高分子材料成型工艺.docx

1、高分子材料成型工艺【课程简介】高分子材料成型工艺是高分子材料与工程专业主要专业课程之一。它是在技术基础课（高分子化学、高分子物理、高分子材料、化工原理等）的基础上开设的。与本课程相关的机械、模具等内容分别由高分子材料成型机械和高分子材料成型模具课讲授。本课程以塑料材料成型工艺为主，阐述高分子材料成型基本理论以及成型所用物料的配制和各种成型工艺方法及原理。【讲授内容与学时安排】总学时48 第一章绪论 1个学时第二章聚合物成型的基础理论 10个学时第三章成型用物料及其配制 4个学时第四章压缩模塑 3个学时第五章挤出成型 6个学时第六章注射成型 6个学时第七章中空吹塑 3个学时第八章泡沫塑料成型 3

2、个学时第九章压延成型 6个学时第十章热成型及其它 4个学时总结与讨论 2个学时【主要参考书】高分子材料成型加工原理 王贵恒主编 化学工业出版社2003年1月印刷聚合物成型加工新技术 【美】詹姆士F.史蒂文森编著 刘廷华等译，化学工业出版社2004年9月印刷高分子材料基本加工工艺 王加龙主编 化学工业出版社2004年7月印刷实用塑料加工技术 叶蕊主编 金盾出版社2001年6月印刷塑料制品生产工艺手册 吴培熙等编著 化学工业出版社1998年5月印刷塑料工业实用手册第二版 丁浩主编 化学工业出版社2000年8月印刷第一章 绪论【学时安排】1个学时【基本内容】11 高分子材料成型工艺在高分子工业体系中

3、的地位从原料到制品生产流程制品生产的组成12 高分子材料成型工艺的发展概况移植时期 改造时期 创新时期13 成型加工技术分类1、按所属成型加工阶段划分一次成型技术二次成型技术二次加工技术2、按聚合物在成型加工过程中的变化划分以物理变化为主的成型加工技术以化学变化为主的成型加工技术物理和化学变化兼有的成型加工技术3、按成型加工的操作方式划分连续式成型加工技术间歇式成型加工技术周期式成型加工技术14 本课程的主要内容和要求本课程在学生具有了热力学、化学、力学、质量与能量的传递、高分子化学及高分子物理和高分子材料性能的基本知识的基础上进行的。重点介绍塑料的一次成型和二次成型以及成型过程中所涉及的理论

4、基础。要求学生在密切结合工艺过程的前提下尽可能对工艺所依据的原理、生产控制因素、在工艺过程中塑料所发生的物理和化学变化和它们对制品性能的影响具有清晰的概念，并进一步理解各种成型工艺所能适应的塑料品种及其优缺点。【教学基本要求】学时安排1.52个学时。【教学重点】以塑料材料的成型加工过程和成型技术的分类为重点。【思考题】塑料成型工艺的发展经历了哪三个时期？一次成型技术、二次成型技术和二次加工技术各包括哪些技术方法？举例说明。第二章 聚合物成型的理论基础【学时安排】10个学时【基本内容】21概述 【学时安排】10分钟【主要内容】塑料成型定义、主要涉及的理论在成型中的重要性。22聚合物成型的流变学基

5、础 【学时安排】5个学时一、基本流动类型【学时安排】0.5个学时1、层流和湍流2、稳态流动和非稳态流动3、等温流动和非等温流动4、拉伸流动和剪切流动5、一维流动、二维流动和三维流动二、聚合物流体的流变行为【教学重点】【学时安排】1.5个学时1、牛顿流体牛顿流体剪切应力和剪切速率的关系 = 牛顿粘度，表示流体抵抗外力引起流动变形的能力。2、非牛顿流体A、 宾哈液体 ：流动方程为 y = 当 y时 完全不流动 = 0 B、 假塑性液体：粘度随剪切应力上升而下降的流体。 流变方程： =kn（n 1） k为流体的稠度 n为流动指数 k、n均为常数kn1=a （n 1）为假塑性流体粘度的表达式。a为塑性

