塑料加工與力學(xué)性能綜合實(shí)驗(yàn)是材料學(xué)院設(shè)置的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課——專業(yè)實(shí)驗(yàn)（2）的內(nèi)容之一，要求學(xué)生針對(duì)高分子材料的加工性能特征進(jìn)行自我設(shè)計(jì)加工工藝和加工條件，完成工藝的全過程，并對(duì)產(chǎn)品的力學(xué)性能進(jìn)行表征和分析。讓學(xué)生掌握高分子材料加工原理及常用的高分子材料的加工設(shè)備的操作方法，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力，同時(shí)為其畢業(yè)設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。

一、熱塑性塑料擠出造粒

高分子材料的成型加工方法：

（1）橡膠：煉膠機(jī)（雙輥塑煉機(jī)、密煉機(jī)和平板硫化機(jī)）

（2）塑料：熱塑性塑料：擠出機(jī)和注塑機(jī)

熱固性塑料：模壓或者擠出

（3）纖維：熔融紡絲：高聚物加熱熔融后噴絲、冷卻、拉絲

溶液紡絲：溶劑溶解高聚物成溶液、噴絲、拉絲

（4）膠粘劑和涂料：攪拌

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

（1）通過本實(shí)驗(yàn)，應(yīng)熟悉擠出成型的原理，了解擠出工藝參數(shù)對(duì)塑料制品性能的影響

（2）了解擠出機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及各部分的作用，掌握擠出成型基本操作

2.實(shí)驗(yàn)原理

（1）塑料造粒：合成出來的樹脂大多數(shù)呈粉末狀，粒徑小成型加工不方便，而且合成樹脂中又經(jīng)常需要加入各種助劑才能滿足制品的要求，為此就要將樹脂與助劑混合，制成顆粒，這步工序稱作“造粒”。樹脂中加入功能性助劑可以造功能性母粒。造出來的顆粒是塑料成型加工的原料。

使用顆粒料成型加工的主要優(yōu)點(diǎn)有：①顆粒料比粉料加料方便，無需強(qiáng)制加料器；②顆粒料比粉料密度大，制品質(zhì)量好；③揮發(fā)物及空氣含量少，制品不易產(chǎn)生氣泡；④使用功能性母料比直接添加功能性助劑更容易分散。

塑料造粒可以使用輥壓法混煉，塑煉出片后切粒，也可以使用擠出塑煉，塑化擠出后切粒。本實(shí)驗(yàn)采用擠出冷卻后造粒的工藝。

（2） 擠出成型原料及應(yīng)用  熱塑性塑料的擠出成型是主要的成型方法之一，塑料的擠出成型就是塑料在擠出機(jī)中，在一定的溫度和一定的壓力下熔融塑化，并連續(xù)通過有固定截面的模型，得到具有特定截面形狀連續(xù)型材的加工方法。不論擠出造粒還是擠出制品，都分兩個(gè)階段，第一階段，固體狀樹脂原料在機(jī)筒中，借助于料筒外部的加熱和螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)的剪切轉(zhuǎn)動(dòng)的剪切擠壓作用而熔融，同時(shí)熔體在壓力的推動(dòng)下被連續(xù)擠出口模；第二階段是被擠出的型材失去塑性變?yōu)楣腆w即制品，可以分條狀、片狀、棒狀、筒狀等。因此，應(yīng)用擠出的方法既可以造粒也能夠生產(chǎn)型材或異材。

3、擠出成型工藝

4、擠出機(jī)構(gòu)造

1－電動(dòng)機(jī)； 2－減速裝置； 3－冷卻水入口；4－冷卻水夾套； 5－料斗；6－溫度計(jì)；

7－加熱套； 8－螺桿； 9－濾網(wǎng)； 10－多孔板； 11－機(jī)頭和口模； 12－機(jī)座

（1）傳動(dòng)裝置：由電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和軸承等組成，具有保證擠出過程中螺桿轉(zhuǎn)速恒定、制品質(zhì)量的穩(wěn)定以及保證能夠變速作用。

