高分子材料基本加工工艺(复习提纲)

高分子材料基本加工工艺复习提纲

绪论

一、概念：

1、塑料：以树脂（有时用单体在加工过程中直接聚合）为主要成分，一般含有添加剂、在加工过程中能流动成型的材料。

2、高分子材料加工：（加工亦称成型或成型加工）是将高分子材料转变成所需形状和性质的实用材料或制品的工程技术。

二、问题：

1、高分子材料成型加工特性：可挤压性、可模塑型、可延性

第一章 高分子材料加工流变学概论 一、概念：

1、牛顿流体：牛顿流体是指在受力后极易变形，且切应力与变形速率成正比的低粘性流体。凡不同于牛顿流体的都称为非牛顿流体。

2、非牛顿流体：是指不满足牛顿黏性实验定律的流体，即其剪应力与剪切应变率之间不是线性关系的流体。

二、问题：

1、流体的分类、特性

假塑性流体：该流体的表观黏度随剪切速率的增大而减小。

（1）胀塑性流体：与假塑性流体相反，该流体的表观黏度随剪切速率的增大而增加。

（2）宾汉流体：此类流体的剪应力与速度梯度成线性关系，但直线不过原点。截距称为屈服应力。

2、熔体黏度的影响因素

成型加工必须考虑物料流动性；

流动：以链段运动为基础，高分子链上各个链段运动沿外力方向传递、扩散而使大分子重心产生相对移动；

故，影响链段活动能力，链段数目的因素都会影响黏度。

（1）高聚物的结构对流动性的影响：

①柔性：

其它条件相同时，柔性好，链段运动能力强，黏度小，流动性好。

故，影响柔性的因素（主链结构、取代基的大小数量、极性等），都影响高聚物的流动性。

②分子量：

增大相对分子质量，分子间作用力↑、黏度↑

（2）外界条件对高聚物熔体流动性的影响

①切变速率

假塑性流体γ↑：ηa ↓，但ηa 下降幅度与分子结构有关；

柔性链：流动性好，随γ↑，ηa ↓幅度大；

分子量：同种聚合物，分子量高的对γ敏感（剪敏性）

②温度

T ↑：ηa ↓，但下降幅度与分子结构有关

③压力

增大压力，分子间空隙减少，分子间力增大，ηa ↑

④熔体结构

⑤添加剂

增塑剂：降低分子间力，降低粘流温度及ηa

填料：ηa ↑

润滑剂：用量很少，可以减少物料分子间的摩擦力（内润滑剂）或减小物料与设

备间的摩擦力（外润滑剂），ηa ↓

共混：加入少量流动性好的聚合物，可以ηa ↓

3、成型-结晶-性能之间的关系

结晶－性能的关系:

(1)对制品密度:结晶度↑:密度↑

(2)对力学性能:结晶度↑:硬度↑，形变↓，拉伸强度↑

但晶粒过大时:不均匀，应力集中， 拉伸、冲击强度↓

(3)对制品尺寸稳定性:

结晶度↑:制品预收缩率↑，尺寸稳定性↑

结晶高聚物注射制品更易翘曲:冷却不均匀，结晶度、晶粒大小不一，收缩

不一致，从而翘曲

合格制品须有:合理造型的制品设计、适用的模具、适宜工艺条件

(4)对渗透性和溶解性的影响:

晶区:排列紧密，小分子不易渗透、溶解

结晶度↑:溶解性、渗透性↓

(5)对光学性能:

无定形高聚物:透明

结晶高聚物:两相结构，产生折射、散射，透光率↓， 晶粒大，透光越差

若晶粒小于波长的1/2时，不影响透光率

(6)对耐热性:

Tm>Tg， 结晶熔融须吸热

结晶度↑：熔点↑，耐热性↑

成型－结晶的关系:

(1)冷却速率的影响:

①缓慢冷却:易生成较大的晶粒，效率低

②急冷:结晶度低，结晶不完善，内应力大

③中等冷却：冷却介质控制在Tg ～Tmax 之间，晶体生长好、结晶完整、稳定、

力学性能↑

(2)熔融温度和熔融时间的影响:

