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年产17000吨商品房用聚丙烯上水管挤出工艺设计摘要PP-R管材具有一般质量轻、强度好、耐热腐蚀性好、耐低温抗冲击性好、无毒卫生、使用寿命长等特点广泛应用在建筑工业中冷热水输送、日常用水、油或腐蚀性液体的输送、城乡人、畜饮水工程及农用灌溉文章介绍了聚丙烯的结构和性能以及聚丙烯管材的发展、特点、性能及分类,其中重点介绍了PP-R管材的特点、性能和用途等,并做出了对PP-R管材挤出成型工艺的设计,同时也对PP-R管的生产规模和经济效益等做出了一定的核算其中工艺设计包含了对PP-R管材的原料配方的确定,成型设备的选则,工艺参数的制定,成型工艺步骤与流程,产品品质的检验结果表明,合适的工艺条件和成型设备加上有效的管理执行,就能够确保PP-R管的品质质量以及年产量,并且可以取得一定的的经济效益关键词PP-R,管材成型,工艺设计,设备,经济概算Anannualoutputof17000tonsofpolypropylenehousingextrusionprocessdesignonthewaterABSTRACTThispaperintroducesthedevelopmentofthestructureandpropertiesofpolypropyleneandpolypropylenepipesfeaturesperformanceandclassificationwhichfocusesonthecharacteristicsofPP-RpipeperformanceandintendeduseandmadeofPP-RpipeextrusionprocessdesignbutalsoforPP-Rpipeproductionscaleandeconomicbenefitsmadesomeaccounting.ProcessdesignwhichincludesadeterminationofPP-Rpipematerialformulationformulationelectionthentheprocessparametersofthemoldingequipmentmoldingprocessstepsandprocessesproductqualityinspection.TheresultsshowthattheappropriateprocessconditionsandmoldingequipmentcoupledwiththeimplementationofeffectivemanagementwecanensurethequalityofthequalityofPP-Rpipesandtheannualoutputandcangetsomemoney.KEYWORDS:PP-Rpipeformingprocessdesignequipmenteconomicestimates目 录TOC\o1-3\h\z\u前 言1第1章聚丙烯及其管材
31.1聚丙烯
31.
1.1聚丙烯的性能特点
31.
1.2聚丙烯的用途
31.2聚丙烯管材
41.
2.1聚丙烯管材的分类
41.
2.2聚丙烯管材的特征
41.
2.3聚丙烯管材的应用5第2章聚丙烯管的原料配方
62.1聚丙烯原料及性能
62.
1.1无规共聚聚丙烯
62.
1.2嵌段共聚聚丙烯
62.
1.3PP-B与PP-R管在选择应用上的区别
72.2原料的配方
72.
2.1配方的概念和原则
72.
2.2PP-R的原料配方8第3章管材挤出成型工艺
103.1挤出成型的原理
103.2管材的挤出设备
103.
2.1挤管主机
103.
2.2挤管辅机
153.3管材的挤出工艺流程
163.4挤出成型的工艺参数16第4章物料衡算和热量衡算
194.1物料衡算
194.
1.1物料衡算的方法
194.
1.2物料衡算
204.2热量衡算20第5章设备的选型与计算
225.1设备选择的原则
225.2挤出设备的选择
225.3挤出机开车生产操作注意事项
235.4辅机的选择23第6章车间管理与生产组织
266.1车间管理
266.2生产组织
266.
2.1生产组织形式
266.
2.2管理及生产人员确定
276.
2.3车间人员编制27第7章工程经济概算
297.1编制概算的意义
297.2编制原则
297.3编制和修正29结 论32谢辞33参考文献34外文资料翻译35前 言80年代以前,我国的住宅及公共建筑的上水管基本上是镀锌钢管,由于受材质自身的局限,镀锌钢管存在使用寿命短、易造成水质二次污染等缺点为了保障人们日常饮用水的质量、我国部分地区,如上海、浙江、河北、江苏等省市已先后提出淘汰镀锌钢管,用高质量的塑料管代替目前,在我国已相续开发了PVC管、PE管、铝塑复合管、玻璃钢管、钢塑复合管和聚丙烯管等一批塑炼管材,并取得了一定的市场占有率特别是其中聚丙烯塑料管以聚丙烯树脂为主要原料,采用单螺杆挤出机挤塑成型这种管材在各种塑料管中具有质量最轻,无毒,耐酸、耐化学物质腐蚀,韧性和耐热性好的特点其耐环境应力开裂性能比聚乙烯管好,可在不大于110℃低负荷条件下长时间应用因此,聚丙烯塑料管在日常水管使用方面占有一定量的比例另外聚丙烯管材管材具有耐高温、管道连接方便、可回收使用等特点,主要应用于农田输水系统、建筑物给水系统、采暖系统以及化工管道系统等按照不同的PP聚合工艺条件可将其分为均聚聚丙烯PP-H、嵌段共聚聚丙烯PP-B以及无规共聚聚丙烯PP-R由于PP-H管材在低温下的脆性限制了它的使用,在一些应用领域逐渐被PP-B管材、PP-R管材所取代其中PP-B管主要用于冷水系统、地面采暖系统,PP-R管的应用则尤为广泛然而1999年以前国内PP-R管材生产企业所用原料基本全是进口料,主要来自欧洲和韩国欧美发达国家早在80年代就开发了无规共聚管材专用料,而国内石化企业1999年以后才陆续开发出了PPB和PPR管材专用料并且在2000年,国内PPR管材专用料产量约3000吨,进口量约在1万吨;2003年国内产量达到
3.5万吨,进口量
9.5万吨左右目前北欧PPR管材料价格在13500元/吨,而国产料的出厂价格大都在9000元/吨以下,韩国晓星产品的价格在9500元/吨这说明国产料质量和制品性能与北欧化工产品存在较大差距,需要加以改进和提高随着我国聚丙烯生产技术的不断成熟,在武汉、济南、福建、长岭及九江等地陆续建成并投人运营的年生产能力为7万吨的聚丙烯生产装置就是采用国产化的环管式液相本体-气相本体组合法工艺由于新建生产装置的设备的国产化率达到即80%以上,全套生产装置的总投资比进口同类型的生产装置节约40%~50%后来,年产10万吨国产化的聚丙烯生产装置投入运行,这表明我国聚丙烯树脂的生产、设计技术的发展已迈进新的发展时期但是与国际聚丙烯生产技术发展水平相比,目前国内聚丙烯生产中存在突出的问题依旧是单套生产能力太小,如即使是在目前国内大型聚丙烯生产装置中,年生产能力超过10万吨的生产装置也少燕山石化公司化工二厂、茂名石化公司乙烯工业公司、以及尚未竣工的大庆石化总厂;台塑聚丙烯有限公司等而采用间歇式本体法生产工艺的聚丙烯生产装置,单套生产能力则更小由于聚丙烯树脂的优异的性能价格比,使得国内聚丙烯树脂的市场需求量一直呈直线上升这也刺激了国内聚丙烯的生产能力的扩建第1章聚丙烯及其管材
1.1聚丙烯
1.
1.1聚丙烯的性能特点聚丙烯是一种结构规整的高结晶性结晶度高达95%热塑性树脂在常用的塑料中他是最轻的品种
[1]有以下性能
1.聚丙烯是一种乳白色蜡状物,无毒、无臭,密度为
0.90~
0.91g/cm³
2.聚丙烯的力学强度、刚性和耐应力开裂性优于高密度聚乙烯;耐磨性好、硬度高、高温冲击性好、耐反复折叠性好
3.耐热性好,热变形温度为114℃,熔点164~170℃,可在130℃中消毒使用,连续使用温度最高为110~120℃
4.化学稳定好,除强氧化性酸对其有腐蚀性外,与大多数化学药品不发生作用;不容于水,几乎不吸水,在水中24h吸水性仅为
0.01%
5.制品在使用中易受光、热和氧的作用而老化所以制品用料中需添加紫外线吸收剂和抗氧剂来提高制品的耐候性
6.成型加工性能好,由于聚丙烯的软化点高、热焓低,因而它的成型加工温度也较高,但它的熔体粘度较低,提高剪切速度和温度均能增加熔体的流动性有一提高剪切速率为显著由于pp有较好的流动性能,因而具有优良的成型加工性,使它的成型周期比大多数其他热塑性塑料短
1.
