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课程设计

2000吨/年ABS化妆品盒注塑工艺设计及车间设计

摘要

ABS树脂是五大合成树脂之一，而ABS化妆品盒就是属于其中一种，具有广阔的市场前景。

本设计对ABS化妆品盒现有的生产技术、市场需求和发展状况进行了较全面的分析,主要叙述了乳液接枝本体SAN掺混法生产ABS化妆品盒的生产方法及工艺条件 ，并对物料衡算、设备的选型、厂房的布置等方面也做了简要的介绍；对生产车间所需的各种生产设备和总投资成本进行了初步合算，并根据生产方法绘制出相应的工艺流程图。

关键词：

ABS树脂 化妆品盒    生产技术    市场态势     物料衡算     设备

Abstract

ABS resin is one of the five synthetic resin, and has broad market prospects. The design on the existing production of ABS resin technology, market demand and the development of a more comprehensive analysis; described the production of ABS resin emulsion graft bulk SAN blending method production method and process condition sand material balance, equipment selection, plant layout has also made a brief introduction,a preliminary cost-effective production workshop a variety of production equipment and the total investment cost, and production methods to map out the process flow diagram . 

Keywords:

 ABS resin   production technology   market trend   material balance  

目　录

2.3 绘制模具装配简图 4

2.4 对零件进行造型设计并绘制工程图 5

2.8根据工件尺寸进行模具设计 6

2.8.1选择分型面 6

2.8.2 浇注系统设计 6

8.4环保排放指标 33

 致 谢39

参考文献40

前　言

ABS树脂是五大合成树脂之一，其抗冲击性、耐热性、耐低温性、耐化学药品性。

电气性能优良，还具有易加工、制品尺寸稳定、表面光泽性好等特点，容易涂装、着色，还可以进行表面喷镀金属、电镀、焊接、热压和粘接等二次加工，广泛应用于机械、汽车、电子电器、仪器仪表、纺织和建筑等工业领域，是一种用途极广的热塑性工程塑料。

ABS树脂是丙烯腈、1,3-丁二烯、苯乙烯三种单体的接枝共聚物。

它的分子式可以写为（C8H8·C4H6·C3H3N）x，但实际上往往是含丁二烯的接枝共聚物与丙烯腈-苯乙烯共聚物的混合物，其中A代表丙烯腈，提供耐化学性和热稳定性；B代表丁二烯，提供韧性和抗冲性;S代表苯乙烯，赋予刚性和易加工性。

但是，在聚丁二烯橡胶与苯乙烯和丙烯腈的接枝共聚反应中，除了生成聚丁二烯橡胶与苯乙烯和丙烯腈的接枝共聚物外，单体苯乙烯和丙烯腈会发生共聚生成游离SAN。

所以实际上得到的是聚丁二烯与苯乙烯、丙烯腈接枝共聚物和游离SAN的混合物。

商业上通常将这种混合物与其他SAN的掺混物称之为ABS树脂。

模具产品的品种很多，主要以冲压模具、塑料模具和压铸模具为主。

塑料注射模具是现在所有塑料模具中使用最广的模具，能够成型复杂的高精度的塑料制品。

设计塑料注射模具首先要对塑料有一定的了解，塑料的主要成分是聚合物。

如我们常说的ABS塑料便是丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三种单体采用乳液、本体或悬浮聚合法生产，使其具有三种单体的优越性能和可模塑性，在一定的温度和压力下注射到模具型腔，产生流动变形，获得型腔形状，保压冷却后顶出成塑料产品。

第1章ABS化妆品盒生产技术现状及进展

1.1 技术概况

ABS树脂是在聚苯乙烯树脂改性的基础上发展起来的，1947年美国橡胶公司采用共混法工艺实现了ABS树脂的工业法生产，1954年美国的Borg - Wame r公司采用乳液接枝聚合开发了接枝型ABS树脂并实现了工业化。

