透明pc板材挤出成型工艺设计.docx
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透明pc板材挤出成型工艺设计
洛阳理工学院
毕业设计（论文）
题目PC透明板材挤出成型工艺设计
系（部）料科学与工程系
专业高分子材料应用技术
2011年月日
透明PC板材挤出成型工艺设计
摘要
本设计主要介绍PC板材的挤出成型工艺，较详细地说明了PC板材的原料选取、挤出生产工艺流程及参数的确定和废品的后处理等方面。
对挤出机、三辊压光机机等型号的选定进行了明确的计算。
计算了工艺过程中物料衡算和热量衡算。
还就车间管理与生产组织、工程经济概算进行了规划。
最后确定了年产量3000t的PC板材的挤出成型工艺，其原料可行，车间管理与生产组织完善。
本次设计的特点是从厂区布置到车间生产过程，以及废料处理最大限度的简化生产，提高生产效率，提高了原料的利用率，并且使产品符合市场的要求。
关键词：
PC，板材，挤出，挤出机
PCPlatesExtrusionMoldingProcess
ABSTRACT
ThisdesignintroducesthePCplatesextrusionmoldingprocess,amoredetaileddescriptionoftheformulationPCplatesextrusionproductionprocessanddeterminationofparametersandpost-processingwasteandsoon.Theextrusionmachine,granulatormodelselectedforsuchaclearcalculation.Processofcalculatingthematerialbalanceandheatbalance.Alsoontheworkshopmanagementandorganizationofproduction,engineeringestimatesforeconomicplanning.Finalizedtheannualproductionof3000tofPCplatesextrusionmoldingprocess,thematerialsselectingisfeasible,well-organizedworkshopmanagementandproduction.
Thisdesignischaracterizedbytheproductionfromtheplantlayouttotheworkshopprocess,aswellasasimplifiedwastedisposaltomaximizeproduction,improveproductionefficiencyandgreatlyimprovedutilizationofrawmaterialsandthepollutiontoaminimum.
KEYWORDS:
PC,Plates,extrusion,extruder
目 录
前 言
聚碳酸酯按功能特性可分为一系列品级，如通用级、透明级、医药食品级、阻燃、耐热、耐寒、耐候、润滑、玻璃纤维增强、无机物填充、电磁屏蔽、抗静电等品级和复合品级。
各品级又可进一步按树脂熔体指数或混配改性添加物成分不同，细分为更多的具体牌号。
一些大的生产厂商可提供几十个品级、上百个牌号的产品。
聚碳酸酯的应用开发是向高复合、高功能、专用化、系列化方向发展，目前已推出了光盘、汽车、办公设备、箱体、包装、医药、照明、薄膜等多种产品各种专用的品级牌号。
本设计是根据聚碳酸酯的性能及市场产品的需求情况设计的板材的生产工艺过程，聚碳酸酯板材在农业和建材行业都有广泛的应用，并且性能优越。
