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第六章高分子材料及加工工艺第一节高分子材料的基本知识1高分子聚合物的特点A可分割性B弹性C可塑性加热后塑性成性能好D绝缘性对电、热、声的绝缘性能好2高分子聚合物的组成和结构1）组成高分子聚合物简称高聚物，指由许多相同的、简单的结构单元通过共价键重复连接而成的高分子量化合物。聚合反应一种或几种单体相互加成而链结成聚合物的反应。n代表重复单元数，又称聚合度，聚合度是衡量高分子聚合物的重要指标。聚合度很低的(1～100)的聚合物称为低聚物，只有当聚合度高达(如塑料、橡胶、纤维等)才称为高分子聚合物。如聚氯乙烯分子，是由许多氯乙烯分子结构单元—CH2CHCl—重复连接而成，因此，—CH2CHCl—又称为结构单元或链节。由能够形成结构单元的小分子所组成的化合物称为单体，是合成聚合物的原料。聚氯乙烯是利用单体氯乙烯通过聚合反应生成的：nCH2=CHCl[CH2-CHCl]加聚n链节聚合度2）高分子聚合物的结构高分子的分子结构有两种：1）线型结构线型结构的特征是分子中的原子以共价键互相连结成一条很长的卷曲状态的“链”（叫分子链）。2）体型结构体型结构的特征是分子链与分子链之间还有许多共价键交联起来，形成三度空间的网络结构。这两种不同的结构，性能上有很大的差异。高分子材料具有不同分子链结构时性能、性质不同。•线型聚合物——热塑性塑料•体型聚合物——热固性塑料•1.线型聚合物的物理特性：具有弹性和塑性，在适当的溶剂中可以溶解，当温度升高时则软化至熔化状态而流动，且这种特性在聚合物成型前、成型后都存在，因而可以反复成型。•2.体型聚合物的物理特性：脆性大、弹性较高、塑性很低，成型前是可溶和可熔的，而一经硬化(化学交联反应)，就成为不溶不熔的固体，即使在再高的温度下(甚至被烧焦碳化)也不会软化。品种性能高密度聚乙烯低密度聚乙烯交联聚乙烯生产方法低压，齐格勒-纳塔型催化剂配位聚合高压，自由基聚合分子链形态线型枝链型网型密度ρ(g·cm-3)0.95-0.970.91-0.940.95-1.40结晶度Xc(X射线衍射法)95%60-70%——熔点（℃）135105不熔、不溶抗拉强度σb(MPa)20-7010-2050-100最高使用温度(℃)12080-100135用途硬塑料制品：管材、棒材、单丝绳缆、工程塑料部件等软塑料制品、薄膜材料等电工器材、海底电缆等不同密度聚乙烯的性能及应用3）聚集态结构聚集态是指由大量原子或分子以某种方式（结合力）聚集在一起，能够在自然界相对稳定存在的物质形态。——聚集态结构：决定高聚物本体性能的主要因素——高分子材料是由许许多多高分子链（相同或不同的）以不同方式排列或堆砌而成的聚集体•固态高分子材料按分子链排列的有序性，分：•——结晶态结构：分子链按照三维有序的方式聚集在一起形成的；•——非晶态（无定型态）结构：分子链取无规线团构象，杂乱无序地交叠在一起；•——取向态结构：在外场作用下，分子链沿一维或二维方面局部有序排列形成的。3高分子聚合物的特点高分子化合物一般有较好的弹性、塑性、强度、绝缘性，低分子化合物这些性能较低。聚合物的三种聚合聚集态结构示意图力学性能电学性能光学性能热学性能2）按材料综合特性分类高分子材料合成塑料热塑性塑料热固性塑料橡胶纤维合成橡胶天然橡胶天然纤维合成纤维涂料黏合剂合成树脂涂料油脂、天然树脂涂料4高分子聚合物的分类1）按聚合物分子的来源分类天然高分子材料蚕丝、羊毛、纤维素、油脂、天然橡胶、淀粉、蛋白质等人工合成高分子材料塑料、合成橡胶、合成纤维、胶粘剂、涂料等5高分子聚合物的力学状态（2）实际应用常温下呈玻璃态，则该聚合物用作塑料。常温下呈高弹态，则该聚合物用作弹性材料，如橡胶。（1）含义Tg---高分子材料使用的温度上限，高于Tg时，变形大或断裂，Tg衡量材料的耐热性。Tf----高分子材料的成型温度，成型加工难易的标志。