采用乳液接枝法生产的产品的流动性和低温抗冲击性能远优越于共混法的产品扩是真正意义上的ABS树脂，乳液接枝法生产ABS树脂工艺的开发促进了ABS工业的迅速发展。

20世纪70年代开始，ABS生产工艺技术进入大发展时期，至今先后开发了乳液接枝聚合法、乳液接枝掺混法和连续本体聚合法。

其中乳液接枝掺混法又分为：

乳液接枝—乳液SAN掺混法；乳液接枝—悬浮SAN掺混法；乳液接枝—本体SAN掺混法。

这3种ABS树脂工业生产技术综合评价见表1-1。

其中乳液接枝本体SAN掺混法以技术最成熟、产品范围最宽、性能最好、有利于大型化和降低成本而成为目前世界上应用最广泛的ABS树脂生产工艺，国内近期引进的五套大型装置均采用此工艺。

下面就上述两种较有代表性的工艺进行。

表1-1

项目乳液接枝聚合乳液接枝掺混法连续本体

聚合法

乳液SAN掺混悬浮SAN掺混本体SAN掺混

技术水平已落后效益差，仍生产广泛采用大力发展尚不完善

投资中等较高较高中等最低

反应控制较容易容易容易容易困难

设备要求聚合简单聚合简单后处理复杂后处理复杂简单

热交换容易容易容易较容易困难

后处理复杂复杂复杂复杂简单

环保差差较差中最好

发展趋势淘汰无发展空间仍有发展空间主要方法前程广阔

品种变化品种可调品种灵活品种灵活品种灵活品种少

产品质量含杂质较多含杂质较多含一定量杂质含杂质较少产品纯净

1.2ABS连续本体聚合法

ABS的连续本体法是由日本的TEC - MTC公司于80年代中期率先实现工业化，是近年来发展较快的工艺。

它与HIPS的连续本体法很相似，主要区别在于反应多了丙烯腈单体。

ABS的连续本体聚合主要包括溶胶、预聚合、聚合、脱挥和造粒等过程:

将一定量聚丁二烯橡胶溶于按比例配制的苯乙烯和丙烯睛单体在少量溶剂存在的情况下被连续加入到一个全混流反应器实现相转变，再经过多级活塞流反应器继续反应，整个聚合过程亦都伴随着接枝反应，接着在物料达到约75%的转化率后送到脱挥器将未反应的苯乙烯和丙烯睛单体和溶剂闪蒸出去并回收循环利用，熔融的物料再经过造粒成为ABS树脂成品。

上述反应器的结构与HIPS，SAN本体聚合的反应器基本相同，因此ABS的连续本体生产线也可用于HIPS，SAN和GPPS的生产。

ABS的连续本体法的优点在于一是工艺流程简单，只需要一套本体聚合装置;二是操作易、污染少和投资省;但由于本体工艺上的局限性，无法生产橡胶含量在20%以上的ABS，其产品的抗冲强度受限制，另外在橡胶粒径控制上相对较大，亦无法达到乳液接枝本体SAN掺混法能达到的高光泽度，因此ABS的连续本体法目前产品范围较窄。

1.3此次设计在学习模具中的作用

通过对模具专业的学习，掌握了常用材料在各种成型过程中对模具的工艺要求， 各种模具的结构特点及设计计算的方法，以达到能够独立设计一般模具的要求。

在模 具制造方面，掌握一般机械加工的知识，金属材料的选择和热处理，了解模具结构的 特点，根据不同情况选用模具加工新工艺。

课程设计能够对以上各方面的要求加以灵活运用，综合检验大学期间所学的知识。

第2章分析ABS化妆品盒及材料工艺性

2.1 分析塑件工艺性 

本课题是对ABS化妆品盒的注射模设计。

首先对化妆品盒进行观察并进行测绘，并对塑件的使用性能和结构要求有一个基本的了解。

看塑件的结构是否满足塑件结构的工艺性能。

如图2.1尺寸大都是估算值，无特殊要求，尺寸公差按IT7级精度查取 。

 图 2.1ABS化妆品盒简图

（1） 塑件结构工艺性分析：

（a）塑件螺纹部分厚度为1mm，无螺纹部分为3.5mm，塑件成型性能良好；（b）塑件有外螺纹，用中心抽心half分型的方法脱模；（c）从塑件结构看，设置一个分型面。

