②長火孝 第5章有机高分子材料及其成形 Organic Polymer Material and Its Forming 请基哲:十一五国规划材 产品造型设计 材料与工艺 适用班级:110109班 Design 主讲教师:李明 双色版 二O一三年三月
第5章 有机高分子材料及其成形 Organic Polymer Material and Its Forming 适用班级：110109班 主讲教师：李 明 二〇一三年三月
有机高分子材料也称为聚合物材料,是以有机高分 化合物(树脂)为基体,再配有其他添加剂(助剂) 所构成的材料。 目前有机高分子材料在尖端技术、国防建设和国民 经济各个领城得到广泛应用,已成为现代社会生活 中衣、食、住、行、用各个方面所不可缺少的材料。 有机高分子材料由于原料来源丰富、制造方便、品 种繁多、用途广泛,因出在材料领域中的地位日益 突出。有机高分子材料不仅为工农业生产及人们的 日常生活提供不可缺少的材料,而且为发展高新技 术提供更多的高性能结构材料、高功能材料以及满 足各种特殊用途的专用材料。 ◎長耋x主火孝
2 • 有机高分子材料也称为聚合物材料，是以有机高分 化合物（树脂）为基体，再配有其他添加剂（助剂） 所构成的材料。 • 目前有机高分子材料在尖端技术、国防建设和国民 经济各个领域得到广泛应用，已成为现代社会生活 中衣、食、住、行、用各个方面所不可缺少的材料。 • 有机高分子材料由于原料来源丰富、制造方便、品 种繁多、用途广泛，因此在材料领域中的地位日益 突出。有机高分子材料不仅为工农业生产及人们的 日常生活提供不可缺少的材料，而且为发展高新技 术提供更多的高性能结构材料、高功能材料以及满 足各种特殊用途的专用材料
5.1有机高分子材料概述 有机高分子材料可分为天然高分子材料、合成高分子材料及高分子复合材料 等 天然高分子材料通常指纤维素、棉花、蚕丝、皮毛等 合成高分子材料则包括塑料、橡胶、化纤、涂料和粘合剂五大类,通常所指的有 机高分子材料指的是合成高分子材料。 有机高分子材料与工业产品设计有着密切关系,材料选用得当,可以获得高 性价比的产品,取得事半功倍的效果。 有机高分子材料与工业产品设计有着密切关系,材料选用得当,可以获得高 性价比的产品,取得事半功倍的效果。由于有机高分子材料的品种繁多,在 性能上各有所长,因而必须通过适当选择来满足各种不同设计要求: 如对于比较精密的机械零部件,可选择PoM(聚甲醛)、P(聚酰亚胺)等具有 优良力学性能、刚性、自润滑性和耐磨性的工程塑料 如所设计的零部件是用于化工设备,则可选用聚四氟乙烯、氯化聚醚等耐蚀性极 好的材料; 而对于要求强度高,刚性、耐冲击性、耐振性好以及外观优美的汽车保险杠,则 应选用PP〔聚丙烯)、EPDM(三元乙丙橡胶,乙烯、丙烯和非共轭二烯烃的三 元共聚物)、PC(聚碳酸酯)、PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯)等,具有良好刚 性、耐冲击性、焊接性以及表面光泽的材料。 ◎長耋x主火孝 3
