第1章聚合物及成型工艺

1、学无常师,道在则是 晋潘岳 ,第1章,聚合物及成型工艺,3,塑料作为一种具有多种特性的使用材料，在世界各国获得迅 速的发展，其主要原因是塑料的原料广，性能优良(质轻、具有 电绝缘性、耐腐蚀性、绝热性等)，加工成型方便，具有装饰性 和现代质感，而且塑料的品种繁多，价格比较低廉，广泛应用于 仪器、仪表、家用电器、交通运输、轻工、包装等各个部门。 “以塑代钢”，“以塑代木”，使塑料迅速成为与钢铁、有色金 属、无机非金属材料同步发展的基础材料。,第1章 聚合物及成型工艺,4,高分子聚合物又叫做高聚 物，是由千万个原子彼此以共 价键连接的大分子化合物。是 各种塑料、橡胶、纤维等有机 非金属材料的总称。

2、（1）高分子聚合物的特点 高分子具有和低分子截然 不同的结构特征。归纳比较如 下：,1.1 高分子聚合物的基本知识,5,具有可分割性 低分子物质的分子不能用一般的机械方法把它分开，如果 把它分开，其性质就发生了变化，成为另外的物质。而高分子 则不然，因为它的分子很大，当用外力把分子拉断或切开变成 两个分子后，高分子聚合物的性质一般没有明显的改变。高分 子结构的这种特征称为可分割性。 具有弹性 所谓弹性是指材料形变的可恢复性。高分子聚合物在外力 作用下发生形变，当外力解除，这种形变就可以恢复到原状。 弹性是高分子聚合物重要的特性之一。,1.1 高分子聚合物的基本知识,6,具有可塑性 高分子聚合物

3、受热达到一定温度后，先是经过一个较长的软 化过程，而后才能变为粘流状态。这是由于高分子聚合物是由很 长的大分子链所构成，当链的某一部分受热时，须经过一定的时 间和温度间隔，整个大分子链才会变软，这时高分子聚合物具有 可塑性。这一特点对聚合物的加工成型十分重要。 具有绝缘性 高分子聚合物对电、热、声具有良好的绝缘性能。从结构上 看这是因为高分子化合物大都是有机化合物，分子中的化学键都 是共价键，不能电离，因此不能传递电子；又因为大分子链呈蜷 曲状态，互相纠缠在一起，在受热、受声作用之后，分子不易振 动起来，因而它对热、声也具有绝缘性。,1.1 高分子聚合物的基本知识,7,（2）高分子聚合物的组成

4、和结构 高分子聚合物的组成 高分子聚合物虽然分子量很大，但化学组成比较简单，都是 由简单的结构单元以重复的方式连接而成，例如，PE是由乙烯单 体聚合而成，可以写作(CH2-CH2)n。它是由许多结构单元 (CH2-CH2)重复连接的，这种重复结构单元称为“链节”，重 复的次数称为“聚合度”。聚合度和高分子的分子量有如下关系： M=mn M 高分子的分子量； m 链节的分子量； n 高分子的聚合度,1.1 高分子聚合物的基本知识,8,高分子聚合物的结构 线型结构-高分子在拉长或低温下易呈直线形状，而在较高温度下或稀溶液中，则易成蜷曲形状，如图1-(a) 。特点是可溶、可熔。线型分子易于加工，可以

5、反复使用； 支链型结构-高分子似一根“节上生枝”的树干一样，如图1-(b)。它的性质和线型结构基本相同； 体型结构-高分子是在长链大分子之间有若干支链把它们交联起来，构成一种网似的形状，如图1-(c) 。这种聚合物在任何状况下都不熔化，也不溶解。,1.1 高分子聚合物的基本知识,9,（a) 线型聚合物 （b) 带有支链的线型聚合物 （c）体型聚合物图1 大分子的形状,1.1 高分子聚合物的基本知识,10,（3 ）高分子聚合物的分类 聚合物的种类非常繁多，品种更是数不胜 数，可以按照不同的原则，或不同的角度把聚 合物加以分类，见表1,1.1 高分子聚合物的基本知识,11,表1 聚合物常见的分类方

6、法,12,（4）聚合物的热力学曲线 随着温度的变化，聚合物可以呈现不同的力学状态。在应 用上，材料的耐热性(变形或变质温度)，耐寒性(变硬或易脆裂 的温度)有着重要意义，而热性能取决于大分子的分子结构及 聚集态结构。 由于温度和聚合物形变的关系能比较全面的反映高分子运动 的状态，因此通过形变一温度曲线和特征温度的讨论，可了解 热性能与结构的关系。在线型聚合物中，由于链段热运动程度 不同，一般可出现三种不同的力学状态：玻璃态、高弹态和粘 流态。,1.1 高分子聚合物的基本知识,13,图2 聚合物形变与温度的关系,14, 玻璃态 玻璃态相当于小分子物质的固态。在玻璃态时由于温度较低， 大分子链和链

