《塑料成型工艺及模具设计》精品课程电子教案.doc

第一章 绪论第一节 塑料成型在塑料工业中的发展概况 一、塑料及塑料工业的发展概况 塑料是以相对分子质量高的合成树脂为主要成分，并加入其他添加剂，在一定温度和压力下塑化成型的高分子合成材料。一般相对分子质量都大于一万，有的可达百万。在加热、加压条件下具有可塑性，在常温下为柔韧的固体。可以使用模具成型得到我们所需要的形状和尺寸的塑料制件。其他的添加剂主要有填充剂、增塑剂、固化剂、稳定剂等其他配合剂。塑料工业是一门新兴的工业。塑料最初品种不多、对它们的本质理解不足，在塑料制品生产技术上，只能从塑料与某些材料 如橡胶、木材、金属和陶瓷等制品的生产有若干相似之处而进行仿制。从1910年生产酚醛塑料开始，塑料品种渐多，在生产技术和方法上都有显著的改进。虽然塑料工业的发展只有近100年的历史，但其发展速度却十分迅速，1910年世界塑料产量只有2万吨，到2003年产量达到了1.28亿吨目前塑料品种已有300多种，并且每年仍然在以10左右的速度增长。我国的塑料工业起步于20世纪50年代初期，建国前夕，我国只有上海、广州、武汉等个别大城市有塑料制品加工厂，只有酚醛和赛璐珞两种塑料，1949年全国塑料总产量仅有200吨，1958年我国第一次人工合成酚醛塑料开始，我国的塑料工业得到迅猛发展，1958年我国塑料产量为2.4万吨，1965年为13.9万吨，70年代中期引进的几套化工装置的建成投产，使塑料工业有了一次大的飞跃，1979年为94.8万吨，1988年猛增到135.42万吨，2000年已达到200万吨，近20年来产量和品种都大大增加，许多新颖的工程塑料已投入批量生产。目前，我国的塑料制品总产量在世界上已跃居第二位。据统计，在世界范围内，塑料用量近几十年来几乎每5年翻一番预计今后将以每8年翻一番的速度持续高速发展。今天，我国的塑料工业已形成具有相当规模的完整体系，据中国轻工信息中心统计，2002年中国塑料制品行业中，年销售额达500万元以上规模企业共计7480家，其中大中型企业约占10%，产品销售收入亿元以上企业397家。开发新产品，掌握新技术己经得到企业的普遍重视。一般企业每年都有23个新产品，有的高达1020个新产品通过不同级别的鉴定，投入市场。 新产品产值一般占企业工业总产值的2030，有的高达5060。中国塑料机械技术通过消化吸收国外先进制造技术，开发具有国际先进水平的产品，新产品新技术开发速度加快。进行重大创新，也取得了显着成绩。总之，在塑料材料的消耗量上，塑料新产品、新工艺、新设备的研究、开发与应用上都取得了可喜的成就。塑料已渗透到人们生活和生产的各个领域，在家用电器、仪器仪表、机械制造、化工、医疗卫生、建筑器材、汽车工业、农用器械、日用五金以及兵器、航空航天和原子能工业中，塑料已成为替代部分钢铁、木材、皮革等材料的发展成为各个行业中不可缺少的一种化学材料，并和钢铁、木材、水泥一起成为现代社会中的四大基础材料。塑料制件已成为国民经济中不可缺少的重要材料之一。塑料制品的应用：.农业：薄膜、管道、片板、绳索和编织袋等，农田水利工程多选用塑料管，农舍建筑。.交通运输：门把手、方向盘、仪表板等。 .电气工业： 电线、电缆、开关、插头、插座绝缘体、家用电器、计算机（键盘套件、显示器外壳）等及各种通讯设备等。4.通信产品：电话机、手机、传真机等外壳。.日常生活用品：塑料桶、塑料盆、热水器外壳、塑料袋、航空茶杯、尼龙绳等。 .医疗：人工血管、输液器、输血袋、注射器、插管、检验用品、病人用具、手术室用品等。塑料广泛应用于各个领域，品种繁多，性能也各不相同。归纳起来，塑料主要具有以下优良特性：1.塑料密度小、质量轻，大多数塑料密度在1.01.4gcm3之间，相当于钢材密度的0.14倍和铝材密度的0.5倍左右；在同样体积下，塑件要比金属制品轻得多，采用塑料零件后对各种机械、车辆、飞机和航天器减轻质量、节省能耗具有非常重要的意义。2.比强度和比刚度，塑料的强度和刚度虽然不如金属的好，但塑料密度小，所以其比强度（即强度和密度之比/）和比刚度（弹性模量和密度之比/）相当高。如玻璃纤维增强塑料和碳纤维增强塑料的比强度和比刚度都比钢好，该类塑料常用于制造人造卫星、火箭、导弹上的零件。3.绝缘性能好，介电损耗低，耐电弧特性，所以广泛应用于电机、电器和电子工业中做结构零件和绝缘材料，是电子工业中不可缺少的原材料。4.化学稳定性高，对酸、碱和许多化学物品都有良好的耐腐蚀性能。因此，在化工设备及日用工业品中得到广泛应用。常用的耐腐蚀塑料是硬质，它可以加工成管道、容器和化工设备中的零部件。5.耐磨、自润滑性能以及减振、隔声性能都较好。塑料的摩擦系数小，耐磨性强，可以作为减摩材料，如用来制造轴承、齿轮等零件适合用于转速不高、载荷不大的工作场合。