高分子材料成型工艺(1)课件

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1、高分子材料成型工艺,工业制造学院 董志红,学习重点及要求,掌握高分子材料的名称、种类、结构、特点、性能及合成方法.,1,掌握常用高分子材料的制备、成型方法及成型设备.,2,了解高分子材料的成型方法最新进展及计算机技术在高分子成型中的应用.,3,第一章 高分子材料种类与特性,高分子按来源分：,天然高分子 合成高分子,高分子按结构分：,线型高分子 体型高分子,高分子按性质分：,热塑性高分子 热固性高分子,高分子按用途分：,塑料 合成纤维 合成橡胶 涂料 粘合剂 ,（一） 高分子材料的种类,聚乙烯(PE)产品,保鲜膜,吹塑成型的聚乙烯薄膜,无毒，化学稳定性好，适合做食品和药物的包装材料,一、塑料,聚

2、氯乙烯（PVC）,化学稳定性好，耐酸碱腐蚀，使用温度 不宜超过60，在低温下会变硬 分为：软质塑料和硬质塑料,大约30%的塑料会被用作包装用途，15%的塑料会被用作建筑材料。如照相机，烹饪器具，剔须刀柄等消费品所使用的塑料占了另外的14%，剩余的40%会被用来制造交通工具（如汽车），家具（电器部件）和其它各种用途，如医疗和军事设备。,二、纤维,纤维,天然纤维,棉花 羊毛 木材 草类,化学纤维,人造纤维：利用天然高分子化合物，经过一系列的化学处理和机械加工而制得的纤维。如粘胶纤维等 合成纤维：用石油、天然气等不含天然纤维的物质为原料，经过化学合成和加工制得的纤维（如：“六大纶”、碳纤维、光导纤维

3、等）,喷丝（使熔融状态下高聚物转变成纤维）,世界上出现的第一种合成纤维是20世纪30年代美国杜邦公司科研小组研制出的尼龙66（Nylon，聚酰胺66），它是由己二酸和己二胺缩聚而成的。,涤纶,腈纶,纺纶纤维织成 的防弹衣腈纶,三、橡胶,橡 胶,天然橡胶,合成橡胶,通用橡胶,丁苯橡胶 顺丁橡胶 氯丁橡胶,特种橡胶,聚硫橡胶 硅橡胶,橡 胶 产 品,橡胶工人从橡胶树上提取橡胶,1)特征性能,（是属于材料本身所固有的性质）,力学性能， 电学性能， 磁学性能 热学性能， 光学性能， 化学性能,2)功能物性,（效应物性）,指在一定条件下和一定限度内对材料施加某种作用时，通过材料将这种作用转换为另一形式功

4、能的性质。 如：热电转换性能，光热转换性能，光电转换性能，力电转换性能，磁光转换性能，电光转换性能，声光转换性能等。,（二） 材料的性能,1 强度与塑性 2 硬度 3 韧性 4 老化性能 5 耐磨性 6 疲劳特性,材料在力的作用下所表现出来的特性即为材料的力学性能。,主要指标,材料的力学性能,强度与塑性,1）强度,在外力作用下材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。,屈服强度,抗拉强度,由扭转实验、弯曲实验、压缩实验等相应条件下的强度指标叫扭转强度、抗弯强度、抗压强度等。,试样在被拉断前的最大承载应力为抗拉强度。,其他强度,材料在断裂前发生永久变形的能力叫塑性。塑性以材料断裂后永久变形的大小来衡量。

5、 塑性指标有延伸率和断面收缩率两种。,2）塑性,硬度,是衡量材料软硬程度的指标，反映材料表面抵抗微区塑性变形的能力。,工程上常用布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV、肖氏硬度HS和赵氏、邵氏硬度（邵A）等。,韧性,指材料抵抗裂纹萌生与发展的能力。,韧性与脆性是两个意义上完全相反的概念。韧性好，脆性就差。反之亦然。,度量指标,冲击韧性,用材料受冲击而破坏的过程所吸收的冲击功来表征,断裂韧性,用材料裂纹尖端应力强度因子的临界值Kic来表征,老化性能,在外界作用下，材料发生性质及性能变化（不利于使用）的现象称为老化。 老化多与化学因素有关，如硅酸盐材料的风化、金属材料的氧化、木材的粉化、高分子材

