學(xué)無常師，道在則是——晉

·

潘岳<歸田賦>第1章聚合物及成型工藝塑料作為

一種具有多種特性的使用材料，在世界各國獲得迅速的發(fā)展，其主要原因是塑料的原料廣，性能優(yōu)良(質(zhì)輕、具有電絕緣性、耐腐蝕性、絕熱性等),加工成型方便，具有裝飾性

和現(xiàn)代質(zhì)感，而且塑料的品種繁多，價格比較低廉，

廣泛應(yīng)用于

儀器、儀表、家用電器、交通運輸、輕工、包裝等各個部門?！耙运艽摗?

“以塑代木”,使塑料迅速成為與鋼鐵、有色金

屬、無機非金屬材料同步發(fā)展的基礎(chǔ)材料。3物，是由千萬個原子彼此以共

價鍵連接的大分子化合物。

是

各種塑料、橡膠、纖維等有機

非金屬材料的總稱。(1)高分子聚合物的特點高分子具有和低分子截然

不同的結(jié)構(gòu)特征。歸納比較如1.1高分子聚合物的基本知識高分子聚合物又叫做高下

：

4聚1

.

1高分子聚合物的基本知識①具有可分割性低分子物質(zhì)的分子不能用

一般的機械方法把它分開，如果

把它分開，其性質(zhì)就發(fā)生了變化，成為另外的物質(zhì)。而高分子

則不然，因為它的分子很大，當(dāng)用外力把分子拉斷或切開變成

兩個分子后，高分子聚合物的性質(zhì)

一般沒有明顯的改變。高分

子結(jié)構(gòu)的這種特征稱為可分割性。②具有彈性所謂彈性是指材料形變的可恢復(fù)性。高分子聚合物在外力

作用下發(fā)生形變，當(dāng)外力解除，這種形變就可以恢復(fù)到原狀。

彈性是高分子聚合物重要的特性之

一。51.1高分子聚合物的基本知識③具有可塑性高分子聚合物受熱達(dá)到

一定溫度后，先是經(jīng)過一個較長的軟

化過程，而后才能變?yōu)檎沉鳡顟B(tài)。這是由于高分子聚合物是由很

長的大分子鏈所構(gòu)成，當(dāng)鏈的某一部分受熱時，須經(jīng)過一定的時

間和溫度間隔，整個大分子鏈才會變軟，這時高分子聚合物具有

可塑性。這

一特點對聚合物的加工成型十分重要。④

具有絕緣性高分子聚合物對電、熱、聲具有良好的絕緣性能。從結(jié)構(gòu)上

看這是因為高分子化合物大都是有機化合物，分子中的化學(xué)鍵都

是共價鍵，不能電離，因此不能傳遞電子；又因為大分子鏈呈蜷

曲狀態(tài)，互相糾纏在一起，在受熱、受聲作用之后，分子不易振動起來，因而它對熱、聲也具有絕緣性。1.1高分子聚合物的基本知識(2)高分子聚合物的組成和結(jié)構(gòu)①高分子聚合物的組成高分子聚合物雖然分子量很大，但化學(xué)組成比較簡單，都是

由簡單的結(jié)構(gòu)單元以重復(fù)的方式連接而成，例如，PE

是由乙烯單

體聚合而成，可以寫作—(CH?-CH?)—n。

它是由許多結(jié)構(gòu)單元—(CH?-CH?)—重復(fù)連接的，這種重復(fù)結(jié)構(gòu)單元稱為“鏈節(jié)”,重

復(fù)的次數(shù)稱為“聚

合

度”。聚合度和高分子的分子量有如下關(guān)系：

M=m×nM—高分子的分子量；

m—鏈節(jié)的分子量；n—高分子的聚合度71.1高分子聚合物的基本知識②高分子聚合物的結(jié)構(gòu)◆線型結(jié)構(gòu)--高分子在拉長或低溫下易呈直線形狀，而在較高

溫度下或稀溶液中，則易成蜷曲形狀，如圖1-(a)

。特點是可

溶、可熔。

線型分子易于加工，可以反復(fù)使用；◆支鏈型結(jié)構(gòu)--高分子似一根“節(jié)上生枝”的樹干一樣，如圖1

-(b)。它的性質(zhì)和線型結(jié)構(gòu)基本相同；◆體型結(jié)構(gòu)--高分子是在長鏈大分子之間有若干支鏈把它們交

聯(lián)起來，構(gòu)成一種網(wǎng)似的形狀，如圖1-(c)

