ch05有機(jī)高分子材料及其成形

有機(jī)高分子材料及其成形5.1有機(jī)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(wú)機(jī)非金屬材料高分子材料復(fù)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(dá)；15世紀(jì)以前，南美洲人發(fā)現(xiàn)并利用天然橡膠；直至20世紀(jì)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(gè)酚醛樹(shù)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(shù)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(guó)五大合成樹(shù)脂(聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、ABS)的產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)1790萬(wàn)噸,列世界第二位,國(guó)內(nèi)消費(fèi)量達(dá)3125萬(wàn)噸;主要單體乙烯產(chǎn)量為627萬(wàn)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(dá)1314萬(wàn)噸,列世界第一位,國(guó)內(nèi)消費(fèi)量達(dá)1481萬(wàn)噸;合成橡膠產(chǎn)量達(dá)148萬(wàn)噸,列世界第三位,國(guó)內(nèi)消費(fèi)量達(dá)258萬(wàn)噸。目前三大合成高分子材料（合成樹(shù)脂、合成橡膠、合成纖維）的世界產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)2億噸，其中80%以上為合成樹(shù)脂及塑料。橡膠園女工在割膠19世紀(jì)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(zhǎng)度在103～105，甚至更大的分子有機(jī)高分子材料簡(jiǎn)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(kāi)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(jié)構(gòu)單元多次（103～105）重復(fù)連接起來(lái)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(duì)分子質(zhì)量很大，一般在10000以上，可高達(dá)幾百萬(wàn)。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(jié)構(gòu)單元多次重復(fù)連接組成的。例如聚氯乙烯分子是由成千上萬(wàn)個(gè)氯乙烯分子相互連接組成的。5.1有機(jī)高分子材料高分子里每個(gè)特定的結(jié)構(gòu)單元也叫做鏈節(jié)。表示每個(gè)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(lèi)原則類(lèi)別舉例與特性按聚合物的來(lái)源天然聚合物如天然橡膠、纖維素、蛋白質(zhì)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(zhì)合成的如聚氯乙稀、聚酰胺等。按生成聚合物的化學(xué)反應(yīng)加聚物由加成聚合反應(yīng)得到的，如聚稀烴縮聚物由縮合聚合反應(yīng)得到的，如酚醛樹(shù)脂5.1.1有機(jī)高分子材料的類(lèi)別分類(lèi)原則類(lèi)別舉例與特性

按聚合物的性質(zhì)塑料

有固定形狀、熱穩(wěn)定性與機(jī)械強(qiáng)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(qiáng)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(jié)構(gòu)加熱后仍不變熱固性聚合物線型結(jié)構(gòu)加熱后變體型

按聚合物分子的結(jié)構(gòu)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(jī)聚合物一般為縮聚物高分子鏈的結(jié)構(gòu)

鏈的結(jié)構(gòu)狀態(tài)特點(diǎn)性質(zhì)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(fù)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(shù)干與線型基本相同

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

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(shù)脂線性高分子鏈之間的結(jié)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(jià)鍵連接，許多橡膠具有這種結(jié)構(gòu)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(guān)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(chē)間賽璐璐的發(fā)明家

第一種人造塑料—賽璐珞（celluloid）1869年，美國(guó)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(shù)脂為主要成分，并加入增塑劑、潤(rùn)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(dāng)外力解除后，在常溫下其形狀保持不變。

1、合成樹(shù)脂最主要成分，含量一般在40％～100％。樹(shù)脂的性質(zhì)常常決定塑料的性質(zhì)，2、填料提高塑料的強(qiáng)度和耐熱性能，并降低成本。有機(jī)填料和無(wú)機(jī)填料兩類(lèi)，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(shù)脂在加工和使用過(guò)程中受光和熱的作用分解和破壞，延長(zhǎng)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(jī)染料和無(wú)機(jī)顏料作為著色劑。6、潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑劑的作用是防止塑料在成型時(shí)不粘在金屬模具上，同時(shí)可使塑料的表面光滑美觀。常用的潤(rùn)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(guān)系熱塑性塑料形變特性（力學(xué)性能）低于玻璃化溫度Tg為玻璃態(tài)、高于粘流溫度Tf（或結(jié)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(dāng)溫度高于熱分解溫度（Td）時(shí)，塑料會(huì)降解或氣化分解。

玻璃態(tài)，強(qiáng)度、剛性等力學(xué)性能較好，可作為結(jié)構(gòu)材料使用。

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

粘流態(tài)，高聚物開(kāi)始粘性流動(dòng)，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(guò)程中，由于高聚物發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，分子將由線型結(jié)構(gòu)變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu)，這一過(guò)程稱為固化。

使用中：正常使用中處于玻璃態(tài)。成形時(shí)：在成形過(guò)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(qiáng)度、質(zhì)量輕耐蝕性穩(wěn)定透明性好、著色性強(qiáng)絕緣性強(qiáng)、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(lèi)別及其特性按其應(yīng)用分類(lèi)通用塑料一般指產(chǎn)量大、用途廣、成型性好、價(jià)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(jī)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(jié)構(gòu)件的塑料。如ABS、尼龍、聚砜等。特種塑料增強(qiáng)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(lái)，也用于部分熱固性塑料的成形加工。特點(diǎn)：生產(chǎn)效率高、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化、并能制造外形復(fù)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(guò)程：包括加料、塑化、注射、保壓、冷卻定型和脫模等幾個(gè)步驟。塑化是塑料在注射機(jī)料筒中經(jīng)過(guò)加熱達(dá)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(dòng)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(shí)間，使塑件在型腔中冷卻、硬化、定型；壓力撤消后開(kāi)模，并利用注射機(jī)的頂出機(jī)構(gòu)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(guò)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(dòng)模板、頂桿、鎖模機(jī)構(gòu)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(dòng)模部分固定在移動(dòng)模板上，通過(guò)合模鎖模機(jī)構(gòu)提供足夠的鎖模力使模具閉合。完成注射后，打開(kāi)模具頂出塑件。（3）操作控制系統(tǒng)

安裝在注射機(jī)上的各種動(dòng)力及傳動(dòng)裝置都是通過(guò)電氣系統(tǒng)和各種儀表控制的，操作者通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)控制各種工藝量（注射量、注射壓力、溫度、合模力、時(shí)間等）完成注射工作，較先進(jìn)的注射機(jī)可用計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jī)、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(jī)相當(dāng)于注射機(jī)的注射系統(tǒng)，它由料斗、料筒和螺桿組成。工作時(shí)螺桿在傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，將塑料推向料筒中加熱塑化，在擠出機(jī)的前端裝有擠出模具（又稱機(jī)頭或口模），塑料在通過(guò)擠出模具時(shí)形成所需形狀的制件，再經(jīng)過(guò)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(shù)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(shù)脂中，經(jīng)烘干、裁制、疊層，在層壓機(jī)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(guò)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(jī)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(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的熱固性塑料成形方法，其工藝類(lèi)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(guò)澆注系統(tǒng)進(jìn)入型腔，而注射成形是在注射機(jī)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(jī)）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(diǎn)：生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單，效率高，