塑料还具有优良的隔声和吸声性能。6.成型性能、着色性能好，且有多种防护性能（防水、防潮、防辐射）。塑料在一定的条件下具有良好的塑性，可以采用多种成型方法制作不同的制品。塑料的着色简单，着色范围广，可制成各种颜色，部分塑料的光学性能很好，具有良好的光泽，可制成透明性很高的塑件，如常用的有机玻璃、聚碳酸脂等。塑料还具有防水、防潮、防透气、防振、防辐射等多种防护性能。 塑料虽具有上述优异的特性，但在某些性能上也存在着不足之处，如机械强度和硬度远不及金属材料高，耐热性也低于金属，导热性差，且吸湿性大易老化等，塑料的这些缺点或多或少的影响和限制了的它的应用范围。从发展趋势看，对现有的各种聚合物进行改性仍是目前和今后一段时间内对塑料材料进行开发和应用研究的主要任务。主要是继续扩大和完善新的聚合物高分子材料品种，对各种添加剂继续向低毒、高效和非污染的方向发展，同时以改善胶料的工艺加工性能，节约能耗、提高产品质量、满足高速加工设备和高效加工工艺的要求，并减少环境污染、提高配料的准确性和发挥助剂的协同效能。二、塑料成型在塑料工业生产中的地位塑料成型工业自1872年开始到现在已度过仿制、扩展和变革的时期。塑料成型是把塑料原材料加热到一定温度注入到具有一定形状和尺寸的模具中，待其冷却后，获得塑料制品的过程。塑料成型工艺与模具是一门在生产实践中逐步发展起来，又直接为生产服务的应用型技术科学，是一种先进的加工方法。 它研究的主要对象是塑料和塑料制成塑料制品所采用的模具。模具是铸造、锻压、冲压、塑料、玻璃、粉末冶金、陶瓷等行业的重要工艺装备，在现代工业生产中广泛的采用各种模具进行产品生产，模具的设计和制造水平在很大程度上反映和代表了一个国家机械工业的综合制造能力和水平。塑料模是模具的一种，是指用于成型塑料制件的模具，它是一种行腔模具的类型。采用模具加工制造产品零件已涉及在仪器仪表、家用电器、交通、通讯、和轻工业等各行业中，先进的发达工业国家，模具的工业产值已超过了传统的机床行业的产值，据日本1991年统计，其全国一万多家企业中，生产塑料模和冲压模的企业各占40，模具工业已实现了高度的专业化、标准化、商品化。而韩国的模具工业专业厂中，有43生产塑料模，44.8生产冷冲模。随着工业塑料制件和日用塑料制件的品种和需求量的日益增加，并且产品的更新换代周期的日益缩短，塑料模在模具中的比例在逐步提高。20世纪80年代以来，我国模具工业迅速发展，1989年国务院颁布了“当前产业政策要点的决定”，把模具制造列为重点支持技术改造的产业、产品中的首位。我国模具工业年均增速达13，2002年我国模具工业产值达280亿元，塑料模占其中的30左右。在加工工业中塑料成型是一种广泛应用的加工方法。生产过程易于实现机械化自动化，成型过程中设备操作简便，生产率高，成本较低， 加工的塑料制件高度一致性，尤其适合在大批量的生产条件。塑料可加工成任意形状的塑料制件，且经塑料成型出来的制件，具有质量轻、强度好、耐腐蚀、绝缘性能好、色泽鲜艳、外观漂亮等优点。由于塑料成型在技术上和经济上的优良特点，因此，高分子材料已进入所有工业领域以及人们的日常生活，并显示出其巨大的优越性和发展潜力。当今世界把一个国家的高分子材料的消耗量和聚合物成型加工的工业水平， 作为衡量一个国家工业发展水平的重要标志之一。可以说，离开聚合物成型加工工业，现代国民经济各部门和高科技领域不可能生存，更不可能发展。三、塑料成型技术的发展方向在现代塑料制件的生产中，影响产品生产和质量的三个重要因素有合理的加工工艺、高效的设备、先进的模具。因此，从塑料模的设计、制造、模具的材料等方面考虑，塑料成型技术的主要发展方向。（一）塑料成型理论和成型工艺模具设计已逐步向理论设计方面发展，目前为止，挤出成型的流动理论和数学模型已经建立，并在生产得到应用。注射成型的流动理论尚在进行研究，完善和发展塑料成型理论，以便更好的指导实际生产，改进或采用先进的生产工艺以提高塑料产品的质量和生产效率。（2） 模具的标准化为降低模具成本，缩短模具的制造周期，模具的标准化工作需要进一步加强，目前我国的模具标准化只有20，注射模方面关于模具零部件、模具技术条件和标准模架等有以下14个国家标准： GB4169.184 推杆 GB4169.284 直导套 GB4169.384 带头导套 GB4169.484 带头导柱 GB4169.584 有肩导柱 GB4169.684 垫块 GB4169.784 推板 GB4169.884 模板 GB4169.984 限位钉 G34169.1084 支承板 GB 4169.1184 圆锥定位件 GB4169.1284 技术条件 GBT1255590 大型注射模架标准 GBT1255690 中小型注射模标准还需要研究开发热流道标准元件、模具温控标准装置；精密标准模架、精密导向件系列；标准模板和模具标准件的先进技术和等向性标准化模块等。