高分子材料工艺压制成型.docx

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高分子材料工艺压制成型

高分子材料加工工艺

第十章二次成型

教学目的：

掌握二次成型的定义，二次成型与一次成型的差异，二次成型的原理，常见的二次成型工艺；中空吹塑及工艺分类；拉幅薄膜成型及特点；热成型特点及基本分类。

重点内容：

二次成型的特点及成型原理；常见二次成型工艺。

难点内容：

二次成型的工艺原理；常见二次成型工艺的工艺特点。

熟悉内容：

二次成型的分类及在各行业中的应用。

主要英文词汇：

forming---二次成型

hollowblowmolding---中空吹塑

tenteringforming---拉幅薄膜成型

stretchforming,drawforming---拉伸成型

thermoforming---热成型

参考教材或资料：

1、《高分子材料成型加工》，周达飞，唐颂超主编，中国轻工业出版社，2005年第2版。

2、《橡胶及塑料加工工艺》，张海，赵素合主编，化学工业出版社，1997年第1版。

3、《高分子材料加工工艺》讲义，青岛科技大学印刷厂，2000年。

二次成型是指在一定条件下将高分子材料一次成型所得的型材通过再次成型加工，以获得制品的最终型样的技术。

二次成型是相对于一次成型而言的。

有些高分子材料制品由于技术上和经济上的原因，不能够或不适于经过一次成型即取得制品的最终形状，因而需要以一次成型技术的产物为对象，经过再次成型来获得最终制品。

二次成型技术与一次成型技术相比，除成型对象不同外，二者的主要区别在于：

一次成型是通过材料的流动或塑性形变而成型，成型过程中伴随着聚合物的状态或相态转变，而二次成型是在低子聚合物流动温度或熔融温度的“半熔融”类橡胶态下进行的，一般是通过粘弹形变来实现材料型村或坯件的再成型。

在高分子材料中，橡胶和热固性塑料经一次成型以后，发生了交联反应，其分子结构变成网状或体型结构，遇热不再熔融，也不溶于溶剂。

如果加热温度过高，只能炭化。

因此，橡胶和热固性塑料是不适于二次成型的。

热塑性塑料在一定温度下可以软化、熔融流动，冷却后获得一定的形状，其分子结构设有变化，再加热理论上又可再软化乃至熔融流动，所以二次成型仅适用于热塑性塑料。

目前二次成型技术主要包括：

中空吹塑成型、薄膜的双向拉伸、热成型以及合成纤维的拉伸。

第一节二次成型原理

一、聚合物的物理状态

聚合物在不同的温度下分别表现为玻璃态（或结晶态）、高弹态和粘流态三种物理状态。

在一定的相对分子质量范围内，温度和相对分子质量对非晶型和部分结晶型聚合物物理状态转变的关系如图所示。

非晶型聚合物在玻璃化温度Tg以上呈类橡胶状，显示出橡胶的高弹性，在粘流温度Tf以上呈粘性液体状；部分结晶型聚合物在Tg以下呈硬性结晶状，在Tg以上呈韧性结晶状，在接近熔点Tm转变为具有高弹性的类橡胶状，高于Tm则呈粘性液体状。

聚合物在TgTf（m）间，既表现液体的性质又显示固体的性质。

塑料的二次成型加工就是在材料的类橡胶态下进行的，因此在成型过程中塑料既具有粘性又具有弹性，在类橡胶态下，聚合物的模量要比玻璃态下时低，形变值大，但由于有弹性性质，聚合物仍具有抵抗形变和恢复形变的能力，要产生不可逆形变必须有较大外力作用。

二、聚合物的粘弹性形变

根据经典的粘弹性理论，聚合物在加工过程中的总形变是由普弹形变、推迟高弹形变和粘性形变三部分组成的。

对于玻璃化温度Tg比室温高得多的无定形聚合物，其二次成型加工是在Tg以上，粘流温度Tf以下，受热软化，并受外力作用而产生形变，此时聚合物的普弹形变很小，通常可以忽略，又因其粘性很大，粘（塑）性形变几乎可以忽略，因此在二次加工过程中聚合物的形变省去了普弹形变和粘性（塑性）形变。

