高分子加工学其他材料成型

1、第第9章章 其它材料的成型加工方法其它材料的成型加工方法 9.1 9.1 合成纤维的成型加工合成纤维的成型加工(1)(1)概述概述n 纤维纤维柔韧的细而长的物质柔韧的细而长的物质n 纤维的分类、品种和用途纤维的分类、品种和用途 天然纤维：从动植物得到纤维天然纤维：从动植物得到纤维纤维纤维 合成纤维：用天然或合成的高分子化合物经过合成纤维：用天然或合成的高分子化合物经过 化学加工而得到的纤维化学加工而得到的纤维 再生纤维再生纤维：醋酯、粘胶、铜氨、蛋白质纤维醋酯、粘胶、铜氨、蛋白质纤维化学纤维化学纤维 无机纤维：无机纤维：玻璃、碳素、金属纤维玻璃、碳素、金属纤维 合成纤维合成纤维 聚酯纤维聚酯纤

2、维(涤涤) 聚酰胺纤维聚酰胺纤维(锦纶锦纶) 聚丙烯腈纤维聚丙烯腈纤维 (腈纶腈纶) 聚乙烯醇纤维聚乙烯醇纤维(维尼纶维尼纶) 聚丙烯纤维聚丙烯纤维(丙纶丙纶) 聚氯乙烯纤维聚氯乙烯纤维(氯纶氯纶) 聚乙烯纤维聚乙烯纤维(乙纶乙纶) 聚氨酯纤聚氨酯纤 (氨纶氨纶) 特种合成纤维特种合成纤维n 再生纤维：再生纤维：用不能直接纺织的天然纤维素或天然蛋用不能直接纺织的天然纤维素或天然蛋白质为原料，经过化学处理和化学加工而制得。白质为原料，经过化学处理和化学加工而制得。n 合成纤维：合成纤维：用石油、天然气、煤及农副产品为原料，用石油、天然气、煤及农副产品为原料，经一系列的化学反应，制成合成高分子化合

3、物，再经一系列的化学反应，制成合成高分子化合物，再经加工而制得的纤维。经加工而制得的纤维。n 无机纤维：无机纤维：用用玻璃、金属等无机物做成的玻璃、金属等无机物做成的n 港台将港台将合成纤维叫人造纤维合成纤维叫人造纤维纤维的用途纤维的用途n纺织制品纺织制品 n纤维增强复合材料纤维增强复合材料 n医用纤维医用纤维 n活性材料活性材料n 合成纤维纺丝合成纤维纺丝将聚合物制成具有纤维结构及将聚合物制成具有纤维结构及其综合性能的纺丝纤维的过程。其综合性能的纺丝纤维的过程。 熔融纺丝熔融纺丝n 纺丝方法纺丝方法 溶液纺丝溶液纺丝 干法纺丝干法纺丝 湿法纺丝湿法纺丝 n熔融纺丝法熔融纺丝法：高聚物加热：高

4、聚物加热熔体熔体细流冷却细流冷却纤维纤维n溶液纺丝法溶液纺丝法：高聚物溶于溶剂：高聚物溶于溶剂溶液细流成为纤维溶液细流成为纤维纺丝基本步骤纺丝基本步骤n 纺丝流体在喷丝毛细孔中流动纺丝流体在喷丝毛细孔中流动n 从喷丝孔中的剪切流动向纺丝线上的拉伸流从喷丝孔中的剪切流动向纺丝线上的拉伸流动的转化动的转化n 流体丝条的单轴拉伸流；流体丝条的单轴拉伸流；n 纤维固化纤维固化n熔体直接纺丝熔体直接纺丝 聚合后的熔体直接输送到纺丝机的纺聚合后的熔体直接输送到纺丝机的纺 丝头进行纺丝丝头进行纺丝 n间接纺丝间接纺丝 高聚物做成小颗粒切片，然后熔融纺丝高聚物做成小颗粒切片，然后熔融纺丝 熔融纺丝示意图熔融纺

