聚合物成型加工及其重要性

1、第一章 绪 论1.1 聚合物成型加工及其重要性 聚合物成型加工工业是一个新兴的工业领域，又是一个发展迅速的领域。高分子材料巳进入所有工业领域以及人们的日常生活。由于高分子材料的独特性：材料本身易得，性能优越、加工方便，而广泛的应用于包装、日用消费品、农业、交通运输、电子、电讯、机械化工、建筑材料、军事国防、宇航等各个领域，并显示出其巨大的优越性和发展潜力。 当今世界把一个国家的高分子材料的消耗量和聚合物成型加工的工业水平，作为衡量一个国家工业发展水平的重要标志之一。可以说，离开聚合物成型加工工业，现代国民经济各部门和高科技领域不可能生存，更不可能发展。 随着机械，电子、家电，日用五金等工业产品

2、塑料化趋势的不断增强及塑料制品的广泛应用与不断发展，更新换代速度快，对塑料成型工艺技术的发展以及对成型加工设备在质量、精度上和复杂程度等方面都提出了更新更高的技术标准和质量指标，这就要求从事该领域的工程技术人员掌握更多专业知识和提高设计能力。1.2 聚合物成型工业的过去和未来 聚合物加工工业的发展都是伴随着高分子科学与技术的发展而兴起的年轻工业。其中橡胶工业只有近200年的发展历史，而塑料工业的发展历史就更短。但是，共同特点就是发展速度都相当快。 一、发展历史 聚合物加工工业发展历史基本上可以分成两个阶段。即：天然高分子材料的采集、加工、研究及利用方面和高分子材料的化学合成方法，以及加工和利用

3、方面的研究。这与整个高分子科学的发屉历史阶段划分是一致的。1天然高分子的研究和利用时期 自古以来，人类便早巳懂得利用棉、麻、丝等天然纤维高分子材料为自己的生产和生活服务，中国早在商朝时期蚕丝业巳极为发达，后来通过著名的丝绸之路传入了西亚和欧洲；东汉时代之前已发明了造纸技术为人类文明史做出了重大贡献。 15世纪以前，南美洲人早巳发现并利用天然橡胶制造各种生活用橡胶制品，但直到19世纪初橡胶传到欧洲之后，才逐渐发展为工业化生产。1826年Hancock发明了开放式炼胶机，成为世界上第一台橡胶工业加工设备，奠定了橡胶的工业加工基础，直到现在仍然是橡胶工业生产的重点加工设备之一，其基本构造和工作原理并

4、没有发生根本变化。1839年橡胶硫化方法的发现，又为橡胶的真正大规模工业化生产开辟了道路，使得此后的橡胶工业有了突飞猛进的发展，1915年发明的密闭式炼胶机主要用于橡胶与炭黑的混合加工，它和开放式炼胶机一起巳成为现代橡胶、塑料工业不可缺少的主要设备。 但是，20世纪初以前，高分子科学和技术的主要任务还是从事对天然橡胶和天然纤维的研究和利用。因而可以称这一时期为天然高分子时期。2合成高分子发展与应用时期 自从1907年世界上第一个小型合成酚醛树脂厂建成投产开始，人类便已进入了合成高分子时代。但是，直到20世纪30年代以后，高分子合成材料才进入真正的工业发展时期，无论科学研究，还是工业化生产，其开

5、发重点都转向了合成高分子材料方面，至80年代以前的这段时间，是合成高分子材料发展的兴盛时期，人们利用各种低分子化合物作为原料单体，采用各种不同的化学聚合反应方法，合成出了橡胶、塑料和纤维等各种各样的高分子材料，如先后实现工业化生产的橡胶有了钠橡胶(1932年)、氯了橡胶(1 932年)、丁腈橡胶(1935年)、丁苯橡胶(1937年)、丁基橡胶(19401942年)、塑料有酚醛树脂(19071，聚氯乙烯(PVC，1927年)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)(皆为19301940年)；纤维材料有聚酰胺纤维(尼龙66，1938年)、聚丙烯腈纤维(1950年)、聚酯纤维

