绪　　论

现代文明和未来的进步由“能源工程”、“信息工程”、“生物工程”和“材料工程”四大支柱支撑着。因此，材料的发展直接影响到人类生活和科学技术的状况。人们通常将材料分为“金属材料”、“无机非金属材料”和“有机材料”。有机材料又分为“有机低分子材料”和“有机高分子材料”（简称高分子材料）。高分子材料原料丰富、性能优良，在材料领域中所占的位置日益重要。

高分子材料从来源来分，可分为“天然高分子材料”和“合成高分子材料”。天然高分子材料种类很多，如蛋白质、纤维素、天然橡胶等。本课程基本上不讨论其他天然高分子材料，只涉及天然橡胶。合成高分子材料主要是三大合成材料，即塑料、合成橡胶和合成纤维。严格地讲，高分子材料还包括涂料、黏合剂等，但人们已习惯将高分子材料称为三大合成材料。三大合成材料应用广泛，发展前景看好。本教材重点阐述塑料材料。

什么叫高分子？通常认为，分子量超过10⁴的材料称为高分子物；但有时分子量不到10⁴的材料也称为高分子物。应当注意，“高分子物”和“高分子材料”的主要区别是：高分子物是一种物质，将高分子物经过工程技术处理后才能成为高分子材料；高分子材料再经过成型加工，才能进入实用领域，成为高分子制品或成品。研究高分子物、高分子材料及高分子材料成型加工的学科叫做高分子学科。

在高分子领域里，有几个词比较含混：高分子又有人称为大分子，也有将高分子称为高聚物或聚合物。笔者认为：高分子或称大分子，应该包括“天然的较高分子量的物质”（如天然橡胶、蛋白质等）和“人工合成的较高分子量物质”。高聚物或聚合物只是人工合成的分子量较高的有机物，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）等，而不包括人工合成胰岛素等有机高分子物，也不包括人造水晶等无机高分子物。

一、高分子材料及其成型加工

塑料是以树脂（有时用单体在加工过程中直接聚合）为主要成分，一般含有添加剂、在加工过程中能流动成型的材料（注：目前塑料一词尚无确切定义，一般不包括弹性体、纤维、涂料、黏合剂）。如果说塑料还能以其组成和加工过程中的流动成型来阐述，那么，橡胶和纤维连这样也无法清楚表达其定义；只能以这些材料在使用过程中的某些特性来阐述。例如，橡胶是具有高弹性，能在外力作用下变形，除去外力后又恢复原来形状的材料，橡胶是具有独特的高弹性、优异的疲劳强度、极好的电绝缘性与耐磨性的材料。纤维则是指柔韧、纤细的丝状物，有相当的长度、强度和弹性。

高分子材料加工（加工亦称成型或成型加工）是将高分子材料转变成所需形状和性质的实用材料或制品的工程技术。例如，塑料成型加工是一门工程技术专业的总称。所涉及的内容是将塑料材料转变为塑料制品的各种工艺和工程。将塑料材料转变为塑料制品也就是增添其使用价值。在转变的工艺过程中常会发生以下一种或几种情况：化学变化、流动以及物理性能的改变。当然，橡胶的成型加工也有类似情形。培养工程技术人员，就应该让学生尽早地接触工程、认识工程、具有工程意识，具有工程师的思维模式。

《高分子材料基本加工工艺》（简称《基本工艺》）的内容分为两大部分。第一部分是“基础理论”，主要有这几方面：①高分子材料的流变行为及其基本特性。②在成型加工过程中能量的交换及其变化规律。如热量的传递与定量计算，机械能、电能与热能之间的相互转化与定量计算。③常用高分子材料及其基本特性。第二部分为“基本工艺”。主要包括：①成型用物料的配制原理及工艺流程。②高分子材料的挤出成型的基本原理和工艺。③高分子材料的注射成型的基本原理和工艺。④高分子材料的压延成型的基本原理和工艺。⑤泡沫塑料的工艺原理及工艺。⑥高分子材料的模压工艺原理和工艺。⑦橡胶加工基本原理和工艺。⑧其他工艺方法的基本原理和工艺。

形状的转变往往是为满足使材料转化为制品这一过程而进行的。大多数情况下是使高分子材料流动或变形来实现形状的转变。要使高分子材料流动，往往采用加热，而使黏流状态的材料定型又必须将热量散发出来。高分子材料结构的转变包括高分子材料的组成、组成方式、微观和宏观结构的变化等，也包括高分子材料结晶和取向所引起材料聚集态的变化。这种转变主要是为满足对成品内在质量的要求而进行的，一般通过配方设计（即材料按适当的比例混合），采用先进的工艺流程和适宜工艺参数来实现。加工过程中高分子材料结构的转变有些是材料本身所固有的，或是有意进行的，有些则是不正常的加工方法或工艺参数所引起的。如何才能使高分子材料在加工过程中，使这些转变向着我们所期望的方向进行呢？首先要深刻理解和熟悉这些转变过程中的基本原理和基本工艺，而这正是这门课程的主要任务。当然，实际生产经验也是不可少的。