5.1 有机高分子材料概述 • 有机高分子材料可分为天然高分子材料、合成高分子材料及高分子复合材料 等。 ➢ 天然高分子材料通常指纤维素、棉花、蚕丝、皮毛等。 ➢ 合成高分子材料则包括塑料、橡胶、化纤、涂料和粘合剂五大类，通常所指的有 机高分子材料指的是合成高分子材料。 • 有机高分子材料与工业产品设计有着密切关系，材料选用得当，可以获得高 性价比的产品，取得事半功倍的效果。 • 有机高分子材料与工业产品设计有着密切关系，材料选用得当，可以获得高 性价比的产品，取得事半功倍的效果。由于有机高分子材料的品种繁多，在 性能上各有所长，因而必须通过适当选择来满足各种不同设计要求： ➢ 如对于比较精密的机械零部件，可选择POM（聚甲醛）、PI（聚酰亚胺）等具有 优良力学性能、刚性、自润滑性和耐磨性的工程塑料； ➢ 如所设计的零部件是用于化工设备，则可选用聚四氟乙烯、氯化聚醚等耐蚀性极 好的材料； ➢ 而对于要求强度高，刚性、耐冲击性、耐振性好以及外观优美的汽车保险杠，则 应选用PP（聚丙烯）、EPDM（三元乙丙橡胶，乙烯、丙烯和非共轭二烯烃的三 元共聚物）、PC（聚碳酸酯）、PBT（聚对苯二甲酸丁二醇酯）等，具有良好刚 性、耐冲击性、焊接性以及表面光泽的材料。 3
51.1高分子材料的类别 1按聚合物的性能和用途分类 (1)塑料在一定条件下具有流动性、可塑 性,并能加工成形,当恢复平常条件时仍可 保持加工时形状的高分子材料称为塑料。 1)热塑性塑料可溶、可熔,并且在一定条件下可 以反复加工成形,例如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙 烯等。 2)热固性塑料不溶、不熔,并且在一定温度及压 力加工下加工成形时会发生变化,这样形成的材 料在再次受压、受热下不能反复加工成形,而具 有固定的形状,例如酚醛树脂、脲醛树脂等。 ◎長耋x主火孝
5.1.1 高分子材料的类别 1.按聚合物的性能和用途分类 （1）塑料 在一定条件下具有流动性、可塑 性，并能加工成形，当恢复平常条件时仍可 保持加工时形状的高分子材料称为塑料。 1）热塑性塑料可溶、可熔，并且在一定条件下可 以反复加工成形，例如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙 烯等。 2）热固性塑料不溶、不熔，并且在一定温度及压 力加工下加工成形时会发生变化，这样形成的材 料在再次受压、受热下不能反复加工成形，而具 有固定的形状，例如酚醛树脂、脲醛树脂等。 4
(2)纤维具备或保持其本身长度大于直径 1000倍以上而又有一定强度的线条或丝状 高分子材料称为纤维。 天然纤维 纤维 化学纤维 「改性纤维素纤维 合成纤维 (3)橡胶在室温下具有高弹性的高分孑材料 称为橡胶。在外力作用下,橡胶能产生很大 的形变(可达1000%,外力除去后又能迅 速恢复原状。重要的橡胶品种有:聚丁二烯 (顺丁橡胶)、聚异戊二烯〔异戊橡胶)、 氯丁橡胶、丁基橡胶等。 ◎長耋x主火孝
（2）纤维 具备或保持其本身长度大于直径 1000倍以上而又有一定强度的线条或丝状 高分子材料称为纤维。 纤维൞ 天然纤维 化学纤维 ቊ 改性纤维素纤维 合成纤维 （3）橡胶 在室温下具有高弹性的高分子材料 称为橡胶。在外力作用下，橡胶能产生很大 的形变（可达1000%，外力除去后又能迅 速恢复原状。重要的橡胶品种有：聚丁二烯 （顺丁橡胶）、聚异戊二烯（异戊橡胶）、 氯丁橡胶、丁基橡胶等。 5