（2） 塑件表面要求光滑无裂痕，未明确粗糙度值的按Ra6.3要求。

2.2ABS化妆品盒材料的选择 

ABS化妆品盒的相对密度在0.83g/cm3 ～2.2g/cm3范围内，具有很好的绝缘性、防震、隔热、隔音性能。

耐腐蚀性仅次于玻璃及陶瓷材料。

且材料具有优异的加工性能。

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS树脂微黄色或白色不透明。

丙烯腈使聚合物耐 油，耐热，耐化学腐蚀，丁二烯使聚合物具有优越的柔性，韧性；苯乙烯赋予聚合物 良好的刚性和加工流动性。

因此ABS树脂具有突出的力学性能和良好的综合性能。

同时具有吸湿性强，但原料要干燥，它的塑件尺寸稳定性好，塑件尽可能偏大的脱模斜度。

聚乙烯成型工艺性好，生产效率高，且价格便宜。

2.3方案分析与设计 

化妆品盒盖是一个结构简单的零件，设计的重点在于盒盖内部的螺纹结构。

根据塑件的结构特点，成型模具需要采用内侧抽芯的成型结构。

根据查找的各方面资料，初步确定可以通过斜滑块抽芯或自动脱螺纹两种方法来实现。

在比较之后发现，后者虽然能实现外螺纹的成型，但效果不好，且不能达到自动脱模的动作。

用侧抽芯不仅可以完成外螺纹的成型，同时还能较简单的脱模，一举两得。

所以我们采用了中心抽芯half分型机构来实现我的设计理念。

具体方案如图2.2示。

图2-2

2.4塑件材料成型性能 

使用ABS注射成型塑件时，由于其熔点黏度高，所需的注射成型压力较高，因此塑件对型芯的包紧力较大，故塑件应采用较大的脱模斜度;另外熔体黏度高，使ABS塑件易产生熔接痕，所以模具设计时应注意尽量减少浇注系统对料流的阻力。

ABS易吸水，成型加工前应进行干燥处理。

在正常条件下，ABS塑件的尺寸稳定性好。

查相关手册得到ABS塑料成型工艺参数：

密度1.01g/cm3～1.04g/cm3 

收缩率0.3%～0.8% 

预热温度80℃～85℃ 

料筒温度 后段150℃～170℃，中段165℃～180℃，前端

180℃～200℃ 

喷嘴温度 170℃～180℃ 模具温度 50℃～80℃ 

注射压力 60MP～100MP 

成型时间 注射时间20s～90s，包压时间0s～5s

冷却时间20s～150s 

2.5计算工件体积，选用合适注射机 

2.5.1测绘工件，计算出工件体积 

经过测量估算出塑件的体积

Vs=3.14×32×2.5-3.14×2.62×1.8=32.44cm3 取值33cm3 

第3章ABS化妆品盒注射模成型和模体的设计

3.1注射模具型腔的设计 

型腔大体有以下几种结构形式：

整体式、整体组合式、局部组合式和完全组合式。

整体式型腔由整块材料加工而成的型腔。

它的优点是：

强度和刚度都相对较高，且不易变形，塑件上不会产生拼模缝痕迹。

它的缺点是：

切削量大，使模具成本较高，同时给热处理和表面处理带来困难，只适用于形状较为简单的中、小型模具，但随着工业技术的发展，随着电蚀机床、仿型机床、数控机床的广泛应用。

有些形状复杂的大型模具也有采用整体式型腔结构的。

（1）型腔尺寸计算

型腔的各部分尺寸一般都是趋于增大尺寸，因此应选择塑件公差△的1/2，取负偏差，再加上-1/4△的磨损量，而型芯深度则再加上-1/6的磨损量，这样的型芯的计算尺寸的表述如下。

