课程设计草稿李晓刚文档格式.docx

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《塑料工艺设计及研究指南》，《塑料挤出成型技术》，《橡胶塑料机械产品样本》，《聚合物加工工程》，《塑料模具设计》等。

五.时间安排：

第一周文献检索、工艺计算；

第二周草图和书写设计说明书；

第三周完成正式图纸。

一.绪论

1.1聚丙烯简介

聚丙烯采用齐格勒-纳塔催化剂使丙烯催化聚合而得，它是分子链节排列得很规整的结晶形等规聚合物。

聚丙烯按其结晶度可以分为等规和无规聚丙烯，等规聚丙烯为高度结晶的热塑性树脂，结晶度高达95%以上，分子量在8-15万之间，而无规聚丙烯在室温下是一种非结晶的、微带粘性的白色蜡状物，分子量低（3000-10000），结构不规整缺乏内聚力，应用较少。

聚丙烯（PP）是五大通用塑料之一，也是通用塑料中发展速度最快、产量最大、牌号最多、用途最广的合成树脂之一，被广泛应用于工业中各个领域。

PP原料来源丰富、价格便宜、易于成型加工，且具有有密度小、力学性能优良、电绝缘性良好、介电常数较小、耐应力开裂和耐化学药品等优点。

1.2聚丙烯的性能

聚丙烯的分子结构为典型的主体规整结构，为结晶聚合物，其分子量为10～50万。

比重:

0.9-0.91克/立方厘米成型收缩率:

1.0-2.5%成型温度：

160-220℃

其特点是强度刚度,硬度耐热性均优于低压聚乙烯,可在100度左右使用.具有良好的电性能和高频绝缘性不受湿度影响,但低温时变脆、不耐磨、易老化.适于制作一般机械零件,耐腐蚀零件和绝缘零件。

具体为：

（1）物理性能：

聚丙烯为无毒、无臭、无味的乳白色高结晶的聚合物，密度只有0.90-0.91g/cm3，是日前所有塑料中最轻的品种之一。

它对水特别稳定，在水中24h的吸水率仅为0.01%，分子量约8-15万之间。

成型性好，但因收缩率大，厚壁制品易凹陷。

制品表面光泽好，易于着色。

（2）力学性能：

聚丙烯的结晶度高，结构规整，因而具有优良的力学性能，其强度和硬度、弹性都比HDPE高，但在室温下和低温下，由于本身的分子结构规整度高，所以冲击强度较差，分子量增加的时候，冲击强度也增大，但成型加工性能变差。

PP最突出的性能就是抗弯曲疲劳性，如用PP注塑一体活动铰链，能承受7*10的7次方次开闭的折迭弯曲而无损坏痕迹，干磨擦系数与尼龙相似，但在油润滑下，不如尼龙。

（3）热性能：

PP具有良好的耐热性，熔点在164-170摄氏度，制品能在100摄氏度以上温度进行消毒灭菌，在不受外力的，150摄氏度也不变形。

脆化温度为-35摄氏度，在低于这个温度以下会脆化，耐寒性不如聚乙烯。

（4）化学稳定性：

聚丙烯的化学稳定性很好，除能被浓硫酸、浓硝酸侵蚀外，对其它各种化学试剂都比较稳定，但低分子量的脂肪烃、芳香烃和氯化烃等能使PP软化和溶胀，同时它的化学稳定性随结晶度的增加还有所提高，所以聚丙烯适合制作各种化工管道和配件，防腐蚀效果良好。

（5）电性能：

聚丙烯的高频绝缘性能优良，由于它几乎不吸水，故绝缘性能不受湿度的影响。

它有较高的介电系数，且随温度的上升，可以用来制作受热的电气绝缘制品，它的击穿电压也很高，适合用作电气配件等。

抗电压、耐电弧性好，但静电度高，与铜接触易老化。

（6）耐候性：

聚丙烯对紫外线很敏感，加入氧化锌、硫代丙酸二月桂酯、碳黑或类似的乳白镇料等可以改善其耐老化性能。

1.3聚丙烯塑料的应用范围

聚丙烯是一种热塑性树脂，其原料丰富易得，价格便宜、利用率高、性能良好,主要用途为制造塑料制品，如家用器具，无线电和电视设备，包装用薄膜，可消毒的医疗器皿，合成纤维，丝束以及非织造布等