通过本课程的学习，使学生对高分子材料加工概况有个总体的初步了解。如果我们将高分子材料加工行业看成一个“公园”，而《基本工艺》这门课程就是这个公园的一张“导游图”。当你毕业后工作时，你必然在这个公园的某个“景点”（即某一个高分子材料加工工艺）进行深入细致的研究；这时你就可能发现：用同一材料加工成同一产品时，有时会有两种或两种以上的工艺路线；这时，工业生产中就有最优化的问题需要解决。用何种工艺路线能达到产品质量好，生产效率高，设备投资少，制品成本低。当你走到这一层次时，你就深深地感受到《基本工艺》对你成才的早期影响和贡献。

二、高分子材料加工特性

高分子材料具有许多优良性能，如质轻、电气绝缘性好、隔热性能好等（当然，高分子材料也有其本身的不足，如力学强度低、耐老化性能差、易燃烧等）。然而，在这许多优良性能中，一个突出优点就有可能使这些高分子材料的发展前景十分乐观。这个突出的优点就是高分子材料有优异的加工性能，即能便宜而廉价地加工，采用简单操作就能生产出几何形状相当复杂的制品，加工成本很少超过材料的成本。高分子材料的加工性主要表现为如下三个方面。

（1）可挤压性　是指聚合物通过挤压作用形变时获得形状和保持形状的能力。高分子材料在加工过程中常受到挤压作用，例如物料在挤出机和注射机料筒中、压延机辊筒间以及在模具中都受到挤压作用。只有深入研究高分子材料的可挤压性，才能对材料和工艺方面作出正确的选择和控制。通常条件下处于固体状态的物料不能通过挤压而成型，只有当高分子材料处于黏流态时才能通过挤压获得宏观有用的变形。在挤压过程中，熔体主要受到剪切作用，因此，可挤压性主要取决于高分子熔体的剪切黏度，有时也涉及拉伸黏度。

（2）可模塑性　是指材料在温度和压力作用下形变和在模具中模塑成型的能力。具有可模塑性的材料可通过注射、模压和挤出等加工方法制成各种形状的模塑制品。可模塑性主要取决于材料的流变性、热性能和其他物理力学性能等。对于热固性高分子材料，可模塑性还与其化学反应性能有关。模塑工艺参数不仅影响高分子材料的可模塑性，而且对制品的力学性能、外观、收缩以及制品中的结晶和取向等都有重要的影响。还有，模具的结构、尺寸等也影响高分子材料的加工和产品的性能。

（3）可延性　表示无定形或半结晶固体聚合物在一个方向或两个方向上受到压延或拉伸应力时变形的能力。材料的这种性质为生产长径比（有时是长度对厚度的比）很大的制品提供了可能。利用高分子材料的可延性，可通过压延或拉伸工艺生产薄膜、片材和纤维。高分子材料的可延性取决于材料产生塑性形变的能力。可延性也使高分子材料能产生高倍的拉伸变形，使其形成高度的分子取向材料。

其他工艺性（如可纺性）有时也不可少，热固性塑料的固化速率也属于工艺性的一部分，本书将不阐述。

三、《基本工艺》在高分子材料加工中的作用

高分子材料工业共包含“原材料生产”（即树脂、生胶，还包括半成品的生产）和“制品生产”两个系统。这两个系统相辅相成。若没有原材料的生产（或原材料生产滞后），则制品的生产就成了无源之水；当然，没有制品生产（即加工工业），那么再多再好的原材料也不能进入使用领域，不会成为生产或生活资料。而《基本工艺》就是制品生产系统中的“灵魂”（即理论依据）。

原材料生产系统是指将单体聚合成为高分子材料，这在《高分子化学》课程中已作详细论述。制品生产系统是指将高分子材料加工为制品的过程。对于某些制品，采用何种原辅材料、什么样的加工方法，工艺和工程问题如何解决，这些问题将在《塑料成型工艺学》、《塑料挤出成型》和《橡胶加工工艺学》等教材中系统阐述。本教材的注意力应集中到这些工艺和工程的原理和基本工艺上。若不熟悉基础理论，则成型工艺和工程就带有盲目性，就有可能陷入“经验主义”的泥潭。而熟悉这些原理，那就有助于发展创造性的工程构思，引导新的改进设计，在成型加工的领域就有较大的“自由度”。

