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高分子材料成型加工 2019年12月30日星期一 第一讲绪论 参考教材 课程名称 高聚合物加工工艺 聚合物加工工艺或者高分子材料与工程 教材 高分子材料成型加工 周达飞 参考书 应宗荣 高分子材料成型工艺学 第一章绪论 一 材料概述二 高分子材料1 高分子材料的定义2 高分子材料的分类3 高分子材料的制造4 高分子材料的加工程序和研究方法三 高分子工业的历史和未来 一材料概述 材料是人类生活或生产必须的基础 也是人类文明的物质基础 材料与生产力发展水平密切相关 反映一个时代的生产力发展水平 也是衡量一个国家的科学技术 经济发展水平的重要标志之一 人类社会发展史也是一部材料的发展史 石器时代 青铜器时代 铁器时代 石器 青铜器 铁器 汉代古墓出土 高分子材料时代 材料概述 材料概述 人类社会发展史也是一部材料的发展史 材料划分为三大类 金属材料无机非金属材料有机高分子材料 简称高分子材料随着材料科学技术的发展 应当还要增加一类 那就是复合材料 材料概述 材料四要素 A 材料的制备 加工 B 材料的结构 C 材料的性质 D 材料的使用性能 材料概述 材料的特点 A 一定的组成 B 可加工性 C 形状保持性 D 使用性能 E 经济性 F 再生性 材料概述 高分子材料是古老的材料木材 棉 蚕丝品高分子材料是年轻的高分子材料主要是合成或半合成高分子材料 二高分子材料 概念 一定配合的高分子化合物 在成型设备中 受一定温度和压力的作用熔融塑化 然后通过模塑制成一定形状 冷却后在常温下能保持既定形状的材料制品 也可以说 以高分子化合物为基本原料 加入适当的助剂 经过一定的加工过程制得的材料 制备性能良好的高分子材料的三个关键因素适宜的材料组成正确的成型加工方法合理的成型机械及模具 2高分子材料的分类 常见的高分子材料可以分为五大类 塑料橡胶纤维涂料粘合剂 2高分子材料的分类 按化学结构和是否具有多次重复加工性 可以将塑料分成热塑性塑料和热固性塑料 2高分子材料的分类 按用途和性能分 又可将塑料分为通用塑料和工程塑料 通用塑料是指生产量大 用途广 价格低廉且成型性能良好的一类塑料品种 工程塑料指拉伸强度大于50MPa 冲击强度大于6kJ m2 长期耐温超过100摄氏度 可以代替金属用于结构材料 2高分子材料的分类 2高分子材料的分类 塑料制品 橡胶 定义 室温下具有黏弹性的高分子化合物 在适当的配合剂存在下 在一定的温度和压力下适度交联而制得的弹性材料 按使用性能分 通用R和特种R按来源分 天然R和合成R 橡胶 橡胶制品 特点 弹性模量大 形变小 强度高 分子量小 一般为几万 分类 纤维 fiber 天然纤维 棉 毛 丝 麻等 化学纤维 人造纤维合成纤维 纤维 化学纤维化学纤维是人造纤维和合成纤维的总称 人造纤维是指由天然纤维素或蛋白质等改性而成 如粘胶纤维 铜氨纤维 醋酸纤维等 合成纤维是指由合成高分子化合物经纺丝而成的 如涤纶 锦纶 腈纶 维尼纶等 纤维制品 热塑性弹性体 定义 指在高温下能塑化成型而在常温下能显示橡胶弹性的一类材料特点 以交联形式 化学和物理交联 而成的网状结构 交联具有可逆性 T升高时 交联消失 T冷却至室温 这些交联又起到与硫化橡胶交联键类似的作用 热塑性弹性体 既具有类似硫化橡胶的物理机械性能 又有类似热塑性塑料的加工特性 加工过程中产生的边角料及废料均可重复加工使用 这类新材料自1958年问世以来 引起极大重视 被称为 橡胶的第三代 得到迅速发展目前已经工业化生产的有聚烯烃类 苯乙烯嵌段共聚类 聚氨酯和聚酯类 高分子合金 由塑料与橡胶 塑料与塑料经物理共混合或经接枝 嵌段共聚或互穿聚合物网络等化学改性制成的宏观均相 微观上分相的一类材料的总称 添加剂 添加剂也称助剂 是为了改善高分子材料加工性能和制品的使用性能而使用的辅助材料 通常将添加剂分为 工艺性添加剂和功能性添加剂 添加剂 工艺性添加剂工艺性添加剂有利于高分子材料的加工 例如 硬质PVC塑料加工过程中添加热稳定剂和润滑剂 如果没有加入这两种添加剂 PVC会发生严重的热分解 加工无法进行 得不到合格产品 添加剂 功能性添加剂赋予高分子材料制品一定的性能 也可是原产品的性能得到改善 