第一章材料加工绪论.ppt

2020 3 20 1 教学目的和要求1 掌握高分子材料的分类及加工方法 2 了解高分子材料的地位 重点和难点1 高分子材料的加工过程2 塑料和橡胶的生产方法 介绍高分子材料以及高分子材料加工的一些基本知识 以便于讲授后面章节的内容 2020 3 20 2 第一节地位和发展情况一 发展简史 简单回顾 二 发展趋势 一 高分子材料科学发展趋势 高性能化 精细化 高功能化 智能化 复合化 主要发展方向 应用于电子信息技术 挑战性的重大课题 材料的发展方向 处于发展初期 2020 3 20 3 二 高分子材料生产技术发展趋势 综合利用原料 强化生产 简化工艺 实现连续化 自动化 最佳化 节省资源 能源 实现清洁生产 2020 3 20 4 第二节高分子材料的加工过程 原料 基础阶段 粒状固体输送 熔融 增压和泵送 混合 脱挥发分汽提 成型 口模成型 纤维纺丝 膜 片 管 型材挤出 电线 电缆等 模塑和浇铸 注射成型 模压 传递模塑 二次成型 热成型中空吹塑 冷成型 压延和涂覆 压延 刮涂 辊压涂覆 涂塑 蘸涂 粉料搪塑 回转模塑 结构化修饰机械紧固粘接热合焊接着色电镀印刷 制品 后成型操作 2020 3 20 5 一 高分子材料加工的基础阶段 固体颗粒的处理 如输送 筛选 混合等处理 涉及到颗粒的装填 集聚 重力流动和机械引起的流动等 增压和泵送 对于聚合物流体的一种操作 受聚合物流变性质的影响 2020 3 20 6 脱挥发份和气提 不常用 如 排气挤出机中脱挥发份 混合 指聚合物与其他组分在组成和温度上组成一个多组分均相体系 溶解 熔融或加热软化 成型前的操作 一个非常重要的阶段 重点介绍 2020 3 20 7 此外还可以详细划分 塑料的成型 挤出 注射 压延 模压 二次成型等 橡胶成型 挤压 压延 注出等 纤维的成型 纺丝等 二 高分子材料的成型口模成型 凡是成型时使聚合物流体通过口模的成型均属于口模成型 例如 纤维纺丝 塑料薄膜和板材 片材 异型材 电线和电缆绝缘包皮的涂覆等 2020 3 20 8 包括热塑性和热固性聚合物为模具 供料 的所有方法 主要有 注射成型 传递模塑 模压成型 以及单体或低分子量的聚合物的普通浇铸和 原位 聚合 稳定的连续过程 在橡胶和塑料的生产中应用很多 一般采用辊筒做主要部件 例如 塑料压延膜 人造革等 橡胶压片 贴合 模塑和铸塑 压延和涂覆 涂塑 在模具的内表面或外表面敷上一层比较厚的涂层的操作 比如 蘸涂 粉料搪塑 粉料涂覆和旋转模塑等加工方法 二次成型 指已经经过预成型的聚合物的进一步成型 例如 纤维的拉伸 塑料的热成型 吹塑和冷成型等 2020 3 20 9 第三节高分子材料的基本概念 塑料 纤维 橡胶 涂料 粘胶剂 以聚合物为基础 加入 或不加 各种助剂和填料 经加工形成的塑性材料或刚性材料 具有可逆形变的高弹性材料 纤细而柔软的丝状物 长度至少为直径的100倍 涂布于物体表面能成坚韧的薄膜 起装饰和保护作用的聚合物材料 能通过粘合的方法将两种以上的物体连接在一起的聚合物材料 高分子材料 2020 3 20 10 1 塑料的基本概念塑料 Plastics 是以合成或天然的高分子化合物为基本成分 在其制造或加工过程中的某一个阶段能流动成型或原位聚合而成型 产品最后能固化成保持形状不变的材料 其产品状态为柔韧性或刚性的固体 解释 聚合物 树脂 助剂 添加剂 主要性能是由聚合物决定 加入助剂的目的 改善加工性能 赋予制品某些使用性能 降低成本 