材料成形加工复习提纲

按照用途，高分子材料分为塑料、化学纤维、橡胶、胶黏剂和涂料五类。高分子材料的成形有黏流态成形、塑性成形和玻璃态成形三种形式。高分子材料的可成形性包括可挤出性、可纺性、可模塑性和可延性。可纺性是作为成纤聚合物的必要条件。胀大型是正常的纺丝细流类型，液滴型、漫流型和破裂型是纺丝过程必须避免出现的挤出细流情形。实际纺丝生产中通常采用最大稳定纺丝速度或断头次数来判定聚合物的可纺性。可延性取决于聚合物自身性质和塑性形变条件。线型聚合物是典型黏弹性材料，总形变由普弹形变、高弹形变和粘性形变三部分所组成。成形形式和条件不同，可逆形变和不可逆形变两种成分相对比例不同。粘流态（或熔融态）成形易于获得较大的形状改变，成形制品的使用因次稳定性好，但是应充分重视高弹形变的危害。高弹态成形时，可以采用较大的外力和/或较长的作用时间获得成形所需要的不可逆形变。高分子成形的固化方式有冷却固化、传质固化和反应固化三种。不稳定温度场和不稳定传热是冷却固化过程的重要特征。高分子成形的取向。根据驱动力情况，高分子成形的取向通常有剪切流动取向和拉伸流动取向两种类型。按取向的方式，取向可分为单轴取向和双轴取向（或称平面取向）两种。高分子和填料在剪切流动过程均可以发生取向。拉伸流动取向有粘流拉伸和塑性拉伸两种，塑性拉伸流动时发生的取向包括链段取向、分子链取向和晶粒取向，塑性拉伸流动获得的取向结构稳定和取向程度高。温差诱导取向是拉伸流动取向的特殊情况。按降解过程化学反应的特征，高分子的降解有自由基链式降解和逐步降解两种机理。高分子结构、成形温度、成形应力、氧、水分等因素影响高分子成形的降解难易和降解程度。热固性高分子成形必然涉及交联，而有时热塑性高分子成形时会有意引入适当的交联。逐步交联反应有加成聚合交联反应和缩合聚合交联反应两种类型。第五章挤出成形挤出成形生产线的核心设备是挤出机。挤出机主要有螺杆挤出机和柱塞式挤出机两大类，挤出成形普遍使用的挤出机是螺杆挤出机。单螺杆挤出机一般由加料系统、挤出系统、加热冷却系统、传动系统和控制系统等部分构成。挤出系统是单螺杆挤出机的主体，包括机筒、螺杆、机头和口模等，而螺杆是最核心部件。螺杆的几何结构参数有螺杆直径、长径比、压缩比、螺距、螺槽深度、螺旋角、螺杆与机筒间间隙、螺头形状等。除三段式普通螺杆外，还有分离型螺杆、屏障型螺杆、分流型螺杆、分配混合型螺杆、排气型螺杆等多种高效型螺杆。聚合物物料在螺杆挤出机中的挤出过程，可分为固体输送区、熔融区和熔体输送区三个区域。熔体在螺杆均化段的实际流动是正流、逆流、环流和漏流四种流动的组合流动，在螺槽内熔体呈螺旋形流动轨迹沿螺槽逐渐流向机头方向。螺杆挤出机稳定挤出的条件是固体输送速率≥熔化速率≥熔体输送速率。根据螺杆特性曲线和口模特性曲线，可确定螺杆挤出机配合特定口模的工作点，即挤出生产率和机头压力。螺杆挤出机生产率受机头压力、螺杆转速、螺杆几何尺寸等因素的影响。热塑性塑料管材的机头大体上可分为直通式、直角式和偏移式三种，其中用得最多的是直通式机头。挤出管材的定径方法有定径套、定径环和定径板等。第六章注射成形注射成形是间歇生产过程。注射成形设备包括注射机、注射模具和辅助设备。注射机是注射成形的核心设备。根据外形特征，注射机分为立式、卧式和角式三类。根据结构特点，注射机分为移动螺杆式注射机和柱塞式注射机两大类。移动螺杆式注射机是目前注射成形最常采用的注射机。热塑性塑料的注射过程包括加料、塑化、注射充模、冷却固化和脱模等几个主要步骤。塑化、注射充模和冷却固化是决定成形周期和制品质量的关键过程。移动螺杆式注射机对物料的塑化能力和塑化质量都比柱塞式注射机好。注射充模过程可分为引料入模、流动充模和压实与增密三个阶段。冷却固化可分为保压、熔体倒流与模腔凝封、浇口凝封后的继冷期三个阶段。注射成形工艺条件包括温度、压力和时间三个方面。需控制的温度主要包括机筒温度、喷嘴温度和模具温度，压力包括塑化压力、注射压力和保压压力，时间包括注射时间、保压时间、冷却时间及其它辅助时间(如开模、脱模、嵌件安放、闭模等)。