材料成型加工与工艺学-习题解答(7,8)

第六章压制成型

2. 简述热固性塑料模压成型的工艺步骤。

将热固性模塑料在以加热到指定温度的模具中加压，使物料熔融流动并均匀地充满模腔，在加热和加压的条件下经过一定的时间，使其发生化学反应而变成具有三维体形结构的热固性塑料制品。

(1)计量

(2)预压

(3)预热

(4)嵌件安放

(5)加料

(6)闭模

(7)排气

(8)保压固化

(9)脱模冷却

(10)制品后处理

4. 在热固性塑料模压成型中，提高模温应相应地降低还是提高模压压力才对模压成型工艺有利？为什么？

在一理论的操作温度下，模温提高时，物料的黏度下降、流动性增加，可以相对应的降低模压；但若继续升高模温会使塑料交联反应速度增快、固化速率升高此时便需要提高模压。一般而言提高温度应提高模压压力。

8. 试述天然橡胶硫化后的物理性能的变化，并解释之。

橡胶在硫化的过程中，交联密度发生了显着的变化。随着交联密度的增加，橡胶的密度增加，气体、液体等小分子就难以在橡胶内运动，宏观表现为透气性、透水性减少，而且交联后的相对分子质量增大，溶剂分子难以在橡胶分子之间存在，宏观表现为能使生胶溶解的溶剂只能使硫化胶溶胀，而且交联度越大，溶胀越少。硫化也提高了橡胶的热稳定性和使用温度范围。

天然橡胶在硫化过程中，随着线型大分子逐渐变为网状结构，可塑性减小，拉伸强度、定伸强度、硬度、弹性增加，而伸长率、永久变形、疲劳生热等相应减小，但若硫化时间再延长，则出现拉伸强度、弹性逐渐下降，伸长率、永久变形反而会上升的现象。

10. 橡胶的硫化历程分为几个阶段？各阶段的实质和意义是什么？

(1) 焦烧阶段又称硫化诱导期，是指橡胶开始前的延迟作用时间，在此阶段胶料尚未开始交联，胶料在模型内有良好的流动性。对于模型硫化制品，胶

料的流动、充模必须在此阶段完成，否则就会发生焦烧，出现制品花纹不清、缺胶等缺陷。焦烧阶段的长短决定了胶料的焦烧性能和操作安全性。

(2) 预硫化阶段焦烧期以后橡胶开始交联的阶段。在此阶段，随着交联反应得进行，橡胶的交联程度逐渐增加，并形成网状结构，橡胶的物理机械性能逐渐上升，但尚未达到预期的水平，但有些性能如撕裂性能、耐磨性能等却优于正硫化阶段时的胶料。预硫化阶段的长短反应了橡胶硫化反应速度的快慢，主要取决于胶料的配方。

(3) 正硫化阶段橡胶的交联反应达到一定的程度，此时各项物理机械性能均达到或接近最佳值，其综合性能最佳。此时交联键发生重排、裂解等反应，同时存在的交联、裂解反应达到了平衡，因此胶料的物理机械性能在一个阶段基本上保持恒定或者变化很少，所以该阶段也称为平坦硫化阶段。此阶段所取的温度和时间称为正硫化温度和正硫化时间。硫化平坦阶段的长短取决于胶料的配方，主要是生胶、促进剂和防老剂的种类。

(4) 过硫阶段正硫化以后继续硫化便进入过硫阶段。交联反应和氧化及热断链反应贯穿于橡胶硫化过程的始终，只是在不同的阶段，这两种反应所占的地位不同，在过硫阶段中往往氧化及热断链反应占主导地位，因此胶料出现物理机械性能下降的现象。天然橡胶、丁苯橡胶等主链为线形大分子结构，在过硫阶段断链多于交联而出现硫化返原现象；对于大部分合成橡胶，如丁苯、丁腈橡胶，在过硫阶段中易产生氧化支化反应和环化结构，胶料的物理机械性能变化很小，甚至保持恒定，这种胶料称硫化非返原性胶料。

11. 橡胶制品生产过程中，残余焦烧时间的长短与橡胶制品的类型有什么关系？

剩余胶烧时间是指胶料在模型中加热时保持流动性的时间。如果胶料在混炼、停放、熟炼和成型中所耗的时间过长或温度过高，则操作焦烧时间长，占去的整个胶烧时间就多，则剩余焦烧时间就少，易发生焦烧。因此，为了防止焦烧，一方面设法使胶料具有较长的焦烧时间，如使用后效性促进剂；另一方面在混炼、停放、熟炼、成型等加工时应低温、迅速，以减少操作焦烧时间。

