《高分子材料与成形》课件

高分子材料与成形探讨高分子材料的特性、加工工艺、应用领域等,帮助学习者全面掌握高分子材料的知识体系。课程简介高分子材料基础本课程将深入探讨高分子材料的性质、分类和特性,为后续的加工工艺打下基础。加工工艺介绍课程将详细介绍常见的高分子材料加工工艺,如注塑成型、挤出成型、压缩成型等。复合材料应用课程还将探讨纤维增强塑料和其他复合材料的制备技术及应用前景。可持续发展最后,课程将涉及高分子材料的回收利用和环保等可持续发展方面的内容。高分子材料概述高分子材料结构高分子材料由大量重复单元构成的巨大分子链组成,其独特的分子结构赋予了其优异的机械、热、电等性能。广泛应用领域高分子材料被广泛应用于工业、电子、日用品、建筑、医疗等诸多领域,并不断推动着社会的发展。不断创新发展随着科技的进步,人们不断开发出新型高分子材料,满足不同应用场景的需求,促进了材料科学的发展。高分子材料的分类与特性热塑性与热固性高分子材料可分为热塑性和热固性两大类,前者可重复加热熔融,后者加热后不可逆转。结构与性能高分子材料的链状、网状或交联结构决定了其机械、热、电等各方面的性能表现。分子量与分布高分子量决定了材料的强度、刚性、韧性等,分子量分布影响工艺条件和最终性能。结晶与非结晶高分子材料可能是部分结晶或完全非结晶状态,这决定了其透明度、硬度等特性。热塑性高分子材料分子结构热塑性高分子材料的分子结构具有可逆的化学键,可以在热量作用下软化、熔融,冷却后重新硬化。可再加工热塑性高分子材料可以通过加热重复熔融、成型,因此具有良好的可回收利用性。机械特性热塑性高分子材料在温度和应力作用下可发生可逆变形,具有良好的延展性和韧性。成型工艺热塑性高分子材料可以通过注塑、挤出、压缩等加工成型,制造出各种塑料制品。热固性高分子材料定义热固性高分子材料是指在加热和压力作用下发生不可逆的固化反应,形成稳定的三维网络结构的高分子材料。特点热固性材料在加热后无法重新熔融和塑性变形,具有优异的强度、刚度和耐热性。它们通常用于结构件、电子元器件和复合材料等领域。主要类型常见的热固性高分子材料包括环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺、聚苯硫醚等。它们具有独特的化学结构和固化机理。应用热固性材料广泛应用于航空航天、电子电气、机械制造、汽车工业等领域,是不可或缺的工程材料。玻璃化温度与熔融温度高分子材料的玻璃化温度和熔融温度是其重要的物理性质,反映了材料的结构、微观状态和分子运动状态。这两个温度均对材料的加工工艺和最终性能有重要影响。了解这两个温度特性对合理选择加工工艺、优化材料配方至关重要。分子量及其分布高分子材料的分子量是指聚合物分子链的平均长度。分子量的大小决定了材料的力学性能、加工性能以及使用性能。分子量分布则反映了各种分子量在材料中的比例。分子量材料性能较低的分子量柔软性好、加工容易,但强度和刚性较低较高的分子量强度和刚性高,但加工难度增大合理调控分子量和分子量分布是提高高分子材料性能的关键。高分子材料的结晶1有序结晶高分子链段有序排列形成稳定结晶区域2无定型区域高分子链段无序排列形成非结晶区域3结晶度结晶区域与总体积的比例高分子材料的结晶过程是一个动态的过程,既有有序的结晶区域,也存在无序的非结晶区域。结晶度是反映材料结晶程度的一个重要指标,它决定了材料的力学性能、耐热性等关键特性。高分子材料的缺陷结构缺陷高分子材料在合成或加工过程中可能会出现各种结构缺陷,如链段断裂、交联过度、链结构不规则等,这些缺陷会影响材料的力学性能和耐久性。分子量分布不均高分子材料的分子量分布不一致会导致塑料性能不稳定,容易出现裂纹、断裂等问题。需要通过合理调节合成条件来改善分子量分布。