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图书名称：《高分子材料加工 第3版》

【作　者】温变英

【丛书名】中国轻工业“十三五”规划教材 高分子材料与工程专业系列教材

【页 数】 269

【出版社】 北京：中国轻工业出版社 , 2022.01

【ISBN号】978-7-5184-3646-0

【价 格】69.80

【参考文献】 温变英. 高分子材料加工 第3版. 北京：中国轻工业出版社, 2022.01.

图书封面：

图书目录：

《高分子材料加工 第3版》内容提要：

本书主要介绍了高分子材料、塑料助剂、高分子材料成型加工基本原理，系统介绍了高分子材料的基本物性、配方设计、挤出、注射、压延、压制、发泡、二次成型、其他成型以及高分子的循环利用与绿色可持续发展。

《高分子材料加工 第3版》内容试读

第1章绪论

高分子材料具有原料来源丰富、制造方便、品种繁多、用途广泛、质轻价优等特点，现已形成一个庞大的工业体系，其应用遍及现代工业的各个领域和人民生活的衣食住行，有些甚至成为国民经济、国防建设和尖端科学中不可替代的材料。因此，世界各国都毫不例外地把高分子材料作为重点学科来加以发展，高分子材料也被认为是21世纪最有发展前途的材料之一。

任何一种材料，不管它具有多么优异的性能，如果不能被优质、高效、经济地成型加工制造成产品，则它的价值就不能够得到有效发挥。而一种产品的最终性能，不仅与其材料固有的性能有关，而且在很大程度上依赖于这种材料采用的成型加工技术和经历的加工工艺过程。高分子材料的成型加工是集材料、机械、控制、制造等多学科为一体的综合化技术，新型加工技术使高分子材料制品无论从外形、尺寸、内部结构还是品种上都获得了空前的进步，这大大扩展了高分子材料在现代社会生活中的应用范围。

1.1高分子材料及高分子工业

1.1.1高分子材料的类型

具有聚合反应能力的单体通过加成、缩合或配位等聚合反应机理，借助本体聚合、溶液聚合、乳液聚合、界面聚合等工业技术，最终转化成为具有特定结构和性能的聚合物，这些聚合物也被称为高分子材料。聚合物有多种分类方法，具体如下：

(1)按生成聚合物的化学反应分为加聚物和缩聚物。

(2)按聚合物的主链结构分为碳（均）链聚合物、杂键聚合物和元素有机聚合物。

(3)按聚合物的物理构象分为结晶性聚合物和非结晶性聚合物。

(4)按聚合物的热行为分为热塑性聚合物和热固性聚合物。

(5)按聚合物的极性分为极性聚合物和非极性聚合物。

(6)按聚合物的性质分为塑料、橡胶、纤维、涂料和黏合剂等。

(7)按用途分为通用塑料、工程塑料、特种塑料，通用橡胶、特种橡胶等。

(8)按单体类型分为聚烯烃类树脂、聚乙烯基树脂、聚苯乙烯类树脂、氟树脂、聚酰胺类树脂、聚醚类树脂以及热塑性聚酯等。

(9)按聚合物的成分分为均聚物、共聚物和复合物等。

通常意义上的高分子材料是以聚合物（树脂）为基体，再配有其他添加剂（助剂）所构成的材料。一般而言，不同类型的高分子材料在结构、性能上有较大区别，导致其在加工方法和加工工艺上也不太一致，所以，掌握高分子材料的分类方法对成型加工而言很有必要。

1.1.2高分子工业的组成和发展

完整的高分子工业体系由高分子合成工业和高分子加工工业两大系统组成。前者通过人

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高分子材料加工（第三版）

工合成的方法，生产具有特定的化学组成、链结构及凝聚态结构的高分子化合物，其目的是为加工提供性能可靠的原料：后者则是通过配方设计、混炼加工及挤出造粒等过程，使高分子化合物与各种配料形成具有高次聚集态结构或织态结构的高分子材料，然后采用各种成型方法，将高分子材料加工成为具有一定形状和使用价值的制品或型材。两个系统相辅相成

相互依赖

高分子工业的发展大致经历了3个时期，即：天然高分子的利用与加工，天然高分子的改性和合成，合成高分子的工业生产（高分子科学的建立）。19世纪之前仅限于天然高分子的直接利用与机械加工。由天然高分子化学改性或由人工合成探索新高分子材料的近代高分子材料研究始于19世纪中叶。1844年，Goodyear发明天然橡胶硫化技术，开创了近代高分子材料的研究。1868年出现了以樟脑为增塑剂用硝基纤维素酯制备赛璐珞的技术，从而出现了塑料。1890年出现了用硝基纤维素酯以乙醇做溶剂进行湿法纺丝的成纤技术，从而出现了人造纤维。1895年左右出现了用帆布增强硫化橡胶制轮胎的技术，是首次出现的近代技术上的复合材料。1907年出现了酚醛树脂合成技术，这是工业化生产高分子的开始，标志着人类进入了合成高分子材料时代。