15. 某一胶料的硫化温度系数为2，当硫化温度为137℃时，测出其硫化时间为80 min，若将硫化温度提高到143℃，求该胶料达正硫化所需要的时间？上述胶料的硫化时间缩短到60 min时，求所选取的硫化温度是多少？

使用范特霍夫方程式：

(1) t1/ t2＝K(T2－T1)/10

＝2(143－137)/10

80/ t

t2＝52.77 min

80＝1.516 t

(2) t 1/ t 2＝K (T2－T1)/10

80/60＝2(T2－137)/10

1.333＝2(T2－137)/10

0.1248＝(T2－137)/10．log2

T2＝141.16℃

16. 某胶料的硫化温度系数为2，在实验室中用试片测定，当硫化温度达到143℃

时，硫化平坦时间为20~80 min ，该胶料在140℃下于模型中硫化了70 min ，问

是否达到正硫化？

使用范特霍夫方程式：

首先考虑某橡胶在143℃的硫化平坦时间开始点 20min 推算其在140℃下其硫

化平坦时间开始点

(1) t 1/ t 2＝K (T2－T1)/10

2＝2

(140

－143)/10

20＝

0.8122 t 2 t 2＝24.62 min

首先考虑某橡胶在143℃的硫化平坦时间终止点 80min 推算其在140℃下其硫

化平坦时间终止点

(2) t 1/ t 2＝K (T2－T1)/10

80/ t 2＝2(140－143)/10

80＝0.8122 t 2 t 2＝98.50 min

最后即依上列方程得知判断出某橡胶在140℃下其硫化平坦时间为24.62~98.50

min 其在70 min 时已达到了正硫化且并未进入过硫阶段。

17. 绘出增强热固性塑料层压板成型时热压过程五个时期的温度和压力与时间

的关系曲线，并说明各时期的温度和压力在成型中的作用。

(pic. 6-25, page 207)

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

第一階段第二階段第三階段第四階段第五階段溫度壓力

第一阶段为塑料开始预热阶段板胚的温度从室温升至树脂开始交联反应的温

度，这时树脂开始熔化并进一步渗入增强材料中，同时使部分挥发物排出。此

时施加的最高压力的1/3~1/2，一般为4~5MPa 之间，若压力过大，胶液将大量

流失。

第二阶段为塑料中间保温阶段 树脂在较低的反应速度下进行交联固化反应，直

至溢料不能成丝为止，然后开始升温升压。

第三阶段 将温度和压力升至最高，此时树脂的流动性已下降，高温高压不会造

成胶液流失，却能加快交联反应。升温速度不宜过快，以免制品出现裂纹和分

层，但应加足压力。

第四阶段 热压保温阶段在规定的压力和温度下(9~10MPa ，160~170)，保持一

段时间，使树脂充分交联固化。

第五阶段 冷却阶段 树脂充分交联固化后即可逐渐降温冷却。冷却时应保持一

定压力，否则制品表面发泡和翘曲变形。

第七章挤出成型

1. 挤出机螺杆的结构上为何分段？分段的根据是什么？

螺杆对物料所产生的作用在螺杆的全长范围内各段的不同。根据物料在螺杆中的温度、压力、黏度等的变化特征，可将螺杆分为加料段、压缩段和均化段。

(1)加料段其长度随塑料品种而异，挤出结晶型热塑性塑料的加料段要求

较长，使塑料有足够的时间，慢慢软化，该段约占螺杆全长

60%~65%。挤出无定型塑料的加料段较短，约占螺杆10%~25%。

但硬质无定型塑料也要求长一些，软质无定型塑料则较短。

(2)压缩段的长度与塑料的性质、塑料的压缩率有关。无定型塑料压缩段

较长，为螺杆全长55%~65%，熔融温度范围宽的塑料其压缩段最

长，如PVC挤出成型用的螺杆，压缩段为100%，即全长均起压缩

作用，这样的螺杆叫做渐变螺杆。结晶型塑料，熔融温度范围较窄，

压缩段较短，为3~5D s，某些熔化温度范围很窄的结晶型塑料，如

PA，其压缩段更短，甚至仅为一个螺杆长度，这样的螺杆叫做突变

螺杆。

(3)均化段螺杆由于从压缩段来的物料已达到所需的压缩比，故均化段一

般无压缩作用，螺距和槽深可以不变，这一段常常是等距等深的浅

槽螺纹。对于渐变型螺杆，本段螺杆螺距最小或是槽深最浅，这种

螺杆实际上无均化段，常用于PVC等热敏性塑料。可避免黏流态

物料在均化段停留时间过长而导致分解。对于一般塑料，如PE、

PS等，为了稳定料流，均化段应有足够的长度，通常是螺杆全长的

20%~25%。

3. 什么叫做压缩比？挤出机螺杆设计中的压缩比根据什么来确定？

指螺杆加料段第一个螺槽的容积与均化段最后一个螺槽的容积之比，它表示塑料通过螺杆的全过程被压缩的程度。压缩比一般在2~5之间，压缩比的大小取决于挤出塑料的种类和形态，粉状塑料的相对密度小，夹带的空气多，其压缩比应大于粒料塑料。另外挤出薄壁状制品时，压缩比应比挤出厚壁制品的大。

