湖大材料工程基礎課件第九章高分子成型.ppt

第九章高分子材料成型,高分子材料屬于材料的一大類別，具有品種多樣，性能各具特色、適應性廣等特點。與金屬材料和無機非金屬材料相比，高分子材料成形工藝簡單，材料損耗少，能耗低，生產(chǎn)效率高，并且可以方便地通過切削加工、焊接、膠接等方法進行二次加工。本章主要介紹塑料、橡膠以及塑料基復合材料成形的基本原理和技術。,本章內(nèi)容,1高分子材料成形的基本原理2高分子材料的成形方法及設備3高分子材料制品的結構工藝性4高分子材料成形新技術5復合材料成形6工程實例汽車輪胎的制造,1高分子材料成形的基本原理,高分子材料又稱聚合物（polymers）。與金屬材料及無機非金屬材料相比，高分子材料呈現(xiàn)出良好的可塑性，因此，高分子材料的成形技術和方法較多，這也是高分子材料能夠廣泛應用的重要原因。,在不同的溫度條件下，聚合物在外力作用下，表現(xiàn)出不同的形變特性。根據(jù)聚合物所表現(xiàn)的力學性質，可以將聚合物的力學狀態(tài)劃分為三種：玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)，如圖5-1所示。,1聚合物的力學狀態(tài)與流變行為,（1）玻璃態(tài)（glassy）在玻璃化溫度Tg以下的聚合物處于玻璃態(tài)，為堅硬固體。此時，聚合物主價鍵和次價鍵所形成的內(nèi)聚力，使材料具有相當大的力學強度。在外力作用下，玻璃態(tài)聚合物具有一定變形能力，形變具有可塑性。由于彈性模量大，形變量小，如圖5-2（a）所示。（2）高彈態(tài)（elastic）當溫度在TgTf范圍時，大分子鏈可獲得足夠的熱運動能量，此時聚合物的彈性模量迅速降低，變形能力顯著增強，變形可逆。當受到外力作用時，處于卷曲狀態(tài)的大分子鏈舒展拉直，當外力去除后又可以恢復到卷曲狀態(tài)，如圖5-2（b）所示。（3）粘流態(tài)（viscous）當溫度在Tf以上時，能量增大到可以使整個分子鏈開始運動，分子間的結合力大為減弱。通常又將這種狀態(tài)的聚合物稱為熔體，如圖5-2（c）所示。,2.高分子材料成形性能,可模塑性可擠壓性可擠壓性可紡性,可模塑性,可模塑性(mouldability)是指材料在溫度和壓力作用下變形和在模具中成形的能力。具有可模塑性的材料可以通過注塑、模壓和擠出等成形方法制成各種形狀的模塑制品。,圖5-4是測定聚合物可模塑性的實驗模具。模具是一個阿基米德螺旋形槽，螺線的長度反映了不同種類或不同級別聚合物流動性的差異。,可擠壓性,可擠壓性指聚合物通過擠壓作用變形時獲得形狀和保持現(xiàn)狀的能力。通常條件下，聚合物在固體狀態(tài)下不能通過擠壓而成形，只有當聚合物處于粘流時才能通過擠壓獲得有用的變形。材料的擠壓性能與聚合物的流變性、熔融指數(shù)和流動速率密切相關。,可延性,可延性表示無定形或半結晶聚合物在一個方向或兩個方向受到壓延或拉伸時變形的能力。利用聚合物的可延性，可以通過壓延或拉伸工藝生產(chǎn)薄膜、片材和纖維。,可紡性,可紡性指聚合物通過成形過程形成連續(xù)固態(tài)纖維的能力?？杉徯灾饕Q于材料的流變性質、熔體粘度、熔體強度以及熔體的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性等。作為紡絲材料，要求熔體從噴絲板毛細孔流出后能形成穩(wěn)定的細流，還要求聚合物有較高的熔體強度，以防止細流斷裂。