层压工艺制造土工片（板）

（一）层压法土工片（板）制造原理

层压法生产土工片（板）的制造原理是：用聚氯乙烯或聚丙烯为主要原料，加入一定量的改性剂、抗氧剂等助剂，经压延成薄片后再置于压机中，加热加压，并在压力下冷却成型而制成。

用层压法生产的土工片（板）表面平整，光洁度较好，厚度和规格可以根据需要任意选择、配制，还可根据应用需要，多层复合压制。层压土工板可以直接作为土木工程材料使用，也可作为三维的、组合的合成材料的载体使用，能适应多品种生产。

（二）层压法土工片（板）制造设备及工艺

1.压延设备及工艺流程

整个压延过程可分为二个阶段，即供料阶段（包括各组分捏合、塑化、炼塑）和压延阶段（包括压延、牵引、冷却、切割等）。片材的压延工艺流程如图3-4-1所示。

图3-4-1 片材压延成型工艺流程

1—计量装置 2—高速捏合机 3—密炼机 4—第一台炼塑机 5—供料带 6—第二台炼塑机 7—压延机 8—冷却定型装置 9—切割装置 10—半成品坯片

树脂经脉冲输送后进入料仓，自料仓经自动计量，按所需加料量进入高速捏合机，将稳定剂等助剂配妥进入捏合机与树脂充分混合均匀后投入密炼机。密炼初步塑化后进入第一台炼塑机粗塑，塑化成卷，再送至第二台炼塑机精塑，并切成小卷送至压延机，压延成薄片后冷却定型，再以定量切割机切割，即得半成品片材。

（1）高速捏合机

1）高速捏合机的组成及作用

如图3-4-2所示，高速捏合机主要由锅体、锅盖、底座、卸料装置和传动部件等组成。

图3-4-2 高速捏合机的结构

1—回转盖 2—混合锅 3—折流板 4—搅拌装置 5—排料装置 6—机座 7—驱动电机 8—压盖

高速捏合的作用是将树脂与助剂按一定的配比，加入高速捏合机中后，其混合材料在混合桨叶的高速作用下，使其在高速回转运动的同时，由于离心力的作用由中心被高速甩到锅体壁上，再沿锅壁上升到一定高度而落回到锅体底部中心，从而使被混合材料由水平运动变成激烈的垂直和循环旋涡运动，从而使树脂在较短的时间内与各种辅助材料充分均匀混合。

2）高速捏合的工艺及性能

高速捏合工艺条件见表3-4-1所示。

表3-4-1 高速捏合工艺条件

高速捏合时间是保证物料分散均匀的先决条件，捏合时间过短，物料混合、分散不均匀，造成制品塑化不均，影响制品的质量。

（2）密闭式炼塑机

1）密炼机的作用及组成

密炼机的作用是将经高速捏合好的混合物料在密炼室中的上顶栓的施压作用下，经两个做相向旋转的转子对物料产生的轴向力等条件，以实现对物料的强烈的混炼塑化，使混合料在较短时间内达到所要求的分散度，并具有良好的可塑性，以获得可供加工成半成品的塑料。

密炼机主要由五个部分和四个系统组成。

五个部分是：

①密炼室和转子部分。一般由密炼室机体、密炼室、转子和密封装置等构成。

②加料和压料机构。加料机构主要由斗形加料口和翻板门构成。压料机构主要由上顶栓、油缸等组成。上顶栓由油缸带动能上下往复运动，起到压料的作用。翻板门由摆动油缸带动，实现加料口的启闭，料由此处加入。

③卸料机构。由下顶栓与锁紧装置构成。下顶栓由摆动油缸驱动进行启闭，并且通过油缸进行往复动作的锁紧装置实现锁紧或松开。

④传动装置。主要由电动机、弹性联轴节、齿轮减速机、齿轮联轴节和速比齿轮等组成。

⑤机座。可供安装密炼室及转子、加料压料机构、卸料机构和传动装置之用。

四个系统是：

①加热系统。主要由管道、阀门组成，加工时可通入蒸汽加热密炼机的上下顶栓、密炼室和转子，使密炼室的塑料得以加热而有利于混炼、塑化。

②气压传动系统。由空气压缩机、气阀、管道等组成。它是加料、压料机构和卸料机构的动力供给部分。

③润滑系统。为润滑各转动部件而设。主要由油泵、分油器、管道等组成。

④电控系统。是全机的操作中心。主要由电控箱、操作台和各种电气仪表组成。

2）密炼工艺及性能

密炼机的工作过程是：物料首先从密炼机上部的加料门加入密炼室，随之将下顶栓压下，物料在一定压力和通入密炼室、转子以及上下顶栓处的蒸汽加热下，受到转子的剪切、捏合，很快达到均匀混合、塑化，随后打开卸料门将块状塑料排出。

