《高分子材料成形》

第五章高分子材料成形5.1高分子材料成形的基本原理5.2高分子材料的成形方法及設(shè)備5.3高分子材料制品的結(jié)構(gòu)工藝性5.4高分子材料成形新技術(shù)5.5復(fù)合材料成形

5.1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(jī)非金屬材料相比，呈現(xiàn)良好的可塑性。一.聚合物的力學(xué)狀態(tài)與流變行為聚合物的類型不同，受熱時(shí)表現(xiàn)的力學(xué)狀態(tài)也不同。根據(jù)聚合物所表現(xiàn)的力學(xué)性質(zhì)，可以將聚合物的力學(xué)狀態(tài)劃分為三種：玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)。1.1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(jiān)硬固體。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。

玻璃態(tài)的高分子材料。1.2高彈態(tài)（elastic

）當(dāng)溫度在Tg~Tf范圍時(shí)，大分子鏈可獲得足夠的熱運(yùn)動(dòng)能量，此時(shí)聚合物的彈性模量迅速降低，變形能力顯著增強(qiáng)，變形可逆。橡膠就是在常溫下處于高彈態(tài)的聚合物1.3粘流態(tài)（viscous）當(dāng)溫度在Tf以上時(shí)，能量增大到可以使整個(gè)分子鏈開始運(yùn)動(dòng)，分子間的結(jié)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）所示圖5-3示出線型聚合物的聚集態(tài)與成形過程的關(guān)系。二、高分子材料成形性能（1）可模塑性（2）可擠壓性（3）可延性（4）可紡性（1）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。（2）可擠壓性

可擠壓性指聚合物通過擠壓作用變形時(shí)獲得形狀和保持現(xiàn)狀的能力。材料的擠壓性能與聚合物的流變性、熔融指數(shù)和流動(dòng)速率密切相關(guān)（3）可延性

可延性表示無定形或半結(jié)晶聚合物在一個(gè)方向或兩個(gè)方向受到壓延或拉伸時(shí)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。（4）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(zhì)、熔體粘度、熔體強(qiáng)度以及熔體的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等。三.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?gòu)囊后w變?yōu)楣腆w。在材料成形的各個(gè)階段，聚合物將分別呈現(xiàn)出固體和液體的性能，表現(xiàn)出彈性和粘性。當(dāng)成形溫度高于Tf以致聚合物處于粘流態(tài)時(shí)，聚合物的變形發(fā)展則以粘性變形的不可逆性提高了制品在長(zhǎng)期使用過程中的形狀和尺寸的穩(wěn)定性；5.2高分子材料的成形方法及設(shè)備

塑料成形方法橡膠成形方法復(fù)合材料成形方法塑料成形方法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。成形是塑料制品生產(chǎn)過程中的重要工序

注塑成形又稱注射成形(injectionmolding)。注塑成形是將粒狀或粉狀塑料從注塑機(jī)的料斗送入加熱的料筒內(nèi)，經(jīng)加熱熔化至粘流態(tài)后，在柱塞或螺桿的推動(dòng)下，向前移動(dòng)并通過料筒端部的噴嘴，經(jīng)過主流道、分流道、澆口注入閉合模具的型腔中，充滿模腔的塑料熔體在壓力作用下發(fā)生冷卻固化，形成與模腔相同形狀的塑料，然后開模分型獲得成形塑件。其主要特點(diǎn)如下：（1）生產(chǎn)效率高，可以實(shí)現(xiàn)高度機(jī)械化。自動(dòng)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(fù)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。1.注塑成形的原理、特點(diǎn)和應(yīng)用注塑成形工藝過程包括：成形前準(zhǔn)備、成形過程、塑件后處理三個(gè)主要部分。2.注塑成形的工藝過程（1）成形前準(zhǔn)備成形前的準(zhǔn)備工作主要有：原料的檢查、原料的干燥、料筒清洗。（2）成形過程成形過程一般包括：加料、塑化、注射、保壓、冷卻和脫模幾個(gè)步驟。（3）塑件的后處理成形后的塑料制品經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮筇幚?，可以消除?nèi)應(yīng)力，改善制品性能，提高尺寸穩(wěn)定性。3.注塑成形的工藝條件主要的工藝參數(shù)有：溫度，壓力和對(duì)應(yīng)的作用時(shí)間