现在高分子科学已经形成了高分子化学、高分子物理、高分子工程3个领域。其中，高分子化学是高分子科学的反应理论基础，主要研究高分子化合物的分子设计、合成、改性等内容，担负着为高分子科学提供新化合物、新材料的任务。高分子物理是高分子科学的结构理论基础，主要研究高分子的结构与性能的关系，通过研究分子运动来揭示结构与性能之间的内在联系以及它们的基本规律，从而为高分子材料的成型加工、测试、改性提供理论依据。高分子工程包括聚合反应工程和聚合物加工工程，前者主要研究聚合反应方法、聚合工艺，后者主要研究各种材料所适应的加工方法和加工工艺，二者都是直接为生产服务的，可见，高分子工程是高分子科学和高分子工业之间的衔接点。20世纪50年代是高分子化学大发展时期，其标志性成果是德国人齐格勒(Karl Ziegler)与意大利人纳塔(Giulio Natta)发明了配位阴离子聚合，分别用金属络合催化剂合成了聚乙烯与聚丙烯。这一时期前后，几乎所有被称为大品种的高分子（包括有机硅等）都陆续投入了生产。20世纪60年代是高分子物理大发展时期。1960一1969年，结晶高分子、高分子黏

弹性、流变学研究的进一步开展，各种近代研究方法，如NMR、GPC、IR、热谱、电镜

等手段在高分子结构研究中被应用。20世纪70年代，高分子工程科学得到大发展，高分子材料的生产走向高效化、自动化和大型化，大型聚合反应设备及新工艺开始使用，大型加工设备不断出现，同时，高分子共混物及共混理论迅速发展。20世纪80年代，高性能材料和高分子的功能性被广泛研究，精细高分子、功能高分子、生物医学高分子得到发展。20世纪90年代后，高分子材料发展的主要趋势是高性能化、高功能化、复合化精细化和智能化

高分子科学的研究成果孕育和保证了高分子材料的开发，为高分子加工工业提供了源源不断的原料；各种新型高分子材料和加工技术的研制和开发，又反过来推动和促进了高分子科学的深化，使其发展到更高的水平。随着生产和科学技术的发展，材料要适应各种各样新的要求，高分子化学、高分子物理、高分子工程这3个分支不断交融、相互促进，不仅使高分子科学发展成为一门研究内容极其丰富、研究范围更加广阔的整体学科，也使得高分子材料发展成为人们生产和生活中不可或缺的重要材料。

第1章绪论

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1.2高分子加工工业及其发展

高分子材料成型加工就是利用一切可以实施的技术和手段使聚合物原料成为具有一定外形又有使用价值的物件或定型材料的工艺过程。具体而言，高分子材料成型加工包含两方面的功用：一是赋予制品以外形（包括形状和尺寸），二是通过控制组分、配比以及加工工艺条件，对制品内部的结构和形态进行控制，以保证制品必要的性能。正确的成型加工方法可使材料的性能达到最大功效的发挥，如双向拉伸使得薄膜的拉伸强度得到极大的提高；而不正确的成型加工方法不仅得不到预期性能的产品，甚至会破坏原材料的性能。例如：过高的加工温度会引起材料的分解、交联、甚至焦化，这就破坏了原材料的性能。所以，加工环节对保证产品的质量及产率而言至关重要。目前，国际上已不再将高分子材料加工视为单纯的物理成型过程，而是把它看作控制制品结构和性能的中心环节，加工成型已从一项实用技术变成一门应用科学。

1.2.1高分子材料加工成型的过程和方法

高分子材料制品的一般生产工序为：①根据制品使用条件及用途，确定所用材料品种及型号；②根据材料加工性能、制品要求及成型特点确定成型方法；③选择成型设备，加工成型模具：④实际加工调试，确定加工成型参数；⑤大批量生产。

大多数情况下，高分子材料的成型加工过程包括4个阶段：①原材料的准备，如聚合物和添加物的预处理、配料、混合等；②使原材料产生变形或流动，并成为所需的形状；③材料或制品的固化：④后加工和处理，以改善材料或制品的外观、结构和性能。