7、段都不能产生运动。在外力作用下，只能使大分子 中的原子作轻微的振动，从而产生较小的可逆形变。 图3 普弹形变时大分子链键角变化示意图,1.1 高分子聚合物的基本知识,15,高弹态 到达玻璃化温度时，聚合物进入高弹态。分子链段获得足够的 能量而发生运动，产生较大的形变高弹形变，这种形变具有可 逆性，在常温下处于高弹态的聚合物，可作为弹性材料使用。 图4 高弹形变时大分子形状变化示意图,1.1 高分子聚合物的基本知识,16, 粘流态 达到软化温度时，聚合物进入粘流态，整个大分子链开始运动， 产生相对滑移，形成很大的形变，这种形变具有不可逆性，聚合物 的粘流态不同于玻璃态和高弹态，它不是一种使用状态

8、，而是工艺 状态。 图5 粘性形变时大分子链变化示意图,1.1 高分子聚合物的基本知识,17,表2 聚合物力学三态的分子机理和力学行为特征,1.1 高分子聚合物的基本知识,18,（1）塑料的分类 按热行为可分为热塑性塑料和热固性塑料。 热塑性塑料：在特定温度范围内受热软化(或熔化)，冷却后 硬化，并且能多次反复，其性能也不发生显著变化 的塑料。常见的热塑性塑料有PE、PP、PVC、ABS、 PA、PC等。 热固性塑料：在一定温度压力下或在固化剂、紫外光等条件 作用下固化生成不溶不熔性能的塑料。常见的热固 性塑料有：酚醛塑料、环氧塑料、氨基树脂、有机 硅塑料等。,1.2 塑料的基本特征,19,塑

9、料按其应用可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。 通用塑料：一般是指使用广泛，产量大，用途多，价格低廉 的塑料，如PE、PP、PVC、PS、酚醛树脂及氨基 树脂等。 工程塑料：通常是指性能优良，能承受一定外力作用和具有 较高的机械强度，适用作工程材料或结构材料的 塑料，如PA、ABS、POM、PPO等。 特种塑料：又称功能塑料，是指具有特殊功能，能满足特殊 使用要求的 塑料，如医用塑料、导电塑料等。,1.2 塑料的基本特征,20,21,（2）塑料的一般特性 塑料质轻，比强度高(比强度是指强度与密度的比值) ,一般塑料密度 在0.92.3gcm3之间，PE、PP的密度最小，约为0.9 gcm3，最

10、重的 PTFE的密度不超过2.3gcm3，表3 所列为几种金属与塑料的比强度。 多数塑料制品有透明性，并富有光泽，能着鲜艳色彩。大多数塑 料可制成透明或半透明制品，可以任意着色，且着色坚固，不易变色。表 4是各种塑料的透光率与玻璃比较。 优异的电绝缘性。大多数塑料在低频低压下具有良好的电绝缘性能， 有的即使在高频高压下也可以作电器绝缘材料或电容介质材料。,1.2 塑料的基本特征,22,表3 几种金属与塑料的比强度,表4 各种塑料的透光率与玻璃的比较,23,塑料的导热率极小，只有金属的16001200，泡沫塑 料的导热率与静态空气相当，被广泛用作绝热保温材料或建 筑节能、冷藏等绝热装置材料。 耐

11、磨、自润滑性能好。大多数塑料具有优良的减磨、耐磨和 自润滑特性，可以在无润滑条件下有效工作。 塑料有耐化学药品性，多数塑料对一般浓度的酸、碱、盐等 化学药品具有良好的耐腐蚀性能，其中最突出的是PTFE。即 使“王水”也不能腐蚀，是一种优良的防腐蚀材料。,1.2 塑料的基本特征,24,塑料成型加工方便，能大批量生产。塑料通过加热、加压可 塑制成各种形状的制品，易进行切削、焊接、表面处理等二次 加工，精加工成本低，用塑料制品代替金属制品，可以节约大 量金属材料。 缺点： 塑料不耐高温，低温容易发脆。 燃烧时放出有毒气体。 塑料制品易变形。 塑料有“老化”现象。,1.2 塑料的基本特征,25,工艺学

12、的主要任务寻求技术上最先进、经济上最 合理的生产途径，为此需要了解塑料制品的生产系统。 产品（性能、外观、成本） 树脂 加工条件 （密度、MFR、添加剂 （温度、压力、成型周期） 相对分子质量） 图6 产品、树脂和加工条件的关系示意图,1.3 塑料的工艺特性,26,高分子化合物的成型加工性能: 可挤压性：材料受挤压作用形变时，获取和保持形变的能力； 可模塑性：材料在温度和压力作用下，产生形变和在模具中 模制成型的能力； 可延展性：材料在一个或两个方向上受到压延或拉伸的形变 能力 可纺性：材料通过成型而形成连续固体纤维的能力。,1.3 塑料的工艺特性,27,塑料成型加工的方法大体可分为三种： （