,3.聚合物在成形過程中的粘彈行為(viscoelasticity),聚合物在成形過程中通常是從固體變?yōu)橐后w，再從液體變?yōu)楣腆w，表現(xiàn)出彈性和粘性。聚合物的形變是粘彈性的。變形主要有高彈變形和粘性變形所組成。從變形性質來看包括可逆變形和不可逆變形兩種成分。當成形溫度高于Tf時，聚合物處于粘流態(tài)。當成形溫度低于Tf時，聚合物處于高彈態(tài)。在TgTf范圍內(nèi)，聚合物主要表現(xiàn)為彈性變形，但也表現(xiàn)出粘性性質。,2高分子材料的成形方法及設備,1.塑料成形方法2.橡膠成形方法,1.塑料成形的方法,塑料制品的制造過程主要包括：物料配制，塑料成形和二次加工等工序，如圖5-6所示。,塑料成形是將原料在一定溫度和壓力下塑制成具有一定形狀制品的工藝過程。塑料的成形方法很多，主要有注塑成形、擠出成形、壓制成形、壓延成形、吹塑成形等，如圖5-6所示。注塑成形技術是所有塑料成形方法中最普遍、最重要的一種成形方法。本章主要介紹注塑成形方法。,注塑成形的原理、特點和應用,注塑成形又稱注射成形(injectionmolding)。其原理如圖5-7所示。,注塑成形是熱塑性塑料的主要成形方法之一，適用于幾乎所有品種的熱塑性塑料(thermoplastics)和部分熱固性塑料(thermosets)。其主要特點如下：（1）生產(chǎn)效率高，可以實現(xiàn)高度機械化。自動化生產(chǎn)，適于大批量生產(chǎn)。（2）制品尺寸精確，精度較高。（3）可以生產(chǎn)形狀復雜、薄壁和帶有金屬嵌件的塑料制品。（4）可生產(chǎn)幾克到數(shù)千克的塑料。,注塑成形的工藝過程,注塑成形工藝過程包括：成形前準備、成形過程、塑件后處理三個主要部分，如圖5-8所示。,注塑成形的工藝過程,（1）成形前準備。主要有：原料的檢查、原料的干燥、料筒清洗。（2）成形過程。一般有：加料、塑化、注射、保壓、冷卻和脫模幾個步驟。（3）塑件的后處理。成形后的塑料制品經(jīng)過適當?shù)暮筇幚?，可以消除?nèi)應力，改善制品性能，提高尺寸穩(wěn)定性。常用的方法是退火和調(diào)濕處理。,注塑成形的工藝條件,在注塑工藝中，主要的工藝參數(shù)有：溫度，壓力和對應的作用時間。,注塑成形的工藝條件,（1）溫度料溫和模具溫度是需要控制的主要溫度。塑料的加熱溫度是由注塑機的料筒來控制的。（2）壓力注塑成形過程中的壓力主要有：塑化壓力和注射壓力。（3）注塑成形周期和注射速度完成一次注塑成形所需的時間稱為注塑成形周期，它包括：加料、加熱、充模、保壓、冷卻時間，以及開模、脫模、閉模及輔助作業(yè)等時間。注射速度和冷卻時間對制品的性能有著決定性的影響。,注塑成形設備,注塑成形的主要設備是注塑機（注射機）(injectionmoldingmachine)和模具(mold)。注射機是塑料注射成形的專用設備，有柱塞式(plungertype)和螺桿式(reciprocatingscrewtype)兩種類型，目前最常用的是螺桿式注射機。塑料模具是塑料成形的重要工裝，按成形的工藝方法，可以將塑料模具分為注射模、壓塑模、擠出模和壓注模等。,塑料注射成形所用的模具稱為注射模。注射模結構形式多種多樣，習慣上按照模具總體結構上的某一特征進行分類，將注射模分為單分型面、雙分型面、帶活動鑲塊、側向分型抽芯注射模等,根據(jù)注射模具中各部件所起的作用，一般可將注射模分為如下幾個部分：（1）成形部件（2）澆注系統(tǒng)（3）導向機構（4）推出機構（5）排氣系統(tǒng)（6）側向分型與抽芯機構（7）加熱與冷卻系統(tǒng)（8）標準模架。