粉料、粒料、溶液、分散体等是高分子材料常见的形态。成型加工技术不仅要适应被加工物料的形态，而且要适应材料在加工过程中发生的一系列化学或物理变化，故物料形态的不同决定了其成型方法的不同。成型加工通常有以下几种形式：

(1)聚合物熔体加工熔体由粉料或粒料熔融而来，是聚合物加工最主要的物料形式，熔融加工包括了挤出、注射、压延、模压、层压、熔融纺丝、热固性塑料传递模塑、橡胶压出等多种方法，绝大多数的聚合物产品都经由这些方法生产。

(2)高聚物溶液加工如溶液法纺制化学纤维、流延法制薄膜。油漆、涂料和黏合剂等大多用溶液法加工。

(3)类橡胶状聚合物的加工如采用真空成型、压力成型或其他热成型技术等制造各种容器、大型制件和某些特殊制品，纤维或薄膜的拉伸等。

(4)低分子聚合物或预聚物的加工如丙烯酸酯类、环氧树脂、不饱和聚酯树脂以及浇铸聚酰胺等用该技术制造整体浇铸件或增强材料；化学反应法纺制聚氨酯弹性纤维等。

(5)聚合物分散体的加工如聚氯乙烯糊以及橡胶乳、聚乙酸乙烯酯乳或其他胶乳等生产搪塑制品、多种胶乳制品、涂料、胶黏剂等；乳液法或悬浮法纺制化学纤维等。

(6)固态聚合物的机械加工如塑料件的切削加工（车、铣、刨、钻）、黏合、装配；化学纤维的加捻、卷曲、变形等。

限于篇幅，本教材主要讲解高聚物熔体的各种加工方法，并对溶液和分散体的部分加工方法进行了简介。

高分子材料加工（第三版）》

1.2.2高分子材料成型加工的发展概况

高分子材料最终是以制品的形式来实现其使用价值的，成型加工是聚合物从材料走向制品的必经环节。伴随着合成高分子材料100多年的发展历史，成型加工技术经历了移植、改造和创新发展3个历史阶段。1870一1920年为移植时期，在这个时期，合成高分子材料刚刚问世，没有现成的制品加工技术可供采用，因此，首先从金属、玻璃和陶瓷等传统材料的成型加工技术中移植。例如，热塑性塑料的中空吹塑技术，是从玻璃制造的吹瓶技术中移植而来；塑料的压延成型技术是从造纸工业的辊筒加工技术得到启发；塑料浇铸成型技术是借鉴金属的铸造技术。1920一1950年为改造时期，在这一时期，大量聚合物品种相继出现，机械加工工业已能为聚合物制品部门提供多种专用设备，高分子成型加工理论的研究也已取得重大进展，聚合物制品从传统材料的替代品发展为一些工业部门不可缺少的零部件，这一切都促进了将传统材料成型技术和现有成型加工技术改造为高分子材料成型技术。例如，1936年，将生产食品的机器改制成单螺杆挤出机；将金属粉末冶金技术改造为四氟乙烯等难熔塑料的冷压烧结成型技术：将金属的压铸技术改造为适合热固性塑料的“传递模塑”技术；将搪瓷制品的传统生产技术改造为糊塑料的“搪塑成型”技术。1950年后为创新时期，这一时期，由于出现聚碳酸酯、聚甲醛、聚砜、聚酰亚胺、环氧树脂、不饱和树脂等一大批高性能的工程塑料，而这些工程塑料的成型加工性能又各具特点，加上工业发展对塑料制品精度、性能的要求更高，这两方面都要求塑料成型技术向更高阶段发展。机械加工技术、计算机自动控制技术及成型加工理论研究3方面的进一步发展，使塑料加工技术进人创新时期成为可能。例如，1956年，螺杆式注射机问世，加上后来双螺杆挤出机的进步，使注塑和挤出成型技术进入新的时期。滚塑成型使生产特大型中空容器成为可能，反应注塑使生产大型注塑制品成为现实，组合式成型技术成为发展趋势。

20世纪末以来，伴随着聚合物工业的快速发展，成型加工技术不断创新，涌现出了一批极有价值的新型加工方法，如熔芯注塑、层状注塑、振动挤出、固态挤出、微纳层挤出、

3D打印等，使聚合物成型加工技术更加多样化、更加先进、更加完善并更易于应用。本教

材用主要篇幅介绍了成熟的聚合物加工技术，也用少量的幅简要介绍了部分新技术。

1.3本教材的规划和宗旨

从以上介绍可以看出，由于高分子材料结构的复杂性和加工方法的多样性，其制品的最终性能比其他类型的材料更依赖于其成型加工过程的控制。从实用的角度来看，赋予高分子材料最终形状和使用性能的成型加工具有重要的意义。因此，本教材将围绕聚合物的“材料结构一成型加工一制品性能”这条主线组织教学内容。