13、1）处于玻璃态的塑料，可以采用车、铣、钻、刨等机 械加工方法和电镀、喷涂等表面处理方法。 （2）当塑料处于高弹态时，可以采用热压、弯曲、真空 成型等加工方法。,1.3 塑料的工艺特性,28,（3）把塑料加热到粘流态，可以进行注射成型、挤出 成型、吹塑成型等加工。 塑料成型方法的选择取决于塑料的类型（热塑性 或热固性）、特性、起始状态及成品的结构、尺寸和 形状等。,1.3 塑料的工艺特性,29,30,（1）注射成型 注射成型又称注塑成型，是热塑性塑料的主要成型方法之一。其原理是 利用注射机中螺杆或柱塞的运动，将料筒内已加热塑化的粘流态塑料用较 高的压力和速度注入到预先合模的模腔内，冷却硬化后成为

14、所需的制品。,1.3.1 塑料的成型工艺,31,注射机种类,32,注射成型方法有以下优点： 能一次成型出外形复杂、尺寸精确 和带嵌件的制品； 可以极方便的利用一套模具，成批 生产尺寸、形状、性能完全相同的产 品； 产品性能好，成型周期短，一般制 件只需3060秒可成型，而且可实现 自动化或半自动化作业，具有较高的 生产效率和技术经济指标。,1.3.1 塑料的成型工艺,图7 一次性注塑成型的塑料椅,33,（2）挤出成型 挤出成型又称挤塑成型，主要适合热塑性塑料成型，也适合一部分流动性较好的热固性塑料和增强塑料的成型。其原理是利用机筒内螺杆的旋转运动，使熔融塑料在压力作用下连续通过挤出模的型孔或口

15、模，待冷却定型硬化后而得各种断面形状的制品。,1.3.1 塑料的成型工艺,34,（3）压制成型 模压成型： 模压成型又称压塑成型。其原理 是将定量的塑料原料置于金属模具 内，闭合模具，加热加压，使塑性原 料塑化流动并充满模腔，同时发生化 学反应而固化成型，是热固性塑料和 增强塑料成型的主要方法，部分热塑 性塑料的成型也可采用此法。,1.3.1 塑料的成型工艺,35, 层压成型 将浸渍过树脂的片状材料 叠合至所需厚度后放入层压机 中，在一定的温度和压力下使 之粘合固化成层状制品。 层压成型制品质地密实，表 面平整光洁，生产效率高。多 用于生产增强塑料板材、棒材 和胶合板等层压材料。,1.3.1

16、塑料的成型工艺,图8 层压成型示意图,36,（4）吹塑成型 用挤出、注射等方法制出管状型坯，然后将压缩 空气通入处于热塑状态的型坯内腔中，使其膨胀成 为所需形状的塑料制品。 薄膜吹塑制造塑料薄膜 中空吹塑中空塑料制品(如：瓶子、包装桶、油箱、玩具等)。,1.3.1 塑料的成型工艺,37, 薄膜吹塑 薄膜吹塑成型是将熔融塑料从挤出机机头口模 的环行间隙中呈圆筒形薄管挤出，同时从机头中心 孔向薄管内腔吹入压缩空气，将薄管吹胀成直径更 大的管状薄膜(俗称泡管)，冷却后卷取。薄膜吹塑 成型主要用于生产塑料薄膜。,1.3.1 塑料的成型工艺,38,图9 薄膜吹塑生产流程图 1- 挤出机；2- 芯棒；3-

17、 泡状物； 4- 导向板；5- 牵引辊；6- 卷取辊； 7- 折叠导棒；8- 冷却环；9- 空气入口； 10- 模头；11- 空气入口,39, 中空吹塑,1.3.1 塑料的成型工艺,40,(5) 压延成型 利用一对或数对相对旋转的加热辊筒，将热塑性塑料塑化并延展成一定 厚度和宽度的薄型材料。压延成型产品质量好，生产能力大， 多用于生产塑 料薄膜、薄板、片材及人造革、壁纸、地板革等。,1.3.1 塑料的成型工艺,图10 压延成型示意图 1- 原料； 2- 薄料 (a)两棍；（b）三辊；（c）四辊,41,(6) 滚塑成型 把粉状或糊状塑料置于 模具中，加热并沿两垂直轴 旋转模具，使模内物料熔融 并

