成型物料的配制

1、高 分 子 材 料 基 础 理 论,第二部分 高分子材料基础理论在塑料成型加工中的应用,绪论, 塑料 塑料制品的生产过程,以高分子化合物（树脂）为主体，配以一定的添加剂，能够在加热加压作用下塑化成型，并在常温下保持其形状不变的材料。,一、塑 料,塑料分类,1.按塑料受热行为：分为热塑性塑料和热固性塑料 热塑性塑料受热后会从固体状态逐步转变为流动状态。这种转变理论上可重复无穷多次。热塑性塑料是可以再生的。 例如：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和涤纶树脂等。绝大多数高分子化合物为热塑性高分子。,塑料分类,热固性塑料受热后先转变为流动状态，进一步加热则转变为固体状态。这种转变是不可逆的。即热固性

2、塑料是不可再生的。能通过加入固化剂使流体状转变为固体状的高分子。 例如：酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂、不饱和聚酯、聚氨酯、硫化橡胶等。,塑料分类,2.按塑料使用功能：分为通用塑料和工程塑料塑料 通用塑料:产量大，价格便宜，原料来源丰富，应用面广。力学性能和热性能比较差，作为非结构材料使用。 例如：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯酚醛和氨基塑料等，占塑料总量的80。,塑料分类,2.按塑料使用功能：分为通用塑料和工程塑料塑料 工程塑料:具有优异的力学性能、热性能、尺寸稳定性、耐化学腐蚀性或能满足特殊要求的塑料，作为结构材料使用。 例如： 聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯、聚酯、聚苯醚、聚砜、聚酰亚胺、聚

3、苯硫醚、聚四氟乙烯、改性聚丙烯、聚醚醚酮等。,常见的热塑性塑料极其特点（P205）,1.聚乙烯 2.聚丙烯 3.聚氯乙烯 4.聚苯乙烯及苯乙烯共聚物,常见热塑性塑料,5.聚甲醛 6.聚酯 7.聚酰胺 8.聚碳酸酯 9.聚氨酯,1） 结构单元：,聚乙烯（PEpolyethylene）：,PE为不透明或半透明的蜡状固体，无毒，无嗅，无味，几乎不吸水，密度小于水（0.91-0.96），物理力学性能依赖于结晶度。,2） 种类：,（a）HDPE （b）LDPE （c）LLDPE （d ）UHMWPE,LDPE：支化度高，长短支链不规整，呈树枝状，分子量低，分子量分布宽，故结晶度低，力学强度低。 HDPE

4、：支化度低，线形结构，分子量高，分子量分布窄，结晶度高，力学强度高于LDPE。 LLDPE：有规整的短支链，结晶度和密度与LDPE相似，抗撕裂性和耐环境应力开裂性高于LDPE和HDPE。 UHMWPE：分子量巨大，分子间的缠绕程度大，结晶度和密度介于LDPE和HDPE之间，耐冲击强度成倍增加，具有高的耐磨性和自润滑性，熔融加工困难。,结构特点与性能, LDPE、HDPE和LLDPE蠕变大，尺寸稳定性差，不能作为结构件使用。 UHMWPE强而韧，耐磨、自润滑、蠕变低、生理相容性好，可作为传动零件，医用材料。 耐化学腐蚀。 良好的电绝缘性和高频介电性能，常用于电线及电缆护套。 韧性、耐寒性好， 不

5、耐热，不耐大气老化，易燃烧。,性能与应用,应用举例： 低密度聚乙烯(LDPE) ：日用制品、薄膜、软质包 装材料、层压板、电线电缆包覆等。 线性低密度聚乙烯(LLDPE) ：超薄薄膜、农用地膜、拉伸缠绕膜、注塑制品、电缆护套等 高密度聚乙烯(HDPE) ：小负荷齿轮和轴承、管材、阀门、高频电缆绝缘层、硬质包装材料等。 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)：耐磨输送管道，机械零件，医用材料,1） 结构单元：,聚丙烯（ PP-polypropylene)）：,无毒、无嗅、半透明蜡状固体，等规立构结晶性材料，结晶度及结晶结构会影响其力学性能及透明度。,2）性质：,密度小（0.90左右），吸水性低。 力学