6. 提高挤出机加料段固体输送能力，应对设备采取什么措施？指出其理论依据。

根据固体输送理论:

A s f s＝A b f b cosθ

推导后:

q s＝π2DH1(D－H1)n[(tanθ?tanΦ)/ (tanθ＋tanΦ)]

(1)在螺杆直径不变时，增大螺杆深度H1；

(2)减小物料与螺杆的静摩擦因子f s；

(3)增大物料与料筒的静摩擦因子f b；

(4)选择合适的螺旋角θ，使(tanθ?tanΦ)/ (tanθ＋tanΦ)最大。

7. 塑料在挤出机中的熔化长度的意义是什么？

挤出过程中，在加料段内是充满未熔融的固体粒子，在均化段内则充满着已熔化的物料，而在螺杆中间的压缩段内固体粒子与熔融物共存，物料的熔化过程就是在此区段内进行的，故压缩段又称为熔化区。在熔化区，物料的熔融过程是逐渐进行的，自熔化区A开始，固体床的宽度将逐渐减小，熔池的宽度逐渐增加，直到熔化区终点B，固体床的宽度下降到零，进入均化段，固体床消失，螺杆全部充满熔体。从熔化开始到固体床的宽度降到为零为止的总长度，称之为熔化长度。熔化长度的大小反映了固体的熔化速度，一般熔化速度越高则熔化长度越短，反之越长。

8. 塑料熔体在挤出机螺槽内有几种流动形式？造成这几种流动的主要原因是

什么？

(1)正流是物料沿螺槽方向(z方向)向机头的流动，这是均化段熔体的主流，是由于螺杆旋转时螺柃的推挤作用所引起的，从理论分析上来说，这种流动是由于物料在螺槽中受机筒摩擦拖曳作用而产生的，故也称为拖曳流动，它起挤出物料的作用。其体积流量用q V, D表示，正流在螺槽中沿螺槽深度方向的速度分布是线性变化的。

(2)逆流沿螺槽与正流方向相反(-z方向)的流动，它是由机头口模、过滤网等对料流的阻碍所引起的反压流动，故又称压力流动，它将引起挤出生产能力的损失。其体积流量用q V, P表示，逆流的速度分布是按抛物线关系变化的。正流和逆流的综合称为净流，是正流和逆流两种速度的代数和。

(3)横流物料沿x轴与y轴两方向在螺槽内往复流动，也是螺杆旋转时螺柃的推挤作用和阻挡作用所造成的，仅限于在每个螺槽内的环流，对总的挤出生产率影响不大，但对于物料的热交换、混合和进一步均匀塑化影响很大，其体积流量用q V, T表示。

(4) 漏流物料在螺杆和料筒的间隙沿着螺杆的轴向往料斗方向的流动。

10. 各种挤出成型制品的生产线由各自的主、辅机组成，请归纳它们的工艺过程，用框图表示。

12. 管材挤出的工艺过程是什么？挤出管材如何定径？

管材挤出的基本工艺是：由挤出机均化段出来的塑化均匀的塑料，先后经过过滤网、粗滤器而达分流器，并为分流器支架分为若干支流，离开分流器支架后再重新汇合起来，进入管芯口模间的环形通道，最后通过口模到挤出机外而成管子，接着经过定径套定径和初步冷却，再进入冷却水槽或具有喷淋装置的冷却水箱，进一步冷却成为具有一定口径的管材，最后经由牵引装置引出定根据规定的长度要求而切割得到所需的制品。

硬PVC管可用定径套来定型，定型的方式有定外径和定内径两种，定径方法的选择取决于管材的要求。若管材外径尺寸要求高，宜选用外定径法；反之，则选用内径定型法。我国硬PVC管的标准是外径带公差，所以目前主要采用外径定径法。

外径定径法是使己出的管子的外壁与定径套的内壁相接触而起定型作用的，为此，可用向管内通入压缩空气的内压法或在管子外壁抽真空法来实现外径定径。(pic. 7-27, page 239)

内径定径法如图7-29 (page 240)所示，定径套装于挤出的塑料馆内，即从机头挤出的管子内壁与定径套的外壁相接触，在定径套内通以冷水，将管子冷却定型。由于定径套内的冷却水管是从管芯处插入的，所以，这种定型法只是直角式机头或偏移式机头的挤出才能使用。