（a）型腔的径向尺寸的计算式：

式中D0—型腔的最小基本尺寸

D0*—塑件的最大基本尺寸 

S—塑件的平均收缩率，S=0.006 

△—塑件的公差，取八级精度；

δ—模具制造公差，按1/4△选取； 

（2）型芯尺寸的计算 

型芯的各部尺寸除特殊情况外都是趋于缩小尺寸,因此应选择塑件公差的1/2,取正偏差,再加上+1/4的磨损量,而型芯高度则加上+1/6的磨损量。

3.2斜导柱设计与模具闭合高度的计算

3.2.1斜导柱的设计斜导柱角度为15o 

根据公式L=l1+l2+l3+l4+l5 ，计算后得L=90mm 

于是得抽芯距为15.35mm，符合要求。

开模行程为57mm，而主流道凝料高度为50mm，所以也符合要求。

3.2.2模具闭合高度计算 

注射机动压板的最大的行程和压板间最大和最小间距是一个固定的参数。

它决定着所能安装的模具的闭合高度。

3.3 注射模具的顶出机构的设计 

3.3.1注射模具的顶出机构 

顶出机构的分类：

按驱动方式分类可分为手动顶出、机动顶出、液压顶出和气动顶出。

按模具结构分类可分为一次顶出、二次顶出、螺纹顶出、浇注系统自动切断顶出。

（1）结构设计 

（a）推杆推出机构 

推杆推出机构是整个推出机构中最简单、最常见的一种形式。

由于设置推杆的自由度较大，而且推杆截面大部分为圆形，容易达到推杆与模板或型芯上推杆孔的配合精度．推杆推出时运动阻力小，推出动作灵活可靠，损坏后也便于更换，因此在生产中广泛应用。

但是因为推杆的推出面积一般比较小，易引起较大局部应力而顶穿塑 件或使塑件变形，所以很少用于脱模斜度小和脱模阻力大的管类或箱类塑件。

（b）推管推出机构 

推管推出机构是用来推出圆筒形、环形塑件或带有孔的塑件的一种特殊结构形式，其脱模运动方式和推杆相同。

由于推管是一种空心推杆，故整个周边接触塑件，推出塑件的力量均匀，塑件不易变形，也不会留下明显的推出痕迹。

（c）推件板的推出机构 

凡是薄壁容器、壳形塑件以及表面不允许有推出痕迹的塑料制品，可采用推件板推出．推件板推出机构义称顶板顶出机构，它由一块与型芯按一定配合精度相配合的模板和推杆组成。

推件板推出的特点是顶出力均匀，运动平稳，且推出力大。

但是对 于截面为非圆形的塑件，其配合部分加工比较困难。

（d）活动嵌件及凹模推出机构 

有一些塑件由于结构形状和所用材料的关系，不能采用推杆、推管、推件板等简单推出机构脱模时，可用成形嵌件或型腔带出塑件。

3.3.2侧向抽芯机构 

当注射成型侧壁带有欲开模仿想不一致的孔，凹槽或凸台的塑件时，模具上用于成型该处的零件就必须做成可侧向移动的零件，以便在脱模之前或脱模时抽出侧向成型零件，否则塑件就无法脱模。

完成侧向成型零件抽出和复位的整个机构的整个机构 称为侧向分型和抽芯机构，简称侧向抽芯机构。

在此处，化妆品盒上有螺纹，考虑到用自动脱螺纹机构不容易推出，所以采用中心抽芯半分型机构，从而简单的推出工件。

第4章ABS化妆品盒车间工艺流程设计

4.1生产方法、原料和主要工艺参数的选择 

4.1.1生产方法的选择 

ABS主要生产方法有乳液接枝乳液SAN掺混法、乳液接枝悬浮SAN掺混法、乳液接枝本体SAN掺混法、连续本体法、本体悬浮法、乳液悬浮法和乳液本体法等生产工艺。

通过比较第一章中各种聚合方法的优缺点，选择乳液接枝本体SAN掺混法。

该方法大体上可分为以下步骤:

接枝用主干胶乳的合成，接枝用主干胶乳与苯乙烯和丙烯睛的接枝共聚，SAN共聚物的合成，接枝胶乳本身和与SAN的掺混成ABS树脂。

4.1.2原料的选择 

（1）主要原材料的关键指标 

生产ABS的主要原材料有1,3-丁二烯、苯乙烯和丙烯腈。

（2）生产ABS用的辅助原料 

乳化剂：

歧化松香酸钾皂

分子子量调节剂:

叔十二碳硫醇是一种具有特殊臭味的透明可燃液体，凝固点-7℃，闪点128℃,着火点139℃，沸点165 ~ 166℃（5.2MPa），不溶于水，溶于乙醉、乙醚、丙酮、苯、汽油等。

