ch05有机高分子材料及其成形

有机高分子材料及其成形5.1有机高分子材料概述5.2塑料及其成形工艺5.3橡胶及其成形工艺金属材料无机非金属材料高分子材料复合材料高分子材料发展史天然高分子材料：棉、麻、丝天然纤维高分子材料，早在商朝蚕丝业极为发达；15世纪以前，南美洲人发现并利用天然橡胶；直至20世纪初以前都在研究和利用天然高分子材料。合成高分子材料：1907年世界第一个酚醛树脂厂建成投产，1930年以后到1980年合成橡胶（SBR、CR、NBR、IIR等）、合成树脂（PVC、PE、PP、PS、PMMA等）、合成纤维材料（尼龙、聚丙烯腈、聚酯、聚丙烯）相继出现。到2004年底,中国五大合成树脂(聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、ABS)的产量已经达1790万吨,列世界第二位,国内消费量达3125万吨;主要单体乙烯产量为627万吨,列世界第三位;五大合成纤维(涤纶、腈纶、锦纶、丙纶、维纶)产量达1314万吨,列世界第一位,国内消费量达1481万吨;合成橡胶产量达148万吨,列世界第三位,国内消费量达258万吨。目前三大合成高分子材料（合成树脂、合成橡胶、合成纤维）的世界产量已经超过2亿吨，其中80%以上为合成树脂及塑料。橡胶园女工在割胶19世纪中期一家欧洲橡胶制品厂的情景高分子又称大分子，一般是指分子量大于104，链长度在103～105，甚至更大的分子有机高分子材料简称高分子化合物或高分子，又称高聚物。是衣、食、住、行和工农业生产各方面都离不开的材料，其中棉、毛、丝、塑料、橡胶等都是最常用的。高分子是由一种或几种结构单元多次（103～105）重复连接起来的化合物。它们的组成元素不多，主要是碳、氢、氧、氮等，但是相对分子质量很大，一般在10000以上，可高达几百万。造成高分子分子量很大的原因，是它们的分子是由特定的结构单元多次重复连接组成的。例如聚氯乙烯分子是由成千上万个氯乙烯分子相互连接组成的。5.1有机高分子材料高分子里每个特定的结构单元也叫做链节。表示每个高分子里链节的数目，叫做聚合度(n)。能够聚合生成高分子化合物的低分子化合物叫做单体。例如苯乙烯是合成聚苯乙烯的单体。分类原则类别举例与特性按聚合物的来源天然聚合物如天然橡胶、纤维素、蛋白质人造聚合物经人工改性的天然聚合物，如硝酸纤维、醋酸纤维（人造丝）合成聚合物完全由低分子物质合成的如聚氯乙稀、聚酰胺等。按生成聚合物的化学反应加聚物由加成聚合反应得到的，如聚稀烃缩聚物由缩合聚合反应得到的，如酚醛树脂5.1.1有机高分子材料的类别分类原则类别举例与特性

按聚合物的性质塑料

有固定形状、热稳定性与机械强度，如工程塑料橡胶具有高弹性，可做弹性材料与密封材料纤维单丝强度高，可做纺织材料按聚合物的热行为热塑性聚合物线型结构加热后仍不变热固性聚合物线型结构加热后变体型

按聚合物分子的结构碳（均）链聚合物一般为加聚物杂键聚合物一般为缩聚物元素有机聚合物一般为缩聚物高分子链的结构

链的结构状态特点性质及示例线型拉伸或低温直线形高温或稀溶液卷曲弹性和可塑性，可反复加工成型热塑性聚合物，如聚氯乙稀、聚乙稀、尼龙支链型象一根“节上生枝”树干与线型基本相同

体型线型或支链型高分子以化学键交联而成具有空间网状结构

弹性和可塑性较小，硬度和脆性大，一次加工成型后不再熔化，一般溶剂不溶解热固性聚合物硫化橡胶、离子交换树脂线性高分子链之间的结合力是分子间力，例如：聚乙烯、尼龙支链型高分子体型高分子链之间由共价键连接，许多橡胶具有这种结构5.1.2高分子材料的加工性能高聚物状态变化和成型加工的关系玻璃态

＜Tg高弹态

Tg～Tf(Tm)粘流态

＞Tf(Tm)5.2塑料及其成形工艺

原始的赛璐璐生产车间赛璐璐的发明家

第一种人造塑料—赛璐珞（celluloid）1869年，美国的海厄特JohnWesleyHyatt(1837-1920)，利用纤维素合成的第一种人造塑料塑料的组成：以合成树脂为主要成分，并加入增塑剂、润滑剂、稳定剂及填料等组成的高分子材料。在一定的温度和压力下，可以用模具使其成形为具有一定形状和尺寸的塑料制件，当外力解除后，在常温下其形状保持不变。

1、合成树脂最主要成分，含量一般在40％～100％。树脂的性质常常决定塑料的性质，2、填料提高塑料的强度和耐热性能，并降低成本。有机填料和无机填料两类，前者如木粉、碎布、纸张和各种织物纤维等，后者如玻璃纤维、硅藻土、石棉、炭黑等。3、增塑剂增加塑料的可塑性和柔软性，降低脆性，使塑料易于加工成型。4、稳定剂防止合成树脂在加工和使用过程中受光和热的作用分解和破坏，延长使用寿命5、着色剂着色剂可使塑料具有各种鲜艳、美观的颜色。常用有机染料和无机颜料作为着色剂。6、润滑剂润滑剂的作用是防止塑料在成型时不粘在金属模具上，同时可使塑料的表面光滑美观。常用的润滑剂有硬脂酸及其钙镁盐等。塑料中还可加入阻燃剂、发泡剂、抗静电剂等，以满足不同的使用要求。塑料形变与温度的关系热塑性塑料形变特性（力学性能）低于玻璃化温度Tg为玻璃态、高于粘流温度Tf（或结晶温度Tm）温度为粘流态、在玻璃化温度和粘流温度之间为高弹态，当温度高于热分解温度（Td）时，塑料会降解或气化分解。