6、性能（强度、模量等）高于聚乙烯，但室温及低温冲击性差，耐寒性差。 耐热性高，熔点为165170，制品可在100以上进行消毒灭菌。 化学稳定性好，耐浓度低的酸碱，但不耐芳香族和氯化烃溶剂。 介电常数较高，可用作受热电气绝缘件，介电强度较高，适用作电器零件。 耐紫外线和耐候性不好，需加入稳定剂。 易燃烧。,3）应用： 日常：薄膜，电绝缘体，家电外壳，洗衣机内衬，容器，包装材料，。 机械及汽车零件：法兰、车门、方向盘、齿轮、接头、化工管道等。 医用材料（可耐热消毒）：注射器及药品包装、食品包装 化纤：PP拉丝制作地毯及编织袋、捆扎绳等。,PP的改性与高性能化,纤维及填充增强改性可提高PP的耐热性、强

7、度、模量及耐疲劳性，使其作为工程塑料使用。 共聚共混技术改善PP的冲击强度和低温脆性，乙丙共聚物是PP耐低温性的一类，在PP中加入乙丙橡胶、SBS热塑性弹性体、或韧性高的塑料都可提高冲击强度。,1） 结构单元：,聚氯乙烯（ PVCpolyvinyl chloride ）：,纯PVC为无规立构结构，为无色透明、硬质及低温脆性的材料，特别是耐热稳定性极差，Tg为80，130开始分解，放出HCl，对金属有腐蚀作用，加工设备要进行特殊处理。要使PVC有实用价值，需加入各种添加剂，如热稳定剂、润滑剂、增塑剂等。,聚氯乙烯（ PVCpolyvinyl chloride ）：,2） 性质： PVC有有良好的

8、电绝缘性、耐化学腐蚀性、阻燃性；但耐热性较差，使用温度较低，介电常数、介电损耗较高。能溶于四氢呋喃和环已酮等有机溶剂。 根据加入的增塑剂量可将PVC分为硬PVC（未增塑PVC）和软PVC（增塑PVC）,3）应用： 硬聚氯乙烯：强度及刚度高，用于工业管道、给排水系统、板件、管件、建筑及家用防火材料，化工防腐设备及各种机械零件。 软聚氯乙烯：用于窗帘、桌布、雨衣、手提箱、人造革、墙纸；农用薄膜、耐酸碱软管及电线电缆包覆层等。,1） 结构单元：,聚苯乙烯（ PS-polystyrene ）：,无毒、无嗅、无色透明状固体，非结晶性材料，透明度高达8892，折射率为1.591.60，吸水性低，硬度大，脆

9、性大，耐热性低（Tg约6080），耐磨性低。,聚苯乙烯（ PS-polystyrene ）：,2） 应用： 由于具有透明、价廉、刚度大、电绝缘性好、印刷性好等优点， 主要用于日用及工业装饰、装潢、灯箱、灯罩、光学零件、透明玩具、仪器仪表外壳、仪器仪表零件。 另外是重要的发泡材料，广泛用作包装材料及管道的保温层，冷冻绝缘层等。,聚苯乙烯的改性,为克服PS脆性大，耐热性低的缺点，开发了一系列的PS共聚物。ABS、MBS、AAS、ACS、AS，HIPS等。（见书209210）,1） 结构单元： 丙烯晴(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)三种单体（共聚生成）,ABS塑料：,2） 性质： 丙烯晴能提高强度

10、、硬度、耐热性和耐腐蚀性，丁二烯能提高韧性，苯乙烯能提高电性能和成型加工性能。ABS塑料具有较好的抗冲击性能、尺寸稳定性和耐磨性，成型性好，易燃，耐腐蚀性好，但不耐酮、醛、酯、氯代烃类溶剂。,3）应用： ABS作为“坚韧、质硬且刚性”的材料，是最早被人 类认识和使用的“高分子合金”。 用于轻载齿轮、轴承，电器外壳，汽车部件，各类 容器、管道等。,1） 结构单元：,聚甲基丙烯酸甲酯 （ PMMA-polymethyl methacrylate ）：,聚甲基丙烯酸甲酯又称有机玻璃，无毒、无嗅、无色透明状固体，属无规立构，非晶性塑料。,聚甲基丙烯酸甲酯 （ PMMA-polymethyl metha

