湖大材料工程基础课件第九章高分子成型

湖大材料 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 基础课件第九章高分子成型本章内容1高分子材料成形的基本原理2高分子材料的成形方法及设备3高分子材料制品的结构工艺性4高分子材料成形新技术5复合材料成形6工程实例—汽车轮胎的制造1高分子材料成形的基本原理高分子材料又称聚合物（polymers）。与金属材料及无机非金属材料相比，高分子材料呈现出良好的可塑性，因此，高分子材料的成形技术和方法较多，这也是高分子材料能够广泛应用的重要原因。在不同的温度条件下，聚合物在外力作用下，表现出不同的形变特性。根据聚合物所表现的力学性质，可以将聚合物的力学状态划分为三种：玻璃态、高弹态和粘流态，如图5-1所示。1．聚合物的力学状态与流变行为（1）玻璃态（glassy）在玻璃化温度Tg以下的聚合物处于玻璃态，为坚硬固体。此时，聚合物主价键和次价键所形成的内聚力，使材料具有相当大的力学强度。在外力作用下，玻璃态聚合物具有一定变形能力，形变具有可塑性。由于弹性模量大，形变量小，如图5-2（a）所示。（2）高弹态（elastic）当温度在Tg~Tf范围时，大分子链可获得足够的热运动能量，此时聚合物的弹性模量迅速降低，变形能力显著增强，变形可逆。当受到外力作用时，处于卷曲状态的大分子链舒展拉直，当外力去除后又可以恢复到卷曲状态，如图5-2（b）所示。（3）粘流态（viscous）当温度在Tf以上时，能量增大到可以使整个分子链开始运动，分子间的结合力大为减弱。通常又将这种状态的聚合物称为熔体，如图5-2（c）所示。2.高分子材料成形性能可模塑性可挤压性可挤压性可纺性可模塑性可模塑性(mouldability)是指材料在温度和压力作用下变形和在模具中成形的能力。具有可模塑性的材料可以通过注塑、模压和挤出等成形方法制成各种形状的模塑制品。图5-4是测定聚合物可模塑性的实验模具。模具是一个阿基米德螺旋形槽，螺线的长度反映了不同种类或不同级别聚合物流动性的差异。可挤压性可挤压性指聚合物通过挤压作用变形时获得形状和保持现状的能力。通常条件下，聚合物在固体状态下不能通过挤压而成形，只有当聚合物处于粘流时才能通过挤压获得有用的变形。材料的挤压性能与聚合物的流变性、熔融指数和流动速率密切相关。可延性可延性表示无定形或半结晶聚合物在一个方向或两个方向受到压延或拉伸时变形的能力。利用聚合物的可延性，可以通过压延或拉伸工艺生产薄膜、片材和纤维。可纺性可纺性指聚合物通过成形过程形成连续固态纤维的能力。可纺性主要取决于材料的流变性质、熔体粘度、熔体强度以及熔体的热稳定性和化学稳定性等。作为纺丝材料，要求熔体从喷丝板毛细孔流出后能形成稳定的细流，还要求聚合物有较高的熔体强度，以防止细流断裂。3.聚合物在成形过程中的粘弹行为(viscoelasticity)聚合物在成形过程中通常是从固体变为液体，再从液体变为固体，表现出弹性和粘性。聚合物的形变是粘弹性的。变形主要有高弹变形和粘性变形所组成。从变形性质来看包括可逆变形和不可逆变形两种成分。当成形温度高于Tf时，聚合物处于粘流态。当成形温度低于Tf时，聚合物处于高弹态。在Tg~Tf范围内，聚合物主要表现为弹性变形，但也表现出粘性性质。2高分子材料的成形方法及设备1.塑料成形方法2.橡胶成形方法1.塑料成形的方法塑料制品的制造过程主要包括：物料配制，塑料成形和二次加工等工序，如图5-6所示。塑料成形是将原料在一定温度和压力下塑制成具有一定形状制品的工艺过程。塑料的成形方法很多，主要有注塑成形、挤出成形、压制成形、压延成形、吹塑成形等，如图5-6所示。注塑成