聚碳酸酯板材具有良好的透光性、抗冲击性、耐紫外线辐射及其制品的尺寸稳定性和良好的成型加工性能，使其比建筑业传统使用的无机玻璃具有明显的技术性能优势。
经压制或挤出方法制得的聚碳酸酯板材重量是无机玻璃的50％，隔热性能比无机玻璃提高25％，冲击强度是普通玻璃的250倍，在世界建筑业上占主导地位，约有1/3用于窗玻璃、商业橱窗等玻璃制品。
在设计过程中主要讲到原料的选取和产品的应用，挤出工艺成型技术，物料及热量横算，车间生产管理和工程概算，明确的表达了聚碳酸酯从原料到产品的全过程。
第1章聚碳酸酯板材的原料及产品
1.1聚碳酸酯树脂
聚碳酸酯（PC）是指大分子链中碳酸酯基团与另一些基团交替排列的一类线性聚合物。
按其组成不同，分为脂肪族、脂环族、芳香族脂肪—芳香族3类，通过应用最广、产量最大的是芳香族的双酚A型聚碳酸酯。
双酚A型PC，分子主链具有对称结构，简单规整，可结晶，但结晶能力差，基本属于无定型工程塑料。
PC链节重复单元较长，且存在苯环，因此玻璃化温度、熔融温度比较高，熔体粘度大，在分子链结构中既有柔顺的碳酸酯链，又有刚性的苯环相联结结构，因此具有优异的透明性和抗冲击强度。
PC的分子链中含有多种基团，它所表现的性能为各种基团的综合反映：
亚苯基，提供刚性、力学性能和耐化学性能的稳定性；羰基，增强刚性；酯基，易吸水、电绝缘性和耐化学性能差；氧基，加强韧性。
1.2聚碳酸酯的性能
聚碳酸酯无色透明，耐热，抗冲击，阻燃，在普通使用温度内都有良好的机械性能。
同性能接近聚甲基丙烯酸甲酯相比，聚碳酸酯的耐冲击性能好，折射率高，加工性能好，不需要添加剂就具有UL94V-0级阻燃性能。
但是聚甲基丙烯酸甲酯相对聚碳酸酯价格较低，并可通过本体聚合的方法生产大型的器件。
随着聚碳酸酯生产规模的日益扩大，聚碳酸酯同聚甲基丙烯酸甲酯之间的价格差异在日益缩小。
1．PC为透明或白色硬而韧的热塑性树脂，阻燃性良好，燃烧时火焰呈黄色，熔融起泡，发出花果臭味，离火能自熄。
2．PC是高透明树脂，透光率为85%~90%，折射指数为1.589，接近PMMA，适用于透明镜材料。
3．PC具有刚而韧的力学性能，其冲击性能是热塑性塑料中比较优秀的，比PA、POM高出3倍之多，接近PF和UP玻璃钢的水平；拉伸强度、弯曲强度、尺寸稳定性都比较好，而耐应力开裂性差，缺口敏感性高。
4．PC的热学性能优秀，产品可在-60~125℃范围内使用；热变形温度为130~140℃，脆化温度为-100℃，熔点为220~230℃；电绝缘性能良好，体积电阻率为5×1016Ώ*cm，比PE、PS、聚四氟乙烯差；热导率和线膨胀系数较小。
5．耐化学性能稳定，在室温下耐稀酸、水、油、脂肪烃、盐类及氧化剂等，但胺、酮、酯、芳香烃能使之溶胀，易导致应力开裂；不耐60℃以上的热水；PC溶于二氯甲烷、氯苯、二氧六环中。
1.3聚碳酸酯的成型工艺及用途
1.3.1PC的成型工艺
1．PC可以用于普通的挤出、吹塑、注塑、热成型及溶液涂覆等方法成型加工；可以注塑透明部件，可挤出多层板材、型材等，制品可以打孔、辊压或其他机加工。
2．PC注塑通常使用相对分子质量<35000的PC；吹塑要求有较高的熔体强度，通常使用相对分子质量高于32000的PC。
PC在成型中对水极为敏感，高温下微量水也会引起分解，因此，加工成型前一定要干燥处理，使含水量在0.02%一下，具体干燥温度110~120℃，干燥时间8~10h，以降低降解和防止起泡。
3．PC注射成型工艺条件：
熔体温度<320℃，料筒温度为前段、中断280~300℃，后段为275~290℃，注射压力50~120MPa，模具温度为80~120℃，在注塑复杂制品时，一般要加入热稳定剂好的脱模剂，通常用硬脂酸、季戊四醇和脂肪酸酯等。
4．挤出加工的螺杆压缩比为2.0~2.3，L/D为25/1；由于PC粘度高，易产生较高的压力，所以倾向于快速进料；挤出温度为230~300℃。
