第五章 材料成型與加工

1、 第五章第五章 聚合物成型原理及技術(shù)簡介聚合物成型原理及技術(shù)簡介 5.1 塑料、橡膠、纖維的概念塑料、橡膠、纖維的概念及其加工成型原理及其加工成型原理 5.1.1塑料、橡膠、纖維的概念 由聚合物制成的塑料、橡膠、纖維稱為三大合成材料。 （1）塑料的定義和分類 以合成或天然高聚物為基本成分，并配以一定得高分子助劑如填料、增塑劑、穩(wěn)定劑、著色劑等經(jīng)加工可塑成型，并在常溫下保持其形狀不變的材料，稱為塑料。作為塑料的基本成分的高聚物，不僅決定了塑料的類型而且決定了塑料的主要性能，一般來講塑料用高聚物的內(nèi)聚能介于纖維和橡膠之間，使用溫度范圍在其脆化溫度和玻璃化溫度之間。加入高分子助劑的目的在于改善塑料的

2、加工性和制品的性能和降低成本。 按材料的受熱行為可分為熱塑性和熱固性塑料；按塑料的使用功能分，把產(chǎn)量大、價格便宜、原料來源豐富的稱為通用塑料，一般有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和氨基塑料，力學性能和熱性能都比較差。 工程塑料一般是指可作為結(jié)構(gòu)材料使用，具有優(yōu)異的力學性能、熱性能、尺寸穩(wěn)定性和能滿足特殊要求的塑料，如聚四氟乙烯、聚酰胺、聚甲醛等。 （2）橡膠的特征和分類橡膠是有機高分子彈性體，它的使用溫度范圍是在玻璃化溫度和粘流溫度之間，因此作為橡膠，其結(jié)構(gòu)上應滿足以下要求： （a）大分子鏈具有足夠的柔性，玻璃化溫度應比室溫低得多。 （b）在使用條件下不結(jié)晶或結(jié)晶度很小。 ( c ) 在使

3、用條件下無分子鏈間的相對滑動，即無冷流現(xiàn)象。否則會使橡膠在負荷下產(chǎn)生永久變形。 橡膠按其來源可分為天然橡膠和合成橡膠. 廣泛用于制造輪胎及其它大量制品的稱為通用合成橡膠，如丁苯橡膠、順丁橡膠、丁基橡膠等。凡具有特殊性能的如耐候性、耐熱性、耐油等，并用于制造特定條件下使用的橡膠制品的稱為合成橡膠，如丁腈橡膠、硅橡膠、氟橡膠、聚氨酯橡膠等。 （3）纖維的定義和分類 纖維是指長度比其直徑大很多倍，并且有一定柔軟性的纖細的物質(zhì)。纖維的分類可分為兩大類，一類是天然纖維，如棉花、羊毛等。一類是化學纖維，其又分為人造纖維和合成纖維，人造纖維是以天然高聚物經(jīng)化學處理與機械加工而制成的纖維，再生纖維素纖維、再生

4、蛋白質(zhì)纖維、纖維素酯纖維；合成纖維是由合成高分子加工制成的纖維，分為雜鏈纖維（聚酰胺纖維等），碳纖維（聚丙稀腈）纖維。 纖維的性質(zhì)取決于原來高聚物的性質(zhì)，也取決于經(jīng)加工后的纖維結(jié)構(gòu)。成纖高聚物應具有下列結(jié)構(gòu)：（a）為線型的可伸展的大分子鏈，沒有龐大的側(cè)基。這樣大分子鏈可沿纖維方向進行有序的排列，以賦予纖維較高的拉伸強度、延伸度和其他物理性能。（b）分子中又極性基團存在，以增加大分子鏈間的作用例。（c）成纖高聚物應具有形成半結(jié)晶結(jié)構(gòu)的能力，使高聚物成纖后具有合適的結(jié)晶度。 （d）具有相當高的分子量和比較窄的分子量分布。 5.1.2 聚合物加工成型原理 聚合物只有通過加工成型才能獲得所需的形狀、結(jié)