6、粘度，又叫表观粘度从此式可看出，表现粘度随剪切速率的增加而减小，也即流动性增大。对于同一种物料，分子量相同时，分子量分布宽的流动性对的敏感性大。 a取向理论：b缠结理论C、 膨胀性流体： D 有时间依赖性液体 触变性流体（摇溶性） 反触变性流体（震凝性液体）3、 拉伸粘度：拉伸应力 和拉伸应变速率 的关系也可用关系式表示： = 拉伸粘度拉伸粘度和剪切粘度的区别；拉伸粘度与拉伸应力的关系；拉伸粘度与拉伸应变速率的关系。【基本要求】：介绍剪切流动和拉伸流动的情况，占用1个学时，重点是非牛顿流体在剪切流动时，粘度随着剪切应力和剪切速率的变化情况，尤其是假塑性流体的流动方程和粘度的关系式。结合实际分析

7、剪切粘度和拉伸粘度对成型加工的影响。三、温度和压力对粘度的影响【教学重点】【学时安排】0.5个学时1、温度对的影响：大部分聚合物分子的链刚度和分子链间引力越大，则它的表观粘度对T的敏感性就越大。2、压力对粘度的影响 3、典型的模塑范围图可以看出，只有温度、压力在要求范围内，才能模塑。压力增加相当于温度降低。四、聚合物熔体在成型过程中的弹性行为【教学重点】【学时安排】0.5个学时1、剪切弹性物料所受剪切应力，对其发生的剪切弹性变形的比叫做剪切弹性模量G G=/R它表征了塑料熔体抵抗剪切变形的能力。影响剪切弹性模量的因素：主要是相对分子量分布，分布宽，模量小、弹性恢复大而缓慢；分布窄则相反。聚合物

8、熔体受应力时，发生弹性和粘性变形，两种哪一种占优势，在成型过程中要考虑。用松弛时间（聚合物熔体受应力作用时，表观粘度对弹性模量的比值）多少来判断。2、拉伸弹性拉伸弹性模量E为物料所受拉伸应力对其发生拉伸弹性变形R的比。E=/R它表征了塑料熔体抵抗拉伸变形的能力。聚合物熔体的E在单向拉伸时低于1Mpa时，等于剪切弹性模量的三倍，拉伸弹性变形的最高限值约为2。成型过程中，由拉伸应力引起的变形是弹性还是粘性占优势，仍然依据松弛时间。剪切弹性和拉伸弹性有时是同时出现的。聚合物熔体在锥形流道中同时受有拉伸应力和剪切应力。仍可以用松弛时间来区别熔体中弹性是剪切弹性还是拉伸弹性。五、聚合物液体在导管内的流动

9、【学时安排】1.5个学时剪切应力与管径管长和压力降关系式 r = 其意义：剪切应力在中心处 r = 0时，为0，在管壁处 r = R时，为最大，与牛顿型和非牛顿型流体无关。1 牛顿型流体：任意质点流速流动方程：将该式改写 RP/2L=4Q/R3 与=比较剪切应力 剪切速率应用：用实验方法测Q，计算，在不同P下得到、，作图可得到牛顿流体的剪切应力和剪切速率曲线，即流动曲线。是一直线。2、非牛顿性液体【教学难点】已知=Kn =（/K）1/n dur/dr=（/k）1/n得任意半径处的速度分布流体的体积流率为流速截面积，可得流量方程：将此式两边取对数得： 流量关系式与剪切速率关系式比较得管壁处剪切速

10、率 在圆管中心处，剪切速率为零，管壁处最大。3、测聚合物流动性的方法【教学重点】（1）熔体流动速率测试仪（2）毛细管流变仪（3）转矩流变仪六、流动的缺陷【教学重点】【学时安排】1个学时1、管壁上的滑移2、端末效应（1）入口效应；聚合物流体在管道入口端因出现收敛流动，使压力降突然增大的现象称为入口效应。（2）出口效应（Brass效应）a Le段有拉伸弹性形变，由收敛流动造成的b Ls段有剪切弹性形变。一般膨胀没有太准确的计算方法，可以用膨胀比B来衡量离模膨胀的程度，当无外力拉伸时，膨胀比B=Ds/D 影响膨胀比的因素和改进办法。 3、弹性对层流的干扰弹性湍流定义。弹性雷诺准数SR（实际上是熔体弹