6、(PET，1953年)、聚丙烯纤维(PP，1957年)。 而复合高分子材料、工程塑料和其他特殊的高分子材料则是从40年代开始出现的。工程塑料工业是50年代中期至60年代才建立起来，如聚碳酸酯<1957年)、聚酰亚胺(1964年)和聚砜(1965年)的出现就标志着工程塑料工业的建立。50年代又相继投产的聚丙烯腈纤维(1950年)、聚酯纤维(1953年)和聚丙烯纤维(1957年)，其产量增长一直很快。50年代中期研究用定向聚合方法成功地合成出工业产品，有规立构橡胶，如顺式聚了二烯橡胶(BR)、顺式聚异戊二烯橡胶(IR和乙丙橡胶(EPDM)，这些橡胶的分子结构与已往的合成橡胶相比，更加受到控制

7、。上述各种橡胶基本上都能适应现有的橡胶工艺。 6070年代，高分子材料又有两项导致全新加工方法的研究成果：一项是主要起源于聚氨酯橡胶开发的液体橡胶加工工艺，这种工艺与现有橡胶工业中的传统加工方法几乎没有共同之处。另一项是热塑性弹性体(TPE)的开发。尽管TPE的加工工艺主要来源于塑料工业，例如充入大量增塑剂的PVC大概可以看作是TPE的前身；60年代推出的离子聚合物，其分子链之间通过热消性的离子键进行交联，如某些聚氨酯类橡胶和羧基化二烯烃类橡胶都是这样；还有一类嵌段共聚物等都属于热塑性弹性体，它们的共同特点是室温下呈橡胶弹性，表现出硫化胶的特性，高温下呈塑性流动状态，可以加工成型。 与此同时，

8、由于化学反应动力学、化学热力学和结构化学的研究，逐步建立了高分子聚合化学的各种反应理论，又进一步推动了高分子合成工业的发展，60年代开始出现了一大批主链带有芳、杂环结构的高分子和梯形高分子，如聚苯、聚苯醚和聚酰亚胺等新型的耐热高分子。自1962年起，全世界合成橡胶的产量巳超过了天然橡胶，加工技术也有了突飞猛进的发展；尤其特种合成橡胶的生产、加工和应用更是有了长足的发展。据预测，通用型特种合成橡胶，如乙丙橡胶(EPDM)、丁基橡胶(IIR)、氯丁橡胶(CR)、丁腈橡胶(NBR)等今后还将以每年递增33的速度发展，1977年增长到200万t/a。产量较小的特种合成橡胶，如硅橡胶(MQ)、氟橡胶(F

9、PM)、丙烯酸酯橡胶(ACM)、氯醚橡胶(CO)、聚硫橡胶(T)等，预计年增长率为55，主要为满足汽车工业发展的需求。合成橡胶在整个橡胶中的比例将占63。 70年代开始，为提高现有橡胶和塑料的性能，扩大应用范围，又采用各种方法对已有的高分子聚合物进行改性，如大分子的接枝聚合改性和嵌段聚合改性等化学改性方法；聚合物的共混改性，如橡胶弹性体共混改性、橡胶与塑料之间的共混改性(橡胶增韧塑料，塑料增强橡胶)等，以及橡胶、塑料各自的填充、增强和增塑等其他改性方法，都取得了显著的效果，例如塑料改性的结果已使通用型热塑性塑料与工程塑料之间的界限开始模糊；橡胶与塑料的机械共混型热塑性弹性体巳成为弹性体材料研究

10、开发的重点课题之一，这为高分子复合合金材料的发展开辟了广阔的前景。目前世界范围内TPE的增长速度为6，巳成为弹性体材料中的重要品种之一。用于热塑性塑料抗冲击改性的聚合物型添加剂在PVC抗冲性异型窗材中和乙丙橡胶改性PP制造汽车构件方面的开发应用效果极好；在建筑工业和汽车工业中，特别是长寿命模塑件和取代传统材料减重方面的应用，正在进一步开发之中，通过对聚烯烃进行交联而提高其耐热性能也是一种比较有效的改性途径。 近十几年来，分子设计在高分子材料科学与工程研究中的应用开发速度也相当迅速，尤其是在功能高分子、生物医学高分子、自然降解高分子及特种高分子材料的开发中被广泛采用。随着计算机技术的发展，借助于