2按聚合物的热行为分类 (1)热塑性高分子材料 热塑性高分子材料成形后分子呈线性结构,在一定 条件(如温度、压力成)下可塑成一定形状并在常 温下保持其形状,而且还可在特定的温度范围内反 复加热软化、冷却固化,加工成形方便,有利于制 品再生。因此,热塑性高分子材料用途广、产量大 (占所有高分子材料的80%以上)。常见的热塑性 高分子材料有聚乙烯、聚丙烯等。 (2)热固性高分子材料 热固料高分子材料成形后变成网状的体型结构,不 溶不熔,受热后只能分解,不能回复到可塑状态。 常见的热固性高分子材料有酚醛树脂、环氧树脂等。 ◎長耋x主火孝
2.按聚合物的热行为分类 （1）热塑性高分子材料 • 热塑性高分子材料成形后分子呈线性结构，在一定 条件（如温度、压力戓）下可塑成一定形状并在常 温下保持其形状，而且还可在特定的温度范围内反 复加热软化、冷却固化，加工成形方便，有利于制 品再生。因此，热塑性高分子材料用途广、产量大 （占所有高分子材料的80%以上）。常见的热塑性 高分子材料有聚乙烯、聚丙烯等。 （2）热固性高分子材料 • 热固料高分子材料成形后变成网状的体型结构，不 溶不熔，受热后只能分解，不能回复到可塑状态。 常见的热固性高分子材料有酚醛树脂、环氧树脂等。 6
5.1.2有机高分子材料的加工性能 有机高分子材料具有一些特有的加工性能,如良好的高弹性、耐磨性、化学稳定性等 这些加工性能为有机高分子材料提供了适用多种的加工技术的可能性,也是高分子材 料能够得到广泛应用的重要原因。 1.有机高分子材料的力学性能 (1)高弹性轻度交联的高聚物具有典型的高弹性,即变形大、弹性模量小,而且弹性随温度的 升高而增大。橡胶是典型的高弹性材料。 (2)粘单性高聚物的粘弹性是指高聚物材料既具有弹单性材料的-般特性,又具有粘性流体的 些特性,即受力的同时发生高弹性变形和粘性流动,主要表现在蠕变和应力松弛、滞后和內耗等 现象上。 1)蠕变和应力松弛。在恒定温度和应力作用下,应变随时间延长而增加的现象称为蠕变。应力松弛是在应 变恒定的情况下,应力随时间延长而衰减的现象。在外力作用下,高聚物大分子链由原来的卷曲状态变为伸 直状态,从而产生蠕变;随时间的延长,大分子链构象逐步调整,趋向于比较稳定的卷曲状态,从而产生应 力松弛 2)滞后和内耗。滞后是指在交变应力作用下,变形速度跟不上应力变化的现象。在克服内摩擦时,一部分 机械能被损耗,转化为热能,即内耗。滞后越严重,内耗越大。内耗大对减振和吸声有力,但内耗会引起发 热,导致高聚物老化。 (3)强度高聚物的强度很低,如塑料的抗拉强度一般低于100MPa,比金属材料低很多,只有 钢的团/4~1/8,所以其比强度比一般金属高 (4)断裂高聚物材料由于内部结构不均一,含有许多微裂纹,造成应力集中,使裂纹容易很快 发展。在小应力的作用下即可断裂,称为环境应力断裂 (5)韧性 (6)耐磨性 ◎長耋x主火孝
5.1.2 有机高分子材料的加工性能 • 有机高分子材料具有一些特有的加工性能，如良好的高弹性、耐磨性、化学稳定性等， 这些加工性能为有机高分子材料提供了适用多种的加工技术的可能性，也是高分子材 料能够得到广泛应用的重要原因。 1. 有机高分子材料的力学性能 （1）高弹性 轻度交联的高聚物具有典型的高弹性，即变形大、弹性模量小，而且弹性随温度的 升高而增大。橡胶是典型的高弹性材料。 （2）粘弹性 高聚物的粘弹性是指高聚物材料既具有弹性材料的一般特性，又具有粘性流体的一 些特性，即受力的同时发生高弹性变形和粘性流动，主要表现在蠕变和应力松弛、滞后和内耗等 现象上。 