緒　　論

現代文明和未來的進步由“能源工程”、“信息工程”、“生物工程”和“材料工程”四大支柱支撐著。因此，材料的發展直接影響到人類生活和科學技術的狀況。人們通常將材料分為“金屬材料”、“無機非金屬材料”和“有機材料”。有機材料又分為“有機低分子材料”和“有機高分子材料”（簡稱高分子材料）。高分子材料原料豐富、性能優良，在材料領域中所占的位置日益重要。

高分子材料從來源來分，可分為“天然高分子材料”和“合成高分子材料”。天然高分子材料種類很多，如蛋白質、纖維素、天然橡膠等。本課程基本上不討論其他天然高分子材料，只涉及天然橡膠。合成高分子材料主要是三大合成材料，即塑料、合成橡膠和合成纖維。嚴格地講，高分子材料還包括涂料、黏合劑等，但人們已習慣將高分子材料稱為三大合成材料。三大合成材料應用廣泛，發展前景看好。本教材重點闡述塑料材料。

什么叫高分子？通常認為，分子量超過10⁴的材料稱為高分子物；但有時分子量不到10⁴的材料也稱為高分子物。應當注意，“高分子物”和“高分子材料”的主要區別是：高分子物是一種物質，將高分子物經過工程技術處理后才能成為高分子材料；高分子材料再經過成型加工，才能進入實用領域，成為高分子制品或成品。研究高分子物、高分子材料及高分子材料成型加工的學科叫做高分子學科。

在高分子領域里，有幾個詞比較含混：高分子又有人稱為大分子，也有將高分子稱為高聚物或聚合物。筆者認為：高分子或稱大分子，應該包括“天然的較高分子量的物質”（如天然橡膠、蛋白質等）和“人工合成的較高分子量物質”。高聚物或聚合物只是人工合成的分子量較高的有機物，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）等，而不包括人工合成胰島素等有機高分子物，也不包括人造水晶等無機高分子物。

一、高分子材料及其成型加工

塑料是以樹脂（有時用單體在加工過程中直接聚合）為主要成分，一般含有添加劑、在加工過程中能流動成型的材料（注：目前塑料一詞尚無確切定義，一般不包括彈性體、纖維、涂料、黏合劑）。如果說塑料還能以其組成和加工過程中的流動成型來闡述，那么，橡膠和纖維連這樣也無法清楚表達其定義；只能以這些材料在使用過程中的某些特性來闡述。例如，橡膠是具有高彈性，能在外力作用下變形，除去外力后又恢復原來形狀的材料，橡膠是具有獨特的高彈性、優異的疲勞強度、極好的電絕緣性與耐磨性的材料。纖維則是指柔韌、纖細的絲狀物，有相當的長度、強度和彈性。

高分子材料加工（加工亦稱成型或成型加工）是將高分子材料轉變成所需形狀和性質的實用材料或制品的工程技術。例如，塑料成型加工是一門工程技術專業的總稱。所涉及的內容是將塑料材料轉變為塑料制品的各種工藝和工程。將塑料材料轉變為塑料制品也就是增添其使用價值。在轉變的工藝過程中常會發生以下一種或幾種情況：化學變化、流動以及物理性能的改變。當然，橡膠的成型加工也有類似情形。培養工程技術人員，就應該讓學生盡早地接觸工程、認識工程、具有工程意識，具有工程師的思維模式。

《高分子材料基本加工工藝》（簡稱《基本工藝》）的內容分為兩大部分。第一部分是“基礎理論”，主要有這幾方面：①高分子材料的流變行為及其基本特性。②在成型加工過程中能量的交換及其變化規律。如熱量的傳遞與定量計算，機械能、電能與熱能之間的相互轉化與定量計算。③常用高分子材料及其基本特性。第二部分為“基本工藝”。主要包括：①成型用物料的配制原理及工藝流程。②高分子材料的擠出成型的基本原理和工藝。③高分子材料的注射成型的基本原理和工藝。④高分子材料的壓延成型的基本原理和工藝。⑤泡沫塑料的工藝原理及工藝。⑥高分子材料的模壓工藝原理和工藝。⑦橡膠加工基本原理和工藝。⑧其他工藝方法的基本原理和工藝。

形狀的轉變往往是為滿足使材料轉化為制品這一過程而進行的。大多數情況下是使高分子材料流動或變形來實現形狀的轉變。要使高分子材料流動，往往采用加熱，而使黏流狀態的材料定型又必須將熱量散發出來。高分子材料結構的轉變包括高分子材料的組成、組成方式、微觀和宏觀結構的變化等，也包括高分子材料結晶和取向所引起材料聚集態的變化。這種轉變主要是為滿足對成品內在質量的要求而進行的，一般通過配方設計（即材料按適當的比例混合），采用先進的工藝流程和適宜工藝參數來實現。加工過程中高分子材料結構的轉變有些是材料本身所固有的，或是有意進行的，有些則是不正常的加工方法或工藝參數所引起的。如何才能使高分子材料在加工過程中，使這些轉變向著我們所期望的方向進行呢？首先要深刻理解和熟悉這些轉變過程中的基本原理和基本工藝，而這正是這門課程的主要任務。當然，實際生產經驗也是不可少的。