5、丝示意图（2） 合成纤维的熔融纺丝合成纤维的熔融纺丝熔融纺丝设备熔融纺丝设备n挤出机挤出机n纺丝部件纺丝部件( (纺丝头纺丝头) ) 由喷丝板、过滤网、石英由喷丝板、过滤网、石英砂、垫圈、熔体分配板、内砂、垫圈、熔体分配板、内螺纹套、外螺纹套和托盘等螺纹套、外螺纹套和托盘等组成组成 n纺丝泵纺丝泵 采用齿轮泵。采用齿轮泵。n纺丝吹风窗及纺丝冷却套筒纺丝吹风窗及纺丝冷却套筒 保护丝在冷却中只受到定保护丝在冷却中只受到定量、定向和定质的气流冷却量、定向和定质的气流冷却 图图9-2 9-2 纺丝组件纺丝组件1 1厚铝垫圈厚铝垫圈 2 2薄铝垫圈薄铝垫圈 3 3外螺纹套外螺纹套( (紧圈紧圈) 4)

6、4压板压板5 5过滤网过滤网( (三层三层) 6) 6分配板分配板 7 7过滤网过滤网(6000(6000孔孔/cm/cm2 2) ) 8 8喷丝板喷丝板 9 9内螺纹套内螺纹套图图9-3 9-3 涤纶纤维螺杆挤出纺丝示意图涤纶纤维螺杆挤出纺丝示意图熔融纺丝工艺熔融纺丝工艺 n纺丝熔体制备纺丝熔体制备n熔体从喷丝孔挤出熔体从喷丝孔挤出n熔体丝条的拉伸熔体丝条的拉伸n冷却固化冷却固化n丝条上油和卷绕丝条上油和卷绕熔融纺丝的工艺条件及控制熔融纺丝的工艺条件及控制 熔融纺丝过程发生熔融纺丝过程发生物理变化物理变化（切片受热熔融（切片受热熔融成均匀的熔体，经纺丝板后冷却而成纤维）和成均匀的熔体，经纺丝

7、板后冷却而成纤维）和化学变化化学变化（切片在熔融过程中，受热、氧等发（切片在熔融过程中，受热、氧等发生降解，再聚合和凝胶化等副反应）。生降解，再聚合和凝胶化等副反应）。n 熔体温度（纺丝温度）熔体温度（纺丝温度） 熔点熔点分解温度分解温度 T T过高，过高，低，流动性好，熔体低，流动性好，熔体PP，自重引伸，自重引伸大于喷丝头拉伸，造成细丝屈曲粘结现象。大于喷丝头拉伸，造成细丝屈曲粘结现象。 T T过低，过低，大喷丝时大喷丝时,P,P要高，出丝不均，易断要高，出丝不均，易断n冷却速度冷却速度 与纺丝吹风窗和冷却套筒与纺丝吹风窗和冷却套筒T、湿度以及空速有关、湿度以及空速有关n 冷却温度冷却温度

8、 影响纺丝板温度、喷头拉伸，丝条内应力平衡以影响纺丝板温度、喷头拉伸，丝条内应力平衡以及未拉伸丝的预定向等。及未拉伸丝的预定向等。n 喷丝速度和卷绕速度喷丝速度和卷绕速度 喷丝喷丝越高，喷丝越高，喷丝P P越大，越大，降低，出孔后膨降低，出孔后膨胀有改善，经受喷头拉伸时不易断头。胀有改善，经受喷头拉伸时不易断头。 n 卷绕速度卷绕速度 比喷丝速度大得多，拉伸比喷丝速度大得多，拉伸对对纤维分子取向纤维分子取向有利有利 n 给湿及油剂处理给湿及油剂处理 熔融纺丝时，丝条从冷却套筒到卷绕装置的时熔融纺丝时，丝条从冷却套筒到卷绕装置的时间很短，纤维的含湿量与空气的湿度不平衡，间很短，纤维的含湿量与空气

