chapter-5-高分子加工

1、高分子材料的成型加工,刘 靖 化工与材料学院材料化学系,塑料的成型加工,塑料成型加工的目的在于根据各种塑料固有的性能，利用一切可以施行的方法，使其成为满足不同领域应用要求，具有需要尺寸和形状的制品。 工业上用作成型的塑料其主要成分是合成树脂，但一般都不是单纯的树脂，或多或少含有各种助剂(添加剂)。助剂加入的目的是为了改善成型工艺性能，改善制品的使用性能、降低成本等。当然，合成树脂本身是决定制品特性最重要的因素。,塑料的成型加工,合成树脂主要有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、ABS、聚碳酸酯、酚醛树脂等。 塑料助剂是塑料在成型加工过程中所需要添加的各种辅助化学物质，因此也常称为添加剂。加入助

2、剂的目的是改善塑料加工成型性能和制品的使用性能，或降低成本,塑料的成型加工,1.增塑剂 能降低塑料的熔融温度或熔体粘度，从而改善其成型加工性能，并能增加产品柔韧性、耐寒性的一类物质称为增塑剂。 增塑剂通常是对热和化学试剂都很稳定的一类有机化合物或聚合物，它们一般是在一定范围内能与聚合物相容而又不易挥发的液体；少数是熔点较低的固体。增塑过程可看作是聚合物和低分子物相互“溶解”的过程，但增塑剂与一般溶剂不同，溶剂是要在加工过程中挥发出去，而增塑剂则要求长期保留在聚合物中。,塑料的成型加工,增塑剂也可分为非极性增塑剂和极性增塑剂。 非极性增塑剂主要作用是通过聚合物增塑剂间的溶剂化作用，增大分子间距离

3、，从而削弱它们之间的作用力。 极性增塑剂对极性聚合物的增塑作用在于增塑剂的极性基团与聚合物分子的极性基团相互作用，代替了聚合物极性分子间的作用(减少了联结点)，从而削弱了大分子间的作用力。,塑料的成型加工,以上所述的增塑作用称为外增塑。 如果用化学方法，在分子链上引入其它取代基，或在分子链上或分子链中引入短的链段，从而降低了大分子间的吸引力，也可达到使刚性分子链变柔和易于活动的目的，这种增塑称为内增塑。,塑料的成型加工,理想的增塑剂，必须在一定范围内能与聚合物很好的相容(所谓相容性，即聚合物能够容纳尽可能多的增塑剂并形成均一、稳定体系的性能)，且挥发性、迁移性、溶浸性等要小，并有良好的耐热、耐

4、光、不燃及无毒等性能，而且保证在混合和使用的温度范围内与聚合物形成“真溶液”,塑料的成型加工,2.稳定剂 塑料在成型加工过程成长期使用和储存过程中，会因各种外界因素(如光、热、氧、射线、细菌和霉菌等)作用而引起降解或交联，也就是所谓的老化，并使塑料性能变坏而不能正常使用。为了防止和抑制这种破坏作用而加入的物质统称为稳定剂。根据所发生的作用不同稳定剂又可分为热稳定剂、光稳定剂及抗氧剂。,塑料的成型加工,3.润滑剂 为改进塑料熔体的流动性能，减少或避免对设备的粘附摩擦作用，使制品表面光洁，而加入塑料中的一类助剂称为润滑剂。 通常把润滑剂分为内润滑剂和外润滑剂。 内润滑剂与聚合物有一定的相容性，其作

5、用在于减少聚合物分子间的内摩擦。常用的内润滑剂有硬脂酸及其盐类，硬脂酸丁酯、硬脂酰胺、油酰胺等。 外润滑剂与聚合物的相容性很小，在成型过程中，易从内部析出而粘附于与设备接触的表面，形成一润滑层，防止塑料熔体对设备的粘附。,塑料的成型加工,实际上“内润滑剂”和“外润滑剂”也只是相对而言，有不少润滑剂兼有内、外两种作用，仅少数只有单一性质。例如，硬脂酸钙作为聚氯乙烯润滑剂，既有外润滑性质，又有内润滑性质。另外，很多润滑剂不仅有润滑作用，而且像其它金属皂类一样，还有稳定作用。 润滑剂的用量一般小于1，使用过多，超过其相容限度时，容易由表面析出，即平常所说“起霜”，影响制品的外观。,塑料的成型加工,4