1.2聚丙烯的用途聚丙烯制品是一种质轻、无毒、价格便宜、性能优良、成型较容易和用途广泛的塑料不同聚丙烯制品应用如下
1.聚丙烯挤出吹塑薄膜是一种很生产设备简单、生产效率较高、价格便宜的制品在食品包装和纺织品及民用生活咋拼包装方面广泛应用
2.聚丙烯流延薄膜能与其他种类的塑料薄膜,如纸和铝箔等位基材,复合成两层或两层以上的复合膜当外层时,聚丙烯膜是一种强度好、尺寸稳定的、阻隔性、耐热鱼耐寒性和可印刷性好的薄膜;用于内层时,是一种热封合性、耐油性和卫生性好的薄膜;用于中间层时,是一种气体阻隔性好、能代替玻璃纸的薄膜这种复合薄膜用于食品包装时可在130℃温度中蒸煮杀菌
3.注射成型的周转箱,质轻、耐水、外形尺寸稳定,有一定的刚性和强度,在商品周转和销售包装方面广泛应用
4.挤出成型的管材可用于各种液体的输送管道中,主要应用于农田输水系统、建筑物给排水系统、采暖系统级化工管道系统等
1.2聚丙烯管材
1.
2.1聚丙烯管材的分类聚丙烯系列管材的分类不多,主要有均聚聚丙烯管材PP-H、嵌段共聚聚丙烯管材PP-B、和无规共聚聚丙烯管材PP-R
1.
2.2聚丙烯管材的特征聚丙烯系列管材具有以下特征
1.具有优秀的化学性能,耐酸,耐碱、耐腐蚀;
2.耐热保温,最高使用温度为95℃,长期使用温度为70℃;
3.具有较高的力学强度和较好的刚性;
4.管材内壁表面光滑,流通阻力小,流通量大、耐磨损,不结垢;
5.原材料可以回收再利用,加工成本低;
6.无毒卫生,安全可靠;
7.安装简单易行,操作简便,节省费用均聚聚丙烯管材的最大缺点是在低温下的脆性和耐老化性能较差,所以他的应用受到限制
[2]但均聚聚丙烯密度小、强度高、耐磨、耐腐蚀、刚性和热变形温度高的突出特点又是人们所期望的,从而人们对其进行了分子结构上的改性,在材料合成时,添加少量的依稀单体进行气相共聚,生产出前段共聚聚丙烯PP-B和无规共聚聚丙烯PP-R用于生产管材,是管材在保持原来具有的特性下,低温下的脆性和易老化性都得到了很好的改善
[2]无规共聚聚丙烯管的维卡软化点为133℃,最高工作温度可达95℃,在1MPa、70℃的条件下,可使用50年,一直活跃在建筑冷热给水管道领域
1.
2.3聚丙烯管材的应用均聚聚丙烯管主用用于腐蚀性化工液体和气体输送管、农田排灌管、城市排水管、热交换器管、太阳能加热器管、井水管、自来水管等,其用量远小于聚氯乙烯管和聚乙烯管嵌段共聚聚丙烯管PP-B和无规共聚聚丙烯管材PP-R是20世纪80年代末90年代初,最先由洲洲几个国家开发应用的新型塑料管道产品,由于他较好地保留了聚丙烯原有的优良特性,又较好的改善可聚丙烯原有的低温脆性、易老化、抗冲性差等等不足而使聚丙烯管材的应用跃上了一个新台阶,成为建筑领域冷热给水领域的优先选择品种
[3]1993年至1996年欧洲PP-R管的使用量由3万吨发展到
4.4万吨,平均每年递增幅度大于15%我国于1997年从国外引进技术和设备,现在已有扬子石化、燕山石化、大庆石化、齐鲁石化、中国石化等几家大型石油化工企业可以生产聚丙烯材料,管材的生产设备已全部国产化,且达到国际先进水平尤其是所生产的无规共聚聚丙烯管材PP-R管主要用于建筑热水给水管,嵌段共聚聚丙烯管材PP-B管主要用于建筑冷水给水系统,市场销量日益增多,已成为国家建设部优先推荐使用的主要建筑给水用管道和采暖系统第2章聚丙烯管的原料配方
2.1聚丙烯原料及性能经聚合工艺生产的聚丙烯由于所用催化剂的活性不同而有不同的后处理方法经后处理干燥得到的产品为聚丙烯粉料一般的聚丙烯粉料受光线和空气的作用易老化,即使加入抗氧剂,由于混合不均匀,仅能附着于粉料的表面上,运输过程中易脱落分离因而不能发挥作用所以大规模工业生产聚丙烯装置都配有挤出机造粒装置将粉料聚丙烯与抗氧剂以及必要的添加剂进行混合后经单螺杆挤塑机、熔融混合、挤出造粒而得到与抗氧剂充分混合的聚丙烯粒料,作为商品供应市场
2.
1.1无规共聚聚丙烯丙烯聚合时在釜中加入少量的乙烯单体,在聚合釜中进行共聚,则制的聚合物主链中无规则的分布着丙烯和乙烯链段的共聚物,即为无规共聚聚丙烯由于无规共聚聚丙烯中有1%~4%质量的乙烯含量,则分子链中无规则的分布丙烯和乙烯链段,使产品的立体规整度等规度遭到破坏、而得到不同结晶度的共聚物,使其制品性能有所改变与均聚聚丙烯相比,其制品具有韧性、耐寒性、冲击强度高等特点,其性能见表2-1所制得的管材除了具有高强度、抗弯曲、耐疲劳、耐腐蚀、无毒的优良性能外还具有耐高温、抗蠕变能力强的特点,多以多用作建筑热水的给水管
[4]
2.
1.2嵌段共聚聚丙烯嵌段共聚聚丙烯是由一些乙烯、丙烯单体共聚生产的具有高抗冲性能的弹性短链段,同主体材料均聚聚丙烯较长链段均匀地进行嵌段共聚而生成大分子链的嵌段共聚物因此所制得的嵌段共聚聚丙烯具有较好的抗冲击强度较无规共聚聚丙烯而言,其低温抗冲击性能远大于PP-R,因此所制得的管材多用于建筑冷水的输送系统表2-1无规共聚聚丙烯的性能项目性能指标项目性能指标熔体流动速率/(g/10min)
4.5热变形温度/℃
74.7密度/(g/cm3)
0.901脆化温度/℃-15℃拉伸弹性模量/MPa
1012.3维卡软化点/℃131断裂伸长率/%320吸水性/%
0.002弯曲弹性模量/MPa
850.6洛氏硬度(R)
782.
1.3PP-B与PP-R管在选择应用上的区别根据ISO/DIS15874:1999国际标准给出的对管材设计压力、管材壁厚的计算方法计算,其结果表明在一般情况下,当使用温度在60℃以下,设计工作压力在
0.6MPa以下,PP-B管材更具应用优势;而当使用温度在60℃以上,设计工作压力在
0.6MPa以上,PP-R管材更具使用优势仅我国的冷热水管道应用领域来看,热水输送、高温采暖领域宜选用PP-R管材;冷水输送、低温采暖领域宜选用PP-B管材PP-B管材的其他特性及生产工艺、产品质量标准等与PP-R管材无异
2.2原料的配方
2.
2.1配方的概念和原则配方是指为达到某种目的,在树脂中混入其他物质而形成的复合体系混入的其他物质一般成为助剂或添加剂配方设计是指选择在树脂中加入的助剂种类,并确定其加入量多少的一个过程他是选择合理配方的必要手段事实上,塑料制品都要遇到配方设计的问题,即使树脂的性能足以完全满足塑料制品的性能要求,也还要考虑其加工性、颜色及成本问题
[5]对于一个具体的塑料制品,如何选择合适的助剂以取得合适的配方,这就要求在进行配方设计前,对制品所用的树脂及助剂的型号性质有充分的认识和了解这样才能设计出物美价廉的制品因此配方的设计有以下原则
1.树脂原料及助剂的选择对于树脂原料首先考虑其种类和型号,共聚物货均聚物;其次是它的性能和主要用途,加工的适应性;最后是熔体流动速度、分子量大小与分布、黏度等技术指标
2.成型设备加工条件的选择塑料制品的成型方法有很多种,即使是一种产品也有很多成型方法由于成型工艺不同,其工艺条件也不相同,所以配方设计的内容也不相同
3.制品性能要求的选择首先要了解该制品的各项性能指标,有否国际标准、国家标准、行业标准和企业标准等,一次标准或略高于此标准为设计一局老选择树脂、助剂和成型工艺
2.