注射螺杆结构与挤出螺杆基本相同，差别之处：长径比和压缩比较小，长径比一般10~15，压缩比一般2~2.5。塑化物料时有轴向位移，螺杆有效长度在变化，因此加料段较长（约螺杆长度1/2）注射螺杆黏度大的物料常用锥形尖头，黏度较低的物料需用带止逆环的螺杆头。注射压力：注射螺杆或柱塞使熔体从机筒中注入模腔而施于机筒中熔体上的压力作用：克服阻力使熔体充满模腔，并压实以获得必要密度和清晰轮廓移动螺杆式注射机：螺杆转动能产生剪切作用因而塑化效果好，物料熔融塑化过程与螺杆挤出机内熔融塑化过程类似（主要不同点是：螺杆挤出机的熔融塑化过程是稳态连续过程，而移动螺杆式注射机的熔融是非稳态间歇式过程）为提高塑化速率和塑化质量，柱塞式注射机机筒前端通常都设置分流梭，柱塞式注射机必须采用分流梭，移动螺杆式塑化效果好，不采用分流梭•锁模力：比注射压力（40~200MPa）小，但应大于模腔内实际压力•注射机工作过程：合模及锁紧、注射装置前移、注射、保压、制品冷却及预塑化、注射装置后退和开模顶出制品（1）合模及锁紧•合模时模具首先以低压力快速闭合，动定模快要接触时低压低速以免模具强力碰撞或模具内嵌件松动，合模后高压锁紧模具•注射装置退回：避免使喷嘴与冷模长时间接触导致喷嘴处温度过低以致喷嘴处熔体凝固而无法进行下一次注射；是否退回根据物料性能和模具结构而定，如果采用热流道模具一般不退回。1．充模方式熔体充模两种极端方式：扩展流和喷射流扩展流：模腔内空气能顺利排出，所得制品质量(包括强度和外观等)较好过低速度会延长充模时间，同时熔体过度冷却可能引起充模不全，出现熔接痕甚至出现分层，影响制品强度喷射流：模内原有空气和被湍流熔体卷入的空气无法排出，而且被压缩形成高温高压气体而引起熔体局部烧伤及分解，同时易出现熔体破裂等缺陷，因而制品质量不均匀，内应力较大，表面常有裂纹扩展流充模方式是最理想的充模方式，而喷射流充模方式应极力避免保压压力越高，保压时间越长，凝封时模腔压力越高，模腔内成形物平均温度越低，所得制品的密实度越高保压压力越高，保压时间越长，则凝封压力越高，脱模时(实际脱模温度一般比模温略高)模腔残余应力越高，因而制品内应力越大且脱模越困难制品脱模和抽芯的最佳条件：成形物温度下降到玻璃化温度(或热变形温度)以下且模腔压力下降到与大气压平衡（即模腔残余压力=0）制品冷却过程中模腔残余压力为零若出现在冷却初期，制品表面将出现凹陷若零压力在冷却过程中期出现，则内部未凝熔体凝固时会在足够厚的外壳拉应力作用下而产生缩孔或裂纹只有残余应力为零出现在冷却过程后期时，制品内外都已凝固才不致发生缺陷•喷嘴温度通常略低于机筒温度：因为喷嘴处产生较大摩擦热使物料出现较大温升，如果喷嘴温度过高则在直通式喷嘴处会发生“流涎现象”•注射成形周期：完成一次注射成形所需的全部时间，包括注射时间、保压时间、冷却时间及其它辅助时间(如开模、脱模、嵌件安放、闭模等)，注射成形周期中不另含加料塑化时间•热固性塑料注射成形，热固性树脂充模结束后不必保压补料热塑性塑料可以采用压延成形，压延产品可以是薄膜、片材、人造革和各种涂层制品等。压延机按辊筒数目分为双辊、三辊、四辊、五辊甚至六辊。压延机以三辊和四辊最多，橡胶一般使用三辊压延机，塑料压延多使用四辊压延机。辊筒的排列方式有三角型、直线型、逆L型、斜Z型、L型、正Z型等，目前应用最普遍的是斜Z型和逆L型。压延制品质量最突出的问题是薄膜横向厚度不均。导致薄膜横向厚度不均的原因是辊筒的弹性弯曲变形和辊筒表面的轴向温差。通常可采用中高度法、辊筒轴交叉法或预应力法等矫正措施补偿辊筒弹性变形导致的制品厚度不均匀问题。另一问题是压延效应问题。模压成形生产周期长，生产效率低，因此主要用于热固性塑料和橡胶制品的成形。第八章塑性成形塑料塑性成形主要有热成形、中空吹塑成形和双向拉伸薄膜成形等。按型坯制造方法的不同，中空吹塑工艺可分为挤出－吹塑法和注射－吹塑法两种。