在内容编排上，除第1章绪论外，在第2章安排了高分子材料的基本性能及其测试标准，目的是强化学生的专业基础，使学生能从实用的角度去理解材料的性能及其评价方法；在第3章安排了与成型加工密切相关的熔融、冷却、流变等状态分析以及聚合物在加工过程中可能发生的结构变化等知识点，以使学生了解加工过程对制品最终性能产生影响的重要性；在第4章安排了配方设计与物料的配置的内容，属于成型前的准备工序；从第5章到第11章分别安排了挤出、注射、压延、发泡、二次成型、热固性塑料成型、其他成型等内容，全面介绍了高分子材料成型加工的基本方法和原理，并在每章的最后部分用少量篇幅对一些

第1章绪论

新技术和新进展进行了简要介绍，目的是使学生了解行业的前沿进展，使专业课教学跟上时代发展的步伐；最后，鉴于近年来在高分子材料迅猛发展的同时，大量高分子材料废弃物导致的环境污染被大众所诟病，第12章安排了高分子材料循环利用与绿色可持续发展的内容，目的是培养学生的环保意识与资源意识，使学生能够用专业的方法去解决一些相关的社会问题。

总之，通过本教材和相关课程的学习，希望能够使学生掌握高分子材料成型加工的原理和主要生产技术，建立聚合物从原材料到制品生产完整产业链的工程理念；掌握高分子材料循环利用的技术和方法，成为既具有专业知识又具有社会责任感的专业技术人才。

第2章高分子材料的基本性能

材料的性能是由其组成和结构所决定的，只有对材料的物性有了准确的认识和理解，才可能对其进行合理的应用。高分子材料具有不同于其他材料的独特性能，了解和掌握这些性能的特点对成型加工过程控制和制品性能评估具有重要意义。本节主要介绍高分子材料的基本性能（包括力学性能、热性能、电性能、光学性能、渗透性能、化学性能等）及其主要的表征方法。

2.1力学性能

力学性能是材料最重要也是最基本的性能指标，高分子材料也不例外。因结构的特殊性，聚合物材料在力学性能上与金属材料和无机非金属材料有着显著的不同。

2.1.1高分子材料力学性能的特点

(1)低强度和较高的比强度高分子材料的拉伸强度一般为几十兆帕(MP),增强后

可以大于100MPa,比金属材料低得多，但是高分子材料的密度小，只有钢的1/4~1/6，所以其比强度并不比某些金属低。此外，聚合物的力学强度随自身的相对分子质量以及相对分子质量分布、结晶与取向、支化和交联等的变化而变化，因此，同一聚合物可能因牌号的不同而导致力学性能产生较大差异。

(2)高弹性和低弹性模量高弹性是高分子材料极其重要的性能。橡胶是典型的高弹性材料，其弹性变形率为100%~1000%，弹性模量仅为1MPa左右。聚合物在高弹态都能表现出一定的高弹性，但并非都可以作为橡胶使用。

(3)黏弹性聚合物的力学性质不仅对温度具有依赖性，而且还对应力作用的时间具有依赖性，表现出黏弹性行为，这种黏弹性又因所施载荷的不同而有静态和动态的不同。所谓静态黏弹性是指聚合物在静态载荷的作用下所表现出的黏弹性行为，其典型表现是蠕变和应力松弛。蠕变是指在一定的温度和较小的恒定载荷作用下，材料的形变随时间增加而逐渐增大的现象。应力松弛是在一定的温度和应变保持恒定的条件下，聚合物内部的应力随时间的延长而逐渐衰减的现象。蠕变和应力松弛都与温度有关，它们又都反映聚合物内部分子的运动情况，因此可利用其对温度的依赖性来研究高分子的分子运动和转变。

聚合物作为结构材料，在实际应用时，往往受到交变应力的作用。在交变应力作用下，处于高弹态的高分子，由于分子内摩擦的存在，使其形变的速度跟不上应力变化的速度，从而产生滞后现象，滞后是典型的动态黏弹行为。由于滞后，每一循环变化中就要消耗功，称为力学损耗，也称为内耗。

(4)高耐磨性由于聚合物材料的黏弹特性，在摩擦引起的剪切过程中需要消耗更多的能量，所以，聚合物具有较高的耐磨性。聚合物的摩擦因数各不相同，内耗大的聚合物的摩擦因数亦较大。表2-1列出了常见聚合物的滑动摩擦因数。

···试读结束···