2.2PP-R的原料配方以PP-R管材的原料配方为例表2-2PP-R管材的原料配方原料种类质量(份)无规共聚聚丙烯PP-R100四季戊四醇酯抗氧化剂
10100.5DLTP硫代二丙酸二月桂酯
0.5成核剂TMB-
40.2PP-R管采用无规共聚聚丙烯树脂专用料,所用助剂应能与专用树脂相容性良好,并且能够弥补专用树脂的某些不足,其助剂有抗氧化剂1010辅助抗氧化剂DLTP,成核剂TMB-4,其性能及作用如下
[6]抗氧化剂1010白色粉末,熔点为119-122℃,微毒,不挥发,不污染,耐热性好,此抗氧化剂抗氧化效果好,是常用的抗氧化剂,加入量一般为
0.1%-1%,通常和辅助抗氧化剂DLPT协同使用,可以节省主抗氧化剂的用量抗氧化剂能起到防止原料在成型过程中与空气中氧气接触而自动氧化降解的目的DLTP白色结晶粉末,熔点为38℃,气味较小,挥发不大,微毒,常与1010并用,配合使用的比例为主:辅=3:7,加入量为
0.2%-
1.5%成核剂TMB-4能够提高制品的结晶度,改善制品的抗冲击性能,抗蠕变等的力学性能,提高其使用寿命聚丙烯管道系统的管材专用料应含有必需的添加剂,且添加剂均匀分散该材料配方在合成阶段就已经设计好,管材生产时只需加入色母料就可以直接生产第3章管材挤出成型工艺挤出成型在塑料加工中又称为挤塑,在非橡胶挤出机加工中液压机压力于模具本身的挤出称压出是指塑料通过挤出机料筒和螺杆间的作用,边受热塑化,边被螺杆向前推送,连续通过机头而制成各种截面制品或半制品的一种加工方法
3.1挤出成型的原理料自料斗进入料筒,在螺杆旋转作用下,通过料筒内壁和螺杆表面摩擦剪切作用向前输送到加料段,在此松散固体向前输送同时被压实;在压缩段,螺槽深度变浅,进一步压实,同时在料筒外加热和螺杆与料筒内壁摩擦剪切作用,料温升高开始熔融,压缩段结束;均化段使物料均匀,定温、定量、定压挤出熔体,到机头后成型,经定型得到制品
[7]
3.2管材的挤出设备管材挤出设备包括挤管主机和辅机
3.
2.1挤管主机管材生产的主机为塑料挤出机,本工艺采用单螺杆挤出机,其基本组成包括挤出系统、传动系统、加热冷却系统、加料系统和控制系统其基本结构如图3-1所示.
1.挤出系统挤出系统主要由螺杆和机筒组成螺杆是挤出机的关键性部件,它的主要任务是完成塑料树脂的塑化和输送,内称为挤出机的心脏,是使塑料树脂混炼、加压而进行挤出的重要部件常用图3-1单螺杆挤出机示意图1-法兰2-分流板3-螺杆4-冷却系统5-加热器6-机筒7-齿轮泵
8、10-电动机9-轴承11-料斗12-齿轮减速箱13-旋转接头14-V带轮15-电动机16-减速箱体17-机座18-机罩的螺杆有等距不等深、等深不等距、不等距不等深螺杆本工艺设计采用等距突变螺杆,其结构如图3-2所示,其螺槽深度从供料段的深螺槽想均化段的浅螺槽过渡,是一个在较短的螺杆轴向距离内完成的,压缩段很短,供料段很长这种螺杆对物体能产生较大的剪切作用,主要是英语黏度低,熔点较明显的结晶性塑料,如PE、PP等螺杆的主要技术参数有1螺杆直径D螺杆直径D是螺杆的主要参数之一,通常是指螺纹的公称直径,表示挤出机的大小规格D的大小一般是根据制品的断面尺寸,加工塑料的种类和生产效率来确定,螺杆直径和制品的尺寸范围的关系见表3-
1.表3-1螺杆直径与基础制品尺寸关系螺杆直径(mm)30456590120150200管材直径(mm)3~3010~4520~6530~12050~18080~300120~400增大螺杆的直径挤出机的生产能力显著增加,但螺杆直径增大时,对挤出机的设计和加工要求提高一般应根据制品的要求、物料特性及所需的生产效率和机械加工能力来综合考虑,选择合理的螺杆直径用大直径的螺杆挤出小规格的制品是不经济的,且饮机头压力过高,易损坏机器,工艺条件也不好控制图3-2单螺杆结构示意图H1-送料段槽深h2-计量段槽深D=螺杆直径t-螺距e-螺棱宽度ψ-螺旋角L-螺杆长度L1-送料段长度L2-压缩段长度L3-计量段长度2长径比L/D表征螺杆特性的另一重要参数是螺杆的有效长度L与其直径之比,即长径比L/D增大长径比可以提高物料的混合和塑化能力,使出料均匀稳定,同时还能产生较大的压力,增加制品的密实程度,提高制品质量,增加产量,挤出量可提高20%~40%,有利于粉料成型国家标准规定L/D有
15、
20、25,非标L/D有
28、30或更大3压缩比ε螺杆加料段第一个螺槽的容积与计量段的最后一个螺槽的容积比成为压缩比压缩比的大小对制品的密实性和排出物料中所含空气的能力等影响很大
[8]4螺杆各段的作用按塑料在螺杆上运转情况可分为送料段、熔化段和计量段各段的作用各不相同送料段是自塑料入口向前延伸的一段距离大约2~10D在这段中,塑料依然是固体状态这段的作用是是塑料受热前移,亲耳螺槽容积不变,一般为等距等深的螺槽深度不小于
0.1D,螺距S为1~
1.5D为使塑料有较好的输送条件,要求减少物料与螺杆的摩擦而增大物料与料筒的切向摩擦,可在料筒与塑料接触的表面开设纵向沟槽,提高螺杆表面光洁度,并在螺杆中心通水冷却融化段是螺杆中部的一段塑料在这段中,除受热和前移外,即由颗粒状固体逐渐压实并软化为连续状的熔体,同时还将夹带的空气想送料段排出为了适应这一变化,通常使这一段螺槽逐渐缩小,这样既有利于制品的质量,也有利与塑料的升温和熔化压缩段的长度与物料的性能有关,其长度大约为5~15D均化段是螺杆的最后一段,也叫计量段这段的作用是使熔体进一步塑化均匀,并使料流定量、定压的从机头流道均匀挤出这段螺槽的截面可以是恒等的,但比前两段都小,其螺槽深度为
0.02~
0.06D
[9]其长度为4~7D4螺槽深度螺槽的深度与物料的热稳定性、螺杆的塑化效率及压缩比有关其中均化段螺槽的深度很重要,他对螺杆的混合效率和生产的最大压力有很大的影响5螺距S和螺旋角Φ螺杆直径确定后,螺距S不但决定螺旋角Φ,而且也影响到螺槽的容积螺距减小,正推力增加,螺槽容积减小,这就影响了挤出机的产量从螺杆的制造方面考虑,通常以螺距等于螺杆直径最易加工,此时Φ为17°42′而且对产量的影响不大,螺杆的螺旋方向一般为右旋,螺翅的宽度一般为
0.08~
0.12D机筒是挤出机的主要部件之一和螺杆共同组成了挤出机的挤出系统挤压时机筒内的压力可达55MPa,工作温度一般为150℃~250℃,因此机筒可看作是受压和受热的容器常用的机筒为整体式机筒,其容易保证加工精度和便于安装加热冷却系统加热均匀地特点,而在生产中广泛使用
2.传动系统传动系统是挤出机的主要组成部分其作用是在要求的工艺条件下,使螺杆获得所需扭矩,并保持螺杆旋转均匀,完成对塑料的熔融、塑化和输送通常是由电动机、减速机构和轴承灯组成
3.加热冷却系统挤出温度是挤出成型的重要控制条件,使物料温度上升的热源有外部加热和物料的内摩擦热黏度大的物料在压缩段、均化段都要产生大量的摩擦热,又时甚至可能超过规定的温度,这就需要冷却降温所以挤出机既要有加热系统,也要有冷却系统1挤出机的加热物料在挤出成型过程中所需的热量是由装在机筒外部的加热器和螺杆的机械能转变的热能供给机筒外部加热通常使用电阻加热和感应加热2挤出机的冷却熔体黏度较大的塑料在压缩段和计量段受到很大的压力,产生较大的摩擦热,当物料在螺杆内受到剪切和摩擦产生的热量超过物料熔融所需的热量是,就需要通过冷却系统将多余的热量移走挤出机的冷却补位有机筒、螺杆和加料斗座
[10]螺杆的冷却时在单螺杆挤出机的的螺杆内部通入水、空气、恒温油等介质来冷却,以降低螺杆温度机筒的冷却通常有水冷和风冷冷却装置,以保证物料不至于因温度过高而分解加料斗做的冷却一般采用夹套式冷却法,以水为介质来冷却
4.加料系统加料系统的作用是给挤出机供料,一般由加热器和供料器组成1加料器加料器一般上不为圆形或方形,下部为圆锥形,有重力加料器和强制加料器两种重力加料器就是通常所说的料斗是靠物料的自重进入机筒内一般适宜添加粒状料强制加料器是在料斗中设置搅拌器和螺旋桨,使物料强制进入挤出机这种装置克服了物料在料入口的“桥架”和堵塞现象,保证进料的均匀性和加料顺畅2供料器常用的供料器有弹簧供料器、鼓风供料器和真空供料器,常用于螺杆直径65mm以上的挤出机
5.控制系统一般挤出机主要是对温度和螺杆转速进行测量和控制压力控制通常是在对机头压力要求高的场合使用螺杆转速的调节是依靠原动机转速的调节来调节的
3.