。這種聚合物在任

何狀況下都不熔化，也不溶解。81.1高分子聚合物的基本知識(a)線型聚合物

(b)帶有支鏈的線型聚合物

(c)體型聚合物圖1大分子的形狀91.1高分子聚合物的基本知識(3)高分子聚合物的分類聚合物的種類非常繁多，品種更是數(shù)不勝數(shù)，可以按照不同的原則，或不同的角度把聚

合物加以分類，見表110分

類類

別舉例與特性按聚合物的來源天然聚合物如天然橡膠、纖維素、蛋白質(zhì)等人造聚合物經(jīng)人工改性的天然聚合物，如硝酸纖維、醋酸纖維(人造絲)合成聚合物由低分子物質(zhì)合成的。如聚氯乙烯、聚酰胺按聚合反應(yīng)類型加聚物由加成聚合反應(yīng)得到的，如聚烯烴縮聚物由縮合聚合反應(yīng)得到的，如酚醛樹脂按聚合物的性質(zhì)塑料有固定形狀、熱穩(wěn)定性與機械強度，如工程塑料橡膠具有高彈性，可做彈性材料與密封材料纖維單絲強度高，可做紡織材料按聚合物的熱行為熱塑性聚合物線型結(jié)構(gòu)加熱后仍不變熱固性聚合物線型結(jié)構(gòu)加熱后變體型按聚合物分子的結(jié)構(gòu)碳(均)鏈聚合物一般為加聚物雜鏈聚合物一般為縮聚物元素有機聚合物一般為縮聚物表1

聚合物常見的分類方法1

11.1高分子聚合物的基本知識(4

)聚合物的熱力學(xué)曲線隨著溫度的變化，聚合物可以呈現(xiàn)不同的力學(xué)狀態(tài)。在應(yīng)

用上，材料的耐熱性(變形或變質(zhì)溫度),耐寒性(變硬或易脆裂

的溫度)有著重要意義，而熱性能取決于大分子的分子結(jié)構(gòu)及

聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。由于溫度和聚合物形變的關(guān)系能比較全面的反映高分子運動

的狀態(tài)，因此通過形變一溫度曲線和特征溫度的討論，可了解

熱性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

在線型聚合物中，由于鏈段熱運動程度

不同，

一般可出現(xiàn)三種不同的力學(xué)狀態(tài)：玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘

流

態(tài)

。12溫

度圖2聚合物形變與溫度的關(guān)系粘流態(tài)高彈態(tài)玻璃態(tài)131.1高分子聚合物的基本知識①

玻璃態(tài)玻璃態(tài)相當(dāng)于小分子物質(zhì)的固態(tài)。在玻璃態(tài)時由于溫度較低，大分子鏈和鏈段都不能產(chǎn)生運動。在外力作用下，只能使大分子中的原子作輕微的振動，從而產(chǎn)生較小的可逆形變。增加外力MW

WM圖3

普彈形變時大分子鏈鍵角變化示意圖141.1高分子聚合物的基本知識②高彈態(tài)到達(dá)玻璃化溫度時，聚合物進入高彈態(tài)。

分子鏈段獲得足夠的能量而發(fā)生運動，

產(chǎn)生較大的形變——高彈形變，這種形變具有可

逆

性，

在常溫下處于高彈態(tài)的聚合物，可作為彈性材料使用。圖4高彈形變時大分子形狀變化示意圖增加外力去除外力15達(dá)到軟化溫度時，聚合物進入粘流態(tài)，

整個大分子鏈開始運動，

產(chǎn)生相對滑移，形成很大的形變，這種形變具有不可逆性，聚合物

的粘流態(tài)不同于玻璃態(tài)和高彈態(tài)，它不是一種使用狀態(tài)，而是工藝狀態(tài)。1.1高分子聚合物的基本知識圖5

粘性形變時大分子鏈變化示意圖③

粘流態(tài)16狀態(tài)力學(xué)行為特征分子機理玻璃態(tài)彈性模量大，斷裂伸長率小(<1%)形變是可逆的力學(xué)性能(如彈性模量)依賴于原子的性質(zhì)原子的平均位置發(fā)生位移高彈態(tài)彈性模量小，斷裂伸長率大(100%～1000%)

形變是可逆的力學(xué)性能依賴于鏈段的性質(zhì)鏈段發(fā)生位移粘流態(tài)彈性模量小，形變率很大形變是不可逆的力學(xué)性能(如粘度)依賴于分子鏈的性質(zhì)大分子鏈整體發(fā)生位移1.1高分子聚合物的基本知識表2

