第八章高分子材料成形工艺

1、第八章 高分子材料成形工艺 第一节 高分子材料成形原理 一、高分子材料的结构 高分子的链状结构主要有线型、支链型和体型等三种类型，如图8-1所示。,第八章 高分子材料成形工艺,1线型分子链 各链节以共价键连接成细长线型长链分子，像一根长线，但通常不是直线，而是卷曲状或线团状。 2支链型分子链 在主链上以共价键连接着相当数量的长短不一的支链，其形状有树枝形、梳形、线团支链形。 3体型(网型或交联型)分子链 它是在线型或支链型分子链之间，沿横向通过链节以共价键连接起来，产生交联而呈三维网状结构。,第一节 高分子材料成形原理,二、高分子链内旋转构象及其柔顺性 由于大多数高分子的主链都存在着许多单键，

2、单键是由电子组成，其电子云轴性对称分布，因此高分子在运动时C-C单键可以绕轴旋转，称为内旋转。图8-2为碳链高分子链的内旋转示意图。,第一节 高分子材料成形原理,三、高聚物的聚集态（Assemble State）和物理状态 1. 高聚物的聚集态 高聚物中大分子的排列和堆砌方式称为高聚物的聚集态。高聚物大分子链的聚集状态主要有三种结构，如图8-3所示。 表8-1为聚乙烯的结晶度与力学性能间关系。 2. 高聚物的物理状态 高聚物在不同温度下呈现出不同的物理状态，因而具有不同的性能。线型非晶态高聚物在不同温度下，呈现出三种物理状态：玻璃态（Glass State）、高弹态（High Elastici

3、ty State）和粘流态（ Viscous Flow State），其变形温度曲线如图8-4所示。,第一节 高分子材料成形原理,四、聚合物的成形性能 1.聚合物的流动性（Fluidity） 即聚合物熔体受力变形和流动的性能。 2.聚合物的收缩性（Contractility） 即聚合物在凝固和冷却过程中，体积和尺寸缩小的现象。 3.熔体弹性 在聚合物熔体粘性流动过程中伴随有可逆的弹性变形，称为熔体弹性。 五、高聚物的类型 1. 按合成反应分有加聚聚合物和缩聚聚合物，所以高分子化合物常称为聚合物或高聚物。 2. 按高聚物的热性能及成型工艺特点分为热固性和热塑性两大类。 3. 按用途分有塑料、橡胶

4、、合成纤维、胶粘剂、涂料等。,第一节 高分子材料成形原理,第二节 塑料成形工艺 一、塑料的组成 1.树脂 塑料中的树脂主要是合成树脂，是塑料的主要成分，起胶粘剂作用，其特性不仅决定塑料的类型(热固性或热塑性)，还决定塑料的性能。 2.填充剂 又称填料，其作用是调整塑料的物理化学性能，提高材料强度，扩大使用范围以及减少合成树脂的用量，降低塑料成本。 3.增塑剂 增塑剂是增加树脂塑性和柔韧性的添加剂，也可以降低塑料的软化温度，使其便于加工成型。,第二节 塑料成形工艺,二、塑料的性能 1. 物理性能 (1)密度小 (2)热学性能 (3)耐热性 (4)绝缘性 2. 化学性能 塑料的化学性能主要是指塑料

5、的耐蚀性。 3. 力学性能 (1)强度、刚度和韧性 图8-5为聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)在不同温度下的应力-应变曲线。 (2)蠕变与应力松弛 (3)减摩性,第二节 塑料成形工艺,4塑料的成形工艺性能 (1)收缩性 塑件自模具中取出冷却到室温后，发生尺寸收缩的特性称收缩性。成形后塑件的收缩称为成形收缩，其大小可用收缩率来表示，即有： 式中 Sj-计算收缩率； Ls-塑件在室温时的单向尺寸； Lm-模具在室温时的单向尺寸； (2)流动性 塑料在一定的温度和压力下填充模具型腔的能力称为流动性。 (3)热敏性 热敏性是指某些热稳定性差的塑料，在料温高和受热时间长的情况下就会产生降解、分解、变色的特性

