华北理工高分子材料成型加工原理课件第1章 绪论

高分子成型加工原理主讲：张志明职称：副教授专业：高分子材料与工程本课程在专业学科中的定位学科培养结构大一：高等数学：思想；大学语文：中文表达；英语：英文表达；政治法律：规范（基础课）大二：无机化学；有机化学；分析化学；物理化学（化工学科基础课）大三：高分子物理；高分子化学；材料研究方法（专业基础课）大四：原料：塑料橡胶；制品工艺：原理；设备：如模具（专业课）本课程定位

联系高分子工业原料与制品的纽带，通过设备表达。本课程的内容聚合物的加工理论基础，纤维、塑料、橡胶的成型加工，涂料及粘合剂加工原理简介，以及一些特殊加工方法简介。绪论章节学时分配第一部分前言及绪论2第二部分高分子材料成型原理中的共性问题10

聚合物流体的制备聚合物的混合聚合物流体的流变性第三部分高分子材料成型原理中的个性问题26

塑料材料的成型加工原理10

专题一：吹塑、吸塑及冷压烧结成型橡胶材料的成型加工原理10

化学纤维的成型加工原理4

专题二：静电纺丝的原理及其过程涂料、粘合剂及功能高分子的简介2第四部分本课程的复习总结2合计40内容简介(共40学时)课程要求：

★简要了解聚合物加工的理论基础。（聚合物的粘弹性、流变性、流动性、加工过程中的物理和化学变化）★

基本掌握聚合物材料的成型加工原理（以塑料及聚合物复合材料为主。<原料配制、成型、加工原理和方法>）

<<<参考书：

本课程所使用的教材[1]沈新元主编.高分子材料加工原理(第2版).中国纺织出版社，2009，3.

推荐参考书[1]史玉升，李远才，杨劲松.高分子材料成型工艺.化学工业出版社，2006，7[2]王贵恒主编.高分子材料成型加工原理.化学工业出版社，2003，9（参考教材，第一版1982，2）

<<<背景参考书：

1.

《高分子化学及物理学》（成都科大、北京化工大学、天津轻工业学院）

2.《高聚流变学》金日光

3.《塑料成型工艺学》北京塑料工业出版社

4.《PrinciplesofPolymerEngineering》N.G.McCrum,C.P.Buckley.C.B.Bucknall.5.《聚合物成型原理及成型技术》瞿金平、胡汉杰、化工版

6.《高分子材料成型加工》周达飞.轻工版

7.《聚合物加工工程》赵素合.轻工版<<<高分子科学：高分子化学：单体聚合物（反应、反应速率等）高分子物理：结构性能（分子量、分子运动）高分子材料成型加工：原料材料、产品

（如何运用）基本任务：聚合物加工是将聚合物转变成实用材料或制品的一门工程技术。*任务：①改进转变方法。②了解产品性能与原材料及加工条件之间的关系。课程介绍：<<<成型加工方法分类：

1．

基本上只发生物理变化：对热塑性材料升温流动冷却固化

2．

只有化学变化：嵌铸

3．

兼有物理、化学变化：压模<<<第一节

高分子材料的基本概念和主要品种

一、概述问题1.什么是高分子?(复习)2.什么是高分子材料?3.什么是高分子材料加工?

基本概念1.高分子(高分子化合物,大分子,聚合物)

(macromoleculecompound,macromolecule，polymer）：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。

高分子(大分子)与聚合物的区别?

高聚物与聚合物的区别?2.高分子材料(PolymerMaterials）：“高分子材料”和“高分子”是有区别的。

高分子材料是以高分子为基体组分的材料。

高分子材料是组成相当复杂的一种体系。

从应用的角度，高分子材料分为为塑料、橡胶、纤维、涂料、黏合剂、聚合物基复合材料等。不同类型的高分子材料需要不同的添加成分。3.高分子材料加工

(PolymerMaterialsprocessing,Polymerprocessing)