塑料 2020 3 20 11 低分子化合物经过聚合反应制成的高分子化合物 再经过加工成型的塑料制品 例如聚乙烯 PE 聚丙烯 PP 聚苯乙烯 PS 聚氯乙烯 PVC 酚醛树脂 PF 等 2 塑料的分类 按照来源 指用天然的高分子材料制造的塑料 例如 纤维素塑料等 合成塑料 半合成塑料 2020 3 20 12 受热时可以塑化和软化 冷却时凝固成型 温度的改变可以令其反复变形的塑料 这类塑料的高分子链结构通常是线型或支化度比较低的 粘流温度低于热分解温度 如 PP PE PVC PS ABS 受热时塑化和软化 发生化学交联反应并固化成型 冷却后再次受热不再发生软化变形 如 酚醛树脂 环氧树脂 热塑性塑料 热固性塑料 按照受热行为 2020 3 20 13 成本低 产量大 性能多样化 主要用来生产日常用品或一般的工农用品 如 人造革 塑料薄膜 电线电缆等 PP PE PVC 酚醛树脂等 成本高 产量低 具有优良的机械性能和耐热性 耐化学腐蚀性 耐摩擦等 可以作为工程材料 制成轴承 齿轮来代替金属材料 陶瓷材料等 如 POM PA PC PET PTFE 改性PP 聚苯硫醚 聚芳酯等 通用塑料 工程塑料 按照使用行为 2020 3 20 14 3 塑料的主要品种 聚乙烯 PE 聚丙烯 PP 聚苯乙烯 PS 聚氯乙烯 PVC 丙烯腈 丁二烯 苯乙烯共聚物 ABS 甲基丙烯酸甲酯 PMMA 聚酰胺 PA 聚氨酯 PU 2020 3 20 15 1 橡胶的基本概念橡胶是弹性的高分子材料 也称为弹性体 天然橡胶是最早被使用的高分子材料 大概在11世纪 合成橡胶是在1914年在德国开始使用的 橡胶 2020 3 20 16 2 橡胶的性能 1 具有橡胶状弹性 弹性模量小 形变能达到100 它是由于大分子链形状的改变 即源于构象熵的变化 属于熵弹性 2 具有粘弹性 橡胶是粘弹体 在外力作用下的形变受时间 温度等条件的支配 表现明显的应力松弛和蠕变现象 在震动或交变应力等作用下 产生滞后 服从时温等效法则 3 有缓冲减震作用 由于橡胶的柔软性 弹性 粘弹性等 对声音及振动的传播有缓冲作用 可以利用这一点来防除噪音和振动公害 2020 3 20 17 4 对温度依赖性比较大 橡胶因为粘弹性显著受温度影响 例如 橡胶在低温时处于玻璃态并脆化 在高温时发生软化 熔融 热氧化 热分解 燃烧 5 具有电绝缘性 因为属于高分子材料 是电绝缘材料 也可以加入某些助剂变成导电橡胶 6 有老化现象 由于环境的变化 会导致高分子链的老化 如 断链 7 必须加入配合剂 为了成型和使用 提高橡胶材料的工程价值 必须加入配合剂 2020 3 20 18 3 橡胶的分类和品种 2020 3 20 19 天然橡胶 天然橡胶主要是从天然植物中采集出来的一种乳白色液体 经过加工制成的高弹性材料 其成分中91 94 是橡胶烃 其余为蛋白质 脂肪酸 灰分 糖类等非橡胶物质 天然橡胶是应用最广的通用橡胶 大分子链的主要成分是顺 1 4 聚异戊二烯 2020 3 20 20 合成橡胶 以单体分子通过聚合或缩合反应合成的具有不同化学组成及结构的高分子化合物 合成橡胶种类很多 按使用又分为通用橡胶 特种橡胶和其它橡胶三类 用以代替天然橡胶来制造轮胎及其它常用橡胶制品 称为通用合成橡胶 而具有特殊性能的如耐侯性 耐热性 耐臭氧性等 用于制造特定条件下使用的橡胶制品为特种合成橡胶 2020 3 20 21 橡胶按外观形态 块状生胶 乳胶 液体橡胶和粉末橡胶乳胶为橡胶的胶体状水分散体 