化学反应缺陷高分子材料在使用过程中可能会发生氧化、水解等化学反应,导致材料性能下降。需要添加稳定剂等来提高材料的化学稳定性。环境因素影响高温、紫外线等环境因素也可能导致高分子材料发生老化和降解,从而影响其使用寿命。需要采取相应的防护措施。成分对高分子材料性能的影响分子结构高分子材料的分子结构决定了其物理化学性质,对性能有重要影响。添加剂添加不同类型和含量的添加剂,可以改善高分子材料的性能。共混改性通过与其他高分子材料共混,可以创造出具有特殊性能的复合材料。加工工艺不同的加工工艺会影响高分子材料的取向、结晶度等,从而影响性能。添加剂在高分子材料中的作用1增强性能添加剂能改善材料的机械性能、耐热性、耐候性等特性,提高最终产品的使用寿命和适用范围。2改善加工性一些添加剂可以提高熔融流动性,降低粘度,改善材料在挤出、注塑等加工过程中的可加工性。3赋予特殊功能添加剂还可以赋予材料抗静电、阻燃、着色等特殊功能,满足不同应用领域的需求。4延长使用寿命一些添加剂能防止材料在使用过程中发生氧化分解,延长产品的使用寿命。高分子材料的加工工艺1成型工艺选择根据高分子材料的特性和制品的要求,选择合适的成型工艺,如注塑、挤出、压缩等。2工艺参数调控精细调节温度、压力、速度等工艺参数,确保稳定、高效的成型过程。3后处理和检测制品经过后处理如切割、装配、表面处理等,并进行质量检测和性能测试。注塑成型工艺材料准备首先将所需的高分子原料和助剂准备好。适当干燥和混合是关键。模具加热将精密模具加热到所需温度,以确保塑料能够流动并成型。注塑成型将准备好的熔融塑料快速注入模具腔中,填充整个空间。控制好压力和温度。冷却与脱模经过适当的冷却时间后,打开模具并取出成型件。需小心操作以免损坏。挤出成型工艺1料筒加热塑料熔融和增压2螺杆转动塑料输送和混合3模具挤出塑料成型挤出成型是通过螺杆驱动塑料熔融体在加热料筒内连续向前推进,并经过模具成型的加工工艺。该工艺具有连续性、效率高、制品精度高等优点,广泛应用于管材、型材、薄膜等诸多塑料制品的生产。压缩成型工艺预热模具预热模具以确保材料在模具内充分熔融和流动。装料将热塑性高分子材料料粒或成品放入模具腔体内。加压利用压力机或液压机向模具施加压力,使材料充满模腔。冷却脱模将成型件冷却至一定温度后,打开模具取出成品。模压成型工艺1模具准备首先需要制作出高精度的模具,确保模腔尺寸和结构满足产品要求。2材料投料将高分子材料料粒均匀地装填入模具腔体中,为后续加热成型做好准备。3加热压力通过加热系统将材料加热至熔融状态,同时施加一定的压力使其充满模具。4冷却成型经过一定时间的冷却,高分子材料凝固成型,最后脱模取出成品。旋转成型工艺1模具制作针对产品特点制造专用模具2装填原料将原料均匀涂抹在模具表面3模具旋转在高温下快速旋转使原料融化成型4冷却成型停止旋转后静置冷却成型旋转成型是一种应用广泛的塑料成型工艺。通过将塑料粉末或液体原料均匀涂抹在快速旋转的模具内壁，在高温下逐步融化并均匀分布成型。最后停止旋转后冷却定型，可制造出空心、薄壁的大型塑料制品。这一工艺具有成本低、适用范围广等优点。吹塑成型工艺1模具合闭塑料管坯放入闭合的模具腔中。2塑料吹胀压缩空气被注入塑料管坯内,使其膨胀和贴附于模具壁面。3冷却固化塑料制品在模具中进行冷却,直至完全固化。4成型取出模具打开,制品从模具中取出。吹塑成型是一种常见的塑料加工工艺,尤其适用于中空类塑料制品的制造,如塑料瓶、容器等。整个过程包括模具合闭、塑料管坯吹胀成型、冷却固化和成型取出等步骤。该工艺能够制造出形状复杂、壁厚均匀的塑料制品。增强型塑料制品玻璃纤维增强塑料添加玻璃纤维可以显著提高塑料的强度、刚度和耐热性，广泛应用于汽车、航空航天等领域。