塑料加工與力學性能綜合實驗是材料學院設置的基礎實驗課——專業實驗（2）的內容之一，要求學生針對高分子材料的加工性能特征進行自我設計加工工藝和加工條件，完成工藝的全過程，并對產品的力學性能進行表征和分析。讓學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備的操作方法，培養學生實際動手能力，同時為其畢業設計打下良好的基礎。

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（雙輥塑煉機、密煉機和平板硫化機）

（2）塑料：熱塑性塑料：擠出機和注塑機

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.實驗目的：

（1）通過本實驗，應熟悉擠出成型的原理，了解擠出工藝參數對塑料制品性能的影響

（2）了解擠出機的基本結構及各部分的作用，掌握擠出成型基本操作

2.實驗原理

（1）塑料造粒：合成出來的樹脂大多數呈粉末狀，粒徑小成型加工不方便，而且合成樹脂中又經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點有：①顆粒料比粉料加料方便，無需強制加料器；②顆粒料比粉料密度大，制品質量好；③揮發物及空氣含量少，制品不易產生氣泡；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。本實驗采用擠出冷卻后造粒的工藝。

（2） 擠出成型原料及應用  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中，在一定的溫度和一定的壓力下熔融塑化，并連續通過有固定截面的模型，得到具有特定截面形狀連續型材的加工方法。不論擠出造粒還是擠出制品，都分兩個階段，第一階段，固體狀樹脂原料在機筒中，借助于料筒外部的加熱和螺桿轉動的剪切轉動的剪切擠壓作用而熔融，同時熔體在壓力的推動下被連續擠出口模；第二階段是被擠出的型材失去塑性變為固體即制品，可以分條狀、片狀、棒狀、筒狀等。因此，應用擠出的方法既可以造粒也能夠生產型材或異材。

3、擠出成型工藝

4、擠出機構造

1－電動機； 2－減速裝置； 3－冷卻水入口；4－冷卻水夾套； 5－料斗；6－溫度計；

7－加熱套； 8－螺桿； 9－濾網； 10－多孔板； 11－機頭和口模； 12－機座

（1）傳動裝置：由電動機、減速機構和軸承等組成，具有保證擠出過程中螺桿轉速恒定、制品質量的穩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，加料斗內應有切斷料流、標定料量和卸除余料等裝置。

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

（4）螺桿：螺桿是擠出機的關鍵部件，一般螺桿的結構如圖2所示。

（5）口模和機頭：機頭是口模與料件之間的過渡部分，其長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的大小和類型而定。機頭和口模結構的好壞，對制品的產量和質量影響很大，其尺寸根據流變學和實踐經驗確定。

（6）冷卻裝置：使熔融物料冷卻為固體（或產品），以便于切割成粒或產品。

（7）卷取（切割）：

（8）后處理：噴涂、絲印、表面處理等

5、擠出機參數：

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

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

(3) 螺槽深度H：H小時，產生較高剪切力，有利于塑化，但擠出生產率降低。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：大小影響擠出機生產能力和塑化效果。較大時，剪切力變小、生產能力下降、物料熔融塑化慢。過小，強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，H為等深等距的深槽螺紋，利于吃料。長度：結晶較長，60％左右；無定形較短，10～25％。

（2）壓縮段：起擠壓和剪切作用，物料由固體變為熔融態。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，熔融溫度范圍寬塑料，如PVC，壓縮段為全長，熔融溫度范圍窄，如尼龍，壓縮段為1～2個螺距。

（3）均化段：進一步混合塑化，并定量定壓地輸送物料到機頭。螺距和槽深不變。H較小，利于塑化均勻。長度一般為螺桿全長的20～25％。熱敏性塑料，均化段短；

7. 配方設計原理

7.1 實驗設備和原料

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，切粒機。

7.2阻燃塑料配方（質量比） 

         8. 實驗步驟

（1）根據塑料的種類、配方設計及熔融指數，確定擠出溫度控制范圍及各段溫度。

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

（3）開動主機螺桿，待轉動正常后再開動喂料螺桿， 在轉動下先加少量塑料，注意進料和電流計情況，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，同時開動切粒機切粒并收集產物。

（4）擠出平穩后，繼續加料，調整各部分，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量，記錄擠出物均勻、光滑時各段溫度等工藝條件，記錄一定時間內的擠出量，計算產率，重復加料，維持操作1h。

（6）實驗完畢，用物料洗機，先關閉喂料螺桿，等螺桿剩余物料清理完畢后關閉主機螺桿，趁熱消除機頭中殘留塑料，關閉切粒機、冷卻水和電源。

9. 注意事項

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

（2） 清理設備時，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定，不得任意改動，如果發生不正常現象，應立即停機，進行檢查處理后再恢復實驗。

10. 實驗報告

（1）列出實驗用擠出機的技術參數。螺桿直徑、長徑比、電機功率、加熱功率、螺桿轉速、產率。

（2） 報告實驗所用原料、配方及操作工藝條件，并計算擠出機產率。

（3）取樣測試熔融指數和力學性能。

（4）討論

A 結合試樣性能檢驗結果，分析產物性能與原料、工藝條件及實驗設備操作的關系。

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 實驗中，應控制哪些條件才能保證得到質量好的樣品和制品？

