高分子材料成型加工原理课件.pdf

主要参考书目：1. 成都科技大学等合编，王贵恒主编：高分子材料成型 加工原理，化学工业出版社，1982年，第1版2. 《高技术新材料要览》编辑委员会编：高技术新材料 要览，中国科学技术出版社，1993年，第1版3.何曼君，陈维孝，董西侠，编： 高分子物理，复旦 大学出版社，1990年，第1版前言：1. 高分子材料的广泛用途高分子材料塑料橡胶合成纤维6000万吨/年1200万吨/年1500万吨/年2.追溯高分子的应用和发展天然橡 胶：十一世纪的中美洲，就有使 用橡胶球的记载1496，哥伦布第二次环球旅行 时，在美洲发现土著人用橡胶制 品1832，德国人（F.Ludersdorff)用 橡胶，乙醚和3％的硫磺共煮，制得 粘性较小，弹性较好的橡胶制品1836，美国人（C.N.Goodyear） 利用松节油、硫磺和白铅长时间 加热，制得性能较好的橡胶产 品随汽车工业的兴起，橡胶 工业得到了突飞猛进的发 展，到1910，亚洲地区人 工种植橡胶产量达7000余 吨，巴西等美洲国家野生 橡胶的产量87000吨1955，种植橡胶产量高达200万吨，野 生橡胶产量只有27000吨，七十年代， 种植橡胶产量达300万吨，50％在马来 西亚，30％在印度呢西亚，10％在泰国 和斯里兰卡等地，90％以上的天然橡胶 产于亚洲。

合成橡 胶：1912年，德国拜尔公司首次在纽约 展示了合成橡胶的轮胎，引起轰 动一次世界大战中，德国的天然橡胶 遭到禁运，开发了以乙炔路线为基 础的甲基橡胶1925年，天然橡胶被英、法、荷等 国所控制，德国、苏联和美国，又 重新展开了对合成橡胶的研究二战时期，美国前后共建了51个橡 胶厂，满足了军事和民用的要求， 被称为继原子弹后的第二工业奇 迹我国建国后，非常重视合成橡胶的生 产，曾针对顺丁橡胶的生产，在全国范 围内集中研究，开发了以加氢汽油为溶 剂的新生产工艺，制得了性能较好的产 品塑料：最早合成的塑 料：酚醛树脂 （电木）1920，H.Staudinger 《论聚合》成 为高分子科学单独发展成为一门独 立科学的开端30-40年代，成为高分子 物理蓬勃发展，人们对 于高分子的性质有了质 的飞跃50年代后，Ziegler和Natta对配位催 化剂引发定向聚合的研究，极大的推 动了高分子结构和性能理论的发展近十年来，高 分子发展的两 个动向：1.向生命现象靠拢2.更加精细化，功能化合成纤 维： 天然纤维： 棉、蚕丝等十九世纪，利 用硝化纤维制 造人造丝1903年，杜邦公司的 Carothers 合成成功聚 酰胺（尼龙－66），并 与1936年工业化。

1938，德国人 （Schlack)合成尼龙- 6，并与1940年工业化1950年，英国卜内门实现聚 酯纤维（涤纶）的工业化1950年，杜邦公司实现聚丙 稀氰纤维（氰纶，又称人造 羊毛）的工业化1959年，在德国实现聚丙烯 纤维的工业化高性能纤维细如珠丝，韧如钢丝碳纤维碳纤维Nomax纤维纤维HN2NHOCCOPBI纤维：纤维：Polymbenzimidazole、、Spectra 纤维、纤维、 PBZ及聚酰亚胺纤维、硼纤维（及聚酰亚胺纤维、硼纤维（Boron纤维）、碳化矽纤维纤维）、碳化矽纤维NHCOCN H N HN HNHCOCON H N HN HNHCOCN H N HN HOOKevlar纤维2. 高分子成型加工原理所要研究的基本内容高分子成型加工原理所要研究的基本内容（（1） 加工方法 加工方法2） 工艺条件对制品性能的影响 工艺条件对制品性能的影响3）基本加工机械基本加工机械混合、熔融 和均化作用输送和挤压过程挤出、注塑或吹塑 等成型方式冷却和固化高分子聚合物加工所采取的基本步骤：高分子聚合物加工所采取的基本步骤：物料的 混合捏合机高速捏合机管道式捏合机双辊塑炼机密炼机挤出机制品 一次 成型制品的 后处理原料的 准备初混合塑炼挤出成型注射成型压制成型压延成型其他成型方法铸塑成型模压烧结 成型传递模塑泡沫塑料 成型中空吹塑成型热成型拉幅薄膜成型冷成型制品 二次 成型第一章： 高分子材料的加工性质1. 高分子材料结构的特点：（1）高分子由很大数目的结构单元组成。