2.2挤管辅机挤管辅机主要有冷却定径装置、冷却水槽、牵引装置、切割装置等组成
1.冷却定径装置物料从口模挤出时,基本上处于熔融状态,必须立刻进行冷却和定径,使其使其温度显著下降而硬化、定径从而保证管材离开定径装置是不至于变形塑料管的定型是挤出管材生产中的重要工序,它对管材是否能获得正确的尺寸和集合形状及表面光洁度有直接影响
[11]管材的定径方法分为外定径和内定径法1外定径法有内压定径法和真空定法,本工艺设计采用真空定径法成型PP-R管材真空定径方法是采用抽真空的方法来实现管材的冷却定型真空定径冷却装置由冷却套、定径套和真空箱组成管坯离开口模后进入冷却套进行初冷却,接着通过定径套定径,定径后在真空箱内继续冷却定径套的周围有很多孔径为
0.5~
0.8mm的小孔,在对真空箱抽真空时,负压可以通过此孔将管坯吸贴在定径套内壁并冷却定径PP管的挤出成型应尽量采用真空定径的方法,采用这种生产定径方式生产的管材质量较有保证
[12]2内定径法内定径法是使从机头挤出的管子内壁与芯棒接触,由于挤出管收缩,管子贴在热的或冷的芯棒上采用内定径法,牵引力要比外定径法大
2.冷却水槽管材经过定径初冷却后还必须进入冷却水槽进行进一步的冷却,使塑料管材彻底的冷却、硬化、定型管材的冷却方式有浸浴式冷却法和喷淋式冷却法两种,前者用于中小型口径的塑料管材,后者用于大行口径的塑料管材,本设计采用浸浴式冷却法浸浴式冷却水槽槽中有4~6档,以形成温度梯度,调节冷却速度硬管从坑缺槽出来的温度最好接近于室温冷却水在槽中保持一定的水位,并可循环使用或连续换水,以免水温升高或局部区段升温而影响冷却效果和产品质量冷却水一般是以最后一段通入,使水流方向与硬管运动方向相反,以使管子冷却的比较缓和,内应力比较小
3.牵引装置牵引装置是连续挤出塑料管材必要的辅助装置,它的作用是给由机头出来的已初步定型的管材提供一定的牵引力和牵引速度,克服冷却定型中所产生的摩擦力,使塑料管材以均匀的速度自冷却定性装置中引出,并通过调节速度来调节管子的壁厚,以获得合乎要求的管材
[13]常用的牵引装置有履带式和滚轮式牵引机构,牵引装置应当满足以下几点要求1能夹持多种直径的管材;2可在一定范围内无级平滑的变速,并且牵引速度要稳定避免任何不规则的变动3夹持力能够适当的调节,牵引过成不得打滑、跳动和震颤
4.切割装置当牵引装置吧冷却定型的管材递送到预定长度后,即可开动切割机切断管材切割机有两种一种是用于切割中小口径的圆盘锯切割,另一种是用于大口径的自动星型切割机
3.3管材的挤出工艺流程PP-R管的生产工艺为挤出成型工艺,首先加料斗内的PP-R原料靠自重进入挤出机,在挤出机料筒内经过加热挤压混合,充分塑化后从挤出机的口模挤出,进入定型装置,定型后的管材经过牵引机,通过长长度的测定,由切割机切断,然后经检验合格后入库
[14]其流程为原料+色母料→混合→原料干燥→单螺杆挤出机→定径套→真空定型箱→浸浴式冷却水箱→滚轮式牵引机→切割机→成品检测包装→入库其流程图如图3-3所示
3.4挤出成型的工艺参数挤出工艺参数的控制包括成型温度、挤出速度、牵引速率、螺杆转速等方面的控制图3-3管材挤出工艺流程图1-机头和口模2-定型装置3-冷却装置4-牵引装置5-切割装置6-堆放架
1.温度的控制挤出成型温度是促进成型物料塑化和熔体流动的必要条件,它直接影响着物料在整个加工过程中的流变状态,对物料的塑化和产量、质量均具有十分重要的意义
[15]在整个成型过程中,物料要由玻璃态转化到高弹态再到黏流态,其各段温度的控制不尽相同下面就筒区、螺杆、口模温度一一介绍1筒区温度挤出机中机筒的加热是为了使机筒受热达到一定的温度,机筒的冷却是为了使有一定温度的高温机筒把温度降下来在挤出机挤塑塑料生产过程中,机筒上有加热和冷却装置的交替工作,则使机筒工作时温度恒定在一个挤出塑料塑化需要的工艺温度范围内,这样就保证了挤出机正常挤塑制品成型生产的顺利进行2螺杆温度由于螺杆之间间隙很小,而使得在螺杆之间产生的摩擦热较大,为了保证物料不发生分解,故温度设置较低,一般在120~140℃3模具温度模具温度是保持稳定成型的重要条件之一,为了防止由于模温与熔差的温差而造成型翘曲的现象,所以模温设置应与熔体温度一致,一般在190~210℃
[16]
2.转速控制转速控制包括进料螺杆、挤出螺杆转速牵引速度的控制工艺要求1使物料挤出成型使具有必要的成型压力;2达到预期的生产能力螺杆转速设置3根据挤出机模具的实际生产能力来设置挤出螺杆的转速,在额定产能下,一般挤出机螺杆的设定在最大转速的80%较适合4在设置好螺杆转速的前提下,根据所需的熔融压力、电机负荷设置进料螺杆转速5牵引机速度根据挤出机与模具的产能及型材比重来确定
3.挤出速度挤出速度V=375m/h符合此次设计的生产要求
4.牵引速度牵引速度比挤出速度大1%-10%,约为390m/h-420m/h第4章物料衡算和热量衡算
4.1物料衡算物料衡算就是在已知产品的规格和产量的前提下,计算出所需原料的总量、物料的消耗量及废料量,同时还能算出原料的消耗定额,并在此基础上进行热量衡算
[17]通过物料衡算可以得到
1.所需动力的消耗量;
2.生产过程中所需的热量及冷却水用量;
3.为设备的选型,决定设备的规格和台数提供依据;
4.在拟定原料消耗定额的基础上,进一步计算日消耗量、小时消耗量等所需的基本数据
4.
1.1物料衡算的方法对于连续稳定过程,根据质量守恒定律进行计算∑G入=∑G出根据实际的过程可改为∑G1=∑G2+∑G3式中∑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总和连续生产时,年生产天数较多,暂定为每年320天的工作时间,其他时间将考虑为车间检修、意外停机确定了每年的有效工作时数后就能正确的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另外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、原料以及人为原因都会造成废品的出现,加工不同的产品出现的废品率也会不同因此其合格率、废品率、损耗率、回收率等都应单考虑在内
4.