11、crylate ）：,2） 性质： 较高的强度和韧性、优良的光学性能，透光率比普通硅玻璃好（透光率约为9193）；优良的电绝缘性；耐化学腐蚀性好，热导率低；但硬度低，表面易擦伤，耐磨性差，耐热性不高。,3）应用： 主要用于飞机、汽车的窗玻璃和罩盖，光学镜片，仪表外壳，装饰品，广告牌，灯罩，光学纤维，光导纤维，透明模型，标本，医疗器械等。,1） 结构单元：,聚四氟乙烯（ PTFE）：,聚四氟乙烯属结晶性塑料，外观呈瓷白色，一般在360380烧结成型。,聚四氟乙烯（ PTFE）：,2） 性质： 出色的耐热、耐寒能力（-180+260长期使用）；摩擦系数极低，有自润滑效果；化学稳定性极佳，俗称“塑料

12、王”；极好的电绝缘性和介电性；但强度低，抗蠕变性较差，尺寸稳定性差，不易加工成型。,3）应用： 主要用于轴承、垫圈等自润滑材料及密封材料；高温电缆绝缘材料、电器元件；化工管道及零件；不粘锅涂层，医用材料等。,1） 结构： 尼龙的品种很多，如PA6、PA66、PA610等。 数字表示基本单元中的碳原子数目。所有尼龙分子结构 单元中都有一个相同的特征基团酰胺基：,聚酰胺（尼龙或锦纶）（ PApolyamides ）：,CN,2） 性质： 聚酰胺属结晶性塑料，半透明，乳白，略带黄色。 由于酰胺基的存在，分子之间有很强的氢键作用，普通PA结晶度较高。因此聚酰胺的强度高，韧性好；另外耐磨性和自润滑性好，

13、摩擦系数低；具有良好的耐油、耐溶剂性、阻燃性；但吸水性大，需严格干燥后加工成型，热膨胀系数大。,3）应用： 属工程塑料，尼龙及纤维增强尼龙主要用于轴承、齿轮、高压密封圈、阀门、包装材料、输油管、汽车保险杠及丝织品等。,1） 结构单元：,聚甲醛（ POM-polyformaldehyde ）：,2） 性质：乳白色结晶性塑料。 具有优良的拉伸和压缩强度、硬度、刚性、韧性、耐磨性和自润滑性，耐疲劳性能高，蠕变小，优良的尺寸稳定性，耐化学品腐蚀性好，电绝缘性能良好，可在100下长期使用。但热稳定性差，易燃。具有较高的综合性能，比强度接近金属材料。,4）应用： 部分取代有色金属和合金，用于制造低载荷齿轮

14、、轴承，凸轮、垫圈、法兰、各种仪表外壳、容器、塑料弹簧等。 特别是用于不允许有润滑油使用的轴承和齿轮，尺寸稳定性好，可制作公差小的精密零件。,1） 结构单元：,聚碳酸酯（ PC-polycarbonate ）：,透明非结晶材料。具有优异的综合力学性能，又高度透明，故俗称“透明金属”。,2）性质： 透光率高，约为8692，仅次于PMMA； 高模量、高强度、抗蠕变，表面硬度大，尺寸稳定性好； 高抗冲性，低温冲击韧性极佳； 使用温度范围宽，耐热性好； 电绝缘性好。 缺点：容易应力集中使制品开裂；耐药品腐蚀性差，易高温水解，无自润滑性。,聚碳酸酯（ PC-polycarbonate ）：,3）应用：

15、聚碳酸酯用于透明制品，如透明板材，车灯罩、护目镜、安全帽、门窗玻璃甚至防弹玻璃等；还可制作电动工具、计算机外壳、电子通讯设备零部件，如开关、按钮、接线板等。 纤维增强聚碳酸酯可部分取代钢、有色金属等制造仪器仪表的机械传动部件。,1） 结构单元：,2）性质：透明非结晶材料。 用不同原料可制得适应较宽温度范围 （50150） 的材料 ，包括弹性体、热塑性树脂和热固性树脂。线形可称为热塑性弹性体，具备塑料的可塑性及橡胶的弹性。 由于含强极性的氨基甲酸酯基，不溶于非极性基团，具有良好的耐油性、韧性、耐磨性、耐老化性和粘合性。,聚氨酯（ PU-polyurethane ）：,主链含有 HNCOO,3）应

