内容发布更新时间 : 2024/11/20 1:47:21星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

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，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：①颗粒比粉料加料方便，无需强制加料器；②颗粒料比粉料密度大，制品质量好；③挥发物及空气含量较少，制品不容易产生气泡；④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，色泽一致，外形尺寸不大于3～4mm，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 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 拉片冷切 冷切法 拉片冷切 挤条冷切 干热切 热切法 水下热切 空气热切 ○ ○ △ △ × × × 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 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180~250℃，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： ① 非啮合与啮合型双螺杆； ② 啮合区与封闭型双螺杆； ③ 同向旋转和异向旋转双螺杆； ④ 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：

① 将喂料机调至零位，按下喂料机停止按钮； ② 关闭真空管路阀门；

③ 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； ④ 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； ⑤ 关闭各进水阀门；

⑥ 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？