9、的湿度不平衡，干燥纤维易引起静电，卷绕后易滑脱。干燥纤维易引起静电，卷绕后易滑脱。 (3) 合成纤维的高速纺丝（合成纤维的高速纺丝（POY） 特点：特点：n 纺丝纺丝高高 比常规高比常规高24倍，喷丝孔吐出量大倍，喷丝孔吐出量大n 预取向丝的存放稳定性好预取向丝的存放稳定性好 常规纺未拉伸丝随常规纺未拉伸丝随放置时间增加，放置时间增加， 纤维的性质会发生变化纤维的性质会发生变化n 卷绕筒子硬度高、质量大卷绕筒子硬度高、质量大 n 设备简单、操作容易设备简单、操作容易 纺丝过程稳定纺丝过程稳定 n 成品染色均匀性好成品染色均匀性好 n 建设投资、能耗和产品成本较低建设投资、能耗和产品成本较低 高

10、速纺丝工艺流程高速纺丝工艺流程n高速纺丝主要用于涤纶变形丝的生产，它由干高速纺丝主要用于涤纶变形丝的生产，它由干燥后的切片经过熔融挤出、预过滤、熔体分配管燥后的切片经过熔融挤出、预过滤、熔体分配管道、静态混合、纺丝组件、冷却成型、集束上油、道、静态混合、纺丝组件、冷却成型、集束上油、高速卷绕等工序。高速卷绕等工序。n高速纺丝的纺丝温度高于常规纺丝高速纺丝的纺丝温度高于常规纺丝(4) (4) 合成纤维的溶液纺丝合成纤维的溶液纺丝n 有的聚合物有的聚合物( (如聚丙烯腈如聚丙烯腈) )加热不熔融，高温会分加热不熔融，高温会分解，须用溶液纺丝法解，须用溶液纺丝法( (干法或湿法干法或湿法) )来成型

11、纤维。来成型纤维。n 干法纺丝干法纺丝将聚合物配制成纺丝溶液，用纺丝将聚合物配制成纺丝溶液，用纺丝泵喂料，经由喷丝头喷出液体细流，进入热空气泵喂料，经由喷丝头喷出液体细流，进入热空气套筒，使细流中的溶剂遇热蒸发，而高聚物则随套筒，使细流中的溶剂遇热蒸发，而高聚物则随之凝固成纤维。之凝固成纤维。n 湿法纺丝湿法纺丝将将成纤高聚物的浓溶液过滤脱泡后，成纤高聚物的浓溶液过滤脱泡后，通过计量泵并从喷丝头挤出，在凝固浴的作用下，通过计量泵并从喷丝头挤出，在凝固浴的作用下，使使纺丝细流纺丝细流凝固凝固而成纤维。而成纤维。n 溶液纺丝设备溶液纺丝设备：水平浴式纺丝机水平浴式纺丝机n 溶液湿法工艺溶液湿法工艺

12、图图9-8 湿法纺丝工艺流程图湿法纺丝工艺流程图 丙烯腈在硫氰酸钠溶丙烯腈在硫氰酸钠溶液中进行溶液聚合，将液中进行溶液聚合，将聚丙烯腈硫氰酸钠水溶聚丙烯腈硫氰酸钠水溶液，经脱单体、脱泡、液，经脱单体、脱泡、过滤，制得纺丝溶液；过滤，制得纺丝溶液；然后经烛形过滤器，由然后经烛形过滤器，由喷丝头喷出。喷出的浆喷丝头喷出。喷出的浆液细流在凝固浴凝固成液细流在凝固浴凝固成型为丝条。再拉伸型为丝条。再拉伸n纺丝溶液纺丝溶液 粘度粘度、均匀性均匀性 、脱泡程度脱泡程度 n凝固浴凝固浴 浓度、浓度、温度温度、凝固浴的浸长凝固浴的浸长 n纺丝速度纺丝速度 湿纺喷丝湿纺喷丝缓慢，且大于缓慢，且大于经过出凝固浴的

13、经过出凝固浴的，即丝条，即丝条在凝固浴中是松驰前进的，在凝固浴中是松驰前进的，喷丝头拉伸为负值。喷丝头拉伸为负值。图图9-9 9-9 湿法成型示意图湿法成型示意图1 1纺丝溶液纺丝溶液 2 2喷丝孔截面喷丝孔截面 3 3凝固的单纤维凝固的单纤维 4 4、5 5绕丝绕丝导轮导轮 6 6截面线截面线 7 7截面截面6 6处处纤维内层纤维内层 8 8截面截面6 6处纤维外处纤维外层层 9 9凝固浴凝固浴 影响溶液湿法纺丝的因素影响溶液湿法纺丝的因素干法纺丝干法纺丝n 纺丝溶液的制备同湿法纺丝相同纺丝溶液的制备同湿法纺丝相同n 干纺浓度干纺浓度湿纺浓度，如湿纺浓度，如PAN湿纺浓度是湿纺浓度是1520