熔融温度高及在熔融温度下停留时间长，残存晶核少，降低结晶速率

(3)应力的影响:

剪切、拉伸→长串纤维晶体

低压→大而完整球晶

高压→小而形状不规则球晶

受压方式：螺杆注射→均匀球晶；柱塞式→小而不均晶体

(4)成核剂与结晶行为:

成核剂:可提高结晶聚合物的结晶度、加快结晶速率、完善晶体结构，有时也能

改变晶体形态的物质

添加成核剂：↑结晶度同时↓晶粒尺寸

故：↑性能（力学性能、透明度等） ↓成型周期

4、取向对制品性能的影响及原因

①对力学强度的影响：

单轴取向：取向方向上，力学强度↑，特别是拉伸强度垂直于取向方向，拉伸强

度↓

双轴取向：使沿状材料（膜、片、板）平面两个方向都具有较好的强度

使力学性能出现各向异性

取向还使某些脆性聚合物的韧性变好。

②对其它性能的影响：

取向程度↑：Tg ↑，取向方向上热收缩↑，模量↑

第二章 高分子材料加工中的热行为

一、概念

1、热容：是材料的温度升高1℃（或1K ）所需的能量。

2、传热：即热量传递，是由于物体内部或物体之间的温差而引起的。

二、问题：

1. 传热方式；传导、对流、辐射

2. 高分子材料传热的基本特点：塑料是热的不良导体，其导热系数比较低，

传热速度较慢。

第四章 成型用物料的配制

一、概念

1、塑料的初混合：聚合物在流动温度以下的温度和较缓和剪切下进行的一简单

混合，得粉料。

2、塑料的捏合：液状与粉状固体物料的浸渍及混合。

3、母料：事先配成的含有高百分比小剂量助剂的塑料混合物

二、问题：

1．塑料分散体的分类及其中各组分；

（1）分类：塑性溶胶 VC 树脂悬浮体，液相全为增塑剂，亦称增塑糊

有机溶胶 VC 树脂悬浮体，液相为分散剂（有或无增塑剂）和 稀释剂，亦称稀释增塑糊

塑性凝胶 塑性溶胶+胶凝剂，亦称增塑胶凝糊

有机凝胶 有机凝胶+胶凝剂，亦称稀释增塑胶凝糊

（2）组分：树脂，分散剂，稀释剂，胶凝剂，稳定剂，填充剂，着色剂，表 面活性剂及其他助剂

2．混炼及分散的原理；

3．开炼机、密炼机的结构

4．塑炼机的种类

单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、行星螺杆挤出机、双阶配混料挤出造粒设 备、双转子连续混炼机

第六章 塑料的注射成型

一、概念：

1、注射量：指机器在对空注射条件下，注射螺杆或柱塞作一次最大注射行程时，注射装置所能达到的最大注射量。

2、塑化能力：指注射机塑化装置在1h 内所能塑化物料的千克数（以PS 为准），是衡量注射机性能优劣的另一重要参数。

3、塑化压力：螺杆头部熔料在螺杆转动后退时所受到的压力

4、成型周期：完成一次注射模塑过程所需要的时间

二、问题：

1．塑料注射的基本工艺流程

解：合模→注射座前移→ 注射 保压

↑ ↓ 注射座后移

顶出制品 ← 开 模 ← 制品冷却←

塑化 螺杆后退

2．塑料注射成型的温度因素

解：1）料筒温度 提高料筒温度，有利于改善制品质量

（2）喷嘴温度：稍低于料筒最高温度

（3）料筒温度与注射压力的关系：低温高压，高温低压，对空注射

（4）模具温度 A 、无定型塑料（PC 、PPO 等）的模温控制：冷却固化无相变，保证顺利脱模，降温可缩短冷却时间，提高生产效率 B 、结晶型塑料的模温控制：冷却过程发生结晶，结晶速率与形态和冷却速度有关 C 、模温较高：冷却速度小，结晶度高，球晶大，脆、冷却长、效率低 D 、模温较低：冷却速度快，结晶度低。若料的Tg 又低，如：PE （ -55～-70℃），PP （-15℃）则将产生后期结晶，引起后收缩和性能变化 E 、模温适中：使冷却速度适宜，制品性能好

