高分子成型加工.ppt
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高分子成型加工.ppt
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高分子材料成型加工,十一五塑料制品行业增长情况,世界第一大塑料生产国,而且已成为世界第一大塑料消费国。
全行业共计有9.5万多家,从业人数约380万。
销售收入500万元及以上非国有独立核算企业(简称规模以上企业),2007-2010年塑料制品业产量及增长情况(万吨),2010塑料制品产量结构图,近几年中国塑料10大热点,1塑料在防抗自然灾害中发挥重要作用,中国塑料加工工业协会接到国家民政部紧急调运帐篷的指示后,连夜通知相关专委会如薄膜、塑编、管型材、发泡材料等专委会,动员企业紧急抢运救灾物资,昼夜生产、加工蓬布、帐篷和简易保温房。
2奥运会拉动塑料制品应用与创新,PC板材:
沈阳、天津奥体中心的“水滴”采用了PC板智能化屋面系统,具有重量轻、抗冲击、隔热、防结露、节能等特点,与相同厚度的传统板材相比,可节约25的能源。
聚氨酯隔热保温材料、聚氨酯外墙涂料:
“水立方”就是由10多万平米聚四氟乙烯(ETFE)的膜构成的“魔方”。
世博与高分子材料,中国馆使用阻燃电缆含氟塑料(CMP),熔点高,不易被火焰烧软化,即使软化也不会轻易着火、不释放有毒气体,这就给建筑内的人们留下逃生的时间。
阻燃电缆还能够回收利用,更加环保。
阻燃电缆目前在我国的市场价是普通电缆的5倍,但其成本仅为普通电缆的2倍。
聚碳酸酯板铸就“油立方”,石油馆采用了聚碳酸酯板,俨然一座“油立方”.石油馆浅蓝色的建筑外表皮来自石油衍生品聚碳酸酯,可回炉再利用,保温隔热,是极佳的遮阳板,经纵横交错“编织”而成,富于时代感和行业特色。
世博会芬兰馆:
塑料“冰壶”蒸桑拿,外墙由2.5万块“冰”组成的“冰壶”,“冰壶”外墙的“冰”,实际上是一种生态型的创新材料-木塑料复合材料,它由废纸和塑料制成,全部可回收,移动或者拆卸也很方便,拿在手上感觉表面十分坚硬,其白色还永不褪色。
走过一座小桥,人们便能进入“冰壶”,一个远离喧嚣城市的微型岛屿家园,感受素有“千湖之国”美誉的芬兰的人文情怀。
墨西哥馆:
回收塑料“风筝林”,墨西哥馆占地4000平方米的展馆最具特色之处是其第三层的斜坡式屋顶将竖立起135个赤橙黄白紫五色的高低不等的风筝。
竖立在墨西哥馆顶上的“风筝森林”将由135个4至8米宽的风筝模型组成,最高的达13米,最矮的也有2米。
英国馆的“蒲公英”,由6万只有机玻璃材质的“触须”分布在整个建筑外墙的表面,“种子圣殿”内有6万颗种子呈现在参观者面前,所有的种子都来自由英国皇家植物园和昆明植物研究所合作的千年种子银行项目。
0.1高分子材料及其加工的概念0.2高分子材料的工程特征0.3高分子材料的加工程序和研究方法0.4高分子材料成型加工的主要内容和要求0.5发展史,0.1高分子材料及其加工的概念0.1.1大材料概念金属材料大材料无机非金属材料有机高分子材料,材料四要素,使用性能,合成/加工,性质,结构/成分,(工程),(化学),通称为高分子材料,指一定配合的高分子化合物在成型设备中,受一定温度和压力作用熔融塑化,然后通过模塑制成一定形状,冷却后在常温下能保持既定形状的材料制品,
(1)组成;
(2)加工性;(3)形状;(4)使用性;(5)经济性;(6)再生性。
高分子材料在大材料中地位:
(1)年轻学科,有生命力