聚合物力學(xué)三態(tài)的分子機理和力學(xué)行為特

征171.2塑料的基本特征(

1

)

塑

料

的

分

類

——按熱行為可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。①

熱

塑

性

塑

料

：在特定溫度范圍內(nèi)受熱軟化(或熔化),冷卻后

硬化，并且能多次反復(fù)，其性能也不發(fā)生顯著變化

的塑料。常見的熱塑性塑料有PE

、PP

、PVC

、ABS、

PA、PC

等。)

熱

固

性

塑

料：

在一定溫度壓力下或在固化劑、紫外光等條件

作用下固化生成不溶不熔性能的塑料。常見的熱固

性塑料有：酚醛塑料、環(huán)氧塑料、氨基樹脂、有機

硅塑料等。18塑料按其應(yīng)用可分為通用塑料、工程塑料和特種塑料。①通用塑料：

一般是指使用廣泛，產(chǎn)量大，用途多，價格低廉

的塑料，如PE、PP、PVC、PS、酚醛樹脂及氨基

樹脂等。工程塑料：

通常是指性能優(yōu)良，能承受一定外力作用和具有

較高的機械強度，適用作工程材料或結(jié)構(gòu)材料的

塑料，如PA、ABS、POM、PPO

等。③特種塑料：

又稱功能塑料，是指具有特殊功能，能滿足特殊

使用要求的塑料，如醫(yī)用塑料、導(dǎo)電塑料等。1.2塑料的基本特征19圖1.15

塑料微電機、電器開關(guān)配件圖1.17

各種顏色的塑料制品圖1.11

工程塑料制品20(2

)塑料的

一

般特性①塑料質(zhì)輕，比強度高(比強度是指強度與密度的比值),一般塑料密度

在0.9～2.3g/cm3

之間，

PE、PP

的密度最小，約為0.

9g/cm3,

最重的

PTFE的密度不超過2.3g/cm3,

表3所列為幾種金屬與塑料的比強度。②多數(shù)塑料制品有透明性，并富有光澤，能著鮮艷色彩。大多數(shù)塑

料可制成透明或半透明制品，可以任意著色，且著色堅固，不易變色。表

4是各種塑料的透光率與玻璃比較。③優(yōu)異的電絕緣性。大多數(shù)塑料在低頻低壓下具有良好的電絕緣性能，

有的即使在高頻高壓下也可以作電器絕緣材料或電容介質(zhì)材料。1.2塑料的基本特征材料名稱比抗張強度/103cm材料名稱比抗張強度/103cm鈦2095玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂4627高級合金鋼2018石棉酚醛塑料2032高級鋁合金1581尼龍66640低碳鋼527增強尼龍1340銅502有機玻璃415鋁232聚苯乙烯394鑄鐵134低密度聚乙烯155板厚(3mm)透光率/%板厚(3mm)透光率/%聚甲基丙烯酸甲酯93聚酯樹脂65聚苯乙烯樹脂90脲醛樹脂65硬質(zhì)聚氯乙烯80～88玻璃91表4各種塑料的透光率與玻璃的比較表3

幾種金屬與塑料的比強度221.2塑料的基本特征④塑料的導(dǎo)熱率極小，

只

有金屬

的1/6

00~1/2

00,

泡沫

塑

料的導(dǎo)熱率與靜態(tài)空氣相當(dāng)，被廣泛用作絕熱保溫材料或建

筑節(jié)能、冷藏等絕熱裝置材料。⑤耐磨、自潤滑性能好。大多數(shù)塑料具有優(yōu)良的減磨、耐磨和

自潤滑特性，可以在無潤滑條件下有效工作。⑥塑料有耐化學(xué)藥品性，多數(shù)塑料對一般濃度的酸、堿、鹽等

化學(xué)藥品具有良好的耐腐蝕性能，其中最突出的是PTFE。

即使“王水”也不能腐蝕，是一種優(yōu)良的防腐蝕材料。231.2塑料的基本特征⑦塑料成型加工方便，能大批量生產(chǎn)。

塑料通過加熱、加壓可

塑制成各種形狀的制品，易進行切削、焊接、表面處理等二次

加工，精加工成本低，用塑料制品代替金屬制品，可以節(jié)約大

量金屬材料。缺點：①塑料不耐高溫，低溫容易發(fā)脆。②燃燒時放出有毒氣體。③塑料制品易變形。④塑料有“老化”現(xiàn)象。24工藝學(xué)的主要任務(wù)——尋求技術(shù)上最先進、經(jīng)濟上最合理的生產(chǎn)途徑，