把高分子原材料经过一定的工艺手段转变成某种高分子材料制品的过程。

二、通用高分子材料的主要种类和概念按加工方法及使用性能分类：纤维：一种细长形状（长径比>10mm）、截面积较小(<0.05mm2)的物体塑料：以合成（或天然）的高分子化合物为基本成分、在加工中通过塑化流动或原位聚合而成型，状态为柔韧性或刚性固体橡胶：以合成（或天然）的高分子化合物为基本成分的高弹性的高分子材料涂料：应用于物体表面并能结成坚韧保护膜的物质的总称胶黏剂：能把各种材料黏合在一起的物质基本概念(自学)三、新型高分子材料的主要种类和概念

（一）高性能高分子材料

指材料的机械性能、耐热性、耐久性、耐腐蚀性等性能有较大提高的高分子材料。

主要的高性能高分子材料（1）特种工程塑料（高性能塑料）

（2）特种合成橡胶

（3）高强高模合成纤维及其他的特种合成纤维

（二）功能高分子材料与常规高分子材料相比具有明显不同的物理化学性质，并具有某些特殊功能的高分子材料。主要的功能高分子材料

物理功能材料

化学功能材料

物理化学功能材料

生物功能材料

特殊功能材料导电光导蓄热磁性等物理功能高分子材料物理化学功能高分子材料高分子分离膜“形象地说，膜就是一道具有选择性渗透功能的壁障，将混合液体或者气体分隔为两相，以此达到特定成分分离的效果。”

---高从堦院士海水淡化渗透、渗透平衡和反渗透美国加州大学洛杉矶分校OmarM.Yaghi开发出一种能隔离并捕获二氧化碳分子的材料。一种ZIF结构吸附功能材料：高吸水、吸油、选择吸附等。生物功能材料

人工肾透析器人工器官用生物医学高分子材料。人工器官主要指人工内脏器官，如包括人工肾、人工关节、人工血管、心脏起搏器等。

人工肾透析原理将人体血液引出体外，利用透析膜两侧溶质浓度的差别，排出体内过剩的含氮化合物等溶质，然后将净化的血液引回体内。全世界人工肾透析器年产量超过7500万个，产值近22.5亿美元。我国肾衰竭患者约有130万人，每年需1360万只人工肾透析器。生物医学高分子材料其他主要用途

外科手术缝线PLA及其共聚物可吸收手术缝线

周围神经再生导管

人造皮肤是一种无细胞真皮替代物。外层(表皮)成分是聚硅氧烷。内层材料胶原纤维及软骨素6-硫酸。组织工程材料面临重大突破关键是构建细胞和生物材料的三维空间复合体。人造心脏瓣膜

英国伦敦大学帝国学院心脏学研究中心马格迪·亚库布博士领导研究的人造心脏瓣膜。《时代》杂志评出2007年十大科学发现之一美国发明生化电子人具有真人六七成功能(图)

美国媒体2013年10月13日报道，一批美国工程师利用人造器官、肢体和其它身体组织，成功组装出会呼吸、说话和走路的逼真生化电子人(bionicman)。这些工程师利用人造肾脏、血液循环系统，一直到植入式电子耳和视网膜等组件，组装能够实际运作的机器人。这具机器人身高6.5英尺(约1.98米)，拥有大约六、七成真人的功能，能在Rex助步机协助下，走动、坐下和站立。它配置的人工心脏，能够利用电子工具跳动和促成人造血液循环，像人类一样输送氧气。它也用植入式人工肾脏，取代现代洗肾机。虽然机器人使用的许多组件都可以发挥必要功能，可是距供人体使用还很遥远。例如，它的人工肾脏只是原型产品。它也还欠缺许多重要组件，没有消化系统、肝脏或皮肤。当然，它也没有脑子。这个生化电子人是以苏黎世大学36岁的社会心理学家梅尔(BertoltMeyer)为蓝本。梅尔天生就没有左下臂，装配了生化电子义肢。瑞士苏黎世大学社会心理学家梅尔与以他为蓝本的生化电子人在纽约市合影。

（三）智能高分子材料

（Intelligentpolymermaterials）

能随着外部条件的变化，而进行相应动作的高分子。必须具备能感应外部刺激的感应器功能、能进行实际动作的动作器功能以及得到感应器的信号后而使动作器动作的过程器功能。智能材料结构智能高分子材料能够感知机械、热、光、化学、湿度、电和磁等环境的变化或刺激并做出反应，具有传感、执行和调节适应能力。pH响应(PAN凝胶)温敏（CS-PNIP）