1.2物料衡算已知年产量为17000吨的商品房用聚丙烯上水管,其合格率为98%,自然损耗率为
0.8%,废料回收率90%,求年消耗原料量年进机料量m1=合格产品量/合格率=17000吨/98%=
17346.94吨因为自然损耗率为
0.8%,则进入车间的料量总量为m2=m1/1-
0.8%=
17486.83吨废料量m3=m1-17000吨=
17346.94-17000吨=
486.83吨回收料量m4=m3×90%=
486.83×90%=
438.147吨考虑回收则每年购买料数量m5=m2-m4=
17048.683吨假定年工作时间为320天则小时车间处理量m6=年进车间料量/年生产时间=17000吨/320×24=
2.277吨/小时表4-1综合详情合格率98%合格产品17000吨废品率2%废品340吨自然损耗率
0.8%自然损耗量136吨年进车间料量
17486.83吨小时车间处理量
2.277吨年进机料量
17346.94吨年进新料物料量
17048.683吨
4.2热量衡算聚丙烯熔点为164~170℃,由于聚丙烯是结晶高聚物,所以生产熔融温度比熔点高大致在195-210℃因此,把挤出机口模温度定位T1=195℃原料的初始温度为T2=25℃,PP-R的比热容CPPR=
1.9kj/kg×k计算挤出机所需热功率,单位时间内物料所需的热量不考虑机器机器的散热损失和摩擦剪切产生的热,即挤出机提供的热量全部用于物料的加热,假设此过程中无相变,则可以利用温差法进行计算
[18]PP-R树脂的质量流量为qPPR=每台挤出机每小时处理量/3600s=2277kg/3600s=
0.079kg/s则单位质量流量物料需要吸收的热量Q1=qPPR×CPPR×T1-T2=qPPR×CPPR×T1-T2=
0.079kg/s×
1.9kj/kg×k×195℃-25℃=
23.2655kw说明物料所需热量即为挤出机应提供的热量,所以选择设备的加热功率值必须大于此值,还应将加热损失考虑进去第5章设备的选型与计算
5.1设备选择的原则在物料衡算和热量衡算的基础上才能进行设备的选择计算,以确定车间内设备的类型、规格及台数符合工艺设计的要求,并为经济核算提供条件
[19]设备的选型和计算应当充分考虑到工艺的要求,尽量选则先进的设备设备选则的原则应当从技术、经济和国家的经济状况等方面考虑,主要有以下原则
1.所选用的设备要与设计的生产规模应当相适应
2.设备应当符合制品的制作工艺,确保产品质量
3.提高连续化、大型化生产,提高劳动生产率,降低劳动强度
4.设备结构要简单,操作及维修保养方便
5.设备中所选设备一定要可靠,特别是主要设备,应坚持与实际生产相符合的原则
5.2挤出设备的选择本工艺设计为商品房用聚丙烯上水管挤出工艺,主要以PP-R管材的挤出为例,采用单螺杆挤出机管材的规格为外径25mm,壁厚
2.3mm由物料衡算可知小时车间物料的处理量为2277千克/小时,根据生产规模查资料选择设备,初定为SJ120-32型挤出机,其生产能力为300kg/h最高转速为90r/min则初定挤出机台数N=小时车间处理量/挤出机每小时处理量=2277/300=
7.59台≈8台若选8台,则每台机器每小时的处理量为m7=m6/N=
284.625kg/h<300kg/h符合若选7台则每台机器每小时生产量为m=m6/N=
325.286kg/h>300kg/h故选8台挤出机其挤出机的规格为表5-1PP-R单螺杆挤出机规格型号螺杆直径(mm)长径比最高转速(r/min)参考产量(kg/h)SJ12012032:190300外形尺寸5400×2000×
25005.3挤出机开车生产操作注意事项
1.每次挤出机开车生产前都要仔细检查机筒内和料斗上下有无异物,及时清除这些部位上的一切杂物,生产期间聊都上不允许存放任何工具
2.拆卸螺杆和成型模具中零件时,不许用重锤直接敲击零件,必要时应先垫硬木再敲击拆卸或安装零件
3.机筒内无生产用料时,不允许螺杆在机筒内长时间空运转,且空运转时间不得超过2min
4.生产中要经常观察主电机电流表指针摆动变化,出现长时间超负荷运转时要及时停车,查出故障原因并排出后再继续开车生产
5.清理干净的螺杆暂时不用时,应涂一层防锈油,包扎好,垂直吊挂在干燥通风处
6.新设备第一次投产500h后,要全部更换各油箱及油杯中润滑油轴承、油杯、油箱和输油管路要清洗干净,然后再加入新润滑油
[20]
5.4辅机的选择
1.混料桶的选择由物料衡算可知,每小时进机物料为
2.277t/h,采用一台大容量混料桶统一来混料,完全可以满足生产要求,本生产采用GFLJ-3000混料机其混料桶的相关技术参数如表5-2所示定径冷却切割机组由于采取分别购买辅助设备给选择带来很大麻烦,同时也会带来一些经济问题,再者使用套装机组,还会使各机械设备之间的配合较为完善,因此本生产采用定径冷却切割机组
[21]表5-2混料桶的技术参数型号功率kw容量kg电压v外形尺寸cm转速r/min净重kgGFLJ-
30007.53000380235×213×3563001250结合生产需要,经查询《塑料机械设计》相关机械参数本生产选择机组型号为SJG-F75,参数如表5-3表5-3机组型号SJG-F75参数辅机规格SJG-F75适合管材外径mm20~75推荐配用挤出机螺杆直径mm90或120冷却方式浸浴式循环水冷却冷却槽长度mm5000牵引管径范围mm20~75牵引线速度m/min
0.1-1驱动功率kw
1.1切割最大厚度mm3-15托架长度mm3000切割方式圆盘锯切割管径范围mm0-75驱动功率kw
1.1辅机中心高mm1500整套辅机长度mm16000整套辅机质量kg4800参考价格万元
8.23破碎机的选择由物料衡算知,每年需要回收废料340t按每天8小时计算,每年工作320天,每小时需要破碎340/320×8=
132.8kg因此本生产可以选择SWP160型号的破碎机,其破碎能力为60~200kg/h满足生产需要其技术规格如表5-4表5-4SWP160破碎机参数旋转刀直径mm160旋转刀长度mm600旋转刀数量把8固定刀数量把2进料口尺寸mm350*200破碎能力kg/h60~200筛板孔径mm8电动机功率kw
5.5外形尺寸mm1220*500*1200质量kg450参考价格万元
1.5第6章车间管理与生产组织车间是企业的基本生产单位,也是企业的基本组成部分车间管理是企业管理的基础工业企业管理,就是企业为了有效的实现预定的目标而对车间生产经营活动进行决策、组织、指挥、培训、协调、激励和教育的综合性工作
6.1车间管理车间管理是依靠车间内工人、机器设备、物资、资金和信息实现的这五个要素相互作用,并满足一定的条件的约束对车间生产活动进行计划、组织、指挥、监督和控制,以要求车间生产活动取得优异效果
[22]车间管理可以分为生产管理和经营管理车间管理活动是依靠着车间内的人、机器设备、物资、资金和信息实现的车间管理的基本任务就是努力降低生产成本,提高经济效益,开展全员培训,提高车间职工科学文化技术水平,为企业物质文明和精神文明建设做出贡献车间管理项目括车间计划管理、车间生产管理、车间质量管理、车间经济概算、车间设备和物资管理、车间劳动定额管理以及车间安全文明生产管理车间的管理职能包括计划职能、组织职能、控制职能、协调职能和服务职能
6.2生产组织
6.
2.1生产组织形式工业企业的组织结构有多种形式我国轻工企业一般实行三级管理,即厂级、车间、班组,班组是企业车间组织结构的基石,根据具体生产的条件和特点来确定本工艺采用连续生产的形式,即“歇人不歇机”三班制每班工作8小时,一周工作56小时周末不休息,即分为早、中、晚班,定期轮换
[23]
6.
2.2管理及生产人员确定
1.生产管理人员包括车间主任、技术员、统计核算人员等具体工作任务如下1车间主任负责本车间生产、技术、质量、设备及劳动纪律管理工作,负责下达生产任务和车间安排2技术员主管车间的生产管理制定合理的生产工艺,执行工艺规格及主管车间计量工作对产品质量进行分析,负责车间工人的技术教育和技术培训,与有关部门研究有关改进和提高产品质量等问题3统计核算员主管车间的统计工作,对于原材料的出入库,产品的成品率、生产完成情况进行统计,完成成本核算,并统计车间人员考勤情况,工资分配等
2.直接生产人员主要指机台前生产操作人员生产操作人员必须经过培训上岗,要严格按照操作规程进行操作,并岁产品质量进行自检;认真填写生产记录卡,对生产谁出现的问题及时反映给有关人员,做好交接班工作
3.间接生产人员主要是指保障正常生产不可缺少的人员,包括设备维修工、电工、检验员等1设备维修工做好设备的维修工作,保证生产正常进行平时要准备好各种部件,做到少停机,并建立大修,中修计划及设备检修卡,经常检查设备运转情况,督促帮助工人进行设备的维修保养,建立设备管理制度2电工做好车间的供电工作,并根据车间布置合理安排供电线路,保证正常生产,保证操作工人的人身安全3检验员按质量标准对车间所生产的产品进行抽样检查,把质量问题及时反映给车间主任和技术员,帮助分析质量问题,并做好车间产品质量情况的记录,每日上报车间统计员
6.
