压延成型

**壓延成型**（Calendering）是藉助於輥筒間強大的剪切力，並配以相應的加工溫度，使黏流態的物料多次受到擠壓和延展作用，最終成為具有寬度和厚度的薄片製品的一種加工方法。塑料和橡膠均有壓延成型工藝，塑料中以聚氯乙烯樹脂為主要原料。

## 發展歷史

歐洲在十八世紀有用兩個輥筒的軋光機把織物軋去毛頭和上光的設備。當時這種機器很簡單，連軸承也沒有。
到了十九世紀，壓延法開始被用來加工紙張和金屬薄片。之後，隨著橡膠工業的發展，美國和德國開始使用冷硬鑄鐵的壓延輥筒加工橡膠。最初使用的是兩個輥筒的煉膠機，後來發展了三個輥筒的壓延機。到 1836 年，美國人 E.M. 查非在三輥機的基礎上設計出第一台四輥壓延機。
二十世紀三十年代，由於聚氯乙烯大量投產，美國和德國都曾試用加工橡膠的壓延機來壓延聚氯乙烯，但是鑑於這些機器受到原來設計的限制，在某些方面還不能完全符合塑料的加工要求，所以後來設計了專門壓延塑料的壓延機。
1930 年，德國人開始把紙板工業上應用的彌補輥筒彎曲變形的輥筒軸交叉法應用到塑料壓延機上來。1943 年，雖然壓延輥筒和軸交叉的調節還處於手工操縱，但是德國人已經開始考慮壓延機用直流電機和單獨的齒輪箱傳動了。
為了避免相鄰壓延輥筒的橫壓力對薄膜厚度引起不良影響，原來直式的壓延機逐漸改為 L 型和倒 L 型。1950 年以後，美國和西德先後設計了 Z 型和斜 Z 型四輥壓延機。
近年來，隨著科學技術的發展，現在的塑料壓延機經過不斷的改進，呈現出新的特點，朝著大型化、高速化、精密化、高自動化、機構多樣化發展。

## 原理

在壓延成型過程中，藉助於輥筒間生產的剪切力，讓物料多次受到擠壓、剪切以增大可塑性，在進一步塑化的基礎上延展成為薄型製品。輥筒對塑料的擠壓和剪切作用改變了物料的宏觀結構和分子的形態，在溫度配合下使塑料塑化和延展。輥軸的結果使料層變薄，而延展後使料層的寬度和長度均增加。
壓延過程中，在滾筒對物料擠壓和剪切的同時，輥筒也受到來自物料的反作用力，這種力圖使兩輥分開的力稱分離力。通常可將輥筒設計和加工成略帶腰鼓形，或調整兩輥筒的軸，使其交叉一定角度（軸交叉）或加預應力，就能在一定程度上克服或減輕分離力的有害作用，提高壓延製品厚度的均勻性。
在壓延過程中，熱塑性塑料由於受到很大的剪切應力作用，因此大分子會沿著薄膜前進方向發生定向作用，使生成的薄膜在物理機械性能上出現各向異性，這種現象稱為壓延效應。壓延效應的大小，受壓延溫度、轉速、供料厚度和物理性能等的影響，升溫或增加壓延時間，均可減輕壓延效應。

## 壓延設備

### 混煉機械

#### 混合機

混合機是壓延機成型製品生產線上的原料配混設備。常見的有螺帶式混合機、Z 型混合機和高速混合機。

##### 螺帶式混合機

螺帶式混合機也叫捏合機。在混合機中應用較早。由機架、上蓋、攪拌槳（螺帶）、混合室和卸料裝置組成。

##### Z 型混合機

Z 型混合機也叫捏合機，因其攪拌槳的形狀近似成 Z 形而得名。Z 型混合機結構比螺帶式混合機複雜些。它同樣由混合室、攪拌槳和傳動裝置組成。
Z 型混合機的混合室由兩個半圓筒形拼成 W 形。卸料方式可在混合室底部，也可用翻轉混合室成一個傾斜角，從混合室上部口卸料。

##### 高速混合機

高速混合機是在前幾種混合機的基礎上，改進變化結構的結果。因其攪拌槳工作轉速較高，人們習慣稱它為高攪機。
高速混合機也由混合室、攪拌槳和傳動裝置組成。由於它的工作轉速比較高，攪拌槳的形狀不同於普通混合機，對於原料的攪拌，是由它與折流板合作來完成。