(2)最有发展前途(3)应用广泛,0.1.2材料的通性,0.1.3高分子材料在化学工业学科中的地位,石油煤天然气,C3、C4C5等炭氢化合物,单体,乙烯、苯乙烯,丙烯、氯乙烯,丁二烯等,高聚物,高分子材料制品,高分子化学高分子合成工艺生产过程及设备反应机理聚合反应工程,加工工艺,模具、机械,应用、改性,高分子化工,高分子材料,高分子物理,加工,基本有机合成,聚合反应,成型加工,0.1.4高分子成型加工定义,高分子材料成型加工工艺具有实用性的材料或制品(高分子化合物+添加剂),高分子成型加工将聚合物及各种添加剂转变成实用材料或制品的一种工程技术。
通常是在一定温度下弹性固体、固体粉状或粒状、糊状或溶液状态的聚合物变形或熔融,经过模具得到所需形状,并在此过程中材料会发生一定的化学变化,最终得到能保持所得形状制品的工艺过程。
0.1.5高分子材料的分类,塑料三大合成材料橡胶纤维聚合物(树脂、生胶)区分三个概念高分子材料(塑料、胶料)高分子材料制品(塑料制品、橡胶制品),塑料以合成树脂为基体,添加一些具有特定作用的助剂,将基体和助剂混合、分散,再通过塑炼加工,并在加工过程中显示塑性且能流动成型的材料。
橡胶在适当配合剂存在下,在一定温度和压力下硫化(适度交联)而制得的弹性体材料(橡胶制品),通常在室温下具有粘弹性。
纤维长径比很大,并具有一定柔韧性的纤细物质,如锦纶(尼龙6)、腈纶(聚丙烯睛)、丙纶(聚丙烯)等。
高分子材料的五个形成条件,
(1)以聚合物为主体:
主要视材料的性质如何例:
钙塑材料(PP20%,CaCO380%)
(2)属多相复合体系:
两组分以上,宏观均相,亚微观分相(3)具有可加工性例:
PVC(4)良好的使用性能和适当的寿命(5)具有工业化生产规模:
高聚物成千上万,400500种可做材料,但工业化规模的不多通用塑料:
PP、PE、PVC、PS、PMMA等工程塑料:
聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚甲醛等。
0.1.6高分子材料的制造,高分子材料及制品生产,高分子化合物制造,高分子反应,聚合反应,复合化,合金,填充,(添加剂、混合、成型),成型加工,影响高分子材料制造的因素,
(1)高分子化合物的性质(化学结构、物理结构)(与高分子化合物的制造有关高分子材料学)
(2)成型加工过程:
添加剂的作用混合过程成型过程,0.2高分子材料的工程特征,高分子材料,结构上的特殊性,性能上的可变性,高分子材料成型加工方法具有多样性,(随加工过程而变),材料性能的影响因素,材料性能,材料本身,成型加工中产生的附加性质,有目的产生,加工中自发产生,有利,不利:
结晶,交联,取向,塑料降解,分解、烧焦,结论:
材料不同,性能要求不同,加工方法不同,三种物理状态:
玻璃态:
Tf(Tm),0.2.1高聚物的状态变化与成型加工的关系,聚合物从一种状态,另一种状态的影响因素:
(1)聚合物的分子结构
(2)聚合物体系的组成(3)聚合物所受应力(4)环境温度,当聚合物及组成一定时,在一定外力作用下,聚集态的转变主要与温度有关:
聚合物聚集态不同,内聚能不同,性能不同,聚合物对加工技术的适用性不同,0.2.2成型加工方法和实质,高分子材料成型加工是一个复杂的物理化学变化过程,其中,流动性是必要条件。
加工技术从形变出发:
(1)高聚物熔体塑性形变:
Tf(m)Td,多用于一次成型
(2)高聚物类橡胶态弹性形变(残余形变):
TgTf,多用于二次成型(3)高聚物溶液态:
用于浸渍、湿法或干法纺丝(4)高聚物分散体(悬浮体、溶液、胶乳):
搪塑(5)高聚物单体或预聚体直接成型化学加工:
浇注(6)高聚物机械加工后处理。
成型加工中发生的物理化学变化,
(1)物理变化为主:
热塑性塑料材料加热流动冷却凝固
(2)化学变化为主:
浇注成型单体或预聚体加热或引发剂聚合成型(3)物理变化化学变化兼有:
热固性塑料、橡胶材料加热流动交联(硫化)成型,0.2.3制品的性能,内在性质:
通过选择合适材料,容易解决附加性质:
加工中使材料发生实质性变化,外观性质耐久性质使用性质,制品性能,材料内在性质加工中产生的附加性质,对制品性能的影响极为重要,附加性能对制品性能影响,
(1)形状上的变化:
使用上的要求
(2)结构上的变化分子结构上的变化:
交联、硫化聚集态结构上的变化:
微观结晶、取向等(3)性质上的变化:
反映出制品宏观性能改变如:
结晶刚性,取向各向异性,交联弹性、强度,0.3高分子材料的加工程序和研究方法,0.3.1加工技术程序:
高分子材料制备,成型工艺,制品,配料,混合粒化、粉化,塑化,一次二次成型,定型后加工,塑料流程,橡胶流程,基本工艺过程:
配料塑炼混炼成型硫化,原料,单体,生胶制造,生胶,切胶烘胶,塑炼,塑炼胶,混炼,混炼胶,成型,压延、压出模压、注塑,半成品(胚料),硫化,橡胶制品,胶料的制造,配合剂,预加工,0.3.2研究设计方法,高聚物,配合剂,配方设计,试样制备,性能测试,第一循环,生产工艺制定,高分子材料制品,第二循环,第一循环:
配方设计,第二循环:
加工工艺制定、经济成本估算,性能,力学、热、电、化学性能等,决定,0.4成型加工的要求和任务,热力学、力学物理化学、有机化学质量和能量的传递高分子化学高分子物理粘弹性流体力学(流变学),所需的基本知识,0.4.1成型加工的基础知识要求,0.4.2聚合物成型加工的任务,聚合物加工基本任务研究实现从原料到制品的转变所要采用的适当方法及所获得的产品质量与各种因素(如材料的流动和形变的行为以及其性质、各种加工条件参数及设备结构等)的关系。
成型加工工程的任务包括赋予作为原料的成型材料以一定特性和加工价值,并制成所要求得到的实用性制品。
0.4.3成型加工的过程,高分子材料成型加工通常包括两个过程:
(1)首先使原材料产生变形或流动,并取得所需要的形状
(2)进行固化以设法保持所取得的形状成为制品,0.4.4成型加工的主要功能,成型加工工程的主要功能有:
(1)赋形。
如制成薄膜或齿轮等形状。
(2)使成型材料熔融、固化。
灵活应用加热和冷却操作使之易于赋形。
(3)进行硬化反应。
加工热固性树脂时,加热使其产生缩聚反应而成为具有三维结构的高聚物。
(4)实现某些附加作用。
0.5发展史,19世纪之前,人类已开始使用天然高分子材料1892年:
确定了天然橡胶的干馏产物为异戊二烯结构,为高分子的合成指明了方向。
1930年:
Standinger发表了大分子学说,为高分子材料的合成制备奠定了理论基础。
1930-1940年:
发展了缩聚反应理论,建立了乳液聚合理论。
0.5.1高分子合成,0.5.2聚合物混合工艺的发展,1820年:
Hancock设计了第一台开放式辊筒机,为橡胶塑炼、配料及聚合物混炼工艺的实施提供了有力的工具。
1835年:
Chaffee创制了第一台蒸气加热的双辊机。
1839年:
Goodyear发现硫磺对橡胶具有交联作用(橡胶工业发展重要的里程碑)。
1910年:
英国Banbury首创密炼机(BanburyMixer)二十世纪中期:
连续混合机,高速混合机。
0.5.3注射成型技术的发展,1862年:
英国Alexander展出由注射成型制得的梳子、伞柄等制品1869年:
英国Hayatt制成塞璐珞(硝酸纤维素),其一出六模具具有主流道、分流道和浇口1932年:
德国HansGastrovl发明了有分流梭的料筒1940年:
德国BASF公司发明了螺杆直射注塑法70年代:
塑料工业发展的重要历史时期,“以塑代钢”、“以塑代木”Rossi-Peakes螺旋模的流动试验,用标准条件测出塑料流出量和流动长度来反映工艺特性Gilmore、Spencer在柱塞式注塑机用PS研究热塑性塑料对可模塑性条件的影响,优点:
机身低,便于操作和维修;机器重心低,安装稳定性好;制品顶出后可利用其自重作用而自动下落,容易实现自动操作。
缺点:
模具安装和嵌件的安放比较麻烦;占地面积较大。
适用:
大、中、小型注射机。
卧式注射机,注射机,注射系统(塑化、注射),锁模系统(开启、闭合模具),模具(赋予塑料形状和尺寸),由注射系统、锁模系统和塑模三大部分组成。
0.5.4挤出成型技术的发展“挤出”来源于拉丁文“ex”(离去)和“truder”(推),1795年:
Bramah发明的由一个手动的柱塞和机头组成的挤出机1879年:
英国Gray发明第一部螺旋挤出机十九世纪末:
英国的Gray和美国的Royle取得了阿基米德螺杆挤出机的专利,同一时期,Rowell和Finlayson进行了螺杆挤出机的第一个理论研究1925年:
挤出PVC,标志着现代挤出工艺的开端1935年:
德国的Troester制造了第一台专为热塑性塑料的螺杆挤出机,单螺杆挤出机是由一根阿基米德螺杆在加热的料筒中旋转构成的。
大小一般用螺杆直径来表示。
双螺杆挤出机指在一根两相连孔道组成截面的料筒内由两根相互啮合或相切的螺杆组成的挤出装置。
1.4制造方法及组成对高分子材料性能的影响,高分子化合物填充剂(无机物)低分子物(添加剂),制造方法,组成,聚合物的聚合方法聚合物的反应(聚合物功能化)合金化,高分子合金:
指塑料或橡胶经物理共混或化学改性后,形成的宏观上均相、微观上分离的一类材料,两种或两种以上各具本身优点的聚合物混合在一起,从而得到性能优异的材料。
聚合物并用,即聚合物共混,已是高分子科学的发展方向。
现在真正能工业化生产的聚合物只有数十种,而对高分子的使用要求越来越高,一种聚合物难以满足所有各方面的要求,即聚合物都各有所长,各有所短。
例:
塑料强度高,橡胶弹性好,所以考虑并用。
共混,并用聚合物的选用:
并非任何聚合物都可以相互并用,应从以下几方面考虑:
并用目的,即从制品所要求的性能考虑,是并用的第一原则和前提。
例:
增韧加弹性体到塑料中;增强加塑料到橡胶中;提高流动性PVC中加PS。
考虑能否混合,溶解度参数相近的原则,但不能太接近(形成的结构不好),应使材料形成亚微观分相结构,性能才会优异。
对需要交联的聚合物:
共混中交联。
例:
动态硫化共混型热塑性弹性体。
考虑配合剂在聚合物中的分布:
有些配合剂在某一种聚合物中易混合。
例:
轮胎。
考虑会否发生化学反应:
有利的要利用(如产生接枝或共聚),不利的要避免或控制。
现较热门的反应性共混:
利用基团,或使其中的一相反应。
1.5.1热塑性塑料-聚乙烯(PE)
(1)基本特性是树脂中分子结构最简单的一种,它原料来源丰富,价格低廉,具有优异的电绝缘性和化学稳定性,易于成型加工,并且品种较多,可满足不同的性能要求。
是目前产量最大的树脂品种,用途极为广泛。
分为低密度聚乙烯(LDPE)(高压法)和高密度聚乙烯(HDPE)(低压法)。
外观:
乳白色蜡状物,无味、无臭、无毒,半透的颗粒状物料。
PE易燃,燃烧时有蜡味,并伴有熔融滴落现象。
