第八章高分子材料成形工藝

所謂高分子化合物，是指那些由眾多原子或原子團主要以共價鍵結合而成的相對分子量在一萬以上的化合物。

第八章高分子材料成形工藝輪胎第一節高分子材料成形原理

一、高分子材料的結構

結構：鏈狀結構。主要分為：線型、支鏈型和體型等三種類型.

1．線型分子鏈各鏈節以共價鍵連接成細長線型長鏈分子，像一根長線，但通常不是直線，而是卷曲狀或線團狀。

2．支鏈型分子鏈在主鏈上以共價鍵連接著相當數量的長短不一的支鏈，其形狀有樹枝形、梳形、線團支鏈形。

3．體型(網型或交聯型)分子鏈它是在線型或支鏈型分子鏈之間，沿橫向通過鏈節以共價鍵連接起來，產生交聯而呈三維網狀結構。如圖8-1所示。第一節高分子材料成形原理二、高分子鏈內旋轉構象及其柔順性

更精細結構：鏈節結構，具有內旋轉構象特性。

由于大多數高分子的主鏈都存在著許多單鍵，單鍵是由σ電子組成，其電子云軸性對稱分布，因此高分子在運動時C-C單鍵可以繞軸旋轉，稱為內旋轉。圖8-2為碳鏈高分子鏈的內旋轉示意圖。第一節高分子材料成形原理三、高聚物的聚集態和物理狀態1.高聚物的聚集態

定義：高聚物中大分子的排列和堆砌方式稱為高聚物的聚集態。高聚物大分子鏈的聚集狀態主要有三種結構（無定形、折疊鏈、伸直鏈結構），如圖8-3所示。

表8-1為聚乙烯的結晶度與力學性能間關系。2.高聚物的物理狀態

高聚物在不同溫度下呈現出不同的物理狀態，因而具有不同的性能。線型非晶態高聚物三種物理狀態：

玻璃態（GlassState）、

高彈態（HighElasticityState）（例：橡膠）

粘流態（ViscousFlowState），其變形—溫度曲線如圖8-4所示。

第一節高分子材料成形原理在溫度較低時，材料為剛性固體狀，與玻璃相似，在外力作用下只會發生非常小的形變，此狀態即為玻璃態：當溫度繼續升高到一定范圍后，材料的形變明顯地增加，并在隨后的一定溫度區間形變相對穩定，此狀態即為高彈態，溫度繼續升高形變量又逐漸增大，材料逐漸變成粘性的流體，此時形變不可能恢復，此狀態即為粘流態。我們通常把玻璃態與高彈態之間的轉變，稱為玻璃化轉變，它所對應的轉變溫度即是玻璃化轉變溫度，或是玻璃化溫度。高彈態（rubberystate）：鏈段運動但整個分子鏈不產生移動。此時受較小的力就可發生很大的形變（100～1000％），外力除去后形變可完全恢復，稱為高彈形變。高彈態是高分子所特有的力學狀態。相對分子質量很大的晶態聚合物達到后還不能流動，而是先進入高彈態，在升溫到后才會進入黏流態，于是有兩個轉變。一般把玻璃態向高彈態的轉變叫做玻璃化轉變，形態轉變過程的溫度區間稱為玻璃化溫度；高彈態向黏流態轉變，這個轉變過程區間的溫度稱為黏流溫度。玻璃化溫度;glasstransitiontemperature:高聚物由高彈態轉變為玻璃態的溫度。通常用Tg表示。沒有很固定的數值，往往隨著測定的方法和條件而改變。高聚物的一種重要的工藝指標。在此溫度以上，高聚物表現出彈性；在此溫度以下，高聚物表現出脆性，在用作塑料、橡膠、合成纖維等時必須加以考慮。如聚氯乙烯的玻璃化溫度是80℃。是耐熱性的一個指標。

