先进聚合物成型加工技术

先进聚合物成型加工技术第1页，课件共100页，创作于2023年2月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第2页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术

第一讲通用聚合物材料简介第3页，课件共100页，创作于2023年2月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。

第4页，课件共100页，创作于2023年2月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！

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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。

第6页，课件共100页，创作于2023年2月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。第7页，课件共100页，创作于2023年2月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)第8页，课件共100页，创作于2023年2月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。第9页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术在这个温度以上，高聚物表现为软而有弹性，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10～20℃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。第10页，课件共100页，创作于2023年2月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。第11页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术

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。第12页，课件共100页，创作于2023年2月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（polymerchain），因此它有三种可运动单元。

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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。第14页，课件共100页，创作于2023年2月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）。

第15页，课件共100页，创作于2023年2月这时，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。

第16页，课件共100页，创作于2023年2月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(viscousflowstate)。这种橡胶态向粘流态转变的温度称为流动温度(flowtemperature)，用

Tf来表示。

第17页，课件共100页，创作于2023年2月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。

第18页，课件共100页，创作于2023年2月纤维------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。

第19页，课件共100页，创作于2023年2月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。第20页，课件共100页，创作于2023年2月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，ηP=104Pa﹒s，ηL=1mPa﹒s2、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。第21页，课件共100页，创作于2023年2月3、高分子表面张力小，内聚能就大，能纺丝成型，γP=0.025N/m，γL=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、液态、气态）

第22页，课件共100页，创作于2023年2月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，σP

=35MPa，σm=235MPa。σp’=35MPa/0.95=36.8MPa,σm’=235/7.8=30MPa;所以航空工业要选用比强度高的材料。第23页，课件共100页，创作于2023年2月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;

第24页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术

第二讲经典聚合物成型方法第25页，课件共100页，创作于2023年2月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、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。

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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。

第27页，课件共100页，创作于2023年2月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（elementaryprocess）与成型(mold)两个阶段。其具体过程见图2-1。第28页，课件共100页，创作于2023年2月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，或者借鉴了其它行业的加工方法，其中产生了很多的创造性发明。第29页，课件共100页，创作于2023年2月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。第30页，课件共100页，创作于2023年2月（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）

第31页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术第32页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术图2-3挤出机机头口模示意图第33页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术图2-4管材挤出工艺示意图第34页，课件共100页，创作于2023年2月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第35页，课件共100页，创作于2023年2月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.第36页，课件共100页，创作于2023年2月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压制模具第37页，课件共100页，创作于2023年2月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

第38页，课件共100页，创作于2023年2月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.第39页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术（三）注射成型（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注射机第40页，课件共100页，创作于2023年2月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第41页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术图2-11注射机基本操作程序第42页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术2、注射成型工艺流程第43页，课件共100页，创作于2023年2月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.第44页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术（四）压延成型（应用移植创新法，从面条机演变来）图2-13压延机的辊筒排列方式第45页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术1.压延机的基本结构图2-14压延机的基本结构第46页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术图2-15压延工艺生产线第47页，课件共100页，创作于2023年2月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.第48页，课件共100页，创作于2023年2月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：口小肚大的容器第49页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术2、真空成型图2-19真空成型示意图产品特征：口大肚小的薄壁容器第50页，课件共100页，创作于2023年2月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搪塑成型示意图第51页，课件共100页，创作于2023年2月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第52页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术第三讲先进聚合物成型方法第53页，课件共100页，创作于2023年2月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3-1LIM工艺流程图第54页，课件共100页，创作于2023年2月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0.1μm～10μm、层数达上千层的制品。

第55页，课件共100页，创作于2023年2月工艺特点：

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。

第56页，课件共100页，创作于2023年2月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第57页，课件共100页，创作于2023年2月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第58页，课件共100页，创作于2023年2月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第59页，课件共100页，创作于2023年2月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。第60页，课件共100页，创作于2023年2月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;

（2）在压制阶段，已不再向模腔内注料，依靠外部高压来合紧模具，使模腔容积缩小，从而对模腔内的熔体加压使之成型，型腔内压力分布均匀。

第61页，课件共100页，创作于2023年2月（3）物料在成型时基本上不再流动，所以流动取向性小，内应力也较小，制品发生变形的现象较少。

（4）在模具的合模面易产生毛边，制品须经修整后使用。

第62页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术（五）气体辅助注射成型图3-8气体辅助注射成型过程图第63页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术二、先进挤出成型方法（一）双螺杆挤出技术1、双螺杆挤出机的结构（由两根螺杆并联组成）图3-11双螺杆挤出机示意图第64页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术

2、双螺杆挤出机与单螺杆挤出机的比较（1）物料的传送方式不同在单螺杆挤出机中，固体输送为摩擦拖曳，物料的摩擦性能决定了输送行为。有些物料摩擦系数低，则较难将物料加入单螺杆挤出机中。在双螺杆挤出机中，由于两根螺杆的螺槽会形成一个密闭空间，并且沿螺旋线移动，因此空间中所含的物料被强制输送，与摩擦系数大小无关。第65页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术

