塑料管材工艺设计课程设计

塑料管材工艺设计课程设计内容摘要：

%— % 成核剂 TMB4: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 PP R专用料技术要求 序号 项目 单位 要求 课程设计说明书 11 1 大粒和小粒 g/kg 5 2 MFR（ 230℃， ） g/10min 3 负荷变形温度 () ℃ 65 4 熔融温度 ℃ 146 5 拉伸弹性模量 MPa 700 6 拉伸屈服应力 MPa 20 7 弯曲模量 MPa 650 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。 课程设计说明书 12 生产工艺 过 程 工艺流程 （ 1）挤出过程： PPR树脂 + 抗氧剂 1010 + DLTP+成核剂 TMB4 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 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，从机头连续课程设计说明书 13 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。 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 210260℃之间， PPR管材典型 温度 工艺条件见下表 4 项目 一区 二区 三区 四区 五区 机头 设定 温度 /℃ 185 230 240 225 225 一区 二区 250 230 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 课程设计说明书 14 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 —。 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 物料横算 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。 课程设计说明书 15 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： ① 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）； ②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： ① 年生产时间：连续生产 300~350 d 间歇生产 200~250 d 连续生产时，年生产的天数较多，在 300d 左右，其他时间将考虑全课程设计说明书 16 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。 ② 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 %~%，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。 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 %，求年消耗原料量。 合格产品量 年进机料量 m1= ————— =4000t/90%= 合格率 取输送，混合两步中损耗率均为 %，则进入混合机的料量 m2=m1/（ %）= 则进入输送 段物料量 m3=m2/(%)=，即 年进车间料量为 m3 则废料量 m4=m14000== 回收物料量 m5=m4*95%=*95%=m1*10%=,即回收废料量不超过进机物料量的 10%，满足要求。 课程设计说明书 17 考虑回收，则年进机新物料量 m6==m1m5== 则小时车间处理量 m7=年进车间料量为 m3/年生产时间 =（ 300*24）=则自然损耗量 m8=m3m1== 列表 4（有回收情况） 合格率 90% 合格产品 4000t 废品率 10% 废品 自然损耗率 % 自然损耗量 年进车间料量 小时车间处理量 618kg/h 年进机料量 年进机新物料量 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： 序号 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 (t/a) 每小时 处理物料量(kg/h) 1 PPR 100 % 2 成核剂TMB4 % 3 抗氧剂1010 % 4 DLTP % 5 总计 100% 注：表中数据计算说明 （ 1） 各组分进机料量 =总进机料量 *质量分数 （ 2） 各组分损耗量 =总损耗量 *质量分数 （ 3） 各组分总料量 =进机料量 +损耗量 （ 4） 各组分每小时处理物料量 =每组分进机料量 /年生产时间（ 7200h） 课程设计说明书 18 恒算 热量恒算的意义 在车间设计中进行物料衡算的目的：为保证顺利进行成型加工，确定加热所需的热量，并核算加热电功率，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，确定冷却需排出的热量 ，一方面可以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。 热量恒算的方法 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，热量学第一定律是热量衡算的理论依据，即若忽略机器的散热，不考虑摩擦剪切生热 ， 则 加热器放出的热量 (Qv)应该等于物料所吸收 热量 (Qi)。 热平衡公式为： Qv= Qi 上式是通用公式，具体应用时应注意以下几个问题： (1) 正确建立热量之间平衡关系。 (2) 必须弄清过程中存在的热量形式，及热损失。 从而确定所要收集的物性数据集数据的可靠性，以保证计算的准确性。 (3) 要合理划定计算范围。 一般可以和设备的进口和出口一致。 (4) 合理确定计算基准。 计算基准 是指数量上的基准和基准态。 数量基准按处理每公斤物料计算；基准态一般是以 25℃ 作基准温度。 在热塑性塑料成型过程中，最常用的热量来源为电能转变成热能，主要有两种方法：电阻加热、电感加热。 电加热装置简单、干净、 无污染，温度调节也很方便，所以广泛用于塑料成型加工过程中。 热量衡算的方课程设计说明书 19 法有： ① 温差法； ② 焓差法； ③ 潜热法。 设计中常涉及前两种，故重点介绍温差法和焓差法。 ① 温差法 qh=qm,h ch(T1T2) qc=qm,h cc(T4T3) 式中 qm,h 、 qm,c—— 热流体和冷流体的质量流量， kg/s ch 、 cc—— 热流体和冷流体的比热容， J/(kg183。