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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

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（T m）或粘流温度（T f）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T d 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；