热塑性塑料加工与力学性能综合实验讲义.doc

热塑性塑料加工与力学性能综合实验
塑料加工与力学性能综合实验是材料学院设置的基础实验课——专业实验（2）的内容之一，要求学生针对高分子材料的加工性能特征进行自我设计加工工艺和加工条件，完成工艺的全过程，并对产品的力学性能进行表征和分析。让学生掌握高分子材料加工原理及常用的高分子材料的加工设备的操作方法，培养学生实际动手能力，同时为其毕业设计打下良好的基础。

（一） 热塑性塑料挤出造粒
高分子材料的成型加工方法：
（1） 橡胶：炼胶机（双辊塑炼机、密炼机和平板硫化机）
（2） 塑料：热塑性塑料：挤出机和注塑机
热固性塑料：模压或者挤出
（3） 纤维：熔融纺丝：高聚物加热熔融后喷丝、冷却、拉丝
溶液纺丝：溶剂溶解高聚物成溶液、喷丝、拉丝
（4） 胶粘剂和涂料：搅拌

1.实验目的：
（1）通过本实验，应熟悉挤出成型的原理，了解挤出工艺参数对塑料制品性能的影响
（2）了解挤出机的基本结构及各部分的作用，掌握挤出成型基本操作
2.实验原理
（1）塑料造粒：合成出来的树脂大多数呈粉末状，粒径小成型加工不方便，而且合成树脂中又经常需要加入各种助剂才能满足制品的要求，为此就要将树脂与助剂混合，制成颗粒，这步工序称作“造粒”。树脂中加入功能性助剂可以造功能性母粒。造出来的颗粒是塑料成型加工的原料。
使用颗粒料成型加工的主要优点有：①颗粒料比粉料加料方便，无需强制加料器；②颗粒料比粉料密度大，制品质量好；③挥发物及空气含量少，制品不易产生气泡；④使用功能性母料比直接添加功能性助剂更容易分散。
塑料造粒可以使用辊压法混炼，塑炼出片后切粒，也可以使用挤出塑炼，塑化挤出后切粒。本实验采用挤出冷却后造粒的工艺。
（2） 挤出成型原料及应用 热塑性塑料的挤出成型是主要的成型方法之一，塑料的挤出成型就是塑料在挤出机中，在一定的温度和一定的压力下熔融塑化，并连续通过有固定截面的模型，得到具有特定截面形状连续型材的加工方法。不论挤出造粒还是挤出制品，都分两个阶段，第一阶段，固体状树脂原料在机筒中，借助于料筒外部的加热和螺杆转动的剪切转动的剪切挤压作用而熔融，同时熔体在压力的推动下被连续挤出口模；第二阶段是被挤出的型材失去塑性变为固体即制品，可以分条状、片状、棒状、筒状等。因此，应用挤出的方法既可以造粒也能够生产型材或异材。

3、挤出成型工艺

预热和干燥
粒状或粉状塑料或混合物

配料
挤出机加热
开动螺杆
加料
调整工艺
挤出成型
定型
冷却
牵引
卷取或切割
后处理
挤出制品
4、挤出机构造

图 1 单螺杆挤出机结构示意图
1－电动机； 2－减速装置； 3－冷却水入口；4－冷却水夹套； 5－料斗；6－温度计；
7－加热套； 8－螺杆； 9－滤网； 10－多孔板； 11－机头和口模； 12－机座
（1） 传动装置：由电动机、减速机构和轴承等组成，具有保证挤出过程中螺杆转速恒定、制品质量的稳定以及保证能够变速作用。
（2） 加料装置：无论原料是粒状、粉状和片状，加料装置都采用加料斗，加料斗内应有切断料流、标定料量和卸除余料等装置。
（3） 料筒： 料筒是挤出机的主要装置之一，塑料的混合、塑化和加压过程都在其中进行。挤压时料筒内的压力可达55Mpa，工作温度一般为150～250oC，因此料筒是受压和受热的容器，通常由高强度、坚韧耐磨和耐腐蚀的合金钢制成。料筒外部设有分区加热和冷却的装置，而且各自附有热电偶和自动仪表等。
（4） 螺杆： 螺杆是挤出机的关键部件，一般螺杆的结构如图2所示。
（5）口模和机头：机头是口模与料件之间的过渡部分，其长度和形状随所用塑料的种类、制品的形状加热方法及挤出机的大小和类型而定。机头和口模结构的好坏，对制品的产量和质量影响很大，其尺寸根据流变学和实践经验确定。
（6）冷却装置：使熔融物料冷却为固体（或产品），以便于切割成粒或产品。
（7）卷取（切割）：
（8）后处理：喷涂、丝印、表面处理等