例如 聚合丙烯耐光性和耐候性极差 如果不加光稳定剂和抗氧化剂 在户外暴晒数月就会老化 添加剂分类 添加剂选用原则 与高分子化合物的配伍性 添加剂应能长期 稳定 均匀地分散在制品中并发挥效用 耐久性加工适应性制备性能的制约性不同添加剂之间的相互作用性经济性 3 高分子材料的制造 1 高分子材料与其它材料的比较 2 高分子材料的特征质量轻 密度在900 2300kg m3拉伸强度和拉伸模量较低 传热小 电气绝缘成型加工优良减震 消音性能良好等等 3 塑料工业快速发展的原因至90年代初 塑料产量已超过1亿吨 以体积计算的产量已超过钢铁 主要原因是 具有可以作为结构材料使用的物性 可替代金属材料和其它材料 优良的成型加工性 可赋予各种特殊的功能性 制造成本 价格急剧下降 4 高分子材料的制造 高分子材料的制造 聚合反应利用聚合反应是制造高分子化合物的主要手段 迄今为止 聚合技术已经进入成熟期 今后主要的任务是催化剂的改进和更节约成本的聚合方法的进一步推广 高分子材料的制造 高分子材料的制造 高分子化利用高分子化合物的化学反应性能使之改性也是一种获得预期性能高分子化合物的方法 其中羟基化 氯化 酯化 硝化等可引入官能基团 这种方法也进入成熟期 今后的工作是功能性高分子的开发 高分子材料的制造 复合化采用接枝反应 相容剂等制备高分子合金 可以获得均聚物无法具备的性能 并能赋予功能性 高分子化合物 无机物填充中偶联剂的使用改善了两组分间界面的亲和能力 提高材料的力学性能 高分子材料的制造 高分子材料的制造 高分子成型加工通常是使固体状态 粉末或颗粒 糊状或溶液状态的高分子化合物熔融或变形 经过模具形成所需的形状 并保持其已经取得的形状 最终得到制品的工艺过程 高分子材料的制造 高分子成型加工性能是指可挤压性 可模塑性 可延展性和可纺性等 高分子材料的成型加工与材料的温度特性有关每种高分子材料都有其特定的玻璃化转变温度 也称玻璃化温度 Tg 粘流温度 Tf 或结晶温度 Tm 和分解温度 Td 高分子材料的制造 4高分子材料的加工技术 4高分子材料的加工技术 事实上 高分子成型加工工艺包括成型和加工两个方面 而加工又包括机械加工 修饰和装配三个步骤 具体如下图所示 概述 高分子材料的制造 概述 高分子材料的制造 实际上 各种高分子都有其适应的成型加工方法 取决于 1 高分子化合物的性质 2 成型加工的机械 3 经济因素 4 再生性 概述 高分子材料的制造 概述 高分子材料的制造 概述 高分子材料的制造 三高分子材料的历史和未来 高分子材料工业的发展 1 高分子材料工业的初创时期1869年 Hyatt发明了用樟脑做增塑剂将硝基纤维素酯热塑加压做赛璐珞的技术 这是人工半合成的第一个高分子化合物 1907年 酚醛树脂第一个合成高分子材料问世 预示着热固性塑料时代的开始 三高分子材料的历史和未来 1920年 H Staudinger提出了高分子概念 并开展了大量的试验研究 1953获得若贝尔奖金 此期间创造了两种成型方法 1870年的用柱赛式挤出法使赛路路成型 即注射成型技术 1892年用立式注射机使赛路路成型 即挤出成型 三高分子材料的历史和未来 2 高分子材料工业发展时期时间大约 20世纪30年代到70年代聚合理论 结构与性能关系的研究 各种成型加工技术已经确立尤其是Ziegier Natta催化剂在烯烃聚合的应用 三高分子材料的历史和未来 1948年 机械共混法得到ABS合金高分子材料 绝大多数通用高分子材料 如PE PP PVC 聚苯乙烯等 以及工程塑料 如ABS PC等等都是这个时期发展起来 P J Flory 获得若贝尔奖金 三高分子材料的历史和未来 3 高分子材料全面发展时期时间 从20世纪70年代一直到至今高分子化合物的生产已处于成熟时期 产量大幅度增长 高分材料已从开发性的高分子化合物转向通过催化剂的改进合成新品级 具有可涉及性能的或综合性能更优的聚合物 转向重视添加剂的开发改善高分子的性能 高分子合金化及其技术 反应性加工技术 无机 有机复合材料已成为重点 我国高分子成型工业的发展我国最早的高分子加工技术是1920年出现在广州的橡胶制品加工 大量的高分子加工工作始于20世纪50年代 1953年徐僖在四川化工学院建立了我国第一个塑料加工专业 19