PVC泡沫板挤塑课程设计.doc

第一章 概述

1. PVC的发展形势及应用
1.1 PVC及其发泡板材简介
聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride，简称PVC)，是我国第一、世界第二大通用型合成树脂材料，由于具有优异的难燃性、耐磨性、抗化学腐蚀性、综合机械性、制品透明性、电绝缘性及比较容易加工等特点，目前，PVC已经成为应用领域最为广泛的塑料品种之一，在工业、建筑、农业、日常生活、包装、电力、公用事业等领域均有广泛应用，与聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）和ABS统称为五大通用树脂。
聚氯乙烯是一种无毒、无臭的白色粉末。它的化学稳定性很高，具有良好的可塑性。除少数有机溶剂外，常温下可耐任何浓度的盐酸、90%以下的硫酸、50～60%的硝酸及20%以下的烧碱，对于盐类亦相当稳定；PVC的热稳定性和耐光性较差，在140℃以上即可开始分解并放出氯化氢(HCl)气体，致使PVC变色。PVC的电绝缘性优良，一般不会燃烧，在火焰上能燃烧并放出HCl，但离开火焰即自熄，是一种“自熄性”、“难燃性”物质。基于上述特点，PVC主要用于生产型材、异型材、管材管件、板材、片材、电缆护套、硬质或软质管、输血器材和薄膜等领域。
根据应用范围不同，PVC可分为：通用型PVC树脂、高聚合度PVC树脂、交联PVC树脂。
通用型PVC树脂是由氯乙烯单体在引发剂的作用下聚合形成的；高聚合度PVC树脂是指在氯乙烯单体聚合体系中加入链增长剂聚合而成的树脂；交联PVC树脂是在氯乙烯单体聚合体系中加入含有双烯和多烯的交联剂聚合而成的树脂。通用型聚氯乙烯由于制备方法简单、用途广泛，在现货市场上流通的绝大部分都是通用型的聚氯乙烯树脂，而高聚合度的和交联的PVC树脂一般在特殊领域应用较多。
PVC发泡材料由于性能优良,广泛应用于建筑、建材、装饰、家具、广告、汽车等行业,近年来得到快速发展。PVC发泡板材也称安迪板、雪弗板,从产品外观、性能和生产工艺可分为两类:①结皮发泡板材,其采用塞卢卡原理生产,表面结一层硬皮,光滑平整、硬度高、力学性能好,并且产品精度高、厚度误差小,对模具、配方、材料、生产工艺要求严格;②自由发泡板材,产品表面疏松没有结皮,呈细密凹凸状麻面,有利于印刷、喷涂、贴面,采用普通发泡模具即可生产,工艺过程相对容易控制。
1.2 PVC的加工特性
1.PVC粉末树脂以颗粒状态存在，而PVC颗粒是由许多初级粒子组成的，悬浮法树脂的初级粒子大小为1~2μm，乳液法树脂的初级粒子大小为0.1~1μm；悬浮法树脂的颗粒尺寸大小为50~250μm，乳液法树脂的颗粒尺寸大小为30~70μm。
2.PVC是无定形的高分子聚合物，没有明显的熔点，在75~80℃时变软，其玻璃化温度为80~85℃；在空气中温度高于150℃时就会发生降解释放出氯化氢，超过180℃则会迅速分解。PVC在低于160℃时为颗粒状态，高于160℃颗粒会破碎分解成初级粒子，当超过190℃时初级粒子就会熔融。
3.PVC的加工稳定性极不好，是热塑性塑料中最差的品种；其160℃的熔融温度高于140℃的分解温度，因此纯PVC树脂不通过改性处理是难以用熔融塑化的方法来加工生产。
4.PVC的熔体粘度大，流动特性不好，熔体强度低，容易产生熔体破裂、制品表面粗糙等现象，特别是硬制品；因此需要添加加工助剂来改善，最常用的加工助剂是ACR。注塑成型时，还应注意选择低速高压。
5.PVC熔体属于非牛顿流体，熔体粘度对剪切速率敏感，所以对于热敏性的PVC树脂来说，在加工过程中要降低粘度，可以通过提高螺杆转速来实现，而少调整加工温度。
6.PVC在加工前需要进行干燥处理：110℃，1~1.5小时。
7.PVC配方中的组分很多，需要充分混合均匀。要注意加料的顺序，吸油性大的填料后加（防止吸收增塑剂），润滑剂最后加（防止影响其它组分的分散）；还要控制好混合温度，一般热混合温度在110℃左右。
8.PVC热分解后产生的氯化氢HCl，具有刺激性、腐蚀性，容易导致料筒和螺杆的腐蚀，因此需要对料筒和螺杆表面进行镀铬处理。
1.3 PVC泡沫板生产工艺
挤出成型工艺是聚合物加工领域中生产品种最多，变化最多、生产率高、适应性强、用途广泛、产量所占比重最大的成型加工方法。挤出成型是使高聚物的熔体(或粘性流体)在挤出机的螺杆的挤压作用下通过一定形状的口模而连续成型，所得的制品为具有恒定断面形状的连续型材。
挤出机螺杆分3个区段：加料段（送料段）、熔化段（压缩段）、计量段（均化段），这三段相应的对物料组成了3个功能区：固体输送区、物料塑化区、熔体输送区。固体输送区的料筒温度一般控制在100~1400C。若加料温度过低，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。物料塑化区的温度控制在170~1900C。料筒真空度一般为0.08~0.09MPa。熔体输送区的温度应略低一些，一般为160~1800C。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PVC这样的热敏塑料，不应在此段停留时间过长，螺杆转速一般为20~30r/min。机头是挤出制品成型的重要部件，它的作用是产生较高的熔体压力并使熔体成型为所需的形状。各部分工艺参数分别为：口模连接器温度1650C，口模温度1700C、1700C、1650C、1800C、1900C。

