第1章聚合物及成型工艺

学无常师,道在则是——晋·潘岳归田赋第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。（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5①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。②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6③具有可塑性高分子聚合物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。④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和结构①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=m×nM—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8②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11.1高分子聚合物的基本知识11表1聚合物常见的分类方法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14①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15②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16③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，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。①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。②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塑料按其应用可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。①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。②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。③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2021（2）塑料的一般特性①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0.9～2.3g／cm3之间，PE、PP的密度最小，约为0.9g／cm3，最重的PTFE的密度不超过2.3g／cm3，表3所列为几种金属与塑料的比强度。②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。③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23④塑料的导热率极小，只有金属的1／600～1／200，泡沫塑料的导热率与静态空气相当，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。⑤耐磨、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。⑥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24⑦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：①塑料不耐高温，低温容易发脆。②燃烧时放出有毒气体。③塑料制品易变形。④塑料有“老化”现象。1.2塑料的基本特征25工艺学的主要任务——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：（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2930（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：①能一次成型出外形复杂、尺寸精确和带嵌件的制品；②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；③产品性能好，成型周期短，一般制件只需30～60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①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35②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37①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-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39②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