四、衡量聚合物的成形性能指標

1.聚合物的流動性（Fluidity）即聚合物熔體受力變形和流動的性能。

2.聚合物的收縮性（Contractility）即聚合物在凝固和冷卻過程中，體積和尺寸縮小的現象。

3.熔體彈性在聚合物熔體粘性流動過程中伴隨有可逆的彈性變形，稱為熔體彈性(溶脹）。第一節高分子材料成形原理五、高聚物的類型

1.按合成反應分有加聚聚合物和縮聚聚合物，所以高分子化合物常稱為聚合物或高聚物。

2.按高聚物的熱性能及成型工藝特點分為熱固性和

熱塑性兩大類。3.按用途分有塑料、橡膠、合成纖維、膠粘劑、涂

料等。第二節塑料成形工藝一、塑料的組成

1.樹脂(1.人工合成的固相介質;2.一類天然的固體或半固體無定型不溶于水的物質，常為植物滲出物，如松脂)

塑料中的樹脂主要是合成樹脂，是塑料的主要成分，起膠粘劑作用，其特性不僅決定塑料的類型(熱固性或熱塑性)，還決定塑料的性能。

2.填充劑又稱填料，其作用是調整塑料的物理化學性能，提高材料強度，擴大使用范圍以及減少合成樹脂的用量，降低塑料成本。

第二節塑料成形工藝消泡劑除味劑透明母料.增塑劑增塑劑是增加樹脂塑性和柔韌性的添加劑，也可以降低塑料的軟化溫度，使其便于加工成型。.其它添加劑固化劑、穩定劑、著色劑、發泡劑、阻燃劑、防靜電劑、防老化劑、導電劑、導磁劑。二、塑料的性能1.物理性能

(1)密度小（鋼的1/7)

(2)熱學性能（導熱率小，金屬的1/500,絕熱性好，熱膨脹系數大）

(3)耐熱性（小于100oC下使用）

(4)絕緣性

2.化學性能塑料的化學性能主要是指塑料的耐蝕性。3.力學性能

(1)強度、剛度和韌性較低

圖8-5為聚甲基丙烯酸甲酯(有機玻璃)在不同溫度下的應力--應變曲線。

(2)蠕變與應力松弛

(3)減摩性(摩擦系數小）

第二節塑料成形工藝4．衡量塑料的成形工藝性能的指標

(1)收縮性塑件自模具中取出冷卻到室溫后，發生尺寸收縮的特性稱收縮性。成形后塑件的收縮稱為成形收縮，其大小可用收縮率來表示，即有：

式中Sj--計算收縮率；

Ls--塑件在室溫時的單向尺寸；

Lm--模具在室溫時的單向尺寸；

第二節塑料成形工藝(2)流動性塑料在一定的溫度和壓力下填充模具型腔的能力稱為流動性。

(3)熱敏性熱敏性是指某些熱穩定性差的塑料，在料溫高和受熱時間長的情況下就會產生降解、分解、變色的特性，具有這種特性的塑料叫做熱敏性塑料。

(4)吸水性塑料吸收水分的性質稱為吸水性。

(5)硬化特性硬化特性是熱固性塑料特有的性能，專指熱固性塑料的交聯反應。

三、塑料的分類按塑料中的分子結構及熱性能分類

(1)熱塑性塑料也稱熱熔性塑料，常用的有聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS、有機玻璃、尼龍等塑料。

(2)熱固性塑料常用的熱固性塑料有酚醛塑料、氨基塑料、環氧樹脂塑料、呋喃樹脂、有機硅塑料、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、硅酮塑料等。（通過交聯反應完成）注：ABS是丙烯晴A、丁二烯B和苯乙烯S三元共聚物第二節塑料成形工藝2.根據塑料性能及用途、分類

(1)通用塑料通用塑料是一種非結構材料，是指那些產量大、用途廣、價格低、性能一般的常用塑料。

(2)工程塑料指在工程技術中用作結構材料的塑料，這類塑料一般具有較高的機械強度，還具有很好的耐磨性、耐腐蝕性、自潤滑性及尺寸穩定性等。

(3)增強塑料在塑料中加入玻璃纖維等填料作為增強材料，以進一步改善塑料的力學性能和電性能，這種新型的復合材料通常稱為增強塑料。

(4)特殊塑料隨著高分子材料的發展，許多塑料通過各種措施加以改性和增強，得到具有某些特殊性能的特種塑料，這類塑料有高的耐熱性、高的電絕緣性及高耐腐蝕性，如氟塑料、聚酰亞胺塑料、有機硅樹脂、環氧樹脂等，還包括為某些專門用途而改性制得的導磁塑料、導熱塑料、導電塑料、醫用塑料等。第二節塑料成形工藝四、塑料成形工藝塑料成形方法

