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1、高 分 子 材 料,于美燕,1,第1章 绪论,1.1 高分子材料的发展史1.2 高分子材料的类型与特征1.3 高分子材料的成型加工,2,1.1 高分子材料的发展史,材料、能源、信息是现代科学的三大支柱 材料分类,高分子材料：即聚合物材料，是工业、农业、国防和科技等领域的重要材料,力学性能：强度、刚度、变形,声、光、电、热等,结构材料,功能材料,3,高分子材料的分类,按照来源分为：,天然高分子材料,合成高分子材料,皮毛、天然橡胶、棉花、纤维素、虫胶、蚕丝、甲壳素、木材,合成塑料、合成纤维、合成橡胶,按照物理形态和用途：塑料、纤维、橡胶、黏合剂、涂料、聚合物基复合材料、聚合物合金、功能高分子材料、
2、生物高分子材料等,4,天然高分子材料的发展史,远古时期：皮毛、天然橡胶、棉花、纤维素、虫胶、蚕丝、甲壳素、木材等开发了天然高分子材料的改性和加工工艺：19世纪，德国人，硝酸溶解纤维素纺丝制膜；制备炸药；硝化纤维素制成“赛璐珞”天然橡胶的改性：1823年，英国，第一个橡胶工厂，防水胶布1839年，美国，硫化改性，硫化胶橡胶加工工艺完善，蓬勃发展，一日千里,5,合成高分子材料的发展史,20世纪初，酚醛树脂的合成：酸条件下，线型；碱条件下，体型20世纪60年代后期：合成各种特性的塑料材料，例如，聚甲醛、聚氨酯、聚碳酸酯、聚砜、聚酰亚胺、聚苯硫醚等合成特种涂料、黏合剂、液体橡胶、热塑性弹性体、耐高温特
3、种有机纤维,6,耐高温、高强度、高模量、高冲击性、耐极端条件的高性能高分子材料发展迅速向功能化、智能化、精细化方向发展21世纪，高分子材料成为现代工程材料的主要支柱,7,1.2 高分子材料的类型与特征,1.2.1 塑料 塑料是在玻璃态下使用的、具有可塑性的高分子材料。它是以树脂为主要组分，加入各种添加剂，能在一定温度和压力下加工成形的各种材料的总称。,8,塑料的组成：,1）树脂:塑料的主要组分。它胶粘着塑料中的其它一切组成部分，并使其具有成型性能。绝大多数塑料就是以所用树脂命名的。,9,2）填充剂（填料）:提高塑料的力学、电学性能或降低成本等。如加入铝粉可提高光反射能力和防老化；加入二硫化钼可
4、提高润滑性。常用填充剂有云母粉、石墨粉、炭粉、氧化铝粉、木屑、玻璃纤维、碳纤维等。,10,3）增塑剂:提高塑料的可塑性和柔软性。常用熔点低的低分子化合物来增加大分子链间距离，从而达到增加大分子链的柔顺性的目的。常用增塑剂有甲酸酯类、磷酸酯类、氯化石蜡等。,11,4）稳定剂:提高塑料对热、光、氧等的稳定性，延长使用寿命。常用热稳定剂有硬酯酸盐、环氧化合物和铅的化合物等。光稳定剂有炭黑、氧化锌等遮光剂。,12,5）增色剂:赋予塑料制品各种色彩。常用的着色剂是一些有机染料和无机颜料。有时也采用能产生荧光或磷光的颜料。6）润滑剂:提高塑料在加工成形过程中的流动性和脱模能力，同时可使制品光亮美观。常用润