14、，而其干纺浓度为，而其干纺浓度为2630。 纺丝液从纺丝机顶部，纺丝液从纺丝机顶部， 经过烛形过滤器、加经过烛形过滤器、加热器，然后进入喷丝头。喷出细丝进入有夹套加热器，然后进入喷丝头。喷出细丝进入有夹套加热的纺丝套筒热的纺丝套筒(T(T在在165165180)180)，细丝中的，细丝中的DMFDMF受受热挥发，随气流带走，细丝则干燥而成纤维。热挥发，随气流带走，细丝则干燥而成纤维。 图图9-10 9-10 干法纺丝工艺流程图干法纺丝工艺流程图 3 3过滤器过滤器 4 4计量泵计量泵 5 5纺丝甬道纺丝甬道 6 6洗涤槽洗涤槽 7 7拉伸浴拉伸浴槽槽 8 8干燥定型干燥定型( (长丝长丝) 9

15、) 9卷曲机卷曲机 1010干燥热定型干燥热定型( (丝束丝束) )(5)纤维的拉伸纤维的拉伸 先预热拉伸，后蒸汽拉伸先预热拉伸，后蒸汽拉伸 (6)纤维的后处理纤维的后处理 水洗除纤维内少量的水洗除纤维内少量的NaSCN 上油：增加纤维柔软性，消除静电上油：增加纤维柔软性，消除静电 热定型：热定型：9.2 9.2 橡胶的成型加工橡胶的成型加工 （1 1）概述）概述n 橡胶橡胶: : 高弹性高分子化合物的总称，也称为弹性高弹性高分子化合物的总称，也称为弹性 体。橡胶体。橡胶无外力作用下，不会结晶；若有外无外力作用下，不会结晶；若有外 力作用下，亦可结晶。力作用下，亦可结晶。n 生胶：生胶：在室温

16、下具有高弹性的线型高分子化合物在室温下具有高弹性的线型高分子化合物, ,用用 作橡胶制品的原料。作橡胶制品的原料。 天然天然橡胶橡胶 从天然植物采集出来的从天然植物采集出来的高弹性高弹性材料材料 生胶生胶 合成合成橡胶橡胶 用人工合成方法制得用人工合成方法制得高弹性高弹性材料材料 天然橡胶天然橡胶 橡胶烃橡胶烃 非橡胶烃组分非橡胶烃组分合成橡胶合成橡胶丁苯橡胶丁苯橡胶 最大量最大量 聚丁二烯橡胶聚丁二烯橡胶 1,2加成物，加成物， 1,4加成物加成物 顺丁橡胶顺丁橡胶 产量大，难结晶产量大，难结晶 反式聚丁二烯橡胶反式聚丁二烯橡胶 易结晶易结晶聚异戊二烯橡胶聚异戊二烯橡胶 顺式，反式顺式，反式

17、氯丁橡胶氯丁橡胶 氯丁二烯聚合物氯丁二烯聚合物丁基橡胶丁基橡胶 异丁烯和少量的异戊二烯的聚合物异丁烯和少量的异戊二烯的聚合物乙丙橡胶乙丙橡胶 聚乙烯和聚丙烯共聚物聚乙烯和聚丙烯共聚物 PEPE塑料和塑料和PPPP塑料共聚后为什么就成了塑料共聚后为什么就成了橡胶橡胶？ PP,PE是结晶聚合物，若破坏了它的结晶性，规是结晶聚合物，若破坏了它的结晶性，规整性，可出现高弹区整性，可出现高弹区丁腈橡胶丁腈橡胶 丁二烯和丙烯腈共聚物丁二烯和丙烯腈共聚物聚氨酯橡胶聚氨酯橡胶硅橡胶硅橡胶 主链上引入硅氧键的合成橡胶主链上引入硅氧键的合成橡胶n橡胶制品橡胶制品轮胎轮胎 （飞机轮胎、汽车轮胎、实心胎）（飞机轮胎、

