接触面小，适合于管径较小地制品（100mm以下），但设备简便。（5） 切割装置 a、自动或手动园锯切割机 如图11-44，由行程开关控制夹持器和电动锯片。夹持器夹住制品之后，锯座与制品同步运动，锯片开始切割，切断
25、后夹持器松开返回原处。（适用于切200mm直径以下的管） b、行星切割装置 锯片不仅自转，而且围绕管的直径旋转，锯片可以是一个也可以是几个。适用于切大口径管。三、挤板辅机 （前面介绍的是挤管异型材辅机，下面介绍挤板辅机） 挤板工艺流程如图11-45。 主要设备：挤出机、机头、三辊压光机、牵引机、切割机等。 （1）挤板机头 扁平式机头，按机头内部结构可分为： a、鱼尾板形机头、 b、支管式机头 c、衣架式机头 d、螺杆分配机头（a） 鱼尾板机头 图11-46，形状象鱼尾，适合于宽幅板生产，结构简单，容易制造。（b） 支管式机头 图11-47 特点：机头内有一个圆筒形槽，槽内可贮存一定量的物料，起
26、到使料流稳定，压力稳定的作用。 另外，其结构简单，机头体积小，操作方便，但物料在机头内停留时间长，易分解，不适于热敏性树脂。（c） 衣架式机头 图11-48 综合了支管式和鱼尾式机头的优点，并缩小了支管式圆形槽，使停留时间减少，采用了鱼尾式机头的扇形流槽。但结构复杂，制作难度大，造价高。（d） 螺杆分配机头 图11-49 其特点是在支管式机头的支管内安装一根分配螺杆，分配螺杆由独立的电机驱动，使熔融物料不在支管内滞留，并保证物料在宽度方向分配均匀。 特点：适应树脂品种多，构造复杂，产品易出现波浪形痕迹。（2） 压光机 作用：压光、冷却和一定的牵引作用。 压光辊的长度一般比挤出机机头稍宽，表面镀
27、铬。 三辊压光机距机头的距离510cm，愈近愈好，减少制品收缩。 三辊压光机的牵引速度应比挤出机速度快1025，由此可消除皱纹并减少板材的挤出膨胀内应力，起到很好的压光作用。 三辊压光机排列形式如图11-50（3） 牵引装置 由一对钢轮组成，一主动轮、一从动轮，外包橡胶防止打滑，要求无级调速。 其牵引速度应与压光机同步，考虑冷却收缩，可略小于压光机速度。（4）切割与卸料机构 切割分为：a、切边园盘切割机 b、切断切刀 卸料机构作用：将切断的板材堆集起来。 下堆料式 图11-51 目前采用较多 侧堆料式 前堆料式下堆料式卸料机原理： 切断后的板材到达翻料位置后，触动行程开关，翻转电机依靠自重向两侧翻下，板材落在接料车上，并触动另一行程开关，使翻转电机反转，翻板回复原位。思考题1-11。