1.3.1PC的用途
PC是日常常见的一种材料。
由于其无色透明和优异的抗冲击性，日常常见的应用有光碟，眼镜片，水瓶，防弹玻璃，护目镜、银行防子弹之玻璃、车头灯、动物笼子、宠物笼子等。
由于PC材料力学性能和光学性能的优异，因此在建筑及装饰方面也有很大的用处，而PC板材最为突出。
如今PC板材在很多方面都有应用，而且市场前景很好。
PC阳光板（又称聚碳酸酯中空板、玻璃卡普隆板、PC中空板）是以高性能的工程塑料-----聚碳酸酯（PC）树脂加工而成，具有透明度高、质轻、抗冲击、隔音、隔热、难燃、抗老化等特点，是一种高科技、综合性能极其卓越、节能环保型塑料板材，是目前国际上普遍采用的塑料建筑材料，有其他建筑装饰材料（如玻璃、有机玻璃等）无法比拟的优点。
广泛应用于温室/工业厂房、装潢、广告招牌、停车棚、通道采光雨披住宅、商厦采光天幕、展览采光、体育场馆、游泳池、仓库采光顶商业、工厂、体育场馆的采光天棚和遮阳雨棚、农业温室、养殖业和花卉大棚、以及电话亭、书报亭、车站等公用设施、高速公路隔音、广告装饰领域。
5．透光性：
PC板透光率最高可达89%，可与玻璃相妣美。
UV涂层板在太阳光下爆晒不会产生黄变，雾化，透光不佳，十年后透光流失仅为6%，PC流失率则高达15%—20%，玻璃纤维为12%-20%。
6．抗撞击：
撞击强度是普通玻璃的250-300倍，同等厚度亚克力板的30倍，是钢化玻璃的2-20倍，用3kg锤以下两米坠下也无裂痕，有“不碎玻璃”和“响钢”的美称。
7．防紫外线：
PC板一面镀有抗紫外线（UV）涂层，另一面具有抗冷凝处理，集抗紫外线、隔热防滴露功能于一身。
可阻挡紫外线穿过，及适合保护贵重艺术品及展品，使其不受紫外线破坏。
8．重量轻：
比重仅为玻璃的一半，节省运输、搬卸、安装以及支撑框架的成本。
9．阻燃：
国家标准GB50222—95确认，PC板为难燃一级，即B1级。
PC板自身燃点是580摄氏度，离火后自熄，燃烧时不会产生有毒气体，不会助长火势的蔓延。
10．可弯曲性：
可依设计图在工地现场采用冷弯方式，安装成拱形，半圆形顶和窗。
最小弯曲半径为采用板厚度的175倍，亦可热弯。
11．隔音性：
PC板隔音效果明显，比同等厚度的玻璃和亚加力板有更佳的音响绝缘性，在厚度相同的条件下，PC板的隔声量比玻璃提高3—4DB。
在国际上是高速公路隔音屏障的首选材料。
12．节能性：
夏天保凉，冬天保温，PC板有更低于普通玻璃和其它塑料的热导率（K值），隔热效果比同等玻璃高7％-25％，PC板的隔热最高49%。
从而使热量损失大大降低，用于有暖设备的建筑，属环保材料。
13．温度适应性：
PC板在-100℃时不发生冷脆，在135℃时不软化，在恶劣的环境中其力学，机械性能等均无明显变化。
14．耐候性：
PC板可以在－40℃至120℃范围保持各项物理指标的稳定性。
人工气候老化试验4000小时，黄变度为2，透光率降低值仅0.6％。
15．防结露：
室外温度为0℃，室内温度为23℃，室内相对湿度低于80％时，材料的内表面不结露。
1.4原料型号及产品参数
根据PC生产厂家、粘度、性能及用途的不同分成了不同的型号，而每种型号的PC又有不同的性能以满足产品的需要。
根据PC板材性能的需求决定选取杭州塑料化工一厂生产的JTG-3型号的PC原料，JTG-3型号的聚碳酸酯树脂技术指标如表1-1。
表1-1JTG-3树脂技术指标
型号
JTG-3
相对分子量
35000±2000
拉伸屈服强度（MPa）
>64
拉伸断裂强度（MPa）
>55
冲击强度（缺口，大条，kJ/m2）
>45
维卡耐热（℃）
>140
布氏硬度（MPa）
>95
电阻率（Ω*㎝）
>6×1015
介质损耗角正切（106Hz）
<1.0×10-2
有原料生产的产品参数如表1-2所示：