液体橡胶为橡胶的低聚物 未硫化前一般为粘稠的液体 粉末橡胶是将乳胶加工成粉末状 以利配料和加工制作 2020 3 20 22 1 丁苯橡胶 SBR 2 顺丁橡胶 BR 3 异戊橡胶 IR 4 氯丁橡胶 CR 5 乙丙橡胶 EPR 6 丁基橡胶 IIR 7 丁腈橡胶 NBR 8 硅橡胶 9 氟橡胶 10 聚氨酯橡胶 11 热塑性弹性体 12 天然橡胶 NR 橡胶品种 2020 3 20 23 1 纤维的基本概念纤维 fiber 是一种细长形状的物体 其长度与直径之比至少10 1 其截面积小于0 05mm2 传统的纺织用纤维 长径比1000 1 还具有一定的柔曲性 强度 伸长和弹性等 纤维 2020 3 20 24 2 纤维的分类 纤维 天然纤维 化学纤维 植物纤维 棉花 麻动物纤维 羊毛 蚕丝矿物纤维 石棉 合成纤维 人造纤维 粘胶纤维醋酸纤维铜铵纤维 聚酯纤维聚丙烯腈纤维聚丙烯纤维聚乙烯醇纤维聚四氟乙烯纤维聚氨酯纤维 2020 3 20 25 3 合成纤维的品种 1 聚酯纤维 2 聚丙烯腈纤维 3 聚酰胺纤维 4 聚丙烯纤维 5 聚乙烯醇纤维 6 聚氨酯纤维 7 聚氯乙烯纤维 2020 3 20 26 1 粘合剂能把各种材料粘合在一起的物质 称为胶粘剂 又称粘合剂 胶粘剂通常由几种材料配制而成 其中主体材料起到粘合作用 并赋予胶粘剂一定的机械强度 主体材料就是各种树脂等合成的高分子材料 淀粉 蛋白质等天然物质 如 热固性的酚醛树脂 环氧树脂 有机硅树脂 氨基树脂 热塑性的尼龙 线性聚酯 橡胶类的丁基橡胶 氯丁橡胶 丁腈橡胶等等 其它 2020 3 20 27 2 涂料涂料是指应用于物体表面能结成坚韧保护膜的物质的总称 因为过去的涂料都是用植物油和天然树脂熬炼而成的 因此一直称做油漆 主要分类方式是按照成膜物来进行 油性涂料 天然树脂涂料 沥青涂料 醇酸树脂涂料 酚醛树脂涂料 氨基树脂涂料 硝基涂料 纤维素涂料 过氯乙烯涂料 乙烯基涂料 丙烯酸树脂涂料 聚酯树脂涂料 环氧树脂涂料 氨基甲酸酯涂料 元素有机涂料 橡胶涂料 其他涂料 2020 3 20 28 第四节高分子材料的生产方法 一 塑料的生产方法二 橡胶的生产方法三 合成纤维的生产方法四 胶粘剂的生产五 涂料的生产 2020 3 20 29 塑料工业包括两个生产系统 即塑料的生产 包括树脂和半成品的生产 和塑料制品的生产 也称塑料的成型加工 见书P97 塑料的生产包括 原料的准备和配制 成型和制品的后加工 一 塑料的生产方法 2020 3 20 30 1 物料的组成聚合物 增塑剂 稳定剂 填料 润滑剂 着色剂 阻燃剂 抗静电剂等 2 物料的配制粉料 粒料的配制溶液的配制糊的配制 1 塑料的成型物料及其配制 2020 3 20 31 原料的准备 包括物料的预处理 称量 输送 初混合 在低于聚合物熔点或流动温度和比较缓和的剪切力作用条件下 聚合物和助剂之间的一种简单混合 初混物的塑炼 物料在高剪切力作用下热熔 剪切混合达到适当的柔软度和可塑性 使各种组分的分散更均匀 同时还依靠这种条件来驱逐其中的挥发份 塑炼物的粉碎和粒化 都是使固体物质尺寸减小的操作 但是前者的颗粒大小不等 后者比较均匀整齐 粉料 粒料的配制 2020 3 20 32 主要成分是溶质和溶剂 分为两类 聚合时特意采用溶液聚合 还有是后配制的 溶液只是为了某些成型的需要 如 流涎成膜 浸渍织物层压材料等 溶剂只是为了分散树脂 成型后要排出 慢加快搅法 低温分散法 溶液的配制 2020 3 20 33 