1.5四大通用塑料的性能与成型加工,1.5.1热塑性塑料-PE,
(2)主要用途可进行吹塑薄膜、挤出涂覆、电线电缆的包覆、注塑和中空成型等;各种瓶、容器和汽油桶等中空制品占HDPE总需求量的50%以上,HDPE瓶广泛用于食品、化学品、药品、化妆品、洗涤剂等的包装;薄膜、管材、电线电缆和各种注塑制品等。
(3)成型特点成型加工温度较低,熔体粘度低,易于成型加工。
LDPE一般在180左右,HDPE一般在220左右,最高成型加工温度通常不超过280。
1.5.1PE的成型特点,熔融状态下,PE具有氧化倾向,因而,成型加工中应尽量减少熔体与空气的接触及在高温下的停留时间。
制品的结晶度取决于成型加工中对冷却速率的控制。
应尽量使制品各部分冷却速率均匀一致,以免产生内应力,降低制品的力学性能。
由于结晶,PE熔体冷却后收缩率较大,一般成型收缩率为1.5%5.0%。
1.5.2热塑性塑料-聚丙烯(PP),
(1)基本特性聚丙烯无色、无味、无毒。
外观似聚乙烯,但比聚乙烯更透明、更轻。
密度仅为0.900.91g/cm。
它不吸水,光泽好,易着色。
(2)主要用途聚丙烯可用做各种机械零件如法兰、接头、泵叶轮、汽车零件和自行车零件;可作为水、蒸汽、各种酸碱等的输送管道,化工容器和其他设备的衬里、表面涂层;可制造盖和本体合一的箱壳,各种绝缘零件,并用于医药工业中。
1.5.2PP的成型特点,成型收缩范围及收缩率大,易发生缩孔、凹痕、变形,方向性强;流动性极好,易于成形,热容量大,注射成形模具必须设计能充分进行冷却的冷却回路,注意控制成形温度。
料温低时方向性明显,尤其是低温、高压时更明显。
聚丙烯成形的适宜模温为80C左右,不可低于50C,否则会造成成形塑件表面光泽差或产生熔接痕等缺陷。
温度过高会产生翘曲和变形。
1.5.3热塑性塑料-聚氯乙烯(PVC),
(1)基本特性是以氯乙烯为单体聚合而得的聚合物,自上世纪30年代首先在德国开始工业化生产以来,由于它原料来源丰富,用途广泛,在通用塑料中一直占有重要地位,其产量在塑料中仅次于聚乙烯居第二位。
PVC树脂特点:
化学稳定性好,力学性能高,电气绝缘性优良,难燃自熄,纯净的PVC具有透明性。
但热稳定性差,使用温度不高,硬质制品的脆性较大、不耐寒,在光和热的作用下易老化的缺点。
1.5.3热塑性塑料-PVC,
(2)主要用途通过改变配方可制得软、硬程度不同及多种功能的塑料材料和制品,在农业、建筑、化工、电气、机械和日常生活中广泛用途。
(3)成型特点成型加工中的热稳定性熔体的流变特性熔体塑化特性加工设备的适应性其它,1.5.4热塑性塑料-聚苯乙烯(PS),
(1)化学和物理特性大多数商业用的PS都是透明的、非晶体材料。
PS具有非常好的几何稳定性、热稳定性、光学透过特性、电绝缘特性以及很微小的吸湿倾向。
它能够抵抗水、稀释的无机酸,但能够被强氧化酸如浓硫酸所腐蚀,并且能够在一些有机溶剂中膨胀变形。
典型的收缩率在0.40.7%之间。
注塑模工艺条件干燥处理:
除非储存不当,通常不需要干燥处理。
如果需要干燥,建议干燥条件为80C、23小时。
熔化温度:
180280C。
对于阻燃型材料其上限为250C。
模具温度:
4050C。
注射压力:
200600bar。
注射速度:
建议使用快速的注射速度。
流道和浇口:
可以使用所有常规类型的浇口。
1.5.4热塑性塑料-PS,
(2)典型用途产品包装,家庭用品(餐具、托盘等),电气(透明容器、光源散射器、绝缘薄膜等)。
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