注射模具對塑料的適應性強、可生產(chǎn)各類質量和形狀復雜的零件，而且塑件的內(nèi)在和外觀質量較好。但是，注射模具的結構一般比較復雜，制造周期長，成本較高。,橡膠成形方法,1.橡膠加工的工藝過程2.橡膠成形方法3.橡膠成形設備,1.橡膠加工的工藝過程,橡膠制品的原材料主要由生膠、各類配合劑和增強材料組成。生膠是制造橡膠制品的最基本原料，包括天然橡膠、合成橡膠和再生橡膠。生膠的成形性能較差，需添加各種配合劑，并經(jīng)過相應的加工成形和硫化處理后，才能生產(chǎn)出橡膠制品。,橡膠制品生產(chǎn)的基本過程包括：生膠的塑煉、膠體的混煉、橡膠成形、硫化和修邊，如圖所示。,（1）塑煉塑煉的目的就是通過機械剪切和熱氧化作用，使塑料具有可塑性。（2）混煉將塑煉膠和各種配合劑，用機械方法使之完全均勻分散的過程稱為混煉。（3）成形將混煉膠制成所需形狀和尺寸的過程成為成形，常用的橡膠成形方法有：壓延成形、注射成形、模壓成形和擠出成形等。（4）硫化(vulcanization)利用硫磺，使生膠變成彈性橡膠。（5）修邊去除塑料件的飛邊,橡膠成形方法,橡膠成形方法是橡膠制品生產(chǎn)中的重要工藝過程，從生產(chǎn)過程來看，橡膠制品可分為模制品和非模制品兩大類。常用的橡膠成形方法有：壓延成形、模壓成形、注射成形和擠出成形等。,橡膠模壓機,（1）壓延成形借助于壓延機輥筒的作用把混煉膠壓成具有一定厚度的膠片，完成膠料貼合，以及骨架材料（紡織物）通過貼膠、擦膠制成片狀半成品的工藝過程叫壓延（calendering）。圖5-12為膠布壓延工藝過程。,（2）模壓成形模壓成形是橡膠制品生產(chǎn)中應用最早、應用最多的生產(chǎn)方法。適于制作各種橡膠制品，橡膠與金屬或與織物的復合制品。例如，橡膠墊片、密封圈、油封等制品。（3）注射成形注射成形的特點是硫化周期短，硫化質量均勻，制品尺寸精確，生產(chǎn)效率高。注射成形能一次成形外形復雜、帶有嵌件的橡膠制品，主要用于生產(chǎn)密封圈、減振墊和鞋類等。,密封圈,3.橡膠成形設備,（1）煉膠機開煉機結構和設備如圖5-13所示，,（2）密煉機密煉機是橡膠塑煉和混煉的主要設備，如圖5-14，主要部件是一對轉子和一個密煉室。,（3）橡膠注射機、平板硫化機與液壓機橡膠注射機是橡膠注射成形的主要設備，其基本結構與塑料注射機類似。平板硫化機和液壓機是模壓成形的主要設備，平板硫化機的結構有單層式和多層式.,橡膠注射機,平板硫化機,（4）橡膠模具橡膠模具是制作橡膠模制品零件的工藝裝備。常用的橡膠模具主要有：填充模、注射模、擠出模、壓注模等,3高分子材料制品的結構工藝性,1.塑料制品的結構工藝性2.橡膠制品的結構工藝性,1.塑料制品的結構工藝性,在設計塑料制品時，不僅要滿足使用要求，而且還要考慮塑料件的成形工藝特點。塑料制品的結構工藝性一般包括：塑件形狀、壁厚、脫模斜度、加強肋、圓角、孔、螺紋以及鑲嵌零件等。,1.形狀塑件的內(nèi)外表面形狀在滿足使用要求的情況下，盡可能易于成形，避免側孔與側向凸凹，防止使用內(nèi)抽芯機構，如圖5-17所示。,2.壁厚塑件的壁厚應盡可能均勻。壁厚過薄，難以充型。壁厚太厚，容易產(chǎn)生氣泡，縮孔等缺陷。壁厚不均勻還將造成收縮不一致，導致塑件變形或翹曲，如圖5-18所示。,3.