16、用： 聚氨酯弹性体用作滚筒、传送带、软管、汽车零件、鞋底、合成皮革、纤维、电线电缆和医用人工脏器等； 交联热固性PU可制作软质泡沫体用于车辆、居室 、服装的衬垫 ，硬质泡沫体用作隔热 、吸音、包装、绝缘以及低发泡合成木材； 涂料用于高级车辆、家具、木和金属防护，水池水坝和建筑防渗漏材料，以及织物涂层等。 胶粘剂对金属、玻璃、陶瓷、皮革、纤维等都有良好的粘着力。此外聚氨酯还可制成乳液、磁性材料等。,聚氨酯（ PU-polyurethane ）：,1） 聚 砜（PSF）：,高性能工程塑料：,聚砜是含硫的透明树脂，其耐热性抗蠕变性突出，长期使用温度可达150174，脆化温度-100。广泛用于电器、机

17、械、交通和医疗领域。,2） 聚苯醚（PPO）： 聚苯醚是线性非晶态工程塑料，综合性能好，使用温度宽-190190，耐磨性、电绝缘性和耐水蒸气性能好。主要用作在较高温度下工作的齿轮、轴承、凸轮、化工管道、阀门和外科医疗器械等。,3）聚酰亚胺：,聚酰亚胺是含氮的环形结构的耐热性树脂，其强度硬度较高，使用温度可达260；但加工性较差，脆性大，成本高。 主要用于特殊条件下工作的精密零件，如喷气发动机供燃料系统的零件，耐高温高真空用自润滑轴承及电气设备，是航空航天工业中常用的高分子材料。,二、塑料制品生产过程,树脂的合成,纯树脂（粉料）,配制、混合、塑化造粒,塑料颗粒,加工成型,制品,添加剂,后加工处理

18、,树脂的合成,塑料制品的 加工成型,后加工,配制混合塑化造粒（成型物料的配制）,二、塑料制品的生产过程,成型物料的配制：第七章 塑料制品的加工成型：第八十章 挤出成型(第八章） 注射成型(第九章） 中空吹塑成型(第十章）,第七章 成型物料的配制,配制：根据配方，通过混合塑化等手段，将高聚物和添加剂等组分制成均匀的复合物，可为粒料或粉料。 配制是塑料成型前的准备阶段,配方的设计 原料的准备 配料 混合 塑化 造粒或破碎,塑料的配制工艺流程,粉状配混料 （如PVC）,粒状塑料,7.1 配方设计,根据塑料制品的性能要求及生产工艺、设备的条件，在充分了解原材料（各种树脂和各种助剂的性质、结构、价格、配

19、伍性、成型加工性、毒性等）性能的基础上，确定各种原材料的用量配比关系。,塑料的组成：各种树脂（高聚物），添加剂,7.1.1 树脂的选择,在制品中成为均一的连续相 能将各种添加剂粘结在一起，并赋予制品必要的物理机械性能。,树脂（高聚物）的作用,7.1.1 树脂的选择,不同品种树脂性能和应用范围不同。 即使同一品种树脂，由于合成方法不同， 产品性能，成型加工工艺及制品的使用范围也有差异。 例如：PVC，悬浮法树脂虽比乳液法树脂的分子量低，分散性较大，但电性能好，成本低，多用在挤出和注射等成型中，用以制造电绝缘材料、硬板(管)、日常生活用品等；而乳液树脂由于粒子细，易于成糊，多用来制糊，生产搪塑制品