5、滑剂有硬酯酸、盐类等。,13,7）固化剂:与树脂发生交联反应，使受热可塑的线型结构变成热稳定好的体型结构。常用的固化剂如六次甲基四胺、过氧化二苯甲酰等。8）其他:还有发泡剂、催化剂、阻燃剂等。,14,塑料的分类：,1）按塑料热性质分类：热塑性塑料：受热时软化或熔融、冷却后硬化，韧性好，可反复成型加工。聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚苯醚、聚四氟乙烯等。,15,热固性塑料：在加热、加压并经过一定时间后即固化为不溶、不熔的坚硬制品，立体网状结构，不可再生。具有更好耐热性和抗蠕变能力。酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂、有机硅树脂等。,16,2）按塑料的功能和用途分类：通用塑料：产量大、用途广、价格低
6、的塑料，。但性能一般，主要用于非结构材料。聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料、氨基塑料 等。工程塑料：具有较高力学性能，能替代金属制造机械零件和工程构件的塑料。具有较宽的温度适用范围，能在苛刻条件下长时间使用。,17,长期在100150范围内应用的塑料，称为通用工程塑料；聚酰胺、聚苯醚、聚甲醛、聚碳酸酯 等在150 以上长期使用的成为特种工程塑料。聚砜、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚芳酯 等。功能塑料：导电塑料、导磁塑料、感光塑料等。,18,1.2.2 橡 胶,橡胶是以高分子化合物为基础的、具有良好高弹性的材料。线形柔性高分子聚合物，以生胶为原料，加入适量配合剂而形成。,19,橡胶的结构特
7、征,（1）分子链具有足够的柔性；（2）玻璃化温度比室温低得多：（3）在使用条件下不结晶或结晶较小，理想情况是在拉伸时可结晶，除去外力后结晶又消失，网状结构,20,橡胶的组成,橡胶是以生胶为主要成分，添加各种配合剂和增强材料制成的。按原料来源有天然橡胶和合成橡胶。1）生 胶 生胶是指无配合剂、未经硫化的橡胶。主要成分,21,2）配合剂用来改善橡胶的某些性能。常用配合剂有硫化剂、硫化促进剂、活化剂、填充剂、增塑剂、防老化剂、着色剂等。,硫化剂:用来使生胶的结构由线型转变为交联体型结构，从而具有一定强度、韧性、高弹性。,22,常用硫化剂有硫磺和含硫化合物，有机过氧化物，胺类化合物、树脂类化合物、金属
8、氧化物等。,硫化促进剂:缩短硫化时间，降低硫化温度，改善橡胶性能。常用促进剂有二硫化氨基甲酸盐、黄原酸盐类、噻唑类、硫脲类和部分醛类及醛胺类等有机物。,23,活化剂：用来提高促进剂的作用。常用活化剂有氧化锌、氧化镁、硬酯酸等。填充剂：用来提高橡胶的强度、改善工艺性能和降低成本。用于提高性能的填充剂称为补强剂，如炭黑、二氧化硅、氧化锌、氧化镁等；另外还有用于降低成本的填充剂，如滑石粉、硫酸钡等。,24,增塑剂：用来增加橡胶的塑性和柔韧性。常用增塑剂有石油系列、煤油系列和松焦油系列增塑剂。防老剂：用来防止或延缓橡胶老化。主要有石蜡、胺类和酚类防老剂。,25,橡胶的制备及成形,（一）硫 化,聚异戊二
9、烯的硫化反应,26,（二）混 合,生胶流动温度高、粘度大，它与各种配合剂的混合，需要通过塑炼和混炼来实现。1）塑 炼：强迫生胶反复通过两个转速不同的滚筒之间的间隙，使之在强剪切力作用下长分子链被切断，相对分子量减小，从而流动性增加（即塑性增加）的工艺过程。螺杆式塑炼机或两辊式塑炼机,27,2）混 炼：将塑炼后的生胶和配合剂混合均匀的过程。混炼的加料顺序是：塑炼胶、防老剂、填充剂、增塑剂、硫化剂及硫化促进剂等。混炼时要注意严格控制温度和时间。常用的混炼机有密炼机和开炼机，通常联合使用。,28,29,开炼后的状态,30,（三）成 形,大多数橡胶制品都是被加热到硫化温度以上，在模具中成形。,1）模压