Tg与Tf的意义1塑料的组成以天然树脂或合成树脂（也称合成高分子化合物，因外观似天然树脂如琥珀、松香、虫胶等而得名）为原料，在一定温度和压力条件下，可以用模具使其成型为具有一定形状和尺寸的塑料制件，当外力解除后，在常温下其形状保持不变。第二节塑料的基本特性基本成分------合成树脂添加剂---------填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、着色剂、固化剂、其他添加剂组成1合成树脂（高聚物）由低分子化合物通过缩聚或加聚反应合成的高分子化合物,如酚醛树脂、聚乙烯等,是塑料的主要组成,也起粘接剂作用。合成树脂在塑料中的含量约40%~100%，对塑料的性能起决定性作用。2．添加剂为改善性能而加入的其他组分,主要有以下几种：(1)填料或增强材料填料在塑料中主要起增强作用。有时也可改善或提高塑料的某些特殊性能,以扩大其应用范围。填料的用量可达20%~50%,是塑料改性最重要的组成。塑料的组成–例如：•加入石墨、石棉纤维或玻璃纤维等,可以改善塑料的机械性能；•加人石棉粉可提高塑料的耐热性；•加入云母粉可提高塑料的电绝缘性；•加入二硫化钼等可提高塑料的自润滑性；•加入铝粉可提高塑料对光的反射能力等。(2)固化剂–它的作用在于通过交联使树脂具有体型网状结构,成为较坚硬和稳定的塑料制品。–例如：•在酚醛树脂中加入六亚甲基四胺；•在环氧树脂中加入乙二氨、顺丁烯二酸酐等。(3)增塑剂•用以提高树脂可塑性和柔性的添加剂。常用的为液态或低熔点的固体有机化合物。•例如：聚氯乙烯树脂中加入邻苯二甲酸二丁酯,可变为橡胶一样的软塑料。(4)稳定剂–为了防止受热、光等的作用使塑料过早老化,加入少量能起稳定化作用的物质。–例如：•能抗氧的物质有酚类和胺类等有机物;•炭黑则可作紫外线吸收剂。•其他一些添加剂,如润滑剂、着色剂、阻燃剂、抗静电剂和发泡剂等。2塑料的特性•塑料能自由成型并易加工。虽然塑料制品的性能,根据其种类、成型条件及使用环境等变化较大,但与其它材料相比较,塑料具有良好的综合特性。1多数塑料制品有透明性,并富有光泽,能着鲜艳色彩。2质轻,耐振动与冲击,比强度高（按单位质量计算的强度）•塑料比金属轻,一般塑料比重在0.9~2.3之间(各种泡沫塑料的比重在0.01~0.5之间)；•强度较高，有些增强塑料的比强度接近甚至超过钢材。例如合金钢材，其单位质量的拉伸强度为160兆帕，而用玻璃纤维增强的塑料可达到170~400兆帕。•大多数塑料具有优良的减摩、耐磨和自润滑特性。如工程塑料制造的耐摩擦零件；在耐磨塑料中加入某些固体润滑剂和填料时，可降低其摩擦系数或进一步提高其耐磨性能。•减震消音，具有柔韧性和弹性•3塑料电绝缘性、热物理性能好。–几乎所有塑料都具有优异的电绝缘性能，如极小的介电损耗和优良的耐电弧特性，可与陶瓷媲美–导热率极小,只有金属的1/600~1/200,泡沫塑料的导热率与静态空气相当,因此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。•4优良的化学稳定性能–一般塑料对酸碱等化学药品均有良好的耐腐蚀能力–特别的如，聚四氟乙烯的耐化学腐蚀性能比黄金还要好，甚至能耐王水等强腐蚀性电解质的腐蚀，被称为塑料王。•5塑料成型容易、加工方便,能大批量生产–容易进行切削、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。•塑料与金属及其它工业材料相比较有如下缺点：–1塑料不耐高温,低温容易发脆.•多数塑料虽不易燃烧,但在300℃以上发生变形,燃烧时放出有毒气体。由于耐热性较差,使塑料的用途受到限制塑料的缺点•2塑料制品易变形–温度变化时尺寸稳定性较差,成型收缩较大,即使在常温负荷下也容易变形。•3塑料有“老化”现象–塑料在长时间使用或贮藏过程中,质量会逐渐下降。这是由于受周围环境如氧气、光、热、辐射、它是塑料制品性能的一个严重缺陷。•1——PET聚对苯二甲酸乙二醇酯常见于矿泉水瓶、碳酸饮料瓶等。温度达到70℃时易变形，且有对人体有害的物质融了。1号塑料品使用10个月后，可能释放出致癌物DEHP。