（三）塑料制件的精密化、微型化、超大型化为了满足各种工业产品的使用要求，塑料成型技术正朝着精密化、微型化、超大型化等方面发展。精密注射成型是塑件尺寸公差保持在0.010.001mm之内的成型工艺方法，国内已经有注射量为0.1克的微型注射机,可生产0.05克的微型注射成型塑件；塑件的大型化要求有大型的成型设备，国产注射机的注射量已达35Kg，合模力为80MN。（四）生产的高效率、自动化简化塑件的成型工艺，缩短生产周期，是提高生产率的有效办法，近年来，正在大力应用电子计算机来控制加工成型过程，已经研制成功了数控热固性塑料注射机、计算机群控注射机等。四、塑料模具设计及加工技术的发展方向塑料模具对塑料加工工艺的实现，保证塑料制品的形状、尺寸及公差起着极重要的作用。高效率全自动的设备只有配备了适应自动化生产的塑料模才有可能发挥其效能，产品的生产和更新都是以模具制造和更新为前提的。由于工业塑料制品和日用塑料制品的品种和产量需求日益增加，对塑料模具也提出了越来越高的要求，因此推动了塑料模具不断向前发展。 （一）提高模具的使用寿命模具材料的选用直接影响模具的加工成本、使用寿命、及塑件成型的质量等。因此，不断地采用新材料、新技术、新工艺，以提高模具的质量。（二）模具加工技术的革新 为了提高加工精度，缩短模具的制造周期，塑料模具的加工已经广泛地应用了仿形加工、电加工、数控加工、以及微机控制加工等先进的加工技术，并且使用了坐标镗、坐标磨和三坐标测量仪等精密加工和测量设备，超塑性成型和电铸成形型腔以及简易制模工艺等先进的型腔加工新工艺。（三）推广应用CAD/CAM采用CAD/CAM进行产品设计以及模具设计、制造，比传统方式更迅捷、更方便、更合理，在缩短模具设计制造周期的同时可以更容易保证模具的制造质量。（4） 模具的“三化”为适应模具工业的发展必须大力发展模具的标准化、系列化、以及专业化，其中模具的标准化是前提条件，实现模具的三化“有利于分工明确、配套协作、进一步提高模具的制造质量和缩短模具的生产制造周期。第二节 塑料制品的生产工序一、塑料制品的生产塑料制品生产的一般加工过程为：原料 合成树脂 塑料的配制 塑料成型 塑料制品的生产从塑料原料的生产到塑料制品的生产，包含了三个生产过程，第一生产过程是从原料经过聚合反应生成合成树脂；第二生产过程是加入助剂混合得到塑料，即为生产塑料制品的原材料；第三生产过程是根据塑料性能，利用各种成型加工手段，使其成为具有一定形状和使用价值的塑料制品。生产中一般第一过程和第二过程属于塑料生产部门，通常由树脂厂来完成。第三过程属于塑料制品生产部门。但对于大型塑料制品生产厂家，为了满足塑料制品的多样性要求，生产中也有将第二过程归入塑料制品的生产范围。即以合成树脂作为原材料，添加助剂后，再成型加工。二、塑料制品的生产工序流程根据各种塑料的固有性能，使其成为具有一定形状又有使用价值的塑料制品，是一个复杂而繁重的过程。塑料制品工业生产中，塑料制品的生产系统主要是由塑料的成型、机械加工、修饰和装配四个连续过程组成的，如图11所示。有些塑料在成型前需进行预处理(顶压、预热、干燥等)，因此，塑料制品生产的完整工序顺序为：塑料原料 （预处理） 成型 机械加工 修饰 装配 塑料制品 塑料制品生产成型加工 注射模塑 压缩模塑 压注模塑 车削和铣削 挤出模塑机械加工 制孔 吹塑 切纹螺旋 锉削 铸塑 锯切、剪切和冲切 转鼓滚光 旋转模塑 其他 磨削 层压材料修饰加工 抛光 涂层 溶浸增亮 泡沫塑料 彩饰 热成型 涂盖金属 其他装配加工 粘合 其它 焊接 机械连接 其他 图11 塑料制品的生产流程在这四个过程中，塑料的成型最为重要，是一切塑料制品或型材生产的必不可少的过程。成型的种类很多，如注射成型、压缩成型、压注成型、挤出成型、层压以及压延等。其它三个过程取决于塑料制品的要求而定，也就是说，不是每种塑料制品都须完整地经过这些过程。机械加工是用来完成成型过程所不能完成或完成得不够准确的一些工作。修饰主要是为美化塑料制品的表面或外观。装配是将各个已经完成的塑料部件连接或配套使其成为一个完整制品的过程。后三种过程有时统称为二次加工或后加工。对比来说，二次加工过程常居于次要地位。塑料成型的方法很多，按成型过程中物理状态不同，塑料成型加工的方法可分为熔体成型与固相成型两大类。熔体成型也叫熔融成型是把塑料加热至熔点以上使之处于熔融态进行成型加工的一类方法。属于此类成型加工方法的主要有注射成型、压缩成型、压注成型、挤出成型、旋转成型、离心浇铸成型、粉末成型等。模塑成型约占全部塑料制品加工量的90以上。共同特点是塑料在熔融状态下利用模具来成型具有一定形状和尺寸的塑料制品(简称塑件或制品)。