10、法：将预压好或经称重的型坯直接放入模腔，合模加热加压，使产品硫化直至定型。,2）注射法：与热固性塑料注射成形类似。,31,橡胶的性能指标,（1）拉伸强度：试样在拉伸破坏时，原横截面上单位面积上所受的力，单位Mpa（2）扯断伸长率：试样在拉伸破坏时伸长部分的长度与原长度之比（3）硬度：衡量橡胶抵抗变形能力的指标之一。,32,（4）定伸应力：试样在一定伸长时，原横截面上单位面积所受的力，单位为Mpa（5）撕裂强度：试样在单位厚度上所承受的负荷，单位KN/m，表示橡胶耐撕裂性的好坏,33,（6）阿克隆磨耗：在阿克隆磨耗机上，使试样与砂轮成15倾斜角和受到2.72Kg的压力情况下，橡胶试样与砂轮磨耗1
11、.61Km时，用被磨损的体积来表征橡胶的耐磨性，单位cm3/1.61Km。另外还有回弹性、生热、压缩永久变形、低温特性、耐老化特性等,34,1.2.3 纤 维,凡能保持长度比本身直径大100倍的均匀条状或丝状的高分子材料均称纤维。天然纤维（棉花、麻、蚕丝等）人造纤维 化学纤维 合成纤维,35,纤维,人造纤维是用自然界的纤维加工制成，如：“人造丝”、“人造棉”。合成纤维是由合成的聚合物制成的，它发展很快。,1）涤纶 即聚酯纤维，又叫的确良，具有高强度、耐磨、耐腐蚀，易洗快干等优点，是很好的衣料纤维。,36,2）尼龙 即聚酰胺，又称棉纶，其强度大、耐磨性好、弹性较好，主要缺点是耐光性差。3）腈纶
12、即聚丙烯腈，有人造羊毛之称。,4）维纶 即聚乙烯醇缩醛纤维，性能与棉花相似，且强度高，缺点是弹性差，织物易皱。,37,5）丙纶 即聚丙烯，以轻、牢、耐磨著称，缺点是可染性较差，且晒易老化。6）氯纶 即聚氯乙烯，难燃、保暖、耐晒、耐磨、弹性好，但染色性差，热收缩大，限制了它的应用。,38,1.2.4 涂料,涂料是指涂布在物体表面的具有保护和装饰作用的膜层材料。涂料的组成1）成膜物：涂料最主要的成分，其性质对涂料的性能起主要作用,39,对成膜物的要求：能溶于适当的溶剂必须与物体表面和颜料具有良好的结合力,成膜物的分类：反应型成膜物：伴有化学反应，形成网状交联结构，相当于热固型聚合物；例如环氧树脂、
13、醇酸树脂等,40,挥发型成膜物：未发生化学反应，成膜只是溶剂挥发，成膜物为热塑型聚合物；例如纤维素衍生物、氯丁橡胶等2）颜料：主要起遮盖和赋色作用无机颜料如铅铬黄、镉黄、铁红、钛白粉等有机颜料如炭黑、酞菁蓝等 颜料还有增强、赋予特殊性能、改变流变性能、降低成本等作用。,41,3）溶剂,即用来溶解成膜物的易挥发性有机液体溶剂对成膜物的溶解能力决定了形成的树脂溶液的均匀性、漆液的黏度和漆液的贮存稳定性；溶剂的挥发性会影响涂膜的干燥速度、涂膜的结构和涂膜外观的完美性。常用的溶剂：甲苯、二甲苯、丁醇、乙酸乙酯,42,除此之外，其他添加剂，如增塑剂、湿润分散剂、浮色发花防止剂、催干剂、抗沉降剂、防腐剂、
