[科普中国]-压延成型

压延成型（Calendering）是借助于辊筒间强大的剪切力，并配以相应的加工温度，使黏流态的物料多次受到挤压和延展作用，最终成为具有宽度和厚度的薄片制品的一种加工方法。塑料和橡胶均有压延成型工艺，塑料中以聚氯乙烯树脂为主要原料。1

简介压延成型，是指生产高分子材料薄膜和片材的主要方法，它是将接近粘流温度的物料通过一系列相向旋转着的平行辊筒的间隙，使其受到挤压和延展作用，成为具有一定厚度和宽度的薄片状制品。

将熔融塑化的热塑性塑料通过两个以上的平行异向旋转辊筒间隙，使熔体受到辊筒挤压延展、拉伸而成为具有一定规格尺寸和符合质量要求的连续片状制品，最后经自然冷却成型的方法。2

发展历史欧洲在十八世纪有用两个辊筒的轧光机把织物轧去毛头和上光的设备。当时这种机器很简单，连轴承也没有。 到了十九世纪，压延法开始被用来加工纸张和金属薄片。之后，随着橡胶工业的发展，美国和德国开始使用冷硬铸铁的压延辊筒加工橡胶。最初使用的是两个辊筒的炼胶机，后来发展了三个辊筒的压延机。到1836年，美国人E.M.查非在三辊机的基础上设计出第一台四辊压延机。 二十世纪三十年代，由于聚氯乙烯大量投产，美国和德国都曾试用加工橡胶的压延机来压延聚氯乙烯，但是鉴于这些机器受到原来设计的限制，在某些方面还不能完全符合塑料的加工要求，所以后来设计了专门压延塑料的压延机。 1930年，德国人开始把纸板工业上应用的弥补辊筒弯曲变形的辊筒轴交叉法应用到塑料压延机上来。1943年，虽然压延辊筒和轴交叉的调节还处于手工操纵，但是德国人已经开始考虑压延机用直流电机和单独的齿轮箱传动了。 为了避免相邻压延辊筒的横压力对薄膜厚度引起不良影响，原来直式的压延机逐渐改为L型和倒L型。1950年以后，美国和西德先后设计了Z型和斜Z型四辊压延机。 近年来，随着科学技术的发展，现在的塑料压延机经过不断的改进，呈现出新的特点，朝着大型化、高速化、精密化、高自动化、机构多样化发展。2

原理在压延成型过程中，借助于辊筒间生产的剪切力，让物料多次受到挤压、剪切以增大可塑性，在进一步塑化的基础上延展成为薄型制品。辊筒对塑料的挤压和剪切作用改变了物料的宏观结构和分子的形态，在温度配合下使塑料塑化和延展。辊轴的结果使料层变薄，而延展后使料层的宽度和长度均增加。 压延过程中，在滚筒对物料挤压和剪切的同时，辊筒也受到来自物料的反作用力，这种力图使两辊分开的力称分离力。通常可将辊筒设计和加工成略带腰鼓形，或调整两辊筒的轴，使其交叉一定角度（轴交叉）或加预应力，就能在一定程度上克服或减轻分离力的有害作用，提高压延制品厚度的均匀性。 在压延过程中，热塑性塑料由于受到很大的剪切应力作用，因此大分子会沿着薄膜前进方向发生定向作用，使生成的薄膜在物理机械性能上出现各向异性，这种现象称为压延效应。压延效应的大小，受压延温度、转速、供料厚度和物理性能等的影响，升温或增加压延时间，均可减轻压延效应。2

压延成型工艺过程及条件目前压延成型均以PVC制品为主，主要有软质PVC薄膜和硬质PVC片材两种。此处以PVC薄膜生产为例来叙述一个完整的压延成型过程。 PVC薄膜的压延成型工艺是以PVC树脂为主要原料，按薄膜制品的用途不同要求，把其他辅料（增塑剂、稳定剂、填加料及其他辅料）按配方的不同比例，经计量混合，加入到PVC树脂中。由高速混合机搅拌混合均匀，再经过密炼机、挤出机或开炼机混炼、预塑化，输送到压延机上压延成型。然后，通过冷却辊筒的降温定型生产过程。3

配方原料的选择产品配方设计时应注意以下几点： 配方设计前，要了解制品的应用条件，分清制品质量要求条目中的主次项目。 拟选用的原料要注意到各原料间的相互影响和工艺操作的可行性。 注意配方中用料对工艺操作条件要求是否苛刻，那些对工艺温度变化敏感、不易与其他原料混合、容易分解的原料应尽量少用或不用。 设计的配方要经过几次反复试验，应用实践考核，修改完善之后确定一个比较理想的配方。3