《基本工艺》主要有“挤出成型”、“注射成型”、“压延成型”、“模压成型”、“橡胶的基本加工工艺”及“其他工艺”。这些基本工艺几乎覆盖了高分子材料加工领域的全部。

四、高分子材料加工工业的发展概况

高分子材料的加工应用经历了一个曲折的发展过程。在人类原始社会时期，人们绝大多数使用天然高分子材料（如植物的纤维、动物的皮毛）作为维持生存的最低生活资料，偶尔也用石块这些无机材料。在这种情况下，高分子材料的利用率较高。随后，随着生产力和科学技术的进步，大量的金属材料被利用，在这段时期内，高分子材料的利用率比较小。进入了20世纪以来，尤其是第一次、第二次世界大战以来，高分子合成材料的问世和发展，高分子材料的应用比例又在不断地上升，到目前为止，金属材料、无机非金属材料和高分子材料成鼎足之势。

高分子材料工业的发展经历了大约有一百年的时间。第一时期为萌芽期，1872年，A.Bayer合成了酚醛（PF）树脂，1907年，Baekeland分别在酸性催化剂和碱性催化剂下合成了线性PF和体型PF。1909年，PF塑料用作电气绝缘材料（俗称“电木粉”），1932年，PF塑料电话机问世。这段时期的特点是：品种少，成型设备原始且粗糙，工艺不成熟。第二个阶段为发展期，这个时期的特点是塑料品种增加很快，成型设备有很大的改进，工艺逐渐成熟。1930年合成了聚苯乙烯（PS）。1927～1931年间，美国和德国先后合成了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，俗称有机玻璃），1938年合成了聚四氟乙烯（PTFE）。聚氯乙烯（PVC）是在第二次世界大战中合成的。1938年，英国人合成了PE粉末，1939年，英国建立了世界上第一个高压聚乙烯（即低密度聚乙烯，LDPE）厂。1953年，Ziegler（齐格勒）用三乙基铝/TiCl₄在常压下使乙烯聚合，合成了高密度聚乙烯（HDPE）。1954年，G.Natta（纳塔）改进了催化剂，合成了等规聚丙烯（iPP）。第三个时期为变革期。在这段时期，虽然品种增加得不多，但产量有很大的提高，质量有很大改善，成型设备逐渐成熟且定型，工艺控制精确。高分子材料的工程化和功能化方面得到长足的进展，人们致力于研究高分子材料的接枝、共聚、补强、共混及合金化，以提高力学性能，或得到透光、抗冲、耐寒、耐热、阻燃、耐候等性能，以提高材料的性价比。

从总体来说，塑料工业是一个新兴的工业，尤其在我国，塑料工业方兴未艾。

橡胶工业则既古老又富有朝气。早在1735年，人们就学会从橡胶树上割取胶乳制造胶鞋、容器等橡胶制品。1823年，英国建立了世界上第一个橡胶工厂，用溶解法生产防水胶布。1826年，Hancock发明了橡胶塑炼机。橡胶经过塑炼后弹性下降，可塑度提高。这一发明奠定了现代橡胶加工方法的基础。1839年，Goodyear发现了橡胶与硫黄一起加热可以消除橡胶制品“冷则变硬、热则发黏”的缺陷，而且可以大大提高橡胶的弹性和强度。硫化过程的发现，开辟了橡胶制品广泛应用的前景，有力地推动了橡胶工业的发展。直到今天，橡胶工业中基本上依然采用硫黄硫化的方法。因此，可以毫不夸张地说，硫化过程的发现是橡胶工业发展史上的一个里程碑。1900年以来，对天然橡胶的结构的研究得到突破性的进展，合成橡胶登上了历史舞台。在第一次世界大战期间，德国人用二甲基丁二烯合成了橡胶。1916年，用炭黑作橡胶补强剂，这不仅降低了橡胶制品的成本，而且大大改善了橡胶制品的性能，如汽车轮胎的强度、磨耗等力学性能。炭黑的应用是橡胶工业史上又一里程碑。现在，人工合成橡胶以来，无论是品种还是产量，均已远远超过天然橡胶。近年来，液体橡胶、热塑性橡胶及粉末橡胶的研制与应用，为橡胶工业的发展开辟了崭新的远景。

天然纤维的应用与人类社会的发展同步，而合成纤维的应用与塑料材料相似，是一个极年轻的工业。1927年，聚酯和聚酰胺合成并纺丝成功。1934年氯化聚氯乙烯（CPVC）纤维投入市场。1935年聚酰胺-66（PA-66）纤维投产，1939年聚酰胺-6（PA-6）纤维投产，1950年聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）纤维和聚丙烯腈纤维（人造羊毛）投产。现在，合成纤维的产量大大超过了天然纤维的产量。