14、防结皮剂、流平剂等,43,1.2.5 黏合剂,黏合剂又称胶粘剂，是一种把各种材料粘合在一起，并且在胶接面处具有足够强度的物质；它以各种树脂、橡胶、淀粉等为基体材料，添加各种辅料而制成的。,44,辅料对主要成分起到一定的改性或提高品质的作用。常用的辅料有：固化剂、促进剂、硫化剂、增塑剂、填料、溶剂、稀释剂、偶联剂、防老剂等。黏合剂的分类：,45,按主要成分分类：,黏合剂,有机黏合剂,无机黏合剂,天然黏合剂,合成黏合剂,动物胶：骨胶、虫胶、鱼胶,植物胶：淀粉、松香,矿物胶：矿物蜡、沥青等,热塑性树脂黏合剂,热固性树脂黏合剂,橡胶型黏合剂,合金型黏合剂,磷酸盐型,硅酸盐型,硼酸盐型,玻璃陶瓷及其他低
15、熔点物等,46,按受力情况分类：,黏合剂,结构型黏合剂：用于有长期负荷处,非结构型黏合剂：有一定胶黏强度,特种黏合剂：如高温低温、导电、水下等,47,按使用形式分类：,黏合剂,单组分黏合剂,双组分黏合剂,48,按黏合剂形态分类：,黏合剂,水性胶,水溶液：聚乙烯醇、酚醛,水乳型：乳胶、聚丙烯酸酯,溶剂型胶：氯丁橡胶、天然橡胶,无溶剂胶,液态胶：聚氰基丙烯酸酯、聚氨酯,黏流性胶：环氧树脂,膏状物,膏状胶,腻子：如嵌缝胶等,固体形状：如热熔胶,其他形状：如不干胶带、封热胶等,49,1.2.6聚合物基复合材料,聚合物基复合材料是以高分子聚合物为基体，添加各种增强材料制得的一种复合材料。聚合物基复合材料
16、具有许多优异性能：1）具有很高的比强度及比模量；,50,2）耐疲劳性能好；3）减震性能好；4）过载安全性好；5）耐高温性好；6）具有很强的可设计性,51,1.2.7聚合物合金,把不同种类的聚合物加以混合得到的具有理想性能的聚合物材料，称为聚合物共混物或聚合物合金。聚合物合金种类繁多，主要包括：,高分子化合物,均聚物,共聚物,无规共聚物,交替共聚物,嵌段共聚物,接枝共聚物,共混物,物理混合物,化学混合物：交织网络、溶液接枝,渐变聚合物,机械混合、溶液浇注、胶乳混合,52,聚合物合金的制备途径,1）物理共混：机械共混：是将两种或两种以上的均聚物或共聚物通过机械方法混合。溶液共混：是将共混的聚合物各
17、组分溶解在一种溶剂中，然后把溶剂蒸发使聚合物共混。胶乳共混：是将两种或两种以上的聚合物胶乳进行混合，然后再进行共凝聚使它们共混。,53,2）化学共混：具有化学反应为特征的共混溶液接枝共混：是将一种线型聚合物溶解于另一种单体中，然后使该单体聚合。互穿聚合物网络：是将一种已交联的聚合物浸入到另一种单体中，单体渗入聚合物使之溶胀，并且聚合；另外还有一种是把集中线型聚合物胶乳混合，加入交联剂再凝聚得到各自交联且相互贯穿的聚合物网络。,54,1.2.7功能高分子材料,功能高分子材料是除了力学功能、表面和界面功能以及部分热学功能的高分子材料，主要包括有物理功能、化学功能、生物功能和功能转换型的高分子材料。
18、,55,物理功能高分子材料包括具有电、磁、光、声、热功能的高分子材料，是信息和能源等高技术领域的物质基础；化学功能高分子材料包括具有化学反应、催化、分离、吸附功能的高分子材料，在基础工业领域有广泛的应用；,56,生物功能高分子材料就是医用高分子材料，是组织工程的重要组成部分；功能转换型高分子材料是具有光电转换、电磁转换、热电转换等功能和多功能的高分子材料；新型功能高分子材料是近年来发展起来的生态环境、智能和具有特殊结构等的高分子材料；如树枝聚合物、超分子聚合物、拓扑聚合物、手性聚合物等。,57,1.3 高分子材料的成型加工,高分子材料的成型加工方法很多：可采用注射、挤出、压制、压延、缠绕、铸塑