聚丙烯的用途具体为：

（1）薄膜制品：

聚丙烯薄膜制品透明而有光泽，对水蒸气和空气的渗透性小，它分为吹膜薄膜、流延薄膜（CPP）、双向拉伸薄膜（BOPP）等

（2）注塑制品：

可用于汽车、电气、机械、仪表、无线电、纺织、国防等工程配件，日用品，周转箱，医疗卫生器材，建筑材料。

（3）挤塑制品：

可做管材、形材、单丝、渔用绳索。

打包带、捆扎绳、编织袋，纤维，复合涂层，片材，板材等。

吹塑中空成型制品各种小型容器等。

（4）其它：

低发泡、钙塑板，合成木材，层压板，合成纸，高发泡可作结构泡沫体。

1.4聚丙烯改性方面

PP耐寒性差、低温易脆裂，制品尺寸收缩率大、与其他极性聚合物和无机填料的相容性差等缺陷，限制了它的应用范围和功能发展，所以必须通过各种物理和化学方法对其进行改性处理，以使其性能得到改善，扩大应用范围，满足不同的需求。

PP改性可分为化学改性和物理改性两种方法。

化学改性主要指共聚、接枝、交联等，通过改变PP的分子结构以达到改性的目的。

物理改性主要指共混、增强、填充等，通过改变PP的分子聚集态结构，以达到改善材料性能的目的。

1.聚丙烯的化学改性

共聚改性

共聚改性是采用高效催化剂在聚合阶段进行的改性。

当丙烯进行聚合时，可通过加入烯烃类单体进行共聚，生产无规、嵌段、交替等共聚物，以提高均聚PP的冲击性能、透明性和加工流动性。

常用的生产PP共聚物的方法有两种：

（1）茂金属催化剂应用于PP嵌段共聚。

（2）改进的Ziegler-Natta高效催化剂用于PP的共聚。

接枝改性

PP接枝改性就是在PP分子中引入其他基团，既可赋予PP某些特殊功能，又能很好地保持PP的优异特性。

用来接枝的单体主要有马来酸酐（MAH）、丙烯酸（AA）及其酯、甲基丙烯酸及其酯、苯乙烯、甲基丙烯酸缩水甘油酯等PP的接枝方法主要有溶液接枝法、熔融接枝法、固相接枝法和悬浮接枝法等

