高分子材料成型工艺学实验指导书讲解.docx
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高分子材料成型工艺学实验指导书讲解
高分子材料成型工艺学
实验指导书
材料学院实验实习中心
实验一塑料共混改性3
实验二橡胶类材料混炼7
实验三塑料熔体流变性能测试9
实验四塑料压制成型14
实验五PP塑料制品注射成型及性能测定16
实验六塑料挤出成型19
实验一塑料共混改性
一、实验目的
1.加深对高分子材料共混改性基本原理的理解。
2.掌握塑料共混改性实验操作方法.
二、实验原理
塑料的简介
塑料为合成的高分子化合物{聚合物(polymer)},又可称为高分子或巨分子(macromolecules),也是一般所俗称的塑料(plastics)或树脂(resin),可以自由改变形体样式。
是利用单体原料以合成或缩合反应聚合而成的材料,由合成树脂及填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料等添加剂组成的,它的主要成分是合成树脂。
树脂[2]这一名词最初是由动植物分泌出的脂质而得名,如松香、虫胶等,目前树脂是指尚未和各种添加剂混合的高聚物。
树脂约占塑料总重量的40%~100%。
塑料的基本性能主要决定于树脂的本性,但添加剂也起着重要作用。
有些塑料基本上是由合成树脂所组成,不含或少含添加剂,如有机玻璃、聚苯乙烯等。
所谓塑料,其实它是合成树脂中的一种,形状跟天然树脂中的松树脂相似,但因又经过化学的力量来合成,而被称之为塑料。
根据美国材料试验协会所下的定义,塑料乃是一种以高分子量有机物质为主要成分的材料,它在加工完成时呈现固态形状,在制造以及加工过程中,可以借流动(flow)来造型。
因此,经由此说明我们可以得到以下几项了解:
●它是高分子有机化合物
●它可以多种型态存在例如液体固体胶体溶液等
●它可以成形(moldable)
●种类繁多因为不同的单体组成所以造成不同之塑料
●用途广泛产品呈现多样化
●具有不同的性质
●可以用不同的加工方法(processingmethod)
塑料和树脂这两个名词也常混用。
塑料可区分为热固性与热可塑性二类,前者无法重新塑造使用,后者可一再重复生产。
塑料高分子的结构基本有两种类型:
第一种是线型结构,具有这种结构的高分子化合物称为线型高分子化合物;第二种是体型结构,具有这种结构的高分子化合称为体型高分子化合物。
有些高分子带有支链,称为支链高分子,属于线型结构。
有些高分子虽然分子间有交联,但交联较少,称为网状结构,属于体型结构。
高分子的分子结构分类:
(a)线型结构
(b)线型结构(带有支链)
(c)网状结构(分子链间少量交联)
(d)体型结构(分子链间大量交联)
两种不同的结构,表现出两种相反的性能。
线型结构(包括支链结构)高聚物由于有独立的分子存在,故有弹性、可塑性,在溶剂中能溶解,加热能熔融,硬度和脆性较小的特点。
体型结构高聚物由于没有独立的大分子存在,故没有弹性和可塑性,不能溶解和熔融,只能溶胀,硬度和脆性较大。
塑料则两种结构的高分子都有,由线型高分子制成的是热塑性塑料,由体型高分子制成的是热固性塑料。
塑料与其它材料比较有如下的特性:
〈1〉耐化学侵蚀
〈2〉具光泽,部份透明或半透明
〈3〉大部份为良好绝缘体
〈4〉重量轻且坚固
〈5〉加工容易可大量生产,价格便宜
〈6〉用途广泛、效用多、容易着色、部份耐高温
塑料也区分为泛用性塑料及工程塑料,主要是用途的广泛性来界定,如PE、PP价格便宜,可用在多种不同型态的机器上生产。
工程塑料则价格较昂贵,但原料稳性及物理物性均好很多,一般而言,其同时具有刚性与韧性两种特性。
表1.1为塑料原料对照表,1至8项为泛用性塑料,第9、10项介于二者之间。
一般称PP、HDPE、LDPE、PVC及PS为五大泛用塑料。
表1.1常用塑料原料对照表
学名
英文简称
中文学名