对于Tg比室温高得多的无定形聚合物，二次成型的过程是：

先将聚合物材料在TgTf温度范围内加热，使之产生形变并成型为一定形状，然后将其置于接近室温下冷却，使其形变冻结并固定其形状。

对于部分结晶的聚合物形变过程则是在接近熔点Tm的温度下进行，此时粘度很大，成型形变情况与上述无定形聚合物一样，但其后的冷却定型与无定形聚合物有本质的区别。

结晶聚合物在冷却定型过程中会产生结晶，分子链本身因成为结晶结构的一部分或与结晶区域相联系而被固定，不可能产生弹性回复，从而达到定型的目的。

三、成型条件的影响

二次成型的温度以聚合物能产生形变且伸长率最大的温度为宜。

—般无定形热塑性塑科最宜成型温度比其Tg略高，如硬聚氯乙烯（Tg＝83℃的最宜成型温度为9294℃，聚甲基丙烯酸甲酯（Tg105℃）成型温度为118℃。

二次成型产生的形变具有回复性，实际获得的有效形变（即残余形变）与成型条件有关。

冻结残余形变的温度（即模具温度）低，成型制品可回复的形变成分就少，可获得的有效形变就大，因此，模具温度不能过高，一般在聚合物的Tg以下。

另外，成型温度升高，材料的弹性形变成分减少。

第二节中空吹塑成型

中空吹塑（BlowingMolding）是制造空心塑料制品的成型方法，是借助气体压力使闭合在模具型腔中的处于类橡胶态的型坯吹胀成为中空制品的二次成型技术。

用于中空成型的热塑性塑料品种很多，最常用的是聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和热塑性聚酯等，也有用聚酰胺、纤维素塑料和聚碳酸酯等。

生产的吹塑制品主要是用作各种液状货品的包装容器，如各种瓶、壶、桶等。

吹塑制品要求具有优良的耐环境应力开裂性、良好的阻送性和抗冲击性，有些还要求有耐化学药品性、抗静电性和耐挤压性等。

吹塑工艺按型坯制造方法的不同，可分为注坯吹塑和挤坯吹塑两种。

若将所制得的型坯直接在热状态下立即送入吹塑模内吹胀成型，称为热坯吹塑；若不用热的型坯，而是将挤出所制得的管坯和注射所制得的型坯重新加热到类橡胶态后再放入吹塑模内吹胀成型，称为冷坯吹塑。

目前工业上以热坯吹塑为多。

一、注射吹塑

注射吹塑是用注射成型法先将塑料制成有底型坯，再把型坯移入吹塑模内进行吹塑成型。

注射吹塑又有拉伸注坯吹塑和注射--拉伸--吹塑两种方法。

1、无拉伸注坯吹塑

由注射机在高压下将熔融塑料注入型坯模具内并在芯模上形成适宜尺寸、形状和质量的管状有底型坯。

若生产的是瓶类制品，瓶颈部分及其螺纹也在这一步骤上同时成型。

所用芯模为一端封闭的管状物，压缩空气可从开口端通入并从管壁上所开的多个小孔逸出。

型坯成型后，注射模立即开启，通过旋转机构将留在芯模上的热型坯移入吹塑模内，合模后从芯模通道收入0.20.7MPa的压缩空气，型坯立即被吹胀而脱离芯模并紧贴到吹塑模的型腔壁上，并在空气压力下进行冷却定型，然后开模取出吹塑制品。

注射吹塑宜生产批量大的小型精制容器和广口容器，主要用于化妆品、日用品、医药和食品的包装。

注坯吹塑技术的优点是：

制品壁厚均匀，不需要后加工；注射制得的型坯能全部进入吹塑模内吹胀，故所得中空制品无接缝，废边废料也少；对塑料品种的适应范围较宽，一些难于用挤坯吹塑成型的塑料品种可用于注坯吹塑成型。

注坯吹塑技术缺点是：

成型需要注塑和吹塑两套模具，故设备投资较大；注塑所得型坯温度较高，吹胀物需较长的冷却时间，成型周期较长；注塑所得型坯的内应力较大，生产形状复杂、尺寸较大制品时易出现应力开裂现象，因此生产容器的形状和尺寸受限。

2、注坯--拉伸--吹塑

在成型过程中型坯被横向吹胀前受到轴向拉伸，所得制品具有大分子双轴取向结构。

注坯--拉伸--吹塑制品成型过程中，型坯的注塑造型与无拉伸注坯吹塑法相同，但所得型坯并不立即移入吹塑模，而是经适当冷却后移送到一加热槽内，在槽中加热到预定的拉伸温度，再转送至拉伸吹胀模内。