交联改性

PP的交联方法有辐射交联和化学交联。

两种交联的本质区别在于引起交联反应的活性源的生成机理不同。

PP分子链在辐射或有机过氧化物作用下生产自由基，进一步分解或起交联反应。

聚丙烯的物理改性

共混改性

共混改性是指两种或两种以上聚合物材料无机材料以及助剂在一定温度下进行机械掺混，最终形成一种宏观上均匀且力学、热学、光学及其他性能得到改善的新材料的过程。

增强改性

PP的增强改性中应用的增强材料主要是玻璃纤维及其制品，此外还有碳纤维、有机纤维、硼纤维、晶须等。

在玻璃纤维增强PP中，用得较多的玻璃纤维为无碱玻璃纤维和中碱玻璃纤维，其中无碱玻璃纤维的用量最大。

填充改性

填充PP的常用无机填料有碳酸钙（CaCO3）、硅灰石、滑石粉、二氧化硅（SiO2）等；

常用的有机填料有木粉、淀粉、稻壳粉等。

1.5聚丙烯改性管

改性聚丙烯是指将聚丙烯树脂通过物理或化学的方法，使其性能发生预期的变化，或赋予材料新的功能而得到的树脂。

以改性聚丙烯料生产的管材为改性聚丙烯管。

这种改性聚丙烯管材除了具有聚丙烯管材的耐酸、耐碱、耐化学腐蚀、耐热性好的性能外，还具有耐低温冲击性、耐老化性和耐光性能。

改性聚丙烯管的用途和普通聚丙烯管用途相同，用于给水管、化工液体和气体的输送，农业用排灌，热交换管和太阳能热交换器管等，但其性能优于普通聚丙烯管。

1.6无规共聚聚丙烯简介

　乙烯／丙烯无规共聚物是由乙烯分子和丙烯分子同时进行聚合反应而制得的，所用反应器与生产PP均聚物的一样。

乙烯分子比丙烯分子小，反应快于（反应活性约十倍）丙烯。

这使催化剂的立体定向性减弱而活性增大，从而导致无规聚丙烯生成量增多。

无规共聚聚丙烯性能特点：

随着乙烯含量的增加，其刚度和冲击强度有所提高，加工时熔融温度宽，成型加工性较好，其制品具有韧性，耐寒性，冲击性能高和透明度较好等特点，但其熔点，脆化点，刚性和结晶度较低。

