先进聚合物成型加工技术ppt

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1、LOGO先进聚合物成型加工技术高分子科学与工程系 主讲人： 谢刚 教授先进聚合物成型加工技术第一讲 通用聚合物材料简介123讲座内容第二讲 经典聚合物成型方法 第三讲 先进聚合物成型方法先进聚合物成型加工技术第一讲 通用聚合物材料简介先进聚合物成型加工技术一、现代生活中的聚合物材料的作用当今把能源工程,信息工程，生物工程，材料工程看成是现代文明社会的4大支柱， 材料工程是带头学科之一。因为材料的发展和进步，直接影响现代文明和技术的进步。史学家常用材料作为历史阶段划分的 标志，如人类经历了：石器时代、青铜器 时代、铁器时代。可见材料在人类社会发 展中的地位和作用。我们现在处在聚合物既高分子材料时

2、 代，因为高分子材料充满在我们生活中。 例如：上天，入地，下海，是它大显身手 的地方。衣、食、住、行、都有它应用的 场合，从早到晚我们更是离不开它。可见 高分子材料对我们是多么重要！先进聚合物成型加工技术二、什么是高分子材料（一）高分子的定义尽管我们生活在高分子的世界里，真的要给 高分子下一个准确定义，也不容易。简单的定义 是：高分子-结构单元是周期性的重复，分子量 超过一万的化合物质；高分子材料-将高分子经过工程处理后得到 的粉状或粒状物质；高分子制品-将高分子材料经过成型加工后 得到的具有一定形状，尺寸和强度的制品。先进聚合物成型加工技术（二）高分子的分类高分子有很多分类方法，最常 用的分

3、类方法是按照使用形态来 划分，分为：橡胶、塑料和纤维 。随着使用形态的扩展，又增加 了两种形态。先进聚合物成型加工技术按使用 形态划分塑料(plastic)黏合剂 (adhesive)涂料 (coating)橡胶 (rubber)纤维( fiber)先进聚合物成型加工技术（三）高分子的玻璃化温度和熔融温度高聚物的性质是随温度的变化而变化 。 穿过塑料鞋的人都会有这样的经验，穿在脚上的塑料鞋在夏天是十分柔软的， 可是到了冬天，却会像铁板一样坚硬，变 得很滑，这是什么原因呢?原来所有的高聚物都存在着一个转变温度，叫玻璃化转变 温度，通常用Tg表示。先进聚合物成型加工技术在这个温度以上，高聚物表现为

4、软 而有弹性，而在这个温度以下，高聚物 表现为硬而脆。塑料鞋的原料是加有增塑剂的聚氯 乙烯，它的玻璃化转变温度在1020 之间。在夏天，室温高于这个转变温度 ，塑料鞋就很软而有弹性，到了冬季， 温度低于这个转变温度，它就像玻璃一 样硬而脆。先进聚合物成型加工技术我们知道，分子是处在不停地运动之中 。小分子化合物在固态时，分子运动的主 要形式是振动和转动。随着温度的升高， 分子热运动的振幅增加，但在物质的熔点 以下，分子间并不会产生相对位移，能够 很好地保持原有的形状。当温度进一步升高到熔点以上，分子热 运动加剧，分子间产生相对位移，固态就 直接变成了液态，没有中间过渡状态。先进聚合物成型加工技

5、术高分子的情况比较特殊。由于它 的分子量很高，分子的热运动就变 得十分复杂。高分子的热运动不仅 表现为振幅的变化，而且还表现为 运动单元长度的变化。小分子的运 动单元是单一的，就是小分子本身 ，只相当于高分子中的一个重复结 构单元。而高分子的运动单元可以是一个重复单元链节(mer)，也可以是几十个重复单元链段(chain)、甚至是整个大分子高分子链（polymer chain ），因此它有三种可运动单元。 先进聚合物成型加工技术在玻璃化温度以下，高分子同固体 的小分子相似。由于分子热运动的能 量很小，因此运动单元是链节，运动 的形式是在原位置振动和转动，而且 振幅很小。它们的物理性质就表现得