（2）加料裝置：無論原料是粒狀、粉狀和片狀，加料裝置都采用加料斗，加料斗內(nèi)應(yīng)有切斷料流、標(biāo)定料量和卸除余料等裝置。

（3）料筒： 料筒是擠出機(jī)的主要裝置之一，塑料的混合、塑化和加壓過程都在其中進(jìn)行。擠壓時(shí)料筒內(nèi)的壓力可達(dá)55Mpa，工作溫度一般為150～250oC，因此料筒是受壓和受熱的容器，通常由高強(qiáng)度、堅(jiān)韌耐磨和耐腐蝕的合金鋼制成。料筒外部設(shè)有分區(qū)加熱和冷卻的裝置，而且各自附有熱電偶和自動(dòng)儀表等。

（4）螺桿：螺桿是擠出機(jī)的關(guān)鍵部件，一般螺桿的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（5）口模和機(jī)頭：機(jī)頭是口模與料件之間的過渡部分，其長(zhǎng)度和形狀隨所用塑料的種類、制品的形狀加熱方法及擠出機(jī)的大小和類型而定。機(jī)頭和口模結(jié)構(gòu)的好壞，對(duì)制品的產(chǎn)量和質(zhì)量影響很大，其尺寸根據(jù)流變學(xué)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定。

（6）冷卻裝置：使熔融物料冷卻為固體（或產(chǎn)品），以便于切割成粒或產(chǎn)品。

（7）卷取（切割）：

（8）后處理：噴涂、絲印、表面處理等

5、擠出機(jī)參數(shù)：

（1）螺桿直徑（DS）：螺桿外徑，常用60～150mm，直徑增大，擠出機(jī)輸送能力增大，生產(chǎn)能力提高。

（2）螺桿長(zhǎng)徑比L/DS：工作部分的有效長(zhǎng)度與直徑之比，通常為20～40，長(zhǎng)徑比大，混合均勻，減少逆流和漏流。要求塑化時(shí)間長(zhǎng)，如硬質(zhì)塑料、粉狀塑料或結(jié)晶塑料，長(zhǎng)徑比要求較大。熱敏性塑料，受熱易分解，長(zhǎng)徑比較小。

(3) 螺槽深度H：H小時(shí)，產(chǎn)生較高剪切力，有利于塑化，但擠出生產(chǎn)率降低。H較大，則反之。H沿著螺桿軸向變化。

（4）螺旋角θ：螺紋與螺桿橫截面之間夾角，θ增大，生產(chǎn)能力提高，剪切作用減小。介于10～30度之間。

（5）螺紋棱部寬E：太小則漏流增加，產(chǎn)量降低；太大則易局部過熱。0.08～0.12 DS。

（6）螺桿與料筒間隙：大小影響擠出機(jī)生產(chǎn)能力和塑化效果。較大時(shí)，剪切力變小、生產(chǎn)能力下降、物料熔融塑化慢。過小，強(qiáng)剪切力易引起物料受熱降解。0.1～0.65mm。

6、螺桿作用：

（1）輸送作用（2）傳熱塑化物料（3）混合均化物料

螺桿各段作用：

（1）加料段：物料固態(tài)，H為等深等距的深槽螺紋，利于吃料。長(zhǎng)度：結(jié)晶較長(zhǎng)，60％左右；無定形較短，10～25％。

（2）壓縮段：起擠壓和剪切作用，物料由固體變?yōu)槿廴趹B(tài)。H逐漸減小，物料熔融程度逐漸增大，末端基本熔融完全。無定形物料壓縮段較長(zhǎng)，熔融溫度范圍寬塑料，如PVC，壓縮段為全長(zhǎng)，熔融溫度范圍窄，如尼龍，壓縮段為1～2個(gè)螺距。