5、構(gòu)與性能，成為又使用價值的材料與制品。 常用的加工成型方法又擠出、注塑、模壓、壓延等。 通常從聚合物原料到聚合物制品需要經(jīng)歷加工單元操作與成型兩個階段。 簡單地說，聚合物首先受熱熔融或軟化，在外力的場的作用下發(fā)生變形、流動與混合，然后在成型模具中被賦予一定的外形。當溫度下降時，聚合物固化成型。若是結(jié)晶性聚合物，此時發(fā)生從物定形向結(jié)晶態(tài)的轉(zhuǎn)變。當溫度下降到聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下時，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)被凍結(jié)下來。因此，通過加工成型得到的制品既具有符合要求的外形，又具有某種內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 聚合物固體粒子輸送熔融或軟化熔體流動混合熔體化學反應脫揮與解吸擠出口模成型模塑成型二次成型壓延成型涂覆成型制品聚合物及其

6、共混體系、復合體系具有復雜的多層次非均勻內(nèi)部結(jié)構(gòu)，研究內(nèi)容涉及高分子物理、連續(xù)介質(zhì)力學、聚合物加工流變學、聚合物成型工藝學、高分子化學等，其屬于“動態(tài)”高分子物理范疇，或稱為聚合物工程物理學，其中現(xiàn)代聚合物加工流變學處于非常重要的地位。 5.2塑料添加劑及成型物料配制塑料添加劑及成型物料配制 5.2.1 添加劑通常用的添加劑有十幾類，按其作用和功能一般又可以分為特性添加劑、穩(wěn)定劑和加工添加劑。 （1）特性添加劑其主要功能是賦予塑料制品某種特性，如柔韌性、阻燃性等。主要包括增塑劑、填充劑、增強劑、偶聯(lián)劑、著色劑、阻燃劑等。 （a）增塑劑 能改變塑料的剛性甚至脆性使其具有一定的擾曲性的添加劑。作用

7、：通過降低玻璃化溫度和增加內(nèi)部潤滑作用而降低加工溫度?？煞譃樽⒃鏊軇┖洼o助增塑劑。注增塑劑與高聚物又很好的相容性。輔助增塑劑相容性較差，不能單獨使用。作用機理：主要是減弱高聚物分子鏈間的作用力，使分子鏈間的相對運動變得容易。 增塑劑一般是低分子物質(zhì)，易于流動，對高分子鏈間的相對運動也具有一定的潤滑作用。常用的增塑劑：有機酯類化合物，如鄰苯二甲酸酯類、己二酸酯類、磷酸酯類等。使用時要綜合考慮，主要考慮其相容性。 （b）填充劑 是加入塑料中的一種惰性材料，主要功能是增加質(zhì)量、降低成本或改進某些性能。填充劑一般是粉末狀物質(zhì)，主要品種有碳酸鈣、滑石粉、高嶺土、硅灰石、云母等。填充劑的表面結(jié)構(gòu)對填充效果

8、有很大影響。為使填充劑與塑料材料有教好的親和性，得到較好的填充效果，常對填充劑表面的物理和化學結(jié)構(gòu)進行處理。 物理結(jié)構(gòu)的處理主要使機械粉碎和研磨，可以增加填充劑的凹凸度、比表面積，改善填充劑的微孔分布，從而使填充劑與集體樹脂的接觸面，改善填充效果?；瘜W結(jié)構(gòu)處理的方法主要是利用偶聯(lián)劑在填充劑的表面形成一層分子膜，提高填充劑與樹脂的親和性，增加填充劑與樹脂的粘接性。 （c）增強劑 能顯著提高制品力學強度的填充劑。絕大多數(shù)是高強度、纖維狀的惰性物質(zhì)，如玻璃纖維、碳纖維、石棉等。在增強塑料中，存在連續(xù)相樹脂基體和不連續(xù)相增強纖維，當增強樹脂受到力的作用時，樹脂基體把所施加的力傳遞給增強纖維。因此，增強