成型塑料制品的模具叫塑料成型模具(简称塑料模)。固相成型是泛指在室温条件下对尚处于固态的热塑性坯材（至少低于熔点1020）施加机械压力作用，使其成为塑件的一种方法，其中对非结晶类的塑料在玻璃化温度以上，熔点以下的高弹区域加工的常称为热成型，如真空成型、压缩空气成型、压力成型等，而在玻璃化温度以下加工的则称作冷成型或室温成型，也常称作塑料的冷加工方法或常温塑性加工。包括在常温下的塑料粉末压延薄膜、片材辊轧、坯料或粉末塑料的模压成型以及二次加工等。 第三节 本课程内容、目标和学习要求塑料成型工艺与模具设计课程是高职高专模具专业学生的主要专业课之一，它是以高分子材料、流体力学、热处理、材料成型理论等为理论基础，是一门实践环节强的综合性应用课程。一、本课程的主要内容本课程的主要内容阐述了塑料制品重要成型方法的原理、特点、工艺过程、主要工艺参数的选定及对塑料制品性能的影响；主要设备的结构特性、工作原理、技术参数及设备的选型，结合设备特点及工艺条件对塑料制品性能的影响及关系。目的是学生能够较快地适应生产实际的要求，获得塑料成型工艺、模具设计和设备技术的基础知识和综合应用能力。二、通过本课程学习，应达到以下目标1、要了解塑料的工艺特性与成型机理，掌握各种常用塑料在各种成型过程中对模具的工艺要求，掌握成型工艺所必备的各种技术知识。2、在模具设计方面，要求学生掌握各种成型模具的结构特点及设计计算方法，在全面掌握塑料的特性与成型工艺性能、成型特点，模具零件的加工工艺性，标准件的选用等的基础上.初步具备分析、解决生产现场中出现的质量问题的能力。3、塑件设计方面，在掌握正确分析塑件工艺性的基础上，根据塑料成型特点进行一般塑料制件工艺设计。4、在模具制造方面，了解塑料模具的制造特点，根据不同情况选用模具型腔加工新工艺。能够编制型芯和型腔的加工工艺规程。三、本课程学习要求 在密切结合工艺过程的前提下尽可能地结每种工艺所依据的原理、生产控制因素以及在工艺过程中塑料所发生的物理与化学变化和它们对制品性能的影响具有清晰的概念，并进一步理解各种成型工艺所能适应的塑料品种及其优缺点。此外，还要求学生了解塑料模具的装配、试模、验收、使用和维修方面的知识，能够提出由于模具设计或制造不当而造成的各种塑件的缺陷，操作困难的原因所在及其解决办法。 塑料成型工艺及模具设计是一门课程实践性和综合性很强的课程，需不断地理论联系实际。结合教学的实训环节，丰富课程内容。加强自身的自学能力，主动参考有关资料。在学习本课程时，还要注意学习国内外的新技术、新工艺、新经验，为成型加工技术的发展做出贡献。第二章 塑料成型基础第一节 高聚物分子结构与特性一、树脂、高聚物、塑料（一）树脂树脂是一种高分子有机化合物，简称高聚物，其特点是无明显的熔点，受热后逐渐软化，可溶解于有机溶剂，而不溶解于水等。树脂分为天然树脂和合成树脂两种。天然树脂是指从树木中分泌出的脂物，如松香，从热带昆虫的分泌物中提取的树脂，如虫胶；还有部分树脂从石油中得到，如沥青，这些都属于天然树脂。由于天然树脂无论在数量上还是在质量上都远远不能满足现实生产、生活的需要，因此，人们根据天然树脂的分子结构和特性，应用人工方法制造出了合成树脂。合成树脂是由简单有机物经化学合成或某些天然产物经化学反应而得到的一种高分子化合物，又称聚合物。例如酚醛树脂、环氧树脂、聚乙烯、聚氯乙烯、等都属于合成树脂，合成树脂既保留了天然树脂的优点，同时也改善了成型加工工艺性和使用性能等。因此，目前我们所使用的塑料一般都是用合成树脂制成的，很少采用天然树脂。石油是我们制取合成树脂的主要原料。（二）高聚物 高聚物（高分子化合物），指那些由众多原子或原子团主要以共价键结合而成的相对分子质量在一万以上的化合物。无论是天然树脂还是合成树脂，他们都属于高聚物。高聚物一般经聚合反应制得，主要组成元素以C、H、O、N为主，在一些高聚物中也存在S、P、Si、F等元素，由此可见，一般合成高分子主要由非金属元素组成。同具有相同化学成分和结构的低分子同系物相比，高聚物具有高软化点、高强度、高弹性以及熔体的高粘度等特殊物理性能，由于高聚物分子特别大且分子间力也较大，在常温常压下，一般为固体，也有的为粘稠液体，不形成气体。（3） 塑料高聚物的分类有很多种，按照高分子的的用途，可分为塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂和功能高分子等六大类。其中塑料是高分子材料中产量最大、应用最广的一类。由于塑料的品种多，性能各异，使用广泛，且生产塑料的能耗低，因此到目前为止，塑料材料仍保持着强劲的发展势头。按照ISO（国际标准）和我国国家标准（GB/T20351996）塑料的定义是：以高聚物为主要成分，并在加工为成品时的某个阶段可流动成型的材料。并注明弹性材料也可成型流动，但不认为是塑料。