密炼机的基本参数和工艺条件

①密炼机的生产能力。一次装料容量大就标志着密炼机的生产能力高。一次装料容量即密炼机的工作容量，它与密炼室总容量的关系可用下式来表示：

式中 V——一次装料容积，m³

V₀——密炼室总容积，m³，不包括转子所占据的体积的密炼室的空间容积

β——充填系数

充填系数β相当重要，直接影响到密炼机的工作容量和炼塑质量。当β值小时，V值小，生产能力低，同时，由于物料充填量小，往往使物料未能有效地受到上顶栓的压力作用，无法在密炼室里形成足够的料流阻力，而使挤压、密炼作用削弱，不易混炼均匀，因此降低了产品质量，混炼时间也要延长；反之，当β值大时，V值大，生产能力也随之加大。但β值过大，物料充填量过大，则有可能使部分物料停留在上顶栓附近的密炼室物料入口处，得不到很好的混炼，而导致产品质量下降。通过操作经验的积累，密炼机充填系数β值一般选在0.6～0.8之间。

②转子的转速。转子的转速是密炼机的重要性能指标之一，它直接影响到密炼机的生产能力、功率消耗、物料的混炼质量等。提高转子的转速可加大物料的剪切速度梯度，缩短混炼时间，提高生产能力。然而，转子转速的提高，虽可大大地提高生产效率，但密炼机电机功率相应地增加，特别是剪切速度梯度过大，使混炼温度难以控制，以致难以保证混炼物料质量。因此，选择最适合的转子转速显得十分重要。经过多年的实践，不断地总结经验，制定了密炼机的转速标准（见表3-4-2所示）。

表3-4-2 密炼机转速标准

③上顶栓对物料的压力。上顶栓对物料施加压力是强化混炼过程的主要手段之一，加大上顶栓对物料的压力，强制物料基本上填满密炼室，使一次加料量增大，并可使物料与机器作部件表面及各种物料之间更加迅速地接触、挤压，加速物料的均匀混合。同时，加大上顶栓压力还可使物料之间的接触面积以及物料与机器工作部件表面之间的摩擦力增大，从而导致混炼过程的剪切作用增强，改善了分散效果，提高了塑炼质量。但是，上顶栓压力的增加也有限制，它应以物料基本上填满密炼室为限，因为超过此限，物料没有充分的活动空间，引起混炼困难，质量下降，功率消耗增加。反过来，混炼时间也不会缩短。因此上顶栓对物料的常用压力一般在0.098～0.686MPa之间。

④蒸汽压力。在密炼机混炼物料过程中，通入蒸汽加热以强化物料的混炼，保证产品质量，缩短混炼周期。但应控制在适宜的温度范围内，以保证物料混炼质量。蒸汽压力一般控制在0.4MPa。

⑤密炼时间。密炼时间控制在4～5min之间较适宜。时间过短，物料达不到塑化要求；时间过长，物料过分塑化，易分解。

（3）开放式炼塑机（开炼机）

1）开炼机的作用及组成

开炼机是制品加工过程中的基本设备，其作用是：主要用来把从密炼机排出的已初步塑化好的疏松块状物料进一步经过分散、混合、剪切作用，使其具有一定的分散度和可塑性。混炼塑化后的物料完全熔化，且各组分分散均匀，供压延使用。