6、.填充剂 填充剂又称为填料，是为了提高制品的物理机械性能，或降低成本及树脂的消耗而加入的填充材料。加入适量的填料也可以改善塑料的成型性能。 填充剂按化学组成可分为有机填充剂和无机填充剂；按其来源可分为矿性、植物性和合成填充剂；按其形状可分为粉状、纤维状和片状填充剂；按其在成型中所起的作用分为增强型和增量型填充剂。增强型填充剂可提高制品的物理及力学性能，又称为增强剂；增量型填充剂可增加制品的体积，降低成本。,塑料的成型加工,5.增强剂 添加到塑料中使其物理机械性能得到提高的材料称为增强剂。它实际也是一种填充剂，由于性能上的差别和近年来得到了较大的发展，因此特单独将其列作一类。 增强剂有纤维类(如

7、石棉、玻璃纤维)和非纤维类(如白炭黑、陶土)两种，纤维类增强剂具有更明显的增强效果，大量用于各种塑料制品，例如环氧树脂、不饱和聚酯等与玻璃纤维或织物制成的玻璃钢。,塑料的成型加工,6.发泡剂 发泡剂是一类使处于粘流状态的塑料形成蜂窝状泡孔结构的物质，它可以是固体、液体、气体或几种物体的混合物。 发泡剂按化学组成不同分为无机发泡剂和有机发泡剂；按发泡过程中气泡产生的方式不同又可分为物理发泡剂和化学发泡剂。 物理发泡剂在发泡过程中是靠本身物理状态的变化产生气泡的，如挥发性液体受热气化产生气泡，主要有压缩气体，如氮气、二氧化碳等。化学发泡剂是在发泡过程中，发生化学反应产生一种或多种气体而使塑料发泡的

8、，有无机类的碳酸铵、碳酸氢铵和碳酸氢钠和有机类的偶氮化合物、亚硝基化合物和磺酰肼类等。,塑料的成型加工,7.阻燃剂 大多数塑料是可燃烧的。塑料在建筑、汽车、飞机、船舶、电器、家具和日用品方面获得广泛应用，但都需要具有阻燃性，以保证安全使用，防止发生火灾。能够增加塑料等高分子材料的耐燃烧性能的物质统称为阻燃剂。,塑料的成型加工,阻燃剂通常分为添加型和反应型两大类。 添加型阻燃剂有磷酸盐、卤代烃和氧化锑等。它们在塑料成型时加入，使用方便，适应面广，一般适用于热塑性塑料。但对塑料的物理机械性能有影响，因此用量必须适当。 反应型阻燃剂主要有卤代酸酐和含磷多元醇等。它们在聚合物制备过程中加入，作为一个组

9、分参加反应而成为塑料聚合物分子链的一部分，从而赋予塑料阻燃性，主要用于热固性塑料。反应型阻燃剂对制品性能影响小，阻燃性持久。,塑料的成型加工,目前，阻燃剂的发展方向是低卤或无卤、低发烟、高效、低毒、廉价。水合氧化铝是一种无味、无毒、廉价的无机阻燃抑烟剂。,塑料的成型加工,8.着色剂 为使制品获得各种鲜艳夺目的颜色，增加美观而加入的一种物质称为着色剂。某些着色剂还具有改进耐候老化性，延长制品的使用寿命的作用。着色剂常为油溶性的有机染料和无机颜料。,塑料的成型加工,9.抗静电剂 抗静电剂是添加到塑料中或涂附在塑料制品表面，以防止制品的静电危害的一类化学助剂。抗静电剂的作用是将体积电阻高的塑料表面层

10、的电阻率降低到1010cm以下，从而降低塑料在成型加工和使用过程中的静电积累。,塑料的成型加工,10.其它助剂 上述各类助剂是比较重要的塑料助剂。但在某些特殊情况下，为满足特别需要，还要添加一些特殊助剂。 驱避剂 为了抵御、避免塑料制品在储存、使用过程中遭受老鼠、昆虫、细菌等的危害而加入的物质称为驱避剂。如有机锡类、抗菌素类和狄氏剂、艾氏剂等。 防霉剂 为了防止霉菌对塑料制品的侵害而添加的杀菌剂称为防霉剂。常用的防霉剂有酚类化合物，如苯酚、氯代苯酚、有机金属化合物，如有机汞、有机铜等。 偶联剂 能提高树脂(聚合物)与增强材料界面间结合力的化学物质称为偶联剂。常用的偶联剂有：硅烷偶联剂、钛酸酯类