脫模斜度塑料制品冷卻后產(chǎn)生收縮，需設置一定的脫模斜度，以便于將塑件從型腔中取出或將型芯從塑件中取出，如圖5-19所示。,4.加強肋加強肋的作用是在不增加制品壁厚的條件下，增加制品的剛度和強度。肋板要避免交叉，防止局部過厚而出現(xiàn)縮孔和氣泡，如圖5-20。,5.圓角為了避免應力集中，提高塑料制品的強度，改善熔體的流動情況和便于脫模，在制品的內(nèi)外表面的連接處均應采用圓角過渡。一般在連接處要加0.5mm的倒角,6.孔制品上各種孔的位置應盡可能開設在不減弱制品機械強度的部位，孔間距、孔邊距不應太小，如表5-1。側孔軸線應與脫模方向一致，以簡化模具和便于抽芯，避免側向抽芯，如圖5-22所示。,2.橡膠制品的結構工藝性,橡膠制品零件的結構設計，應當符合其模制化生產(chǎn)的特點。橡膠制品的結構工藝性一般需考慮脫模斜度、壁厚、圓弧、孔、嵌件等因素。,1.脫模斜度橡膠制品零件在硫化過程中的化學作用和起模后溫度降低的物理作用的共同影響下，產(chǎn)生收縮，需要設置脫模斜度方便脫模橡膠制品零件的脫模斜度應遵循以下原則：制品零件的軸向尺寸越大，其脫模斜度越?。恢破妨慵谋诤裨奖?，脫模斜度越?。恢破返闹睆皆叫?，其脫模斜度也就越小。,2.斷面厚度與圓弧對于橡膠模制品零件的壁厚，設計時應做到斷面厚度均勻一致，盡量避免形體上各部分的斷面厚度差別過大和斷面形狀的突然變化，如圖5-24所示。在各個部分的相互交接處盡量設計成圓弧過渡形式，如圖5-25所示。,3.孔與囊類制品的口徑、腹徑比如果制品結構上的孔比較深，則相應的型芯應具有一定的脫模斜度。圖5-26為囊類橡膠制品，一般對于這類制品零件的設計，口徑d的數(shù)值約為腹徑D數(shù)值的1/21/3左右?？趶?、腹徑尺寸的確定，還與制品頸部的相關尺寸密切相關。,4.嵌件的包鑲形式橡膠模制品的嵌件可分為兩大類：一類是金屬材料，如鋼、銅、鋁等；另一類是非金屬材料，如環(huán)氧玻璃布棒、酚酞布棒等。鑲嵌部件的結構設計如圖5-27。,4高分子材料成形新技術,1、高分子材料的快速成形2、熱流道技術,1、高分子材料的快速成形,快速成形(rapidprototyping,RP)技術，適用范圍較廣，可以實現(xiàn)高分子材料、金屬材料和陶瓷材料的快速成形。其過程如圖5-28所示。,快速成形是一種薄層疊加的增材制造方法，具有下述特點：（1）采用“分層制造”方法，將三維成形問題變成簡單的二維平面成形。（2）可快速制造出復雜形狀的零件。（3）無需金屬切削機床，不需要金屬切削刀具，也不需要模具。（4）由CAD驅動，成形過程自動化。目前，已經(jīng)商品化的快速成形技術主要有四種：立體光造型（stereolithography，SLA）分層實體制造（laminatedobjectmanufacturing，LOM）選擇性激光燒結（selectivelasersintering,SLS）熔絲沉積制造（fuseddepositionmodeling，F(xiàn)DM）,四種快速成形技術的對比如表5-2所示。,SLA（立體光造影）是研究最早、發(fā)展最快、應用最廣泛的快速成形技術。其加工過程是一種光和光敏樹脂的相互作用過程。SLA快速成形的原理如圖5-29所示。,SLA成型過程如圖5-30所示。,SLA的工藝特點如下：精度高，可以達到0.1mm，甚至更高。制件的表面質量好。原材料的利用率近乎100%。能成形形狀復雜、精細的零件。成形材料較脆，加工零件時需制作支撐。