表1-2PC板材尺寸参数
挤板厚度/mm
1.5~4.8
挤板宽度/mm
400~800
板材透光率
80%~88%
第2章挤出工艺流程及参数确定
塑料制品的挤出法成型与塑料成型和压延成型比较是一种比较简单的成型方法。
把粉状或粒状塑料树脂加入到挤出机的机筒内，在螺杆的旋转的挤压推动下，使树脂原料在高温、高压条件中熔融塑化；然后，连续转动的螺杆再把熔融料推入机头模具，从机头模具中被挤出的融料，成为生产需要的塑料制品形状。
塑料制品用挤出成型法成型，在塑料制品的各种成型方法中占比例较大。
按成品的质量计算，约占塑料制品总产量的1/2。
由此可见，挤出成型是塑料制品成型中一种主要的成型方法。
用挤出机可以挤出大部分热塑性塑料成型制品。
2.1成型前的准备
成型料的准备过程是根据已选定的配方，将原、辅料进行必要的预处理、计量输送。
1、原料的预处理
由于原辅料在生产和装运的过程中可能混入一些机械杂质，为了管材生产安全，保证产品质量，需要进行过筛和吸磁处理，除去杂质。
PC在高温下水解现象十分严重，当PC含水量大于0.05％，温度在100℃以上时，随着树脂软化开始降解，造成制品出现银纹、气泡、变色、变脆等缺陷。
因此PC在成型前必须干燥，干燥后立即使用。
2、原辅料的计量
按照确定的配方将原辅料精确计量。
虽然原料是袋装或桶装，一般有规定的重量，也必须复称。
采用人工称量、人工倒料等操作进行配料，无论任何配料方式，各组分的称量误差应控制在1%以内。
2.2挤出成型工艺
目前大多数生产PC板材的企业都是采用螺杆挤出机进行塑化工艺连续操作。
在螺杆挤出机转动时，装入料斗中的混料借助转动的螺杆进入加料筒中，由于料筒的外加热及PC混料本身与设备之间的剪切摩擦热，遂使混料熔化而呈为熔体在设备中不断往前流动，各组分受螺杆的搅拌而均匀分散。
熔体在机头口模处成型后成连续体被螺杆挤到机外，然后直接切粒、冷却。
2.2.1挤出机的分类及选择
挤出机的分类如下：
按螺杆数目多少可主要分为单、双螺杆挤出机；按是否排气可分为排气和非排气挤出机；按螺杆的位置可分为立式和卧式挤出机。
我国国标GB\T12783-91规定了中国橡胶塑料成型机械号的同一编制方法：
类别编号，组成编号，辅助编号，规格代号，设计代号，前三个代号是最基本的代号，具体方法举例如下：
1．SJ-45 S为塑料，J为挤出机，45为螺杆直径d，长径比为20：
1（规格参数，标准规定，挤出机长径比为20：
1，可以不标注）。
2．SJF-60×30 S为塑料，J为挤出机，F为发泡（品种代号），65为螺杆直径，螺杆的长径比为30：
1。
挤出机一般由挤出机、机头、口模、辅机等几部分组成。
挤出机有基础装置（螺杆和料筒），传动装置和加热冷却等几部分组成。
板材挤出主要用的是单螺杆挤出机，单螺杆挤出机的主要参数有：
（1）螺杆直径 指螺杆外圆直径，用d表示，单位mm，它可以表征挤出机挤出量的大小，是挤出机的重要参数。
（2）螺杆长径比 指螺杆的工作部分长度，即有螺纹部分长度（工艺上将其定义为加料口中心线到螺纹末端的长度）与螺杆直径之比，用L/d表示。
（3）螺杆转速范围 指螺杆转动时最高转速与最低转速范围，用nmin~nmax表示。
（4）驱动电机功率 指驱动螺杆转动的电动机功率，用Pm表示，单位KW。
我国单螺杆挤出机推荐电机功率见表2-5
表2-1单螺杆挤出机推荐电机功率
螺杆直径d/mm
30
45
65
90
120
150
200
电机功率/kw
1-3
1.7-5
5-15
7.3-22
8.3-55
25-75
33-100
（5）机筒加热功率及机筒加热段数 机筒加热功率指机筒加热电功率，用Pn表示，单位kw。
机筒加热段数指机筒分为几段加热，即温度控制的段数，用B表示。
（6）挤出机生产率 指挤出机单位时间的生产能力，用Q表示，单位kg/h。