11、偶联剂及其它偶联剂。,塑料的成型加工,挤出成型 挤出成型也称挤压模塑或挤塑，即借助螺杆或柱塞的挤压作用，使受热融化的物料在压力的推动下，强行通过口模而成为具有恒定截面的连续型材的一种成型方法。 根据物料塑化方式的不同，挤出工艺可分为熔融挤出和溶液挤出二种，由于前者比后者优点多，故挤出成型中多用熔融挤出，溶液挤出仅用于硝酸纤维素和少数醋酸纤维素塑料等的成型。,塑料的成型加工,按照加压方式的不同，挤出工艺又可分为连续和间歇两种。前一种所用设备为螺杆式挤出机；后一种为柱塞式挤出机。 螺杆式挤出机又可分为单螺杆挤出机和多螺杆挤出机。 螺杆式挤出机是借助于螺杆旋转产生的压力和剪切力，使物料充分塑化和均匀

12、混合，通过型腔(口模)而成型。因而使用一台挤出机就能完成混合、塑化和成型等一系列工序进行连续生产。,塑料的成型加工,塑料的成型加工,塑料的成型加工,挤出成型的特点及挤出理论 挤出成型主要是对物料的输送和塑化，并且在压力作用下迫使物料通过机头口模而得到所要求的制品。 它具有以下特点：挤出法几乎能成型所有的热塑性塑料，适应性强；生产的制品可以是管材、板材、薄膜、线缆包覆物、单丝、棒材等，应用范围广；生产过程连续，生产效率高；投资少，见效快。,塑料的成型加工,实际挤出过程中物料在螺杆各段所经历的状态变化和流动行为都是十分复杂的，可归结为固体输送、熔融和熔体输送三个过程。 挤出成型新技术 为扩大可成型

13、材料的范围和增加挤出制品的类型，在传统的挤出技术基础上又发展了一些新的挤出技术，主要有共挤出、挤出复合、发泡挤出和交联挤出等。,塑料的成型加工,注射成型 注射成型就是将塑料(一般为粒料)在注射成型机的料筒内加热熔化，当呈流动状态时，在柱塞或螺杆挤压下熔融物料被压缩并向前移动，进而通过料筒前端的喷嘴以很快速度注入温度较低的闭合模具内，经过一定时间冷却定型后，开启模具即得制品，并在操作上完成了一个模塑周期。,塑料的成型加工,注射成型是热塑性塑料的一种重要成型方法。它的特点是生产周期快，适应性强，生产效率高。从塑料产品的形状看，除了很长的管、棒、板等型材不能采用此法生产外，其它各种形状、尺寸的塑料制

14、品，基本上都可以用这种方法进行成型。,塑料的成型加工,塑料的成型加工,注射成型的过程 完整的注射成型过程包括：成型前的准备，注射过程，制件的后处理。 成型前的准备 为使注射能顺利进行并保证产品的质量，在成型前有一系列的准备工作，包括原料的检验、预热及干燥，有时还包括原料的着色及造粒，嵌件的预热和安放，试模，清洗料筒及试车等。 注射过程 注射过程一股包括加料、塑化、注射、冷却和脱模几个步骤。,塑料的成型加工,注射成型是一个间歇过程，保持定量(定容)加料，以保证操作稳定，物料塑化均匀，最终能获得性能良好的制品。加料过多，受热时间过长容易引起物料的热降解；加料过少，料筒内缺少传压介质，模腔中物料熔体

15、压力降低、难以补压，容易引起制品出现收缩、凹陷、空洞等缺陷。加入的塑料在料筒内被加热，由固体粒子转变成熔体，经混合和塑化后被螺杆或柱塞推挤至料筒前端，经过喷嘴、模具浇注系统进入并填满模腔，这一阶段称为“充模”。在模具中熔体因冷却要收缩，所以柱塞或螺杆要继续保持施压状态，迫使浇口和喷嘴附近的熔体不断补充入模(补塑)，使模腔中的物料成为形状完整而致密的制品，这一阶段称为“保压”。 整个注射过程可以分为几个不同阶段：柱塞空载期、充模期、保压期、返料期、凝封期、继冷期。,塑料的成型加工,塑料的成型加工,制品的后处理 注射制品经脱模或机械加工，修饰之后，常需要进行适当的后处理，借以改善和提高制品的性能，

16、制品的后处理主要指热处理和调湿处理。,塑料的成型加工,3.注射成型新技术 为了满足塑料制品对不同性能，不同色彩，不同品种塑料的要求，发展了一些新的注射工艺，有共注射工艺、旋转注射、流动注射以及反应注射成型等。,塑料的成型加工,模压成型 模压成型也称压缩模塑，它是将粉状、粒状、碎屑状或纤维状的树脂原料放入加热的阴模模槽中，合上阳模后加热使其熔化，并在压力作用下使物料充满模腔，形成与模腔形状一样的模制品，再经加热(使其进一步发生交联反应而固化)或冷却(对热塑性塑料应冷却使其硬化)，脱模后即得制品。压缩模塑主要用于热固性塑料制品的生产，对于热塑性塑料由于模压时模具需要交替地加热与冷却，生产周期长，一