,2、熱流道技術,熱流道技術（hotrunnertechnology）是一種采用加熱的方法，使處于注射機噴嘴到模具型腔澆口間整個流道中的塑料一直處于熔融狀態(tài)，完成注射開啟模具后只需取出產(chǎn)品，而不產(chǎn)生澆道內(nèi)凝固廢料的先進澆注方法。,熱流道系統(tǒng)熱流道系統(tǒng)一般由熱流道元件、電熱元件和溫度控制器三部分組成。采用熱流道系統(tǒng)的模具可以分為四類：單型腔熱流道模具、多型腔熱流道模具、針閥式澆口熱流道模具和內(nèi)加熱分流道模具。,熱流道技術的特點（1）縮短制件成形周期（2）節(jié)省塑料原料（3）提高產(chǎn)品質量，減少廢品率（4）消除后處理工序，有利于生產(chǎn)自動化（5）擴大注塑成形工藝的應用范圍,在歐美國家，塑料模具廠生產(chǎn)的模具50%以上采用熱流道技術，有的甚至達80%以上，效果十分明顯。近年來，國產(chǎn)模具向歐美公司的快速出口使熱流道技術在中國逐漸推廣，隨著熱流道技術的日漸推廣應用，熱流道模具在塑料模具中所占比重將逐步提升。,5復合材料成形,1、復合材料成形的工藝特點2、樹脂基復合材料的成形方法,1、復合材料成形的工藝特點,復合材料的組成（1）樹脂基復合材料（polymer-matrixcomposites,PMCs）以樹脂為基體，以纖維為增強材料復合而成。基體材料一般采用熱固性樹脂和熱塑性樹脂。增強纖維材料主要有，玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等。（2）金屬基復合材料（metalmatrixcomposites，MMCs）的金屬基體一般為鋁合金、鎂合金和鈦合金，增強材料一般是硼纖維、碳纖維碳化硅纖維、氧化鋁纖維等。（3）陶瓷基復合材料（ceramicmatrixcomposites，CMCs）的基體主要以結構陶瓷為主，例如氧化鋁、碳化硅、碳化硅等，增強材料一般選用晶須、顆粒或纖維。,復合材料(compositematerials)因其本身的結構特性，成形工藝呈現(xiàn)出以下特點：（1）材料性能具有可設計性。復合材料是由兩種或兩種以上不同性能的材料組成，可以通過改變材料組成、含量、排列方式等改變材料性能。（2）材料制備與制品成形同時完成。復合材料的制備過程通常就是其制品的成形過程，特別對于形狀復雜的大型制品可以實現(xiàn)一次整體成形。（3）復合材料成形時的界面作用。復合材料的界面層使增強材料與基體形成一個整體，并通過它傳遞應力。影響界面形成的主要因素有基體與增強材料的相容性和潤濕性等。,2、樹脂基復合材料的成形方法,樹脂基復合材料的構件性能與制造工藝密切相關，按樹脂基體的性質，可分為熱塑性樹脂基復合材料和熱固性樹脂基復合材料兩類，其中又以熱固性樹脂基復合材料更為常用。樹脂基復合材料的成形方法很多，主要有手糊成形、噴射成形、袋壓成形、模壓成形、纏繞成形、拉擠成形、注射成形等。,手糊成形(handlay-upmolding)先在模具表面涂一層脫模劑，然后涂刷含有固化劑的樹脂混合料,再鋪上裁剪好的纖維織物，再重這個過程，直至所需厚度。然后，進行固化、脫模、修整和檢驗，得到所需的制品，如圖5-32所示。,2、噴射成形(spraylay-upmolding)噴射成形是一種半機械化手糊成形方法，利用噴槍將短纖維和樹脂同時噴射到模具上，再經(jīng)壓實、固化得到制品。如圖5-33所示,3.模壓成形(compressingmolding)將定量的樹脂與增強材料的混合料放入金屬模具中，通過加熱、加壓，使樹脂塑化和熔融流動充滿模具型腔，經(jīng)固化后獲得復合材料制品。