(1)注射成形（InjectForming）又稱注塑成形。工藝原理：是將顆粒狀態或粉狀塑料從注射機的料斗送進加熱的料筒中，經過加熱熔融塑化成為粘流態熔體，在注射機柱塞或螺桿的高壓推動下，以很大的流速通過噴嘴注入模具型腔，經一定時間的保壓冷卻定型后可保持模具型腔所賦予的形狀，然后開模分型獲得成形塑件。這樣就完成了一次注射工作循環，如圖8-6所示。注射成形是在專門的注射機上進行，圖8-7所示為螺桿式注射機結構示意圖。第二節塑料成形工藝

(2)壓塑成形（CompressForming）又稱壓縮成形、模壓成形、壓制成形等，基本原理是將粉狀、粒狀或片狀塑料放在金屬模具中加熱軟化熔融，在壓力下充滿模具成型，塑料中的高分子產生交聯反應而固化轉變成為具有一定形狀和尺寸的塑料制件。其成形過程如圖8-8所示。

(3)擠出成形（ExtrudedForming）又稱擠塑成形，它是使加熱或未經加熱的塑料借助螺桿的旋轉推進力通過模孔連續地擠出，經冷卻凝固而成為具有恒定截面的連續成形制品的方法。圖8-9為管材擠出成形原理示意圖。第二節塑料成形工藝