开炼机的组成部分有：机座、机架，横梁、前后辊筒、辊筒轴承、调距装置、传动装置、加热装置等（如图3-4-3所示）。

图3-4-3 开炼机的结构

1—排风罩 2—紧急停车装置 3—挡料板子 4—前辊筒 5—轴承 6—调距装置 7—机架 8—机架 9—接料盘 10—后辊筒 11—横梁

两个平行放置并相对回转的辊筒，由轴承支承安装在两侧的机架上，横梁由螺栓与机架固定，组成一个力的封闭系统，承受工作时的全部载荷，两侧的机架下部用螺栓与机座固定，组成一个机器整体。调距机构安装在机架上，通过调距螺杆与前辊筒轴承相接。供调节两辊筒之间的距离之用。由加热系统通过辊筒内腔提供一定的热量来保持混炼时的辊筒温度，如机器出现紧急事故，可拉动安全杆，通过制动机构，使机器紧急刹车。

2）开炼机的工艺及性能

物料在开炼机上的工作原理是：当密炼机中放出的呈半高弹态的物料进入两个相向回转的加热辊筒上后，物料依靠与辊筒的摩擦力被拉入辊隙，使物料在辊隙处形成楔形料条，当物料每通过楔形辊隙时，将承受辊筒的强烈剪切和挤压作用，如此反复多次，促使物料各组分表面不断更新，以达到所需的分散度和可塑性的要求。在开炼机操作时，不断翻炼打包，使物料沿辊筒轴线移动，破坏封闭回流，是提高混炼效果的基本方法，也是使物料能够塑化均匀、完全的方法。

开炼机在正常操作时，物料除包覆前辊外，在两辊之间应有一定数量的积存物料，开炼机正常工作过程必须是这些积料不断被转动的辊筒带入辊隙，新的积料不断形成的过程，但积料如果太多，物料便会在原处抖动。开炼机辊筒上的积料量显得非常关键，一般此处积料量掌握在25kg左右比较适宜。(www.xing528.com)

辊筒的速比和辊距的大小决定着辊筒对物料所形成的剪切塑化效果。开炼机前辊速度一般比后辊速度小，因为这样可使物料包覆于前辊。增大辊筒的速比和减小辊距都会使物料在辊隙处受到的挤压力和剪切力增加，从而提高塑化效果。根据实际生产，前后辊的速比约在1.2～1.3范围内，辊距控制一般在2～3mm范围内。

炼塑时的温度不能过高，时间也不宜太长，否则会使树脂降解，影响制品质量。炼塑温度也不能太低，过低易造成塑化不良，会降低制品的力学性能。适宜的炼塑温度一般为165～180℃。

（4）压延成型

1）压延机的作用及组成

压延机是压延过程中的最关键设备。其作用是将已经塑化的接近黏流温度的熔融物料通过三对相向旋转着的水平辊筒间隙中时，物料一方面在挤压力作用下被压实和延展，另一方面在剪切力作用下各层熔料以不同速度前进，使熔料之间相互剪切、摩擦而得到进一步混炼、塑化，并由速度较快的辊筒表面导出，从而实现将熔料成型为连续的具有一定厚度，宽度与表面光洁的薄片。

根据使用原料的品种与所加工制品的特性，及设备应用的广泛性，在此压延机的类型选用倒L形四辊压延机。

四辊压延机的组成如图3-4-4所示。主要由机体、辊筒、辊筒轴承、调距装置、轴线交叉装置、挡料装置、万向联轴节、减速装置、驱动电机以及稀油润滑装置、安全装置等组成。

图3-4-4 倒L形四辊压延机的结构

1—轴线交叉装置 2—直流电动机 3—减速机 4—万向联轴节 5—液压装置 6—稀油润滑装置 7—拉回装置 8—调距装置 9—辊筒 10—切边及边料返回装置 11—辊筒轴承 12—旋转接头

机体是压延机的骨架，起支撑其他零部件和承受压延负荷的作用。

辊筒是压延机的关键部件，共有四个按倒L形排列的辊筒，构成三道辊隙，达到对材料连续进行三次压延的目的，辊筒的加热和冷却由加热冷却系统提供。

调距装置和挡料装置分别用以调节压延制品的厚度和存料槽的宽度。

润滑装置用来对辊筒轴承、传动系统进行必要的润滑和冷却。

辊筒轴线交叉装置用于校正辊筒的弯曲变形，提高制品横向厚度的尺寸精度。

切边及边料返回装置主要用于切去薄片两边，并把边料返回第一个存料槽。

安全装置用于发生事故时紧急刹车，以保护人身和设备的安全。

辊筒是压延机的关键部件，辊筒数目、辊筒的直径和长度、辊筒的调速范围、速比和生产能力等都是表征压延机的主要特征参数。

①辊筒的长度和长径比。a.辊筒的长度和直径是表征压延机规格大小的特征参数，辊筒工作部分长度和直径的比值叫长径比。b.辊筒长度表征了可压延制品的最大幅度。c.辊筒的长径比除了与压延材料的性能、辊筒的材质与工作部分长度有关外，主要取决于压延制品的质量要求。国产压延机辊筒规格与长径比如表3-4-3所示。

