第五章 材料成型与加工

1、 第五章第五章 聚合物成型原理及技术简介聚合物成型原理及技术简介 5.1 塑料、橡胶、纤维的概念塑料、橡胶、纤维的概念及其加工成型原理及其加工成型原理 5.1.1塑料、橡胶、纤维的概念 由聚合物制成的塑料、橡胶、纤维称为三大合成材料。 （1）塑料的定义和分类 以合成或天然高聚物为基本成分，并配以一定得高分子助剂如填料、增塑剂、稳定剂、着色剂等经加工可塑成型，并在常温下保持其形状不变的材料，称为塑料。作为塑料的基本成分的高聚物，不仅决定了塑料的类型而且决定了塑料的主要性能，一般来讲塑料用高聚物的内聚能介于纤维和橡胶之间，使用温度范围在其脆化温度和玻璃化温度之间。加入高分子助剂的目的在于改善塑料的

2、加工性和制品的性能和降低成本。 按材料的受热行为可分为热塑性和热固性塑料；按塑料的使用功能分，把产量大、价格便宜、原料来源丰富的称为通用塑料，一般有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和氨基塑料，力学性能和热性能都比较差。 工程塑料一般是指可作为结构材料使用，具有优异的力学性能、热性能、尺寸稳定性和能满足特殊要求的塑料，如聚四氟乙烯、聚酰胺、聚甲醛等。 （2）橡胶的特征和分类橡胶是有机高分子弹性体，它的使用温度范围是在玻璃化温度和粘流温度之间，因此作为橡胶，其结构上应满足以下要求： （a）大分子链具有足够的柔性，玻璃化温度应比室温低得多。 （b）在使用条件下不结晶或结晶度很小。 ( c ) 在使

3、用条件下无分子链间的相对滑动，即无冷流现象。否则会使橡胶在负荷下产生永久变形。 橡胶按其来源可分为天然橡胶和合成橡胶. 广泛用于制造轮胎及其它大量制品的称为通用合成橡胶，如丁苯橡胶、顺丁橡胶、丁基橡胶等。凡具有特殊性能的如耐候性、耐热性、耐油等，并用于制造特定条件下使用的橡胶制品的称为合成橡胶，如丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯橡胶等。 （3）纤维的定义和分类 纤维是指长度比其直径大很多倍，并且有一定柔软性的纤细的物质。纤维的分类可分为两大类，一类是天然纤维，如棉花、羊毛等。一类是化学纤维，其又分为人造纤维和合成纤维，人造纤维是以天然高聚物经化学处理与机械加工而制成的纤维，再生纤维素纤维、再生

4、蛋白质纤维、纤维素酯纤维；合成纤维是由合成高分子加工制成的纤维，分为杂链纤维（聚酰胺纤维等），碳纤维（聚丙稀腈）纤维。 纤维的性质取决于原来高聚物的性质，也取决于经加工后的纤维结构。成纤高聚物应具有下列结构：（a）为线型的可伸展的大分子链，没有庞大的侧基。这样大分子链可沿纤维方向进行有序的排列，以赋予纤维较高的拉伸强度、延伸度和其他物理性能。（b）分子中又极性基团存在，以增加大分子链间的作用例。（c）成纤高聚物应具有形成半结晶结构的能力，使高聚物成纤后具有合适的结晶度。 （d）具有相当高的分子量和比较窄的分子量分布。 5.1.2 聚合物加工成型原理 聚合物只有通过加工成型才能获得所需的形状、结

5、构与性能，成为又使用价值的材料与制品。 常用的加工成型方法又挤出、注塑、模压、压延等。 通常从聚合物原料到聚合物制品需要经历加工单元操作与成型两个阶段。 简单地说，聚合物首先受热熔融或软化，在外力的场的作用下发生变形、流动与混合，然后在成型模具中被赋予一定的外形。当温度下降时，聚合物固化成型。若是结晶性聚合物，此时发生从物定形向结晶态的转变。当温度下降到聚合物的玻璃化转变温度以下时，其内部结构被冻结下来。因此，通过加工成型得到的制品既具有符合要求的外形，又具有某种内部结构。 聚合物固体粒子输送熔融或软化熔体流动混合熔体化学反应脱挥与解吸挤出口模成型模塑成型二次成型压延成型涂覆成型制品聚合物及其

6、共混体系、复合体系具有复杂的多层次非均匀内部结构，研究内容涉及高分子物理、连续介质力学、聚合物加工流变学、聚合物成型工艺学、高分子化学等，其属于“动态”高分子物理范畴，或称为聚合物工程物理学，其中现代聚合物加工流变学处于非常重要的地位。 5.2塑料添加剂及成型物料配制塑料添加剂及成型物料配制 5.2.1 添加剂通常用的添加剂有十几类，按其作用和功能一般又可以分为特性添加剂、稳定剂和加工添加剂。 （1）特性添加剂其主要功能是赋予塑料制品某种特性，如柔韧性、阻燃性等。主要包括增塑剂、填充剂、增强剂、偶联剂、着色剂、阻燃剂等。 （a）增塑剂 能改变塑料的刚性甚至脆性使其具有一定的扰曲性的添加剂。作用