糊状聚合物 也称为分散体 主要生产某些软制品 涂层制品 聚氯乙烯糊是比较重要的一种 采用乳液聚合方法生产的聚氯乙烯和液体增塑剂等非水溶性液体组分所组成的 糊的配制 2020 3 20 34 2 塑料的成型加工 1 挤出成型 也称挤压模塑或挤塑成型塑料挤出成型是在挤出机中通过加热 加压而使塑料以熔融流动状态连续通过口模成型的方法 挤出制品都是连续的形体 主要制品 管材 板材 薄膜 电线电缆 异型材等 挤出制品占塑料制品的40 50 大多数为热塑性塑料 2020 3 20 35 挤出产品 2020 3 20 36 2020 3 20 37 挤出过程 加料 在螺杆中熔融塑化 机头挤出 定型 冷却 牵引 切割 2020 3 20 38 挤出机 2020 3 20 39 将塑料在注射机的料筒内加热熔化 当呈流动状态时 在柱塞或螺杆的加压下被压缩向前移动 通过料筒前端的喷嘴以很快的速度注入模具中 冷却后开模取出制品 和挤出成型相比 它是间歇生产 制品的形状比较复杂 除氟塑料外的所有热塑性塑料和部分热固性塑料都可以生产 注射工艺过程 成型前的准备 预热干燥 造粒 配色等 注射过程 塑化 注射 冷却 脱模等 制件的后处理等 2 注射成型 也称注射模塑或注塑 2020 3 20 40 注射产品 2020 3 20 41 注射机 料斗 螺杆和机筒 合模部分 2020 3 20 42 注射过程 2020 3 20 43 主要生产热固性塑料 分为模压成型和层压成型 模压成型也称压缩模塑 将粉状或粒状 纤维状等放到加热的模具中 闭模后加热熔融 在压力的作用下物料充满模腔并固化 热固性塑料 或冷却热塑性塑料 脱模后即得制品 层压成型以片状材料作填料 例如纸 布 玻璃布等 加入胶粘剂 各种树脂溶液或液态树脂 通过压制成型获得层压材料 生产过程包括填料的浸胶 浸胶材料的干燥 压制等 3 压制成型 2020 3 20 44 压机 生产过程 加料闭模排气固化脱模模具吹洗后处理等 2020 3 20 45 压延成型是生产薄膜和片材的主要方法 将已经塑化好的接近粘流温度的热塑性塑料通过一系列相向旋转的水平辊筒间隙 使物料承受挤压和延展作用 成为具有一定厚度 宽度与表面光洁度的制品 多用于聚氯乙烯的成型 生产薄膜的范围为0 05 0 5mm 此外还可以生产人造革 塑料贴合纸等 特点 压延成型的设备庞大 投资大 生产能力大 可以连续生产 制品的宽度受设备的限制 4 压延成型 2020 3 20 46 2020 3 20 47 主要用于聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯的成型 此类材料熔点高 熔体粘度大 适合于类似粉末冶金的方法 该法称为模压烧结成型 聚四氟乙烯的烧结成型是将粉末状的聚四氟乙烯冷模压成密实的预成品 然后加热高于熔点温度 327 使树脂颗粒相互熔结 形成密实的连续整体 冷却成制品 步骤 树脂选择 捣碎过筛 加料预成型 烧结 冷却 后加工 车床车成膜 5 模压烧结成型 2020 3 20 48 2020 3 20 49 包括 静态铸塑 浇铸 嵌铸 封入成型 如工艺美术品 保存的标本 精密电子装置 离心浇铸 生产管状物 空心制品 齿轮 轴承 流延成膜 胶片 等 此外还有搪塑 滚塑等 以上成型采用液态的树脂或一定粘度溶液 6 铸塑成型 2020 3 20 50 滚塑成型又称旋塑 旋转成型 旋转模塑 旋转铸塑 回转成型等 滚塑成型工艺是先将原料加入模具中 然后模具沿两垂直轴不断旋转并使之加热 