### 煉塑機械

#### 密煉機

密煉機是由開煉機演變而來的。密煉機是將開煉機的兩隻輥筒用加工成特殊形狀的轉子代替，並將它們密閉起來。通過兩個轉子的運動，使得物料在密閉室內受到連續的剪切、捏煉作用。
密煉機主要由混煉室、轉子、壓料裝置、卸料裝置、加熱和冷卻裝置、傳動裝置等部分組成。

#### 開煉機、精煉機

將密煉機兩隻轉子用兩隻輥筒代替，揭開混煉室。就成了開煉機。
開煉機結構簡單，製造容易，操作也易掌握，在塑料製品行業廣泛應用。不足之處是工人操作體力消耗大，在較高溫度中需用手工混煉塑料片。

#### 擠出機

擠出機也稱餵料機。為提高設備利用率、提高煉塑質量和產量，發展了擠出機。
擠出機由擠壓系統、加料系統、傳動系統、加熱系統和電器控制系統組成。

### 壓延機械

#### 壓延機的分類

##### 按輥筒數量分類

輥筒是壓延設備上的主要零件。按壓延機輥筒數量可分為：兩輥壓延機、三輥壓延機、四輥壓延機和五輥壓延機。

##### 按輥筒排列形式分類

按標準 GB/T13578—92 規定可分為 I 形、L 形、倒 L 形和 S 形；在標準規定之外，還有 Z 型和由五個輥筒組成的 S 型和 L 型。
1. I 形壓延機
"I" 形壓延機是應用比較早的結構形式，主要用於兩輥和三輥組成的壓延機。現在主要用於較厚薄膜和片材的生產。
此種結構形式的壓延機設備結構簡單，製造容易，生產製造費用較低。但是應用不方便，需要手工上料，上料量不均勻，還比較困難：成型薄膜製品厚度的均勻性較差。
2. L 形壓延機
把 I 形排列的三輥壓延機的下輥筒側加一個輥筒即成為 L 形排列的四輥壓延機。
L 形壓延機比較適合不含增塑劑製品的生產，若生產含增塑劑產品會因有增塑劑等揮發性氣體作用而影響製品的表觀質量。此種結構形式上料位置較低，生產工作時，容易落入工具等異物於兩輥筒間，造成輥筒輥面損傷。生產時要特別注意經常檢查。
3. 倒 L 形壓延機
倒 L 結構形式的壓延機就是在 I 形排列的三輥壓延機的上輥筒側加一個輥筒。這種結構形式壓延機目前在國內應用比較多。
倒 L 形壓延機生產聚氯乙烯薄膜製品時質量比較穩定，製品厚度均勻，誤差值小；上料的位置比較高，生產比較安全；製品不會受到增塑劑等揮發性氣體作用。
4. S 形或 Z 形壓延機
S 形和 Z 形壓延機結構組成形式相同。如果把水平排列的 Z 形四輥旋轉一個角度（15°~45°）就成為 S 形排列四輥。
這兩種排列適合於成型軟、硬薄膜和片材的生產。對於人造革的雙面貼合生產也比較理想。
S 形或 Z 形壓延機輥筒間受力情況比較均勻，力的大小趨於一致，沒有輥筒的浮動現象。生產的製品厚度均勻，誤差變化小，產品質量穩定。熔料在 4 根輥筒上的運行距離接近相等，則熔料在輥面上運行時溫度變化小，對高速生產軟質薄膜時的產品質量穩定有利。熔料的供料容易，操作也相對方便。

#### 壓延機的組成和構造

壓延機基本構造主要由機座、機架、輥筒、輥距調節裝置、擋料裝置、輥筒軸承、潤滑裝置、傳動裝置、加熱冷卻等裝置組成。此處簡要介紹其主要構件。

##### 機座

鐵或鋼製成的固定座架。

##### 機架

分別設在機座兩側，用來支撐輥筒軸承、軸交叉或輥筒的反彎曲裝置、輥筒調節裝置、潤滑油管及其他輔助設備的板架。一般用鑄鐵製成，直接架設在機座上面，在其上面用橫梁固定。