俗称
Polypropylene
PP
聚丙烯
HighDensityPolyethylene
HDPE
高密度聚乙烯
硬性软胶
LowDensityPolyethylene
LDPE
低密度聚乙烯
LinearLowDensityPolyethylene
LLDPE
线性低密度聚乙烯
PolyvinylChloride
PVC
聚氯乙烯
GeneralPurposePolystyrene
GPPS
一般级聚苯乙烯
硬胶
ExpansiblePolystyrene
EPS
发泡性聚苯乙烯
发泡胶
HighImpactPolystyrene
HIPS
耐冲击性聚苯乙烯
耐冲击硬胶
Styrene-AcrylonitrileCopolymers
AS,SAN
苯乙烯─丙烯青共聚物
透明大力胶
Acrylonitrile-Butadiene-StyreneCopolymers
ABS
丙烯青─丁二烯─苯乙烯共聚合物
超不碎胶
PolymethylMethacrylate
PMMA
聚甲基丙烯酸酯
压克力
Ethylene-VinylAcetateCopolymers
EVA
乙烯─醋酸乙烯之共聚合物
橡皮胶
PolyethyleneTerephthalate
PET
聚对苯二甲酸乙酯
聚酯
PolybutyleneTerephthalate
PBT
聚对苯二甲酸丁酯
Polyamide(Nylon6.66)
PA
聚醯胺尼龙
Polycarbonates
PC
聚碳酸树酯
防弹胶
Polyacetal
POM
聚缩醛树酯
赛钢、夺钢
Polyphenyleneoxide
PPO
聚氧化二甲苯
Noryl
Polyphenylenesulfide
PPS
聚苯硫醚
Polyurethanes
PU
聚胺基甲酸乙酯
两种或多种塑料混合在一起加工成的材料可以实现性能互补,提高综合性能。
四、实验步骤
聚丙烯和聚乙烯共混改性
双螺杆配料混炼挤出
开车操作
(1)预热升温:
按工艺要求对各加热区温控仪表进行参数设定。
各段加热温度达到设定值后,继续恒温30分钟,同时进一步确认各段温控仪表和电磁阀(或冷却风机)工作是否正常。
(2)启动润滑油泵,再次检查系统油有无泄露,打开润滑冷却器冷却水开关(当气温较低或工作后油箱温升较小时,冷却水亦可不开)。
(3)用手盘动电机联轴器,保证螺杆正常方向至少转动三转。
将主机调速旋钮设置在零位,启动主电机,逐渐升高主螺杆转速,在不加料的情况下空转转速不高于20r/min,时间不大于1分钟,检查主机空载电流是否稳定。
主机转动若无异常,低速启动主机主喂料电机,开始加料。
待机头有物料排出后再缓慢的升高主螺杆转速和主喂料螺杆转速,升速时影先升主机速度,待电流回落平稳无异常后再升速加料,并使喂料机和主机转动相匹配,每次主螺杆升速不大于50转合理的,若喂料机升速按工艺要求逐渐加量,升速直至达到工艺要求的工作状态。
(4)对于多路近了系统,待主机和主喂料系统运转正常,方可按工艺要求依次启动各辅机喂料装置。
调节过程中随时密切注意主机电流指示,原则控制主机电流不超过额定电流的80%。
同时注意整个机组运转情况,应及时停车处理。
(5)对于双阶机组,首先用硬纸板挡住单螺杆机入料口,待双螺杆主机出的料塑化状态正常,同时单螺杆机各段加热温度已达到设定值且已恒温20分钟,启动单螺杆,去掉硬纸板,让料落入单螺杆机挤出造粒。
(6)各筒体段冷却管路装有手动节流阀及电磁阀。
加料段筒体仅有手动节流阀。
在开车启动阶段,软水循环系统不需使用,待主机运转平衡后,则可启动软水系统水泵,然后微微打开需冷却筒体段节流阀门(不可猛然全开),等待数分钟观察该段温度变化情况,若无明显下降趋势或下降至某一新平衡温度,但仍超出允许值时,则可再适当调大管路阀门的开度。
这一过程往往需一定反复方可达到要求,阀门开度调节确定后,对同一物料作业一般不需要再进行调节。
五、思考题
通过共混改性可以实现哪些改性要求?
