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1、第五章 高分子材料成形,5.1 高分子材料成形的基本原理 5.2 高分子材料的成形方法及设备 5.3 高分子材料制品的结构工艺性 5.4 高分子材料成形新技术 5.5 复合材料成形,5.1 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，呈现良好的可塑性。,一.聚合物的力学状态与流变行为,聚合物的类型不同，受热时表现的力学状态也不同。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。,1.1 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。在外力作用下，玻璃态聚合物具有一定变形能
2、力，形变具有可塑性。,玻璃态的高分子材料。,1.2 高弹态（elastic）,当温度在TgTf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。,橡胶就是在常温下处于高弹态的聚合物,1.3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 图5-3示出线型聚合物的聚集态与成形过程的关系。,二、高分子材料成形性能,（1）可模塑性（2）可挤压性（3）可延性（4）可纺性,（1）可模塑性,可模塑性(mouldability)是指材料在温度和压力作
3、用下变形和在模具中成形的能力。,（2）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。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,（3）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。,（4）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。,三.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
4、。在材料成形的各个阶段，聚合物将分别呈现出固体和液体的性能，表现出弹性和粘性。当成形温度高于Tf以致聚合物处于粘流态时，聚合物的变形发展则以粘性变形的不可逆性提高了制品在长期使用过程中的形状和尺寸的稳定性；,5.2 高分子材料的成形方法及设备,塑料成形方法橡胶成形方法复合材料成形方法,塑料成形方法,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。成形是塑料制品生产过程中的重要工序,注塑成形又称注射成形(injection molding)。注塑成形是将粒状或粉状塑料从注塑机的料斗送入加热的料筒内，经加热熔化至粘流态后，在柱塞或螺杆的推动下，向前移动并通过料筒端部的喷嘴，经过
5、主流道、分流道、浇口注入闭合模具的型腔中，充满模腔的塑料熔体在压力作用下发生冷却固化，形成与模腔相同形状的塑料，然后开模分型获得成形塑件。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。,1.注塑成形的原理、特点和应用,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。,2.注塑成形的工艺过程,（1）成形前准备 成形前的准备工作主要有：原料的检查、原料的干燥、料筒清洗。,（2）成形过程 成形过程一般包括：加料、塑化、注射、保压、
6、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。,3.注塑成形的工艺条件,主要的工艺参数有：温度，压力和对应的作用时间,4.注塑成形设备,注塑成形的主要设备是注塑机（注射机）(injection molding machine)和模具(mold)。注射机是塑料注射成形的专用设备，有柱塞式(plunger type)和螺杆式(reciprocating screw type)两种类型，目前最常用的是螺杆式注射机。注射机的主要组成部分是注射系统与合模系统。,注射系统的作用就是加热塑料使之塑化，并对其施加压力使之射入和充满模具型
7、腔，它包括了注射机上直接与物料和熔体接触的零部件。,塑料注射成形所用的模具称为注射模注射模的基本结构都是由动模和定模两大部分组成的,橡胶成形方法,橡胶加工的工艺过程,（1）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）。,2.橡胶成形方法,（2）模压成形 将混炼好的胶料加工成一定规格和形状的半成品，按模具型腔的形状和尺寸对半成品进行定量下料，置于压制模具中，在加热、加压条件下，使胶料呈现塑性流动而充满型腔，再经一定的持续加热时间后完成硫化，最后经脱模和修边后得到橡胶制品。（3）注射
8、成形将混炼过的胶料通过加料装置加入料筒中加热塑化成熔融态，在螺杆或柱塞的推动下，通过喷嘴注入到闭合模具中，并在模具的加热下硫化定型。,3.橡胶成形设备,（1）炼胶机,（2）密炼机,（3）橡胶注射机、平板硫化机与液压机,（4）橡胶模具,3.模压成形(compressing molding),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。,5.3 高分子材料制品的结构工艺性,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。,一，塑料制品的结构工艺性,1.形状塑件的内外表面形状在
9、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,2.塑件的壁厚应尽可能均匀。,4.加强肋,3.脱模斜度,5.圆角,6.孔,二、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。,脱模斜度 设计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 在各个部分的相互交接处尽量设计成圆弧过渡形式,3.孔与囊类制品的口径、腹径比,4.嵌件的包镶形式,5.4 高分子材料
10、成形新技术,1.快速成形的工作过程,一、高分子材料的快速成形,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。快速成形技术主要有四种：立体光造型（stereolithography，SLA），分层实体制造（laminated object manufacturing，LOM），选择性激光烧结（selective laser sintering,SLS）和熔丝沉积制造（fused deposition
11、 modeling，FDM）。四种快速成形技术的对比如表5-3所示 快速成形技术的应用非常广泛，在新产品开发、模具制造以及医学、建筑等领域获得了实际应用。,2.快速成形的特点和分类,3.立体光造型,SLA是研究最早、发展最快、应用最广泛的快速成形技术。SLA的加工过程是一种光和光敏树脂的相互作用过程。,SLA成型过程,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。,热流道技术（hot runner technology）是一种采用加热的方法，使处于注射机喷嘴到模具型腔浇
12、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。滞留在浇注系统中的熔料可在下一次注射时被注入型腔。,二、热流道技术,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。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。,1热流道系统,与普通流道系统比较，热流道技术具有以下优点：（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,2.热流道技术的特点,5.5 复合材料成形一、复合材料成形的工艺特点
13、,复合材料(composite materials)的成形工艺特点（1）材料制备与制品成形同时完成（2）材料性能具有可设计性（3）复合材料成形时的界面作用,二、复合材料成形方法,树脂基复合材料（polymer-matrix composites,PMCs）以树脂为基体，以纤维为增强体复合而成。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。,1.手糊成形(hand lay-up molding),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，再在其上铺贴一层按要求裁剪好的纤维织物，用刷子、压辊或刮刀挤压织物，使树脂均匀浸
14、入其中并排出气泡；再涂刷树脂混合料，再铺贴第二层纤维织物，重复上述过程直至达到所需厚度。然后，进行固化、脱模、修整和检验，得到所需的制品,2.喷射成形(spray lay-up molding),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。,三、复合材料制品的结构工艺性,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。,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；,本章小结,1.与金属材料和无机非金属材料相比，高分子材料的成形工艺简单，材料耗损少，能耗低，生产效率高。本章
15、重点介绍塑料和橡胶两类高分子材料的成形技术。2.聚合物的聚集态可划分为三种力学状态：玻璃态、高弹态和粘流态。根据聚合物的特征、成形性能和粘弹行为，可以确定和选择适宜的成形方法。3.树脂是生产塑料制品的主要原料。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。塑料成形是塑料制品生产中的重要工序，注塑成形是塑料成形方法中最普遍的一种成形方法。注塑成形涉及注塑成形的原理、特点和应用、注塑成形的工艺过程、注塑成形的工艺条件、注塑机和模具。4.生胶是制造橡胶制品的基本原料。橡胶制品的制造过程主要包括：塑炼、混炼、成形、硫化和修边等工艺。橡胶制品分为模制品和非模制品两类。常用的成形方法有压延成形、模压成形、注射成形等。橡胶成形设备包括炼胶机、密炼机、成形机和硫化设备等。5.复合材料的成形方法较多，复合材料成形也具有自身的工艺特点。树脂基复合材料成形内容涉及手糊成形、喷射成形和模压成形等。6.设计塑料和橡胶制品时，要考虑制品的结构工艺性。工艺性涉及制品的壁厚、脱模斜度、圆角等结构。,