（7）名义比功率 指每小时加工1kg制品所需电机功率的综合指标，用P`表示，P`=Pm/Qmax。
（8）比流量 指螺杆每一转的生产制品质量，用Q=Q实测/n实测，单位（kg/h）/（r/min）。
（9）机器中心高 指螺杆中心线到地面的高度，用H表示，单位mm。
（10）机器外形尺寸 用长、宽、高表示，单位mm。
（11）机器的质量 用w表示，单位吨或千克。
2.2.2挤出机的选择
根据生产聚碳酸酯的宽度规格，参照表2-6选取螺杆直径。
板材生产用挤出机和辅机组成的塑料挤出板材机组型号:
SOSZ-65×22。
第一格是螺杆直径，第二格是板材宽度。
表2－2螺杆直径与板材规格的关系/mm
螺杆直径
65
90
120
150
板材宽度
400-800
700-1200
1000-1400
1200-2500
2.2.3螺杆的选择
螺杆是塑料挤出塑化的关键零件。
不同塑料品种的挤出塑化要选用不同的螺杆结构形式，以适应其工艺条件要求。
聚氯乙烯板材生产用螺杆条件如下：
a.螺杆应该是等距不等深形：
螺纹由加料段至均化段逐渐变浅。
b.螺杆的长径比：
选择L/D＝25
c.螺纹的压缩比：
所用为粒料选2.5
螺杆头部结构选择：
综合考虑螺杆前的分流板和机头模具的料流空腔结构，选用圆锥形。
2.2.3挤出过程
挤出机螺杆的设计都有三个区段：
加料段（送料段）、熔化段（压缩段）、计量段（均化段）。
此三段所起的作用不同。
加料段是把料斗来的固体塑料升温到它的软化点，并将它送到熔化段，只是一个升温和输送过程，塑料仍是固体状态。
熔化段一般在螺杆中部，塑料在这段中除受热和前移外，同时粒状固体逐渐压实和熔化为连续状的熔体，还将包在料内的空气向送料段排出，塑料在这段是由固态逐渐转化为熔融状态。
计量段是螺杆的最后一段，熔体在这一段中进一步均匀塑化，并使料流定量、定压由机头流道均匀挤出，所以又叫均化段。
表2-3生产PC板材的挤出机螺杆分段
加料段
压缩段
均化段
全长的10%～25%
全长的55%～65%
全长的22%～25%
挤出机螺杆的三个区段相对应组成了三个功能区：
固体输送、物料塑化、熔体输送。
（1）固体输送区（加料段）料筒温度一般控制在100～140℃.若加料温度控制过高，会使固体输送区短于加料段长度，造成产量下降；若加料段温度过低，使固体输送区延长，减少了塑化区和熔体输送区的长度，会引起塑化不良，影响产品质量。
（2）物料塑化区（熔化段）其温度控制在150～160℃.控制该段的真空度是一个重要的工艺指标，若真空度较低，会影响排气效果，导致管材中存有气泡，严重降低了管材的机械性能。
为了使物料内部的气体容易逸出，应控制物料在该段不能塑化过度，同时还要经常清理排气管路以免阻塞。
另外在塑化区提高螺杆转速能提高剪切速率，会增加剪切热利于塑化。
（3）熔体输送区（计量段）其温度控制略低一些，一般为150℃左右。
在该段提高螺杆转速，减小机头阻力及在塑化区提高压力都有利于输送速率的提高，对于PC这样热敏塑料，不应在此段停留时间过久也不宜再从这段高剪切作用下取得热量。
2.2.3挤出装置及机头的选择
挤出机连续提供的熔化和具有压力的塑料熔体是通过机头特定的流道进入口模而形成一定的结构和形状。
机头是挤出制品成型的重要部件，它的作用是产生较高的塑料熔体压力并使其成为所需的形状。
本次设计选用的是衣架式板材机头，
2.2.4切割装置
切割装置的主要作用是将挤出的条状切割成一定的长度的板材。
生产中要求切割的大小均一；
切割装置：
星形式自动切割机安装在机头上的；切割时，刀片紧挨着模具自转切割。
2.2.5冷却方法
目前，板材的冷却方式有两种：
一种是浸浴式冷却，另一种是鼓风机风冷。
水浴冷却冷却的快但是缺点是冷却后还要在干燥处理，不能直接包装给生产带来麻烦，本次设计的板材厚度较薄，容易降温，所以选用风冷方法，提高了制品的质量。