2.3车间人员编制挤出生产线8套,混合机1台,粉碎机1台班制确定为二班直接生产人员按每套挤出设备2人计,其它每台设备1人计,共需18人,另外备料3人生产管理人员车间主任1人,班长2人,技术员2人,统计核算员1人,质量检验员2人,设备维修及电工2人共计31人另外各部门的确定一个工厂除了有车间及工作人员进行生产产品外,还要有其他部门进行协调工作,才能使一个工厂正常运作其它部门主要有总经办、业务部、财务部、研发部、采购部、物控部、人事部各部门主要职能如下总经办协调各部门的关系,对公司的决策作出决定,是公司的核心业务部工厂生产的成品要卖出去,他们要联系客人买,中间要有报价,还价,到客人下订单,跟踪产品到安排出货要5人财务部对进入每一批资金进行安排,即在利用的每一笔资金,是公司运转的核心部门要5人研发部开发新产品,给客人更多选择要5人采购部采购原料,即是配方中需要的原料,还有需要的各种东西要10人物控部控制物料,根据仓库的库存量做每批订单的物料需求,因为成品要有多种材料组合加工而成要10人人事部对公司需求的人员进行招工,而且负责员工的出勤和就寝情况要4人所以厂区总计70人第7章工程经济概算
7.1编制概算的意义概算是编制设计项目全部建设中所需要费用的一项重要工作,通过概算判断建设项目的经济合理性国家规定把概算作为确定基本建设项目投资额、编制基本项目建设计划,控制基本建设拨款和施工图预算,考核设计经济合理性和建设成本的依据
[24]
7.2编制原则概算是以初步设计文件、设备清单、文字说明几图纸为根据进行编制,起编制的原则为
1.必须遵照党的方针政策和有关规定,坚持实事求实、调查研究的工作方法
2.批准的概算是国家控制基建项目投资、编制基建计划和考核建设成本,控制施工预算的依据
3.初步设计阶段编制概算,施工阶段编制预算,建成后进行决算
4.总概算批准后不得任意突破,如有突破需按有关檔审批
5.一个项目有及格单位共同设计,主管部门应指定一个设计单位负责汇编总概况
6.逐步做到设计人员编制单位元工程概算,概算专业人员负责提供编制概算的基本资料,汇编综合概算和总概算,做好投资分析
7.3编制和修正工艺概算是确定某一工程项目的工艺设备及安装工程的费用的文件,内容包括设备购置费用、设备安装费用、机器备件费用等
[25]
1.设备购置费设备购置费是需要安装于不需要安装的工艺设备购置费用计算是必须按设备清单逐项计算,以免漏掉设备购置费用=设备原价+设备运输费用
2.设备安装费它包括各种机械设备的装配、装置工程、与装设工程,以及管线敷设工程
3.机器备件费用这是指备用易损部件的费用
4.生产工具费用主要指车间实验室、维修、保养、的特种工具等一般按占设备原价的
0.5-1%来计算
5.车间内运输设备费用主要指车间内各种机运车辆或运输设备的费用
6.车间内运输设备费用按仪器清单逐项查阅仪器价格,汇总后再加运杂费,即得出试验仪器费用
7.工艺管道费用塑料制品车间的工艺管道按实际计算
8.本设计经济该算在施工图设计阶段,有必要对车间投资的概算作一次修正为了简化工作,在本阶段有些项目同概算一样,仍可套用经验资料,主要有机器备件费用和生产工具费用两项则本设计经济该算是
1.成本核算1原料费用原料费用=进车间新料量×物料单价=
17048.683t×13400元/t+助剂费用+设备购置费=230002工人工资工人工资=70×3000×12+奖金=300万3水电费水电费=10t×24×300×2元+11000000kwh×1元/kw/h=
1114.4万车间经费按15年算,折旧费+设备维修费+管理费用=80万4车间成本费车间成本费=原料费+水电费+工人工资+车间经费=
24494.4万5副产品回收600万6车间净成本车间净成本=车间成本费-副产品回收=
23894.4万7企业管理费企业管理费=车间净成本×6%=
23894.4×6%=
1433.7万8工厂总成本工厂总成本=车间净成本+企业管理费=
25328.1万9销售费用按车间成本的
1.3%,为
24494.4×
1.3%=
318.4万10销售成本销售成本=工厂总成本+销售费用=
25328.1+
318.4=
25646.5万
2.经济分析1销售收入估算本产品销售价2万元/t产品年收入2*17000元=34000万元2税金与利润计算税金产品税率为10%;城建税率为
0.5%产品税=产品年收入×10%=3400万城建税=产品年收入×
0.5%=170万税金总计3570利润利润=销售收入-销售成本-税金=34000-
25646.5-3570=
4783.5万经济可行结 论本工艺通过对聚丙烯原料的性能特点及应用的了解,结合聚丙烯的挤出工艺设计,经过物料衡算,热量衡算以及挤出机和挤出辅机的选择,经过经济核算,可知本工艺设计经济可行经过本工艺的设计使我熟悉并掌握查阅和使用各类文献资料的方法以及有关工具书,特别是专业工具书通过计算、绘图等手段,提高动手能力和编写说明书的能力同时也了解到PP-R性能和制品等方面的一些不可避免的缺陷及对环境的有害的影响,这都是需要我们继续研究的问题由于聚丙烯管材具有很多的优异性能所以应用广泛,从目前市场经济发展来看,以聚丙烯为原料的管材具有很大的发展前景其成型工艺在日渐成熟,而且聚丙烯管材的需求量大、种类多,在最近的几年内,仍能带来很大的经济效益谢辞本论文设计在XXX老师的悉心指导和严格要求下业已完成,在我的毕业设计期间,XXX老师为我提供了种种专业知识上的指导和一些富于创造性的建议,XXX老师严谨求实的态度使我深受感动,没有这样的帮助和关怀和熏陶,我不会这么顺利的完成毕业设计在此向XXX老师表示深深的感谢和崇高的敬意!在临近毕业之际,我还要借此机会向在这四年中给予我诸多教诲和帮助的各位老师表示由衷的谢意,感谢他们四年来的辛勤栽培不积跬步何以至千里,各位任课老师认真负责,在他们的悉心帮助和支持下,我能够很好的掌握和运用专业知识,并在设计中得以体现,顺利完成毕业论文同时,在论文写作过程中,我还参考了有关的书籍和论文,在这里一并向有关的作者表示谢意参考文献
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[25]赵瑞云.无规共聚三型聚丙烯管PPR的应用2007外文资料翻译ThermotropicLiquidCrystallinePolyestersIntroductionThermotropicliquidcrystallinepolyestersTLCPcanoffersuperbflowintothinsectionscoupledwithzeroflashlowcoefficientofthermalexpansionCTElowmoistureabsorptionhighdimensionalstabilityhighstrengthandstiffnesscompatibilitywithlead-freesolderingandlowmouldcycletimes.Theirpropertiesarehoweveranisotropicandtheycansufferfromlimitedweldlinestrength.Theyfindapplicationsinawiderangeoffinehigh-precisionmouldeddevices.ChemistryandManufacturingTLCPhaveuniquepropertiesbecausethemoleculesinthemeltformordereddomainscalledmicellesinwhichthechainsarealignedinthesamedirection.Thisresultsfromtherigidityofthemoleculeswhichcanbevisualisedbyanalogyasgroupsoftreelogsfloatingdownariver.Theliquidcrystallinestateisintermediatebetweenthatofanisotropicliquidandathree-dimensionalcrystal.Itisdescribedasa‘mesophase’or‘mesomorphicstructure’fromtheGreekmeaning‘intermediateform’.Ifthemesophasecanbeformedinsolutiontheliquidcrystalissaidtobe‘lyotropic’ifitisformedbytheactionoftemperatureinthemeltitissaidtobe‘thermotropic’.Inthe‘nematic’statethemoleculesarealignedparalleltooneanotheralongacommonaxisandexhibitone-dimensionalorder.Inthe‘smectic’statetheyalsoexistinlayersandsohavetwo-dimensionalorder.Therearemanytypesofliquidcrystalsbuttheonesofmostimportanceinengineeringplasticsaremainchainthermotropicpolyesterswhichcanbeprocessedusingconventionalmelt-processingtechniques.SomefibressuchasKevlararesolution-spunfromlyotropicmaterialsbutherewearelessconcernedwithpolymersusedinhighperformancefibres.Agivenpolymercanexhibitmorethanonetypeofmesophasedependingonconditionssuchastemperature.Toformaliquidcrystallinephaseapolymermusthaveasufficientaspectratioandaminimumrigidity.Therearemanyvarietiesbuttheyaresometimesclassifiedintothreebasictypes:PracticalGuidetoHighPerformanceEngineeringPlasticsI.RigidaromaticandlinearII.CompletelyaromaticrigidbutcontainingcrankshaftmotionssidegroupsandorkinksIII.Semi-rigidcontainingflexiblealiphaticspacersTemperatureperformanceandprocessingtemperaturesgenerallydecreaseintheorderIIIIII.Whileitisusefulthisisonlyageneralclassificationforexamplesometype-IIITLCPcanhaveimprovedheatresistance.ManufacturersincludeSolvayXydarSumitomoSumikaexcelLCPTiconaVectraandZeniteandToraySiveras.TheDuPontZenitebusinesswasrecentlytransferredtoTicona.SomegradesofXydarareexamplesoftype-Imaterials