6、，具有这种特性的塑料叫做热敏性塑料。 (4)吸水性 塑料吸收水分的性质称为吸水性。 (5)硬化特性 硬化特性是热固性塑料特有的性能，专指热固性塑料的交联反应。,第二节 塑料成形工艺,三、塑料的分类 按塑料中的分子结构及热性能分类 (1)热塑性塑料 也称热熔性塑料，常用的有聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS、有机玻璃、尼龙等塑料。 (2)热固性塑料 常用的热固性塑料有酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂塑料、呋喃树脂、有机硅塑料、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、硅酮塑料等。,第二节 塑料成形工艺,2. 根据塑料性能及用途、分类 (1)通用塑料 通用塑料是一种非结构材料，是指那些产量大、用途广、价格低、性能一般的常用塑料。

7、 (2)工程塑料 指在工程技术中用作结构材料的塑料，这类塑料一般具有较高的机械强度，还具有很好的耐磨性、耐腐蚀性、自润滑性及尺寸稳定性等。 (3) 增强塑料 在塑料中加入玻璃纤维等填料作为增强材料，以进一步改善塑料的力学性能和电性能，这种新型的复合材料通常称为增强塑料。 (4)特殊塑料 随着高分子材料的发展，许多塑料通过各种措施加以改性和增强，得到具有某些特殊性能的特种塑料，这类塑料有高的耐热性、高的电绝缘性及高耐腐蚀性，如氟塑料、聚酰亚胺塑料、有机硅树脂、环氧树脂等，还包括为某些专门用途而改性制得的导磁塑料、导热塑料、导电塑料、医用塑料等。,第二节 塑料成形工艺,四、塑料成形工艺 塑料成形方

8、法 (1)注射成形（Inject Forming） 又称注塑成形，其原理是将颗粒状态或粉状塑料从注射机的料斗送进加热的料筒中，经过加热熔融塑化成为粘流态熔体，在注射机柱塞或螺杆的高压推动下，以很大的流速通过喷嘴注入模具型腔，经一定时间的保压冷却定型后可保持模具型腔所赋予的形状，然后开模分型获得成形塑件。这样就完成了一次注射工作循环，如图8-6所示。注射成形是在专门的注射机上进行，图8-7所示为螺杆式注射机结构示意图。,第二节 塑料成形工艺,(2) 压塑成形（Compress Forming） 又称压缩成形、模压成形、压制成形等，基本原理是将粉状、粒状或片状塑料放在金属模具中加热软化熔融，在压力

9、下充满模具成型，塑料中的高分子产生交联反应而固化转变成为具有一定形状和尺寸的塑料制件。其成形过程如图8-8所示。 (3) 挤出成形（Extruded Forming） 又称挤塑成形，它是使加热或未经加热的塑料借助螺杆的旋转推进力通过模孔连续地挤出，经冷却凝固而成为具有恒定截面的连续成形制品的方法。图8-9为管材挤出成形原理示意图。 (4)压延成形(Mangle Forming) 使加热塑化的物料通过一系列相向旋转的辊筒之间，受挤压和延展作用成为平面状连续材料的成形方法。,第二节 塑料成形工艺,2塑料加工 塑料加工是塑料成形后的再加工，亦称二次加工，是将成形后的塑件通过适当的工艺方法制成制品。

10、(1) 机械加工 即采用钻、磨、铣、车削等机械加工方法的二次加工操作。 (2) 连接加工 即采用热熔粘接(焊接)、粘接、机械连接等方法，使塑料型材或零件固定在一起的二次加工操作可以将小而简单的构件组合成大而复杂的构件。 (3) 表面处理 即对塑料制品表层进行修整和装饰，以改变塑料零件的表面性质，提高其抗老化、耐腐蚀能力的二次加工方法，也可起着色装饰作用。,第二节 塑料成形工艺,五、典型模具结构 1注射模具 塑料注射成形所用模具称为注射模。 图8-10为一典型的单分型面注射模。 2压塑模 压塑模又称压制模，适用于热固性塑料和流动性较差的热塑性塑料制件的成形。 典型的压塑模结构如图8-11所示。