2）高分子主链都有一定的内旋转自由度，可以使主链弯曲且有柔性3） 高分子结构的不均一性4）高分子链中包含了许多结构单元，结构单元间的相互作用对其凝聚态结构和物理性能有很重要的影响5）高分子材料的凝聚态有晶态和非晶态6）在高分子材料的加工过程中，往往加入填料、助剂和色料等2. 高分子材料分子间作用力（1） 主要包括：范德华力(静电力、诱导力和色散力）和氢键2）内聚能密度内聚能：为克服分子间作用力，把一摩尔液体或固体高分子移到 其分子间引力范围之外所需的能量内聚能 420兆焦/米3纤维分子链中含大量极性基团，相互作用较强，或能形成氢键内聚能 290-420兆焦/米3塑料3. 高分子材料的分子运动玻璃态高弹态粘流态形变温度玻璃态高弹态粘流态对数模量温度TgTfTd机械加工 车、铣、削、刨二次加工： 中空吹塑、 热成型、 取向薄膜的拉伸塑料的一次加工： 熔融纺丝、 注射、挤出、 贴合等 橡胶的混炼等4. 衡量聚合物加工性质的几个术语：（1）可挤压性（2）可模塑性（3）可纺性（4）可延性5. 聚合物加工过程中的粘弹性行为(1) 什么是粘弹性?(2) 聚合物粘弹性和加工条件的关系teEEtEVHE 321)1 (22ησσσγγγγη+−+=++=−rErErv应变回复形 变时 间（（3）粘弹性形变的滞后效应）粘弹性形变的滞后效应a.高分子热运动的主要特点：高分子热运动的主要特点：运动单元的多重性；高分子链，链段，侧基，支链，链节等高分子热运动是一个松弛过程； 松弛过程松弛时间松弛时间谱运动单元的多重性；高分子链，链段，侧基，支链，链节等高分子热运动是一个松弛过程； 松弛过程松弛时间松弛时间谱b. 滞后效应由于松弛过程的存在，材料的形变落后于应力的变 化，聚合物对外力响应的这种滞后现象成为滞后效 应或弹性效应。

在聚合物加工过程中，通常采取热处理的方法， 来消除高分子滞后效应对制品带来的不良影响由于松弛过程的存在，材料的形变落后于应力的变 化，聚合物对外力响应的这种滞后现象成为滞后效 应或弹性效应在聚合物加工过程中，通常采取热处理的方法， 来消除高分子滞后效应对制品带来的不良影响6. 目前常用的几种聚合物加工技术加工方法 和工艺聚合物 的结构产品 性能a. 热塑性聚合物的成型加工 (1) 挤出成型聚 烯 烃 原 料相 关 助 剂功 能 性 母 料双 螺 杆 挤 出 机塑 料 吹 膜 机塑 料 管 材 挤 出 机聚 烯 烃 原 料相 关 助 剂功 能 性 母 料双 螺 杆 挤 出 机塑 料 吹 膜 机塑 料 管 材 挤 出 机薄 膜 产 品管 材异 型 材薄 膜 产 品管 材异 型 材（2） 注塑和反应注塑成型（3） 吹塑b. 热固性聚合物的加工热固性聚合物的加工压缩模塑团状模塑注射模塑压缩模塑团状模塑注射模塑c. 其他成型方法（1） 热成型（2）旋转成型（3）封铸成型（4）粉料喷涂（5）冷压烧结成型（6）注射焊接法（7）挤拉成型d. 新技术在聚合物加工中的应用（1） 微波加工或处理（2） 振荡热成型（3） 辐射处理（4） 超声波在制品检测中的应用e.计算机在聚合物加工中的应用1. 注射成型中的CAE。