（3）均化段：進(jìn)一步混合塑化，并定量定壓地輸送物料到機(jī)頭。螺距和槽深不變。H較小，利于塑化均勻。長(zhǎng)度一般為螺桿全長(zhǎng)的20～25％。熱敏性塑料，均化段短；

7. 配方設(shè)計(jì)原理

7.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和原料

原料：高密度聚乙烯（HDPE），低密度聚乙烯（LDPE），乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA），聚磷酸胺（APP），紅磷，季戊四醇，PE蠟和抗氧劑。

儀器：雙螺桿擠出機(jī)，切粒機(jī)。

7.2阻燃塑料配方（質(zhì)量比） 

         8. 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）根據(jù)塑料的種類、配方設(shè)計(jì)及熔融指數(shù)，確定擠出溫度控制范圍及各段溫度。

（2）檢查擠出機(jī)的各部分，確認(rèn)設(shè)備正常，接通電源，打開冷卻水、加熱，待各段預(yù)熱到要求溫度時(shí)，再次檢查并趁熱擰緊機(jī)頭各部分螺栓等銜接處，保溫10min以上再加料。

（3）開動(dòng)主機(jī)螺桿，待轉(zhuǎn)動(dòng)正常后再開動(dòng)喂料螺桿， 在轉(zhuǎn)動(dòng)下先加少量塑料，注意進(jìn)料和電流計(jì)情況，待熔料擠出正常后，將擠出物用手（戴上手套）和鑷子慢慢引上冷卻牽引裝置，同時(shí)開動(dòng)切粒機(jī)切粒并收集產(chǎn)物。

（4）擠出平穩(wěn)后，繼續(xù)加料，調(diào)整各部分，控制溫度等工藝條件，維持正常操作。

（5）觀察擠出料條形狀和外觀質(zhì)量，記錄擠出物均勻、光滑時(shí)各段溫度等工藝條件，記錄一定時(shí)間內(nèi)的擠出量，計(jì)算產(chǎn)率，重復(fù)加料，維持操作1h。

（6）實(shí)驗(yàn)完畢，用物料洗機(jī)，先關(guān)閉喂料螺桿，等螺桿剩余物料清理完畢后關(guān)閉主機(jī)螺桿，趁熱消除機(jī)頭中殘留塑料，關(guān)閉切粒機(jī)、冷卻水和電源。

9. 注意事項(xiàng)

（1）熔體擠出前，任何人不得在機(jī)頭口模的正前方，擠出過程中，嚴(yán)防金屬雜質(zhì)、小工具等物落入料斗及進(jìn)料口中。

（2） 清理設(shè)備時(shí)，只能使用鋼棒、銅制刀等工具，切忌損壞螺桿和口模等處的光潔表面。

（3） 擠出過程中，要密切注意工藝條件的穩(wěn)定，不得任意改動(dòng)，如果發(fā)生不正常現(xiàn)象，應(yīng)立即停機(jī)，進(jìn)行檢查處理后再恢復(fù)實(shí)驗(yàn)。

10. 實(shí)驗(yàn)報(bào)告

（1）列出實(shí)驗(yàn)用擠出機(jī)的技術(shù)參數(shù)。螺桿直徑、長(zhǎng)徑比、電機(jī)功率、加熱功率、螺桿轉(zhuǎn)速、產(chǎn)率。

（2） 報(bào)告實(shí)驗(yàn)所用原料、配方及操作工藝條件，并計(jì)算擠出機(jī)產(chǎn)率。

（3）取樣測(cè)試熔融指數(shù)和力學(xué)性能。

（4）討論

A 結(jié)合試樣性能檢驗(yàn)結(jié)果，分析產(chǎn)物性能與原料、工藝條件及實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作的關(guān)系。

B 影響擠出物均勻性的主要原因有哪些，怎樣影響？如何控制？

C 實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)控制哪些條件才能保證得到質(zhì)量好的樣品和制品？