（2）物料的流动速度场不同物料在单螺杆挤出机中的流动速度分布比较简单，基本上是层流。而在双螺杆挤出机中物料的流动速度分布相当复杂。因此混合充分、热传递良好、熔融能力大。第66页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术图3-13高性能二阶挤出机结构（二）双阶挤出技术它是由两根螺杆的串联组成第67页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术

工作原理：这种二阶挤出机是由具有塑化、熔融功能的第一级挤出机和具有计量、升压功能的第二级挤出机串联组成。加大了螺杆的工作长度使物料塑化更加充分。

第68页，课件共100页，创作于2023年2月工艺特点：

（1）可以提高挤出效率30%-50%，

（2）能改善塑料薄膜的质量，降低挤出树脂温度10～20℃，使塑料薄膜不易过热分解。

第69页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术图3-14三层共挤出复合T型机头示意图（三）共挤出复合膜技术第70页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术

工作原理：该机头内设有三个流道，可用两台挤出机挤出两种高聚物熔体。其中一台挤出的熔体进入内外层流道，另一台挤出的另一种熔体进入中层流道，然后它们在口模处汇合，冷却后即制得共挤出三层复合薄膜。

第71页，课件共100页，创作于2023年2月

工艺特点：

由于PP力学性能好但薄膜热封性较差，所以让PP为中层、PE力学性能差但薄膜热封性较好，所以让它做内外层，这样制得薄膜，既有PP薄膜的良好的力学性能，又明显改善了热封性。

第72页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术（四）挤出机可视化技术挤出机的机筒是用金属制成的，人们无法看到物料在其中的变化过程，因此称其为“黑箱”，应用可视化技术可以亲眼看到物料在机筒中的变化规律，从而验证挤出理论的正确性。

第73页，课件共100页，创作于2023年2月1、静态可视化技术

实践表明，要深入地分析物料性能、加工条件和螺杆参数对挤出理论的影响，依靠挤出机和模拟实验机是不行的。因为在这些装备上无法直接地观察到塑料的挤出过程，从而难以建立精确的物理数学模型。

第74页，课件共100页，创作于2023年2月大约在上世纪50年代末，在欧美和日本，分别用了静态可视化技术来研究挤出过程，主要有顶出螺杆法和剖分机筒法两大类。

第75页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术

顶出法是：首先往料斗加入白色塑料和少量碳黑，当塑料在挤出机中达到稳定挤出后，突然停机，然后快速地冷却机筒，使螺杆上的熔料快速冷却，以保持稳定挤出时的物料状态。最后用油压装置将螺杆往前顶出。然后从螺杆上仔细地剥下卷绕在螺槽上的料带，按规定位置切出各断面上的物料状态。最后，用油第76页，课件共100页，创作于2023年2月通过观察、测量各螺槽中已熔部分(图中黑色)和未熔部分(图中白色)的百分比和位置，即可分析熔融等挤出过程。

第77页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术挤出LDPE

Tb=190℃n=60r/minp=20.7MPaG=78Kg/h(图中数字为自螺杆尾部往头部计算的螺距数)图3-18料样切片第78页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术剖分机筒法：它也是一种静态可视化技术，具体做法是将机筒做成两半，停机后打开机筒露出螺杆后，剥下物料带再做切片。它与顶出螺杆法相比，优点是螺槽中的物料没有变形，保持了挤出时的状态。第79页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术2、动态可视化技术

动态可视化是在与生产条件完全相同的工作情况下，连续、在线地观察挤出过程的技术。较早出现的动态可视化技术，是在有机玻璃制成的全透明挤出机中，加入某种室温下为液体而已冷冻成小块固态物的“物料”（类似果冻），观察在室温下它在螺杆上的熔解，实际上是熔化过程，并由此来模拟塑料的熔融过程。第80页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术图3-19我国第一台全程视窗单螺杆挤出机1981年，华南理工大学开发了我国第一台全程视窗单螺杆挤出机，如图3-19所示。第81页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术

图3-20三向全程双螺杆可视化挤出机第82页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术该机装有七个沿程熔体压力和温度传感器、还在机筒两侧交替开有九个视窗，这样除能直接用肉眼观察物料在螺杆全长上的物理化学过程之外，还可通过摄像机将挤出过程全部记录下来。第83页，课件共100页，创作于2023年2月它的特点如下：

（1）可以全方位观察物料在机筒中的变化过程，即可同时在机筒前、后、上方同时摄像；

（2）可以全程观察物料在螺槽中的变化过程，从第1个螺槽到最后1个螺槽。

（3）不用停机拆机筒，与实际工作状况相符。

第84页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术三、先进压制成型方法（一）熔体压缩模塑

图3-21熔体压缩模塑第85页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术工作原理：它采用一个喷嘴系统将熔体挤出在下半模上;然后喷嘴在x-y-z三个方向上进行伺服控制，保证塑料均匀地分布在模具表面上;树脂涂覆结束后，喷嘴退回;上半模下移合模，压缩塑料熔体，开始压制。第86页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术（二）传递压制成型第87页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术四、其它先进成型方法（一）注射吹塑成型图3-24注射吹塑过程示意图第88页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术（二）注射拉伸吹塑成型图3-25注射拉伸吹塑挤出成型制品过程第89页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术（三）滚塑成型图3-26滚塑成型基本原理示意图第90页，课件共100页，创作于2023年2月先进聚合物成型加工技术（四）