[1].TheycanbeproducedfromthepolymerisationofbiphenolhydroxybenzoicacidHBAandterephthalicacid.HydroxybenzoicacidalonecannotbeusedbecausetheresultingpolymerhasaveryhighmeltingpointTm.Evenwiththesecomonomerstheresultingall-parastructurerequiresrelativelyhighprocessingtemperatures.Figure
9.1comparesthistype-Istructurewiththetype-IImaterialsthatcanbeproducedbytheintroductionof26naphthaleneunitsbasedforexampleonhydroxynaphthoicacidHNAdihydroxynaphthaleneornaphthadiocacid[2–4].VectraAisanexampleofatype-IImaterial.HNAactstodisruptthestructureoftheparaoxybenzoylunits.ThistechniqueresultsinalowerheatdistortiontemperatureHDTlowerprocessingtemperaturesandbetterflowproperties.Inafurthervariationaminophenolcanbeaddedtoproducepolyesteramides.Type-IIImaterialscancontainaliphaticpolyesterunitsgivingimprovedflowbutalowerHDT.ForexampleUnitikadevelopedmaterialsbasedoncopolymersofpolyethyleneterephthalateandHBA.Aswellastheclassicstructurespresentedheretheversatilityofpolyesterchemistryallowstheproductionofawiderangeofstructures.ForexamplemorerecentpatentsdescribeTLCPwithrepeatunitsderivedfromhydroquinoneterephthalicacidisophthalicacid26naphthalenedicarboxylicacidandHBA
[89].Oftenthesecompositionsareaimedattheuseoflower-costmonomersaswellaspropertiessuchasHDTandprocessingtemperature.Someofthemorerecentpatentsprovidesummariesofthebackgroundwithreferencestokeyhistoricalpatents.Thepolymerisationreactionscanbeconductedusingfairlytypicalpolyesterpolycondensationchemistry.Thereactantsareusuallyacetylderivativesofthehydroxylcompoundsanddicarboxylicacids.Thesemaybeproducedinsitubyreactionwithaceticanhydride.Thereactioninvolvesaprogressiveriseintemperatureandreductioninpressureduringwhichaceticacidisdrivenoffthepolymerisationmixture.Ifnecessarymolecularweightcanbefurtherincreasedbysolid-statepolymerisation.PropertiesandProcessingThemesomorphicstructurehasaprofoundeffectonmaterialproperties.Undertheactionofshearandparticularlytensilestressesaveryhighdegreeoforientationcandevelop.TLCPmouldingshaveamuchgreaterdegreeoforientationthanconventionalpolymers.Themeltsarenotparticularlyelasticshowextremelylowdieswellandhavelowmouldshrinkage.Thisisincontrasttoconventionalpolymerswhicharereluctanttoorientateandwillreverttothepreferredrandomcoilconfigurationoncetheorientingstressisremoved.Thereversiontorandomcoilsmakesitdifficulttoobtainhighlyorientedcomponents.Frozeninorientationresultsinfrozen-instresswhichcaneffectenvironmentalresistanceandcauselackofdimensionalstabilityespeciallyathightemperatures.Unfortunatelythisuniquemorphologyalsoproducessomeimportantlimitations.Mouldingstendtobehighlyanisotropichavelowweld-linestrengthandfracturebehaviourthatresemblesthatofwood.ThismeansthatTLCPareruledoutinmanyapplicationsandtendtobeusediftheirexceptionalpropertiesconfermajoradvantages.Inunfilledmaterialsrigidityinthetransversedirectionmaybe30%ofthatintheflowdirection.Propertiescandependonwallthicknessbecausethinwallscauseahigherdegreeoforientation.Incontrasttoconventionalpolymersanisotropycanbedecreasedbytheadditionofglassfibres.Injection-mouldinggradesareusuallyfilledtoreduceanisotropyandthetendencyoftheorientedsurfacetofibrillatei.e.fibroussurfacelayersstarttopeeloff.Muchefforthasgoneintodevelopinggradeswithimprovedweld-linestrengthandsomelimitationscanbeminimisedbycarefuldesignofparts.Ultravioletresistanceisalsolimited.TLCPcanbeprocessedusingconventionalmethodssuchasinjectionmouldingandextrusion.Aswithallpolyestersgooddryingisessential.Meltviscositiestypicallydecreasecontinuouslywithincreasingshearrateasaresultofthenematicliquidcrystallinestructureofthemelt.Verythinwallthicknessescanbeachievedwithoutflashing.Inadditionlowfillingpressuresallowtheuseoffinecoreswithoutpositionaldistortion.WhenliquidcrystallinepolyestersLCPmeltthemeltmaintainsthehighorientationofthesolidphase.Thisrelativelysmallchangeinthedegreeoforderisassociatedwithsmallenergyflowswhichallowforfastercycletimes.ProcesstemperaturesdependongradebutVectrawouldtypicallybemouldedusingamelttemperatureof270–310°ChigherforEandSseriesandamouldtemperatureof80–120°C.Xydarmightrequireamelttemperatureof320–360°Candamouldtemperatureof65–95°C.Highglossfinishescanbeobtained.Surfacefinishtendstoimprovewithhighermouldtemperatures.Gradesareavailableforthermoformingpipeandtubeextrusioncoatingoffibreopticcablesandbiaxialorientation.TLCPcanbeweldedadhesivelybondedandmetallised.Incommonwithothermaterialsconductivepathscanbedirectlydepositedusingtechniquessuchaslaserdirectstructuring.LowlevelsofTLCPcanbeusedtoreducetheviscosityofmanyotherthermoplastics.ApplicationsTLCPcomponentstypicallybenefitfromexcellentflowintothinsectionscoupledwithzeroflashlowCTElowmoistureabsorptionhighdimensionalstabilityhighstrengthandstiffnessandlowmouldcycletimes.TLCPcomponentsarecompatiblewithawiderangeofsolderingtechnologies.HoweverthedegreeofresistancedependsontheTmtheHDTandtheloadsonthecomponent.HencegradesofVectraAresistsolderingtemperaturesupto~240°CwhereasthehighermeltinghigherHDTgradescanoperateatevenhighertemperatures.Lead-freesolderscanhavetemperaturepeaks~270°Candherehigher-temperatureTLCPareoftenrecommended.CorrectlymouldedTLCPcomponentsofthecorrectgrademaintaintheirdimensionalaccuracyevenafterthesolderingprocess.PerhapsthebestknownapplicationsofTLCParevariousformsoffinehigh-precisionanddimensionallystableconnectors.Ever-increasingdegreesofminiaturisationcreateanincreasingneedforsuchproducts.Theseincludemobile-phoneconnectorswith