D擠出機的主要結構有哪幾部分組成？

E 擠出時物料下料不順利，總是斷料，可能有哪些原因？

二、拉伸、沖擊樣條的制備

1. 實驗目的

（1）掌握拉伸、沖擊樣條的制備方法和使用方法。

（2）利用萬能制樣機或注塑機制備塑料拉伸、沖擊實驗樣條。

2. 實驗原理

可利用萬能制樣機或注塑機制備拉伸和沖擊實驗樣條。萬能制樣機能加工塑料以及非金屬材料的拉伸、沖擊性能等實驗用的標準樣條，能夠切斷、銑缺口、銑曲線型和平面加工。注塑機能成型各種形狀復雜的產品，工藝簡單，方便快捷。

三、試樣的拉伸強度及斷裂伸長率實驗

1. 實驗目的

了解高分子材料的拉伸強度及斷裂伸長率的意義及其測試方法，通過應力－應變曲線的測定，判斷不同高分子材料的性能特征。

2. 實驗原理

將試樣夾持在專用夾具上，對試樣施加靜態拉伸負荷，通過壓力傳感器、形變測量裝置以及計算機處理，測繪出試樣在拉伸變形過程中的拉伸應力－應變曲線，計算出曲線上的特征點如試樣直至斷裂為止所承受的最大拉伸應力（拉伸強度）、試樣斷裂時的拉伸應力（拉伸斷裂應力）、在拉伸應力－應變曲線上屈服點處的應力（拉伸屈服應力）、應力－應變曲線偏離直線性達規定百分數（偏置）時的應力（偏置屈服應力）和試樣斷裂時標線間距離的增加量與初始標距之比（斷裂伸長率，以百分數表示）。

3.實驗試樣的選擇及實驗條件

3.1實驗試樣的選擇

不同的材料由于尺寸效應不同，故應盡量減少缺陷和結構不均勻性對測定結果的影響，按下表選用國家標準規定的拉伸試樣類型以及相應的實驗速度

四、試樣的阻燃性能測試

1. 實驗目的

（1）了解開發阻燃型塑料的重要性，掌握阻燃劑的阻燃類型和阻燃機理。

（2）掌握垂直法測試塑料阻燃性能的方法。

2. 實驗原理

聚合物的燃燒是一個非常激烈復雜的熱氧化反應，具有冒發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生自由基鏈式降解反應，產生揮發性可燃物，該物達到一定濃度和溫度時就會著火燃燒起來，燃燒所放出的一部分熱量供給正在降解的聚合物，進一步加劇其降解，產生更多的可燃性氣體，火焰在很短的時間內就會迅速蔓延而造成一場大火。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。依應用方式分為添加型阻燃劑和反應型阻燃劑。添加型阻燃劑直接與樹脂或膠料混配，加工方便，適應面廣，系阻燃劑的主體；反應型阻燃劑常作為單體鍵合到聚合物鏈中，對制品性能影響小且阻燃效果持久。根據組成，添加型阻燃劑主要包括無機阻燃劑、鹵系阻燃劑(有機氯化物和有機溴化物)、磷系阻燃劑(赤磷、磷酸酯及鹵代磷酸酯等)和氮系阻燃劑等。反應型阻燃劑多為含反應性官能團的有機鹵和有機磷的單體。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，使有機物表面脫水生成碳化膜，并產生大量的不燃氣體，形成厚厚的泡沫絕熱層，對基材起到絕熱，隔絕空氣而達到阻燃目的，生成膨脹泡沫層主要成份有：

碳化物質(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分解溫度下分解出的聚磷 酸，在基材上生成碳化膜。

②發泡劑(氣源)：發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

氫氧化鎂在受熱時發生分解吸收燃燒物表面熱量起到阻燃作用；同時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一步阻止了燃燒的進行。氫氧化鎂在整個阻燃過程中不但沒有任何有害物質產生，而且其分解的產物在阻燃的同時還能夠大量吸收橡膠、塑料等高分子燃燒所產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消除煙霧、阻止熔滴，是一種新興的環保型無機阻燃劑。

（4）磷及磷化合物的阻燃機理

磷系阻燃劑的阻燃作用主要體現在火災初期的高聚物分解階段，因其能促進聚合物脫水炭化，從而減少聚合物因熱分解而產生的可燃性氣體的數量，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UL-94阻燃材料測試標準，試樣尺寸為：長127mm，寬12.7mm，最大厚度3.2mm。樣條制備采用注射成型方式。

4. 實驗操作步驟

阻燃性能測試按照美國UL-94阻燃材料測試標準進行，采用垂直燃燒試驗方法。UL94中的垂直燃燒試驗在無通風試驗箱中進行。根據樣品燃燒時間，熔滴是否引燃脫脂棉等試驗結果，把聚合物材料定為V-2,V-1,V-0三個級別，其中以V-2級為最低阻燃級，V-0級為最高阻燃級。