碳纤维增强塑料利用高强度、高刚性的碳纤维增强塑料可用于制造超轻、超强的结构件和部件。常见于航空航天、体育用品等。金属增强塑料金属和塑料的复合材料能够兼具金属的强度和塑料的轻质、耐腐蚀等优点,用于制造机械零部件和建筑材料。纤维增强塑料高强度纤维增强塑料通过将强韧的纤维材料嵌入塑料基体中,可大幅提高材料的强度和刚度。耐腐蚀性纤维增强塑料拥有优异的耐化学腐蚀性,适用于恶劣环境下的应用场景。轻质高刚性与金属材料相比,纤维增强塑料具有更轻的重量和更高的刚性,在许多领域广受青睐。可定制性通过选择不同的纤维材料和基体塑料,可制造出满足各种应用需求的复合材料。复合材料的制备1基体材料选择根据预期应用,选择合适的热塑性或热固性高分子作为复合材料的基体。2增强材料配比根据性能要求,确定碳纤维、玻璃纤维等增强材料的添加量和分布。3复合成型工艺采用注塑、挤出、拉挤等工艺制造出具有定制性能的复合材料制品。复合材料的应用建筑与基础设施复合材料因其优秀的强度和耐腐蚀性,广泛应用于桥梁、隧道、房屋结构等建筑工程。其轻便性能也使其成为理想的墙板和屋顶材料。交通运输汽车、航空航天、船舶等领域广泛使用复合材料,大幅降低整体重量,提高燃油效率和载货能力。碳纤维复合材料更是推动了新能源汽车的发展。电子电器复合材料在电子外壳、电路板、电磁屏蔽等方面表现优异,兼顾了强度、轻量化和电磁兼容性。应用于手机、电脑等数码产品。能源装备复合材料在风电叶片、石油天然气管道等能源设备中发挥重要作用,具有耐腐蚀、抗疲劳等特性。在太阳能电池板制造中也得到广泛应用。薄膜加工技术1挤出成型将熔融高分子通过模具挤出成型,可制造出各种规格的薄膜。用于生产塑料袋、包装膜等。2涂布成型将高分子溶液或熔体涂覆在基材上,经干燥或固化后形成薄膜。用于生产胶带、标签等。3拉伸成型通过拉伸高分子薄膜获得更薄、更均匀的薄膜。用于包装、光学、电子等领域。4吹膜成型将熔融高分子通过环状模具吹制成中空薄膜筒,再经切割和拉伸获得平整薄膜。用于生产塑料袋。高分子材料的回收利用回收方式回收高分子材料包括机械回收、化学回收和热回收等多种方式。每种方式都有自身的优缺点。可持续发展高分子材料的回收利用有助于减少资源浪费和环境污染，促进社会的可持续发展。技术创新高分子材料回收利用技术正在不断发展和完善，提高了回收利用的效率和质量。新型高分子材料生物降解高分子利用微生物或酶来分解的可再生、环保型高分子材料，可广泛应用于一次性餐具、包装等领域。智能高分子材料能自主感知环境刺激并作出响应的新型高分子材料，可用于智能服装、传感器等领域。高性能复合材料将高分子材料与碳纤维、陶瓷等强化相结合的先进复合材料，具有优异的强度、刚性和耐温特性。高分子材料发展的新趋势可持续性生物可降解和可再生高分子材料正在成为重点研究领域,以减少对环境的影响。智能功能利用先进材料和新工艺,开发具有自修复、形状记忆等智能特性的高分子材料。多尺度结构通过分子设计和制造技术,实现高分子材料从纳米到微米乃至宏观尺度的结构精确控制。高性能复合结合碳纳米管、石墨烯等新型填充材料,开发高强度、高模量的复合高分子材料。高分子材料的安全环保问题材料安全高分子材料在生产、使用和废弃过程中可能会释放有害物质,对人体健康和环境造成潜在危害。必须严格控制材料成分,确保满足相关安全标准。环境保护高分子材料生产消耗大量能源和资源,同时产生大量不可降解的塑料垃圾。需要采取循环利用、减量化、无害化等措施,最大限度减少对环境的负荷。可持续发展高分子材料的发展必须与可持续发展理念相结合,从原料选择、生产工艺、产品设计等各环节优化,实现经济效益、社会效益和环境效益的协调统一。监管要求政府应制定相关法规,加强高分子材料全生命周期的监管力度,鼓励企业主动履行社会责任,促