通過本課程的學習，使學生對高分子材料加工概況有個總體的初步了解。如果我們將高分子材料加工行業看成一個“公園”，而《基本工藝》這門課程就是這個公園的一張“導游圖”。當你畢業后工作時，你必然在這個公園的某個“景點”（即某一個高分子材料加工工藝）進行深入細致的研究；這時你就可能發現：用同一材料加工成同一產品時，有時會有兩種或兩種以上的工藝路線；這時，工業生產中就有最優化的問題需要解決。用何種工藝路線能達到產品質量好，生產效率高，設備投資少，制品成本低。當你走到這一層次時，你就深深地感受到《基本工藝》對你成才的早期影響和貢獻。

二、高分子材料加工特性

高分子材料具有許多優良性能，如質輕、電氣絕緣性好、隔熱性能好等（當然，高分子材料也有其本身的不足，如力學強度低、耐老化性能差、易燃燒等）。然而，在這許多優良性能中，一個突出優點就有可能使這些高分子材料的發展前景十分樂觀。這個突出的優點就是高分子材料有優異的加工性能，即能便宜而廉價地加工，采用簡單操作就能生產出幾何形狀相當復雜的制品，加工成本很少超過材料的成本。高分子材料的加工性主要表現為如下三個方面。

（1）可擠壓性　是指聚合物通過擠壓作用形變時獲得形狀和保持形狀的能力。高分子材料在加工過程中常受到擠壓作用，例如物料在擠出機和注射機料筒中、壓延機輥筒間以及在模具中都受到擠壓作用。只有深入研究高分子材料的可擠壓性，才能對材料和工藝方面作出正確的選擇和控制。通常條件下處于固體狀態的物料不能通過擠壓而成型，只有當高分子材料處于黏流態時才能通過擠壓獲得宏觀有用的變形。在擠壓過程中，熔體主要受到剪切作用，因此，可擠壓性主要取決于高分子熔體的剪切黏度，有時也涉及拉伸黏度。

（2）可模塑性　是指材料在溫度和壓力作用下形變和在模具中模塑成型的能力。具有可模塑性的材料可通過注射、模壓和擠出等加工方法制成各種形狀的模塑制品。可模塑性主要取決于材料的流變性、熱性能和其他物理力學性能等。對于熱固性高分子材料，可模塑性還與其化學反應性能有關。模塑工藝參數不僅影響高分子材料的可模塑性，而且對制品的力學性能、外觀、收縮以及制品中的結晶和取向等都有重要的影響。還有，模具的結構、尺寸等也影響高分子材料的加工和產品的性能。

（3）可延性　表示無定形或半結晶固體聚合物在一個方向或兩個方向上受到壓延或拉伸應力時變形的能力。材料的這種性質為生產長徑比（有時是長度對厚度的比）很大的制品提供了可能。利用高分子材料的可延性，可通過壓延或拉伸工藝生產薄膜、片材和纖維。高分子材料的可延性取決于材料產生塑性形變的能力。可延性也使高分子材料能產生高倍的拉伸變形，使其形成高度的分子取向材料。

其他工藝性（如可紡性）有時也不可少，熱固性塑料的固化速率也屬于工藝性的一部分，本書將不闡述。

三、《基本工藝》在高分子材料加工中的作用

高分子材料工業共包含“原材料生產”（即樹脂、生膠，還包括半成品的生產）和“制品生產”兩個系統。這兩個系統相輔相成。若沒有原材料的生產（或原材料生產滯后），則制品的生產就成了無源之水；當然，沒有制品生產（即加工工業），那么再多再好的原材料也不能進入使用領域，不會成為生產或生活資料。而《基本工藝》就是制品生產系統中的“靈魂”（即理論依據）。

原材料生產系統是指將單體聚合成為高分子材料，這在《高分子化學》課程中已作詳細論述。制品生產系統是指將高分子材料加工為制品的過程。對于某些制品，采用何種原輔材料、什么樣的加工方法，工藝和工程問題如何解決，這些問題將在《塑料成型工藝學》、《塑料擠出成型》和《橡膠加工工藝學》等教材中系統闡述。本教材的注意力應集中到這些工藝和工程的原理和基本工藝上。若不熟悉基礎理論，則成型工藝和工程就帶有盲目性，就有可能陷入“經驗主義”的泥潭。而熟悉這些原理，那就有助于發展創造性的工程構思，引導新的改進設計，在成型加工的領域就有較大的“自由度”。