混合和塑炼混合和塑炼的主要目的是保证物料分散均匀和塑化均匀。如果分散不均匀，会使树脂各部分增塑作用不等，使薄膜产生鱼眼、冷疤、柔韧性降低等缺陷；若塑化不均，则薄膜会产生斑痕、透明度差等缺陷。 配料混合体系不仅要按配方配制成干混料，并且应根据各原料性质按一定顺序投料。初混合可选用捏合机、高速混合机等，必要时进行加热或在夹套中通冷却水进行冷却。 塑炼过程中的温度不能过高也不宜太低。温度太高，时间过长，增塑剂会散失，树脂也将被降解。若温度太低，会出现不粘辊和塑化不均匀等现象，也会降低薄膜的力学性能。一般软质PVC薄膜塑炼适宜温度在165~170℃之间。 近年来，随着混炼挤出机生产技术的不断进步，连续向压延供料的方式正在取代间歇的喂料操作。3

压延塑化后的物料利用皮带输送，经金属探测仪检测后，供料给压延机辊筒。压延工艺条件包括辊温、辊速、速比、存料量、辊距等是影响压延制品质量的关键因素，它们既互相联系又互相制约。3

辊温辊筒具有足够的热量是使物料熔融塑化、延展的必要条件。物料压延过程中所需的热量来自于内热和外热。内热即在压延过程中辊筒转动时，由于剪切作用而产生的大量摩擦热。外热指通过介质或电对辊筒表面进行加热，使辊筒具有一定的温度。物料所需要的热量是一定的，内热外热要均衡，因此辊速和辊温的控制要互相关联。 辊温控制主要根据配方中树脂以及助剂的因素来确定，例如配方中树脂熔融温度低、熔融粘度低、增塑剂含量高，则压延时辊筒温度可选低些。 内热主要受辊筒速度影响。辊速越快，剪切摩擦热越高，内热越大，这样需要的外热相对较小，因此辊温可适当降低。但是单纯提高辊速，必然引起物料压延时间缩短和辊筒分离力增加，使产品偏厚以及存料量和产品横向厚度分布发生变化；若降低辊速，压延时间延长、分离力减少，产品会先变薄，热后由于摩擦热减少，出现表面粗糙、不透明甚至孔洞等缺陷。 压延时，为了使物料能够依次贴合辊筒，避免夹入空气而使薄膜不带孔泡，各辊筒温度一般是依次增高的，各辊筒温差在5~10℃范围内。 另外，压延机辊筒表面温度还应该尽量一致，这样才能够使制品的横向厚度均匀。3

辊速和速比辊速是决定压延生产速度的关键因素。辊速快，则生产效率高，同时，制品收缩率也大。辊速应视压延物料的流动特性和制品的厚度等因素决定。压延机相邻两辊筒线速度之比称为辊筒的速比。调整压延机辊筒的速度，使各个辊筒具有一定的速比，主要原因一是使压延物依次贴辊，二是提高物料的塑化程度。 压延机的辊筒速比控制应适中。速比过大会出现包辊现象，薄膜厚度会不均匀，有时还会产生过大的内应力。速比过小，薄膜会不吸辊，导致有气泡夹入，影响制品质量。3

辊距和辊隙间的存料辊距是相邻两辊表面间的最小距离。压延时各辊筒间距的调节既是为了适应不同厚度制品的要求，也是为了改变各道辊隙间的存料量。 辊隙间存料量对产品质量的影响也很大。辊隙间存料量过多，物料在压延前停留时间过长，温度降低，再进入辊间压延时就会造成薄膜表面粗糙，内部有气泡。存料量过少，压延物料供不应求时，会因挤压力不足使薄膜表面出现皱皮现象。3

压延效应由于在压延机上压延物的纵向上受有很大的剪切应力和速比造成的拉伸应力，压延物也因此产生沿其纵向的分子取向，以致薄膜在物理学性能上出现各向异性，这种现象在压延成型中称为压延效应或定向效应。压延效应的大小受到压延温度、辊筒转速与速比、辊隙间存料量、制品厚度以及物料性质等因素的影响。 压延效应使得压延产品产生各向异性。平行于压延方向的拉伸强度和断裂伸长率提高，而垂直于压延方向上的拉伸强度和断裂伸长率降低。在自由状态加热时，由于解取相作用，薄膜纵向出现收缩，横向与厚度则出现膨胀。所以压延制品越薄，其质量就越难以保证。这也是为何薄膜厚度小于0.05mm时很少采用压延法生产，而采用挤出吹膜生产。3

引离、冷却、卷取从四辊压延机的第三和第四辊之间引离出来的压延薄膜，经过引离辊、轧花辊、冷却辊和卷取辊之后成为制品。 引离辊的速度通常比压延机主辊转速快25%~35%，另外，为了避免制品在引离时发生冷拉伸，防止增塑剂等易挥发物凝结在引离辊表面影响产品质量，需将引离辊加热。冷却定型装置采用一系列的冷却辊筒，一般为4~8只。冷却的目的是使制品温度下降，以便后面的卷取。卷取过程要严格控制卷取速度，使其始终与压延速度相适应。为了保证压延顺利进行，一般控制的辊速为：卷取速度≧冷却速度﹥引离速度﹥第三辊筒速度。3

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李晓林 - 教授 - 西南大学