实验二橡胶类材料混炼
一、实验目的
1.加深对橡胶类材料混炼基本原理的理解。
2.掌握橡胶加工的实验操作方法.
二、实验原理
橡胶按原料分为天然橡胶和合成橡胶。
按形态分为块状生胶、乳胶、液体橡胶和粉末橡胶。
乳胶为橡胶的胶体状水分散体;液体橡胶为橡胶的低聚物,未硫化前一般为粘稠的液体;粉末橡胶是将乳胶加工成粉末状,以利配料和加工制作。
20世纪60年代开发的热塑性橡胶,无需化学硫化,而采用热塑性塑料的加工方法成形。
橡胶按使用又分为通用型和特种型两类。
橡胶分为天然橡胶和合成橡胶。
天然橡胶主要来源于三叶橡胶树,当这种橡胶树的表皮被割开时,就会流出乳白色的汁液,称为胶乳,胶乳经凝聚、洗涤、成型、干燥即得天然橡胶。
橡胶制品
合成橡胶是由人工合成方法而制得的,采用不同的原料(单体)可以合成出不同种类的橡胶。
1900年~1910年化学家C.D.哈里斯(Harris)测定了天然橡胶的结构是异戊二烯的高聚物,这就为人工合成橡胶开辟了途径。
1910年俄国化学家SV列别捷夫(Lebedev,1874-1934)以金属钠为引发剂使1,3-丁二烯聚合成丁钠橡胶,以后又陆续出现了许多新的合成橡胶品种,如顺丁橡胶、氯丁橡胶、丁苯橡胶等等。
合成橡胶的产量已大大超过天然橡胶,其中产量最大的是丁苯橡胶。
通用橡胶
是指部分或全部代替天然橡胶使用的胶种,如丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶等,主要用于制造轮胎和一般工业橡胶制品。
通用橡胶的需求量大,是合成橡胶的主要品种。
丁苯橡胶
丁苯橡胶[1]是由丁二烯和苯乙烯共聚制得的,是产量最大的通用合成橡胶,有乳聚丁苯橡胶、溶聚丁苯橡胶和热塑性橡胶(SBS)。
顺丁橡胶
是丁二烯经溶液聚合制得的,顺丁橡胶具有特别优异的耐寒性、耐磨性和弹橡胶轮胎
性,还具有较好的耐老化性能。
顺丁橡胶绝大部分用于生产轮胎,少部分用于制造耐寒制品、缓冲材料以及胶带、胶鞋等。
顺丁橡胶的缺点是抗撕裂性能交差,抗湿滑性能不好。
异戊橡胶
异戊橡胶是聚异戊二烯橡胶的简称,采用溶液聚合法生产。
异戊橡胶与天然橡胶一样,具有良好的弹性和耐磨性,优良的耐热性和较好的化学稳定性。
异戊橡胶生胶(未加工前)强度显著低于天然橡胶,但质量均一性、加工性能等优于天然橡胶。
异戊橡胶可以代替天然橡胶制造载重轮胎和越野轮胎还可以用于生产各种橡胶制品。
乙丙橡胶
乙丙橡胶以乙烯和丙烯为主要原料合成,耐老化、电绝缘性能和耐臭氧性能突出。
乙丙橡胶可大量充油和填充碳黑,制品价格较低,乙丙橡胶化学稳定性好,耐磨性、弹性、耐油性和丁苯橡胶接近。
乙丙橡胶的用途十分广泛,可以作为轮胎胎侧、胶条和内胎以及汽车的零部件,还可以作电线、电缆包皮及高压、超高压绝缘材料。
还可制造胶鞋、卫生用品等浅色制品。
氯丁橡胶
它是以氯丁二烯为主要原料,通过均聚或少量其它单体共聚而成的。
如抗张强度高橡胶制品
,耐热、耐光、耐老化性能优良,耐油性能均优于天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶。
具有较强的耐燃性和优异的抗延燃性,其化学稳定性较高,耐水性良好。
氯丁橡胶的缺点是电绝缘性能,耐寒性能较差,生胶在贮存时不稳定。
氯丁橡胶用途广泛,如用来制作运输皮带和传动带,电线、电缆的包皮材料,制造耐油胶管、垫圈以及耐化学腐蚀的设备衬里。
橡胶加工
本过程包括塑炼、混炼、压延或挤出、成型和硫化等基本工序,每个工序针对制品有不同的要求,分别配合以若干辅助操作。