20、和人造革，涂料等。,7.1.1 树脂的选择,同一品种，同一方法生产的树脂，由于牌号不同，加工性 能和用途都有差异。 即使同一牌号树脂，由于批号不同，批与批间也有差异，因此在配料时 ，需采用不同的工艺条件，才能保证质量和为成型提供方便。,树脂本身的性能对加工和产品性能影响极大，应首先选择合适的树脂,7.1.2 添加剂的选择,添加剂的种类：增塑剂、稳定剂、润滑剂、填料、着色剂、发泡剂、阻燃剂、抗静电剂等。,添加剂的作用：,制品性能的多种要求 成型加工性的要求 成本的要求,7.1.2 添加剂的选择,增塑剂：能减少分子间作用力，增加聚合物成型流动性和制品柔性或弹性的助剂。,非极性增塑剂作用原理,7.1

21、.2 添加剂的选择,增塑剂：,极性增塑剂作用原理,7.1.2 添加剂的选择,增塑剂：,作用原理：减少分子间作用力 使用性能：降低Tg。塑料柔韧性、耐寒性，强度、硬度、模量 加工性能：Tf、粘度，流动性，防止热分解。 要求：与聚合物的相容性好；挥发性、迁移性、溶浸性小；良好的耐热、耐光、不燃、无毒性。 主要用于PVC树脂，占总消费量的80。,7.1.2 添加剂的选择,增塑剂用量对聚氯乙烯的抗张强度、断裂伸长率和熔体粘度的影响 TCP磷酸三甲酚酯，DOP临苯二甲酸二辛酯，DOA己二酸二辛酯 DAP临苯二甲酸二烷基79酯，DBP临苯二甲酸二丁酯，DMP临苯二甲酸二甲酯,7.1.2 添加剂的选择,稳定

22、剂：,作用：防止和抑制塑料加工和长期使用及贮存过程中，由于各种外界因素（光、热、氧、射线、细菌、霉菌等）作用而引起的老化（降解或交联）。 热稳定剂、光稳定剂、抗氧剂等。,7.1.2 添加剂的选择,PVC热稳定剂,吸收HCl，终止其对PVC降解的催化作用。如：铅盐稳定剂 置换烯丙基中的活泼氯原子。如金属皂、有机锡稳定剂 加成聚烯结构的双键，防止PVC的继续降解和变色。如：有机锡、环氧化合物稳定剂 其它还有辅助稳定剂 目前发展方向为无毒稳定剂，复合稳定剂，非重金属稳定剂,7.1.2 添加剂的选择,PVC常见热稳定剂：,。,铅类稳定剂：三碱式硫酸铅，二碱式亚磷酸铅，无尘复合铅盐等。 金属皂类稳定剂：

23、硬脂酸钡、硬脂酸锌、硬脂酸钙、硬脂酸镉、复合型液体钡镉稳定剂、复合型液体钙锌稳定剂、月桂酸钡等 有机锡稳定剂：二月桂酸二丁基锡、二马来酸二丁基锡、二马来酸单辛酯 二辛基锡等。 锑类稳定剂，如硫醇锑盐类等。 其他，如稀土稳定剂、水合硅铝镁稳定剂、亚磷酸酯类稳定剂等。,7.1.2 添加剂的选择,抗氧剂（塑料中均需添加）：,代替易受氧化分解的聚合物与氧反应，防止或推迟氧对聚合物的影响，抑制聚合物的氧化。 抗氧剂的作用机理分三种：一是链终止型抗氧剂，即是工业生产中的主抗氧剂；二是过氧化物分解剂，三是金属离子钝化剂，后两种是工业生产中的辅助抗氧剂。 主抗氧剂用量一般为0.10.5%,7.1.2 添加剂的

24、选择,抗氧剂：,聚烯烃、聚苯乙烯、聚甲醛、聚氯乙烯、聚苯醚、ABS树脂等， 在制造和使用过程中都会因氧化而加速降解，使其性能变坏，加入抗氧剂可制止或推迟聚合物在正常或较高温度下的氧化过程。,7.1.2 添加剂的选择,光稳定剂：,能吸收光和射线或移出聚合物吸收的光能，放出没有破坏性的光能(长波的)或热能，从而减缓或免除聚合物降解。 包括紫外线吸收剂，淬灭剂，先驱型紫外线吸收剂 ，光屏蔽剂等 户外和照明用的塑料制品要加入光稳定剂。聚丙烯，聚乙烯，聚苯乙烯，聚碳酸酯等都需加入光稳定剂。用量一般为：0.010.5%,7.1.2 添加剂的选择,7.1.2 添加剂的选择,润滑剂：,作用：改进塑料熔体的流动