表3-4-3 压延机辊筒规格与长径比

国外几个主要压延机生产公司的辊筒规格如表3-4-4所示。

表3-4-4 压延机生产单位辊筒规格

②辊筒的线速度和生产能力。辊筒线速度是表征压延机生产能力的一个参数，也是表征压延机先进程度的参数之一。一般最高速度主要根据生产能力的要求确定，最低速度主要根据设备启动，操作安全来确定。为了既满足生产能力又满足慢速启动及操作的要求，一般要求压延机的调速范围在10倍左右。国产压延机辊筒线速度和调速范围如表3-4-5所示。

表3-4-5 国产压延机辊筒线速度和调速范围

③辊筒的速比。辊筒速比是表征压延机性能的一个重要参数，制品的压延成型就是利用辊筒之间的不同速度和不同温度来克服塑料这类非牛顿型高聚物流体分子间的强大吸引力而实现碾压、混炼、塑化和延展成型的。根据实际操作经验，压延机辊筒速比在1～1.5范围内无级变化可满足加工原料、产品性能要求。

2）压延成型工艺及性能

由力的作用与反作用原理，当辊筒对熔料作用以挤压力和剪切力时，物料将给辊筒以反作用力，产生分离力，影响塑料的混炼、塑化效果，片材厚薄不匀，影响分离力的因素较多，列举几个因素如下：

①加工温度。当沿辊筒全长温度分布不均匀时，辊筒各部位的温度变形也将不一样，因为辊筒的加工温度越高、材料的黏度越低，流动性越好，产生分离力越小，反之则越大，故温度控制对于片材厚薄的均匀起着重要作用。加工温度还影响着存料区熔料的正常回转运动。所谓存料区是四辊机的三个捏合区所保持着的一定量的原料存积，温度忽高忽低，都会造成存料区存料量的不稳定，温度下降，物料流动性差，辊筒带着物料前进就比较困难，造成余料量增加。四辊机生产中，为形成正常的回转运动余料区，终辊的辊温比中辊应高出5℃，辊筒通常的工作温度控制在160～185℃之间。

②辊筒进料口处存料量，包括中间辊筒间的余料量。在物料与辊筒表面的摩擦角范围内，存料量或余料量越多，熔料与辊筒接触弧越长，对辊筒的反作用力越大，分离力越大。

③加料方法。由于在此采用的加料方法是间歇而不均匀的，对辊筒的冲击作用大，分离力波动也大，因此投入的料应尽量均匀。

④物料塑化程度。物料塑化程度不均匀，物料的软硬度就不一样，产生的分离力也不一致，因此前几道工序的物料塑化程度应均匀。

2.层压设备及工艺

（1）层压设备的作用及组成

层压设备的作用是使料片加热到一定黏结温度，然后根据物料流动的不同程度施加压力，辅助传热，并在压力下冷却成型，从而实现将压延料片压制成制品。

层压设备采用多层油压机，根据压机结构特性，压机分为上压式与下压式两种。因为下压式压机对压制板材使用比较适宜，由于它的活塞柱行程长，层间距离大，在多层中放置配叠好料片的叠合本。本制品采用2000t下压式多层压机，如图3-4-5所示。它是由16块热板构成15层的大型压机（即可放置15个叠合本）。这台压机的两面各有一个升降台，台上有15挡固定的槽板，升降台两外侧各有推拉架，可将叠合本从压机的热板上推进或拉出，升降台中可贮放装配好的叠合本，亦可贮放压制好的叠合本，这样压机在进行压制过程中，可同时交替进行操作，提高生产效率。