19、、烧结、吹塑等方法成型制品；可采用喷涂、浸渍、黏结、沸腾床等离子喷涂等方法将高分子材料覆盖在金属或非金属基体上；可采用车、磨、刨、刮、铣、锉、钻、抛光等方法进行二次加工。最主要、最常用的加工方法是：挤出成型、注射成型、吹塑成型、压制成型,58,1.3.1 挤出成型,挤出成型工艺原理：是在挤出成型机中通过加热、加压将原料在料筒中加热至流动状态，同时通过螺杆向前推压至机头，通过不同形状和结构的口模连续挤出，获得不同形状的型材，如管、棒、带、丝、板等。,59,挤出成形的生产效率高，可自动化连续生产，一般使用热塑性塑料作原料。例如，聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚丙烯酸酯类、聚偏氯乙烯、
20、聚四氟乙烯等。,60,挤出成型过程,第一阶段：塑化，就是经过加热或加入溶剂使固体物料变成黏性流体；第二阶段：成型，就是在压力的作用下，使黏性流体经过口模而得到连续的型材；第三阶段：定型，就是用冷却或溶剂脱除的方法使型材由塑性状态变为固体状态。,61,挤出成型机及其附属装置完成这三个阶段,挤出机示意图,62,挤出成型示意图,63,1.3.2 注射成型,注射成型又可称为注射模塑或注塑，主要用于热塑性塑料，是热塑性塑料成型中应用最广泛的一种成型方法。它能生产形状复杂、薄壁、嵌有金属或非金属的塑料制品，因此应用广泛。,64,注射成型的工艺原理 将塑料原料在注射机料筒内加热熔化，通过推杆或螺杆向前推压至
21、喷嘴，迅速注入封闭模具内，冷却后即得塑料制品。,65,注射成型过程可分为加料、物料熔融、注射、制品冷却、脱模五个步骤,66,注射成型机按外形特征可分为立式、卧式、直角式、旋转式和偏心式等多种，目前卧式常用。,67,注射成型的工艺条件,1）温度：主要包括料筒温度、喷嘴温度、模具温度料筒温度要求能保证物料塑化良好，能顺利实现注射且不会引起塑料分离；喷嘴温度要略低于料筒最高温度，但是也不能过低；模具温度对塑料制品的内在性能和表观质量影响很大，磨具一般需要加热和冷却。,68,2）压力：主要包括塑化压力、注射压力塑化压力：应在保证产品质量优良的前提下越低越好，压力大小随所用塑料的种类而异，一般很少超过2
22、MPa注射压力：取决于注射成型机的类型、塑料的种类、熔体的黏度、模具的浇口尺寸、制品的壁厚、注射成型的工艺等。,69,3）成型周期：完成一次注射成型过程所需要的时间，主要包括注射时间、闭模冷却时间及其他时间（开模、脱模、安放嵌件和闭模时间等）注射时间主要由充模时间和保压时间组成，保压时间一般为20120s。冷却时间的长短主要取决于制品的厚度、材料的热性能、结晶性能以及模具温度等，一般在30120s。,70,1.3.3 吹塑成型,吹塑成型是塑料材料的二次成型，仅适用于热塑性材料的成型。吹塑成型主要包括中空吹塑成型、吹塑薄膜、吹塑薄片等成型方法,71,中空吹塑成型,熔融态的塑料坯通过挤出机或注射机
23、挤出后，置于模具内，用压缩空气将此坯料吹胀，使其紧贴模内壁成型而获得中空制品。,72,中空吹塑成型主要产品是塑料瓶、儿童玩具、水壶以及贮存酸、碱的大型容器等。用于中空吹塑的塑料有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、热塑性聚酯、聚酰胺、乙酸纤维素等,73,对于中空吹塑的材料的要求：（1）气密性好（2）耐环境应力开裂性好（3）耐冲击性要好另外，还要求有较好的抗静电性、耐药品性和耐挤压性等。,74,吹塑成型还可以用压缩空气将型坯连续吹胀成薄膜。,75,1.3.4 压制成型,压制成型分为模压成型和层压成型两种1）模压成型：是将一定量的模压粉放入金属对模中，在一定的温度和压力作用下成型的方法。模压成型是一种古老的