密封保存。

4.1.3主要工艺参数 

ABS产品的牌号众多，原料并没有固定的配比，牌号不同，原料的配比也稍微有所不同。

该设计是生产中冲型ABS树脂，中冲型ABS树脂生产的关键技术是调节ABS树脂相中的橡胶含量，当橡胶含量在8%～14%之间时，无论是本体还是乳液接枝法均可生产出中冲型ABS树脂。

而对子乳液接枝/SAN掺混法装置而言，通过改变接枝粉的掺入量就可实现这一目的，因而是中冲型ABS树脂生产的主要方法。

（2）产品规模 

年产2000吨的ABS树脂，根据市场调查，ABS树脂有较大的发展空间。

（3）产品质量规格 

ABS树脂产品牌号较多，其性能规格也略有不同，通常冲击强度在100～200J/m之间的定为中冲型ABS树脂，它是用途最广、用量最大的一类ABS树脂。

4.2聚合反应过程工艺流程叙述

4.2.1  工艺流程叙述 

聚合生产：

在反应开始投料之前，检查各加料液位是否正常，反应釜是否出空,釜底阀是否关闭，温度、压力是否正常、配分是否正常。

①聚丁二烯胶乳的生产 

连续乳液法聚合生产聚丁二烯胶乳所用的原料配方见表2.8。

原料丁二烯、除引发剂外的化学品、助剂经多缸计量泵按聚合配方量调节加料量，连续地在管道内混合进入均化器，单体丁二烯被均化，合适的皂将其被盖成液滴，均化后的混合物料乳液冷却15-17℃，进入聚合反应器。

然后向聚合釜夹套内通入热水使釜内物料升温55℃左右，在引发剂的作用下丁二烯单体聚合生成聚丁二烯胶乳，聚合温度控制在50～80℃之间，聚合反应热由通入夹套内的冷却水导出。