《基本工藝》主要有“擠出成型”、“注射成型”、“壓延成型”、“模壓成型”、“橡膠的基本加工工藝”及“其他工藝”。這些基本工藝幾乎覆蓋了高分子材料加工領域的全部。

四、高分子材料加工工業的發展概況

高分子材料的加工應用經歷了一個曲折的發展過程。在人類原始社會時期，人們絕大多數使用天然高分子材料（如植物的纖維、動物的皮毛）作為維持生存的最低生活資料，偶爾也用石塊這些無機材料。在這種情況下，高分子材料的利用率較高。隨后，隨著生產力和科學技術的進步，大量的金屬材料被利用，在這段時期內，高分子材料的利用率比較小。進入了20世紀以來，尤其是第一次、第二次世界大戰以來，高分子合成材料的問世和發展，高分子材料的應用比例又在不斷地上升，到目前為止，金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料成鼎足之勢。

高分子材料工業的發展經歷了大約有一百年的時間。第一時期為萌芽期，1872年，A.Bayer合成了酚醛（PF）樹脂，1907年，Baekeland分別在酸性催化劑和堿性催化劑下合成了線性PF和體型PF。1909年，PF塑料用作電氣絕緣材料（俗稱“電木粉”），1932年，PF塑料電話機問世。這段時期的特點是：品種少，成型設備原始且粗糙，工藝不成熟。第二個階段為發展期，這個時期的特點是塑料品種增加很快，成型設備有很大的改進，工藝逐漸成熟。1930年合成了聚苯乙烯（PS）。1927～1931年間，美國和德國先后合成了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，俗稱有機玻璃），1938年合成了聚四氟乙烯（PTFE）。聚氯乙烯（PVC）是在第二次世界大戰中合成的。1938年，英國人合成了PE粉末，1939年，英國建立了世界上第一個高壓聚乙烯（即低密度聚乙烯，LDPE）廠。1953年，Ziegler（齊格勒）用三乙基鋁/TiCl₄在常壓下使乙烯聚合，合成了高密度聚乙烯（HDPE）。1954年，G.Natta（納塔）改進了催化劑，合成了等規聚丙烯（iPP）。第三個時期為變革期。在這段時期，雖然品種增加得不多，但產量有很大的提高，質量有很大改善，成型設備逐漸成熟且定型，工藝控制精確。高分子材料的工程化和功能化方面得到長足的進展，人們致力于研究高分子材料的接枝、共聚、補強、共混及合金化，以提高力學性能，或得到透光、抗沖、耐寒、耐熱、阻燃、耐候等性能，以提高材料的性價比。

從總體來說，塑料工業是一個新興的工業，尤其在我國，塑料工業方興未艾。

橡膠工業則既古老又富有朝氣。早在1735年，人們就學會從橡膠樹上割取膠乳制造膠鞋、容器等橡膠制品。1823年，英國建立了世界上第一個橡膠工廠，用溶解法生產防水膠布。1826年，Hancock發明了橡膠塑煉機。橡膠經過塑煉后彈性下降，可塑度提高。這一發明奠定了現代橡膠加工方法的基礎。1839年，Goodyear發現了橡膠與硫黃一起加熱可以消除橡膠制品“冷則變硬、熱則發黏”的缺陷，而且可以大大提高橡膠的彈性和強度。硫化過程的發現，開辟了橡膠制品廣泛應用的前景，有力地推動了橡膠工業的發展。直到今天，橡膠工業中基本上依然采用硫黃硫化的方法。因此，可以毫不夸張地說，硫化過程的發現是橡膠工業發展史上的一個里程碑。1900年以來，對天然橡膠的結構的研究得到突破性的進展，合成橡膠登上了歷史舞臺。在第一次世界大戰期間，德國人用二甲基丁二烯合成了橡膠。1916年，用炭黑作橡膠補強劑，這不僅降低了橡膠制品的成本，而且大大改善了橡膠制品的性能，如汽車輪胎的強度、磨耗等力學性能。炭黑的應用是橡膠工業史上又一里程碑。現在，人工合成橡膠以來，無論是品種還是產量，均已遠遠超過天然橡膠。近年來，液體橡膠、熱塑性橡膠及粉末橡膠的研制與應用，為橡膠工業的發展開辟了嶄新的遠景。

天然纖維的應用與人類社會的發展同步，而合成纖維的應用與塑料材料相似，是一個極年輕的工業。1927年，聚酯和聚酰胺合成并紡絲成功。1934年氯化聚氯乙烯（CPVC）纖維投入市場。1935年聚酰胺-66（PA-66）纖維投產，1939年聚酰胺-6（PA-6）纖維投產，1950年聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）纖維和聚丙烯腈纖維（人造羊毛）投產。現在，合成纖維的產量大大超過了天然纖維的產量。