这类瓶子不能放在汽车内晒太阳，不能装酒、油等物质。•2——HDPE高度密聚乙烯常见于白色药瓶、清洁用品、沐浴产品。不要用来做水杯，或者做储物容器装其他物品。•3——PVC聚氯乙烯常见于雨衣、建材、塑料膜、塑料盒等。可塑性优良，价钱便宜，故使用很普遍，耐热至81℃时达到顶点，高温时容易产生有害物质，很少被用于食品包装。难清洗、易残留，不要循环使用。•4——PE聚乙烯常见于保鲜膜、塑料膜等。高温时有有害物质产生，有毒物质随食物进入人体后，可能引起乳腺癌、新生儿先天缺陷等疾病。•5——PP聚丙烯常见于豆浆瓶、优酪乳瓶、微波炉餐盒，熔点高达167℃，是唯一可以放进微波炉的塑料制品，可在小心清洁后重复使用。需要注意的是，有些微波炉餐盒，盒体以5号PP制造，但盒盖却以1号PET制造，由于PET不能抵受高温，故不能与盒体一并放进微波炉。•6——PS聚苯乙烯常见于碗装泡面盒、快餐盒。不能放进微波炉中，以免因温度过高而释放出有害化学物质。避免用快餐盒打包滚烫的食物，别用微波炉煮碗装方便面。•7——PC其他类常见于水壶、太空杯、奶瓶。百货公司常用这些材质的水杯当赠品。不过，这种材质的水杯很容易释放了有毒物质双酚A，对人体有害。另外，使用这种水杯时不要加热，不要在阳光下晒。附：常用塑料特性3塑料的分类•塑料的分类体系比较复杂，各种分类方法也有所交叉，按常规分类主要有以下三种：•通用塑料•工程塑料•特种塑料*•二是按使用特性分类•热塑性塑料PE、PVC、PS、PP、ABS•热固性塑料•一是按热行为分类#•三是按加工方法分类•*特种塑料一般是指具有特种功能，可用于航空、航天等特殊应用领域的塑料。–如氟塑料和有机硅具有突出的耐高温、自润滑等特殊功用–增强塑料和泡沫塑料具有高强度、高缓冲性等特殊性能•返回热固性塑料和热塑料性塑料的温度依赖性•返回热塑性塑料形变与温度的关系热固性塑料受热后流动性变化情况第三节塑料的工艺特性一、塑料的成型工艺成型工艺特性加工工艺特性(机械加工、热成型、连接、表面处理)•塑料的工艺特性注射、挤出、吹塑、压制等1、注射成型采用注射成型机将粒状塑料连续输入到料筒中，受热熔融成黏性流动状态，由螺杆或柱塞推至料筒端部，通过喷嘴和浇注系统将熔体注入闭合的模具中，经保压、冷却后固化成型，然后开模取出塑件。塑料的主要成型方法合模脱模冷却（塑化）保压注射螺杆式注射成型柱塞式注射成型注射成型螺杆式注塑系统装配图螺杆式注塑系统柱塞式塑化系统分流梭柱塞式注塑成型原理图注射成型特点：1)成型周期短2)对各种塑料成型的适应性强。3)生产效率高，易于实现自动化生产。4)注射成型所需设备昂贵，模具结构比较复杂，制造成本高。5）生产成本高，生产周期长，不适合生产单件和小批量的塑件生产。应用目前产品的产量占塑料制件产量的30%以上。对成型各种塑料的适应性强，到目前为止，几乎所有的热塑性塑料及一些热固性塑料均可用此方法成型；塑料中的嵌件2、挤出成型将熔融的塑料自模具内以挤压的方式往外推出，得到与模口相同几何形状的流体，冷却固化后，得到所要的零件。挤出成型特点：1)挤出成型所用设备结构简单、操作方便、占地面积少、环境清洁。2)可以连续化生产，效率高、投资少、成本低。3)模具结构也较简单，制造维修方便。4)塑件的内部组织均衡致密，尺寸比较稳定。5)挤出成型适应性强。3、压制成型将塑料原料直接加在敞开的模具型腔内，再将模具闭合，塑料粒料在受热和受压的作用下充满闭合的模具型腔，固化成型后得到塑件。1、加料2、闭模3、排气4、固化5、脱模压缩成型过程压缩模结构压制成型的优点：1)压制成型所使用的设备和模具以及生产过程的控制都比较简单。2)压制成型的塑料制品耐热性好，塑件的收缩率小、变形小，各项性能比较均匀。3)压制成型适宜成型流动性差的塑料，比较容易成型大、中型塑件。压制成型的缺点：1)压制成型生产周期长，效率低，不易实现自动化，劳动条件较差。2)对尺寸精度要求较高的塑件，不能模压成型。3)带有深孔、开头有精细嵌件的塑件难以成型。4)对模具材料要求较高。一般压塑模具使用寿命仅20～30万次。4、压注成型在改进压