聚丙烯无规共聚物（PPR）性能见表3

项目

性能指标

溶体流动速率（g/10min）

0.17—0.25

冲击强度（KJ/m2）10℃

3.8

拉伸屈服强度（Mpa）

24

冲击强度（KJ/m2）-30℃

破坏

拉伸断裂强度（Mpa）

19

维卡软化点（1000g）℃

138

断裂伸长率%

>

500

弯曲模量（Mpa）

810

PPR管产品应用范围

（1）住宅冷热水管道系统

（2）工业用水及化学物质输送

（3）纯净水饮用管道

（4）饮料、药物输送系统

（5）压缩空气用管

（6）其他工业用管

1.7聚丙烯的发展

丙烯聚合催化剂—“Ziegler-Natta”催化剂是聚丙烯生产的核心，聚丙烯生产技术的不断发展依赖于丙烯聚合催化剂的不断更新换代。

自从K.Ziegler与G.Natta于50年代初发明这类独特而奇异的催化剂以来，“Ziegler-Natta”催化剂大体经历了四代的发展。

从第一代发展到第二代，主要是催化剂制备工程中通过用给电子体处理催化剂来达到提高催化剂活性和立体定向能力的目的。

关于给电子体的作用，目前人们还不完全请粗，尽管它已被广泛应用于丙烯聚合催化剂中，并起着非常重要的作用。

二.设计概述

2.1.配方设计

2.1.1塑料配方设计原则

塑料配方设计师充分运用添加组分（添加剂或助剂）的性能改善和跳高树脂缺陷或不足的过程。

在配方设计时应坚持以下原则：

（1）满足最终使用性能与耐久性原则

塑料制品制备过程中的选材、配方设计、产品设计、成型加工及制品的后处理等工序，最终的目的就是制备出质量优良，满足应用要求的制品。

配方设计时主要任务是弄清使用环境条件、使用性能要求，才能选择合适的树脂。

（2）抓主要矛盾的原则

选登树脂后，通过对树脂性能的了解和分析，用于制备所需制品的树脂可坑存在许多缺陷或不足，这时就应该按制品性能要求，找出主次矛盾加以解决。

一般情况下，解决了主要矛盾，其他矛盾也就迎刃而解。

（3）充分发挥添加组分功能原则

这是配方设计的中心任务，对添加剂组分选择力求要准，用量适当。

要做到这一点，除具有丰富的实践经验外，还要吸取前人的经验教训，弄懂各添加组分功能，结合应用性能要求与树脂本身特性，制定几套用量确定方案，在进行实验加以确定。

能用一个添加剂解决的问题就绝不用两个。

（4）降低成本的原则

配方设计时，除考虑性能外，还必须认真考虑到原材料的来源于成本。

在相同条件下，要选择原材料来源广，产量多，价格低廉的产品。

（5）依据添加剂组分性能的设计原则

配方设计时，要充分考虑到组分与树脂的相容性，只有添加组分与树脂具有好的相容性才会均匀地分散于树脂体系中，才能形成一定的整体结构，从而发挥其应有的功能与作用。

其次，要考虑添加组分的耐加工性。

应确保小分子液态添加组分物质在加工中不蒸发，固体不分解（发泡剂除外），液体不逸出。

再就是添加组分的毒性，添加组分一般都具有毒性，应在不影响制品性能的情况下尽量选择低毒性物质。

2.1.2配方

PPR管的应用配方如下：

表2配方

原料种类

质量（份）

无规共聚聚丙烯（PPR）

100

四季戊四醇酯（抗氧剂1010）

0.5

DLTP

成核剂TMB-4

0.2

2.1.3配方设计说明

无规共聚聚丙烯管PPR管采用冷热水管道系统用无规共聚聚丙烯（PP-R）专用树脂（主要技术要求见表3）为主要原料，所用助料应与专用树脂相容性好，并能弥补专用树脂的某些不足，助剂包括抗氧剂1010，辅助抗氧剂DLTP，成核剂TMB-4，其性能作用如下:

抗氧剂1010:

白色粉末，熔点119—122℃，微毒，不挥发，不污染，耐热性好，此抗氧剂抗氧化效果好，是最常用的抗氧剂，加入量一般为0.1%—1%,常与辅助抗氧剂DLTP协同使用，可节省主抗氧剂用量。

加入抗氧剂可以防止原料在成型过程中与空气中氧气接触而自动氧化降解。

DLTP:

白色结晶粉末，熔点38℃，气味小，挥发不大，微毒，常与1010并用，配合比例为主：

辅=3：

7，加入量为0.2%—1.5%

成核剂TMB-4:

可以提高制品的结晶度，改善制品的冲击性能，抗蠕变等力学性能，提高使用寿命。

表3冷热水管道系统用PPR专用料技术要求

序号

单位

要求

1

大粒和小粒

g/kg

<

5

2

MFR（230℃，2.16kg）

g/10min

3

负荷变形温度（0.45MPa）

℃

65

4

熔融温度

146

5

拉伸弹性模量

MPa

700

6

拉伸屈服应力

20

7

弯曲模量

650

2.2生产方法

PPR管材采用挤出成型进行生产，其工艺过程如下。

（1）首先，按照PPR管材使用特性和使用环境的特点，选择PPR树脂专用料以满足主要的使用要求，再选择各种助剂，来改善加工性能，提高使用性能，或者节省材料，从而完成PPR管材的配方；

（2）然后按PPR管成型用料配方要求，把各种原料和助剂计量后输入高速混合机的混合室，经高速混合搅拌把各种掺混料混合均匀后，送入冷却混合机，把高温物料降温到一定温度下，然后输入挤出机料斗中（还有一种工艺是把混合均匀的物料经挤出机混炼造粒后再输入挤出机料斗中），料斗内原料经由机筒进料口进入挤出机机筒内，随着螺杆的旋转，原料被强制推向机筒前方。

由于机筒前端有过滤网，多孔板，和成型模具的阻力，再加上螺杆螺纹槽容积的逐渐缩小，使原料运动阻力随着物料量的增加而增大，即原料的受压力越来越大，同时原料还受到机筒外加热的影响和在机筒内受挤压，剪切，搅拌作用，再加上原料与机筒，原料之间的相互摩擦，使原料在机筒内温度升高，最终变成粘流态，达到完全塑化。