24、成型技术，主要用于热固性塑料，适用于形状复杂或带有复杂嵌件的制品，但生产率低、模具成本较高。,76,模压成型工艺原理：将原料放入成型模加热熔化，加压，使塑料充满整个型腔，同时发生交联反应而固化。,77,模压成型工艺种类,（1）模塑粉模压法：生产热固性塑料制品的一种古老的方法。（2）吸附预成型坯模压法：是指在成型之前，预先将原料制成与模压制品结构形状尺寸一致的坯料，然后将其方法金属对模内与液体树脂混合、加温、加压成型的一种工艺方法。,78,这种工艺适合于生产深度及外形尺寸较大的大型部件或形状不十分复杂而又要就强度较高的短纤维模压制品。,（3）团状模塑料及散状模塑料模压法：团状模塑料法模压压力较低
25、，制品的尺寸与形状限制少，但制品力学强度不高，表面质量欠佳；,79,散状模塑料是一种化学增稠的低收缩型混料，使制品外观获得大大改善。应用在电器、仪表、化工、运输、军工等领域（4）片状模塑料模压成型法：包括片状模的制备和成型。优点是操作方便，生产率高，制品的表面质量好，物理性能优良，材料损害很少等；缺点是设备造价高，操作及过程控制比较复杂。应用在运输工业、电气工业和家具工业等领域,80,（5）高强度短纤维料模压成型法：成型温度高，压力大，主要用于制备高强度异型制品和一些具有特殊性能要求的制品。应用在机械、运输、化工、电器、军事等领域（6）定向铺设模压成型：指成型前使玻璃纤维沿制品主应力方向取向铺
26、设形成预定型坯，然后进行模压定型制品。此外，还有缠绕模压法、织物、毡料以及碎布料模压法。,81,现代模压成型的特点,（1）自动化程度高，适于大批量制品生产；（2）设备的模具费用低；（3）产品大多能一次成型，不需二次加工，制品的尺寸精度较高，表面质量好，变形小；（4）成型压力低；（5）价格低廉等,82,2）层压成型：是以片状或纤维状材料作为填料，在加热、加压条件下把相同或不同材料的两层或多层结合成为一个整体的方法。层压成型过程主要包括填料的浸胶、浸胶材料的干燥和压制等步骤。,83,层压成型所制得的层压塑料往往是板状、管状、棒状或其他简单性状的制品。层压板状材料主要设备为多层压机（见p22图1-5
27、）层压成型工艺虽然简单，但制品质量控制复杂，容易出现裂缝、厚度不均、板状变形等问题。,84,1.3.5 真空成形（吸塑成形）,将热塑性塑料板（片）材置于模具上，四周加紧并加热；待塑料进入高弹态后，对模腔抽真空，使板材在大气压作用下紧贴模腔内壁，冷却后硬化成形。,抽真空前,抽真空后,85,1.3.6 浇注成型,又称浇塑法，根据浇注方式的差异可分为静态铸型、嵌铸型和离心铸型等。在液态树脂中加入适量固化剂，然后浇入模具型腔中，在常压或低压及常温或适当加热条件下固化成型。此法主要用于生产大型制品，设备简单，但生产率低。,86,复习题,1.塑料的组成成分及作用，举例2.橡胶的组成成分及作用，举例3.橡胶的制备及成型4.聚合物合金的制备方法5.挤出成型的工艺原理及过程6.注射成型的工艺原理、过程及工艺条件7.模压成型的工艺种类及应用,87,