##### 輥筒

輥筒是壓延機上最重要的部件，它的幾何形狀精度和工作效果如何將直接影響製品的質量。
1. 對輥筒的技術要求
輥筒必須具有足夠剛性與強度，因輥筒是在重負荷條件下工作；輥筒的工作面在壓制產品時，其撓曲變形應最小。
輥筒製造材料應具有良好的導熱性，採用普通冷硬鑄鐵或合金冷硬鑄鐵製成。
輥筒表面應有足夠的硬度、較好的耐磨性和耐腐蝕性。
輥筒工作壁面厚度應均勻一致，溫度應均勻。
輥筒結構應儘量簡單，容易加工，造價低。
2. 輥筒的分類
按照載熱體流道形式的不同，可將輥筒分為空腔式輥筒和鑽孔式輥筒。
（1）空腔式輥筒
空腔式是最早應用的一種結構形式。空腔的內徑一般是輥筒工作面外徑尺寸的 0.55~0.62 倍。此種結構形式主要適合於用蒸汽加熱輥筒，載熱體從輥筒的一端輸入和排除，所以，輥筒的工作面溫度總會有溫差。可以想像，對此種輥筒工藝溫度控制難度比較大。
（2）鑽孔式輥筒
在輥筒工作面的圓周，灰口鐵部位均勻等分排列鑽孔，孔直徑一般在 30mm 左右。這種結構形式的輥筒增加了傳熱面積，而導熱介質流經的孔徑截面小、流速快、熱損失小，使傳熱速率提高，輥筒的工作面升溫快。溫度的控制比較準確和穩定。但是這種輥筒製造費用高，輥筒剛性有所削弱，設計不良時，會使產品出現棒狀橫痕。

##### 輥距調節裝置

為了能適應不同壓延製品厚度的要求，壓延機輥筒之間的距離應能進行移動調整。在壓延機輥筒中，一般倒數第二隻輥筒的位置固定不變，其他輥筒位置可進行調節，以調整軸隙。調距方式有手動、機械傳動、液壓傳動等。一般對輥距調節裝置的要求如下：
調距裝置的傳動結構應緊湊，占地小。
軸承體的調整移動應平穩。
為避免調距時兩工作輥面接觸擦傷輥面，應設有輥筒移動限位開關。
輥筒調距工作可兩端同時進行，也可單獨一端運行。

##### 擋料裝置

安裝在輥筒兩側，起到調節製品幅寬的作用，防止物料從輥筒端部擠出。

##### 輥筒軸承和潤滑系統

壓延機軸承裝在機架體的軸承窗框內，用以支撐軸承的轉動工作。特點是承受的負荷很大，還需在高溫環境下工作。
潤滑系統由輸油泵、油管、加熱器、冷卻器、過濾器和油槽等共同組成。潤滑油先由加熱器加熱到一定程度，由輸油泵送到各個需要潤滑的部位。潤滑後的潤滑油又由油管回到油槽，經過濾和冷卻後循環使用。

##### 傳動裝置

壓延機各個輥筒的轉動可由一台電動機通過齒輪傳動，但是目前常用的為單機傳動，即每隻輥筒由專門的電動機傳動，其優點是可提高製品的精度。

### 輔助機械

#### 剝離牽引裝置

剝離牽引裝置的線速度應高於壓延輥的線速度。它有兩個作用，即在剝離成型製品的同時，對製品起到一定的拉伸作用，使得產品更薄，可提高產量。

#### 軋花裝置

由花輥與橡膠輥組成，為了防止物料粘附在花輥表面，在花輥及橡膠輥內腔應通水冷卻。

#### 冷卻裝置

起到是製品冷卻定型的作用。
冷卻輥一般採用兩段控制，所以對冷卻輥的控制一定要恰當，以防產生冷拉伸。

#### 檢驗裝置

一般通過燈光透射來檢驗製品的質量，如雜質、破洞等。

#### 卷取裝置

用於成品的卷取。卷取速度應與冷卻速度基本一致或稍大於冷卻速度。

## 壓延成型工藝過程及條件

目前壓延成型均以 PVC 製品為主，主要有軟質 PVC 薄膜和硬質 PVC 片材兩種。此處以 PVC 薄膜生產為例來敘述一個完整的壓延成型過程。
PVC 薄膜的壓延成型工藝是以 PVC 樹脂為主要原料，按薄膜製品的用途不同要求，把其他輔料（增塑劑、穩定劑、填加料及其他輔料）按配方的不同比例，經計量混合，加入到 PVC 樹脂中。由高速混合機攪拌混合均勻，再經過密煉機、擠出機或開煉機混煉、預塑化，輸送到壓延機上壓延成型。然後，通過冷卻輥筒的降溫定型生產過程。