9、劑的性能在很大程度上與增強劑于基體樹脂的粘合程度有關(guān)?？梢杂门悸?lián)劑對其進行表面處理，以提高樹脂與纖維的粘合程度。 （e）偶聯(lián)劑 增加樹脂與填充劑界面結(jié)合力的物質(zhì)稱為偶聯(lián)劑。偶聯(lián)劑分子是一類官能團物質(zhì)，它的一端可以與無機物表面的化學基團反應，形成牢固的化學鍵合或被無機物表面吸附；另一端則有親有機物的性質(zhì)，可與有機分子反應或發(fā)生物理纏繞，從而把兩種性質(zhì)不同的物質(zhì)牢固地結(jié)合起來。常用的有有機硅烷偶聯(lián)劑和鈦酸酯偶聯(lián)劑。 OCH2O(CH2)3Si(OCH3)3(KH560)（f）降解劑 可加速塑料制品在陽光下或土壤中微生物作用下分解成低分子物的添加劑稱為降解劑。分為光降解劑和生物降解劑。光降解劑主要包

10、括具有光敏作用的化學添加劑合過渡金屬絡合物等。常用的有甲基乙烯酮、硬酯酸鈣、硬酯酸鐵及光降解母料等。在PE或PP中添加Ni、Fe金屬絡合物生產(chǎn)所料薄膜，可以精確的控制所料薄膜光降解反應的開始時間。生物降解劑主要是淀粉類的添加劑，成本較低，但這種添加劑與通用塑料的相容性較差，降低PE的拉伸強度、光澤度合透明度。在微生物的作用下，僅其中的淀粉可被微生物分解，而塑料部分只是喪失其形狀及降低其功能。 （2）穩(wěn)定劑穩(wěn)定劑的主要功能是阻緩或停止塑料在物理（加熱、光）合化學（氧、微生物）因素下的降解。主要有熱穩(wěn)定劑、光穩(wěn)定劑、抗氧劑和抗微生物劑。 （a）熱穩(wěn)定劑在PVC塑料中熱穩(wěn)定劑需具備以下特點：消除PV

11、C分子中不穩(wěn)定的氯原子，抑止脫氯化氫；吸收、中和氯化氫；改變多烯結(jié)構(gòu)，阻止顏色變化；消除自由基，阻止氧化反應。常用的熱穩(wěn)定劑為鉛鹽類、金屬皂類及有機錫類化合物。一般都有毒性，不適宜食品的包裝。 （b）光穩(wěn)定劑紫外線的能量比有些高聚物的自動氧化反應活化能和化學鍵的離解能高，足以破壞高聚物的化學鍵，引發(fā)自動氧化反應，造成老化降解。根據(jù)光穩(wěn)定的作用機理，可將其分為光屏蔽劑（碳黑、二氧化鈦）、紫外線吸收劑（水楊酸酯類、二苯甲酮類等）、淬滅劑（二價鎳絡合物）和自由基捕獲劑（胺型）。（c）抗氧劑 受阻酚類和芳香胺類。 （d）抗微生物劑 很少，N（三氯甲基硫代）酚酞亞胺。 （3）加工添加劑 使塑料易于成型或

12、提高成型效率的添加劑。主要有潤滑劑（金屬皂類）、脫模劑（硅油）。 5.2.2 成型物料的配制樹脂和各種添加劑的配合稱為配制。目的是將添加劑和高聚物混合，形成一種均勻的復合物，復合物的形態(tài)可分為粉狀或粒狀，也可以微溶液或懸浮體。成型加工的物料主要是粒料和粉料。 （1）粉料的配制粉料的配制過程主要包括原料（高聚物和各種添加劑）的準備和原料的混合。原料的準備，最好進行過篩吸磁處理，除去雜質(zhì)。在物料混合前應對增塑劑預熱，以加快擴散速度，強化傳熱過程，加快高聚物溶脹，提高混合效率。某些穩(wěn)定劑、填充劑和色母料等粒子過小，常發(fā)生凝聚現(xiàn)象，為有利于這些物料的均勻分散，最好把它們制成漿料或母料后再加入到混合物中。