3．塑料注射成型的压力因素

解：（1）塑化压力（背压）：背压高，螺杆后退慢，延长物料塑化时间，摩擦大，料温高，物料均匀；背压过高会导致漏流、逆流增大，延长成型周期，料易降解

（2）注射压力：注射压力增加，充模加快、流动长度↑ 、制品熔接强度↑、制品密度、重量↑ 、注射压力高、制品应力大，故应进行热处理。（注射压力作用：物料克服注射阻力向前移动、混合与塑化；使料有足够充模能力；压实物料、补料和增强熔接作用）

（3）保压压力：保压压力高：补料大、熔接好、制品密度↑、收缩小、尺寸变化小、力学性能好；压力过高，取向大、内应力大、强度↓、脱模难；压力低，

补料少、收缩大、熔接不好、力学性能差。故：保压压力一般等于或略低于注射压力（保压压力的作用：压紧塑料、防止倒流、补缩；）

4．成型周期的组成及其与产品质量的关系

解：(1）充模时间：流速↑：料温↑、黏度↓，提高充模压力、熔接强度↑

A 、速度过快：喷射产生负压，带入空气；排气难、料局部烧焦，制品表面粗糙、缺陷、内应力大 B 、慢速注射：制品质量均匀，排气好 C 、过慢：充模不满，熔接不好、分层，强度↓

（2）保压时间一般为20～120s 。时间短，制件凹陷、气泡和收缩，内在性能差；时间过长：内应力↑、收缩小、Pr 大、脱模难；时间延长：制件质量↑

（3）冷却时间一般为30～120s ，模外定型方法

（4）其他时间：与生产量是否连续化、自动化有关

5．注塑机结构和分类

解：（1）注射机的分类：A 、按机器的外形特征分为：立式注射机、卧式注射机、角式注射机 B 、按机器的传动方式分为：液压式和机械式注射机 C 、按塑化和注射方式分为：柱塞式注射机、螺杆式注射机等

（2）注射机的构成：以螺杆式注射机为例包括：注射装置、合模装置、液压传动系统、电器控制系统

第七章 塑料的压延成型

一、概念

1、压延成型：是将热塑性塑料通过一系列加热的压辊，而使其连续成型为薄膜或片材的一种方法

2、压延效应：高聚物大分子沿着压延方向做定向排列，致使制品在物料机械性能上出现各向异性的现象

二、问题：

1．压延的特点，分哪几个阶段？

解：（1）A 、有较大的生产能力、生产连续、易于自动化 B 、产品质量好，制品厚薄均匀，公差可控制在10%以内 C 、尚能制造复合材料（人造革、墙纸），刻印花纹等 D 、主要缺点：设备庞大、精度高；辅助设备多、投资高、维修复

杂、制品宽受辊筒最大工作长度的限制

（2）压延工艺包括前后两个阶段，前阶段为供料阶段，主要包括：塑料配制、塑化和向压延机供料；后阶段为压延阶段，主要包括：压延、引离（牵引）、轧花、冷却、卷取、切割等

2．压延机辊筒排列的方法

解：压延机上辊筒的安装排列形式有多种。按标准GB/T13578—1992规定，排列辊筒方式有I 形、Γ形（倒L 型）、L 形和S 型。

3．压延制品的横向厚度均匀性分析

解：压延制品普遍存在的问题是在横截面有“三高两低”现象，出现中间高的现象的原因是辊筒的弹性变形引起的，使得使薄膜中间变厚。

解决这一问题，主要是从设备上着手，有以下几条措施。

压延机辊筒的长径比（L/D）要适当。一般说来，压延机辊筒的长径比不能很大，当辊筒工作面长度一定时，其辊筒直径一般很大。

制造辊筒的材料要有一定的刚性。

①中高度法 由于辊筒在挤压时会出现弯曲，导致薄膜中间厚。因此在第3辊筒上磨成中间部位高，以消减这一偏差。一般中高度在0.05~0.10mm之间

②轴交叉法 通过第3辊转动一个角度，使两端的厚度变厚，消减中高，使厚度更均匀，转动的角度一般为1°~2°。

③预应力法 在第4辊筒两端加上一个预应力，使辊筒产生一个预弯曲，同样消减中高，这种方法的缺点是预应力要很大，就使得辊筒的轴承要承受极大的负荷，轴承的寿命变短。故此法现在一般都不采用。