在拉伸吹胀模内先用拉伸捧将型坯进行轴向拉伸，然后再引入压缩空气使之横向胀开并紧贴模壁。

吹胀物经过一段时间的冷却后，即可脱模得具有双轴取向结构的吹塑制品。

成型注坯拉伸吹塑时，通常将不包括瓶口部分的制品长度与相应型坯长度之比定为拉伸比；而将制品主体直径与型坯相应部位直径之比规定为吹胀比。

增大拉伸比和吹胀比有利于提高制品强度，但在实际生产中为了保证制品的壁厚满足使用要求，拉伸比和吹胀比都不能过大。

实验表明，二者取值为23时，可得到综合性能较高的制品。

注拉吹制品的透明度、冲击强度、表面硬度和刚度都能有较大的提高，如：

用无拉伸注坯吹塑技术制得的聚内烯中空制品其透明度不如硬质聚氯乙烯吹塑制品，冲击强度则不如聚乙烯吹塑制品。

但用注坯拉伸吹塑成型生产的聚丙烯中空制品的透明度和冲击强度可分别达到硬质聚氯乙烯制品和聚乙烯制品的水平，而且杨氏模量、拉伸强度和热变形温度等均有明显提高。

制造同样容量的中空制品，注坯拉伸吹塑可以比无拉伸注坯吹塑的制品壁更薄，因而可节约成型物料50%左右。

二、挤出吹塑

挤出吹塑与注射吹塑的不同之处在于其型坯是用挤出机经管机头挤出制得。

挤出吹塑工艺过程包括：

①管坯直接由挤出机挤出，并垂挂在安装于机头正下方的领先分开的型腔中；⑧当下垂的型坯达到规定长度后立即合模，并靠模具的切口将管坯切断；③从模具分型面上的小孔送入压缩空气，使型坯吹胀紫贴模壁而成型；④保持充气压力使制品在型腔中冷却定型后开模服出制品。

挤出吹塑法生产效率高，型坯温度均匀，熔接缝少，吹塑制品强度较高；设备简单，投资少，对中空容器的形状、大小和壁厚允许范围较大，适用性广，故在当前中空制品的总产量中，占有绝对优势。

为适应不同类型中空制品的成型，挤出吹塑在实际应用中有单层直接挤坯吹塑、多层共挤出吹塑、挤出--蓄料--压坯--吹塑和挤坯拉伸吹塑等不同的方法。

挤坯拉伸吹塑成型过程比注坯拉伸吹塑复杂，故生产上较少采用。

1、单层直接挤坯吹塑

型坯从一台挤出极供料的管机头挤出后，垂挂在口模下方处在开启状态的两吹塑半模中间，当型坯长度达到预定值之后，吹塑两半模立即闭合，模具的上、下夹口依靠合模力将管坯切断，型坯在吹塑模内的吹胀与冷却过程与无拉伸注坯吹塑相同。

由于型坯仅由一种物料经过挤出机前的管机头挤出制得，故这种吹塑成型常称为单层直接挤坯吹塑或简称为挤坯吹塑。

2、多层共挤出吹塑

多层共挤出吹塑是在单层挤坯吹塑的基础上发展起来的，是利用两台以上的挤出机将不同塑料在不同挤出机内熔融后，在同一个机头内复合、挤出，然后吹塑制造多层中空制品的技术。

多层吹塑中空制品的生产主要是为了满足日益增长的化妆品、药品和食品等对塑料包装容器阻透性的更高要求。

例如，外层树脂为提供良好的刚性、阻燃性和耐候性的聚氯乙烯，而内层为具有优异的耐化学药品性的聚乙烯的双层结构吹塑瓶。

因此，多层吹塑容器所用物料的种类和必要的层、数，应根据使用的具体要求确定。

当然，制品层数愈多，型坯的成型也愈加困难。

3、挤出--蓄料--压坯--吹塑

制造大型中空制品时，由于挤出机直接挤出管状型坯的速度不可能很大，当型坯达到规定长度时常因自重的作用，使其上部接近口模部分壁厚明显减簿而下部壁厚明显增大，而且型坯的上、下部分由于在空气中停留时间的差异较大，致使温度也明显不同。

用这种壁厚和温度分布很不均匀的型坯所成型的吹塑制品，不仅制品壁厚的均一性差，而且内应力也比较大。

对于大型制品，一方面要求快速提供制品所需的熔体数量，减少因体积大自重而引起的型坯下坠和缩径；另一方面，大型制品冷却时间长，挤出机不能连续进行，从而发展了带有贮料缸的机头。