11、微机的记忆、判断和逻辑推理功能进行分子设计也已取得了一定的进展，如ABS树脂的合成与合成天然橡胶的开发应用便是这方面的成功范例之一。 各种高分子复合材料，主要是纤维增强的复合结构材料，如碳纤维、硼纤维和芳香族聚酰胺(Kevlar)纤维增强的树脂复合材料，也巳由60年代开发之初，因价格昂贵，主要用于航空、航天领域，而转向大规模民用开发方向发展，例如可代替钢材用于汽车的车身、受力构件、汽车底盘、悬挂结构、传动轴、发动机的许多内部构件和机架等，以及工业设备、高速机床、机器人、自行车、运动器材和娱乐用品等。 二、聚合物加工工业与科技的发展趋势 对于高分子科学的今后发展趋势，有人认为可能是生物高分子的发

12、展时期。在这期间：一方面继续对原有的高分子材料开发新的用途，如建筑和包装材料的新用途，并对原有的生产和加工技术继续改进。为宇航技术的需要探索开发耐高温、高强度及高模量的新材料；另一方面，为工、农业生产和医学上的特殊需要，向功能高分子、生物化学高分子方面开拓发展，如生物膜、高分子催化剂、半导体、超导体，医用生物构件(假牙、仿生血管及心瓣)等。此外在探索生命起源、控制遗传机理等领域，生物高分子的研究已与生物和遗传工程结合在一起，成为一个十分重要的科学领域，并且正向高分子材料的分子设计方向发展。 对现有的各种聚合物进行改性仍是目前和今后一段时间内对高分子材料进行开发和应用研究的主要任务。从发展趋势看

13、，主要是致力于提高聚烯烃类和苯乙烯类通用热塑性弹性体的性能，以及推出使用互溶的各种聚合物合金型和采用动态硫化技术的新型热塑性弹性体。 聚合物加工工业今后的任务除了继续扩大和完善新的聚合物高分子材料品种之外，对各种添加剂继续向低毒、高效和非污染的方向发展。另外是积极开发橡胶配合剂的造粒和复配技术，特别是正在大力开发加工型助剂，如分散剂、均匀剂、增塑剂、脱模剂、抗硫化返原剂、增粘刑、塑解剂，阻燃剂和防焦剂等，以改善胶料的工艺加工性能，节约能耗、提高产品质量、满足高速加工设备和高效加工工艺的要求，并减少环境污染、提高配料的准确性和发挥助剂的协同效能。1.3 塑料制品的生产工序和组织1.3.1聚合物制

14、品分类及生产工序与组织一、塑料制品的分类 塑料制品种类庞杂，分类方法也很多。 1、按成型方法和产品结构可分为压缩模塑制品、传递模塑制品、热塑性塑料泡沫结构制品、吹塑制品、热成型制品、无废料成型制品、旋转成型制品、锻造模塑制品、挤出成型制品、增强和层压制品等。 2、按原料不同可分为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、酚醛树脂和氨基塑料制品。 3、按制品几何形状和用途又可分为塑料管、塑料薄膜、塑料板材和片材、塑料丝、塑料带塑料袋、人造革、塑料建材、泡沫塑料、塑料容器、塑料鞋、电线、电缆、塑料工业零部件、日用塑料制品、工艺美术塑料制品和文教体育用塑料制品等。 塑料管有聚乙烯塑料管(又分为普通管、煤气管、农用暗

15、管，复合管，钙塑管、LLDPE管)、聚丙烯管(又分普通管、给水硬PVC管、PVC钙塑管、普通软PVC管、织物增强PVC水龙带或称维塑管、PVC夹网管、波纹管、低发泡PVC管、缠绕管、弹簧管和防静电管)、其他热塑性塑料管和热固性塑料管等。 塑料薄膜有PE薄膜(普通、重包装、大棚、地面覆盖、热收缩包装、防滑、流延平膜、气垫膜、拟低膜、LLDPE吹塑超薄薄膜、压延薄膜等)、PP薄膜(吹塑包装、挤出流延、双向拉伸薄膜)、PVC薄膜和其他塑料薄膜、塑料板材及片材有PE、PP、PVC板材和片材、其他热塑性塑料板材及片材、热固性塑料板材等。人造革(如直接涂刮法PVC人造革和泡沫人造革，间接涂刮法人造革、压延