第二章 物料衡算

2.1配方确定
PVC(SG5)         100  硬脂酸           0.5 
三碱式硫酸铅     2.5  石蜡             0.3
二碱式亚磷酸铅   0.4  碳酸钙           2.5
DOP             1.8  偶氮二甲酰胺     0.68
硬脂酸铅         0.2  二碱式硬脂酸铅   0.5 
 CPE               7  硬脂酸钙          0.4 
聚乙烯蜡          0.2  钛白粉            1.8 
2.2 物料衡算
1.物料衡算指的是利用质量守衡定律对物料进行前后操作后物料的总量与产物及物料损失状况的计算方法，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相关。
2.物料衡算应在已知产品规格和产量的前提下进行所需原辅材料量、废品量及消耗量的计算。
3.物料衡算的意义在于以下几点：
(1)实际动力消耗量；
(2)生产过程中所需热量或冷量；
(3)为设备选型、决定规格、台数、产量等提供依据；
(4)在拟订原料的消耗定额基础上，进一步计算日消耗量、时消耗量，所需设备提供必要的基础数据。
4.物料衡算的方法
由已知数据.根据下列公式进行物料衡算；
∑G1=∑G2+∑G3 
∑G1：——进入设备的物料量总和； 
∑G2：——离开设备的正品量和次品量总和； 
∑G3：——加工过程中物料损失量的总和。 确定年生产时间 
5. 年工作日的选取   
(1) 年工作时间  365-26（法定节假日）=339天 
(2) 设备检修  24天/年 
(3) 特殊情况停车  15天/年 
(4) 实际开车时间  365-26-24-15=300天
6. 相关物料计算 
有关定额、合格率、废品率、消耗率、分解率、回收率等。 
在任何一产品加工中合格率都不是100%，由于设备原因，因材料原因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。经过调查研究后发现，PVC泡沫塑料板材的合格率为85%—95%，自然损耗率为0.1%—0.15%，主要是储存、运输、加工前的损耗。 
已知要生产年生产量为10000t的PVC泡沫塑料板材，确定合格率为90%，自然损耗为0.1%。
本次设计的是年产量10000t的PVC泡沫塑料板材，下列为其物料衡算： 
年需要物料量   M1=合格产品/合格率=10000t/90%≈11111.11t       
年车间料量      M2=M1×(1+0.1%)=11111.11t ×1.001≈11122.22t
自然损耗量      M3=M2×0.1%=11122.22t ×0.1%=11.22t 
废品量          M4=M1-10000=11111.11-10000=1111.11t 
每小时车间处理料量=年车间料量/年生产时间 
M5=11122.22t/300/24≈1545㎏/h 
7. 列表：表2-1车间生产效率：   
表2-1车间生产效率

2.3 热量衡算
主要针对成型加工过程和冷却传热问题，在工艺设计中至关重要。 
1. 热量衡算的意义 
确定成型加工必需的热量机电加热或冷却功率，计算电功耗依据；设备选型依据。 
2. 热量衡算的类型 
(1) 单元设备  当各个单元设备之间没有热量交换时，只对个别设备计算。
(2) 整个过程  各个工序或单元操作均有热量交换，则作全过程衡算。 
3. 热量衡算的基本原则 
遵循能量守衡定律，即热力学第一定律是热量衡算理论依据。当不考虑机器散热，摩擦剪切生热问题时。加热器放出热量应该等于物料所吸收的热量。即满足热平衡方程式： 
Q0=Q1

第三章 设备选型与计算

3.1 挤出机分类
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n表示螺杆转速，单位为转／分(r／min) 
（4）主螺杆的驱动电机功率：指驱动螺杆转动的电动机功率，用P表示，单位KW。 
  (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E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）机器中心高： 指螺杆中心线到地面的高度，用H表示，单位mm。 
（8）机器外形尺寸：指总长×总宽×总高， 用L×W×H表示，单位mm。 
（9）机器的质量： 用w表示，单位吨或千克。
3.2 计算
设备计算的主要任务是：年生产10000t，年生产时间为300d，拟定产品合格率为90%，选择设备规格型号，确定实际生产台数，并为购置设备及车间生产布置提供依据。 
（1）由物料衡算和热量衡算的计算，得知： 
年需要物料总量：  10000÷90%=11111.11t 
每小时车间处理物料量：11122.22t/300/24≈1545㎏/h  
（2）根据生产规模查资料选定设备，此次设计选择的挤出机规格如下表 3-1
表3-1 单螺杆挤出机设备规格及型号

（3）根据生产规模查资料选定设备，初选SJ—90型单螺杆挤出机。确定最佳生产能力  根据选定设备可知，其生产能力为170kg/h 
（4）初步机台数：机台数=车间每小时处理物料/单机最佳挤出量 =1545/170≈9.08台
（5）实际所需台数 
确定车间开机率、开机主要参数、维修定情况、开停机及临时停车开机率的选择应根据具体生产情况.设备运转状况及车间管理水平而定，一般在80%—90%范围，若开机率为90%。 实际机台数=初定台数/开机率= 9.08/90%≈10.08台
（6） 最终核算 
机台数×台时产量×年生产时间与年处理物料总量相比，即有：10×171.67×300×24=12360.24t＞11111.11t 所以选10台合理。