人类文明发展的三个阶段：→黄色文明（农业文明）→黑色文明（工业文明）→绿色文明（生态生产文明）（四）生态高分子材料高分子材料的绿色化(1)高分子材料的循环利用

(1)绿色高分子材料的研究和开发

生态高分子材料与其他新型高分子材料的区分不是其性能，而是其与环境的关系。生态高分子材料资源可再生、生产过程清洁、废弃物可降解。（1）多糖（2）蛋白质（3）核酸（4）脂肪族聚酯（5）聚氨基酸（6）聚硫酯（7）聚异戊二烯（8）聚酚资源可再生高分子材料分类天然物生物生产物合成高分子纤维素蛋白质淀粉木质素氨基酸多糖类生物纤维素生物聚酯聚己内酯聚乳酸脂肪族聚酯甲壳素一、材料的重要性

问题什么是材料？(复习)我们的周围到处都是材料。第二节高分子材料在国民经济中的地位和作用高分子材料复合材料二、高分子材料在国民经济中的地位和作用高分子材料在国民经济中的战略地位我国2010年远景规划:“振兴机械、电子、石油化工、汽车制造和建筑业”。“石油化工重点开发合成纤维、合成树脂、合成橡胶”。（一）高分子材料比传统材料发展迅速高分子材料较传统材料具有更优良的性能和显著的经济效益。性能光、电、热、磁、分离、生物、医学等效益生产投资低（原料丰富、加工容易、节省能源）应用成本低品种繁多、形态多样、用途广泛用量减少

合成高分子材料代替金属材料合成高分子材料代替天然高分子材料（二）合成高分子材料在很多应用领域能有效取代传统材料广泛采用合成高分子材料节省了许多传统材料，带来了明显的技术经济效果,推动了传统产业的现代化。例:汽车骨架结构的开发传统汽车首选金属：钢(处理工序简单、在重复利用过程中无质量损失、卓越的强度、硬度和抗老化性、重量大)。轻质骨架材料的开发过程：铝（相对轻、易塑型、成型、抗腐蚀、导热系数高；提炼耗能大、处理工艺精细、昂贵）→

发泡金属（发泡铝的多孔组织）（强度/密度比极佳、吸收能量、缓冲震动和噪声性能好）→镁及镁/铝合金（比铝轻33%，比钢轻77%）→轻质骨架组织结构（骨架占比例小）→

聚合物塑料（舒适的手感，卓越的安全性、造价经济）→整体注塑发泡技术（形成拟生物多孔骨骼组织结构、重量轻、负重大，感觉舒适自然）→流线仿生（低阻）。

（三）新型高分子材料发展空间大高分子材料为发展高新技术提供高性能结构材料、高功能材料以及满足各种特殊用途的专用材料，

在一些高新技术领域已成为不可替代的重要材料。耐热性，耐寒性，耐老化国防和航空航天尖端技术纤维素基碳纤维高纯度低密度高断裂应变低热导率耐烧蚀性项目背景洲际导弹关键部位—特种耐烧蚀增强材料导弹弹头防热层新型高分子材料的发展特点（1）材质由均质向复合方向发展；（2）性能由高性能、功能化向多功能和结构功能化方向发展；（3）尺寸向越来越小的方向发展；（4）层次由被动向主动方向发展；（5）合成和加工技术向仿生化发展；（6）原料和生产向绿色化发展。第三节高分子材料加工的学科分类

高聚物的可挤压性聚合物通过挤压作用形变时获得形状和保持形状的能力。聚合物的可模塑性聚合物在一定温度和外力作用下形变并在模具中模制成型的能力。聚合物的可纺性聚合物流体在拉伸作用下形成连续细长丝条的能力。聚合物的可延性无定形或部分结晶固体聚合物在一个或两个方向上受到压延或拉伸时变形的能力。一、高分子材料的加工性高分子材料加工是对高分子材料或体系进行操作以扩大其用途的工程，是把聚合物原材料经过多道工序转变成某种制品的过程。各种高分子材料均有独特的成型方法。

