ch05有機高分子材料及其成形

有機高分子材料及其成形5.1有機高分子材料概述5.2塑料及其成形工藝5.3橡膠及其成形工藝金屬材料無機非金屬材料高分子材料復合材料高分子材料發(fā)展史天然高分子材料：棉、麻、絲天然纖維高分子材料，早在商朝蠶絲業(yè)極為發(fā)達；15世紀以前，南美洲人發(fā)現(xiàn)并利用天然橡膠；直至20世紀初以前都在研究和利用天然高分子材料。合成高分子材料：1907年世界第一個酚醛樹脂廠建成投產(chǎn)，1930年以后到1980年合成橡膠（SBR、CR、NBR、IIR等）、合成樹脂（PVC、PE、PP、PS、PMMA等）、合成纖維材料（尼龍、聚丙烯腈、聚酯、聚丙烯）相繼出現(xiàn)。到2004年底,中國五大合成樹脂(聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、ABS)的產(chǎn)量已經(jīng)達1790萬噸,列世界第二位,國內(nèi)消費量達3125萬噸;主要單體乙烯產(chǎn)量為627萬噸,列世界第三位;五大合成纖維(滌綸、腈綸、錦綸、丙綸、維綸)產(chǎn)量達1314萬噸,列世界第一位,國內(nèi)消費量達1481萬噸;合成橡膠產(chǎn)量達148萬噸,列世界第三位,國內(nèi)消費量達258萬噸。目前三大合成高分子材料（合成樹脂、合成橡膠、合成纖維）的世界產(chǎn)量已經(jīng)超過2億噸，其中80%以上為合成樹脂及塑料。橡膠園女工在割膠19世紀中期一家歐洲橡膠制品廠的情景高分子又稱大分子，一般是指分子量大于104，鏈長度在103～105，甚至更大的分子有機高分子材料簡稱高分子化合物或高分子，又稱高聚物。是衣、食、住、行和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各方面都離不開的材料，其中棉、毛、絲、塑料、橡膠等都是最常用的。高分子是由一種或幾種結構單元多次（103～105）重復連接起來的化合物。它們的組成元素不多，主要是碳、氫、氧、氮等，但是相對分子質量很大，一般在10000以上，可高達幾百萬。造成高分子分子量很大的原因，是它們的分子是由特定的結構單元多次重復連接組成的。例如聚氯乙烯分子是由成千上萬個氯乙烯分子相互連接組成的。5.1有機高分子材料高分子里每個特定的結構單元也叫做鏈節(jié)。表示每個高分子里鏈節(jié)的數(shù)目，叫做聚合度(n)。能夠聚合生成高分子化合物的低分子化合物叫做單體。例如苯乙烯是合成聚苯乙烯的單體。分類原則類別舉例與特性按聚合物的來源天然聚合物如天然橡膠、纖維素、蛋白質人造聚合物經(jīng)人工改性的天然聚合物，如硝酸纖維、醋酸纖維（人造絲）合成聚合物完全由低分子物質合成的如聚氯乙稀、聚酰胺等。按生成聚合物的化學反應加聚物由加成聚合反應得到的，如聚稀烴縮聚物由縮合聚合反應得到的，如酚醛樹脂5.1.1有機高分子材料的類別分類原則類別舉例與特性

按聚合物的性質塑料

有固定形狀、熱穩(wěn)定性與機械強度，如工程塑料橡膠具有高彈性，可做彈性材料與密封材料纖維單絲強度高，可做紡織材料按聚合物的熱行為熱塑性聚合物線型結構加熱后仍不變熱固性聚合物線型結構加熱后變體型

按聚合物分子的結構碳（均）鏈聚合物一般為加聚物雜鍵聚合物一般為縮聚物元素有機聚合物一般為縮聚物高分子鏈的結構

鏈的結構狀態(tài)特點性質及示例線型拉伸或低溫直線形高溫或稀溶液卷曲彈性和可塑性，可反復加工成型熱塑性聚合物，如聚氯乙稀、聚乙稀、尼龍支鏈型象一根“節(jié)上生枝”樹干與線型基本相同