2.挤出成型中的计算机控制3.吹塑成型中的计算机控制小组汇报题目小组汇报题目1. 利用挤出技术制造某一产品例如：利用挤出技术制造某一产品例如：PVC 管 材，波纹板）管 材，波纹板）2. 利用注塑技术制造某一产品例如：塑料容 器、塑料拖鞋、电视机壳）利用注塑技术制造某一产品例如：塑料容 器、塑料拖鞋、电视机壳）3. 利用吹塑技术制造某一产品薄膜、瓶子）利用吹塑技术制造某一产品薄膜、瓶子）4. 利用模压技术制造某一橡胶产品橡胶大底， 轮胎、密封垫）利用模压技术制造某一橡胶产品橡胶大底， 轮胎、密封垫）汇报步骤汇报步骤材料选择的 依据配方设计工艺路线产品后处理产品检测产品的市场潜力 和市场定位材料选择的 依据配方设计工艺路线产品后处理产品检测产品的市场潜力 和市场定位第二章聚合物的流变性质第二章聚合物的流变性质流变学及其研究的对 象：流变学：研究物质形变和流动的科学聚合物流变学主要研究在外力作用下，高分子材料产生弹性、塑性和粘性形变的行为，以及研究这些行为与各种因素（聚合物结构与性质、温度、力的大小和作用方式、作用时间和聚合物体系的组成等）之间的相互关系第二章聚合物的流变性质第二章聚合物的流变性质第二章聚合物的流变性质第二章聚合物的流变性质材料加工制品材料的结构（聚 合物本体性能）材料的组成（所 加填料、助剂 等）加工条件（温度、 压力、时间等）材料的流变性能（流 动性）、热性能（固 化性能、稳定性） 等。

聚合物制品的 凝聚态结构、 各组分的分散 状况等制品的力学性能、 热性能和电性能等第二章聚合物的流变性质第二章聚合物的流变性质流变学(Rheology)及其研究的对 象：流变学：研究物质形变和流动的科学聚合物流变学主要研究在外力作用下，高分子材料产生弹性、塑性和粘性形变的行为，以及研究这些行为与各种因素（聚合物结构与性质、温度、力的大小和作用方式、作用时间和聚合物体系的组成等）之间的相互关系第二章聚合物的流变性质第二章聚合物的流变性质什么是粘性？什么是弹性?FF发生了不可逆形变，分子间产生滑移形变可恢复，主要是键角、键长的变化来实现形 变第二章聚合物的流变性质第二章聚合物的流变性质第二章聚合物的流变性质第二章聚合物的流变性质什么是粘弹性?应力拉伸消除应力材料应力的分类：剪切应力τ 、拉伸应力σ和流体静压力 p 第二章聚合物的流变性质第二章聚合物的流变性质应变速率：单位时间中的应变γ.=d γ_ d t在实际聚合物加工过程中，聚合物熔体所受到的应力，往 往是这三种应力的组合和叠加加工过程中，聚合物的流变性质往往表现在其聚合物 流体粘度的变化，因此，根据其粘度和应力或应变的 关系，可将聚合物的流动行为分为两大类：牛顿流体 和非牛顿流体。

第二章聚合物的流变性质第二章聚合物的流变性质v层流v湍流Re2500Re＝DVp／qD为导管的直径；V为液体的平均速度；P为液体的 密度；q为液体的剪切粘度聚合物熔体的Re1假塑性流体n B时，此种 流体为何种流体？解：nσ1 1nnB Cσ σ+ +11nnBCσσ+BAη随剪切速率增强，聚合物粘度下降，为假塑性流体，N3.43.5α=?或Fox-Flory公式：500015000WM=?500015000WM>?500015000cM =?第三课：影响聚合物流变行为的主要因素3.4 3.5 0WMη∝?1 1.8 0WMη∝?WcMM17.44()log3.4log51.6()g W gTTMCTTη−=−++−分子量和温度对粘度的影响，综合来考虑：C是校正系数，随聚合物不同而不同第三课：影响聚合物流变行为的主要因素熔体粘度对分子量的依赖性也随剪切速率而变化（1） 当WcMM熔体粘度随剪切速率的增 大，下降很大3）随剪切速率增大，分 子量愈高的聚合物，其熔 体粘度下降愈大，而且其 临界剪切速率随分子量增 大，而向低值方面移动剪切作用影响下，熔体粘度对分子量的依赖性第三课：影响聚合物流变行为的主要因素 （3） 分子量分布对聚合物熔体粘度的影响：多分散系数（d）：表征分子量分散程度的参 数。

WnMdM=WM重均分子量nM数均分子量1－分子量分布较宽 2－分子量分布较窄（1）当分子量大小一样时，分子量 分布较宽的聚合物，熔体粘度较小， 对剪切作用比较敏感，非牛顿性增 强，假塑性流动区域加宽2）当分子量大小一样时，分子量 分布较窄的聚合物，熔体粘度较大， 对温度比较敏感，表现更多的牛顿流 体特征第三课：影响聚合物流。