5、挤出机参数：
（1）螺杆直径（DS）：螺杆外径，常用60～150mm，直径增大，挤出机输送能力增大，生产能力提高。
（2）螺杆长径比L/DS：工作部分的有效长度与直径之比，通常为20～40，长径比大，混合均匀，减少逆流和漏流。要求塑化时间长，如硬质塑料、粉状塑料或结晶塑料，长径比要求较大。热敏性塑料，受热易分解，长径比较小。
(3) 螺槽深度H：H小时，产生较高剪切力，有利于塑化，但挤出生产率降低。H较大，则反之。H沿着螺杆轴向变化。
（4）螺旋角θ：螺纹与螺杆横截面之间夹角，θ增大，生产能力提高，剪切作用减小。介于10～30度之间。
（5）螺纹棱部宽E：太小则漏流增加，产量降低；太大则易局部过热。0.08～0.12 DS。
（6）螺杆与料筒间隙：大小影响挤出机生产能力和塑化效果。较大时，剪切力变小、生产能力下降、物料熔融塑化慢。过小，强剪切力易引起物料受热降解。0.1～0.65mm。

图2 螺杆示意图
H1送料段螺槽深度；H2－计量段螺槽深度；D－螺杆直径；Q－螺旋角；
L－螺杆长度； e－螺棱宽度； S－螺距

6、螺杆作用：
（1）输送作用（2）传热塑化物料（3）混合均化物料
螺杆各段作用：
（1） 加料段：物料固态，H为等深等距的深槽螺纹，利于吃料。长度：结晶较长，60％左右；无定形较短，10～25％。
（2） 压缩段：起挤压和剪切作用，物料由固体变为熔融态。H逐渐减小，物料熔融程度逐渐增大，末端基本熔融完全。无定形物料压缩段较长，熔融温度范围宽塑料，如PVC，压缩段为全长，熔融温度范围窄，如尼龙，压缩段为1～2个螺距。
（3） 均化段：进一步混合塑化，并定量定压地输送物料到机头。螺距和槽深不变。H较小，利于塑化均匀。长度一般为螺杆全长的20～25％。热敏性塑料，均化段短；

7. 配方设计原理
7.1 实验设备和原料
原料：聚苯乙烯（PS），加工助剂及功能性助剂。
仪器：双螺杆挤出机，切粒机。

7.2增韧PS配方（质量比）
聚苯乙烯PS 100
增韧剂SBS 0、5、10、15
PE蜡 0.8
硬脂酸锌 0.8
抗氧剂1010 0.4

7.3 增韧机理
弹性体增韧机理：银纹－剪切带理论
弹性体粒子充当应力中心，诱发大量的银纹和剪切带，消耗大量的能量；
控制银纹发展，及时终止银纹。弹性体产生形变，剪切带可减缓和终止银纹。

8. 实验步骤
（1）根据塑料的种类、配方设计及熔融指数，确定挤出温度控制范围及各段温度。
（2）检查挤出机的各部分，确认设备正常，接通电源，打开冷却水、加热，待各段预热到要求温度时，再次检查并趁热拧紧机头各部分螺栓等衔接处，保温10min以上再加料。
（3）开动主机螺杆，待转动正常后再开动喂料螺杆， 在转动下先加少量塑料，注意进料和电流计情况，待熔料挤出正常后，将挤出物用手（戴上手套）和镊子慢慢引上冷却牵引装置，同时开动切粒机切粒并收集产物。
（4）挤出平稳后，继续加料，调整各部分，控制温度等工艺条件，维持正常操作。
（5）观察挤出料条形状和外观质量，记录挤出物均匀、光滑时各段温度等工艺条件，记录一定时间内的挤出量，计算产率，重复加料，维持操作1h。
（6）实验完毕，用物料洗机，先关闭喂料螺杆，等螺杆剩余物料清理完毕后关闭主机螺杆，趁热消除机头中残留塑料，关闭切粒机、冷却水和电源。