聚合前的准备工作，单体以及各种助剂的计量和投入，聚合反应的温度控制等均由一台电子式的程序控制器自动控制，聚合反应曲线由程序给定器给定。

反应过程中要定期地测定丁二烯的聚合反应转化率，当转化率和釜内压力达到规定值时，反应即告结束。

从聚合反应器出来的聚丁二烯胶乳直接进入脱气槽，在O.011～O.012MPa绝压下闪蒸脱除未反应的丁二烯。

脱气后的聚丁二烯胶乳总固物含量24%～25%，残留丁二烯<0.2%送人聚丁二烯胶乳贮槽，陈化3～4天使单体浸渗到胶粒内，分析胶乳质量合格后送往接枝聚合工序。

闪蒸脱气出来的丁二烯经缓冲罐捕集夹带胶乳后加压至0.5MPa左右，再经冷凝回收。

②制备ABS接枝粉料 

接枝聚合工序：

  苯乙烯、丙烯睛、乳化剂、节剂、活化剂、还原剂、络合剂经计量泵计量，然后与聚丁二烯胶乳在管道混合器内连续混合，加热升温至50℃。

加热后的混合物料送入两个串联的浸渗塔，浸渗作用是提高接枝聚合ABS的接枝度并增加内包藏的SAN共聚物。

聚合反应系统为三个串联的反应器。

第一、第二个是聚合反应器，第三个是陈化反应器，3个反应器均无外夹套，内有搅拌器。

浸渗后的混合物料乳液进入第一反应器。

引发剂分别连续定量地从第一反应器、第二反应器和第三反应器的特定部位加入，进行聚合反应。

聚合为绝热反应，随着聚合转化率的增高，聚合放热使反应物料逐步升温，到第三反应器的反应温度达90℃。

采用自动调节系统控制第三反应器的压力使单体不至于气化。

接枝聚合反应在第一、第二反应器内已基本完成，物料在第三陈化反应器内停留时间较长，主要是为了提高单体转化率。

该过程最终转化率达94%，总聚合时间约16h。

后处理工序：

后处理工序的凝聚、脱水和干燥过程均为连续操作。

配制好的凝聚剂明矾和硫酸混合液及接枝ABS乳液，连续送入凝聚槽内，搅拌混合，破乳凝聚成粒子，用直接蒸汽加热控制凝聚温度为70℃左右。

凝聚的浆液流入与凝聚槽串联的熟化槽，加热维持温度90℃左右，使皂完全转化，固化颗粒，增强硬度。

形成的较大颗较经过具有粉碎功能的泵粉碎，然后送入长网式真空过滤机或离心机脱水，脱除含凝聚剂的部分母液返回配制凝聚剂溶液，以减少凝聚剂耗量和污水排放量。

脱水后的接枝共聚物湿粉料含水量20%—40%。

干燥系统为两级，均采用内有旋转叶片的卧式干燥器，通入110一120℃的热空气，蒸发水分。

从一级干燥器出来的热空气夹带的粉料经旋风分离器回收，废气经水洗后放空。

从二级干燥器出的接枝共聚物粉料含水量小于1%，用空气输送到料仓。

③本体聚合法的合成SAN共聚物生产 

由苯乙烯单体、丙烯腈和溶剂乙苯以及回收液组成的物料经预热后进入聚合釜，丙烯腈：

苯乙烯单体=30：

70，乙苯占单体重量的5%～10%。

聚合反应温度为120～150℃，压力0.196～0、294MPa，反应后从聚合釜出来的物料用齿轮泵送入第一脱挥器，在0、196兆帕压力下闪蒸除去大部分丙烯腈和部分苯乙烯单体、乙苯等挥发组分。

然后经管式加热器加热至240℃后，进入第二脱挥器，在2.67KPa下再脱除残余的苯乙烯单体等挥发组分。

整个系统用290摄氏度的热油保温。

熔融的SAN送去挤条切粒，然后送至SAN料斗供与ABS接枝粉料掺混使用。

④掺混与造粒 

  ABS接枝粉料加上添加剂后与SAN粒料在混合器中混合，掺混采用机械搅拌的方法，这样可以非常方便的调整三者的比例，极大的丰富ABS树脂的品种和牌号，采用湿法掺混。

然后进入双螺杆挤出机中挤出造粒。

最后送至成品ABS料仓包装后出厂。

第5章 工艺与设备计算

5.1基础数据 

 年均操作时数：

7200小时（300天）； 年产量：

2000吨；  

（1）原料配方见表。

表5-1制备聚丁二烯胶乳配方（质量份）、工艺条件

项目丁二烯水歧化松香叔十二过硫酸活化剂碳酸聚合聚合单体

酸钾皂硫醇钾钾离温度时间/h转化

/℃%

数据1001503.50.40.250.250.350～801694

表5-2乳液接枝聚合配方和主要工艺条件

原料配比（质量份）原料配比（质量份）

聚丁二烯胶乳60松香酸钾2.0

苯乙烯28右旋葡萄糖0.5

丙烯晴12焦磷酸钠0.5

水100转化率94%

过氧化氢异丙苯0.3聚合温度/℃65～85

硫酸亚铁0.01聚合时间/h16

表5-3本体法合成SAN的配方（质量份）和工艺条件

项目数据项目数据

苯乙烯/份70聚合温度/℃110～160

丙烯晴/份30停留时间/h4

溶剂/份20转化率/%68

表5-4ABS接枝粉料和与SAN掺混的配比（质量份）及挤出工艺条件

项目ABS接枝SAN/份其他助剂加料段压缩段计量段模口/℃螺杆转速

粉料/份/℃/℃/℃

数据22782160～180170～180170～175180～18510.5r/分

（2）各工序损失（助剂的损失可忽略不计）

表5-5生产聚丁二烯胶乳

工序聚合脱挥发（回收）放空总计

损失率（kg/kg聚合物）0.05%0.35%0.1%0.5%

表5-6制备ABS接枝粉料

工序聚合浆料凝聚离心干燥放空总计

损失率（kg/kg聚合物）0.05%0.15%0.4%0.35%0.95%

表5-7本体聚合法的合成SAN共聚物生产

工序聚合脱辉（回收）总计

损失率（kg/kg聚合物）0.05%0.45%0.6%

表5-8掺混与造粒

工序掺混挤出造粒包装总计

损失率（kg/kg聚合物）0.1%0.15%0.2%0.45%

5.2 物料衡算 

 注：

（未转化的单体在闪蒸汽提工序被回收） 

（1）年产2000吨ABS树脂所需要消耗的掺混料为：

2000÷（1-0.45%）=2009.4t/a

ABS接枝粉料投入量：

2009.4÷（22+78+2）x22=433.4t/a ，

SAN的投入量：

2009.4÷（2