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第八章 高分子材料成形工艺
本章教学学时：2
本章重点介绍塑料成形工艺及橡胶成形工艺方法。要求学生掌握塑料的类型及应用；塑料的成形方法；掌握橡胶的组成、常用橡胶的类型及应用；了解橡胶加工的工艺过程；橡胶的成形方法。
本章教学方式: 课堂授课只给出整体的概念，其余安排学生自学。
本章主要内容：
第一节 高分子材料成形原理（安排自学）
第二节 塑料成形工艺
一、塑料的组成
塑料是由树脂和添加剂组成。
1. 树脂 塑料中的树脂主要是合成树脂，是塑料的主要成分，起胶粘剂作用，其特性不仅决定塑料的类型(热固性或热塑性)，还决定塑料的性能。因此，绝大多数塑料是以所用树脂命名。树脂含量约为30％～70％。
2. 添加剂主要包括一些用来改善使用性能和工艺性能的填充剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、染料、固化剂等。
（1）填充剂 又称填料，其作用是调整塑料的物理化学性能，提高材料强度，扩大使用范围以及减少合成树脂的用量，降低塑料成本。
（2） 增塑剂 是增加树脂塑性和柔韧性的添加剂，也可以降低塑料的软化温度，使其便于加工成型。 二、塑料的性能 1. 物理性能
(1)密度小 塑料的密度均较小，一般为0.9~2.0g／cm3，相当于钢密度的1／4~1／7，可以大大降低零部件的重量。
(2)热学性能 塑料的热导率较小，一般为金属的1／500~1／600，所以具有良好的绝热性。但塑料的热膨胀系数比较大，是钢的3～10倍，所以塑料零件的尺寸精度不够稳定。
(3)耐热性 由于塑料遇热易老化、分解，故其耐热性较差，大多数塑料只能在100°C左右长期使用。
(4)绝缘性 由于塑料分子的化学键为共价键，不能电离，没有自由电子，因此是良好的电绝缘体。当塑料的组分变化时，电绝缘性也随之变化。如塑料由于填充剂、增塑
剂的加入都使电绝缘性降低。 2. 化学性能
塑料的化学性能主要是指塑料的耐蚀性。由于塑料大分子链是共价键结合，不存在自由电子或离子，不发生电化学过程，其化学稳定性很高，能耐酸、碱、油、水及大气等物质的侵蚀。
3. 力学性能
(1)强度、刚度和韧性 塑料的强度、刚度和韧性都很低，如45钢正火σb为700～800MPa，塑料的σb为30~150MPa，刚度仅为金属的1／10。
(2)蠕变与应力松弛 塑料在外力作用下表现出的是一种粘弹性的力学特征，即形变与外力不同步。粘弹性可在应力保持恒定条件下，导致应变随时间的发展而增加，这种现象称为蠕变。不同的塑料在相同温度下抗蠕变的性能差别很大，机械零件应选用蠕变较小的塑料。
粘弹性也可在应变保持恒定的条件下导致应力的不断降低，这种现象称应力松弛。 (3)减摩性 塑料的硬度虽低于金属，但摩擦系数小。 4．塑料的成形工艺性能
(1)收缩性 塑件自模具中取出冷却到室温后，发生尺寸收缩的特性称收缩性。
(2)流动性 塑料在一定的温度和压力下填充模具型腔的能力称为流动性。 (3)热敏性 热敏性是指某些热稳定性差的塑料，在料温高和受热时间长的情况下就会产生降解、分解、变色的特性，具有这种特性的塑料叫做热敏性塑料。
(4)吸水性 塑料吸收水分的性质称为吸水性。
(5)硬化特性 硬化特性是热固性塑料特有的性能，专指热固性塑料的交联反应。 三、塑料的分类
1.根据塑料中树脂的分子结构及热性能不同，将塑料分为热塑性塑料和热固性塑料两类。
(1)热塑性塑料 也称热熔性塑料，常用的有聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS、有机玻璃、尼龙等塑料。