11、性应变的大小）SR= a J = J = /G 为表观剪切速率 a为表观粘度 J为弹性柔量=1/G当SR大于等于7时，将发生弹性湍流，引起熔体破坏。4、鲨鱼皮症症迹、原因和影响因素：5、熔体破碎症迹、产生原因。临界剪切速率和临界剪切应力定义， 影响因素。【小结】常见聚合物的流动有拉伸流动和剪切流动，掌握剪切应力和剪切速率、拉伸应力和拉伸速率对聚合物熔体粘度的影响，以及对成型的指导意义。分析不稳定流动的原因。2-3聚合物加热和冷却【学时安排】1个学时一 传热：热量传递方式，传导、对流、辐射。聚合物的传热主要靠传导和对流，传热速率决定于物料的固有性能热扩散系数=k/cp k为导热系数 cp为定压热

12、容 为密度。表2-4列出某些材料的热性能。越大，传热越快。二 聚合物加热冷却的特点1聚合物热扩散系数很低，即传热速率很慢。 2 对聚合物加热时，不能将推动传热速率的温差（热源与被加热塑料之间的）提的太大。原因：3 聚合物熔体粘度大，在成型过程中流动时会因内摩擦产生较大的热量Q=1/J = 1/J a2 J为热功当量 如果熔体的流动是在圆管中，则中心Q为0，管壁最大。4、结晶聚合物加热冷却特点。 2-4 聚合物的结晶【学时安排】1个学时一 聚合物的结晶能力1、一般来说，具有严整的重复空间结构的聚合物通常都能结晶。2、适当的分子间力3、分子链节小，柔顺性适中，都有利于结晶。4、缩聚物比加聚物结晶困

13、难。二、成型过程中影响结晶的因素【教学重点】1、冷却速度的影响a）当Tc接近Tm时的情况 b）当TcTg时，T大时的情况C）Tc在Tg以上附近的温度，高聚物一般采取的冷却温度。2、熔融温度和熔融时间的影响3、应力作用的影响4、低分子物和固体杂质的影响三、结晶对制件性能的影响1、结晶对制品密度及光学性能的影响2、结晶对制品性能的影响3、结晶对热及其它方面性能的影响4、结晶形聚合物，分子链排列规整、紧密，与无定形聚合物相比，能更好地阻挡各种试剂地渗入，所以结晶度提高，耐溶剂性提高。2-5成型过程中的定向作用【学时安排】2个学时一 纤维状填料的定向1、对于热固性塑料制品：以扇形模具为例分析。2、对于

14、热塑性塑料：二、热塑性塑料成型过程中聚合物分子的定向【教学重点】1、取向度在模腔内分布；2、影响取向程度的因素；3、定向对制品性能的影响。 三、拉伸定向【教学难点】1、定义： 2、结晶与取向的关系：3、拉伸定向过程中的形变（1）瞬时弹性形变（2）分子排直形变（3）粘性形变4、拉伸取向规律：拉伸时工艺控制因素：拉伸比、拉伸速度、拉伸温度（冷却温度）5、拉伸非晶态高聚物的工艺过程（PVC、PS）6、拉伸晶态高聚物的工艺过程（PET、PP、PE等）【章末总结】本章重点介绍聚合物成型的流动行为及流动过程中的不稳定原因，聚合物成型过程中的结晶、定向问题以及聚合物的加热和冷却的特点。本章为整个课程的教学重

15、点和难点，共占用10个学时。【要求学生掌握内容】聚合物流体流动过程中剪切应力、剪切速率和粘度的关系，以及熔体粘度的测定方法。聚合物剪切流动和拉伸流动过程中的粘度的影响因素，对成型过程的影响。造成聚合物不稳定流动的原因分析，聚合物成型过程中结晶的影响因素，热固性塑料和热塑性塑料流动取向区别以及取向规律。结晶与取向的关系。【思考、作业题】1. 塑料成型加工过程中受有那些应力？以什么应力为主？2. 牛顿流体和非牛顿流体有什么区别？试从数学表达式和物理意义上分析讨论。3. 粘性系统中的假塑性流体和膨胀性流体各有什么特点？试从分子机理加以分析。4. 剪切粘度和拉伸粘度在塑料成型中意义如何？5. 试说明剪