6、料的降解或交联等。,一个零件相对另一个零件摩擦的结果，引起摩擦表面有微小颗粒分离出来，使接触面尺寸变化、重量损失及其他性能下降的这种现象称为磨损。 磨损的种类： 包括氧化磨损、咬合磨损、热磨损、磨粒磨损、卷曲磨损、冲击磨损、表面疲劳磨损等，材料磨损多是数种磨损共同作用的结果。,耐磨性,磨损,高分子材料表面的磨耗性能可以在一定程度上衡量其使用寿命的长短。,材料对磨损的抵抗能力为材料的耐磨性。可用磨损量来表示，一般用在一定条件下试样表面的磨损厚度或试样体积或重量的减少来表征。 通常地，降低材料的摩擦系数、提高材料的硬度有助于增加材料的耐磨性。,耐磨性,疲劳特性,在交变应力下，即使应力的最大值低于材

7、料的屈服强度，经一定的循环周次后材料仍会断裂，这种现象即为材料的疲劳。当应力低于某值时，在无限多的循环周次下，材料仍不断裂，此应力值称为疲劳强度或疲劳极限；材料在交变应力作用下所能使用的时间或材料承受交变应力的周期数称为疲劳寿命。,疲劳现象主要出现在具有较高塑性的材料中,金属材料的失效形式之一就是疲劳。疲劳断裂往往没有任何先兆，因而由此造成的后果往往是灾难性的。 高分子材料的塑性一般很好，但在长期使用过程中首先发生的是材料的老化失效，因而疲劳破坏不占主导地位。 陶瓷材料的塑性很低，其疲劳现象不如金属材料的明显，而且疲劳机理也不同于金属。,电导率的大小直接取决于三个因素：单位体积中的载流子数目；

8、每个载流子的电荷量；每个载流子的迁移率。,材料的电学性能,1. 导电或产生电流的根本原因,材料中载流子的存在和迁移,2. 能产生电流的载流子有,电子、空穴、正离子、负离子,3.评价材料导电能力的指标,电导率和电阻率,4. 材料按其导电能力可分为,超导体：电阻率为0或趋近于0；导体：电阻率10-810-5.m 半导体：电阻率10-5107.m； 绝缘体：电阻率1071020.m。,材料的磁学性能,1. 物质与磁性,磁性是任何一种物质都具有的属性。任何物质在磁场下都会表现出一定的磁性。有些物质使原磁场增加，有些使原磁场减弱。,按其对磁场的影响，可将物质分为三类：,抗磁性物质：使磁场减弱； 顺磁性物

9、质：使磁场略有增加； 铁磁性及亚铁磁性物质：使磁场强烈增加。,2.磁性的度量,材料的热学性能（热变形性能，热稳定性）,固体加热时有三个重要的效应，即吸热、传热、膨胀。,热容：1mol固体温度升高1K时所吸收的热量。 热导率：单位时间内在1K温差的13正方体的一个面向其所对的另一个面流过的热量。 热膨胀系数：单位长度物体的长度随温度的变化率。,度量的指标,（三）材料工艺与材料结构及性能的关系,1. 材料工艺，包括材料合成及加工工艺，直接影响材料的组织结构，因而对材料的性能有显著影响。,2. 材料的原始组织结构及性能又常常决定着采用何种方法将材料加工成所需要的形状。,实例1：热固性树脂与热塑性树脂

10、因组织结构及性能不同，选用的成型加工方法有很大差别。 实例2：含有大缩孔的铸件不宜采用合金钢的成型加工方法等。,材料工艺、材料结构及材料性能、功能之间具有相互依赖、相互制约的密切关系，了解并能动的利用这种关系是材料科学的关键问题之一。,实例1：用高压法合成的聚乙烯和用低压法合成的聚乙烯，在结构上有很大的差别，因而性能也显著不同。 实例2：用铸造法制造的铜棒与用轧制成型的铜棒，其组织结构不大相同，晶粒的形状、尺寸和取向都不相同：铸造法制得的铜棒含有由于收缩或因气泡生成而形成空洞，组织内部可能夹带金属质点，轧制法制备的铜棒可能含有被拉长的非金属夹杂物和内部排列的缺陷，正是由于组织结构的不同，所以性

11、能也不同。,高聚物的强化方法： （1）引入极性基 链上极性部分越多，极性越强，键间作用力越大； （2）链段交联 随着交联程度的增加，交联键的平均距离缩短，使材料的强度增加； （3）结晶度和取向 高聚物在高压下结晶或高度拉伸结晶性高聚物，可使材料的强度增加； （4）定向聚合。,（四）高聚物的强化原理,补充阅读材料,1. 人力飞机的秘密 一天，在多巴海峡上空由戈斯曼.艾伯特罗斯驾驶一架人力飞机飞越过多巴海峡。这是一项辉煌的记录，很快引起了世界的轰动。其秘密在于该飞机是由高强度合成纤维和碳纤维制造的总重量只有25千克的高分子材料飞机。制造飞机的合成纤维是芳香聚酰胺纤维，是一种高性能增强有机纤维，这种