(4)壓延成形(MangleForming)使加熱塑化的物料通過一系列相向旋轉的輥筒之間，受擠壓和延展作用成為平面狀連續材料的成形方法(見左圖)。

（5）吹塑成形2．塑料加工

塑料加工是塑料成形后的再加工，亦稱二次加工，是將成形后的塑件通過適當的工藝方法制成制品。

(1)機械加工即采用鉆、磨、銑、車削等機械加工方法的二次加工操作。

(2)連接加工即采用熱熔粘接(焊接)、粘接、機械連接等方法，使塑料型材或零件固定在一起的二次加工操作可以將小而簡單的構件組合成大而復雜的構件。

(3)表面處理即對塑料制品表層進行修整和裝飾，以改變塑料零件的表面性質，提高其抗老化、耐腐蝕能力的二次加工方法，也可起著色裝飾作用。

第二節塑料成形工藝五、典型模具結構1．注射模具塑料注射成形所用模具稱為注射模。

圖8-10為一典型的單分型面注射模。

2．壓塑模壓塑模又稱壓制模，適用于熱固性塑料和流動性較差的熱塑性塑料制件的成形。典型的壓塑模結構如圖8-11所示。3．擠出模

圖8-12所示為管材擠出成形機頭示意圖。4．壓注模

圖8-13所示為固定式壓注模結構示意圖。第二節塑料成形工藝六、塑料件的結構工藝性在零件結構設計時應注意以下問題：1.形狀塑件的內外表面形狀應在滿足使用要求的情況下盡可能易于成形，避免側孔與側凹，防止使用側抽芯或瓣合模而使模具結構復雜，制造成本提高，增加塑件的修整量。如圖8-14所示為防止采用側抽芯或瓣合分型模具的設計。2.壁厚塑件的壁厚應適當和均勻。圖8－15所示為壁厚設計的示意圖。表8－2為常用工程塑料壁厚參考值。3.脫模斜度為了便于脫模和抽芯，防止塑件表面在脫模時劃傷，塑件與脫模方向平行的內、外表面應具有合理的脫模斜度，如圖8-16所示。4.加強筋加強筋的主要作用是加強塑件的強度和剛度，避免塑件變形翹曲，如圖8-17所示。筋的方向盡可能與料流方向一致，布局應合理，以減小變形和開裂（圖8-18）。第二節塑料成形工藝5.薄壁件的底部與邊緣薄殼狀的寬底容器的底部剛度較差，應設計成球面或拱形面，以增加剛性和減少翹曲變形，如圖8-19所示。對于薄壁容器的邊緣，可按圖8-20所示設計來增加剛性和減少變形。6.圓角在塑件的內外表面轉彎處應采用圓角過渡，以減少應力集中，或在受力或沖擊振動時發生破裂。如圖8-21b所示。圓角半徑的大小主要取決于塑件的壁厚，如圖8-22所示。7.孔塑件上常見的孔有通孔、不通孔、異形孔。表8-3為熱固性塑件兩孔之間及孔與邊緣之間的關系。8.螺紋為了增加塑件螺紋的強度，防止螺孔最外圈螺紋崩裂或變形，同時也方便螺紋的擰入，螺紋的始端和末端均不應突然開始和結束，在螺孔始端應留有0.2-0.8mm的凹臺，如圖8-23所示。七、常用零件的塑料選材第二節塑料成形工藝塑料成形案例-聚氯乙烯(PVC)聚氯乙烯（Polyvinylchloride，PVC）PVC(聚氯乙烯)，其單體的結構簡式為CH2=CHCl(氯化乙烯基)

PVC結構式:[―CH2―CHCl―]n

化學和物理特性：

剛性PVC是使用最廣泛的塑料材料之一。PVC其實是一種乙烯基的聚合物質，其材料是一種非結晶性材料。PVC材料在實際使用中經常加入穩定劑、潤滑劑(鄰苯二甲酸酯)、輔助加工劑、色料、抗沖擊劑及其它添加劑。具有不易燃性、高強度、耐氣侯變化性以及優良的幾何穩定性。PVC對氧化劑、還原劑和強酸都有很強的抵抗力。然而它能夠被濃氧化酸如濃硫酸、濃硝酸所腐蝕并且也不適用與芳香烴、氯化烴接觸的場合。

PVC在加工時熔化溫度是一個非常重要的工藝參數，如果此參數不當將導致材料分解的問題。PVC的流動特性相當差，其工藝范圍很窄。特別是大分子量的PVC材料更難于加工（這種材料通常要加入潤滑劑改善流動特性），因此通常使用的都是小分子量的PVC材料。PVC的收縮率相當低，一般為0.2~0.6%。

注塑模工藝條件

干燥處理：通常不需要干燥處理。

熔化溫度：185~205℃模具溫度：20~50℃

注射壓力：可大到1500bar保壓壓力：可大到1000bar注射速度：為避免材料降解，一般要用相當地的注射速度。

流道和澆口：所有常規的澆口都可以使用。如果加工較小的部件，最好使用針尖型澆口或潛入式澆口；對于較厚的部件，最好使用扇形澆口。針尖型澆口或潛入式澆口的最小直徑應為1mm；扇形澆口的厚度不能小于1mm。

典型用途：聚氯乙烯具有原料豐富（石油、石灰石、焦炭、食鹽和天然氣）、制造工藝成熟、價格低廉、用途廣泛等突出特點，現已成為世界上僅次于聚乙烯樹脂的第二大通用樹脂，占世界合成樹脂總消費量的29%。聚氯乙烯容易加工，可通過模壓、層合、注塑、擠塑、壓延、吹塑中空等方式進行加工。聚氯乙烯主要用于生產人造革、薄膜、電線護套等塑料軟制品，供水管道，家用管道，房屋墻板，商用機器殼體，電子產品包裝，醫療器械，食品包裝，快艇護舷，也可生產板材、門窗和閥門等塑料硬制品

生產原理:

簡單地說，鹽的水溶液在電流作用發生化學分解。這一過程會產生氯、苛性鈉和氫氣。精煉、裂化石油或汽油能產生乙烯。當氯和乙烯混合后，就會產生二氯乙烯C2H2Cl2

；二氯乙烯又可以轉換產生氯化乙烯基(乙烯基:－CH=CH－)，它是聚氯乙烯的基本組成部分。聚合過程將氯化乙烯基分子連接在一起組成了聚氯乙烯鏈。以這種方式生成的聚氯乙烯呈白色粉末狀。它是不能單獨使用的，但是可以與其它成分混合生成許多產品。特點:聚氯乙烯具有阻燃（阻燃值為40以上）、耐化學藥品性高（耐濃鹽酸、濃度為90％的硫酸、濃度為60％的硝酸和濃度20％的氫氧化鈉）、機械強度及電絕緣性良好的優點。但其耐熱性較差，軟化點為80℃，于130℃開始分解變色，并析出HCI。

[編輯本段]PVC的特點及成型特性

比重：1.38克/立方厘米，成型收縮率：0.6-1.5%，成型溫度：160-190℃。

特點：力學性能,電性能優良,耐酸堿力極強,化學穩定性好,但軟化點低.適于制作薄板,電線電纜絕緣層,密封件等.

成型特性：

1.無定形料,吸濕小,流動性差.為了提高流動性,防止發生氣泡,塑料可預先干燥.模具澆注系統宜粗短,澆口截面宜大,不得有死角.模具須冷卻,表面鍍鉻.

2.由于其腐蝕性和流動性特點，最好采用專用設備和模具。所有產品須根據需要加入不同種類和數量的助劑。

3.極易分解,在200度溫度下與鋼.銅接觸更易分解,分解時逸出腐蝕.刺激性氣體.成型溫度范圍小.

4.采用螺桿式注射機噴嘴時,孔徑宜大,以防死角滯料.好不帶鑲件,如有鑲件應預熱.中國PVC市場的發展

近年來，中國聚氯乙烯（PVC）發展速度驚人，新建、擴建項目紛紛上馬，產能迅速擴大，產量大幅提高。1997-2006年，中國PVC產能、產量年均增長率分別高達22.2%和20.0%。

2006年全國聚氯乙烯樹酯累計產量為8,238,583.86噸；2007年全國聚氯乙烯樹酯累計產量達到9,716,783.63噸；2008年1-5月全國聚氯乙烯樹酯累計產量為4,028,666.03噸。

2008-2012年，全球聚氯乙烯（PVC）的市場需求有望以年均4％的速度快速增長，尤其是一些發展中國家，市場需求將呈現迅猛增長的態勢。中國聚氯乙烯樹脂需求也將保持快速增長，特別是在建材方面，近年來正處于高速增長期。隨著中國市場國際化的步伐加大，聚氯乙烯樹脂包裝材料和管材在水泥、化肥、糧食、食品、飲料、藥品、洗滌劑、化妝品等領域都將有廣闊的發展空間，其需求量相應大幅度增長；另外，汽車、通訊、交通領域對聚氯乙烯樹脂的需求也呈高速增長，中國聚氯乙烯樹脂工業仍有較大的發展空間。第三節橡膠成形工藝

一、橡膠的組成橡膠制品主要組分是由生膠(RawRubber)、再生膠(RegeneratedRubber)、各種配合劑和增強材料等組成。二、衡量橡膠的成形性能的指標

1．流動性橡膠在一定的溫度、壓力作用下，能夠充滿型腔各個部分的性能稱為橡膠的流動性。

2．流變性(Rheology)

膠料的粘度隨剪切速率的降低而降低的特性稱為流變性。

3．硫化性能(VulcanizeAbility)

為改善橡膠的性能必須進行硫化（硫化可以賦予橡膠彈性）。

4．熱物理性能熱物理性能的影響因素是熱導率、熱擴散率和體積熱容。

第三節橡膠成形工藝三、橡膠加工的工藝過程橡膠制品生產的基本過程包括：生膠的塑煉、膠料的混煉、橡膠成形和制品的硫化，如圖8-24所示。

1．塑煉天然橡膠和多數合成橡膠塑性太低，與橡膠配合劑不易混合均勻，也難以加工成型，所以生膠需要塑煉。常用的塑煉設備主要有開放式煉膠機和密閉式煉膠機。圖8-25所示為開煉機。密煉機的構造如圖8-26所示。