6、象固体，如同玻璃一样，非常坚硬， 在外力作用下，也很难发生大的形变 。先进聚合物成型加工技术当把聚合物加热到玻璃化温度以上时 ，分子的热运动加快、振幅加大，运动单 元的长度也增加了。这时不仅有链节的运 动，也出现了链段的运动。链段以内旋转 的方式运动，但整个大分子链不会发生相 对的位移，因此聚合物具有弹性。这一现 象在小分子中是没有的（即存在固态向液 态转变的过渡态）。这时，聚合物就会表现类似于橡胶的性质。只要用一个很小的力，就会使聚合物变形，一旦把外力除去，它又很快恢复原状。先进聚合物成型加工技术如温度继续升高，高分子也会出现整条 大分子链的相对位移，而发生流动。但是这 种运动不是高分子整体

7、的迁跃，而是在链段运动的带动下像蛇一样的爬行般的运动。由 于这时高分子熔体的粘度非常大，所以称它 为粘流态(viscous flow state)。这种橡胶态向粘流态转变的温度称为流动 温度(flow temperature )，用 Tf来表示。先进聚合物成型加工技术（四）高分子的使用性质高分子通常用作以下结构材料使用：塑料-它被做成各种用品，希望它有固定的形状和很好的强度，而不希望它像橡胶那样容易变形，所以塑料通常是在它的玻璃化温度以下使用，塑料的Tg应高于室温才不会变软。纤维-它制成的衣服要进行高温熨烫 ，所以应有很高的Tg，否则熨烫时服饰就会变形。橡胶-它是在高弹态下使用的。橡胶的最大用

8、途是制造轮胎。由于汽车要在室 外使用，因此，橡胶的Tg温度应越低越好。这样即使在严寒的北方，汽车轮胎仍有很好 的弹性，不会发生脆裂。先进聚合物成型加工技术图1-3 形变与温度的关系图1-3为高分子材料的形变与温度的关系。先进聚合物成型加工技术三.高分子材料的特殊性能（一）高分子与低分子的比较1、高分子粘度大，可作为胶黏剂使用，P=104Pas，L=1mPas2、高分子强度大，可作为结构材料使用，低分子石蜡就没有强度 。3、高分子表面张力小，内聚能就大 ，能纺丝成型，P=0.025N/m， L=72.7N/m。 4、高分子的三态与低分子不同，（高分子：玻璃态、高弹态、粘流态 ）（低分子：固态、液

9、态、气态）先进聚合物成型加工技术（二）高分子材料与金属材料的比较1、高分子熔点低，易成型，TP=150 350 ，Tm=1535;2、高分子绝对强度低，但比强度高， P = 35MPa，m=235MPa。 p=35MPa/0.95=36.8MPa, m=235/7.8=30MPa;所以航空工业要选 用比强度高的材料。3、高分子耐腐蚀，不易老化，可代替不锈钢材料;4、高分子变形大，弹性大，可代替弹簧钢材;先进聚合物成型加工技术第二讲 经典聚合物成型方法先进聚合物成型加工技术一、聚合物成型加工原理高分子材料只有通过成型才能获 得所需的形状、结构与性能，成为有实 用价值的制品。常用的成型方法有：挤出

10、、注塑、 吹塑、模压、压延等。上个世纪60年代以来，人们还只关注 通过成型加工获得所需形状的制品，聚 合物成型加工还只是一种实用技术。70年代后，由于基础理论研究的不断深入，人们开始认识到通过 成型加工还可改变聚合物的内部结 构（结晶和取向），提高材料的性 能。聚合物成型加工也从一项实用 技术发展为一门应用科学。先进聚合物成型加工技术图2-1 聚合物加工成型过程示意图通常，从聚合物原料到聚合物制品需要经 历单元操作（elementary process）与成型 (mold)两个阶段。其具体过程见图2-1。先进聚合物成型加工技术经典 聚合物成型方法或 所用设备，大都来源于生产 和生活，或者借鉴了

11、其它行 业的加工方法，其中产生了 很多的创造性发明。先进聚合物成型加工技术二、聚合物一次成型方法一次成型：就是把高分子材料仅通 过一次加工而得到高分子材料制品的方 法。常见的一次成型有4大成型方法，即 ：挤出成型，压制（模压）成型，注塑 （注射）成型和压延成型。（一）挤出成型（采用移植创新发明法，由螺杆泵演变过来） 1、设备（见模型和制品）先进聚合物成型加工技术先进聚合物成型加工技术图2-3 挤出机机头口模示意图先进聚合物成型加工技术图2-4 管材挤出工艺示意图 先进聚合物成型加工技术2、挤出工艺流程图2-5 挤出成型工艺流程图 先进聚合物成型加工技术3、挤出成型的工艺特征 （1）所用主机为挤