體型線型或支鏈型高分子以化學鍵交聯(lián)而成具有空間網(wǎng)狀結構

彈性和可塑性較小，硬度和脆性大，一次加工成型后不再熔化，一般溶劑不溶解熱固性聚合物硫化橡膠、離子交換樹脂線性高分子鏈之間的結合力是分子間力，例如：聚乙烯、尼龍支鏈型高分子體型高分子鏈之間由共價鍵連接，許多橡膠具有這種結構5.1.2高分子材料的加工性能高聚物狀態(tài)變化和成型加工的關系玻璃態(tài)

＜Tg高彈態(tài)

Tg～Tf(Tm)粘流態(tài)

＞Tf(Tm)5.2塑料及其成形工藝

原始的賽璐璐生產(chǎn)車間賽璐璐的發(fā)明家

第一種人造塑料—賽璐珞（celluloid）1869年，美國的海厄特JohnWesleyHyatt(1837-1920)，利用纖維素合成的第一種人造塑料塑料的組成：以合成樹脂為主要成分，并加入增塑劑、潤滑劑、穩(wěn)定劑及填料等組成的高分子材料。在一定的溫度和壓力下，可以用模具使其成形為具有一定形狀和尺寸的塑料制件，當外力解除后，在常溫下其形狀保持不變。

1、合成樹脂最主要成分，含量一般在40％～100％。樹脂的性質常常決定塑料的性質，2、填料提高塑料的強度和耐熱性能，并降低成本。有機填料和無機填料兩類，前者如木粉、碎布、紙張和各種織物纖維等，后者如玻璃纖維、硅藻土、石棉、炭黑等。3、增塑劑增加塑料的可塑性和柔軟性，降低脆性，使塑料易于加工成型。4、穩(wěn)定劑防止合成樹脂在加工和使用過程中受光和熱的作用分解和破壞，延長使用壽命5、著色劑著色劑可使塑料具有各種鮮艷、美觀的顏色。常用有機染料和無機顏料作為著色劑。6、潤滑劑潤滑劑的作用是防止塑料在成型時不粘在金屬模具上，同時可使塑料的表面光滑美觀。常用的潤滑劑有硬脂酸及其鈣鎂鹽等。塑料中還可加入阻燃劑、發(fā)泡劑、抗靜電劑等，以滿足不同的使用要求。塑料形變與溫度的關系熱塑性塑料形變特性（力學性能）低于玻璃化溫度Tg為玻璃態(tài)、高于粘流溫度Tf（或結晶溫度Tm）溫度為粘流態(tài)、在玻璃化溫度和粘流溫度之間為高彈態(tài)，當溫度高于熱分解溫度（Td）時，塑料會降解或氣化分解。

玻璃態(tài)，強度、剛性等力學性能較好，可作為結構材料使用。

高彈態(tài)，外力作用下，會產(chǎn)生很大的彈性形變（可達100%～1000%），此時的高聚物具有橡膠的特性。

粘流態(tài)，高聚物開始粘性流動，變形是不可逆變形，一般在此溫度范圍成形。固化：熱固性塑料在成形過程中，由于高聚物發(fā)生交聯(lián)反應，分子將由線型結構變?yōu)轶w型結構，這一過程稱為固化。

使用中：正常使用中處于玻璃態(tài)。成形時：在成形過程中，一般要求塑料處于粘流態(tài)（或塑化態(tài)）成形。1.塑料的特性易成形，成本低有一定的強度、質量輕耐蝕性穩(wěn)定透明性好、著色性強絕緣性強、耐磨性高減振消聲、透光保溫2.缺陷耐熱性差易變形有“老化”現(xiàn)象3.塑料的類別及其特性按其應用分類通用塑料一般指產(chǎn)量大、用途廣、成型性好、價廉的塑料。如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。工程塑料一般指能承受一定的外力作用，并有良好的機械性能和尺寸穩(wěn)定性，在高、低溫下仍能保持其優(yōu)良性能，可以作為工程結構件的塑料。如ABS、尼龍、聚砜等。特種塑料增強塑料5.2.2塑料的主要成形方法1.注射成形塑料注射成形：又稱注塑成形，是熱塑性塑料成形的主要加工方法，近年來，也用于部分熱固性塑料的成形加工。特點：生產(chǎn)效率高、易于實現(xiàn)機械化和自動化、并能制造外形復雜，尺寸精確的塑料制品，大約60%～70%的塑料制件用注射成形方法生產(chǎn)。注射過程：包括加料、塑化、注射、保壓、冷卻定型和脫模等幾個步驟。塑化是塑料在注射機料筒中經(jīng)過加熱達到塑化狀態(tài)（粘流態(tài)或塑化態(tài)）；注射是將塑化后的塑料流體，在螺桿（或柱塞）的推動下經(jīng)噴嘴壓入模具型腔；塑料充滿型腔后，需要保壓一定時間，使塑件在型腔中冷卻、硬化、定型；壓力撤消后開模，并利用注射機的頂出機構使塑件脫模，取出塑件。（1）注射系統(tǒng)