随螺杆旋转，把熔融物料等压，等量的推入成型制品用模具，然后从模具口挤出，成型PPR塑料管坯。

（3）管坯经冷却，定型，牵引，成型管材再按一定长度切断，然后喷码，检验入库，即完成PPR管材挤出生产。

（4）生产过程中产生的废料可直接粉碎，然后输入到挤出机中，和新料掺混，再次挤出成型。

2.3生产工艺过程

2.3.1工艺流程

（1）挤出过程：

PPR树脂+抗氧剂1010+DLTP+成核剂TMB-4高速混合（挤出造粒）

挤出成型冷却定型牵引切断质量检查

喷码入库

（2）回收过程：

废料清洗破碎混合挤出

2.3.2挤出工艺控制因素

（１）温度的控制

温度的控制是挤出操作中重要的控制因素。

挤出成型所需控制的温度是机筒温度、机颈温度、口模温度。

热塑性塑料在一定温度条件下熔融塑化，其熔体粘度与温度成反比。

温度是影响塑化质量和产品的重要因素。

温度过低，塑化不良，管材外观无光泽，力学性能差，产品达不到要求；

温度过高，塑料会发生分解，产生变色等现象。

　原料不同，可以选择不同类型的机头。

通常情况下，机颈、机身温度应低于口模温度。

对于熔体粘度较大的材料，如聚氯乙烯，其流动性差，受热容易分解，所以成型时各段温度控制非常重要。

另外粉状物料的成型温度比粒状物料低。

（２）螺杆转速

螺杆转速提高，挤出量增加，从而可提高产量，但容易产生塑化不良现象，造成棺材内壁毛糙，温度下降，这时应调节机头压力，使产量、质量达到最佳。

螺杆转速的调节可根据螺杆结构所加工的材料、产品的形状和辅机冷却速度而定。

螺杆的温度控制影响物料的输送率、物料的塑化、熔融质量等。

挤出管材螺杆需要通过冷却水，降低螺杆温度，这样有利于提高螺杆塑化质量。

（３）牵引速度

在挤出操作中牵引速度的调节很重要。

物料经挤出机熔融塑化，从机头连续挤出后被牵引，而后进入定型装置、冷却装置、牵引装置等。

牵引速度应与挤出速度相匹配。

如牵引速度过快，制品残余内应力较大，管材容易弯曲、变形。

当牵引速度过快时甚至会将管材拉断。

但牵引速度过慢，由于离模膨胀，管材壁厚增大。

通常正常生产时，牵引速度应比管材挤出速度大1%－10%左右。

牵引速度直接影响管材的壁厚，牵引不稳定管径也会不均匀。

牵引作用对制品还有纵向的拉伸，影响制品的力学性能和纵向尺寸的稳定性，有些成型工艺中通过调节牵引速度，使产品获得所需性能。

（4）压缩空气的压力

压缩空气能够将管材吹胀，使管材保持一定的圆度。

要求压力应大小适当。

压力过小管材不圆，压力过大，芯模被冷却，管材内壁出现裂口，不光滑，管材质量下降。

同时压力要求稳定，如压力忽大忽小，管材容易产生竹节状现象。

（5）定径装置、冷却装置的温度

挤出不同的塑料产品，采用不同的定径方式和冷却方式，冷却介质可以是空气、水或其他液体，需要控制温度。

其温度主要与生产效率、产品内应力等有关。

2.3.3PPR管材挤出工艺过程说明

（1）混合过程。

原料挤出之前需要混合均匀，以保证塑化质量和制品质量，最好是采用混炼，挤出造粒，鉴于本配方中所加助剂较少，所以省去造粒过程，节省工艺成本，减少流程，直接采用混合，挤出成型。