中空吹塑的重要工艺因素有型坯温度、吹塑模具温度、充气压力与充气速率、吹胀比和冷却时间等。拉伸薄膜成形有单轴拉伸和双轴拉伸两种方式。双向拉伸薄膜的成形工艺有平膜法和管膜法两种，其中平膜法采用较广泛，平膜法主要用于生产高强度的薄膜。平膜法双向拉伸工艺有平膜逐次双向拉伸和平膜纵横同步双向拉伸两种拉伸实施方法，其中平膜逐次双向拉伸工艺应用最广。平膜逐次双向拉伸方法有先纵拉后横拉和先横拉后纵拉两种方式，生产上用得最多的是先纵拉后横拉方式。先纵拉后横拉方式的平膜法逐次双向拉伸薄膜成形工艺过程包括厚片急冷、纵向拉伸、横向拉伸、热定形、冷却、切边和卷取。管膜双向拉伸薄膜的生产工艺按照薄膜引出的走向可以分为上吹法、平吹法和下吹法，成形工艺流程包括管坯挤出、吹胀与牵引、冷却和卷绕。高分子泡沫制品成形的发泡方法有机械发泡法、物理发泡法和化学发泡法三种。高分子泡沫制品的成形过程一般可分为泡核形成、泡孔增长和泡体固化三个阶段。塑料普通制品的成形工艺都可用于成形泡沫塑料，比如挤出成形、注射成形、模压成形、浇注成形和压延成形等。第十章化学纤维成形原理化学纤维的主要成形原料是成纤聚合物。成纤聚合物有天然高分子聚合物和合成高分子聚合物两大类，前者生产的是人造纤维，后者生产的是合成纤维。化学纤维成形通常采用熔体或浓溶液进行纺丝，前者称为熔体纺丝，后者称为溶液纺丝，普通溶液纺丝包括湿法纺丝和干法纺丝两种。后加工随化纤品种、纺丝方法和产品要求而异，主要后加工工序是拉伸和热定形。熔体纺丝中纤维结构的形成和发展主要是指纺丝线上聚合物的取向和结晶。纺丝过程中的取向有两种机理，一种是处于熔体状态下的黏流流动取向机理，另一种是丝条固化后的塑性拉伸流动（或称塑性形变）取向机理。结晶能力强的成纤聚合物容易冻结黏流拉伸流动取向，但是往往难以启动塑性形变取向机理。结晶能力弱的成纤聚合物通过黏流拉伸流动取向机理获得的有效取向较小，常规纺时在纺程上的取向机理主要是黏流拉伸流动取向，卷绕丝取向度通常很小；但是纺速增加到5000m/min左右，容易启动塑性形变取向机理，因此取向程度可以较高，高速纺卷绕丝通常比常规纺存在更明显的皮芯结构。（2）湿法纺丝原理湿纺纺程上存在径向应力分布，导致湿纺凝固丝往往存在皮芯层结构，皮层取向度比芯层高。传质扩散过程是湿法纺丝时实现固化的原因。溶剂和沉淀剂两者之间的相对扩散速率是相分离的驱动力。溶剂和沉淀剂的扩散系数受到凝固浴浓度、种类和温度等许多因素的影响。相分离是湿法纺丝的成形机理。湿纺初生纤维的取向度一般很低，基本没有结晶或者存在少量结晶或准晶序态。第十一章聚酯纤维熔纺成形1．聚酯原料及纤维涤纶、锦纶和丙纶产品都采用熔体纺丝方法成形。聚酯纤维通常是指聚对苯二甲酸乙二酯纤维，商品名为涤纶。PET生产有酯交换法和直接酯化法两条路线。纤维用PET树脂的分子量通常为15000~22000。纯PET的熔点为267℃。聚酯纤维为部分结晶纤维，具有优异的综合性能。聚酯纤维的改性方法分为化学改性和物理改性两类。聚酯预取向丝（POY）是在纺速3000~4000m/min条件下获得的卷绕丝，具有高取向、低结晶的结构特点。影响POY结构和性能的工艺参数有纺丝条件、冷却吹风条件、卷绕速度、上油集束位置、纺丝机上有无导丝盘等。POY纺丝常采用高压纺丝或中压纺丝，对切片的特性粘数和含水率要求较严格。POY的纺速应尽量选择在防止发生取向诱导结晶作用的范围内。聚酯全拉伸丝（FDY）生产工艺是在POY高速纺丝过程中引入有效拉伸，卷绕速度达到5000m·min-1以上。FDY生产工艺是纺丝－拉伸－卷绕一步法连续工艺。聚酯全取向丝（FOY）生产工艺是采用6000m/min以上的超高纺速以获得具有高度取向结构的长丝的纺丝工艺。FOY具有微原纤结构和皮芯层结构。超高速纺丝纺程上凝固点位置随纺丝速度而变化并且出现细颈现象。第十二章聚丙烯腈及粘胶纤维溶液纺成形腈纶、粘胶纤维、维尼纶和氯纶通常都采用溶液纺丝法成形。本章选择聚丙烯腈纤维溶液纺