化学纤维:熔体纺丝、干法纺丝、湿法纺丝等塑料:注塑、挤塑、吹塑、压延等橡胶:塑炼、混炼、挤出、压延、硫化等而且每一种制品的原料准备和后成型操作也各不相同。二、各种高分子材料的加工方法三、高分子材料加工方法的分类

把高分子材料加工作为一门工程学科，各种高分子材料的加工学科可根据基本的工程和科学原理进行分类。聚合物加工过程及成型方法示意图

高分子材料科学与工程

“关于高分子材料组成、结构、制备工艺与其性能及使用过程相互关系的知识开发及应用的科学。”合成加工性质/现象成分/结构使用性能高分子材料科学与工程四要素高分子材料科学发展高性能化高功能化复合化和杂化智能化二、高分子材料科学的发展趋势

精细化绿色化

1.高性能化高分子材料的高性能化途径:创制新颖分子结构的高分子；通过变更聚合催化剂、聚合工艺条件、共聚、共混、交联、结晶化等进行高分子结构改性；通过新的加工方法，改变聚合物的聚集态和形态结构；通过微观复合方法，例如原位复合、分子复合。（1）特种工程塑料（高性能塑料）聚砜（PFS）芳香族聚酰胺（PARA）聚酰亚胺（PI）聚苯硫醚（PPS）聚芳酯（PAR）聚苯醚（PHB）聚醚酮（PEK）氟塑料（PF）

（2）特种合成橡胶氟橡胶：耐热、油、化学介质、强氟化剂等聚硫橡胶：耐油、溶剂、大气老化、极佳气密性氟硫化聚乙烯（CSM）:耐臭氧、阳光、氧化丙烯酸酯橡胶（ACM）：耐热、油、风化、腐 蚀、油硅橡胶聚氨酯橡胶（PUE）氯氧化橡胶（CPE）氯醇橡胶

（3）高强高模合成纤维及其他的特种合成纤维高性能纤维

低热稳定性高强度纤维

高热稳定性高强度纤维（200℃～300℃）

高热稳定性耐热纤维（≤350℃）

高热稳定性无机纤维

UHMWPE(Dyneema

tekmilon)PVA(KuralomK-Ⅱ)

对位芳纶(Kevlar、Twaron

、Technora)芳族聚酯（Ekenol、Vectran）杂环聚合物纤维（PBO、PB、PI）

间位芳纶（Nomex,Conex）聚酰亚胺纤维(P84)聚酰胺亚胺纤维（Kermel）聚醚醚酮纤维（PEEK）嘧胺纤维（Basofil）聚苯硫醚纤维（PPS）酚醛纤维（Kynol）碳纤维（Torayca、

Pyrrofil）

碳化硅纤维玻璃纤维氧化铝纤维（Altex、Safeel）

2.高功能化高分子材料高功能化的发展方向离子交换→电子交换→高分子分离膜和高分子吸附剂。电绝缘体→半导体、导体、超导体。电性能→光、磁、声、热、力等性能。化学、物理性能→生物性能。荷兰人

WillemJ.Kolff,M.D.1943年首次将转鼓式再生纤维素透析器应用于临床，开创了用人工装置替代肾脏功能的新时代。对人工器官的需求现状:

美国和欧洲每年用于人体自然缺陷和损伤的修复植入材料有400~500万件。

美国和德国每100万居民中有超过500人的心脏病患者要植入心脏起搏器，全球有大约60万人未来三年需要更换心脏瓣膜。

美国每年有18万人植入人工血管、有12万人安装人工髋关节、10万人注射有机硅隆胸美容。

世界上每年有100万病人进行手术时采用体外氧合器.

人工脏器的主要问题是材料，生物医学高分子材料在人工脏器领域的用途日益扩大。人工髋关节人工膝关节全膝关节置换，人工关节为金属材料，关节面之间为聚乙烯，关节面与骨髓腔之间为PMMA。人工尿道人工鼻用于个性化人工器官支架的

高分子材料生物可吸收性PLGA原料生物可吸收性PLGA骨螺丝成品生物可吸收性PLGA骨板成品生物可吸收性PLGA多孔性基材美国阿特丽克斯公司生产能促进牙龈组织再生的可吸收生物材料（掺有生长激素和疗效药物）3.复合化和杂化