為此需要了解塑料制品的生產(chǎn)系統(tǒng)。產(chǎn)

品

(性能、外觀、成本)(樹

脂

加

工

條

件(密度、

MFR、添加劑

(溫度、壓力、成型周期)相對分子質(zhì)量)圖6

產(chǎn)品、樹脂和加工條件的關(guān)系示意圖251.3

塑料的工藝特性高分子化合物的成型加工性能：●可擠壓性：材料受擠壓作用形變時，獲取和保持形變的能力；●

可模塑性：材料在溫度和壓力作用下，產(chǎn)生形變和在模具中

模制成型的能力；●

可延展性：材料在一個或兩個方向上受到壓延或拉伸的形變

能

力●

可紡性：材料通過成型而形成連續(xù)固體纖維的能力。1.3

塑料的工藝特性26塑料成型加工的方法大體可分為三種：(1)處于玻璃態(tài)的塑料，

可以采用車、銑、鉆、創(chuàng)等機

械加工方法和電鍍、噴涂等表面處理方法。(2)當(dāng)塑料處于高彈態(tài)時，

可以采用熱壓、彎曲、真空

成型等加工方法。1.3

塑料的工藝特性27(3

)把塑料加熱到粘流態(tài)，可以進行注射成型、擠出成

型、吹塑成型等加工。塑料成型方法的選擇取決于塑料的類型

(熱塑性或

熱

固

性

)

、特性、起始狀態(tài)及成品的結(jié)構(gòu)、尺寸和

形狀等。1.3

塑料的工藝特性28壓制成型一定形狀的模塑制品注塑成型合成樹脂連續(xù)狀管、帶、線狀制品空心瓶、桶狀制品、薄膜添加劑塑料薄膜泡沫塑料板材人造革注塑成型合成樹脂-(線型高聚物)模壓成型層壓板層壓成型添加劑擠塑成型吹塑成型壓延成型發(fā)泡成型層壓成型人造革制造圖0-

10

熱固性塑料成型的流程及方法圖

0

-

9

熱塑性塑料的成型流程及方法一定形狀的模塑制品熱塑性

塑

料線型高聚物)增強塑料浸漬壓塑粉混合干燥造?；鞜挿鬯?9(

1

)

注

射

成

型注射成型又稱注塑成型，是熱塑性塑料的主要成型方法之一。其原理是

利用注射機中螺桿或柱塞的運動，將料筒內(nèi)已加熱塑化的粘流態(tài)塑料用較

高的壓力和速度注入到預(yù)先合模的模腔內(nèi)，冷卻硬化后成為所需的制品。合模裝置(肘節(jié)方式)模具

注射裝置1.3.1

塑料的成型工藝汽缸

加

熱

器

螺

桿止反流閥直角接套

脫模機構(gòu)拉桿料斗

馬達(dá)30合模系統(tǒng)

機身

機身(b)立式

(c)

角式

(d)

角式機身(a)

臥式注射機種類注射系統(tǒng)31注射成型方法有以下優(yōu)點：①能一次成型出外形復(fù)雜、尺寸精確和帶嵌件的制品；②可以極方便的利用

一套模具，成批

生產(chǎn)尺寸、形狀、性能完全相同的產(chǎn)品

；③產(chǎn)品性能好，成型周期短，一

般制

件只需30～60秒可成型，而且可實現(xiàn)