11、3挤出模 图8-12所示为管材挤出成形机头示意图。 4压注模 图8-13所示为固定式压注模结构示意图。,第二节 塑料成形工艺,六、塑料件的结构工艺性 在零件结构设计时应注意以下问题： 1.形状 塑件的内外表面形状应在满足使用要求的情况下尽可能易于成形，避免侧孔与侧凹，防止使用侧抽芯或瓣合模而使模具结构复杂，制造成本提高，增加塑件的修整量。 如图8-14所示为防止采用侧抽芯或瓣合分型模具的设计。 2.壁厚 塑件的壁厚应适当和均匀。图815所示为壁厚设计的示意图。表82为常用工程塑料壁厚参考值。 3.脱模斜度 为了便于脱模和抽芯，防止塑件表面在脱模时划伤，塑件与脱模方向平行的内、外表面应具有合理的

12、脱模斜度，如图8-16所示。 4.加强筋 加强筋的主要作用是加强塑件的强度和刚度，避免塑件变形翘曲，如图8-17所示。筋的方向尽可能与料流方向一致，布局应合理，以减小变形和开裂（图8-18）。,第二节 塑料成形工艺,5.薄壁件的底部与边缘 薄壳状的宽底容器的底部刚度较差，应设计成球面或拱形面，以增加刚性和减少翘曲变形，如图8-19所示。对于薄壁容器的边缘，可按图8-20所示设计来增加刚性和减少变形。 6.圆角 在塑件的内外表面转弯处应采用圆角过渡，以减少应力集中，或在受力或冲击振动时发生破裂。如图8-21b所示。圆角半径的大小主要取决于塑件的壁厚，如图8-22所示。 7.孔 塑件上常见的孔有通

13、孔、不通孔、异形孔。表8-3为热固性塑件两孔之间及孔与边缘之间的关系。 8.螺纹 为了增加塑件螺纹的强度，防止螺孔最外圈螺纹崩裂或变形，同时也方便螺纹的拧入，螺纹的始端和末端均不应突然开始和结束，在螺孔始端应留有0.2-0.8mm的凹台，如图8-23所示。 七、常用零件的塑料选材,第二节 塑料成形工艺,第三节 橡胶成形工艺 一、橡胶的组成 橡胶制品主要组分是由生胶(Raw Rubber)、再生胶(Regenerated Rubber)、各种配合剂和增强材料等组成。 二、橡胶的成形性能 1流动性 橡胶在一定的温度、压力作用下，能够充满型腔各个部分的性能称为橡胶的流动性。 2流变性(Rheolog

14、y) 胶料的粘度随剪切速率的降低而降低的特性称为流变性。 3硫化性能(Vulcanize Ability) 为改善橡胶的性能必须进行硫化。 4热物理性能 热物理性能的影响因素是热导率、热扩散率和体积热容。,第三节 橡胶成形工艺,三、橡胶加工的工艺过程 橡胶制品生产的基本过程包括：生胶的塑炼、胶料的混炼、橡胶成形和制品的硫化，如图8-24所示。 1塑炼 天然橡胶和多数合成橡胶塑性太低，与橡胶配合剂不易混合均匀，也难以加工成型，所以生胶需要塑炼。 常用的塑炼设备主要有开放式炼胶机和密闭式炼胶机。图8-25所示为开炼机。 密炼机的构造如图8-26所示。 2混炼 将塑炼胶和各种配合剂，用机械方法使之完

15、全均匀分散的过程称为混炼。常用的混炼设备是开炼机和密炼机，密炼机混炼的工艺过程如图8-27所示。 3成形 是将混炼胶制成所需形状、尺寸和性能的橡胶制品的过程。 4硫化 即通过改变橡胶的化学结构(例如交联)而赋予橡胶弹性，或改善、提高并使橡胶弹性扩展到更宽温度范围的工艺过程。,第三节 橡胶成形工艺,四、橡胶成形方法 1压延成形 指经过混炼的胶料通过专用的压延设备上两对转辊筒，利用两辊筒之间的挤压力，使胶料产生塑性延展变形，制成具有一定断面尺寸规格、厚度和几何形状的片状或薄膜状聚合物或使纺织材料、金属材料表面实现挂胶的工艺过程。 图8-28所示为胶布压延工艺过程。 2模压成形 模压成形是橡胶制品生