形技术是所有塑料成形方法中最普遍、最重要的一种成形方法。本章主要介绍注塑成形方法。注塑成形的原理、特点和应用注塑成形又称注射成形(injectionmolding)。其原理如图5-7所示。注塑成形是热塑性塑料的主要成形方法之一，适用于几乎所有品种的热塑性塑料(thermoplastics)和部分热固性塑料(thermosets)。其主要特点如下：（1）生产效率高，可以实现高度机械化。自动化生产，适于大批量生产。（2）制品尺寸精确，精度较高。（3）可以生产形状复杂、薄壁和带有金属嵌件的塑料制品。（4）可生产几克到数千克的塑料。注塑成形的工艺过程注塑成形工艺过程包括：成形前准备、成形过程、塑件后处理三个主要部分，如图5-8所示。注塑成形的工艺过程（1）成形前准备。主要有：原料的检查、原料的干燥、料筒清洗。（2）成形过程。一般有：加料、塑化、注射、保压、冷却和脱模几个步骤。（3）塑件的后处理。成形后的塑料制品经过适当的后处理，可以消除内应力，改善制品性能，提高尺寸稳定性。常用的方法是退火和调湿处理。注塑成形的工艺条件在注塑工艺中，主要的工艺参数有：温度，压力和对应的作用时间。注塑成形的工艺条件（1）温度料温和模具温度是需要控制的主要温度。塑料的加热温度是由注塑机的料筒来控制的。（2）压力注塑成形过程中的压力主要有：塑化压力和注射压力。（3）注塑成形周期和注射速度完成一次注塑成形所需的时间称为注塑成形周期，它包括：加料、加热、充模、保压、冷却时间，以及开模、脱模、闭模及辅助作业等时间。注射速度和冷却时间对制品的性能有着决定性的影响。注塑成形设备注塑成形的主要设备是注塑机（注射机）(injectionmoldingmachine)和模具(mold)。注射机是塑料注射成形的专用设备，有柱塞式(plungertype)和螺杆式(reciprocatingscrewtype)两种类型，目前最常用的是螺杆式注射机。塑料模具是塑料成形的重要工装，按成形的工艺方法，可以将塑料模具分为注射模、压塑模、挤出模和压注模等。塑料注射成形所用的模具称为注射模。注射模结构形式多种多样，习惯上按照模具总体结构上的某一特征进行分类，将注射模分为单分型面、双分型面、带活动镶块、侧向分型抽芯注射模等根据注射模具中各部件所起的作用，一般可将注射模分为如下几个部分：（1）成形部件（2）浇注系统（3）导向机构（4）推出机构（5）排气系统（6）侧向分型与抽芯机构（7）加热与冷却系统（8） 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 模架。注射模具对塑料的适应性强、可生产各类质量和形状复杂的零件，而且塑件的内在和外观质量较好。但是，注射模具的结构一般比较复杂，制造周期长，成本较高。橡胶成形方法1.橡胶加工的工艺过程2.橡胶成形方法3.橡胶成形设备1.橡胶加工的工艺过程橡胶制品的原材料主要由生胶、各类配合剂和增强材料组成。生胶是制造橡胶制品的最基本原料，包括天然橡胶、合成橡胶和再生橡胶。生胶的成形性能较差，需添加各种配合剂，并经过相应的加工成形和硫化处理后，才能生产出橡胶制品。橡胶制品生产的基本过程包括：生胶的塑炼、胶体的混炼、橡胶成形、硫化和修边，如图所示。（1）塑炼塑炼的目的就是通过机械剪切和热氧化作用，使塑料具有可塑性。（2）混炼将塑炼胶和各种配合剂，用机械方法使之完全均匀分散的过程称为混炼。（3）成形将混炼胶制成所需形状和尺寸的过程成为成形，常用的橡胶成形方法有：压延成形、注射成形、模压成形和挤出成形等。（4）硫化(vulcanization)利用硫磺，使生胶变成弹性橡胶。（5）修边去除塑