25、性能，减少或避免对设备的粘附，改善脱模性，提高制品表面光洁度等。一般添加量为0.51% 包括外润滑剂和内润滑剂 。 常用内润滑剂：硬脂酸及盐类。 常用外润滑剂：硬脂酸、石蜡、矿物油、硅油等。 对于PVC的加工十分重要。,7.1.2 添加剂的选择,填料：,作用：提高制品的物理性能（耐热性，硬度，耐磨性，阻燃性等），降低成本。 碳酸钙，滑石粉，粘土，二氧化硅，二硫化钼等 纳米材料：提高力学性能，环保型阻燃剂，杀菌 一般加入聚合物中相容性和分散性不好，需用偶联剂进行处理，增加相容性及与聚合物的结合能力。,7.1.2 添加剂的选择,纤维增强材料：,玻璃纤维，碳纤维等，耐高温，强度高，用于汽车、化工、航

26、空航天等高科技产业。如：PP纤维增强材料，PA纤维增强材料等。 一般也需用偶联剂进行处理，以增加与聚合物的结合力。,7.1.2 添加剂的选择,阻燃剂：,作用：增加高聚物的耐燃烧性能 卤代烃与氧化锑阻燃剂，磷氮系阻燃剂，反应膨胀型阻燃剂，无机阻燃剂等。 发展方向：低卤、低烟、高效、无毒环保型阻燃剂。 电线电缆，电子电器制品，建筑物室内装饰材料等。,7.1.2 添加剂的选择,发泡剂：,作用：使高聚物产生泡孔结构。 隔热、隔音、质轻、弹性等制品。 开发热点：微发泡材料。,抗静电剂：,防止塑料的静电危害。如：矿山用塑料。,7.1.2 添加剂的选择,偶联剂：,作用：提高树脂与无机材料界面的结合力，有两性

27、结构的物质。 硅烷偶联剂，钛酸酯偶联剂等。,着色剂：,给予塑料色彩或特殊光学性能，有时改善制品的耐候性。,7.1.2 添加剂的选择,其它：,抗冲改性剂和相容剂 加工改性剂和流滴剂 母料助剂 成核剂 开口剂 保鲜剂等,7. 2 配方设计,配方设计原则,制品的性能要求； 成型加工性要求； 选用的原材料来源容易，产地较近，质量稳定可靠，价格合理，成本低； 成型工艺 成型设备,7. 2 配方设计,配方表示方法,以高聚物（树脂）为100份的配方表示法 。此法计量容易，应用广泛，适于工业生产，大多数科研论文和报告中常用。 以配混料为100份的配方表示法 ，各组分以质量分数表示。此法对计算原材料消耗、定额指

28、标等较方便，便于财务的成本核算及定价。,7.2 配方设计,7.3 原料的准备,在混合前要对原材料去除杂质和干燥（那些树脂需要干燥？）。 一些小剂量和难分散的配合剂，为了使其在塑料中均匀分散，可以把它们制成浆料或母料，再混入混合物中。（如：色母料） 配料计量是根据配方精确称量原料各组分。 固体树脂和配合剂的输送可用气动源送至料仓，液状配合剂的输送可用齿轮泵管道输送至高位贮槽，为混合过程连续化创造条件。,原料的预处理、配料计量，输送。,7.4 混合,分布混合:使各组分作空间无规分布，各组分在混合物中浓度趋于一致。 分散混合:使组分聚集体尺寸减小，相互渗透，互溶。 机理：扩散，对流，剪切。 混合程度评定：组成的均匀程度，物料的分散程度。 主要设备：高速混合机（高搅）。润性和非润性材料，特别是粉料。,将原料各组分相互分散以获得均匀的物料。,7.4 混合,7.4 混合,7.4 混合,7.4 混合,7.4 混合,举例：PVC的混合工艺,主要成分： PVC树脂，增塑剂，热稳定剂，冲击改性剂，色料，填料，润滑剂。 加料顺序：根据制品制定。 设备：热混，冷混。 出料：一般以温度为准。,7.4 混合,以上介绍为初混过程，也是粉料配混料的配制过程，有些初