16、产中应用最早且最多的生产方法，是将预先压延好的橡胶半成品按一定规格下料后置于压制模具中，合模后在液压机上按规定的工艺条件压制，在加热加压的条件下，使胶料呈现塑性流动充满型腔，再经一定的持续加热时间后完成硫化，再经脱模和修边后得到制品的成型方法。 用模压法生产橡胶制品的工艺程序如图8-29所示。,第三节 橡胶成形工艺,3挤出成形 使胶料在挤出机中塑化和熔融，并在一定的温度和压力下连续均匀地通过机头模孔挤出成为具有一定的断面形状和尺寸的连续材料。 挤出成形的主要设备是橡胶挤出机，其基本结构同塑料挤出机，图8-30所示 。 4注射成形 是一种将胶料直接从机筒注入闭合模具硫化的生产工艺。 注射成形的主

17、要设备是橡胶注射机，其基本结构同塑料注射机。图8-31所示为国产六模胶鞋注射机的基本结构。,第三节 橡胶成形工艺,五、常用橡胶材料 常用橡胶的种类、用途和性能。 1.天然橡胶(Caoutchouc) 天然橡胶是从三叶橡胶树等植物中采集的胶乳经过凝固、干燥、加压制成片状生胶，再经硫化处理成为可以使用的橡胶制品。 2.合成橡胶(Synthetic Rubber) 是以石油、煤为原料制备单体，通过加聚反应或缩聚反应合成的具有高弹性的高分子化合物。,第三节 橡胶成形工艺,第四节 薄膜成型技术简介 一、薄膜(film)的成形工艺 1.挤出法 挤出法又分为平缝（平膜）模头挤出和环形（管膜）模头挤出。 (1

18、)平膜生产：利用平缝机头挤出法不仅可以直接制造商品膜，而且还可以制造供以后取向用的坯料膜。 (2)管膜生产：在生产宽度50-24000mm、厚度0.005-0.5mm的各类热塑性塑料薄膜时，采用挤出聚合物膜管再吹胀的方法，其优点是既简单，又经济。,第四节 薄膜成型技术简介,2.压延法 压延成型是将已经塑化的接近粘流温度的热塑性塑料通过一系列相向旋转着的水平辊筒间隙，使物料承受挤压和延展作用，最终成为具有一定厚度、宽度与表面光洁的薄片状制品。 3.流涎成形 流涎成形首先将热塑性塑料与溶剂等配成一定粘度的胶液，然后以一定速度流布在连续回转的基材（一般为无接缝的不锈钢带）上，通过加热排除溶剂后成膜，

19、该成型方法也称流涎成膜。,第四节 薄膜成型技术简介,二、拉幅薄膜（Tented Film）的成型 拉幅薄膜则是将挤出得到的厚度约为1-3毫米的厚片或管坯，重新加热到Tg-Tm(或Tf)温度范围进行大幅度拉伸而形成的薄膜。,第四节 薄膜成型技术简介,第五节 高分子材料快速成形方法 图8-32为快速成形系统的工作流程示意图。 一、常用高分子快速成形技术 1.立体光固化成型系统(SLA) 立体光固化成形（Stereo Lithography Apparatus-SLA），又称立体印刷、光造型。，是发展最早、研究最多的快速成形技术。 SLA工作原理如图8-33所示。,第五节 高分子材料快速成形方法,2

20、.分层实体制造（LOM） 分层实体制造(LOM-Laminated Object Manufacturing )的原理可参见第七章第六节图7-27。 3.选择性激光烧结（SLSSelective Laser Sintering） 4.熔融沉积成形制造（FDMFused Deposition Modolling） 图8-34为FDM的工作原理图。 几种典型快速成型工艺如表8-4所示。,第五节 高分子材料快速成形方法,二、快速成形技术的应用 1.快速模具制造 （1）间接制模 间接制模是用 RP技术制造零件原型，然后将原型作为样件用于传统的模具制造，是一种与传统的制模工艺相结合的制模方法。 （2）直接制模 直接制模是利用 RP技术将模具直接制造成形，它不需制作原型样件，是一种与传统的制模工艺完全不同的方法。 2.加速新产品开发 3.在医学中用于器官模型制作