料件的飞边橡胶成形方法橡胶成形方法是橡胶制品生产中的重要工艺过程，从生产过程来看，橡胶制品可分为模制品和非模制品两大类。常用的橡胶成形方法有：压延成形、模压成形、注射成形和挤出成形等。橡胶模压机（1）压延成形借助于压延机辊筒的作用把混炼胶压成具有一定厚度的胶片，完成胶料贴合，以及骨架材料（纺织物）通过贴胶、擦胶制成片状半成品的工艺过程叫压延（calendering）。图5-12为胶布压延工艺过程。（2）模压成形模压成形是橡胶制品生产中应用最早、应用最多的生产方法。适于制作各种橡胶制品，橡胶与金属或与织物的复合制品。例如，橡胶垫片、密封圈、油封等制品。（3）注射成形注射成形的特点是硫化周期短，硫化质量均匀，制品尺寸精确，生产效率高。注射成形能一次成形外形复杂、带有嵌件的橡胶制品，主要用于生产密封圈、减振垫和鞋类等。密封圈3.橡胶成形设备（1）炼胶机开炼机结构和设备如图5-13所示，（2）密炼机密炼机是橡胶塑炼和混炼的主要设备，如图5-14，主要部件是一对转子和一个密炼室。（3）橡胶注射机、平板硫化机与液压机橡胶注射机是橡胶注射成形的主要设备，其基本结构与塑料注射机类似。平板硫化机和液压机是模压成形的主要设备，平板硫化机的结构有单层式和多层式.橡胶注射机平板硫化机（4）橡胶模具橡胶模具是制作橡胶模制品零件的工艺装备。常用的橡胶模具主要有：填充模、注射模、挤出模、压注模等3高分子材料制品的结构工艺性1.塑料制品的结构工艺性2.橡胶制品的结构工艺性1.塑料制品的结构工艺性在设计塑料制品时，不仅要满足使用要求，而且还要考虑塑料件的成形工艺特点。塑料制品的结构工艺性一般包括：塑件形状、壁厚、脱模斜度、加强肋、圆角、孔、螺纹以及镶嵌零件等。1.形状塑件的内外表面形状在满足使用要求的情况下，尽可能易于成形，避免侧孔与侧向凸凹，防止使用内抽芯机构，如图5-17所示。2.壁厚塑件的壁厚应尽可能均匀。壁厚过薄，难以充型。壁厚太厚，容易产生气泡，缩孔等缺陷。壁厚不均匀还将造成收缩不一致，导致塑件变形或翘曲，如图5-18所示。3.脱模斜度塑料制品冷却后产生收缩，需设置一定的脱模斜度，以便于将塑件从型腔中取出或将型芯从塑件中取出，如图5-19所示。4.加强肋加强肋的作用是在不增加制品壁厚的条件下，增加制品的刚度和强度。肋板要避免交叉，防止局部过厚而出现缩孔和气泡，如图5-20。5.圆角为了避免应力集中，提高塑料制品的强度，改善熔体的流动情况和便于脱模，在制品的内外表面的连接处均应采用圆角过渡。一般在连接处要加0.5mm的倒角6.孔制品上各种孔的位置应尽可能开设在不减弱制品机械强度的部位，孔间距、孔边距不应太小，如表5-1。侧孔轴线应与脱模方向一致，以简化模具和便于抽芯，避免侧向抽芯，如图5-22所示。2.橡胶制品的结构工艺性橡胶制品零件的结构设计，应当符合其模制化生产的特点。橡胶制品的结构工艺性一般需考虑脱模斜度、壁厚、圆弧、孔、嵌件等因素。1.脱模斜度橡胶制品零件在硫化过程中的化学作用和起模后温度降低的物理作用的共同影响下，产生收缩，需要设置脱模斜度方便脱模橡胶制品零件的脱模斜度应遵循以下原则：制品零件的轴向尺寸越大，其脱模斜度越小；制品零件的壁厚越薄，脱模斜度越小；制品的直径越小，其脱模斜度也就越小。2.断面厚度与圆弧对于橡胶模制品零件的壁厚，设计时应做到断面厚度均匀一致，尽量避免形体上各部分的断面厚度差别过大和断面形状的突然变化，如图5-24所示。在各个部分的相互交接处尽量设计成圆弧过渡形式，如图5-25所示。3.孔与囊类制