2.3废料的后处理
PC板材的生产过程中会产生一些不合格产品，尤其是每次换料生产，硬度未合格前，总会产生部分废品，另外，还有一些是客户退回来的产品以及生产过程中有杂色统称为废料。
这些废料成分与板材成分基本相同，将分类加到颜色和硬度差不多。
所以必须加强对这些废料的管理和合理回收利用。
首先要对这些料分类一种颜色的要放在一起，硬度和比重差不多的也要放在一起。
待下次生产相同或相近颜色或硬度的粒料是直接加进去重新挤出造粒就可以了。
还有一些是水口料这些些是在清换机头是留下的废料，但这种和以上的不同时这种不能直接造粒重出，这些水口料大小不等所以首先要破碎，破碎后还要进行清洗，由于里面含有铁屑、石头等杂质，所以在清洗后才能造粒重出。
第3章物料衡算与热量衡算
3.1物料衡算
物料衡算指的是利用质量守恒定律对物料进行操作前后物料的总量恒等于产物及物料的损失状况计算方法，即进入设备用于生产的物料的总量恒等于产物和物料损失的量。
物料衡算直接与生产经济效益挂钩。
3.2物料衡算的前提及计算
物料衡算的前提是应在已知产品规格和产量的前提下进行许多原辅材料量、废品量及消耗量的计算。
已知：
PC板材年生产量为3000吨，其中物料自然消耗率为0.1%，产品合格率为98%，回收率为90%。
每年生产270天，三班轮流全天24小时生产。
物料衡算如下：
年需要物料量
M1=合格产品量/合格率=3000/0.98≈3061.22t
年车间进料量
M2=M1/（1-物料自然消耗率）=3061.22t/（1-0.1%）≈3064.28t
年自然消耗量
M3=M2-M1=3064.28-3061.22=3.06t
年废品量
M4=M1-合格产品量=3061.22-3000=61.22t
每小时车间处理物料量
M5=3061.22/340/24h≈0.38t
年回收物料量
M6=M4×回收率=61.22×90%≈55.09t
新料量
M7=M2-M6=3064.28-55.09=3009.19t
表3-1列表
合格率
98%
合格产品量
2940t
废品率
2%
废品量
61.22t
自然损耗
0.1%
自然损耗量
3.06t
进车间物料量
4085.71t
小时车间处理量
0.38t
近机料量
10204.08t
进车间新料量
3009.19t
回收率
90%
回收量
55.09t
3.3热量衡算
在热塑性塑料成型过程中，必须将塑料原料进行加热至粘流态（高弹态）再成型，需要将加热量传递给塑料，成型后的冷却定型需要将热量移出。
在车间设计中进行热量衡算的目的：
为保证顺利进行成型加工，确定加热所需的热量，并核算加算电功率。
一方面作为选择设备的依据，另一方面作为计算耗电量的依据。
确定冷却需排出热量，一方面可计算出冷却介质的消耗量，另一方面作为选择换热设备的依据。
塑料制品成型加工过程更多采用对单元设备的热量衡算。
热量衡算遵循能量守恒定律，热力学第一定律是热量衡算的理论依据。
即若忽略机器的散热，不考虑摩擦剪切热则：
加热器放出的热量（Q0）应等于物料所吸收的热量（Q1）。
热平衡方程式表示为:
Q0=Q1
上式是通用公式，具体应注意以下几个问题：
正确建立热量平衡关系。
1.必须弄清过程中的热量形式及热损失，从而确定所要收集的物理性数据及数据的可靠性。
以保证计算的准确性。
2.要合理确定计算基准，计算基准是指数量上的基准和基准态，数量基准。
3.按处理每公斤物料计算，基准态一般是以25℃作为基准温度的。
在热塑性成型过程中，最常用的能量来源为电能转变成热能。
主要方法有两种：
电阻加热，电感加热。
电加热装置简单，干净，无污染
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