,3、復合材料制品的結構工藝性,由于復合材料成形有其獨特的工藝特點，故其制品的結構設計與單一材料相比有許多不同之處。以纖維增強復合材料為例，其制品結構設計時應遵循以下原則：1.纖維的分布應滿足承載要求2.構件彎折處應采用圓角過渡3.盡量采用整體結構4.采用剛性較好的結構,6工程實例汽車輪胎的制造,外胎是一個環(huán)形的外殼，它使輪胎具有一定的外形尺寸，以阻止內(nèi)胎在充氣時變形及維持一定內(nèi)壓，并保護內(nèi)胎，使之在行駛時免受損傷。簾線-橡膠復合結構外胎由簾布層、緩沖層、胎面膠和胎圈構成，如圖5-34。,汽車輪胎制造的工藝過程主要包括：原材料加工、配料、生膠塑煉、膠料混煉、擠出成品膠部件、簾布壓延與裁斷、緩沖層制造、鋼圈制造、輪胎成形、硫化和檢驗。,馬牌輪胎,米其林輪胎,1.原材料加工生膠在塑煉之前須將膠塊置于溫度為5070C的烘房支架上加溫軟化，以便于切割與塑煉加工，同時還能降低膠塊的含水量。2.配料按照生產(chǎn)配方要求，將各種原材料包括橡膠和各種配合劑進行稱量，以供給后續(xù)的塑煉、混煉工序。3.塑煉天然橡膠通常用密閉式煉膠機塑煉?，F(xiàn)在的合成橡膠，如丁苯橡膠和聚丁二烯橡膠，不需要塑煉，可直接進行混煉。4.混煉將碳黑、天然/合成橡膠、油、添加劑、促進劑等原材料混合到一起，在密煉機里進行加工，使各種配合劑完全均勻地分散在生膠中，生產(chǎn)出“膠料”。,5.輪胎部件制造（1）擠出半成品膠部件：將膠料通過傳送機被喂進擠出機頭，從而擠出不同的半成品膠部件：胎面、胎側/子口和三角膠條等。（2）簾布壓延：將尼龍或聚酯的原材料簾線穿過壓延機，在簾線的兩面都掛上一層較薄的膠料，所制得的成品為簾布。（3）簾布裁斷：根據(jù)施工要求，簾布將被裁斷成適用的寬度和角度，并接好接頭。（4）帶束層成形。（5）鋼圈制造,6.輪胎成形工序輪胎成形就是將簾布、胎圈、包布、胎面等所有半成品部件，按照材料布置圖在成形機上組裝成生胎。7.硫化生胎在模具里經(jīng)過適當?shù)臅r間以及適宜的條件硫化成輪胎成品。目前，最廣泛使用的是利用飽和蒸汽和過熱的水加熱的硫化方法。,纖維的制備,特點：高的強度與彈性模量，有機纖維質量密度低。形式：連續(xù)、切斷或晶須，直徑5m1mm種類：自然形成；人工制造應用：強化復合材料，光學纖維，編織物。,一、熔融紡絲用于制備聚合物（聚酯、尼龍、聚烯烴）與氧化物玻璃纖維聚合物熔化并受壓通過數(shù)個圓形的噴絲頭孔擠出，粘性液體直徑由約400m被拉拔為約25m，形成的高度取向纖維在空氣中被拉伸與冷卻，然后經(jīng)精整處理后合絲并纏繞于線軸上。氧化物玻璃纖維：使用溫度稍高，不需要擠出，而是簡單壓出。,熔融紡絲,動畫,二、溶液紡絲纖維素、聚丙烯腈等聚合物：不能加熱熔化，在熔化之前會發(fā)生降解。干式紡絲：先將聚合體溶解于適當?shù)膿]發(fā)性溶劑（明膠），再將溶液經(jīng)過噴絲頭的孔被擠出進入空氣中，由于溶劑的揮發(fā)，促使聚合物沉淀成為纖維的形狀。濕式紡絲：明膠擠到非溶劑介質的凝結池槽中，由非溶劑介質的內(nèi)部擴散而引起聚合物的沉淀析出。,溶液紡絲設備,動畫,三、控制熱解有機物或有機金屬先軀體的熱解是制備陶瓷與碳纖維的重要化學工藝。先由傳統(tǒng)的技術制備出包含有所要元素的聚合物先軀體纖維，接著使纖維在不熔化的前提下發(fā)生熱解（加熱產(chǎn)生化學變化），去除不需要