先将挤出机塑化的熔体蓄积在一个料缸内，在缸内的熔体达到预定量后，用加压柱塞以很高的速率使其经环隙口模压出，成为一定长度的管状物。

目前在这种带蓄料缸的吹塑机上已采用可变环隙口模和程序控制器，以实现按预先设定的程序自动控制型坯的轴向壁厚分布，从而进一步提高大型吹塑制品壁厚的均一性。

第三节拉幅薄膜成型

拉幅薄膜成型是在挤出成型的基础上发展起来的一种塑料薄膜的成型方法，它是将挤出成型所得的厚度为13mm的厚片或管坯重新加热到材料的高弹态下进行大幅度拉伸而成薄膜。

拉幅薄膜的生产可以将挤出和拉幅两个过程直接联系起来进行连续成型，也可以把挤出厚片坯或管坯与拉幅工序分为两个独立的过程来进行，但在拉伸前必须将已定型的片或管膜重新加热到聚合物的TgTf（m）温度范围。

薄膜的拉伸是相对独立的二次成型过程。

单轴取向的薄膜，沿拉伸方向薄膜的拉伸强度高，但容易按平行于拉伸方向撕裂，单轴取向在挤出单丝和生产打包带、编织条及捆扎绳时获得应用。

双轴取向中，聚合物的分子链平行于薄膜的表面，相互间不如单轴取向那样平行排列，但薄膜平面相互垂直的两个拉伸方向的拉伸强度都比普通薄膜高。

双向拉伸薄膜有较大的应用范围，如成型高强度双轴拉伸膜和热收缩膜等。

管膜法是以双向拉伸为特点，成型设备和工艺过程都与吹塑薄膜很相似，但由于制品性能较差，实际上此法主要用于生产热收缩薄膜。

平膜法的生产设备及工艺过程较复杂，但薄膜质量较高，故目前工业上应用较多，尤以逐次拉伸平膜法工艺控制较容易，应用最广，主要用于生产高强度薄膜。

一、平挤逐次双向拉伸薄膜的成型

先纵拉后横拉成型聚丙烯双轴取向膜时，挤出机经平缝机头将塑料熔体挤成厚片，厚片立即被送至冷却辊急冷（用于双向拉伸的厚片应是无定形的，工艺上为达到这一要求，对聚丙烯、聚酯等结晶性聚合物所采取的方法是将离开口模的熔融态厚片实行急冷。

）。

冷却定型后的厚片经预热辊加热到拉伸温度后，被引入具有不同转速的一组拉伸辊进行纵向拉伸，达到预定纵向拉伸比后，膜片经过冷却（纵拉后膜片的结晶度可增至10%14%。

纵拉区冷却辊的作用：

一是使结晶过程迅速停止并固定大分子的取向结构；二是张紧厚片避免发生回缩。

）即可直接送至拉幅机（横向拉伸机）。

纵拉后的膜片在拉幅机内经过预热、横拉伸、热定型和冷却作用后离开拉幅机，再经切边和卷统即得到双向拉伸膜。

二、管膜双向拉伸薄膜的成型

管膜双向拉伸薄膜的成型工艺过程分为管坯成型、双向拉伸和热定型三个阶段。

管坯通常由挤出机将熔融塑料经管型机头挤出形成，从机头出来的管坯立刻被冷却夹套的水冷却，冷却的管坯温度控制在TgTf（m）间，经第一对夹辊折叠后进入拉伸区，在此处管坯由从机头和探管通入的压缩空气吹胀，管坯受到横向拉伸并胀大成管形薄膜。

由于管膜在胀大的同时受到下端夹辊的牵仲作用，因而在横向拉伸的同时也被纵向拉伸。

调节压缩空气的进入量和压力以及牵引速度，就可以控制纵横两向的拉伸比，此法通常可达到纵、横两向接近于平衡的拉伸。

拉伸后的管膜经过第二对夹辊再次折叠后，进入热处理区域，再继续保持压力，亦即使管膜在张紧力存在下进行热处理定型，最后经空气冷却、折叠、切边后，成品用卷绕装置卷取。

拉伸和热处理过程的加热通常采用红外线。

此法设备简单，占地面积小，但薄膜厚度不均匀，强度也较低，主要用于聚酯（PET）、聚苯乙烯（PS）、聚偏氯乙烯等。

平膜法和管膜法成型双向拉伸膜的工艺，都可用于制造热收缩膜，但绝大多数热收缩膜是用管膜法生产。

热收缩膜是指受热后有较大收缩率的薄膜制品，用适当大小的这种薄膜套在包装的物品外，在适当的温度加热后管膜在其长度和宽度两个方向上立即发生急剧收缩，收缩率一般可达30%60%，从而使薄膜紧紧地包覆在物品外面成为良好的保护层。