18、汽车轮胎、实心胎）带管（胶胶、胶带）带管（胶胶、胶带）胶布胶布工业制品（胶辊、海棉、胶液）工业制品（胶辊、海棉、胶液）生活用品（胶鞋、文化体育用品）生活用品（胶鞋、文化体育用品）橡胶制品橡胶制品生产示意生产示意（2 2） 橡胶的硫化橡胶的硫化n 硫化硫化混炼胶（含硫化剂）在一定温度下经混炼胶（含硫化剂）在一定温度下经加热产生的反应过程。加热产生的反应过程。n 硫化胶硫化胶(橡皮橡皮)生胶的线型大分子链在硫磺生胶的线型大分子链在硫磺或其它交联剂的作用，生成具有网状结构的聚或其它交联剂的作用，生成具有网状结构的聚合物，该聚合物称为硫化合物，该聚合物称为硫化(橡橡)胶。其物理机械胶。其物理机械性能性

19、能(弹性、抗张强度、扯断强度、耐温性等弹性、抗张强度、扯断强度、耐温性等)大大提高。大大提高。n 硫化过程硫化过程使生胶生成网状高分子的过程使生胶生成网状高分子的过程 Cure 硫化，交联硫化，交联 Crosslink 交联交联图图9-13 9-13 橡胶在硫化过程中橡胶在硫化过程中物理机械性能的变化物理机械性能的变化1 1拉伸强度拉伸强度 2 2定伸强度定伸强度 3 3弹性弹性 4 4伸长率伸长率 5 5硬度硬度 6 6永久变形永久变形 硫化对橡胶性能的影响硫化对橡胶性能的影响 S S SnS S S 硫化胶的化学结构硫化胶的化学结构橡胶补强和填充橡胶补强和填充n 补强作用补强作用在橡胶中加

20、入碳黑等物质在橡胶中加入碳黑等物质, ,使橡胶的使橡胶的物理机械性能有显著提高，这种作用称为补强作物理机械性能有显著提高，这种作用称为补强作用，能使橡胶得到补偿作用的物质称为补强剂。用，能使橡胶得到补偿作用的物质称为补强剂。n 碳黑碳黑 95%95%是是C,C,还有还有H,O,S,H,O,S,既可补强，又可填充既可补强，又可填充 n 白炭黑（白炭黑（SiOSiO2 2) ) 白色粉状补强材料白色粉状补强材料 橡胶配方设计橡胶配方设计 生胶生胶 硫化剂硫化剂 硫化促进剂硫化促进剂 补强剂补强剂 橡胶原料橡胶原料 活性剂活性剂 防焦剂防焦剂 防老剂防老剂 填充剂填充剂 增塑剂增塑剂 着色剂着色剂

21、配合剂配合剂n 配合剂配合剂橡胶加工时，将各种组分加入生胶橡胶加工时，将各种组分加入生胶中，发生化学作用或物理作用，使橡胶的结构中，发生化学作用或物理作用，使橡胶的结构发生变化，从而提高制品的物理机械性能或改发生变化，从而提高制品的物理机械性能或改善其加工性能。善其加工性能。n 硫化剂硫化剂使橡胶发生硫化反应的配合剂使橡胶发生硫化反应的配合剂n 硫化促进剂硫化促进剂能加快橡胶硫化反应的组分能加快橡胶硫化反应的组分（3 3） 硫化过程的四个阶段硫化过程的四个阶段图图9-14 9-14 橡胶硫化历程图橡胶硫化历程图 （1 1）焦烧阶段）焦烧阶段（硫化诱导期）硫化诱导期） 指胶料开始变硬，从此不能热