自動化或半自動化作業(yè)，具有較高的

生產(chǎn)效率和技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。1.3.1

塑料的成型工藝圖7

一

次性注塑成型的塑料椅①薄膜吹塑薄膜吹塑成型是將熔融塑料從擠出機機頭口模的環(huán)行間隙中呈圓筒形薄管擠出，同時從機頭中心

孔向薄管內(nèi)腔吹入壓縮空氣，將薄管吹脹成直徑更

大的管狀薄膜(俗稱泡管),冷卻后卷取。薄膜吹塑

成型主要用于生產(chǎn)塑料薄膜。1.3.1

塑料的成型工藝3310-模頭；11-空氣入口341.3.1

塑料的成型工藝脫摸脫填②

中空吹塑L

壓填空氣吹塑成型吹塑成型型環(huán)形成型坯形成入填入模1.3.1

塑料的成型工藝(9)醮涂成型將醮涂用的預(yù)熱陽模浸入配置好的塑料糊料或粉料

內(nèi)，

一

段時間后慢慢提起陽模，陽模表面便均勻地附上

一層塑料，經(jīng)過熱處理和冷卻，從陽模上可剝下中空的

成型制件。用粉末物料醮涂時，

先將粉末物料變?yōu)榉序v狀態(tài)，再將加熱的陽模浸入，此法稱為硫化床醮涂法。

多

用

來

制作防護手套、把手、玩具、柔性管等。36(10)流延成型流延成型是生產(chǎn)薄膜的方法之一。將流動性好的塑料糊料均勻地流布在運行的載體(如金屬滾筒或傳送帶)

上，隨即用適當(dāng)方法將其固化、干燥，然后從載體上剝

取薄膜。此法模具成本低，產(chǎn)品表面光潔，適合小批量

產(chǎn)品的生產(chǎn)。1.3.1

塑料的成型工藝37(11)傳遞模塑成型傳遞成型又稱傳遞壓鑄成型，熱固性塑料的成型方法之

一

。將熱固性塑料原料在加料腔中加熱熔化。然后

加壓注入成型模腔中使其固化成型。傳遞模塑成型與模

壓成型相似，但又具有注射成型的特點，如制品尺寸精

確，生產(chǎn)周期短，所用模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜(設(shè)有澆口和流道

)

,

適合生產(chǎn)形狀復(fù)雜和帶嵌件的制品。多用于酚醛

塑料、氨基塑料、環(huán)氧塑料等熱固性塑料成型。1.3.1

塑料的成型工藝381.3.1

塑料的成型工藝壓塞

上模物料

下模

制件圖13

傳遞模塑成型示意圖39(12)手糊成型手糊成型是增強塑料成型方法之

一，以手工作業(yè)為主。在涂有脫模劑的模具上均勻地刷

一層樹脂，再將按要求剪裁成

一

定形狀的片狀增強材料(如纖維增強織物),鋪貼到模具上，然后再涂

刷樹脂，再鋪貼增強材料，如此重復(fù)直至達(dá)到所需厚度和預(yù)定形狀，

然后加熱固化，脫模得制品。成型時要求鋪貼平整、無皺折，涂刷樹

脂要均勻浸透織物層并排出氣泡。手糊成型工藝簡單、操作方便，不

需專用設(shè)備，適用性強，不受形狀和尺寸限制，但制品精度低，勞動

條件差、效率低。多用來制作大型物品，也是制作玻璃鋼模型的主要

方

法

。1.3.1

塑料的成型工藝401.3.2

塑料的二次加工(1)塑料機械加工塑料機械加工包括鋸、切、車、銑、磨、刨、鉆、噴砂、拋光、螺紋加工等。塑料的機械加工

與金屬材料的切削加工大致相同，仍可沿用金屬

材料加工的一套切削工具和設(shè)備。411.3.2

塑料的二次加工注

意

：·

塑料的導(dǎo)熱性很差，加工中散熱不良，

一

旦溫度

過高易造成軟化發(fā)粘、以至分解；·制件的回彈性大，易變形，加工表面較粗糙，尺

寸誤差大；·加工有方向性的層狀塑料制件時易開裂、分層、

起毛或崩落。421.3.2

塑料的二次加工(2)

塑料熱成型將塑料板材(或管材、棒材)加熱軟化進行成型的方法。主要成型方法

有模壓熱成型和真空成型。①熱成型：

適用范圍廣，多用于熱塑性塑料、熱塑性復(fù)合材料的成型。②真空成型：又稱真空抽吸成型，是將加熱的熱塑性塑料薄片或薄板置于

帶有小孔的模具上，四周固定密封后抽取真空，片材被吸附

在模具的模壁上而成型，脫模后即得制品。(a)陽模真空成型；(b)

貼合在陰模上的陰模真空成型。43(b)圖14真空成型示意圖(a)氣脹陽模真空成型示意圖；(b)

柱塞輔助陽模真空成型示意圖(a)1.3.2

塑料的二次加工(3

)

塑

料

連

接塑料連接包括機械連接、焊接、溶劑粘接和膠接等；塑料與塑料、塑料與金屬或其他材料的連接，除一般使

用的機械連接方法外，還有熱熔粘接、溶劑粘接和膠粘

劑粘接(膠粘)等方法。451.3