16、切弹性模量和拉伸弹性模量及松弛时间的意义。6. 成型过程中有那些因素影响聚合物的粘度？7. 简要说明聚合物弹性的起因和表现形式。如果被加工的塑料种类和牌号确定后，怎样减少或消除弹性效应？8. 聚合物受热有什么特点？结晶形聚合物和非结晶形聚合物受热的主要差别是什么？9. 结晶对制品性能有何影响？在塑料成型中哪些因素有利于结晶？哪些因素不利于结晶？10. 试分析纤维状填料和聚合物分子的定向有什么不同？热塑性塑料和热固性塑料的定向各有何特点？并简要说明原因。11. 在成型制品过程中，什么时候需要定向？什么时候不需要定向？各采取什么措施达到目的？12. 结晶与定向有什么关系？13. 聚合物流体在圆管中

17、流动时，其剪切应力、剪切速率、流率与流道尺寸、压强降、流体的粘度各有什么关系？如何用毛细管流变仪测聚合物的粘度？第三章 成型用的物料及其配制【学时安排】4个学时【基本内容】31概述：成型用的物料形状、组成及添加目的等3-2 粉料及粒料【学时安排】2.5个学时粉料将树脂和助剂混合分散均匀，只要简单的混合，又叫干混料。粒料将粉料通过塑炼（混炼）或挤出作业，使之进一步塑化而制成粒子。一粉料和粒料的组成【重点内容】1聚合物（树脂）2增塑剂3稳定剂4填料5增强剂6润滑剂7、着色剂 二粉料的制备（主要是聚氯乙烯）主要包括原料的准备和混合两方面。1原料的准备： 2原料的混合（1）混合的目的：a、均匀分散各组

18、分b、水分低分子物去除（高速混合料温可达120）c、树脂进入高弹态，部分吸收增塑剂d、某些助剂（如润滑剂加工改性剂）开始溶化而相互渗透。（2）混合作用机理：混合一般靠三种作用来完成，扩散、对流、剪切。（3）混合方法：通常按混合物料物理状态分三种：A、干混合 B、捏合 C、塑炼（4）混合程度的评定（5）混合工艺过程1）对于润性物料（加入液体组分，主要是增塑剂的物料）的混合2）对于干性物料（非润性物料）的初混合加料顺序：三、粒料的制备1.塑炼塑炼目的、塑炼料测定、塑炼的终点测定：3、塑炼设备及原理：（1）两辊机塑炼【重点内容】： 塑炼原理：两辊机塑炼的特点：（2）密炼机塑炼： （3）挤出机塑炼（二

19、）造粒造粒的目的；造粒设备简介。四、 粉科和粒科的工艺性【难点内容】1、热塑性塑料的工艺性（1）塑料状态和温度的关系（2）流动性（3）收缩性热塑性塑料成型收缩的原因降低成型收缩率可采取措施。（4）相容性（5）其它 吸湿性及热稳定性也是影响热塑性塑料工艺性的两个重要方面。2、 热固性塑料的工艺性（1）收缩性 造成热固性塑料收缩的原因；降低热固性塑料在成型时的收缩率方法。（2）流动性 在成型温度和压力下充满整个模具型腔的能力。测定其流动性的方法有三种： 测流程法； 测流动时间法；流动速度测量法影响热固性塑料流动性的因素主要包括两个方面：原材料的影响：模具及成型工艺的影响：（3）水分及挥发分含量（4

20、）固化速度（5）细度和均匀度（6）压缩率3-3分散体【学时安排】1.5个学时一、成型用分散体及其分类1、分散体定义 2、分散体分类塑性溶胶、有机溶胶、塑性凝胶、有机凝胶。二、分散体的组成及其各组分的作用1树脂 2分散剂 3稀释剂 4胶凝剂 5填充剂 作用主要是降低成本。要求：6表面活性剂 7其它三、溶胶塑料的制备【重点内容】1原料准备2混合3脱泡 4贮存四、分散体的流变行为【难点内容】1、分散体的黏度总是大于分散媒的黏度，影响黏度的因素2、流动行为五、搪塑成型【重点内容】1、方法： 2、糊塑料在烘熔中的变化：可分为两个阶段，胶凝和熔化。 3、影响搪塑制品质量的因素（1）粘度（2）预热温度 （3