由加料裝置（料斗）、定量供料裝置、料筒及加熱器、注射缸等組成，其作用是使塑料塑化和均勻化，并提供一定的注射壓力，通過柱塞或螺桿將塑料注射到模具型腔內(nèi)。（2）合模、鎖模系統(tǒng)

由固定模板、移動模板、頂桿、鎖模機構和鎖模油缸等組成，其作用是將模具的定模部分固定在固定模板上，模具的動模部分固定在移動模板上，通過合模鎖模機構提供足夠的鎖模力使模具閉合。完成注射后，打開模具頂出塑件。（3）操作控制系統(tǒng)

安裝在注射機上的各種動力及傳動裝置都是通過電氣系統(tǒng)和各種儀表控制的，操作者通過控制系統(tǒng)來控制各種工藝量（注射量、注射壓力、溫度、合模力、時間等）完成注射工作，較先進的注射機可用計算機控制，實現(xiàn)自動化操作。2.擠出成形

稱為擠塑成形，主要用于熱塑性塑料生產(chǎn)棒、管等型材和薄膜等，也是中空成形的主要制坯方法。

擠出成形生產(chǎn)線：由擠出機、擠出模具、牽引裝置、冷卻定型裝置、切割或卷曲裝置、控制系統(tǒng)組成。擠出機相當于注射機的注射系統(tǒng)，它由料斗、料筒和螺桿組成。工作時螺桿在傳動系統(tǒng)驅動下轉動，將塑料推向料筒中加熱塑化，在擠出機的前端裝有擠出模具（又稱機頭或口模），塑料在通過擠出模具時形成所需形狀的制件，再經(jīng)過冷卻定型處理就可以得到等截面的塑料型材。3.壓制成形模壓——將粒狀、粉狀、片狀塑料在模具中于一定溫度下壓制成制品。塑料加工技術中歷史最悠久的一種成型工藝。也叫壓縮成形，主要用于熱固性塑料，也可用于熱塑性塑料層壓——以片狀材料如紙、布、玻璃布浸入液體樹脂中，經(jīng)烘干、裁制、疊層，在層壓機上成型成板材、管材和棒材等。4.吹塑成形也叫中空吹塑。將擠出或注射成型所得的管坯置于模具中，在管坯中通入壓縮空氣將其吹脹，使之緊貼于模腔壁上，再經(jīng)冷卻脫模得到中空制品的成型方法。這種成型方法可生產(chǎn)瓶、壺、桶等各種包裝容器，日常用品和兒童玩具等。包括擠出吹塑、注射吹塑、拉伸吹塑和吹塑薄膜法，拉伸吹塑又包括擠－拉－吹和注－拉－吹如果擠出的中空管狀塑料不經(jīng)冷卻，將熱塑料管坯移入中空吹塑模具中向管內(nèi)吹入壓縮空氣，在壓縮空氣作用下，管坯膨脹并貼附在型腔壁上成形，經(jīng)過冷卻后即可獲得薄壁中空制品如果擠出的中空管狀塑料不經(jīng)冷卻，在機頭中心通入壓縮空氣，將管坯吹成管狀薄膜冷卻后可加工為各種薄膜制品。5.壓注成形又稱傳遞成形或擠膠成形，它是在壓制成形的基礎上發(fā)展起來的熱固性塑料成形方法，其工藝類似于注射成形工藝，所不同的是塑料在模具的加料室內(nèi)塑化，再經(jīng)過澆注系統(tǒng)進入型腔，而注射成形是在注射機料筒內(nèi)塑化。6.真空成形

也稱為吸塑成形，它是將熱塑性塑料板材、片材固定在模具上，用輻射加熱器加熱到軟化溫度，用真空泵（或空壓機）抽取板材與模具之間的空氣，借助大氣壓力使坯材吸附在模具表面，冷卻后再用壓縮空氣脫模，形成所需塑件的加工方法。

成形特點：生產(chǎn)設備簡單，效率高，