16、法和挤出法、圆网涂布法人造革)和其他人造革(干式、湿式PU、PU/PVC复合、PE、PA人造革、橡塑-尼龙帆布革)。 塑料丝。网、带、袋(PE、PVC、PA、PP单丝、PP扁丝、PVC发丝、PP、PVC打包带和捆扎绳、PVC运输带和绝缘带)、塑料挤出网和PE挤出发泡网、塑料蒸煮袋、自封带、PE、PP包装袋、HDPE、LDPE购货袋、塑料水泥包装袋。 塑料容器，中空容器如吹塑桶、挤出和注射吹塑瓶、挤出拉伸吹塑瓶，注射-拉伸吹塑瓶、挤出-吹塑大型中空容器、旋转成型容器、复合中空容器、塑料周转箱、瓦楞箱和衣箱等。 塑料鞋和鞋底：PVC全塑凉鞋、雨鞋、矿工鞋、注塑发泡凉鞋、塑料底仿草鞋、发泡拖鞋、PV

17、C鞋底等及其他塑料鞋(PE发泡底凉鞋、拖鞋、布鞋；PU发泡底凉鞋、拖鞋、皮鞋；SBS底旅游、凉、布鞋) 泡沫塑料及其制品，软质如：PE卷材和座垫、PVC软质、PU软质及其复合材料；硬质PE救生衣，游泳圈，PS、PU及PU保温套管。 4、各种建材材料，如：压延PVC地板革、挤出压延PVC地板革、涂刮法PVC地板革、圆网涂布法PVC地板革、辊涂法PVC地板革；PVC地板砖、塑料地毯、赤泥和粉煤灰填充PVC地板砖、塑料壁纸、屋顶材料，如防水卷材、PE泡沫天花板、PVC阻燃天花板；门、窗及其他异型材料和制品，如楼梯扶手、踏脚板、隔墙、屏风、落水槽、地板条和组装塑料家俱等； 5、塑料卫生洁具，如塑料整体

18、卫生间、人造大理石卫生洁具和石材。 6、塑料电线、电缆如电缆料(PE、PP、PVC)、塑料电线、电缆(PVC、交联PE)。 7、某些工业用塑料制品： 化工设备(硬PVC、手糊成型玻璃钢、缠绕成型玻璃钢等设备)； 塑料密封材料(PVC、PTFE及其他密封垫片，PP密封条)； 电工制品(酚醛塑料、氨基塑料和不饱和聚酯等电工制品)； 增强热固性塑料工业零部件(玻璃纤维增强酚醛及环氧、不饱和聚DS、石棉纤维增强和金属纤维增强酚醛塑料零部件)；热塑性塑料工业零部件(PVC注塑管件阀门、焊条、增强PP工业零部件，浇铸尼龙军部件、MS共聚树脂注塑高透明度工程零件)。 8、日用、工艺美术及其他塑料制品，如聚烯

19、烃、苯乙烯类头梳、皂盆、茶盘；蛔料暖瓶壳；无毒PVC糕点盒、洗衣板；密胺塑料餐具；PE切菜板；家俱塑料装饰条、塑料窗纱、充气玩具、球；PVC检查手套、珠光玻璃钮扣、有机玻璃工艺晶、PVC抽纱台布、碳纤维增强塑料羽毛球拍杆、一次性注射器、印刷、烫金、电镀塑料制品、医用PTFE膨体制品、宫颈细胞自采器等。二、生产工序与组织 1、塑料制品生产的一般加工过程为： 塑料的配制 塑料成型 机械加工 修饰 装配 2、塑料的准备： 塑料制品生产中，只有极少数聚合物可单独使用，一般都必须与其他添加剂混合配料后才能进行成型加工。工业用于成型的塑料有粉料、粒料，溶液和分散体等多种，这些都是由塑料树脂添加各种助剂后混合而成，其中以粉料和粒料使用较多，溶液和分散体只用于流延法薄膜、某些铸塑产品和涂层类制品。 粉、粒料的配制主要分两个阶段，即粉料的配制过程和物料的塑化过程。粉料的配制过程包括原料的准备和原料的混合两步。原料的准备主要有原料的预处理、称量和输送。原料的混合只是一种简单混合，将称量好的原料依据聚合物、稳定剂、色料、填料，润滑剂等顺序加入混合设备中混合而成，故粉料的制备工艺流程可表示如下； 树脂 预处理 称量 输送