2．混煉將塑煉膠和各種配合劑，用機械方法使之完全均勻分散的過程稱為混煉。常用的混煉設備是開煉機和密煉機，密煉機混煉的工藝過程如圖8-27所示。

3．成形是將混煉膠制成所需形狀、尺寸和性能的橡膠制品的過程。

4．硫化即通過改變橡膠的化學結構(例如交聯)而賦予橡膠彈性，或改善、提高并使橡膠彈性擴展到更寬溫度范圍的工藝過程。第三節橡膠成形工藝四、橡膠成形方法

1．壓延成形指經過混煉的膠料通過專用的壓延設備上兩對轉輥筒，利用兩輥筒之間的擠壓力，使膠料產生塑性延展變形，制成具有一定斷面尺寸規格、厚度和幾何形狀的片狀或薄膜狀聚合物或使紡織材料、金屬材料表面實現掛膠的工藝過程。

圖8-28所示為膠布壓延工藝過程。

2．模壓成形模壓成形是橡膠制品生產中應用最早且最多的生產方法，是將預先壓延好的橡膠半成品按一定規格下料后置于壓制模具中，合模后在液壓機上按規定的工藝條件壓制，在加熱加壓的條件下，使膠料呈現塑性流動充滿型腔，再經一定的持續加熱時間后完成硫化，再經脫模和修邊后得到制品的成型方法。用模壓法生產橡膠制品的工藝程序如圖8-29所示。

第三節橡膠成形工藝

3．擠出成形使膠料在擠出機中塑化和熔融，并在一定的溫度和壓力下連續均勻地通過機頭模孔擠出成為具有一定的斷面形狀和尺寸的連續材料。擠出成形的主要設備是橡膠擠出機，其基本結構同塑料擠出機，圖8-30所示。

4．注射成形是一種將膠料直接從機筒注入閉合模具硫化的生產工藝。注射成形的主要設備是橡膠注射機，其基本結構同塑料注射機。圖8-31所示為國產六模膠鞋注射機的基本結構。第三節橡膠成形工藝五、常用橡膠材料

常用橡膠的種類、用途和性能。

1.天然橡膠(Caoutchouc)

天然橡膠是從三葉橡膠樹等植物中采集的膠乳經過凝固、干燥、加壓制成片狀生膠，再經硫化處理成為可以使用的橡膠制品。

2.合成橡膠(SyntheticRubber)

是以石油、煤為原料制備單體，通過加聚反應或縮聚反應合成的具有高彈性的高分子化合物。第三節橡膠成形工藝第四節薄膜成型技術簡介一、薄膜(film)的成形工藝

1.擠出法

擠出法又分為平縫（平膜）模頭擠出和環形（管膜）模頭擠出。

(1)平膜生產：利用平縫機頭擠出法不僅可以直接制造商品膜，而且還可以制造供以后取向用的坯料膜。

(2)管膜生產：在生產寬度50-24000mm、厚度0.005-0.5mm的各類熱塑性塑料薄膜時，采用擠出聚合物膜管再吹脹的方法，其優點是既簡單，又經濟。第四節薄膜成型技術簡介

2.壓延法壓延成型是將已經塑化的接近粘流溫度的熱塑性塑料通過一系列相向旋轉著的水平輥筒間隙，使物料承受擠壓和延展作用，最終成為具有一定厚度、寬度與表面光潔的薄片狀制品。3.流涎成形流涎成形首先將熱塑性塑料與溶劑等配成一定粘度的膠液，然后以一定速度流布在連續回轉的基材（一般為無接縫的不銹鋼帶）上，通過加熱排除溶劑后成膜，該成型方法也稱流涎成膜。

第四節薄膜成型技術簡介二、拉幅薄膜（TentedFilm）的成型拉幅薄膜則是將擠出得到的厚度約為1-3毫米的厚片或管坯，重新加熱到Tg-Tm(或Tf)溫度范圍進行大幅度拉伸而形成的薄膜。第四節薄膜成型技術簡介第五節高分子材料快速成形方法

圖8-32為快速成形系統的工作流程示意圖