D擠出機(jī)的主要結(jié)構(gòu)有哪幾部分組成？

E 擠出時(shí)物料下料不順利，總是斷料，可能有哪些原因？

二、拉伸、沖擊樣條的制備

1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

（1）掌握拉伸、沖擊樣條的制備方法和使用方法。

（2）利用萬能制樣機(jī)或注塑機(jī)制備塑料拉伸、沖擊實(shí)驗(yàn)樣條。

2. 實(shí)驗(yàn)原理

可利用萬能制樣機(jī)或注塑機(jī)制備拉伸和沖擊實(shí)驗(yàn)樣條。萬能制樣機(jī)能加工塑料以及非金屬材料的拉伸、沖擊性能等實(shí)驗(yàn)用的標(biāo)準(zhǔn)樣條，能夠切斷、銑缺口、銑曲線型和平面加工。注塑機(jī)能成型各種形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，工藝簡(jiǎn)單，方便快捷。

三、試樣的拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率實(shí)驗(yàn)

1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

了解高分子材料的拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率的意義及其測(cè)試方法，通過應(yīng)力－應(yīng)變曲線的測(cè)定，判斷不同高分子材料的性能特征。

2. 實(shí)驗(yàn)原理

將試樣夾持在專用夾具上，對(duì)試樣施加靜態(tài)拉伸負(fù)荷，通過壓力傳感器、形變測(cè)量裝置以及計(jì)算機(jī)處理，測(cè)繪出試樣在拉伸變形過程中的拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線，計(jì)算出曲線上的特征點(diǎn)如試樣直至斷裂為止所承受的最大拉伸應(yīng)力（拉伸強(qiáng)度）、試樣斷裂時(shí)的拉伸應(yīng)力（拉伸斷裂應(yīng)力）、在拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線上屈服點(diǎn)處的應(yīng)力（拉伸屈服應(yīng)力）、應(yīng)力－應(yīng)變曲線偏離直線性達(dá)規(guī)定百分?jǐn)?shù)（偏置）時(shí)的應(yīng)力（偏置屈服應(yīng)力）和試樣斷裂時(shí)標(biāo)線間距離的增加量與初始標(biāo)距之比（斷裂伸長(zhǎng)率，以百分?jǐn)?shù)表示）。

3.實(shí)驗(yàn)試樣的選擇及實(shí)驗(yàn)條件

3.1實(shí)驗(yàn)試樣的選擇

不同的材料由于尺寸效應(yīng)不同，故應(yīng)盡量減少缺陷和結(jié)構(gòu)不均勻性對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響，按下表選用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的拉伸試樣類型以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)速度

四、試樣的阻燃性能測(cè)試

1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

（1）了解開發(fā)阻燃型塑料的重要性，掌握阻燃劑的阻燃類型和阻燃機(jī)理。

（2）掌握垂直法測(cè)試塑料阻燃性能的方法。

2. 實(shí)驗(yàn)原理

聚合物的燃燒是一個(gè)非常激烈復(fù)雜的熱氧化反應(yīng)，具有冒發(fā)濃煙或熾烈火焰的特征。燃燒的一般過程是在外界熱源的不斷加熱下，聚合物先與空氣中的氧發(fā)生自由基鏈?zhǔn)浇到夥磻?yīng)，產(chǎn)生揮發(fā)性可燃物，該物達(dá)到一定濃度和溫度時(shí)就會(huì)著火燃燒起來，燃燒所放出的一部分熱量供給正在降解的聚合物，進(jìn)一步加劇其降解，產(chǎn)生更多的可燃性氣體，火焰在很短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)迅速蔓延而造成一場(chǎng)大火。一般如PP、PA、PE、PS、ABS、EVA及PET、PBT等易燃的高分子塑料在特殊用途中都需要添加阻燃劑。