（2）挤出过程

要生产高质量PPR管材，必须要有塑化良好及稳定的熔体流动，其中挤出机温度控制十分重要。

PPR管材成型温度一般在210--260℃之间，PPR管材典型温度工艺条件见下表4

一区

二区

三区

四区

五区

机头

设定

温度/℃

185

230

240

225

250

挤出速度对塑化影响挺大，一般主机螺杆转速不超过40r/min。

（3）成型后辅助过程

通常在满足管材外观质量要求的前提下，真空度应尽可能低，以减少内应力，这样管材在存放过程中收缩变形小。

真空度一般为0.05—0.08Mpa。

本生产过程采用真空定型。

管材的牵引速度与挤出速度要匹配，注意不能影响管径和壁厚。

冷却时喷淋水温要适宜，一般在20℃左右。

不宜过高与过低。

注：

各个过程中工艺条件的具体情况，还要根据具体的设备因素进行选择与控制。

具体的设备条件见3设备的计算与选型一节

三.工艺设计计算

3.1物料横算

3.1.1物料衡算的意义

物料横算，是在已知产品规格和产量前提下算出所需原料量、废品量及消耗量。

同时，还可拟定出原料消耗定额，并在此基础上做能量平衡计算。

通过物料横算可算出：

（1）实际动力消耗量

（2）生产过程所需热量或冷量

（3）为设备选型、决定规格、台数（或台时产量）提供依据

（4）在拟定原料消耗定额的基础上，可进一步计算日消耗量，每小时消耗量等设备所需的基础数据。

综上所述，物料衡算是紧密配合车间生产工艺设计而进行的，因此，物料衡算是工艺设计过程的一项重要的计算内容。

3.1.2物料横算的方法

塑料制品的生产过程多采用全流程、连续操作的形式。

物料衡算的步骤如下：

（1）确定物料衡算范围，画出物料衡算示意图，注上与物料衡算有关的数据。

物料衡算示意图如下：

（2）说明计算任务。

如：

年产量、年工时数等。

（3）选定计算基准。

生产上常用的计算基准有：

单位时间产品数量或单位时间原谅投入量，如：

kg/h，件/h，t/h（连续操作常采用此种基准）；

加入设备的原料量（间歇操作常采用此种基准）。

（4）由已知数据，根据下列公式进行物料衡算：

ΣG1=ΣG1+ΣG3

式中：

ΣG1——进入设备的物料量总和

ΣG2——离开设备的正品量和次品量总和

ΣG3——加工过程中物料损失量总和

（5）收集数据资料。

一般包括以下方面：

年生产时间：

连续生产300~350d

间歇生产200~250d

连续生产时，年生产的天数较多，在300d左右，其他时间将考虑全长检修，车间检修或5%~10%意外停机。

当间歇生产时，就要减去全年的休息日，目前为双休日加上法定假日全年约为110d，所以间歇生产比连续生产少110个工作日。

总之，确定了每年有效地工作时数后就能正确定出物料衡算的时间基准，算出每小时的生产任务，进而在以后的计算中选定设备的规格。

具体的选择天数要通过分析得出。

有关定额、合格率、废品率、消耗率、回收率等。

在任何一个产品加工过程中，合格产品都不是百分之百。

由于设备原因、原材料原因以及人为原因都可能造成废品的出现。

加工不同的产品出现废品的几率有差异，要具体情况具体分析。

才外还应考虑车间管理水平、设备先进水平等，取高值与低值都应有充分的论据。

经过电铲研究后发现：

塑料制品合格率为85%~95%、自然损耗率为0.1%~0.15%，这主要是贮存、运输、加工前的消耗。

回收率则应根据具体情况（如：

原料品种或制品情况等）考虑，但又不可能百分之百的回收再利用，所以，回收率一般在80%~90%而回收利用率小于原料的10%。

（6）物料衡算结果应列成物料衡算汇总表，必要时画出物料衡算图。

3.1.3物料衡算的计算

已知年产量为4000t的塑料制品，已确定合格率为90%,自然损耗率为0.15%，，求年消耗原料量。

合格产品量

年进机料量m1=—————=4000t/90%=4444.45t

合格率

取输送，混合两步中损耗率均为0.05%，则进入混合机的料量m2=m1/（1-0.05%）=4446.67t

则进入输送段物料量m3=m2/（1-0.05%）=4448.90t，即年进车间料量为m3

则废料量m4=m1-4000=4444.45-4000=444.45t

回收物料量m5=m4*95%=444.45*95%=422.23t<

m1*10%=444.45t,即回收废料量不超过进机物料量的10%，满足要求。

考虑回收，则年进机新物料量m6==m1-m5=4444.45-422.23=4022.22t

则小时车间处理量m7=年进车间料量为m3/年生产时间=4448.90/（300*24）=0.618t/h=618kg/h

则自然损耗量m8=m3-m1=4448.90t-4444.45t=4.45t

列表4（有回收情况）

90%

合格产品

4000t

废品率

10%

废品

444.45t

自然损耗率

0.1%

自然损耗量

4.45t

年进车间料量

4448.90t

小时车间处理量

618kg/h

年进机料量

4444.45t

年进机新物料量

4022.22t

配方中各组分的投料量，损耗量，总料量及每小时处理物料量列表5如下：

组分配方

份数

质量分数

年进机料量（t/a）

损耗量

（t/a）

总物料量

每小时处理物料量（kg/h）

PPR

98.81%

4391.56

4.40

4395.96

609.94

0.20%

8.89

0.01

8.90

1.23

抗氧剂1010

0.50%

22.22

0.02

22.24

3.09

22