品的口径、腹径比如果制品结构上的孔比较深，则相应的型芯应具有一定的脱模斜度。图5-26为囊类橡胶制品，一般对于这类制品零件的设计，口径d的数值约为腹径D数值的1/2~1/3左右。口径、腹径尺寸的确定，还与制品颈部的相关尺寸密切相关。4.嵌件的包镶形式橡胶模制品的嵌件可分为两大类：一类是金属材料，如钢、铜、铝等；另一类是非金属材料，如环氧玻璃布棒、酚酞布棒等。镶嵌部件的结构设计如图5-27。4高分子材料成形新技术1、高分子材料的快速成形2、热流道技术1、高分子材料的快速成形快速成形(rapidprototyping,RP)技术，适用范围较广，可以实现高分子材料、金属材料和陶瓷材料的快速成形。其过程如图5-28所示。快速成形是一种薄层叠加的增材制造方法，具有下述特点：（1）采用“分层制造”方法，将三维成形问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 变成简单的二维平面成形。（2）可快速制造出复杂形状的零件。（3）无需金属切削机床，不需要金属切削刀具，也不需要模具。（4）由CAD驱动，成形过程自动化。目前，已经商品化的快速成形技术主要有四种：立体光造型（stereolithography，SLA）分层实体制造（laminatedobjectmanufacturing，LOM）选择性激光烧结（selectivelasersintering,SLS）熔丝沉积制造（fuseddepositionmodeling，FDM）四种快速成形技术的对比如表5-2所示。SLA（立体光造影）是研究最早、发展最快、应用最广泛的快速成形技术。其加工过程是一种光和光敏树脂的相互作用过程。SLA快速成形的原理如图5-29所示。SLA成型过程如图5-30所示。SLA的工艺特点如下：精度高，可以达到0.1mm，甚至更高。制件的表面质量好。原材料的利用率近乎100%。能成形形状复杂、精细的零件。成形材料较脆，加工零件时需制作支撑。2、热流道技术热流道技术（hotrunnertechnology）是一种采用加热的方法，使处于注射机喷嘴到模具型腔浇口间整个流道中的塑料一直处于熔融状态，完成注射开启模具后只需取出产品，而不产生浇道内凝固废料的先进浇注方法。热流道系统热流道系统一般由热流道元件、电热元件和温度控制器三部分组成。采用热流道系统的模具可以分为四类：单型腔热流道模具、多型腔热流道模具、针阀式浇口热流道模具和内加热分流道模具。热流道技术的特点（1）缩短制件成形周期（2）节省塑料原料（3）提高产品质量，减少废品率（4）消除后处理工序，有利于生产自动化（5）扩大注塑成形工艺的应用范围在欧美国家，塑料模具厂生产的模具50%以上采用热流道技术，有的甚至达80%以上，效果十分明显。近年来，国产模具向欧美公司的快速出口使热流道技术在中国逐渐推广，随着热流道技术的日渐推广应用，热流道模具在塑料模具中所占比重将逐步提升。5复合材料成形1、复合材料成形的工艺特点2、树脂基复合材料的成形方法1、复合材料成形的工艺特点复合材料的组成（1）树脂基复合材料（polymer-matrixcomposites,PMCs）以树脂为基体，以纤维为增强材料复合而成。基体材料一般采用热固性树脂和热塑性树脂。增强纤维材料主要有，玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等。（2）金属基复合材料（metalmatrixcomposites，MMCs）的金属基体一般为铝合金、镁合金和钛合金，增强材料一般是硼纤维、碳纤维碳化硅纤维、氧化铝纤维等。（3）陶瓷基复合材料（ceramicmatrixcomposites，CMCs）的基体主要以结构陶瓷