为了能将各种所需的配合剂加入橡胶中,生胶首先需经过塑炼提高其塑性;然后通过混炼将炭黑及各种橡胶助剂与橡胶均匀混合成胶料;胶料经过压出制成一定形状坯料;再使其与经过压延挂胶或涂胶的纺织材料(或与金属材料)组合在一起成型为半成品;最后经过硫化又将具有塑性的半成品制成高弹性的最终产品。
四、实验步骤
单螺杆配料混炼挤出
1.将挤出机各段开关打开,各段温度设定如下:
一段:
120℃,二段:
180℃,三段:
200℃,机头:
200℃,打开料斗冷却开关。
当各段温度达到设定之后,恒温半小时,准备开机。
2.将LDPE粒料加入料斗,先将主机转速旋钮调至“0”位,按启动旋钮,缓慢转动调速旋钮,将螺杆转速升到需要位置,稳定半分钟。
转速取值:
0,5,10,20,40,60r/min,挤出时间均为半分钟(30s)。
3.用刮刀切去先头料,同时开始计时,半分钟后,取料称量同时记录取样时的电流表和电压表读数。
二者之积作为挤出机功率。
4.每一转速下均取样称量记录三次,取平均值作为该转速下对应的产量及功率。
5.加入不同比例的橡胶进行混炼操作,并计算对应功率下的产量。
开炼机混炼
打开双滚开炼机,调整好两滚的距离,速度,慢慢加入橡胶,填料等,炼制到成光滑的致密薄片为止。
注意操作安全!
!
!
实验三塑料熔体流变性能测试
一、实验目的
1.熟悉计算机处理流变分析的原理。
2.掌握MLW-400型计算机控制流变仪使用。
二、实验原理
MLW系列计算机处理流变测试仪是采用大规模集成电路,具有数字化,智能化,高可靠性能的新型材料实验仪器。
本机综合国内外同类机型的优点,采用高稳定性负荷、位移测量仪和先进的日本富士数字调速系统。
在WINDOWSXP平台下采用先进的计算机处理软件—自动调零。
可以手动控速及自动控速。
对数据自动处理。
动态曲线分析(可动态放大缩小)。
彩色图形显示,预览打印输出实验结果,并对所做实验数据进行存盘处理。
它可以对非金属材料进行流变试验。
适用于科研,教学。
出厂产品均经国家计量局鉴定,达到国家计量标准。
主要技术指标
1.传感器的额定负荷值,例:
(10000N)
负荷测量精度:
±1%
2.负荷分辨率:
100000码
3.计算机速度设定:
500mm/min-0.001mm/min
4.位移测量精度:
±1%
三、实验仪器
MLW-400型计算机控制流变仪
四、实验步骤
1.速度控制系统操作说明:
(因工作条件设定)
当对速度进行手动控制时,按一下速度手控盒上的“F”功能键,液晶显示屏上末位数字闪烁,此时可对该数值设定:
每按一下”<”键,闪烁位向前移动一位,并对该位进行数值设定,之后,按一下”F”键对所做设置进行确认,速度设置完毕。
当使用计算机控制速度进行试验时,手动设置无效。
速度完全通过计算机通信设备进行控制。
在速度控制盒下方的功能键为速度微调控制键。
按住此键时横梁将以5mm/min的速度移动。
当需对横梁位置进行细调时使用此键。
当意外发生时,可按下急停开关,停止电机转动。
2.计算机系统控制软件的使用方法:
打开计算机电源(POWER)开关,进入WINDOWSXP界面,双击流变仪图标,进入流变控制软件进行试验。
见图1
2.1.试验条件设置:
点击“试验条件设置图标,出现图2对话框。
其中有四个选项卡依次为整机条件设置。
压力与毛细管设置、试验时间与速度设置、试验温度设置。
下面对话框为整机条件设置选项卡,依次设定试验单位、路径名、传感器额定值、位移额定值、时间等参数。
图1图2
图3图4
上面对话框为压力与毛细管设置选项卡,依次设定试验方法、试验压力、流道长度、毛细管半径等参数,请选择要试验的方法,如果试验压力、流道长度、毛细管半径只设定第一个输入框,一组试验都用一个参数进行试验。
如果试验压力、流道长度、毛细管半径设定不同参数(最多可设定十个),一组试验按顺序按不同参数进行试验。