模内的塑料原料在重力和热能的作用下 逐渐均匀地涂布 熔融粘附于模腔的整个表面上 成型为所需要的形状 再经冷却定型而成制品 滚塑成型 2020 3 20 51 滚塑设备 2020 3 20 52 滚塑产品 2020 3 20 53 也称传递模塑或注压成型将热固性塑料放在加料室中加热熔化 借助压力 使塑料熔融物通过铸口进入模型而成型的一种方法 7 传递成型 2020 3 20 54 泡沫塑料是以气体物质为分散相 以固体树脂为分散介质组成的分散体 是一类多孔的塑料制品 泡沫塑料有硬质 半硬质 软质 开孔 闭孔 等等 引入气体的方法有机械方法 物理方法 化学方法等 几乎所有的塑料都可以发泡 主要有 PE PS PU PVC等 发泡时必须使树脂处于液态或一定黏度范围 可以采用很多的成型方法 8 泡沫塑料成型 2020 3 20 55 PS PU PE PVC 2020 3 20 56 9 中空吹塑成型 2020 3 20 57 生产中空制品的一种方法 将挤出或注射成型的管状型坯趁热于半熔融 类似橡胶状放在模具中 并在管状型坯中通入压缩空气吹胀 使其紧贴于模腔 冷却脱模成型 中空成型设备 2020 3 20 58 中空成型过程 2020 3 20 59 属于二次成型 利用热塑性塑料的片材作为原料 将其裁成一定尺寸和形状 夹在模具框 一模或双模 中 加热软化 在压力 压缩空气或抽真空 的作用下 让他紧贴模具 冷却成型 10 热成型 2020 3 20 60 热成型产品 2020 3 20 61 橡胶的加工是指由生胶及其配合剂经过一系列化学与物理作用制成橡胶制品的过程 包括 塑炼 混炼 成型 硫化等工序 二 橡胶的生产方法 2020 3 20 62 塑炼是通过机械 热 氧或加入化学试剂等方式使生胶由强韧的弹性状态转变为柔性 便于加工的塑性状态 实质就是橡胶分子链的断裂 大分子长度的降低 1 塑炼 只有橡胶具有了一定的可塑性才能与各种配合剂均匀混合 保证橡胶均匀的性质 2020 3 20 63 混炼是指塑炼胶与配合剂均匀混合的过程 配合剂加入的目的是提高橡胶的使用性能 改进橡胶的工艺性能 降低成本等 混炼是橡胶加工过程中多产品质量影响比较大的工序之一 2 胶料的混炼 混合过程 2020 3 20 64 在橡胶的加工工序中 成型可大体分为两种情况 模型制品的生产和非模型制品的生产 橡胶的压延和压出一般用来生产橡胶半制品 属于非模型制品的生产 非模型制品必须再经过硫化反应才能成为最终的制品 橡胶的模压和注出属于模型制品的生产 即在成型时同时完成定型和硫化等工序 3 成型和硫化 2020 3 20 65 1 橡胶的压延这是生产橡胶半制品的主要工艺之一 根据制品和工艺的要求可以采用二辊 三辊 四辊等压延机 通过热的辊筒对胶料的辊压完成压延工艺的要求 2 橡胶的压出橡胶的压出也称为橡胶的挤出 所采用的设备与生产塑料制品的挤出机基本相同 生产橡胶的挤出机一般称为压出机 混炼胶在压出机中受到加热和塑化 通过螺杆的转动 使胶料在螺杆和料筒强大的挤压作用下 不断前进 进入压出机的口型压出具有一定断面形状的橡胶半制品 如 轮胎的胎面 内胎 胶管 胶带 电线电缆等等 2020 3 20 66 3 橡胶的模压模压成型广泛用于各种橡胶和热固性塑料的加工 模压法制备橡胶制品时可以同时完成成型过程和硫化过程 橡胶的模压成型采用平板硫化机 混炼胶或经过加工后的半成品加入到金属模具内 在平板硫化机的作用下 闭合模具 加热加压成型并保压硫化 开模 