有些树脂可以直接作为塑料使用，如聚乙烯、聚苯乙烯、尼龙等，但多数树脂必须在其中加入一些添加剂，才能作为塑料使用，如酚醛树脂、氨基树脂、聚氯乙烯等。二、高聚物的高分子结构（一）高聚物的高分子结构特点1高分子含有的原子数很多。低分子含有的原子数都很少，如一个水分子H2O含有一个氧原子和两个氢原子，酒精分子C2H5OH含有9个原子，比较复杂的有机物三硬脂酸甘油脂C57H110O6也不过只含有173个原子。高聚物则不同，一个高分子中含有几千个、几万个、甚至几百万个原子。如尼龙分子中大约含有4千个原子，天然橡胶分子中大约含有含有5万到6万个原子。 平均相对分子质量很大。 一般的低分子物质的相对分子质量仅为几十至几百。如水的相对分子质量为18；石灰石为100，酒精为46，蔗糖为324。而高分子化合物的分子量比低分子高得多，一般可自几万至几十万、几百万甚至上千万。如尼龙分子的分子量为2.3万左右，天然橡胶的分子量为40万。高聚物没有准确、固定的相对分子量，同一种高分子聚合物所含相对分子质量的大小也并不一样。因此，只能采用平均相对分子质量来表述。例如，低密度聚乙烯的平均相对分子质量为25万15万；高密度聚乙烯的平均相对分子质量是7万8万。分子长度很长。如低分子乙烯的长度约为0.0005m，而高分子聚乙烯的长度则为6.8m，后者是前者的13600倍。由此可见，高分子和低分子存在着如此悬殊的差异，使得高聚物具有许多与低分子化合物不同的特性。而同种或不同种高聚物由于分子量的不同其材料的性能也存在有很大的差异。（二）高聚物的分子结构1高聚物的分子结构高聚物一般都是由一种或两种及以上的结构并不复杂的“基本单元”按照一定的排列方式，通过化学链重复连接而成，犹如珍珠串链一样。例如聚乙烯分子里的基本单元为C2H4，每个聚乙烯分子里含有n个连接起来的基本单元： C2H4C2H4C2H4C2H4这些基本单元乙烯C2H4称为“链节”，简写：nCH2 =CH2，聚乙烯分子中含有这种链节的数目n称之为聚合度，表示高分子化合物中链节的重复次数。n值越大，相对分子质量越大。聚合物分子就是由许多的链节构成的一个很长的分子链。其链状结构如一根细丝，易弯曲。分子之间的长链在没外力作用时呈自由卷曲状，相互交缠，在外力作用下发生相对移动和自由旋转，使聚合物具有一定的柔软性并富有弹性。高分子聚合物在受热时不像一般低分子物质那样有明显的熔点，因从长链的一端加热到另一端需要时间，即需要经历一段软化的过程，使聚合物具有了可塑性。高分于聚合物没有明确、固定的相对分子质量，同一种高分子聚合物所含相对分子质量的大小并不一样，因此，只能采用平均相对分子质量来表述。例如，低密度聚乙烯的平均相对分子质量为25万15万，而高密度聚乙烯的平均相对分子质量是7万5万，高分子聚合物的分子量不同，其材料的性能也存在着很大的差异。聚合物的分子结构有三种形式：线型、带有支链的线型、体型。如果聚合物的分子链呈不规则的线状（或者团状），聚合物是一根根的分子链组成的，则称为线型聚合物，如图21a所示。在聚合物的大分子主链上带有一些或长或短的小支链，整个分子链呈枝状，如图21b所示，称为带有支链的线型聚合物。如果在大分子的链之间还有一些短链把它们连接起来，成为立体网状结构，则称为体型聚合物，如图21c所示。 a) 线型 b) 带有支链的线型 c) 体型图21 聚合物分子链结构示意图2高聚物的性质高聚物的分子结构不同，其性质也不同。（）线性聚合物的物理特性为具有弹性和塑性，在适当的溶剂中可溶解，当温度升高时，则软化至熔化状态而流动，可以反复成型，这样的聚合物称为具有热塑性。（）体型聚合物的物理特性是脆性大、弹性较高和塑性很低，成型前是可溶和可熔的，而一经硬化成型（化学交联反应）后，就成为不溶不熔的固体，即便在更高的温度下（甚至被烧焦碳化）也不会软化，因此又称这种材料具有热固性。3高聚物的命名（1）一般以单体名称为基础，前面加一个“聚”字,如乙烯CH2=CH2，聚合得到C2H4C2H4C2H4C2H4称为聚乙烯。（2）有些是取其原料的名称（简名）后附“树脂”二字，如苯酚和甲醛合成，成为酚醛树脂。（3）以聚合物的特征命名如己二胺与己二酸的反应物叫做聚己二酰己二胺。（4）习惯命名如尼龙66为聚己二酰己二胺，尼龙后的第一个数字表示二元胺的碳原子数，第二个数字表示二元酸的碳原子数。涤纶为聚对苯二甲酸乙二醇酯。“纶”字常作为纤维商品的后缀。共聚物如橡胶往往从共聚单体中各取一个字头，后加“橡胶”二字来命名，如丁二烯与丙烯腈的共聚物称为丁腈橡胶。（5）国际纯化学和应用化学联合会(IUPAC)的系统命名法A、确定重复单元的结构；B、排好重复单元中的次级单元的次序；C、给重复单元命名；D、在重复单元名称前面加一个“聚”字。