21、）糊塑料在模具中的停留时间也会影响制品厚度。（4）烘熔温度和时间 六、糊塑料其它成型方法介绍：1、流涎薄膜 2、蘸浸成型 3、滚塑 【本章总结】：主要介绍成型用的粉料、粒料和分散体的组成、制备方法及工艺性能。【要求掌握内容】：有关成型物料的组成和一些基本术语，各配合剂的作用，物料混合时的加料顺序，两辊机塑炼的原理及特点，热塑性塑料和热固性塑料的工艺性能有什么不同，掌握搪塑制品的成型方法及原理。【思考、作业题】1粉料与粒料的组成有哪些？在配方中各起什么作用？2何谓浆料和母料？3物料混合有哪些机理？塑料成型时熔融物料的混合以哪种机理为主？4捏合和塑炼各用什么设备？它们都在何温度下进行的？双辊机塑炼

22、有何特点？5何谓润性物料与非润性物料？配合时各应注意怎样的加料顺序？6热固性塑料和热塑性塑料的工艺性能有何不同？如何测它们的流动性？7影响热塑性塑料和热固性塑料收缩率和流动性的原因有哪些？8什么是分散体？它的组成有哪些？掌握搪塑制品的成型方法。了解它在成型过程中的物理变化和流变行为。糊塑料还能用什么方法成型？第四章 压塑模塑【学时安排】3个学时【基本内容】4-1概述 模压成型过程，模压优缺点，模压成型用原材料【学时安排】10分钟4-2压缩模塑设备【学时安排】10分钟一、压机 分上动式压机和下动式压机二、模具 溢式模具、半溢式模具和不溢式模具4-3压塑模塑工艺过程 【学时安排】30分钟一、成型材

23、料预处理 1、预压2、预热（1）预热的作用及工艺（2）预热的方法A热板加热B烘箱加热C红外线加热 D高频加热二、模压1、安放嵌件2、加料3、闭模4、排气5、固化6、脱模7、清理模具型腔8、后处理4-4模压工艺条件的控制【重点内容】【学时安排】1.5个学时一、模压温度1、 模压温度对塑料成型主要有两个方面的作用：使塑料在模具型腔中受热软化，并达到熔融状态，以便获得足够的流动性，顺利地充满型腔；提供热固性塑料固化所需要的热量，以达到在型腔中固化定型的目的。2、模压温度影响因素3、模压温度选择依据：二、模压压力【难点内容】计算： PmPoR2A 1、模压压力的作用 2、模压压力影响与选择 三、模压时

24、间1、模压时间定义2、模压时间与模压温度、预热情况、固化速度、制品壁厚关系。3、模压温度、模压压力和模压时间关系4-5 冷压烧结成型【学时安排】0.5个学时以PTFE为例介绍冷压烧结成型工艺过程。一、冷压制坯冷压时注意事项：二、烧结1、烧结原理2、烧结步骤（1）升温（2）保温三、冷却【章末总结】本章介绍了模压设备，过程及工艺控制因素。主要内容是热固性塑料的模压成型的工艺控制。聚四氟乙烯的冷压烧结成型作为一种特殊成型方法也要了解。【要求掌握内容】压缩模塑的特点，模压过程及影响因素。【思考、作业题】1、在相同的条件下模塑成型时，为什么经过预热的料所得到得制品强度高？2、模具结构对热固性塑料模压过程

25、中模腔内得物料的体积变化和所承受压力的变化有何影响？3、用热固性塑料模压一厚壁圆管状制品，制品外径180，内径160，高60，密度1.36g/3，若模压压力取30Mpa，固化速率取0.8min/mm，试求模压该制品时的最小加料量、最短模压时间、和所用液压机的最小吨位？4、为什么在厚壁的热固性塑料模压制品中会有表层的切向压应力和芯层的径向拉应力？5、模压压力、模压温度、模压时间的选择和对制品强度的影响？6、聚四氟乙烯冷压烧结成型制品的成型工艺由哪三个基本过程组成？有哪些因素会对制品质量产生影响？第五章 挤出成型【学时安排】6个学时【重点内容】挤出过程中温度和螺杆转速对成型的影响；挤出管材和吹塑薄