取出制品 4 橡胶的注射橡胶的注射 在橡胶行业中也成为橡胶的注出 利用注射机可以同时完成成型和硫化的工序 与塑料的注射成型相似 橡胶的注出成型经过加料 可以是胶粒 也可以是带状胶料 预热 塑化 成型硫化等工序 硫化时可进行下一周期的塑化 2020 3 20 67 橡胶产品 2020 3 20 68 橡胶的硫化是指在硫化体系的作用下 通过不同的硫化方法和硫化介质 使橡胶的线型结构变成网状交联结构的过程 硫化设备有硫化罐 平板硫化机 个体硫化机和注压硫化机等 5 硫化 2020 3 20 69 纤维的加工包括以下四个工序 原料的制备 单体聚合或树脂溶解熔融 纺丝液的制备纺丝后加工等过程 三 合成纤维的生产方法 2020 3 20 70 纺丝熔体的制备 聚合后的固体聚合物经过切片干燥除去水分后在螺杆挤出机中加热完成熔融过程 也可以利用聚合的熔体直接制备 纺丝溶液的制备 可以利用聚合溶液来获得 另外采用溶剂来溶解聚合物颗粒或粉末制成溶液 前者称为一步法 后者为二步法 1 纺丝液的制备 2020 3 20 71 熔融纺丝 熔体纺丝 溶液纺丝 2 纺丝 成型 3 纤维的后加工 拉伸 热定型 2020 3 20 72 胶粘剂的生产包括粘料 使被粘物结合在一起的起主要作用的组分 也称基料或主剂 的合成 各种配合剂和固化剂的选择 胶液的制备和调配等过程 粘料可以是热固性树脂 热塑性树脂 橡胶等 相应的胶粘剂称为热固性树脂胶粘剂 热塑性树脂胶粘剂 橡胶胶粘剂 例如 酚醛树脂 苯酚和甲醛在催化剂作用下缩聚而成 使用时固化或加热固化 可以不加固化剂 如三聚腈胺甲醛树脂 还有合成橡胶胶粘剂 氯丁橡胶 丁基橡胶 丁腈橡胶等经过塑炼 混炼后切成小块溶在溶剂中制成胶液 四 胶粘剂的生产 2020 3 20 73 涂料的生产过程包括成膜物的合成 与其它高分子化合物的合成一样 配合剂的选择 调配等工序 合成与其它用途的高分子化合物一样 生产时包括 树脂合成 涂料的配制 涂料的配制 涂料用树脂大多数是固体 即使是液体 粘度也比较高 不能直接作涂料 要加入分散介质来调整浓度和粘度 加入添加剂改变性能 催干剂 防沉淀剂 消光剂 乳化剂 防霉剂等 五 涂料的生产 2020 3 20 74 第五节高分子材料的主要品质指标 一 塑料的主要品质指标二 橡胶的主要品质指标三 合成纤维主要品质指标四 其他高分子材料的品质指标 2020 3 20 75 1 机械性能指标 拉伸强度 抗弯强度 挠曲强度 冲击强度 弹性模量 硬度 伸长率 2 物理性能指标 密度 吸水性 光学性质 光泽度 透光度 白度等 热性能 热变形温度 长期使用的最高和最低温度 电性能 包括介电常数 体积电阻 表面电阻 击穿电压 消音性 防磁性3 稳定性指标 耐老化性 耐化学品 耐燃性 耐生物作用 4 加工性能指标 流动性 熔融指数 一 塑料的主要品质指标 2020 3 20 76 1 生胶的加工性能指标 可塑度 门尼粘度 门尼焦烧 2 硫化胶的指标 定伸强度 永久变形 邵尔硬度 摆锤弹性 耐磨性 耐低温性 二 橡胶的主要品质指标 2020 3 20 77 1 物理性能 线密度 吸湿性 密度 光泽 2 机械性能 断裂强度 断裂伸长率 初始模量 回弹性 耐疲劳性 耐磨性 卷曲性 3 稳定性指标 对高温作用的稳定性 对化学试剂作用的稳定性 对日光和大气作用的稳定性 4 阻燃性 5 染色性 三 合成纤维主要品质指标 2020 3 20 78 1 胶粘剂 1 物理性能指标 相对密度 粘度 固体含率 固化速度 2 机