22、塑性指胶料开始变硬，从此不能热塑性流动那一刻的时间。流动那一刻的时间。 （2 2）预硫阶段）预硫阶段 焦烧期以后橡胶开始交联的阶段。焦烧期以后橡胶开始交联的阶段。 （3 3）正硫化阶段）正硫化阶段 橡胶的交联反应达一定程度，此时橡胶的交联反应达一定程度，此时物理机械性能均达到或接近最佳值。物理机械性能均达到或接近最佳值。 （4 4） 过硫阶段过硫阶段 主要是交联键发生重排作用，以及主要是交联键发生重排作用，以及交联键和链段热裂解的反应。交联键和链段热裂解的反应。 (4)正硫化正硫化n 正硫是胶料达到最大交联密度时的硫化状态正硫是胶料达到最大交联密度时的硫化状态. n 硫化方法与设备硫化方法与设

23、备室温硫化法室温硫化法 冷硫化法冷硫化法 高能辐射硫化法高能辐射硫化法 热硫化法热硫化法 (5) (5) 硫化工艺及条件硫化工艺及条件n 硫化压力硫化压力防止硫化过程产生气泡，提高胶料的致密性；防止硫化过程产生气泡，提高胶料的致密性；易于胶料流动和充满模槽；易于胶料流动和充满模槽；提高胶料与布层的附着力；提高胶料与布层的附着力；提高硫化胶的物理机械性能。提高硫化胶的物理机械性能。 n 硫化温度硫化温度 硫化温度高，硫化速度快，生产效率高。硫化温度高，硫化速度快，生产效率高。n 硫化时间硫化时间 对给定的胶料，在一定的硫化对给定的胶料，在一定的硫化T T和压力，有一最和压力，有一最佳硫化时间，时

24、间过长产生过硫，时间过短产生佳硫化时间，时间过长产生过硫，时间过短产生欠硫。过硫和欠硫都会使制品性能下降。欠硫。过硫和欠硫都会使制品性能下降。 橡胶的模压成型橡胶的模压成型n 与热固性塑料的模压成型相似与热固性塑料的模压成型相似n 将混炼胶或经成型后制得的橡胶半成品（坯料将混炼胶或经成型后制得的橡胶半成品（坯料）置于闭合的金属模具内加热加压，使橡胶硫化置于闭合的金属模具内加热加压，使橡胶硫化交联而定型为制品。交联而定型为制品。图图9-20 9-20 橡胶制品模压成型工艺流程橡胶制品模压成型工艺流程 橡胶的压出成型橡胶的压出成型 压出工艺是由压出机（挤出机）将胶压出工艺是由压出机（挤出机）将胶料

25、进一步混炼并在旋转螺杆强大推力的料进一步混炼并在旋转螺杆强大推力的作用下，不断地压入模头通过口模制成作用下，不断地压入模头通过口模制成各种断面形状的橡胶半成品。各种断面形状的橡胶半成品。 橡胶的注射成型橡胶的注射成型(注压注压) n与塑料注射成型相类似与塑料注射成型相类似n将胶料通过注射机加热，然后在压力作用下从机将胶料通过注射机加热，然后在压力作用下从机筒注入密闭的模型中，经热压硫化而成为制品的筒注入密闭的模型中，经热压硫化而成为制品的生产方法。生产方法。橡胶的压延橡胶的压延 使混炼均匀的胶料通过若干相对旋转使混炼均匀的胶料通过若干相对旋转辊筒间隙时，受到挤压，延展成为一定辊筒间隙时，受到挤

26、压，延展成为一定厚薄均匀胶片或在纺织物上涂胶层的一厚薄均匀胶片或在纺织物上涂胶层的一种工艺过程。种工艺过程。9.3 9.3 胶乳的成型加工胶乳的成型加工 胶乳是高聚物粒子在水介质中形成得具有一定胶乳是高聚物粒子在水介质中形成得具有一定稳定性的胶体分散体系。稳定性的胶体分散体系。 (1) 胶乳的配制胶乳的配制n胶乳配合剂先制成水溶液、水分散体和乳状液胶乳配合剂先制成水溶液、水分散体和乳状液n用搅拌方法配制水溶液用搅拌方法配制水溶液n用球磨机、砂磨机、胶体磨和高压匀浆泵制备水分用球磨机、砂磨机、胶体磨和高压匀浆泵制备水分散体，加料顺序是水散体，加料顺序是水稳定剂、分散剂稳定剂、分散剂固体粉料固体粉料n用简单混合器、匀化器、超声乳化器或胶体磨等用简单混合