### 配方原料的選擇

產品配方設計時應注意以下幾點：
配方設計前，要了解製品的應用條件，分清製品質量要求條目中的主次項目。
擬選用的原料要注意到各原料間的相互影響和工藝操作的可行性。
注意配方中用料對工藝操作條件要求是否苛刻，那些對工藝溫度變化敏感、不易與其他原料混合、容易分解的原料應儘量少用或不用。
設計的配方要經過幾次反覆試驗，應用實踐考核，修改完善之後確定一個比較理想的配方。

### 混合和塑煉

混合和塑煉的主要目的是保證物料分散均勻和塑化均勻。如果分散不均勻，會使樹脂各部分增塑作用不等，使薄膜產生魚眼、冷疤、柔韌性降低等缺陷；若塑化不均，則薄膜會產生斑痕、透明度差等缺陷。
配料混合體系不僅要按配方配製成干混料，並且應根據各原料性質按一定順序投料。初混合可選用捏合機、高速混合機等，必要時進行加熱或在夾套中通冷卻水進行冷卻。
塑煉過程中的溫度不能過高也不宜太低。溫度太高，時間過長，增塑劑會散失，樹脂也將被降解。若溫度太低，會出現不粘輥和塑化不均勻等現象，也會降低薄膜的力學性能。一般軟質 PVC 薄膜塑煉適宜溫度在 165~170℃之間。
近年來，隨著混煉擠出機生產技術的不斷進步，連續向壓延供料的方式正在取代間歇的餵料操作。

### 壓延

塑化後的物料利用皮帶輸送，經金屬探測儀檢測後，供料給壓延機輥筒。壓延工藝條件包括輥溫、輥速、速比、存料量、輥距等是影響壓延製品質量的關鍵因素，它們既互相聯繫又互相制約。

#### 輥溫

輥筒具有足夠的熱量是使物料熔融塑化、延展的必要條件。物料壓延過程中所需的熱量來自於內熱和外熱。內熱即在壓延過程中輥筒轉動時，由於剪切作用而產生的大量摩擦熱。外熱指通過介質或電對輥筒表面進行加熱，使輥筒具有一定的溫度。物料所需要的熱量是一定的，內熱外熱要均衡，因此輥速和輥溫的控制要互相關聯。
輥溫控制主要根據配方中樹脂以及助劑的因素來確定，例如配方中樹脂熔融溫度低、熔融粘度低、增塑劑含量高，則壓延時輥筒溫度可選低些。
內熱主要受輥筒速度影響。輥速越快，剪切摩擦熱越高，內熱越大，這樣需要的外熱相對較小，因此輥溫可適當降低。但是單純提高輥速，必然引起物料壓延時間縮短和輥筒分離力增加，使產品偏厚以及存料量和產品橫向厚度分布發生變化；若降低輥速，壓延時間延長、分離力減少，產品會先變薄，熱後由於摩擦熱減少，出現表面粗糙、不透明甚至孔洞等缺陷。
壓延時，為了使物料能夠依次貼合輥筒，避免夾入空氣而使薄膜不帶孔泡，各輥筒溫度一般是依次增高的，各輥筒溫差在 5~10℃範圍內。
另外，壓延機輥筒表面溫度還應該儘量一致，這樣才能夠使製品的橫向厚度均勻。

#### 輥速和速比

輥速是決定壓延生產速度的關鍵因素。輥速快，則生產效率高，同時，製品收縮率也大。輥速應視壓延物料的流動特性和製品的厚度等因素決定。壓延機相鄰兩輥筒線速度之比稱為輥筒的速比。調整壓延機輥筒的速度，使各個輥筒具有一定的速比，主要原因一是使壓延物依次貼輥，二是提高物料的塑化程度。
壓延機的輥筒速比控制應適中。速比過大會出現包輥現象，薄膜厚度會不均勻，有時還會產生過大的內應力。速比過小，薄膜會不吸輥，導致有氣泡夾入，影響製品質量。

#### 輥距和輥隙間的存料

輥距是相鄰兩輥表面間的最小距離。壓延時各輥筒間距的調節既是為了適應不同厚度製品的要求，也是為了改變各道輥隙間的存料量。
輥隙間存料量對產品質量的影響也很大。輥隙間存料量過多，物料在壓延前停留時間過長，溫度降低，再進入輥間壓延時就會造成薄膜表面粗糙，內部有氣泡。存料量過少，壓延物料供不應求時，會因擠壓力不足使薄膜表面出現皺皮現象。