用管膜法生产热收缩膜时，除不必进行热定型外，其余工序均与成型一般双向拉伸膜相同。

第四节热成型

热成型是利用热塑性塑料的片材作为原料来制造塑料制品的一种方法，是塑料的二次成型。

首先将裁成一定尺寸和形状的片材夹在模具的框架上，格其加热到TgTf间的适宜温度，片材一边受热，一边延伸，然后凭借施加的压力，使其紧贴模具的型面，从而取得与型面相仿的型样，经冷却定型和修整后即得制品。

热成型时，施加的压力主要是靠抽真空和引进压缩空气在片材的两面所形成的压力差，但也有借助于机械压力和液压力的。

热成型主要用来生产薄壳制品，制品的类型、大小不一，但一般都是形状较为简单的杯、盘、盖、医用器皿、仪器和仪表以及收音机等外壳和儿童玩具等。

制品的壁厚不大，片材厚度一般为l2mm，甚至更薄，制品的厚度比这一数值还小。

制品的面积可以很大，但深度有一定的限制。

热成型的特点是成型压力较低，因此对模具要求低，工艺较简单，生产率高，设备投资少，能制造而积较大的制品。

但所用原料助经过一次成型，故成本较高，而且制品的后加工较多。

但由于热塑性塑料片材的种类日趋繁多，热成型制品的种类也大大增加，制品的应用范围越来越大，热成型在近年来有较大的发展。

目前，通常用作热成型的塑料品种有纤维素、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）、ABS、高密度聚乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯等。

作为原料用的片材可用挤压、压延和流延等方法来制造。

一、热成型的基本方法

按照制品类型和操作方法的不同，热成型方法有几十种，但不管其变化形式如何，都是由以下几个基本方法略加改进或适当组合而成的。

1、差压成型

差压成型是热成型中最简单的一种，也是最简单的真空成型。

用夹持框格片材夹紧在模具上，并用加热器进行加热，当片材加热至足够的温度时，移开加热器并采用适当措施使片材两面具有不同的气压。

产生差压有两种方法：

一种是从模具底部抽空，称为真空成型。

另一种是从片材顶部通入压缩空气，称为加压成型。

差压成型法制品的特点是：

制品结构比较鲜明，精细部位是与模具面贴合的一面，而且光洁度也较高；成型时，片材与模具面在贴合时间上愈后的部位，其厚度愈小；制品表面光泽度好，并不带有任何瑕疵，材料原料的透明性在成型后不发生变化。

2、覆盖成型

覆盖成型多用于制造厚壁和深度大的制品。

其成型过程基本上和真空成型相同，所不同的是所用模具只有阳模，成型时借助于液压系统的推力，将阳模顶入由框架夹持且已加热的片材中，也可用机械力移动框架将片村扣覆在模具上，使模具下表面边缘处产生一种密封效应，当软化的塑料与模具表面间达到良好密封时再抽真空使片材包覆于模具上而成型，经过冷却、脱模和修整即得制品。

覆盖成型制品的特点是：

与差压成型一样，与模面贴合的一面表面质量较高，在结构上也比较鲜明和细致。

壁厚的最大部位在模具的顶部，而最薄的部位则在模具侧面与底面的交界区。

制品侧面上常会出现牵伸和冷却的条纹。

这是由于片村各部分贴合模面时间上有先后之分，先接触模面的部分先被模具冷却，而在后继的扣覆过程中，其牵伸行为就不如没有冷却的部分强。

这种条纹通常以接近模面顶部的侧面处最多。

3、柱塞助压成型

差压成型的凹形制品底部偏薄，而覆盖成型的凹形制品侧壁偏薄，为了克服这些缺陷，产生了柱塞助压成型的方法。

此法又分为柱塞助压真空成型和柱塞助压气压成型两种。

4、回吸成型

回吸成型有真空回吸成型、气胀真空回吸成型和推气真空回吸成型等。

5、对模成型

采用两个彼此配对的单模来成型。

6、双片热成型

将两片相隔—定距离的塑料片加热至一定温度，故入上下模具的模框上并将其夹紧，一根吹针插入两片材之间，将压缩空气从吹针引入两片材之间的中空区，同时在两闭合模具壁中抽真空，使片材贴合于两闭合模的内腔，经冷却、脱模、修整而得中空制品。

本章作业题：

1．二次成型的定义，二次成型与一次成型的主要区别是什么？

2．简述二次成型的粘弹性原理。

3．根据型坯生产特征，中空吹塑成型可分为哪两大类型？

4．用平挤逐次双向拉伸法成型PP薄膜时，挤出的厚片为何要急冷？

冷却后的厚片在拉伸前为什么又要预热？

5．塑料片材热成型的工艺原理是什么？

列出五种具体方法，说明其成型过程。