(2)热固性塑料 常用的热固性塑料有酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂塑料、呋喃树脂、有机硅塑料、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、硅酮塑料等。
2. 根据塑料性能及用途，常把塑料分为通用塑料、工程塑料、增强塑料和特殊塑料等。
四、塑料成形工艺
塑料成形的工艺过程包括塑料成形和塑料加工。 1. 塑料成形方法
(1)注射成形 又称注塑成形，其原理是将颗粒状态或粉状塑料从注射机的料斗送进加热的料筒中，经过加热熔融塑化成为粘流态熔体，在注射机柱塞或螺杆的高压推动下，
图8-6 注射成形工作循环
以很大的流速通过喷嘴注入模具型腔，经一定时间的保压冷却定型后可保持模具型腔所赋予的形状，然后开模分型获得成形塑件。这样就完成了一次注射工作循环，如图8-6所示。注射成形是在专门的注射机上进行，图8-7所示为螺杆式注射机结构示意图。
注射成形是热塑性塑料主要成形方法之一，适用于几乎所有品种的热塑性塑料和部
图8-7 螺杆式注射机结构示意图
分热固性塑料。此法生产率很高，可以实现高度机械化、自动化生产，制品尺寸精确，可以生产形状复杂、壁薄和带金属嵌件的塑料制品，适用于大批量生产。目前注塑制品产量约占塑料制品总产量的20％～30％。
(2) 压塑成形 又称压缩成形、模压成形、压制成形等，基本原理是将粉状、粒状或片状塑料放在金属模具中加热软化熔融，在压力下充满模具成型，塑料中的高分子产生交联反应而固化转变成为具有一定形状和尺寸的塑料制件。其成形过程如图8-8所示。
压塑成形主要用于热固性塑料，也可用于热塑性塑料，如聚四氟乙烯。与注射成形相比，压塑成形可采用普通液压机，模具结构简单，可成形流动性很差的物料及大面积的薄壁制品。此外，压塑成形件内部取向组织少，塑件成形收缩率小以及制品性能均匀。但其成形周期长，生产效率低、劳动强度大，
图8-8 压塑成形
塑件精度难以控制，模具寿命短，不易实现自动化生产。压塑成形特别适用于形状复杂的或带有复杂嵌件的制品，如电器零件、仪表壳、电闸板、电器开关、插座或生活用具等。
(3) 挤出成形 又称挤塑成形，它是使加热或未经加热的塑料借助螺杆的旋转推进力通过模孔连续地挤出，经冷却凝固而成为具有恒定截面的连续成形制品的方法。挤出成形用于热塑性塑料型材的生产，如管材、板材、薄膜、各种异型断面型材、电线电缆包覆物和中空制品等，还常用于物料的塑炼和着色等。图8-9为管材挤出成形原理示意图。
挤出成形生产过程连续，生产效率高，工艺适应性强，设备结构简单，操作方便，用途广，成本低，塑件内部组织均衡紧密，尺寸比较稳定准确，但制品断面形状较简单且精度较低，一般需经二次加工才制成零件。目前挤出制品约占热塑制品生产的40％-50％。
(4)压延成形 使加热塑化的物料通过一系列相向旋转的辊筒之间，受挤压和延展作用成为平面状连续材料的成形方法。压延成形生产效率高、产品质量好，且可直接制出各种花纹和图案。但其设备庞杂、维修复杂，且制品宽度受限制。压延成形可用于各类热塑性塑料，主要产品有薄膜、片材和人造革等。
此外，还有吹塑、层压、真空成形、模压烧结等成形方法，以适应不同品种塑料和制品的需要。
2．塑料加工 塑料加工是塑料成形后的再加工，亦称二次加工，是将成形后的塑件通过适当的工艺方法制成制品。
图8-9 管材挤出成形原理示意图
(1)机械加工 即采用钻、磨、铣、车削等机械加工方法的二次加工操作。
(2) 连接加工 即采用热熔粘接(焊接)、粘接、机械连接等方法，使塑料型材或零件固定在一起的二次加工操作。
(3) 表面处理 即对塑料制品表层进行修整和装饰，以改变塑料零件的表面性质，提