26、膜的工艺分析。【基本内容】5-1概述 【学时安排】20分钟 挤出方法简介，挤出成型所用原材料，挤出制品，挤出分类5-2挤出制品生产流程【学时安排】30分钟一、成型物料的预处理干燥、预热、着色、混入各种添加剂和废品的回收利用等。二、挤出造型【难点内容】1、料筒、机头和口模的温度和压力分布 2、螺杆转速对挤出的影响3、温度对挤出的影响三、定型与冷却四、牵引、卷取和切断5-3 几种挤出制品成型工艺一、管材挤塑【学时安排】1个学时【重点内容】1、管材挤出成型工艺流程硬管的流程为：软管的流程，2、挤出工艺分析（1）挤出机（2）机头设计机头时应注意的几个问题：造成合流痕的原因： 消除这种现象方法： （3）

27、定径挤出硬管的定径方法有内定径和外定径。外定径又有真空法外定径和内压法外定径。外定径和内定径的区别。 （4）冷却（5）牵引（6）切割3、操作时注意事项二、吹塑薄膜的挤出【学时安排】1个学时【重点内容】1、吹塑薄膜的生产原理及特点：2、吹塑薄膜的生产方式（1）平挤上吹法特点：（2）平挤下吹法特点：（3）平挤平吹法特点： 3、吹塑用挤出机和机头（1）挤出机的选择（2）机头要求：4、吹塑工艺控制（1）工艺流程:挤出管坯 吹胀（冷却、牵引）管泡 卷取（2）工艺控制因素A 吹胀比、牵引比、口模环隙宽度b、薄膜平均厚度 =b/B 冷却速率吹塑薄膜显著的特点是吹胀、牵引、冷却同时进行。冷冻线高度的影响因素：

28、C 牵引牵引辊作用、牵引辊到口模的距离、如果冷却不充分，两层薄膜会出现“自粘”现象。解决办法：一是降低冷冻线高度；二是加大模口到牵引辊的距离；另外可加开口剂。三、板材挤出【学时安排】1个学时在1mm以上的为板材；0.25mm1mm为片材；0.25mm以下为平膜。1、工艺流程2、挤出机和机头3、三辊压光机 （1）三辊压光机的作用： （2）三辊压光机的结构： （3）压光机和机头的距离一般为50100mm。（4）压光机各辊的温度 （5）压光机的线速度4、冷却过程中注意事项。5、切边6、牵引牵引装置的作用牵引速度控制7、切割方法有电热切、锯切和剪切。另外，为了控制厚度在给定范围内，多采用射线测厚仪。四

29、、其它挤出制品【学时安排】1个学时1、波纹管2、电线电缆3、打包带4、编织袋【章末总结】本章主要介绍了挤出成型的特点，成型过程和工艺控制因素，并针对三种产品进行了详细分析。【要求掌握内容】挤出产品的类型，挤出成型工艺控制因素，管材，薄膜挤出成型工艺过程及影响产品质量的因素。【思考、作业题】1.挤出过程中，螺杆转速、物料温度、物料所承受的压力和熔体黏度有什么关系？2.热固性塑料型材为什么不能用挤出成型？3.影响热塑性塑料挤出型材截面尺寸的因素有哪些？4.PVC硬管和软管生产工艺有什么异同？5.挤出吹膜时，若挤出的管状物壁厚b和筒膜壁厚都很小，若以吹胀比和牵引比将6.管状物吹塑成筒膜，试证明以上四参数之间的关系=b/。7.挤出成型耐高压大口径的管材时，为什么以采用内定径方法为好？8.挤出管材（尤其是硬管）时，造成“合流痕”的原因是什么？如何消除？9.挤出吹膜的冷冻线高低的影响因素有哪些？其与薄膜性能有什么关系？10.试设计PP双向拉伸薄膜（BOPP）的生产工艺过程？并简要说明。第六章 注 塑