（三）高聚物的聚集态结构及其性能分子聚集态结构是指平衡态时分子与分子之间的几何排列。高聚物在常温常压下，大多数为固态，没有气态，固体聚合物分子的排列有两种形式，分子有规则紧密排列的区域，称之为结晶区。分子处于无序状态的区域称之为非晶区，如图22所示。按照分子排列的几何特征，固态聚合物可分为结晶型和无定型（或非结晶型）两种。结晶型聚合物由晶区非晶区所组成，晶区所占的重量百分数称为结晶度，例如低压聚乙烯在室温时的结晶度为8590。一般而言，聚合物大分子链的结构对称性好，主链上带有的侧基体积小、分子间作用力大，则有利于结晶；反之，则对结晶不利或不能形成结晶区。结晶只发生在线性聚合物和含交联不多的体型聚合物中。图22 结晶型聚合物结构示意图1晶区 2非晶区 结晶对聚合物的性能有较大影响。由于结晶造成了分子紧密聚集状态，增强了分子间的作用力，所以使聚合物的强度、硬度、刚度及熔点、耐热性和耐化学性等性能有所提高，但与链运动有关的性能如弹性、伸长率和冲击强度等则有所降低。对于无定型聚合物的结构，大距离范围内其分子排列是杂乱无章的、相互穿插交缠的。 小距离范围内有序，即“远程无序，近程有序”。体型聚合物由于分子链间存在大量交联，分子链难以作有序排列，所以绝大部分是无定型聚合物。三、聚合物加工性质（一）聚合物的聚集态及其加工性聚合物聚集态的多样性导致其成型加工的多样性。聚合物聚集态转变取决于聚合物的分子结构、体系的组成以及所受应力和环境温度。当聚合物及其组成一定时，聚集态的转变主要与温度有关。温度变化时，塑料的受力行为发生变化，呈现出不同的物理状态和力学性能特点。如图23所示，为线型无定型聚合物和完全线型结晶型聚合物受恒定压力时变形程度与温度关系的曲线，也称热力学曲线。 图23聚合物的物理状态与温度及加工的关系1线型无定型聚合物 2完全线型结晶型聚合物 Tb称为聚合物的脆化温度，是聚合物保持高分子力学特性的最低温度。 Tg称为玻璃化温度，是聚合物从玻璃态转变为高弹态（或相反）的临界温度。Tf称为粘流温度，是无定型聚合物从高弹态转变为粘流态（或相反）的临界温度。Tm称为熔点，是结晶型聚合物由晶态转变为熔融态（或相反）的临界温度。Td称为热分解温度，是聚合物在加热到一定温度时高分子主链发生断裂开始分解的临界温度。1线型无定型聚合物从图中看出，线型无定型聚合物在受热时常存在的三种物理状态为:：玻璃态（结晶聚 合物亦称结晶态）、高弹态和粘流态。（1）玻璃态 聚合物处于温度Tg以下的状态，曲线基本是水平的，变形程度小，并且是可逆的，弹性模量较高，聚合物呈现刚性固体状，聚合物受力变形符合虎克定律，应力和应变成正比。处于玻璃态的聚合物可作为结构材料，能进行车、铣、锯、削、刨等机械加工。一般多数聚合物的温度都高于室温，只有极少数聚合物温度低于室温，如高密度聚乙烯玻璃化温度为-800C，玻璃态是大多数聚合物的使用状态。Tg是多数聚合物使用温度的上限。Tb是聚合物使用的下限温度。当温度低于Tb时，聚合物在很小的外力作用下就会发生断裂，无使用价值。从聚合物的使用角度来看，Tb和Tg之间的范围显然越宽越好。常温下，玻璃态的典型材料是有机玻璃。（2）高弹态 当聚合物受热温度超过Tg时（Tg至Tf间），曲线开始急剧变化，聚合物进入柔软而富有弹性的高弹状。变形能力显著增大，弹性模量显著降低，但变形仍然具有可逆性。 在高弹态状态下，可进行弯曲、吹塑、真空成型、引伸、冲压等成型，成型后会产生较大的内应力。进行上述成型加工时，应考虑到高弹态具有的可逆性，由于高弹态形变比普弹形变大一万倍左右，且属于与时间有依赖性的可逆形变，因此，必须将成型后的塑料制件迅速冷却到Tg以下，以保证得到符合产品质量要求的塑件。常温下，高弹态的典型材料是橡胶。 （3）粘流态 当聚合物受热温度超过Tf时，分子热运动能量进一步增大，至能解开分子链间的缠结而发生整个大分子的滑移，变形迅速发展，聚合物开始有明显的流动，聚合物开始进入粘流态变成液体，具有了流动性，通常称之为熔体。在这种状态下聚合物的变形不具有可逆性，一经成型和冷却后，其形状就能永久保持下来。Tf是塑料成型加工的最低温度，在这种粘流状态下，聚合物熔体形变在不太大的外力作用下就能引起宏观流动，可进行注射、挤出、压注、纺丝等成型加工，成型后应力较小。增高温度将使塑料的粘度大大降低，流动性增大，有利于塑料熔体充型，但不适当的增大流动容易导致诸如注射成型过程中的溢料、挤出成型塑件形状的扭曲、收缩和纺丝过程中纤维的毛细断裂等现象。当温度高到分解温度Td附近还会引起聚合物分解，以致降低塑件的物理力学性能或引起外观不良等缺陷。因此，Tf和Td可用来衡量聚合物的成型性能，温度区间大时，聚合物熔体的热稳定性好，可在较宽的温度范围内受形和流动，不易发生热分解。Tf和Td都是聚合物材料进行成型加工的的重要参考温度。 