复合就是把两种以上组分材料组成一种新材料的方法。

复合材料是将金属材料、高分子材料、无机非金属材料等具有不同结构和性能的材料，经特殊工艺复合成一体，而制得的综合性能更优异的新型材料。复合材料的应用领域复合材料应用领域的树状图杂化的基本思想就是将原子、分子集团在纳米数量级上进行复合，从而使各原材料间的相互作用力与整体复合时不同，引起量子效应、表面能量效应等。

4.精细化

所用的原材料及采用的加工工艺技术，进一步向高纯化、超净化、精细化、低维化方向发展。纳米材料是指由尺寸小于100nm（0.1nm~100nm）的超细颗粒构成的具有小尺寸效应的零维、一维、二维、三维材料的总称。

其特点是比表面积大，富有反应性，具有常规固体或离子所不具备的特性，在光、

电、磁、热、力学、机械性能等方面有许多新的特性。

2008年，美国加利福尼亚大学伯克利分校的泽特尔制作成的微小型收音机可以提高从手机到医疗诊断等多个领域的设备性能。这部收音机的唯一电路组成是一个尺寸仅为头发丝直径万分之一的碳纳米管。

MIT《技术评论》：2008年最激动人心的技术王中林小组研制出纤维纳米发电机

2008年2月14日《自然》杂志(a)低倍扫描电子显维照片，显示两个互相缠绕的、表明长有氧化锌纳米线阵列的纤维，其中一个镀有金。(b)高倍扫描电子显维照片，显示两纤维界面处的纳米线对纳米线的结构。(c)显示多根纤维组成的纤维纳米发电机的串/并连式连接来提高输出电压/电流。(图片来源：王中林实验室)5.智能化一切生物体皆具备的对外界刺激的反应能力。蜥蜴皮肤的颜色随其所处环境的不同而改变，从而达到隐身的目的。

乌贼遇敌时释放墨汁乘机逃脱。

猫眼的瞳孔随光线的强弱而放大或缩小，以保持不同光线的视力。含羞草叶子受到触碰时会产生闭合。

蝙蝠能感受到超声波。甲壳虫能够将糖及蛋白质转化为质轻、高强的坚硬小壳.……智能材料（Intelligentmaterials）是指本身带有生物所具有的高级功能（例如具有预知预告性、自我诊断、自我修复、自我增殖、认识识别能力、刺激反应性、环境应答性等特性），对环境可感知且可响应，并且有功能发现能力的新材料。由于高分子材料与具有传感、处理和执行功能的生物体有着极其相似的化学结构，因此较适合制造智能材料并组成系向生物体功能逼近。热敏凝胶

（a）线性大分子（b）支化大分子（c）聚合物微凝胶（d）宏观聚合物网络分子内高度交联的聚合物胶体粒子以胶态形式溶胀于一定溶剂中且高度分散凝胶的形态凝胶的形成机理

6.绿色化原料和生产向绿色化发展。寻找高分子材料新的资源，以摆脱对石油的依赖。

一个重要的方向是利用可再生的天然高分子。例：

PLA实现高分子材料的清洁生产。例：lyocell三、高分子材料工程发展趋势高分子材料工程内涵(1)高分子工业规模合成技术(2)高分子材料加工问题高分子合成和高分子材料加工有何区别?

基本概念高分子合成经过一定的途径,从气态、液态、固态的各种原料中得到化学上不同于原料的高分子材料。

高分子材料加工经过加工,使高分子材料在物理上处于和原材料不同的状态(化学上相同)。（一）高分子材料工程的技术变革1.高分子原料生产的技术变革①综合利用多种原料②单体的简化合成工艺③单体的生物制备技术

2.高分子合成的技术变革

①开发高效催化剂和引发剂CatalystMatallocenecatalystZiegler-Nattacaralyst茂金属催化剂②缩短聚合时间，发展聚合物的本体合成工艺③高分子的生物制备技术将蜘蛛丝蛋白基因植入细菌上，通过细菌发酵的方法得到蜘蛛丝蛋白。由于蚕与蜘蛛有相似之处，且同为生物纺丝体，所以有研究者提出可以将蜘蛛丝的基因移植到蚕体内，这样在家蚕的基因链中就有了蜘蛛丝的基因，以使蚕丝获得蜘蛛丝的某些性能特点，实现蚕“吐”蜘蛛丝。