图3-4-5 2000t下压式多层液压机

1—卧式缸 2—推拉架 3—升降台 4—升降台槽板 5—上固定板 6—压机主体 7—垫板 8—柱塞 9—下部活动板 10—吸钢板机 11—操作滚道

①油泵和低压蓄势器。油泵是压机的压力来源，一般选择三联卧式高压泵为佳。低压蓄势器是为了保证压机能迅速将各层热板闭合。

②热板结构。热板加热方式有用蒸汽加热及电加热两种蒸汽加热利用蒸汽潜热放出热量，升温快，在一定蒸汽压力下，保持温度一定。蒸汽压力与温度的关系如表3-4-6所示。蒸汽加热另一个特点是热压结束关闭蒸汽后，在热压板内可进入冷却水进行冷却。蒸汽加热是将热板钻孔，联结成回形线路，在腔道内通入蒸汽或冷却水。通入的冷却水宜使用软水。

表3-4-6 蒸汽压力与温度的关系

（2）层压工艺及性能

1）压制前的准备工作

料片在经压机压制成板材前应先经几道准备工序再进入压机压制定型。压制前的准备工作对板材质量性能优劣起着直接的作用。其工作有检查压延料片的塑化情况，配叠组合叠合本等。

①压延料片的检查。当取压延料片时，首先要了解硬片使用树脂的黏度和热稳定性，如使用树脂黏度偏高压制温度则要高一些，热压时间要适当放长一些。其次，要观察硬片是否达到一定的外观质量和规格要求，料片色泽要均匀，料片不应有油污、破洞、杂质，料片厚薄应均匀，并做180°折韧性试验，对不符合压制板材要求的料片应剔出。

②叠合本的组合。由若干块板坯、不锈钢板、衬铁板堆叠的一个组合称为一个叠合本。压制时叠合本放置在压机两块热板中间，叠合本中的板坯可由相同厚度或不同厚度的板坯组成。叠合本组合顺序为：铁板，铝板，单面不锈钢板，制品板坯，双面不锈钢板，制品板坯，单面不锈钢板，铝板，铁板。双面不锈钢板块数，根据压制硬板的块数决定。硬质合金铝板放在单面钢板与铁板之间，它的作用是能保护不锈钢板并使热压板放出的热量及冷却能起到缓冲作用。铝板的厚度以3mm为宜，单面不锈钢板放在铝板一边，双面不锈钢板放在中间，用来分隔制品板坯层。不锈钢板的表面光洁度，直接影响制品表面光洁度，所以不锈钢板应经磨光处理，表面应光洁、平整，不能有凹凸。钢板厚度以2.5mm为宜。

③叠合本的配制与组成。压延料片厚度为0.5mm.根据压制硬板厚度计算需用料片张数。薄型板材，一般每毫米用料片两张，较厚的板材由于物料流动涨出钢板较多，所以配制时每块可酌情增加些料片。同时为改善料片两边厚度的均匀性，在配置时每块板坯料片的一半对翻使用，根据压制实际情况，中间略薄两边略厚的料片，压制时板材受压较均匀，因为中间厚两边薄的料片对压制板材的边角容易造成欠压现象，使制品表面尤其是板材的四角产生压力不足的斑疤。同时，为克服制品边角的欠压现象，可用适当尺寸的料片“垫角”或相应宽度的“长条”料片垫入板坯的边缘以作补充，“垫角”及“长条”的厚度一般用0.3mm的料片。制品压制采用的多层压机其两块热板的距离较大，因此每一层一次可以压若干块，所以制品可叠合配置出一个叠合本。一般应根据传热与冷却效果，压制时板坯受压的均匀性，制品是否产生挠曲等因素来考虑。由于制品厚度不同，压制时制品所受的压力相应地有所不同。如压制薄型制品，压力应高些，因为薄板缺少弹性，如果压力过低，会使制品产生缺压而引起边角分层。压制较厚制品时，则压力应低些，因为厚板在加热加压下，本身有弹性，且料片在加热状态下呈流动状态，如果压力过高，而使物料流出太多，造成废边率增加和制品厚薄不均匀。将薄板与厚板适当搭配在一起压制，对于薄板能增加其弹性，减少挠曲，并可提高产量。但所配置的叠合本，两边不能用过厚的板坯规格，因为加热时两边向中间传热较慢，在冷却时中间的热量向两边散发较困难，两边的厚板靠叠合本中心一面的温度较高，与热板接触的一面温度较低，因此，沿板面垂直方向的温度呈梯形，易产生不对称的内应力造成板材挠曲现象。为此，叠合本的合理搭配至关重要。