17、般不用，只有在模压较大平面的塑料制品时才采用。,塑料的成型加工,热固性塑料模压制品的完整工艺过程，通常由物料准备、成型和制品后处理三个阶段组成。 物料准备 成型前物料的准备主要是对物料进行预压和预热。 成型 成型是热固性塑料模压制品生产的关键阶段，模压制品的质量和生产效率在很大程度上与这一阶段工艺控制是否得当有关。 制品后处理为改善热固性塑料模压制品的外观和内在质量，或为弥补成型之不足，常需在成型后对模压制品进行后处理，生产中常见的后处理是涂漆烘烤与热处理。,塑料的成型加工,中空吹塑成型 中空吹塑成型是把熔融状态的塑料管坯置于模具内，利用压缩空气吹胀、冷却制得具有一定形状的中空制品的方法。主要

18、用于PE、PVC、PP、PS、PET、PC等。 中空吹塑成型可细分为三种：挤出吹塑、注射吹塑、拉伸吹塑。 尽管方法不同，但原理是一样的，都是利用聚合物在粘流态下具有可塑性的特性，在冷却硬化前，用压缩空气的压力使熔融管坯发生形变，贴在模具内壁，再经冷却硬化，得到与模腔形状相同的制品。熔融管坯吹胀过程，对制品具有双向拉伸的作用，因而中空制品具有较好的韧性和抗挤压性。,塑料的成型加工,热成型 热成型是将塑料片材或板材加热至软化，再在外力(气体、液体压力或机械压力)作用下使之紧贴模具的型面，最后冷却脱模，得到形状与模具型腔相同的制品的成型方法。热成型因所用原材料是已经过成型的塑料片材或板材，故属于二次

19、加工。热成型的特点是适应性强、设备投资少、模具制造简便，因此应用广泛。缺点是要使用片材，制品需要的后加工工序较多。 热成型法要求板、片材在加工条件下具有较好的延展性。,橡胶制品的成型加工,橡胶制品的成型加工是指以生胶及其配合剂为原料，经过一系列化学与物理作用制成橡胶制品的过程。主要包括生胶的塑炼、塑炼胶与各种配合剂的混炼及成型、胶料的硫化等几个加工工序。,橡胶制品的成型加工,作为橡胶制品的原材料主要是：生胶、补强剂、硫化剂、防老剂等各类添加剂和骨架材料。 生胶通常是指市售的固体橡胶，它是制造橡胶制品的最基本原料，也称为原料橡胶，包括天然橡胶、合成橡胶和再生橡胶。 这些配合剂主要包括：硫化剂、硫

20、化促进剂、防老剂、防焦剂、软化剂、补强剂及填充剂。此外，添加一些骨架和增强材料，如纤维、织物和金属材料。,橡胶制品的成型加工,生胶的预处理 作为原料的生胶及各类添加剂在成型加工为所需要求的各种橡胶制品之前，必须进行预处理，主要是生胶的塑炼和胶料的混炼 。 1.生胶的塑炼 由于橡胶具有高弹性，这种性能使得加工成型难以进行，为此，需把生胶经过机械加工、热、氧作用或加入某些化学助剂，使生胶的分子量降低，由高弹性状态转为可塑性状态，这一工艺过程称为塑炼。生胶塑炼的目的在于取得可塑性，以满足各个加工过程的要求。,橡胶制品的成型加工,按塑炼所使用的设备类型，塑炼可分为三种工艺方法。 开炼机塑炼 密炼机塑炼

21、 螺杆机塑炼,橡胶制品的成型加工,2.胶料的混炼 为了提高橡胶制品使用性能，改进橡胶加工性能和降低成本，要在生胶中加入各种配合剂。欲使各种配合剂完全均匀地分散于生胶中颇为不易，必须借助于强烈的机械作用迫使配合剂分散。将各种配合剂混入生胶中，制成质量均匀的混炼胶的工艺过程称为混炼。,橡胶制品的成型加工,混炼分间隙式和连续式两种方法，开炼机和密炼机均属于间隙式混炼。 开炼机混炼 生胶(塑炼胶、并用胶等)固体软化剂促进剂、活性剂、防老剂补强、填充剂液体熟化剂硫磺超促进剂。 密炼机混炼 连续混炼机混炼,橡胶制品的成型加工,橡胶的压延 借助于压延机辊筒的作用把混炼胶压成一定厚度的胶片，完成胶料贴合，以及与骨架材料(纺织物)通过贴胶、擦胶制成片状半成品的工艺过程叫压延。 压延