4.注塑成形設(shè)備

注塑成形的主要設(shè)備是注塑機(jī)（注射機(jī)）(injectionmoldingmachine)和模具(mold)。注射機(jī)是塑料注射成形的專用設(shè)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(jī)。注射機(jī)的主要組成部分是注射系統(tǒng)與合模系統(tǒng)。注射系統(tǒng)的作用就是加熱塑料使之塑化，并對(duì)其施加壓力使之射入和充滿模具型腔，它包括了注射機(jī)上直接與物料和熔體接觸的零部件。塑料注射成形所用的模具稱為注射模注射模的基本結(jié)構(gòu)都是由動(dòng)模和定模兩大部分組成的橡膠成形方法橡膠加工的工藝過程（1）借助于壓延機(jī)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）。2.橡膠成形方法（2）模壓成形將混煉好的膠料加工成一定規(guī)格和形狀的半成品，按模具型腔的形狀和尺寸對(duì)半成品進(jìn)行定量下料，置于壓制模具中，在加熱、加壓條件下，使膠料呈現(xiàn)塑性流動(dòng)而充滿型腔，再經(jīng)一定的持續(xù)加熱時(shí)間后完成硫化，最后經(jīng)脫模和修邊后得到橡膠制品。（3）注射成形將混煉過的膠料通過加料裝置加入料筒中加熱塑化成熔融態(tài)，在螺桿或柱塞的推動(dòng)下，通過噴嘴注入到閉合模具中，并在模具的加熱下硫化定型。3.橡膠成形設(shè)備（1）煉膠機(jī)（2）密煉機(jī)（3）橡膠注射機(jī)、平板硫化機(jī)與液壓機(jī)（4）橡膠模具3.模壓成形(compressingmolding)將定量的樹脂與增強(qiáng)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(dòng)充滿模具型腔，經(jīng)固化后獲得復(fù)合材料制品。5.3高分子材料制品的結(jié)構(gòu)工藝性

塑料制品的結(jié)構(gòu)工藝性一般包括：塑件形狀、壁厚、脫模斜度、加強(qiáng)肋、圓角、孔、螺紋以及鑲嵌零件等。

一，塑料制品的結(jié)構(gòu)工藝性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(cè)孔與側(cè)向凸凹，防止使用內(nèi)抽芯機(jī)構(gòu),

2.塑件的壁厚應(yīng)盡可能均勻。4.加強(qiáng)肋3.脫模斜度5.圓角6.孔二、橡膠制品的結(jié)構(gòu)工藝性

橡膠制品零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)符合其模制化生產(chǎn)的特點(diǎn)。橡膠制品的結(jié)構(gòu)工藝性一般需考慮脫模斜度、壁厚、圓弧、孔、嵌件等因素。脫模斜度設(shè)計(jì)橡膠制品零件的脫模斜度應(yīng)遵循以下原則：制品零件的軸向尺寸越大，其脫模斜度越小；制品零件的壁厚越薄，脫模斜度越?。恢破返闹睆皆叫?，其脫模斜度也就越小。2.斷面厚度與圓弧在各個(gè)部分的相互交接處盡量設(shè)計(jì)成圓弧過渡形式3.孔與囊類制品的口徑、腹徑比4.嵌件的包鑲形式5.4高分子材料成形新技術(shù)

1.快速成形的工作過程一、高分子材料的快速成形快速成形是一種薄層疊加的增材制造方法，具有下述特點(diǎn)：（1）采用“分層制造”方法，將三維成形問題變成簡(jiǎn)單的二維平面成形。（2）可快速制造出復(fù)雜形狀的零件。（3）無需金屬切削機(jī)床，不需要金屬切削刀具，也不需要模具。（4）由CAD驅(qū)動(dòng)，成形過程自動(dòng)化。快速成形技術(shù)主要有四種：立體光造型（stereolithography，SLA），分層實(shí)體制造（laminatedobjectmanufacturing，LOM），選擇性激光燒結(jié)（selectivelasersintering,SLS）和熔絲沉積制造（fuseddepositionmodeling，F(xiàn)DM）。四種快速成形技術(shù)的對(duì)比如表5-3所示快速成形技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，在新產(chǎn)品開發(fā)、模具制造以及醫(yī)學(xué)、建筑等領(lǐng)域獲得了實(shí)際應(yīng)用。