9. 注意事项
（1）熔体挤出前，任何人不得在机头口模的正前方，挤出过程中，严防金属杂质、小工具等物落入料斗及进料口中。
（2） 清理设备时，只能使用钢棒、铜制刀等工具，切忌损坏螺杆和口模等处的光洁表面。
（3） 挤出过程中，要密切注意工艺条件的稳定，不得任意改动，如果发生不正常现象，应立即停机，进行检查处理后再恢复实验。

10. 实验报告
（1）列出实验用挤出机的技术参数。螺杆直径、长径比、电机功率、加热功率、螺杆转速、产率。
（2） 报告实验所用原料、配方及操作工艺条件，并计算挤出机产率。
（3）取样测试熔融指数和力学性能。
（4）讨论
A 结合试样性能检验结果，分析产物性能与原料、工艺条件及实验设备操作的关系。
B 影响挤出物均匀性的主要原因有哪些，怎样影响？如何控制？
C 实验中，应控制哪些条件才能保证得到质量好的样品和制品？
D挤出机的主要结构有哪几部分组成？
E 挤出时物料下料不顺利，总是断料，可能有哪些原因？

（二） 拉伸、冲击样条的制备
1. 实验目的
（1）掌握拉伸、冲击样条的制备方法和使用方法。
（2）利用万能制样机或注塑机制备塑料拉伸、冲击实验样条。
2. 实验原理
可利用万能制样机或注塑机制备拉伸和冲击实验样条。万能制样机能加工塑料以及非金属材料的拉伸、冲击性能等实验用的标准样条，能够切断、铣缺口、铣曲线型和平面加工。注塑机能成型各种形状复杂的产品，工艺简单，方便快捷。
（1）拉伸试样
① 形状规格如图3、4、5、6所示；②尺寸规格 如表1、2、3、4所示

图3 I试样

表 1 Ⅰ型试样尺寸公差

符号
名称
尺寸/mm
公差/mm
符号
名称
尺寸/mm
公差/mm
L
总长度（最小）
150
-
W
端部宽度
20
±0.2
H
夹具间距离
115
±5.0
d
厚度
4
-
C
中间平行部分长度
60
±0.5
b
中间平行部分宽度
10
±0.2
G0
标距（或有效部分）
50
±0.5
R
半径（最小）
60
-
本实验使用ZHY-W万能制样机，把挤出PE粒料制成拉伸测试试样5根，试样规格为I型
（2） 悬梁臂冲击试样
①冲击试样的尺寸规格如表5所示
表5 试样类型及尺寸
试样类型
长度L/mm
宽度b/mm
厚度h/mm
Ⅰ
80.0±2
10.0±0.2
4.0±0.2
Ⅱ

63.5±2

12.7±0.2
12.7±0.2
Ⅲ
6.4±0.2
Ⅳ
3.2±0.2
② 冲击试样的形状及缺口形状规格如图7和表6所示

图7 冲击试样缺口形状
表6 Ⅰ型试样的缺口类型及尺寸
缺口类型
缺口底部半径r/mm
缺口底部剩余宽度bn/mm
无缺口
-
002D
A
0.25±0.05
8.0±0.2
B
1.0±0.05
8.0±0.2
（三） 试样的拉伸强度及断裂伸长率实验
1. 实验目的
了解高分子材料的拉伸强度及断裂伸长率的意义及其测试方法，通过应力－应变曲线的测定，判断不同高分子材料的性能特征。

2. 实验原理
将试样夹持在专用夹具上，对试样施加静态拉伸负荷，通过压力传感器、形变测量装置以及计算机处理，测绘出试样在拉伸变形过程中的拉伸应力－应变曲线，计算出曲线上的特征点如试样直至断裂为止所承受的最大拉伸应力（拉伸强度）、试样断裂时的拉伸应力（拉伸断裂应力）、在拉伸应力－应变曲线上屈服点处的应力（拉伸屈服应力）、应力－应变曲线偏离直线性达规定百分数（偏置）时的应力（偏置屈服应力）和试样断裂时标线间距离的增加量与初始标距之比（断裂伸长率，以百分数表示）。