#### 壓延效應

由於在壓延機上壓延物的縱向上受有很大的剪切應力和速比造成的拉伸應力，壓延物也因此產生沿其縱向的分子取向，以致薄膜在物理學性能上出現各向異性，這種現象在壓延成型中稱為壓延效應或定向效應。壓延效應的大小受到壓延溫度、輥筒轉速與速比、輥隙間存料量、製品厚度以及物料性質等因素的影響。
壓延效應使得壓延產品產生各向異性。平行於壓延方向的拉伸強度和斷裂伸長率提高，而垂直於壓延方向上的拉伸強度和斷裂伸長率降低。在自由狀態加熱時，由於解取相作用，薄膜縱向出現收縮，橫向與厚度則出現膨脹。所以壓延製品越薄，其質量就越難以保證。這也是為何薄膜厚度小於 0.05mm 時很少採用壓延法生產，而採用擠出吹膜生產。

### 引離、冷卻、卷取

從四輥壓延機的第三和第四輥之間引離出來的壓延薄膜，經過引離輥、軋花輥、冷卻輥和卷取輥之後成為製品。
引離輥的速度通常比壓延機主輥轉速快 25%~35%，另外，為了避免製品在引離時發生冷拉伸，防止增塑劑等易揮發物凝結在引離輥表面影響產品質量，需將引離輥加熱。冷卻定型裝置採用一系列的冷卻輥筒，一般為 4~8 隻。冷卻的目的是使製品溫度下降，以便後面的卷取。卷取過程要嚴格控制卷取速度，使其始終與壓延速度相適應。為了保證壓延順利進行，一般控制的輥速為：卷取速度≧冷卻速度﹥引離速度﹥第三輥筒速度。

## 影響壓延製品質量的其他因素

### 原材料因素

#### 樹脂

從製品使用角度考慮，採用相對分子質量較高和相對分子質量分布窄的樹脂，物理機械性能好，表面均勻性好。但是從加工角度考慮，高分子量會增加壓延溫度和設備的負荷，對生產較薄的膜更為不利。所以，應權衡利弊採用適當的樹脂。另外，樹脂中的灰分、水分和揮發物含量都不能過高。

#### 其他組分

PVC 薄膜中增塑劑含量較多。增塑劑含量越多，相同壓延條件下，其粘度越低。為了更好地使樹脂吸收增塑劑，需要預熱增塑劑。
另外，穩定劑的選擇尤為重要。穩定劑選擇不當，會使壓延機輥筒和軋花輥筒表面附帶上一層蠟狀物質，導致薄膜的表面質量下降，使薄膜表面無光或在換產品時產生困難。壓延溫度越高這種現象越嚴重。所以，要採用適當的穩定劑。一般穩定劑的極性基團的正電性越高時，越易形成蠟狀層。
其他助劑根據需要進行選取，並注意選用原則。

### 設備因素

壓延產品的一個突出問題是橫向厚度不均，出現「三高兩低」現象，主要是輥筒的彈性變形和輥筒兩端溫度偏低引起的。

#### 輥筒的彈性變形

壓延過程中由於輥筒對物料的擠壓作用，使物料對輥筒產生很大反作用力，即分離力。輥筒工作時，分離力作用在輥筒的長度方向，會使壓延輥筒受分布載荷作用產生撓曲變形，其變形值從撓度最大處的輥筒軸線中點處向兩端展開並逐漸減小，從而使壓延薄膜的寬度方向上出現中間厚兩邊薄的現象。這樣在薄膜卷取時，中間張力必然高於兩邊，以致放卷時出現不平現象。
輥筒長徑比越大，彈性變形也越大。為克服此現象，除了提高輥筒材料強度外，生產過程中還採用中高度、軸交叉、預應力等措施進行糾正。

#### 輥筒表面溫度的變動

壓延機輥筒上，兩端溫度比中間低的原因是軸承的潤滑油帶走了熱量和輥筒不斷向機架傳熱。輥筒表面溫度不均，必然導致整個輥筒熱膨脹的不均勻，造成了產品兩端厚的現象。

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橡膠壓延成型

## 參考資料