第八章 高分子材料成形工艺

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，单键是由σ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（AssembleState）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（GlassState）、高弹态（HighElasticityState）和粘流态（ViscousFlowState），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、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，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。%100ssmjLLLs第二节塑料成形工艺三、塑料的分类1.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。(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1.塑料成形方法(1)注射成形（InjectForming）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（CompressForming）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（ExtrudedForming）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(MangleForming)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。(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。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8－15所示为壁厚设计的示意图。表8－2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(RawRubber)、再生胶(RegeneratedRubber)、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(Rheology)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(VulcanizeAbility)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(SyntheticRubber)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)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