辊筒表面轴向温度波动引起薄膜两边高的现象。

由于两边温度较低（其原因是两端轴承润滑油带走一部分热量；辊的热量不断地向两边机架传递），使两边塑料的黏度较高。

解决的方法是：用红外线向辊筒两端的塑料进补偿加热，或是向中间部位吹冷风。

第八章 泡沫塑料成型工艺

一、概念：泡沫塑料：也称微孔塑料，指整体内含有无数微孔的塑料。

二、问题：

1．泡沫塑料及发泡方法的分类

解：（1）泡沫塑料的分类：A 、按软硬程度区分可分为硬质泡沫塑料和软质泡沫塑料 B 、按密度大小可分为低发泡塑料、中发泡塑料和高发泡塑料 C 、 按结构区分课分为开孔泡沫塑料和闭孔泡沫塑料。

（2）发泡方法的分类：A 、物理发泡法 分为惰性气体发泡法、低沸点液体发泡法、可溶性固体溶出法、空心填料埋入法和烧结法 B 、化学发泡法 分为有机发泡和无机发泡 C 、机械发泡法

2．气泡形成原理

解：气发泡沫塑料是将气体溶解在液态聚合物中或将聚合物加热到熔融态同时产生气体并形成饱和溶液，当温度升高或压力降低时就会放出气体而形成泡沫。 气发泡沫塑料成型的三个阶段：泡沫形成，泡沫增长，泡沫稳定

（1） 泡沫的形成 把发泡剂（或气体）加入到熔融塑料或液体混合物中，经过一段时间气体量增加，气体逸出形成气泡核

（2） 泡沫的增长 随着溶解气体的增加、温度的升高、气体的膨胀和气泡的合并，气泡的孔径不断增大

阻碍因素：表面张力、熔体黏度。降低表面张力、熔体黏度有利增长，但温度过高，ηa 太低、泡壁薄，泡孔易破裂、泡沫易塌。

（3） 泡沫的稳定 由于气泡的不断生成和增长，使得泡沫体系的体积和表面积增大，致使泡沫体系不稳定。稳定泡沫的方法：A 加入表面活性剂；B 提高体系中液相的黏度，增加泡壁强度、防止泡壁进一步减薄。

3．EPS 的发泡过程（EPS 珠粒的生产、预发泡和熟化）

解：可发性PS 泡沫塑料模塑成型工艺分为:预发泡、熟化、模塑三工序

EPS 珠粒的生产：按液体发泡剂的加入方式可分为一步法、一步半法和二步法。 ①预发泡 加热使可发性珠粒膨胀到一定程度，以使模塑制品的密度得到较多的降低和减少密度梯度的形成倾向

②熟化：可发性珠粒经预发泡后，必须在空气中暴露一段时间，这种暴露即称熟化。

目的：使预发泡颗粒得到稳定，在模塑时能得到进一步膨胀和熔接。

要求空气尽快地渗入，防止发泡剂过多渗出 严格控制熟化时间和温度。

③模塑 将经预发泡、熟化的颗粒通入模具中。对预发泡颗粒进行直接加热，颗粒受热，泡孔内空气膨胀，颗粒中残余发泡剂(4%)气化和渗入加热蒸汽，使泡内压力比泡外大，同时聚合物因受热而软化、颗粒进一步膨胀膨胀只能在蒸汽供给量充足的前提下进行否则模压时泡孔内的空气和发泡剂就会早期渗出