常温下，粘流态的典型材料是熔融树脂（如胶粘剂）。2完全线型结晶型聚合物和线型无定型聚合物的热力学曲线相比较，完全线型结晶型聚合物的热力学曲线通常无明显的高弹态，说明完全结晶的聚合物不存在高弹态，在高弹态温度下也不会有明显的弹性变形，但结晶型聚合物一般不可能完全结晶，都含有非结晶的部分，所以它们在高弹态温度阶段仍能产生一定程度的变形，只不过比较小而已。因此，对线型结晶型聚合物，可在玻璃化温度至熔点的温度区间内进行薄膜吹塑和纤维拉伸。完全线型结晶型聚合物和Tf 对应的温度为熔点Tm，是线型结晶型聚合物熔融或凝固的临界温度，由于其熔点很高，甚至高于其分解温度，所以不能采用一般的成型加工方法，如四氟乙烯塑件就是采用高温烧结法制成的。线型结晶型聚合物可在脆化温度和熔点之间应用，使用温度范围较宽，耐热性能好。（二）聚合物的可挤压性聚合物的可挤压性是指聚合物通过挤压作用形变时获得一定形状并保持这种形状的能力。塑料在加工过程中常受到挤压作用，例如塑料在挤出机和注射机料筒中以及在模具中都受到挤压作用。通常条件下塑料在固体状态不能采用挤压成型，衡量聚合物可挤压性的物理量是熔体的粘度（剪切粘度和拉伸粘度）。熔体粘度过高，则物料通过形变而获得形状的能力差；反之，熔体粘度过低，虽然物料具有良好的流动性，易获得一定形状，但保持形状的能力较差。因此，适宜的熔体粘度，是衡量聚合物可挤压性的重要标志。聚合物的可挤压性不仅与其分子组成、结构和相对分子质量有关，而且与温度、压力等成型条件有关。衡量聚合物可挤压性的物理量是聚合物熔体的粘度。通常简便实用的测量方法是测定聚合物的熔体流动速率。虽然不能说明成型过程中实际聚合物的流动情况。但由于方法简便易行，对成型塑料的选用和适用性具有参考价值。（三）聚合物的可模塑性注射、挤出、模压等成型方法对聚合物的可模塑性要求是：能充满模具型腔获得制品所需尺寸精度，有一定的密实度，满足制品合格的使用性能等。聚合物的可模塑性是指在一定的温度和压力作用下聚合物在模具中模塑成型的能力。具有可模塑性的聚合物可通过注射、压缩、压注和挤出等成型方法制得各种形状的模塑制品。可模塑性主要取决于塑料的流变性、热性能、物理力学性能、工艺因素以及模具的结构尺寸。热固性聚合物的可模塑性还与聚合物的化学反应性能有关，模塑条件对塑料可模塑性的影响，如图24所示的模塑压力温度曲线。 图24模塑压力温度曲线A成型区域 1表面不良线 2溢料线 3塑料分解线 4缺料线 从图中可见成型温度过高，虽然有利于成型，但会引起塑料分解，塑件的收缩率也会增大；成型温度过低则熔体粘度大，流动性差，成型困难；适当地增大压力，能改善熔体的流动性，但过高的压力会引起成型溢料，增加塑件的内应力；压力过低又会造成充模不足，因此，图中1、2、3、4四条线组成的区域A才是模塑的最佳区域。要成型得到满意的塑件，使塑料具有较好的可模塑性，就要充分考虑温度和压力两者的关系，把温度和压力控制在可模塑的区域A内。（四）聚合物的可延性可延性是非晶形或半结晶聚合物在受到压延或拉伸时变形的能力。聚合物的可延性取决于材料产生塑性变形的能力和加工硬化作用。利用聚合物的可延性，可通过压延和拉伸工艺生产产片材、薄膜和纤维。形变能力与固态聚合物的结构及其所处的环境温度有关，而加工硬化作用则与聚合物的取向程度有关。四、聚合物的加热与冷却在成型过程中，聚合物需要加热由玻璃态受热转变为粘流态，成型后又需要冷却由粘流态转变为玻璃态，因此，聚合物的加热和冷却对塑件成型有着重要作用。聚合物的加热和冷却过程主要传热方式是热扩散，热扩散系数是成型物料的一个内在性能指标，热扩散系数决定了聚合物加热和冷却的难易程度，其表达式为： Acp （21）式中 A导热系数（cal/cm2s）；cp定压热容（cal/g）；为密度（g/cm3）；一热扩散系数（104 cm/s）。表21列出了某些材料的热性能（常温）表21 某些材料的热性能（常温）材料cp（cal/g）k（10-4cal/cm2s）（104cm/s）聚酰胺0.405.512聚乙烯（高密度）0.5511.518.5聚乙烯（低密度）0.558.016聚丙烯0.463.38聚苯乙烯0.323.010聚氯乙烯（硬）0.245.015聚氯乙烯（软）0.3-0.53.0-4.08.5-6.0ABS0.385.011聚甲基丙烯酸甲酯0.354.511聚甲醛0.355.511聚碳酸酯0.304.613聚砜0.36.216聚甲醛（木粉填充）0.355.511酚甲醛塑料（矿物填充）0.301222脲甲醛塑料0.48.514密胺塑料0.44.58醋酸纤维素0.4612玻璃0.22037钢材0.111100950铜0.092100001200从表21中可见，各种聚合物的热扩散系数相差不是很大，但与铜和钢相比，相差十分悬殊。