2）压制

板材压制的关键是使整个叠合本中的料片在加热下全部达到一定的黏结温度，然后施加压力进行压合。热压温度、压制压力、压制时间是板材在整个压制过程中的三要素。

①热压温度控制。料片在加热过程中完全靠外界的热量，即热板内通入蒸汽提供热量。蒸汽热板加热时，热量先从靠近热板的钢板进入料片的表面层传入料片内部。整个加热过程分为三个阶段来控制，即低温—中温—高温。低温即预热阶段，热量在低温下从料片面层向中间层传热，低温时的蒸汽压力为0.29～0.31MPa，此时温度为120℃左右。经一段时间的低温加热后，使中间层温度达到120℃左右，此时可进入中温阶段，目的是加快传热速度，使板材中间层接近黏结温度160℃左右，蒸汽压力为0.49～0.528MPa。高温阶段，主要使板材中间层达到黏结温度，使料片在熔融的流动状态，层与层之间黏结在一起。此时蒸汽压力为0.784～0.961MPa，温度达到170～178℃。高温阶段时间不宜过长。高温阶段结束后，关蒸汽，调节5min及开冷却水进行冷却定型，冷却至50℃以下为冷却终点，即可出制品。

②压制压力。为提高料片在加热的初阶段的传热速度，开始时压力可加高些，根据不同厚度及料片的流动性，可把压力加高至4.9～14.7MPa。当料片开始向外流动，此时，可根据料片的不同情况进行放泵减压，以避免物料涨出过多。在热压接近终点前10min左右，将压力根据物料流动情况和所压制的板材厚度情况逐步升高至9.8～24.5MPa，冷却时保持压力至终点。

③热压时间。压制热压时间控制，用热电耦温度计测定中间一块的料片温度，中间料片温度到达160℃的黏结温度后再维持10min，这样所需的时间即为压制热压时间。然后热板内通入冷却水，使板材温度冷却至50℃以下为冷却终点。热压时间根据每个叠合本的厚度不同而不同，越厚热压时间越长。

3）常见缺陷及排除措施

制品的常见缺陷一般有板材分层，板材发脆，板材表面发红及物料涨出钢板过多等。由于板材生产要经过几道工序方可最后压制成型，因此所产生的不良缺陷往往与前面几道工序有关。以下是几种常见缺陷及排除措施。

①板材分层。压延工艺过程的物料塑化不均匀，不完全。为此需提高物料塑化程度，对料片作必要的对折试验，检查料片塑化质量。另一因素是压制工艺温度、时间、压力未掌握好。压制时蒸汽压力过低，未达到料片的熔融黏结温度。热压时间不足，没有达到所需要的热压时间。根据所压制叠合本规格及压制时物料的流动状态，适当掌握好温度、时间、压力三者关系，认真严格控制压制工艺。另一方面，保持环境和料片表面的清洁也是防止分层的措施之一。由于静电常会使料片表面吸附空气中的尘埃，如果没有及时除去而混入料片内，即使压制工艺控制得严格谨慎，层与层之间黏结不好而导致板材分层现象也会出现。

②板材发脆。这是常见的目工艺缺陷产生的不正常现象。这是料片在压制的前道工序即在塑化或压延过程中，温度过高，时间太长所造成。如果前道工序不正常，即使适当降低压制时的温度，但达不到料片黏结温度，反而出现板材分层现象。如果因塑化温度高，相应地提高压制温度，这样板材发脆的现象将更严重。故必须认真控制好塑化和压延工艺过程的温度和时间。压制时的压制时间不足，没有达到所需要的黏结温度，料片冷却定型后层和层之间勉强黏结成一体，但受外力作用后（剪切或锯切）板材发脆并且四角分层。

③板材表面出现气泡和凹凸不平的波纹。这是由于料片中含有杂质，料片含水分过多或冷却未到终点就释压所致。另外，压制的前道工序压延出片工序料片厚薄控制不均匀，压延物料塑化不均匀，使得制品压制时物料流动不均匀，某些物料过多向外涨出等，也是出现这些现象的原因之一。所以整个一条工艺流程的操作都不可大意。