为主，例如氧化铝、碳化硅、碳化硅等，增强材料一般选用晶须、颗粒或纤维。复合材料(compositematerials)因其本身的结构特性，成形工艺呈现出以下特点：（1）材料性能具有可设计性。复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组成，可以通过改变材料组成、含量、排列方式等改变材料性能。（2）材料制备与制品成形同时完成。复合材料的制备过程通常就是其制品的成形过程，特别对于形状复杂的大型制品可以实现一次整体成形。（3）复合材料成形时的界面作用。复合材料的界面层使增强材料与基体形成一个整体，并通过它传递应力。影响界面形成的主要因素有基体与增强材料的相容性和润湿性等。2、树脂基复合材料的成形方法树脂基复合材料的构件性能与制造工艺密切相关，按树脂基体的性质，可分为热塑性树脂基复合材料和热固性树脂基复合材料两类，其中又以热固性树脂基复合材料更为常用。树脂基复合材料的成形方法很多，主要有手糊成形、喷射成形、袋压成形、模压成形、缠绕成形、拉挤成形、注射成形等。手糊成形(handlay-upmolding)先在模具表面涂一层脱模剂，然后涂刷含有固化剂的树脂混合料,再铺上裁剪好的纤维织物，再重这个过程，直至所需厚度。然后，进行固化、脱模、修整和检验，得到所需的制品，如图5-32所示。2、喷射成形(spraylay-upmolding)喷射成形是一种半机械化手糊成形方法，利用喷枪将短纤维和树脂同时喷射到模具上，再经压实、固化得到制品。如图5-33所示3.模压成形(compressingmolding)将定量的树脂与增强材料的混合料放入金属模具中，通过加热、加压，使树脂塑化和熔融流动充满模具型腔，经固化后获得复合材料制品。3、复合材料制品的结构工艺性由于复合材料成形有其独特的工艺特点，故其制品的结构设计与单一材料相比有许多不同之处。以纤维增强复合材料为例，其制品结构设计时应遵循以下原则：1.纤维的分布应满足承载要求2.构件弯折处应采用圆角过渡3.尽量采用整体结构4.采用刚性较好的结构6工程实例—汽车轮胎的制造外胎是一个环形的外壳，它使轮胎具有一定的外形尺寸，以阻止内胎在充气时变形及维持一定内压，并保护内胎，使之在行驶时免受损伤。帘线-橡胶复合结构外胎由帘布层、缓冲层、胎面胶和胎圈构成，如图5-34。汽车轮胎制造的工艺过程主要包括：原材料加工、配料、生胶塑炼、胶料混炼、挤出成品胶部件、帘布压延与裁断、缓冲层制造、钢圈制造、轮胎成形、硫化和检验。马牌轮胎米其林轮胎1.原材料加工生胶在塑炼之前须将胶块置于温度为50~70C的烘房支架上加温软化，以便于切割与塑炼加工，同时还能降低胶块的含水量。2.配料按照生产配方要求，将各种原材料包括橡胶和各种配合剂进行称量，以供给后续的塑炼、混炼工序。3.塑炼天然橡胶通常用密闭式炼胶机塑炼。现在的合成橡胶，如丁苯橡胶和聚丁二烯橡胶，不需要塑炼，可直接进行混炼。4.混炼将碳黑、天然/合成橡胶、油、添加剂、促进剂等原材料混合到一起，在密炼机里进行加工，使各种配合剂完全均匀地分散在生胶中，生产出“胶料”。5.轮胎部件制造（1）挤出半成品胶部件：将胶料通过传送机被喂进挤出机头，从而挤出不同的半成品胶部件：胎面、胎侧/子口和三角胶条等。（2）帘布压延：将尼龙或聚酯的原材料帘线穿过压延机，在帘线的两面都挂上一层较薄的胶料，所制得的成品为帘布。（3）帘布裁断：根据施工要求，帘布将被裁断成适用的宽度和角度，并接好接头。（4）带束层成形。（5）钢圈制造6.轮胎成形工序轮胎成形就是将帘布、胎圈、包布、胎面等所有半成