第九章 塑料的模压与层压成型

一、概念：

1、模压成型：（又称压制加工或压缩模塑）粉状、粒状或纤维状的模塑料放入加热的模具型腔后闭模，加压、加热使其成型并固化的方法。

2、预压：将疏松的粉状、碎屑状或纤维状的热固性料预先用冷压法压成重量一定、形状规整的密实体的作业

3、固化：（也称硬化）是指热固性塑料在模压温度下保持一段时间，树脂的缩聚反应达到一定的交联程度，使制品具有所要求的物理力学性能的过程。

二、问题：

1．模压成型的特点

解：（1）设备简单，造价低，模结构简单；（2）填料的方向性小，成型压力低；

（3）原料损耗少，适用于多种材料；（4）生产效率低，制品精度低；（5）劳动强度大，难于实现自动化。

2．模压工艺过程

解： 物料预压→预热→计量

↓

模具预热→涂脱模剂→安放嵌件→加料→闭模→排气

↑ ↓

清模 ← 制品顶出 ← 开模← 硬化

3．模压温度与模压压力的关系

解： 模温高利于流动和硬化，压力可减小，但 模温过高，模塑过早 硬化，流动性↓，需较大模压压力。

模温过高：流动性↓；降解分层、表里硬化不一、内应力大、开裂、

变形；色料变质、色暗淡。

模温过低：生产周期长、硬化不足光泽差；水份挥发物作用易肿胀 变形，性能↓。

4．如何减少模压时间？

解：随模压温度升高，塑料固化速度加快，固化时间减少，因而模压周期随模压

温度提高而缩短。由于物料经预热缩短升温时间，并增加了流动性，固化时间短，

也缩短模压周期。通常模压时间随制品的厚度增加而增加。

在不影响制品性能的前提下，尽量缩短模压时间。

第十章 其他成型方法

一、概念

1、热成型：将热塑性塑料片状或管状材料加热至高弹态，采用适当的模具或夹 具，在压力作用下使其贴近模具的成型面，经过冷却获得制品的一 种成型方法

2、凝胶效：（也称胶凝）指从糊塑料被加热起，到其形成具有一定强度的薄膜 为止的一个阶段得表面无光，干而易碎的物质

3、中空吹塑：借助流体压力使闭合在模具中的热型坯或片吹胀成为中空制品

二、问题：

1．热成型的特点及常用原料

解：特点（优点）： 适应性强；应用范围广；设备投资少；模具制造方便。

不利：所用原料成本高；制品后加工量大，边角废料多；制品壁厚均匀 性差，不能制造结构复杂制件。

常用原料：PS 、PMMA 、PVC 、ABS 、PE 、PP 、PA 、PC 、PET （膜、片、 板、管）

2．热成型的分类

解：（1）差压成型 根据压差形成方法：真空成型和气压成型（加压成型），也

可分为覆盖成型、柱塞助压成型、回吸成型

（2）模压成型 单阳模法、单阴模法、对模成型、复合模压

（3）双片成型

（4）其他成型 板材弯角，管材弯制、扩口，容器卷边，异型管件热冲压、 异型材弯曲等

3．热成型的工序及设备的组成

解：基本工序：片材的夹持→加热→成型→冷却→脱模

设备组成：加热器、夹持设备、气动与真空系统、模具、冷却系统、控制 系统、传动系统

4．浇铸成型工艺的特点和分类

解：（1）特点：成型所用的设备简单；成型过程中一般不要加压（即对模具的强 度要求不高）；制品的尺寸限制较少，宜生产小批量大型制品；制品的内应力低，

质量良好。但因成型周期较长，制品的尺寸精度较低的不足。

（2）分类：按受力形式分：静态浇铸法、离心浇铸

按产品组成分：普通浇铸、嵌铸

按原料类型分：单体浇铸、混合浆料浇铸

5．有机玻璃板材的浇铸成型原料、配方、工艺流程、工艺参数×

6．挤出-吹塑的工艺流程

解：挤出型坯→吹塑模闭模（切割型坯）→吹塑→冷却定型→脱模