0.15mm-thickwallscircuitboardconnectorsedgecardconnectorscentralprocessingunitCPUsocketconnectorssecondaryinlinememorymodulecardconnectorshigh-densityinterconnectstestsocketconnectorsheaterplugconnectorsminiaturemultimediacardreaderssmartcardreadersfibreopticconnectorsandmetallisedinterconnects.InmobilephonesTLCPfindusesinSIMcardconnectorsinput/outputconnectorsmicroSDcardconnectorsflexibleprintedcircuitboardconnectorsandalsoinhousingsforcameramodules.ApplicationsalsoincludebaseplatesandlensholdersinCDplayersinjectionmouldedmetallisedmobilephoneaerialsprecisionmicro-mouldeddisc-drivecomponentselectrostaticdissipativefilmguidesmobilephoneframesvirtual-realityheadsetslead-freesolderablerelaysprecisionpushbuttoncasingsmicroswitchescomponentsfornight-visionscopesminiaturepowerconvertorhousingstapedrivechassissurfacemountrelaysportableprojectorcomponentswatchbaseplateslampsocketsmicrowaveovendoorpanelsfuelcellcomponentssterilisableinstrumenttrayssurgicalstaplersskinstretchersandprecisionneedle-freesyringes.Mineral-filledTLCParebeingincreasinglyusedinthermoformedcookwaresuchasmuffintraysovenplatesandbakingtrays.MultilayerfilmscanusethesuperbbarriercharacteristicsofLCPinfood-andnon-foodpackagingapplications.Varioustechniquesforexampleinvolvingrotatingdieshavebeendevelopedtoproducebiaxiallyorientedfilmandtubing.Applicationsoftubesincludeendoscopiclaparoscopicandurologicalinstrumentswhichbenefitfromimprovedstiffnesscompressivestrengthandcrushresistance.ThereisincreasinginterestintheuseofTLCPtoproduceflexiblecircuits热致液晶聚酯 介绍热致液晶聚酯(TLCP)可提供一流的流入薄片的零流失性,热膨胀系数(CTE),低吸湿性,高尺寸稳定性,高强度和刚度,无铅焊接和低模兼容性系数低周期时间然而,它们的性质,各向异性以及他们可以从有限的熔合线强度受到影响他们发现在一个广泛的精细,高精度成型设备的应用程序化学与制造热致液晶聚合物具有独特的性质,在熔融形式的分子有序结构域称为胶束,其中链在相同的方向上排列分子的刚性,可以通过类比被想象成树原木洒落的河边液晶态是各向同性液体和三维晶体之间的中间它被描述为一个“中间相”或“介晶结构”(从希腊意思是“中间格式”)如果能够在溶液中形成中间相的液晶被说成是“溶致”,如果它是由温度,在熔化它被说成是“热致”的作用而形成在“列”状态的分子的取向彼此平行地沿公共轴线,并表现出一维顺序在他们也存在于层,因此具有二维秩序有许多类型的液晶的,但大多数的重要性在工程塑料的是主链的热致聚酯,可以使用常规的熔融加工技术进行加工(某些纤维如芳纶是溶液纺丝从易溶的材料,但是这里我们是较少关心的高性能纤维所用的聚合物)一个给定的聚合物可以表现出一种以上类型的中间相,这取决于诸如温度条件形成的液晶相,聚合物必须具有足够的纵横比和最小刚度有许多品种,但它们有时分为三种基本类型实用指南高性能工程塑料一刚性,芳族和线性;二完全的芳香,刚性但含有曲轴运动,侧基和或扭结;三半刚性柔性含脂肪垫片温性能和加工温度一般下降的顺序IIIIII虽然这是有用的,这只是一个一般的分类,例如,某些类型-IIITLCP可具有改进的耐热性制造商包括苏威(XYDAR),住友(LCP),泰科纳(威达和ZENITE)和东丽(Siveras)杜邦ZENITE业务最近被转移到泰科纳XYDAR的某些牌号是I型材料的实例它们可以从联苯酚,羟基苯甲酸(HBA)和对苯二甲酸的聚合来制备单独羟基苯甲酸不能使用,因为所得到的聚合物具有非常高的熔点(Tm)即使这些共聚单体所产生的所有对位结构要求比较高的加工温度I型结构,可以由26萘基单元的引入产生的II型材料相比较,例如,对羟基萘甲酸(HNA),二羟基萘或酸[2-4]是II型材料的一个例子海航的行为扰乱的第l单元的结构这种技术导致较低的热变形温度(HDT),降低加工温度,更好的流动性能在一个进一步的变化方案中,氨基苯酚可以被添加到生产聚酯酰胺III型材料可以包含脂肪族聚酯的单位,给予改进流程,但较低的热变形温度例如,尤尼吉可开发的材料基于聚对苯二甲酸乙酯和HBA的共聚物以及这里提出的经典结构,聚酯化学中的多功能性使生产的各种各样的结构例如,最近的专利描述了TLCP与从氢醌,对苯二甲酸,间苯二甲酸,26萘二羧酸和HBA衍生的重复单元
[89]通常,这些组合物的目的是利用成本较低的单体以及如热变形温度和加工温度特性一些更近期的专利提供参考的关键历史专利背景的摘要聚合反应可以用相当典型的聚酯缩聚化学进行反应物通常的羟基化合物和二羧酸的乙酰基衍生物这些可以就地通过与乙酸酐反应来制备该反应包括一个渐进的温度上升和下降的压力在此期间,乙酸是赶走聚合混合物如果有必要,分子量,可以进一步提高由固态聚合性能和加工介晶结构对材料性能产生深远的影响下的剪切和尤其是拉伸应力,取向度极高可以开发TLCP模塑制品具有更大的取向度比常规聚合物熔体不是特别有弹性,显示出极低的离模膨胀,并具有低成型收缩率这是相对于传统的聚合物,它们都不愿意定向和将恢复到优选的无规卷曲构一旦定向应力被除去回归到无规卷曲使得很难获得高取向性的组件冻结取向导致冻结的内应力,可实现耐环境性和原因缺乏尺寸稳定性(尤其是在高温下)不幸的是这种独特的形态也产生了一些重要的性质,往往是高度各向异性的,具有低的熔接线强度和断裂行为类似于木材的这意味着,TLCP被排除在许多应用中,并且倾向于被使用,如果它们的优异性能赋予主要优点在未填充材料,刚性在横向上可以是有30%的流动方向属性可以依靠壁厚因为薄壁导致较高的取向度相对于传统的聚合物,各向异性可通过加入玻璃纤维的减少注射成型产品通常填以减少各向异性,并且面向表面的倾向形成原纤维(即,纤维表面层开始剥落)多的努力已进入开发档次与改善熔接线强度,以及一定的局限性可以通过精心的设计部分最小化紫外线的能力也有限热致液晶聚合物可使用常规的方法,如注塑和挤塑加工如同所有的聚酯,良好的干燥是至关重要的熔融粘度通常随剪切速率的熔体的向列型液晶结构的结果连续地减小非常薄的壁厚可以无闪烁来实现此外,低充盈压允许使用细芯的无位置失真当液晶聚酯(LCP)熔体熔体保持在固相的高取向这在有序度相对较小的变化与小能量流动,允许更快的循环时间有关工艺温度取决于等级但通常会被使用的270-310℃(较高的为E和S系列)的熔融温度和80-120℃的模具温度下模塑XYDAR可能需要的320-360℃的熔融温度和65-95℃的模具温度高光泽饰面可以得到表面光洁度趋于改善具有较高的模具温度牌号可用于热成型,管材挤出,的光导纤维电缆涂层,和双轴取向TLCP可焊接,粘接和金属化在共同与其他材料,导电路径可以直接使用,如激光直接结构化技术来沉积热致液晶聚合物的低的水平可以用来减少的许多其它热塑性塑料的粘度应用TLCP组件通常受益于良好的流动性,低热膨胀系数,低吸湿性,高尺寸稳定性,高强度和刚度,低模周期热致液晶聚合物组分是具有广泛的焊接技术兼容然而,耐药性的程度取决于其Tm时,热变形温度,并在组件上的载荷因此,抗蚀焊接温度高达240℃,而较高熔点,较高的HDT等级可以在更高的温度下操作无铅焊料可以具有温度峰270℃,并往往建议在此较高温度TLCP正确的档次正确成型TLCP组件甚至是焊接工艺之后将保持其尺寸精度也许TLCP最著名的应用是各种形式的精细,高精度,尺寸稳定的连接器不断增加的程度的小型化创造此类产品的需求日益增加这些措施包括手机连接器
0.15毫米厚的墙壁,电路板连接器,边缘卡连接器,中央处理单元(CPU)插座连接器,二次在列直插式内存模块卡连接器,高密度互连,测试插座连接器,热水器插上电源连接器,微型多媒体卡读卡器,智能卡读卡器,光导纤维连接器和金属化互连在手机领域,TLCP发现使用SIM卡连接器,输入/输出接口,SD卡连接器,软性印刷电路板连接器,以及在外壳的相机模块应用程序还包括基板和透镜支架在CD播放机,金属化手机天线,精密微成形的盘驱动器组件,静电耗散电影指南,手机架,虚拟现实耳机,无铅焊接的继电器,精密按钮外壳,微动开关,组件夜视镜,微型电源转换器外壳,磁带驱动器机箱,表面安装继电器,便携投影机部件,看底板,灯座,微波炉门板,燃料电池组件,消毒器械盘,外科缝合器,皮肤担架和精密无针注射器矿物填充TLCP在热成型炊具,如松饼盘,炉盘和烤盘正在越来越多地使用多层膜可以使用LCP的精湛屏障特性在食品和非食品包装应用各种技术,例如,涉及到旋转模具,已开发生产双轴取向薄膜和管材管的应用包括内窥镜,腹腔镜以及受益于改进的刚度,抗压强度和抗压性泌尿仪器在利用TLCP的生产柔性电路越来越大的兴趣。