聚合物热扩散的传热速率很小，其粘流态聚合物由于粘度很高，对流传热速率也很小，因此，聚合物的传热不佳，不能在较短的时间内使聚合物均匀受热与冷却，在成型时，对聚合物加热时为防止造成局部过热，引起降解或分解，不能将温差提得过高；在冷却时为防止其内部产生内应力也不能使冷却介质与熔体之间温差太大、。由于许多聚合物熔体的粘度都很大，因此，在成型过程中发生流动时，会因内摩擦而产生显著的热量。可用于聚合物的升温，用摩擦热使聚合物熔体烧焦的可能性不大。聚合物固体在受热转变为熔体时具有相态的转变，相变时也需要吸收或放出热量，结晶形聚合物的这种相变需吸收更多的热量。例如将含有部分结晶的聚合物（如聚乙烯）转变为熔体时就比转变非晶形聚合物（如聚苯乙烯）时要消耗更多的热量，反之，在冷却时要排出更多的热量。因此，对结晶形聚合物成型时应选择塑化能力强的设备，而在冷却结晶时，模具应加强冷却。第二节 聚合物的在成型过程中的流动和形变聚合物在各种成型过程中，大部分工艺均要求它处于粘流态，因为在这种状态下，聚合物在外力的作用下易于发生流动和变形。流动与形变是聚合物成型加工中最基本的工艺特征。高聚物流体有两种形式，一种是由固体加热到粘流温度或熔点以上，变成熔融状液体，即熔体。也称干法塑化，特点是利用加热将高聚物固体变成熔体，定型时仅为简单的冷却。但塑化时局部易产生过热现象。另一种是加入溶剂使高聚物达到粘流态，即分散体。也称湿法塑化，特点是用溶剂将塑料充分软化，定型时须脱溶剂，同时考虑溶剂的回收。其优点是塑化均匀，能避免高聚物过热。在成型加工过程中，两种高聚物流体都有着广泛的应用。这里主要介绍高聚物熔体的形式。一、聚合物在成型过程中的流动性能聚合物在加工过程中具有的流动和形变均是由外力作用的结果。聚合物成型时，在外力作用下，其内部必然会产生与外力相平衡的应力。主要的应力有三种：即切应力、拉伸应力和流体静压力。如熔体在注射机喷嘴或模具的流道的流动产生剪切应力；熔体在挤出吹塑时被拉伸产生拉伸应力，实际加工过程中，聚合物的受力非常复杂，往往是这三种应力同时出现，如熔体在挤出成型和注射成型中物料进入口模、浇口和型腔时流道截面积发生改变条件下的流动等，但剪切应力最为重要，因为聚合物流体在成型过程中流动的压力降，塑件的质量等都受其制约。流体静压力是熔体受到压缩作用而产生的，它对流体流动性质的影响相对较小，一般可以忽略不计，但对粘度有一定的影响，在压缩成型时流体静压力是较为主要的应力。 聚合物在一定的温度和压力条件下具有流动性，流体在平直圆管内流动的形式有层流和湍流两种，如图25所示，图a为层流，层流是一层层相邻的薄层液体沿外力作用方向进行的滑移。流体的质点沿着许多彼此平行的流层运动，同一流层以同一速度向前移动，各流层的速度虽不一定相等，但各流层之间不存在明显的相互影响。 图b为湍流，又称“紊流”，流体的质点除向前运动外，各点速度的大小、方向都随时间而变化，质点的流线呈紊乱状态。 层流和湍流是以临界雷偌数（Re）来判定，一般Re小于21004000时均为层流，大于4000时为湍流，在成型过程中，聚合物熔体流动时的雷偌数常小于10，聚合物分散体的雷偌数也不会大于2100，所以其流动基本上属于层流。 图25 流体在平直圆管内流动层流流动看成是一层层相邻的薄层流体沿外力作用方向进行的相对滑移，流层是完全平行、平直的平面。如图26层流滑移示意图。F为外部作用于整个流体的恒定剪切力。 图26 层流滑移示意图1移动层 2管中心 3管壁 4固定层在剪切应力作用下发生的形变称为切应变，=dx/dr单位时间内的剪切应变则称为剪切速率，以表示，单位为s-1。 =d/dt （22） 切应力和剪切速率存在一定的关系： 表达式： =（dv/dr）=(d/dt)= （23）上式称之为牛顿流动定律或牛顿流变方程，液层单位面积上施加的切应力与液层间的剪切速率（速度梯度）成正比。是一个比例常数，称之为牛顿粘度，单位为Pas。其值大小表征流体在外力作用下，抵抗剪切变形的能力，仅与流体分子结构和温度有关，与剪切应力和剪切速率的变化无关。凡流体流动行为符合牛顿流动定律的流动统称为牛顿流体。 牛顿流动定律有一定的局限性，只能适用于低分子化合物的液体或溶液。而对于聚合物熔体、分散体，只有聚碳酸能、聚酰胺和聚对苯二甲酸乙二酯等少数聚合物熔体和牛顿流体相近，绝大数聚合物熔体只是在剪切应力很小或很大时表现为牛顿流体。在成型过程中，聚合物熔体大多处于中等剪切速率范围（=10104s-1），流体的流动行为不遵从牛顿流动定律的流体。即切应力与剪切速率不成正比，熔体的粘度也不再是一个常数，而是和剪切速率有关，通常把流体流动行为不符合牛顿流动定律的流动统称为非牛顿流体。 表达式： =a （a = Kn-1） （24） 式中 a非牛顿粘度或表观粘度，单位为Pas； K流体稠