12、出机； （2）所用模具为挤出模具（机头）； （3）制品形状为型材； （4）生产方式为连续性生产； （5）适宜加工的原料：大部分热塑性 塑料和橡胶.先进聚合物成型加工技术 （二）压制成型（应用移植创新法，从砖坯加工演变而来） （见模型和制品）1、压制成型设备图2-7上压式液压机图2-6压制模具先进聚合物成型加工技术2、压制工艺流程图2-8 塑料模压成型工艺流程图 先进聚合物成型加工技术3、压制成型的工艺特征（1）所用主机为液压机；（2）所用模具为压制模；（3）制品形状为口大肚小的制品；（4）生产方式为周期性生产；（5）适宜加工原料为：大部分热固性塑料 和橡胶.先进聚合物成型加工技术 （三）注射成

13、型（应用组合发明法，将挤出机和液压机组合一起形成注射机）1、注射成型设备图2-9 注射机先进聚合物成型加工技术图2-10 典型注射模具的基本结构先进聚合物成型加工技术图2-11 注射机基本操作程序先进聚合物成型加工技术2、注射成型工艺流程先进聚合物成型加工技术3、注射成型的工艺特征 （1）所用主机为注射机； （2）所用模具为注射模； （3）制品形状为口大肚小的制品（见实物） ，与压制成型的制品相同；但与压制工艺 相比，注射的制品精度更高，效率更快； 因为是自动化生产。 （4）生产方式为周期性生产； （5）适宜加工的原料为：大部分热塑性塑料.先进聚合物成型加工技术（四）压延成型 （应用移植创新法

14、，从面条机演变来）图2-13 压延机的辊筒排列方式先进聚合物成型加工技术1.压延机的基本结构图2-14 压延机的基本结构先进聚合物成型加工技术图2-15 压延工艺生产线先进聚合物成型加工技术2.压延成型的工艺特征（1）所用主机为压延机；（2）它利用压延机的辊面成型制品，不用 模具； （3）制品形状为板状或膜状；（4）生产方式为连续性生产；（5）适宜加工原料：为大部分热塑性塑料 和橡胶.先进聚合物成型加工技术三、聚合物其它成型方法1、挤出吹塑（应用移植创新发明法，从灯泡的吹制演变而来 ）图2-17 单层直接挤坯吹塑过程产品特征：口小肚大的容器先进聚合物成型加工技术2、真空成型图2-19 真空成型

15、示意图产品特征： 口大肚小的 薄壁容器先进聚合物成型加工技术（3）搪塑成型（应用移植创新发明法，类似于冰灯的制作）图2-21搪塑成型示意图先进聚合物成型加工技术（4）合成纤维纺丝成型（应用仿生发明法，根据蜘蛛丝拉伸原理演变而来）图2-22 合成纤维纺丝成型示意图先进聚合物成型加工技术第三讲 先进聚合物成型方法先进聚合物成型加工技术一、先进注射成型方法（一）层状注射成型图3-1 LIM工艺流程图先进聚合物成型加工技术工作原理：它 同时实施两种不同的树脂注射， 使其通过一个多级共挤模头(图3-1)，各 股熔体在模头中逐级分层，各层的厚度 变薄，而层数增加，最终进入模腔叠加 ，仍保留通过上述过程获得

16、的层状形态 ，两种树脂以多个薄层方式交替复合叠 加在一起，可成型每层厚度为0.1m 10m、层数达上千层的制品。工艺特点：层状注射成型的制品保留了各组分材料的特性，比传统共混料更能充分发挥材料性能，使其制品在阻隔气体渗透性方面更具优点。例如：塑料啤酒瓶。先进聚合物成型加工技术 （二）多组份注射成型图3-2 同时注射三种不同塑料的三浇道多组分注射系统先进聚合物成型加工技术 （三）覆膜注射成型图3-3 覆膜注射成型工艺流程先进聚合物成型加工技术 （四）注射压制成型图3-5 注射压制成型原理示意图先进聚合物成型加工技术工作原理：压注成型是先将塑料在料筒 中进行熔化，然后将其注射到模 腔中。当熔体进入模腔时，模具 先稍微分开，熔体注满模腔后， 再采用压制成型的方法，用高压 合模力合紧模具，从而得到所需 的制品。先进聚合物成型加工技术工艺特点：（1） 在注射阶段，熔体是在模具呈稍微分开状态时进入模腔中，因此注射时所需的 充模压力较小