12、纤维的编织物是火箭壳体、航天飞机贮能罐和其他高压容器的理想材料。而特种电缆、高性能运动器具、高强度降落伞、防弹背心、头盔和航天加压服装等都是用这种高性能高分子材料制成的。,2. 旅游业中的新亮点风筝冲浪 放飞采用高强度碳纤维制作的风筝，可以在20分钟内载人横越20mile的水面，使人获得冲浪、飞行和高空的多重体验和刺激。,第二章 高分子材料结构,1. 聚合物的结构和聚集态,聚合物通常可以分为线形聚合物和体型聚合物。 线形聚合物的分子具有长链结构。 体型聚合物是由线型聚合物彼此贯穿、重迭和缠结在一起而形成。 聚合物在加工过程所表现许多性质和行为都与聚合物的长链结构和缠结以及聚集态所处的力学状态有

13、关。 根据聚合物所表现的力学性质和分子热运动特征，可以将聚合物划分为玻璃态(结晶聚合物为结晶态)、高弹态和粘流态，通常称这些状态为聚集态。,1. 高分子材料的结构和聚集态,聚集态的转变主要与温度有关。 Tz(脆韧转变温度）Tg（玻璃化转变温度）Tf （粘流温度） 处于玻璃化温度Tg以下的聚合物为坚硬固体，称为玻璃态。此时,聚合物具有相当大的力学强度。 聚合物在Tg Tf之间为高弹态，形变能力显著增大。 聚合物在Tf以上开始转变为粘流态，通常又将这种液体状态的聚合物称为熔体。,2. 聚合物的结晶,聚合物分为结晶聚合物和非晶聚合物。 结晶聚合物的结晶具有不完善性。 聚合物分子链的结构对称性越高，越

14、容易结晶，如聚乙烯、聚四氟乙烯。 聚合物在不同的结晶条件下，可形成多种结晶形式，如片晶、球晶、伸直链片晶和串晶等。 晶区中的分子排列规整，其密度大于非晶区，随着结晶度的增加，聚合物的密度增大。 两相并存的结晶聚合物通常呈白色，不透明。结晶度减小，透明度增加，那些完全非晶的聚合物，通常是透明的。 一般随结晶度增加，聚合物的屈服强度、模量和硬度等随之提高。但是，冲击强度随结晶度增加而降低。,3. 聚合物在成形过程中的分子取向,聚合物的分子链或链段按一定方向排列称为取向。 1.流动取向 聚合物在成形加工过程中，蜷曲状长链分子逐渐沿流动方向舒展伸长和取向。 非晶聚合物取向后，沿拉伸方向的拉伸强度、拉伸

15、模量、冲击强度等均随取向程度提高而增大，而垂直于取向方向的力学强度会显著降低。 结晶聚合物随取向度提高，材料的密度和强度都相应提高，而伸长率降低。,4. 聚合物的降解和交联,一、聚合物的降解 聚合物的分子量降低，大分子结构改变等化学变化。通常称分子量降低的作用为降解。 聚合物在贮存、使用过程中，进行比较缓慢的降解过程，又称为老化。老化过程中，使材料丧失弹性、变脆、不熔和不溶。 轻度的降解形成一些比原始聚合物分子量低但聚合度不同的同类大分子，使聚合物带色。 进一步降解会使聚合物分解出低分子物质、分子量或粘度降低，制品出现气泡和流纹等弊病，并因此削弱制品的各项性能。 严重降解时，使聚合物破坏而得到单体或其它低分子物，使聚合物焦化变黑，产生大量的分解物质。,2-4 聚合物的降解和交联,二、聚合物的交联 聚合物的线形大分子链之间以新的化学键连接，形成三维网状或体形结构的反应称为交联。 通过交联反应能制得交联(即体型)聚合物。与线型聚合物比较，交联聚合物的机械强度、耐热性、耐溶剂性、化学稳定性和制品的形状稳定性等均有所提高。 在塑料成型工业中，常用硬化或熟化来代替交联一词。所谓“硬化得好”或“熟化得好”，是指交联度发展到一种最为适宜的程度(此时的交联度小于100)，以致制品的物理力学性能达到最佳。,