1）蠕变和应力松弛。在恒定温度和应力作用下，应变随时间延长而增加的现象称为蠕变。应力松弛是在应 变恒定的情况下，应力随时间延长而衰减的现象。在外力作用下，高聚物大分子链由原来的卷曲状态变为伸 直状态，从而产生蠕变；随时间的延长，大分子链构象逐步调整，趋向于比较稳定的卷曲状态，从而产生应 力松弛。 2）滞后和内耗。滞后是指在交变应力作用下，变形速度跟不上应力变化的现象。在克服内摩擦时，一部分 机械能被损耗，转化为热能，即内耗。滞后越严重，内耗越大。内耗大对减振和吸声有力，但内耗会引起发 热，导致高聚物老化。 （3）强度 高聚物的强度很低，如塑料的抗拉强度一般低于100MPa，比金属材料低很多，只有 钢的l/4~1/8，所以其比强度比一般金属高。 （4）断裂 高聚物材料由于内部结构不均一，含有许多微裂纹，造成应力集中，使裂纹容易很快 发展。在小应力的作用下即可断裂，称为环境应力断裂。 （5）韧性 （6）耐磨性 7
2.有机高分子材料的电学和物理化学性能 (1)电学性能 (2)热性能 (3)化学稳定性 ◎長耋x主火孝
2. 有机高分子材料的电学和物理化学性能 （1）电学性能 （2）热性能 （3）化学稳定性 8
5.1.3有机高分子材料的成形加工 1.塑料的成形加工 塑料成形加工一般包括原料的配制和准备、成形及制品后加工等 几个过程。塑料成形的方法很多,包括挤出成形、注射成形、模 压成形、压延成形、铸塑成形、模压烧结成形、传递模塑、发泡 成形等。 2.橡胶的成形加工 橡胶的加工分为两大类: √千胶制品的加工生产干胶制品的原料是固态的弹性体,其生产过程包括塑 炼、混炼、成形、硫化四个步骤 胶乳制品的生产 胶乳制品则是以胶乳为原料进行加工生产的,其生产工 艺大致与塑料糊的成形相似 3.化学纤维的成形加工 化学纤维的成形加工主要是纺丝方法,而纺丝又分为熔融纺丝和 溶液纺丝两大类。 ◎長耋x主火孝
5.1.3 有机高分子材料的成形加工 1. 塑料的成形加工 ➢ 塑料成形加工一般包括原料的配制和准备、成形及制品后加工等 几个过程。塑料成形的方法很多，包括挤出成形、注射成形、模 压成形、压延成形、铸塑成形、模压烧结成形、传递模塑、发泡 成形等。 2. 橡胶的成形加工 ➢ 橡胶的加工分为两大类： ✓ 干胶制品的加工生产 干胶制品的原料是固态的弹性体，其生产过程包括塑 炼、混炼、成形、硫化四个步骤； ✓ 胶乳制品的生产 胶乳制品则是以胶乳为原料进行加工生产的，其生产工 艺大致与塑料糊的成形相似。 3. 化学纤维的成形加工 ➢ 化学纤维的成形加工主要是纺丝方法，而纺丝又分为熔融纺丝和 溶液纺丝两大类。 9
5.2塑料及其成形工艺 5.21塑料概述 1塑料的特性 2塑料的缺陷 (1)易成形、成本低 (1)耐热性差 (2)高强度、质量轻 (2)易变形 (3)耐腐蚀、性稳定 (3)有“老化”现象 (4)透明性好、着色性强 (5)绝缘性强、耐磨性高 (6)减震消音、透光保温 ◎長耋x主火孝 10
5.2 塑料及其成形工艺 5.2.1 塑料概述 1.塑料的特性 （1）易成形、成本低 （2）高强度、质量轻 （3）耐腐蚀、性稳定 （4）透明性好、着色性强 （5）绝缘性强、耐磨性高 （6）减震消音、透光保温 2.塑料的缺陷 （1）耐热性差 （2）易变形 （3）有“老化”现象 10