图4对话框为试验时间与速度设置选项卡,依次设定试验时间、试验速度、控制速度等参数,如果试验时间、试验速度、控制速度只设定第一个输入框一组试验都用一个参数进行试验。
如果试验时间、试验速度、控制速度分别设定不同参数(最多可设十个),一组试验按顺序按不同参数进行试验。
同理,对话框试验温度设置选项卡,依次设定基础温度,试验温度,升温速率等参数,如果基础温度,试验温度,升温速率只设定第一个输入框一组试验都用一个参数进行试验。
如果基础温度,试验温度,升温速率分别设定不同参数(最多可设十个),一组试验按顺序按不同参数进行试验。
设定完毕后,单击“进入试验“结束设置,进入试验。
(注:
以上所设的条件对话框设定完后,可以保存成文件,以备下次做试验时调用。
)
2.2试验阶段:
屏幕左边显示:
样品编号,位移显示,时间显示,负荷示值,温度显示,试验提示框;屏幕右边显示试验流出过程曲线:
纵坐标显示位移(mm)或负荷(N),温度(℃)。
横坐标显示时间(min)或位移(mm)。
这根据设定的试验方法。
图5图6
(注:
如设定为恒压力试验总左边为位移,横坐标为时间。
如设定为恒速度试验纵坐标为负荷,横坐标为位移。
横坐标为时间。
如设定升温速率试验纵坐标为温度,横坐标为位移。
)
单击“准备试验”按钮,进入力值调零与升温,力值自动调为零点,当温度升到设定值“开始试验”按钮被击活。
单击“开始试验”按钮试验开始,按试验提示框进行试验。
试验结束后弹出下面对话框。
否则,试验停止时,按“试验结束”按钮弹出以下对话框。
对当前的试样满意按是(Y)保存,不满意按否(N),并弹出对话框,如需要继续试验按是(Y),进行下一个试样试验,重复以上试验过程,按否(N)结束试验,自动保存试验结果。
一组试验最多可做10个试样。
图7图8
2.3.曲线分析:
在工具栏上单击”打开”图标,选择要分析的曲线文件,确定后单击”曲线分析”图标,屏幕显示试验曲线,(如图8)进入分析过程.
对话框中可显示多种曲线,根据参数的设定与试验方法,分别可绘制出位移-时间,毛位移-时间,负荷-位移,负荷-毛位移,温度-位移,温度-毛位移,压力差-流率,㏒应力-㏒速率,压力差-长径比,㏒粘度-㏒速率,修正㏒应力-㏒速率,修正㏒粘度-㏒速率,㏒粘度-1/绝对温度等多种曲线。
图9图10
选择要处理曲线(单击曲线或右侧单选按钮),在对话框内单击右键,出现对话框.单击是否标识采样点多选按钮,曲线上的点将以标识“×”方式出现.单击是否可见多选按钮,可隐藏选定曲线.(在曲线缩放时,可对单点分析)。
点击“配制”,弹出曲线分析设置对话框,在颜色管理选项中可看到曲线颜色,选中颜色等颜色情况.曲线缩放选项中可改变曲线缩放方式。
图11图12
点击“遍历”按钮,在曲线分析对话框中移动鼠标,出现遍历曲线,在遍历过程中,在曲线分析对话框左下角显示试样在该点的位移、采样点、时间等数据。
在遍历过程中选定合适的点后,单击鼠标右键出现“选中间点”对话框,此时对话框中的数据为所选数据,单击“中间点”按钮选中该点(中间点可选三点),单击“关闭”对话框,结束中间点选取。
如果是升温速率试验温度点按钮,显示框,对应的取消按钮与曲线分析对话框上的熔点温度处理按钮都将被点亮.像取中间点一样取上限温度和下限温度两点温度值,可计算出熔点温度。
单击曲线分析对话框中间点处理按钮,显示所选的中间点数据。
图13图14
单击曲线分析对话框熔点温度处理按钮,显示所选的熔点温度数据。
单击“放大”按钮,在曲线区域内可拖放或单击放大,在曲线“放大”时,单击“缩小”,按钮可使曲线缩小到原始曲线,单击“还原”按钮可使曲线回到原始曲线.