将蜘蛛丝蛋白基因转移到山羊、奶牛等动物体或烟草等植物体内，然后将蜘蛛蛋白质从中分离出来。

例如:加拿大Nexia生物技术公司的研究人员通过转基因技术从山羊的乳液中提取出了类似蜘蛛丝的可溶性蛋白。我国的研究者将蜘蛛丝蛋白基因成功地转移到小白鼠身上。传递着所有生命过程的生物大分子，与合成高分子一样都是长链分子。

合成高分子材料与生物工程学和生命科学的结合，能制备出与生物大分子一样精确的序列结构，组装成类似细胞那样能控制生命过程的生物活性合成高分子。①改善传统加工方法

高速化、大型化、

连续化、自动化3.高分子材料加工的技术变革高速化大型化工艺技术20年前现在开发中聚合连续缩聚100T/D400T/D1200T/D短丝生产线7500T/Y40000T/Y80000T/Y连续化•

传统的：聚合纺丝牵伸变形•

PFDT•

改进为：聚合-纺丝牵伸-变形•

POYDTY•

开发中：聚合-纺丝-牵伸-变形•

P-BCF②发展直接成型工艺和新的成型技术聚合物动态成型技术聚合物气辅成型技术聚合物反应挤出技术聚合物快速成型技术蜘蛛丝的卓越强伸度③研究仿生加工技术杜邦公司曾溶解蜘蛛丝蛋白进行人工纺丝，结果并不理想。蜘蛛纺丝器的结构比蚕的吐丝器复杂得多。蜘蛛的喷丝头

V-漏斗;X-圆锥形导管;Y-导管末端的调节阀;Z-喷丝口复旦大学邵正中教授:

希望通过“转基因”技术而使蚕吐“蜘蛛丝”，可能在提高丝纤维的力学性能上价值不高。

用蚕丝蛋白研究超级纤维的形成和制备是“捷径”，若对蚕进行特殊处理，有可能得到与蜘蛛丝媲美的蚕丝。研究了蜘蛛吐丝的纺丝过程，分析了生物体吐丝器。以蚕丝蛋白质为模型,仿照蜘蛛吐丝的过程进行纤维加工。

认为超分子结构是决定蜘蛛丝优良性能的关键因素。东华大学的国家“863”计划项目（二）节省资源、能源，实现清洁生产，开发绿色产品1.高分子材料的循环利用

例:新加坡发现将塑料废品转化为能源的新方法塑料废品目前只有30%被回收，剩下的或被燃烧或被掩埋在地下。

Enviro－Hub公司先将塑料废品分类、洗涤、晾干并压碎，随后与一种特制的催化剂混合并加热至360℃，最终使塑料废品分解为80%的液态烃类燃料、15%的液态石油气和5%的焦炭，而分解后的这3种物质都可以作为能源再次循环使用。2004年全球已探明的原油储量合计为11886亿桶，预计仅可供生产40多年。2.高分子原料的绿色化

石油资源严重不足数据来源：BP世界能源统计年鉴（2005）中国的原油储量为171亿桶，仅占全球的1.4％。（单位：亿桶）石油消费需求巨大原油产量3490万桶/日原油消费量6684万桶/日进口量3410万桶/日出口量385万桶/日数据来源：BP世界能源统计年鉴（2005）2004年我国石油资源数据我国石油消费量（万桶/日）我国石油消费量逐年增长，对外依存度也日渐提高石油基高分子材料的环境污染问题严重石油基高分子材料不可降解性低回收利用率

白色污染每年产量约2亿吨洛杉矶每年使用的塑料袋多达60亿个，平均每人每年使用600个，被丢弃的塑料袋每年多达4.5万吨。市政府要求各超市在2010年前必须将一次性塑料袋的使用量减少30%。

我国要求从2008年6月1日起，所有超市、商场、集贸市场等商品零售场所实行塑料购物袋有偿使用制度。

可再生高分子材料资源丰富可再生天然高分子材料总量每年超过100万亿吨纤维素每年光合作用产量达1000亿吨有史以来人类所发现石油资源总量甲壳素