3.实验试样的选择及实验条件
3.1实验试样的选择
不同的材料由于尺寸效应不同，故应尽量减少缺陷和结构不均匀性对测定结果的影响，按表7选用国家标准规定的拉伸试样类型以及相应的实验速度
表 7 拉伸试样类型以及相应的实验速度
试样材料
试样类型
试样制备方法
试样最佳厚度
试样速度
硬质热塑性塑料

Ⅰ
注塑成型
4
B、C、D、E、F
热塑性增强塑料
压制成型
硬质热塑性塑料板热固性塑料板（包括层压板）
机械加工
4
A、B、C、D、E、F

软质热塑性塑料
软质热塑性塑料板

Ⅱ
注塑成型
2

F、G、H、I
压制成型
板材机械加工
板材冲切加工
热固性塑料
Ⅲ①
注塑成型
-
C
包括填充和纤维增强塑料
压制成型
热固性增强塑料板
Ⅳ

-
B、C、D
① Ⅲ试样仅用来测试拉伸强度
实验速度为以下九种：
A: 1mm/min ±50% B: 2mm/min ±20% C: 5mm/min ±20%
D: 10mm/min ±20% E: 20mm/min ±10% F: 50mm/min ±10%
G: 100mm/min ±10% H: 200mm/min ±10% I: 500mm/min ±10%
3.2实验条件：
实验速度的选择应从表7中与各试样类型所对应的实验速度范围内选取，实验速度应为试样在0.5～5min实验时间内断裂的最低速度。实验速度也允许按照产品标准的规定领选其他实验速度。

4. 实验设备
拉力试验机及夹具（），游标卡尺、直尺、千分尺、记号笔

5.实验步骤
（1） 试样的状态调节和实验环境按GB2918规定进行
（2） 测量试样中间平行部分的宽度和厚度，精确到0.01mm，II型试样中间平行部分的宽度精确到0.05mm；每个试样测量三点，取算术平均值。
（3） 在试样中间平行的部分作标线示明标距，此标线对测试结果不应有影响。
（4） 夹持试样，夹具夹持试样时，要使试样纵轴与上下夹具中心连线相重合，并且要松劲适宜，以防止试样滑脱或断在夹具内。
（5） 选定实验速度，进行实验
（6） 记录屈服时的负荷，或断裂负荷及标距间深长，若试样断裂在中间平行部分之外时，此试样作废，另选取试样补做。
（7）
6 实验结果与数据处理
6.1 理论计算和表示
（1） 拉伸强度或拉伸断裂应力或拉伸屈服应力或偏离屈服应力σt按式（1）进行计算：
（1）
式中σt——抗拉伸强度或拉伸断裂应力或拉伸屈服应力或偏离屈服应力，MPa；
p——最大负荷或断裂负荷或屈服负荷或偏离屈服负荷，N；
b——试样宽度,mm; d——试样厚度，mm
各应力值在拉伸应力——应变曲线的位置如图8所示。

图 8 拉伸应力－应变曲线
σt1-拉伸强度；σt2-拉伸断裂应力；σt3－拉伸屈服应力；σt4－偏置屈服应力；εt1－拉伸最大强度时的应变；εt2－断裂时的应变；εt3－屈服时的应变；εt4－偏置屈服时的应变
A-脆性材料; B-具有屈服点的韧性材料; C-无屈服点的韧性材料
(2) 断裂伸长率εt按式（2）计算
（2）
式中εt——断裂伸长率，％；G0——试样原始标距，mm； G——试样断裂时标线间距，mm
（3）标准偏差值S按式（3）的计算
（3）
式中S—标准偏；Xi—单个测定值；—一组测定值的算术平均值；n—测定个数
（4） 计算结果以算术平均值表示，σt取三位有效数字，εt取两位有效数字，S取两位有效数字。
6.2 实验记录与数据处理结果
把测试的所得各结果列入下表8中
表8 拉伸实验的测试结果与数据处理结果
试样名称： 拉伸速度： 温度: 湿度:
编号
d/cm
b/cm
d·b/cm2
P/N
G0/cm
G/cm
σt/Pa
εt
1