18、均匀散布到模腔表面，经 冷却脱模而得制品。滚塑成 型所用模具及设备成本低， 但生产效率较低。多用于生 产各种形状的中空塑料制 件，加大型容器、汽车零部 件、玩具等。,1.3.1 塑料的成型工艺,图11 滚塑成型示意图,42,(7) 铸塑成型 铸塑成型又称浇铸成型。将 加有固化剂和其他助剂的液态树 脂混合物料倒入成型模具中，在 常温或加热条件下使其逐渐固化 而成为具有一定形状的制品。铸 塑成型工艺简单，成本低，可以 生产大型制件，适用于流动性大 而又有收缩性的塑料，如有机玻 璃、尼龙、聚氨酯等热塑性塑料 和酚醛树脂、不饱和聚酯、环氧 树脂等热固性塑料。,1.3.1 塑料的成型工艺,图12 铸塑成

19、型示意图,43,(8) 搪塑成型 将配置好的塑料糊注入预热的阴模中，使整个模具 内壁均为该糊所湿润附着，待接触模壁的部分糊料胶凝 时，倒出多余的未胶凝糊料，将模具加热使其中糊料层 完成胶凝，经冷却脱模而得制件。多用于生产中空软质 塑料制品。,1.3.1 塑料的成型工艺,44,(9) 醮涂成型 将醮涂用的预热阳模浸入配置好的塑料糊料或粉料 内，一段时间后慢慢提起阳模，阳模表面便均匀地附上 一层塑料，经过热处理和冷却，从阳模上可剥下中空的 成型制件。 用粉末物料醮涂时，先将粉末物料变为沸腾状态， 再将加热的阳模浸入，此法称为硫化床醮涂法。多用来 制作防护手套、把手、玩具、柔性管等。,1.3.1 塑

20、料的成型工艺,45,(10)流延成型 流延成型是生产薄膜的方法之一。将流动性好的塑 料糊料均匀地流布在运行的载体(如金属滚筒或传送带) 上，随即用适当方法将其固化、干燥，然后从载体上剥 取薄膜。此法模具成本低，产品表面光洁，适合小批量 产品的生产。,1.3.1 塑料的成型工艺,46,(11)传递模塑成型 传递成型又称传递压铸成型，热固性塑料的成型方 法之一。将热固性塑料原料在加料腔中加热熔化。然后 加压注入成型模腔中使其固化成型。传递模塑成型与模 压成型相似，但又具有注射成型的特点，如制品尺寸精 确，生产周期短，所用模具结构复杂(设有浇口和流 道)，适合生产形状复杂和带嵌件的制品。多用于酚醛

21、塑料、氨基塑料、环氧塑料等热固性塑料成型。,1.3.1 塑料的成型工艺,47,1.3.1 塑料的成型工艺,图13 传递模塑成型示意图,48,(12) 手糊成型 手糊成型是增强塑料成型方法之一，以手工作业为主。 在涂有脱模剂的模具上均匀地刷一层树脂，再将按要求剪裁成一 定形状的片状增强材料(如纤维增强织物)，铺贴到模具上，然后再涂 刷树脂，再铺贴增强材料，如此重复直至达到所需厚度和预定形状， 然后加热固化，脱模得制品。成型时要求铺贴平整、无皱折，涂刷树 脂要均匀浸透织物层并排出气泡。手糊成型工艺简单、操作方便，不 需专用设备，适用性强，不受形状和尺寸限制，但制品精度低，劳动 条件差、效率低。多用

22、来制作大型物品，也是制作玻璃钢模型的主要 方法。,1.3.1 塑料的成型工艺,49,（1）塑料机械加工 塑料机械加工包括锯、切、车、铣、磨、刨、 钻、喷砂、抛光、螺纹加工等。塑料的机械加工 与金属材料的切削加工大致相同，仍可沿用金属 材料加工的一套切削工具和设备。,1.3.2 塑料的二次加工,50,注意： 塑料的导热性很差，加工中散热不良，一旦温度 过高易造成软化发粘、以至分解； 制件的回弹性大，易变形，加工表面较粗糙，尺 寸误差大； 加工有方向性的层状塑料制件时易开裂、分层、 起毛或崩落。,1.3.2 塑料的二次加工,51,（2） 塑料热成型 将塑料板材(或管材、棒材)加热软化进行成型的方法。主要成型方 法有模压热成型和真空成型。 热成型： 适用范围广，多用于热塑性塑料、热塑性复合材料的成型。 真空成型：又称真空抽吸成型，是将加热的热塑性塑料薄片或薄板置于 带有小孔的模具上，四周固定密封后抽取真空，片材被吸附 在模具的模壁上而成型，脱模后即得制品。 (a) 阳模真空成型； (b) 贴合在阴模上的阴模真空成型。,1.3.2 塑料的二次加工,52,图14 真空成型示意图 (a)气胀阳模真空成型示意图；(b)柱塞辅助阳模真空成型示意图,