单击“数据处理”按钮在弹出的对话框中可看到试验数据(这些数据为计算机自动处理)
单击曲线分析对话框“打印”按钮,出现“打印方式选择”对话框,选中单选按钮可对曲线数据或中间点数据打印。
图15图16
单击曲线分析对话框“数据保存”按钮.即保存全部试验数据.试验人员查看有关处理结果和曲线,可直接打开存储的文件进行曲线分析.
关闭曲线分析对话框回到主界面单击“转存为Excel文件”按钮,把数据转存到Ecxel文件下
数据在F盘下,Excel实验数据文件夹下,流变文件夹下.共有两个文件.
①.流变数据曲线,包括整个一组试验中的位移,负荷,时间,温度所有点的数据.
②.是修正曲线,包括整个一组试验中多条曲线组和修正的体积流率,压力差,长径比.剪切应力,剪切速率,表观粘度,绝对温度,改正的剪切应力,改正的剪切速率,改正的表观粘度等所有数据点.
③.是㏒修正曲线,包括整个一组试验中多条曲线组和修正的体积流率,压力差,长径比.剪切应力,剪切速率,表观粘度,绝对温度,改正的剪切应力,改正的剪切速率,改正的表观粘度等所有数据点.其中剪切应力,剪切速率,表观粘度,改正的剪切应力,改正的剪切速率,改正的表观粘度都是计算成㏒形式。
注意事项:
1、在仪器运转过程中,当横梁碰到限位装置时,请按下速度控制箱上的红色按钮关掉电源。
调整后重启速度控制箱进行控制,或按下停车键,再按下下降键。
2、当速度控制箱上的
实验四塑料压制成型
一、实验目的
1、了解塑料成型工艺的基本原理。
2、掌握塑料压制成型的工艺方法。
二、实验原理
塑料的特性
塑料可区分为热固性与热可塑性二类,前者无法重新塑造使用,后者可一再重复生产。
塑料高分子的结构基本有两种类型:
第一种是线型结构,具有这种结构的高分子化合物称为线型高分子化合物;第二种是体型结构,具有这种结构的高分子化合称为体型高分子化合物。
有些高分子带有支链,称为支链高分子,属于线型结构。
有些高分子虽然分子间有交联,但交联较少,称为网状结构,属于体型结构。
两种不同的结构,表现出两种相反的性能。
线型结构(包括支链结构)高聚物由于有独立的分子存在,故有弹性、可塑性,在溶剂中能溶解,加热能熔融,硬度和脆性较小的特点。
体型结构高聚物由于没有独立的大分子存在,故没有弹性和可塑性,不能溶解和熔融,只能溶胀,硬度和脆性较大。
塑料则两种结构的高分子都有,由线型高分子制成的是热塑性塑料,由体型高分子制成的是热固性塑料。
【塑料与其它材料比较有如下的特性】
〈1〉耐化学侵蚀
〈2〉具光泽,部份透明或半透明
〈3〉大部分为良好绝缘体
〈4〉重量轻且坚固
〈5〉加工容易可大量生产,价格便宜
〈6〉用途广泛、效用多、容易着色、部分耐高温
塑料也区分为泛用性塑料及工程塑料,主要是用途的广泛性来界定,如PE、PP价格便宜,可用在多种不同型态的机器上生产。
工程塑料则价格较昂贵,但原料稳性及物理物性均好很多,一般而言,其同时具有刚性与韧性两种特性。
塑料的成型
塑料的成型加工是指由合成树脂制造厂制造的聚合物制成最终塑料制品的过程。
加工方法(通常称为塑料的一次加工)包括压塑(模压成型)、挤塑(挤出成型)、注塑(注射成型)、
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