2

3

4

5

7. 实验报告与思考题
（1）7.1 实验报告包括以下内容
① 材料名称、规格、来源及生产厂家；② 试样类型、尺寸、制备方法和试样的主轴方向；
③ 实验温度、湿度及试样状态的调节；④ 试验机型号，实验速度；⑤ 拉伸强度和断裂伸长率；⑥ 拉伸断裂应力、偏置屈服应力和拉伸屈服应力；⑦ 解答思考题
（2）思考题：
① 分析试样断裂在线外的原因
② 如何用据应力——应变曲线来判断材料的适应性能？
③ 拉伸速度对测试结果有和影响？
④ 同样是PS试样，为什么测试的拉伸性能（强度、断裂伸长率、模量）有差异？
（四）试样的冲击实验
冲击实验式测定塑料材料和制品在高速冲击状态下的韧性或对断裂的抵抗能力，这一实验对研究塑料在经受冲击载荷时力学行为有一定的实际意义。塑料制品在使用的过程中，经常受到外加冲击作用致使受到破坏。因此，在塑料材料的力学性能测试中，只进行静力实验时不能满足材料使用要求的，所以必须对塑料材料进行运动载荷实验，这一点在其工程设计中尤其重要。
冲击强度是塑料韧度的主要指标，测量冲击强度有两种实验方法，一种是摆锤式冲击试验，另一种是落球式冲击试验，最常用的式摆锤式冲击试验。摆锤式又分悬臂梁式和简支梁式冲击试验。本实验采用悬臂梁式冲击试验。

1. 实验目的
掌握用悬臂冲击实验机测试高分子材料冲击性能的方法、操作及其实验结果处理；了解测试条件对测试结果的影响

2. 实验原理
本方法式用悬臂量冲击试验机对试样施加一次冲击弯曲负荷，以试样破坏断裂时的单位面积所消耗的能量来衡量材料的冲击韧性。

3. 实验材料
本实验前面制备的PS样条IV，试样长度63.5±2mm，宽度为12.7±0.2mm，厚度为3.2±0.2mm，试样侧面中部带有45o±1o、底部曲率半径(r)为0.25±0.025mm的缺口，缺口处试样的剩余厚度为10.16±0.05mm。
4. 实验设备：摆锤式悬臂梁冲击试验机（UJ-40悬臂梁冲击试验机）

5. 实验步骤
（1） 按试样标准制样，每组5个样（例如硬质PVC可选用IV型试样，A型缺口）；
（2） 测试缺口处的试样宽度，精确到0.05mm，试样应在（23±0.5oC）和相对湿度为50％环境中，放置24h；
（3）实验时应把温度设定在23±0.5oC下进行
（4）选择适宜的摆锤，使试样破断所需要的能量在总能量的10～80％区间内；
（5）将摆锤连同被动指针从预扬角为止释放，空试样冲击，从刻度盘读取示值，此值即克服风阻和摩擦的动能损失，校正刻度盘指针；
（6）用适宜的夹持力夹持试样，如图9 所示试样在夹持台中不得有扭曲和侧面弯曲；试样夹持力的大小，有时会影响死活眼结果，适宜的夹持力会随材料的不同而异，当试样破断后，断面与试样夹持台上表面基本呈一平面，此时的夹持力被认为对此材料示适宜的，使用转矩扳手来获得适宜的夹持力；将摆锤连同被动指针从预扬角为止释放，
（8） 冲击试样后，从刻度盘读取示值。
（9） 此示值即试样破断所消耗的能量W；
试样经一次冲击后，分离成两段或两段以上者为破断，或者虽然没有完全分离成两段，但破裂已达到试样缺口处剩余厚度的90％者也属破断。

6. 实验结果与计算 图 9 试样加持台、摆锤的冲击刃及试样位置
（1） 无缺口试样悬臂梁冲击强度按式（4）计算
（4）
式中αiv——悬臂梁冲击强度， kJ/m2;W——试样破断所消耗的能量， J;
h——试样厚度，m；b——试样宽度，m。
（2） 缺口试样悬臂梁冲击强度按式（5）进行计算：
（5）
式中αin——缺口试样悬臂梁冲击强度，kJ/m2;W——破坏试样所吸收的冲击能量，J;
h——试样厚度，m；b——试样宽度，m。
仪表读数若为kg·cm,请按1kg·cm＝9.8J进行换算。
试验结果以冲击强度的算术平均值表示，破断试样不足3个时，以单个冲击强度表示。

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