阻燃劑，又稱難燃劑，耐火劑或防火劑，賦予易燃聚合物難燃性的功能性助劑。依應(yīng)用方式分為添加型阻燃劑和反應(yīng)型阻燃劑。添加型阻燃劑直接與樹脂或膠料混配，加工方便，適應(yīng)面廣，系阻燃劑的主體；反應(yīng)型阻燃劑常作為單體鍵合到聚合物鏈中，對(duì)制品性能影響小且阻燃效果持久。根據(jù)組成，添加型阻燃劑主要包括無機(jī)阻燃劑、鹵系阻燃劑(有機(jī)氯化物和有機(jī)溴化物)、磷系阻燃劑(赤磷、磷酸酯及鹵代磷酸酯等)和氮系阻燃劑等。反應(yīng)型阻燃劑多為含反應(yīng)性官能團(tuán)的有機(jī)鹵和有機(jī)磷的單體。此外，具有抑煙作用的鉬化合物、錫化合物和鐵化合物等亦屬阻燃劑的范疇。常用的幾種阻燃劑的阻燃機(jī)理如下：

（1）聚磷酸銨

膨脹型防火涂料，使防火涂料在火焰溫度下膨脹起泡，在被覆蓋基材上，受熱脫水生成聚磷酸，使有機(jī)物表面脫水生成碳化膜，并產(chǎn)生大量的不燃?xì)怏w，形成厚厚的泡沫絕熱層，對(duì)基材起到絕熱，隔絕空氣而達(dá)到阻燃目的，生成膨脹泡沫層主要成份有：

碳化物質(zhì)(碳源)：主要是高碳水化合物，季戊四醇、雙季戊四醇、淀粉等。

①催化劑(磷酸源)：含磷量高，有較高的但又低于碳化物質(zhì)分解溫度下分解出的聚磷 酸，在基材上生成碳化膜。

②發(fā)泡劑(氣源)：發(fā)泡劑釋放出氣體使碳化膜形成泡沫膨脹成很厚的碳化高效碳化層，發(fā)泡劑為三聚氰胺(蜜胺)、雙氰胺和尿素等。

（2）氫氧化鎂

氫氧化鎂在受熱時(shí)發(fā)生分解吸收燃燒物表面熱量起到阻燃作用；同時(shí)釋放出大量水分稀釋燃物表面的氧氣，分解生成的活性氧化鎂附著于可燃物表面又進(jìn)一步阻止了燃燒的進(jìn)行。氫氧化鎂在整個(gè)阻燃過程中不但沒有任何有害物質(zhì)產(chǎn)生，而且其分解的產(chǎn)物在阻燃的同時(shí)還能夠大量吸收橡膠、塑料等高分子燃燒所產(chǎn)生的有害氣體和煙霧，活性氧化鎂不斷吸收未完全燃燒的熔化殘留物，從使燃燒很快停止的同時(shí)消除煙霧、阻止熔滴，是一種新興的環(huán)保型無機(jī)阻燃劑。

（4）磷及磷化合物的阻燃機(jī)理

磷系阻燃劑的阻燃作用主要體現(xiàn)在火災(zāi)初期的高聚物分解階段，因其能促進(jìn)聚合物脫水炭化，從而減少聚合物因熱分解而產(chǎn)生的可燃性氣體的數(shù)量，并且所生成的碳膜還能隔絕外界空氣和熱。

3. 樣品制備

按照美國(guó)UL-94阻燃材料測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，試樣尺寸為：長(zhǎng)127mm，寬12.7mm，最大厚度3.2mm。樣條制備采用注射成型方式。

4. 實(shí)驗(yàn)操作步驟

阻燃性能測(cè)試按照美國(guó)UL-94阻燃材料測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，采用垂直燃燒試驗(yàn)方法。UL94中的垂直燃燒試驗(yàn)在無通風(fēng)試驗(yàn)箱中進(jìn)行。根據(jù)樣品燃燒時(shí)間，熔滴是否引燃脫脂棉等試驗(yàn)結(jié)果，把聚合物材料定為V-2,V-1,V-0三個(gè)級(jí)別，其中以V-2級(jí)為最低阻燃級(jí)，V-0級(jí)為最高阻燃級(jí)。