2.快速成形的特點(diǎn)和分類3.立體光造型SLA是研究最早、發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛的快速成形技術(shù)。SLA的加工過程是一種光和光敏樹脂的相互作用過程。SLA成型過程SLA的工藝特點(diǎn)如下：精度高，可以達(dá)到0.1mm，甚至更高。制件的表面質(zhì)量好。原材料的利用率近乎100%。能成形形狀復(fù)雜、精細(xì)的零件。成形材料較脆，加工零件時(shí)需制作支撐。

熱流道技術(shù)（hotrunnertechnology）是一種采用加熱的方法，使處于注射機(jī)噴嘴到模具型腔澆口間整個(gè)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(jìn)澆注方法。滯留在澆注系統(tǒng)中的熔料可在下一次注射時(shí)被注入型腔。二、熱流道技術(shù)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。模具可以分為四類：?jiǎn)涡颓粺崃鞯滥＞?、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。1．熱流道系統(tǒng)與普通流道系統(tǒng)比較，熱流道技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）縮短制件成形周期（2）節(jié)省塑料原料（3）提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少?gòu)U品率（4）消除后處理工序，有利于生產(chǎn)自動(dòng)化（5）擴(kuò)大注塑成形工藝的應(yīng)用范圍

2.熱流道技術(shù)的特點(diǎn)

5.5

復(fù)合材料成形

一、復(fù)合材料成形的工藝特點(diǎn)復(fù)合材料(compositematerials)的成形工藝特點(diǎn)（1）材料制備與制品成形同時(shí)完成（2）材料性能具有可設(shè)計(jì)性（3）復(fù)合材料成形時(shí)的界面作用

二、復(fù)合材料成形方法樹脂基復(fù)合材料（polymer-matrixcomposites,PMCs）以樹脂為基體，以纖維為增強(qiáng)體復(fù)合而成。樹脂基復(fù)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。

1.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，再在其上鋪貼一層按要求裁剪好的纖維織物，用刷子、壓輥或刮刀擠壓織物，使樹脂均勻浸入其中并排出氣泡；再涂刷樹脂混合料，再鋪貼第二層纖維織物，重復(fù)上述過程直至達(dá)到所需厚度。然后，進(jìn)行固化、脫模、修整和檢驗(yàn)，得到所需的制品

2.噴射成形(spraylay-upmolding)噴射成形是一種半機(jī)械化手糊成形方法，利用噴槍將短纖維和樹脂同時(shí)噴射到模具上，再經(jīng)壓實(shí)、固化得到制品。三、復(fù)合材料制品的結(jié)構(gòu)工藝性

1.纖維的分布應(yīng)滿足承載要求。2.構(gòu)件彎折處應(yīng)采用圓角過渡3.盡量采用整體結(jié)構(gòu)4.采用剛性較好的結(jié)構(gòu)。以纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為例，其制品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下原則；本章小結(jié)1.與金屬材料和無機(jī)非金屬材料相比，高分子材料的成形工藝簡(jiǎn)單，材料耗損少，能耗低，生產(chǎn)效率高。本章重點(diǎn)介紹塑料和橡膠兩類高分子材料的成形技術(shù)。2.聚合物的聚集態(tài)可劃分為三種力學(xué)狀態(tài)：玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)。根據(jù)聚合物的特征、成形性能和粘彈行為，可以確定和選擇適宜的成形方法。3.樹脂是生產(chǎn)塑料制品的主要原料。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。塑料成形是塑料制品生產(chǎn)中的重要工序，注塑成形是塑料成形方法中最普遍的一種成形方法。注塑成形涉及注塑成形的原理、特點(diǎn)和應(yīng)用、注塑成形的工藝