7、：通过降低玻璃化温度和增加内部润滑作用而降低加工温度。可分为注增塑剂和辅助增塑剂。注增塑剂与高聚物又很好的相容性。辅助增塑剂相容性较差，不能单独使用。作用机理：主要是减弱高聚物分子链间的作用力，使分子链间的相对运动变得容易。 增塑剂一般是低分子物质，易于流动，对高分子链间的相对运动也具有一定的润滑作用。常用的增塑剂：有机酯类化合物，如邻苯二甲酸酯类、己二酸酯类、磷酸酯类等。使用时要综合考虑，主要考虑其相容性。 （b）填充剂 是加入塑料中的一种惰性材料，主要功能是增加质量、降低成本或改进某些性能。填充剂一般是粉末状物质，主要品种有碳酸钙、滑石粉、高岭土、硅灰石、云母等。填充剂的表面结构对填充效果

8、有很大影响。为使填充剂与塑料材料有教好的亲和性，得到较好的填充效果，常对填充剂表面的物理和化学结构进行处理。 物理结构的处理主要使机械粉碎和研磨，可以增加填充剂的凹凸度、比表面积，改善填充剂的微孔分布，从而使填充剂与集体树脂的接触面，改善填充效果。化学结构处理的方法主要是利用偶联剂在填充剂的表面形成一层分子膜，提高填充剂与树脂的亲和性，增加填充剂与树脂的粘接性。 （c）增强剂 能显著提高制品力学强度的填充剂。绝大多数是高强度、纤维状的惰性物质，如玻璃纤维、碳纤维、石棉等。在增强塑料中，存在连续相树脂基体和不连续相增强纤维，当增强树脂受到力的作用时，树脂基体把所施加的力传递给增强纤维。因此，增强

9、剂的性能在很大程度上与增强剂于基体树脂的粘合程度有关。可以用偶联剂对其进行表面处理，以提高树脂与纤维的粘合程度。 （e）偶联剂 增加树脂与填充剂界面结合力的物质称为偶联剂。偶联剂分子是一类官能团物质，它的一端可以与无机物表面的化学基团反应，形成牢固的化学键合或被无机物表面吸附；另一端则有亲有机物的性质，可与有机分子反应或发生物理缠绕，从而把两种性质不同的物质牢固地结合起来。常用的有有机硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂。 OCH2O(CH2)3Si(OCH3)3(KH560)（f）降解剂 可加速塑料制品在阳光下或土壤中微生物作用下分解成低分子物的添加剂称为降解剂。分为光降解剂和生物降解剂。光降解剂主要包

10、括具有光敏作用的化学添加剂合过渡金属络合物等。常用的有甲基乙烯酮、硬酯酸钙、硬酯酸铁及光降解母料等。在PE或PP中添加Ni、Fe金属络合物生产所料薄膜，可以精确的控制所料薄膜光降解反应的开始时间。生物降解剂主要是淀粉类的添加剂，成本较低，但这种添加剂与通用塑料的相容性较差，降低PE的拉伸强度、光泽度合透明度。在微生物的作用下，仅其中的淀粉可被微生物分解，而塑料部分只是丧失其形状及降低其功能。 （2）稳定剂稳定剂的主要功能是阻缓或停止塑料在物理（加热、光）合化学（氧、微生物）因素下的降解。主要有热稳定剂、光稳定剂、抗氧剂和抗微生物剂。 （a）热稳定剂在PVC塑料中热稳定剂需具备以下特点：消除PV

11、C分子中不稳定的氯原子，抑止脱氯化氢；吸收、中和氯化氢；改变多烯结构，阻止颜色变化；消除自由基，阻止氧化反应。常用的热稳定剂为铅盐类、金属皂类及有机锡类化合物。一般都有毒性，不适宜食品的包装。 （b）光稳定剂紫外线的能量比有些高聚物的自动氧化反应活化能和化学键的离解能高，足以破坏高聚物的化学键，引发自动氧化反应，造成老化降解。根据光稳定的作用机理，可将其分为光屏蔽剂（碳黑、二氧化钛）、紫外线吸收剂（水杨酸酯类、二苯甲酮类等）、淬灭剂（二价镍络合物）和自由基捕获剂（胺型）。（c）抗氧剂 受阻酚类和芳香胺类。 （d）抗微生物剂 很少，N（三氯甲基硫代）酚酞亚胺。 （3）加工添加剂 使塑料易于成型或

12、提高成型效率的添加剂。主要有润滑剂（金属皂类）、脱模剂（硅油）。 5.2.2 成型物料的配制树脂和各种添加剂的配合称为配制。目的是将添加剂和高聚物混合，形成一种均匀的复合物，复合物的形态可分为粉状或粒状，也可以微溶液或悬浮体。成型加工的物料主要是粒料和粉料。 （1）粉料的配制粉料的配制过程主要包括原料（高聚物和各种添加剂）的准备和原料的混合。原料的准备，最好进行过筛吸磁处理，除去杂质。在物料混合前应对增塑剂预热，以加快扩散速度，强化传热过程，加快高聚物溶胀，提高混合效率。某些稳定剂、填充剂和色母料等粒子过小，常发生凝聚现象，为有利于这些物料的均匀分散，最好把它们制成浆料或母料后再加入到混合物中。