玻璃态，强度、刚性等力学性能较好，可作为结构材料使用。

高弹态，外力作用下，会产生很大的弹性形变（可达100%～1000%），此时的高聚物具有橡胶的特性。

粘流态，高聚物开始粘性流动，变形是不可逆变形，一般在此温度范围成形。固化：热固性塑料在成形过程中，由于高聚物发生交联反应，分子将由线型结构变为体型结构，这一过程称为固化。

使用中：正常使用中处于玻璃态。成形时：在成形过程中，一般要求塑料处于粘流态（或塑化态）成形。1.塑料的特性易成形，成本低有一定的强度、质量轻耐蚀性稳定透明性好、着色性强绝缘性强、耐磨性高减振消声、透光保温2.缺陷耐热性差易变形有“老化”现象3.塑料的类别及其特性按其应用分类通用塑料一般指产量大、用途广、成型性好、价廉的塑料。如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。工程塑料一般指能承受一定的外力作用，并有良好的机械性能和尺寸稳定性，在高、低温下仍能保持其优良性能，可以作为工程结构件的塑料。如ABS、尼龙、聚砜等。特种塑料增强塑料5.2.2塑料的主要成形方法1.注射成形塑料注射成形：又称注塑成形，是热塑性塑料成形的主要加工方法，近年来，也用于部分热固性塑料的成形加工。特点：生产效率高、易于实现机械化和自动化、并能制造外形复杂，尺寸精确的塑料制品，大约60%～70%的塑料制件用注射成形方法生产。注射过程：包括加料、塑化、注射、保压、冷却定型和脱模等几个步骤。塑化是塑料在注射机料筒中经过加热达到塑化状态（粘流态或塑化态）；注射是将塑化后的塑料流体，在螺杆（或柱塞）的推动下经喷嘴压入模具型腔；塑料充满型腔后，需要保压一定时间，使塑件在型腔中冷却、硬化、定型；压力撤消后开模，并利用注射机的顶出机构使塑件脱模，取出塑件。（1）注射系统

由加料装置（料斗）、定量供料装置、料筒及加热器、注射缸等组成，其作用是使塑料塑化和均匀化，并提供一定的注射压力，通过柱塞或螺杆将塑料注射到模具型腔内。（2）合模、锁模系统

由固定模板、移动模板、顶杆、锁模机构和锁模油缸等组成，其作用是将模具的定模部分固定在固定模板上，模具的动模部分固定在移动模板上，通过合模锁模机构提供足够的锁模力使模具闭合。完成注射后，打开模具顶出塑件。（3）操作控制系统

安装在注射机上的各种动力及传动装置都是通过电气系统和各种仪表控制的，操作者通过控制系统来控制各种工艺量（注射量、注射压力、温度、合模力、时间等）完成注射工作，较先进的注射机可用计算机控制，实现自动化操作。2.挤出成形

称为挤塑成形，主要用于热塑性塑料生产棒、管等型材和薄膜等，也是中空成形的主要制坯方法。

挤出成形生产线：由挤出机、挤出模具、牵引装置、冷却定型装置、切割或卷曲装置、控制系统组成。挤出机相当于注射机的注射系统，它由料斗、料筒和螺杆组成。工作时螺杆在传动系统驱动下转动，将塑料推向料筒中加热塑化，在挤出机的前端装有挤出模具（又称机头或口模），塑料在通过挤出模具时形成所需形状的制件，再经过冷却定型处理就可以得到等截面的塑料型材。3.压制成形模压——将粒状、粉状、片状塑料在模具中于一定温度下压制成制品。塑料加工技术中历史最悠久的一种成型工艺。也叫压缩成形，主要用于热固性塑料，也可用于热塑性塑料层压——以片状材料如纸、布、玻璃布浸入液体树脂中，经烘干、裁制、叠层，在层压机上成型成板材、管材和棒材等。4.吹塑成形也叫中空吹塑。将挤出或注射成型所得的管坯置于模具中，在管坯中通入压缩空气将其吹胀，使之紧贴于模腔壁上，再经冷却脱模得到中空制品的成型方法。这种成型方法可生产瓶、壶、桶等各种包装容器，日常用品和儿童玩具等。包括挤出吹塑、注射吹塑、拉伸吹塑和吹塑薄膜法，拉伸吹塑又包括挤－拉－吹和注－拉－吹如果挤出的中空管状塑料不经冷却，将热塑料管坯移入中空吹塑模具中向管内吹入压缩空气，在压缩空气作用下，管坯膨胀并贴附在型腔壁上成形，经过冷却后即可获得薄壁中空制品如果挤出的中空管状塑料不经冷却，在机头中心通入压缩空气，将管坯吹成管状薄膜冷却后可加工为各种薄膜制品。5.压注成形又称传递成形或挤胶成形，它是在压制成形的基础上发展起来的热固性塑料成形方法，其工艺类似于注射成形工艺，所不同的是塑料在模具的加料室内塑化，再经过浇注系统进入型腔，而注射成形是在注射机料筒内塑化。6.真空成形

也称为吸塑成形，它是将热塑性塑料板材、片材固定在模具上，用辐射加热器加热到软化温度，用真空泵（或空压机）抽取板材与模具之间的空气，借助大气压力使坯材吸附在模具表面，冷却后再用压缩空气脱模，形成所需塑件的加工方法。

成形特点：生产设备简单，效率高，