品部件，按照材料布置图在成形机上组装成生胎。7.硫化生胎在模具里经过适当的时间以及适宜的条件硫化成轮胎成品。目前，最广泛使用的是利用饱和蒸汽和过热的水加热的硫化方法。纤维的制备特点：高的强度与弹性模量，有机纤维质量密度低。形式：连续、切断或晶须，直径5m~1mm种类：自然形成；人工制造应用：强化复合材料，光学纤维，编织物。一、熔融纺丝用于制备聚合物（聚酯、尼龙、聚烯烃）与氧化物玻璃纤维聚合物熔化并受压通过数个圆形的喷丝头孔挤出，粘性液体直径由约400m被拉拔为约25m，形成的高度取向纤维在空气中被拉伸与冷却，然后经精整处理后合丝并缠绕于线轴上。氧化物玻璃纤维：使用温度稍高，不需要挤出，而是简单压出。熔融纺丝动画二、溶液纺丝纤维素、聚丙烯腈等聚合物：不能加热熔化，在熔化之前会发生降解。干式纺丝：先将聚合体溶解于适当的挥发性溶剂（明胶），再将溶液经过喷丝头的孔被挤出进入空气中，由于溶剂的挥发，促使聚合物沉淀成为纤维的形状。湿式纺丝：明胶挤到非溶剂介质的凝结池槽中，由非溶剂介质的内部扩散而引起聚合物的沉淀析出。溶液纺丝设备动画三、控制热解有机物或有机金属先躯体的热解是制备陶瓷与碳纤维的重要化学工艺。先由传统的技术制备出包含有所要元素的聚合物先躯体纤维，接着使纤维在不熔化的前提下发生热解（加热产生化学变化），去除不需要的原子，生成所需要成分的纤维。实例：由丙烯酸先躯体制备碳纤维由有机硅烷制备SiC纤维由丙烯酸先躯体制备碳纤维的工艺示意图由有机硅烷制备SiC纤维的工艺过程聚碳硅烷聚合物在350℃的惰性气体中熔融纺丝，接着在含有高浓度活性氧的空气或氧气中处理。交联或稳定的纤维在1300℃的真空中热解，生成非晶或微晶的SiC纤维四、气相工艺CVD一根细小的耐热钨丝通入盛有BCl3与H2的腔体，BCl3分解产生原子态的硼，沉积在钨丝的表面，反应产生的HCl则被排除腔体。2BCl3+3H22B+HCl火焰水解法（SiO2纤维、玻璃纤维）将四氯化硅与氧气、甲烷（CH4）结合生成SiO2与HCl，SiO2同炭黑一样沉积在石墨的靶子棒上，在收集了一些炭黑后，水解停止，炭黑由加热崩溃，去除石墨棒，把预成形体熔融纺丝成单根纤维。再经表面保护处理，纤维可免受表面裂纹的形成而引起光的散射。SiO2纤维的形成示意在火焰中将四氯化硅与氢气、氧气结合生成二氧化硅，作为炭黑的预成形体沉积在石墨的靶棒上，然后将炭黑的预成形体硬化并拉成纤维五、烧结将陶瓷或金属材料研磨成细的粉末，以粘浆的形式将粉末干式或湿式纺丝成纤维，随后将纤维干燥并加热去除粘结剂，再烧结颗粒。氧化铝（Al2O3）纤维：强度较低（具有粗大的晶粒组织和大的缺陷）六、化学反应（陶瓷纤维）氮化硼（BN）：硼酸盐玻璃纤维与氨反应转变成BN。B2O3+2NH32BN+3H2O氮化铝（AlN）：氧化铝纤维氮化。Al2O3+2NH32AlN+3H2O溶胶-凝胶技术：将容易得到的简单液体金属醇盐与含有适当的潜溶剂（通常为酒精）的水混合，在酸性或碱性的条件下，溶液发生浓缩聚合反应，产生包含一些剩余的有机团的氧化物。当反应混合物到达适当的粘度时，材料可以纺丝成纤维。加热去除剩余的有机物就能获得纯的氧化物。（如：高纯氧化硅）Si(OCH3)4+4H2OSi(OH)4+4CH3OHSiO2+2H2O+4CH3OH热解与溶胶-凝胶技术混合：使溶胶-凝胶过程中形成的溶胶不稳定化，经浓缩聚合形成含适当的金属和非金属原子（如Al和O）的聚合体预陶瓷，再经干式纺丝与热处理形成无机纤维材料。