芳纶纤维的研究现状及其展望

芳纶纤维的研究现状及其展望 洛阳理工学院毕业() 芳纶纤维的现状及其展望 摘 要 芳纶纤维是芳香族聚酰胺类纤维的通称，国外商品牌号叫凯芙拉(Kevlar)纤维，我国命名为芳纶纤维。 芳香族聚酰胺纤维最早开发于20世纪60年代初，1962年美国杜邦公司率先研制出商品名为“Nomex”的间位芳纶，并于1967年开始工业化生产;1966年又研制出商品名为“Kevlar”的高性能芳纶，并于1971年开始工业化生产;目前全球从事芳纶1414生产的厂家主要有美国杜邦公司(Kevlar)、日本帝人公(Twaron、Technora)、俄罗斯耐热公司(Pycap)等。 我国芳香族聚酰胺纤维的研制始于20世纪70年代。从上世纪80年代开始，我国还进行了芳纶I(芳纶14)和芳纶?(一种新型芳香族共聚酰胺纤维)的研究，但仅限于小试和中试阶段，未能实现规模化生产。多年来，我国一直致力于高性能芳纶 国产化、规模化的技术开发。 芳纶纤维是综艺性能优异，性价比理想的有机耐高温纤维，在先进复合材料、防弹制品、建材、特种防护服装、电子设备等领域具有广阔的应用前景。芳纶纤 维产业将迎来大发展，将成为世界上应用量最大、用途最广的高性能纤维。 关键词:芳纶;生产工艺;市场;前景 I 洛阳理工学院毕业设计(论文) The Present Situation and The Outlook of Aramid Fiber ABSTRACT Aromatic polyamide fiber is of aramid fiber collectively, foreign goods brand called kay fulla (Kevlar) fiber, our country named aramid fiber. Aromatic polyamide fiber the earliest development in the early 1960s, in 1962 the United States dupont takes the lead in developing a commodity, called "Nomex" between a aramid, and in 1967 started to industrial pro- duction; 1966 years and developed the goods, called "Kevlar" high per- formance of aramid, and in 1971 started to industrial production; Now engaged in the production of aramid 1414 global manufacturer mainly Amer- ican dupont (Kevlar), Japanese emperor people male (Twaron, Technora), Russia (Pycap) heat. The development of aromatic polyamide fiber in our country the devel- opment began in the 1970s. Since the 1980s, China is still the aramid I (aramid 14) and aramid ? (a new type of aromatic polyamide fiber), but only for small and pilot phase, failed to realize large-scale production. For many years, our country has been committed to the localization of high performance, large scale aramid fiber technology development. Aramid fiber is variety performance is excellent, price ideal organic high temperature resistant fiber, in advanced composite materials, bull- etproof products, building materials, special protective clothing, elec- tronic equipment etc has wide application prospects. Aramid fiber indu- stry will have big development, will become the world's largest appli- cation , use is the most extensive high performance fibers. KEY WORDS: Aramid; Production process; Market analysis; prospects II 洛阳理工学院毕业设计(论文) 目 录 第1章 绪论 .................................................................................... 3 1.1芳纶纤维的概述 .................................................................... 3 1.1.1 芳纶纤维的定义 ......................................................... 3 1.1.2 芳纶纤维的分类 ......................................................... 3 1.1.3芳纶纤维的发展史 ...................................................... 3 1.2芳纶纤维的特点 .................................................................... 4 1.3 芳纶纤维的应用 ................................................................... 5 第2章 芳纶纤维的生产工艺 ......................................................... 7 2.1 间位芳纶纤维的生产工艺 ................................................... 7 2.1.1 聚间苯二甲酰间苯二胺缩聚物的制备 ...................... 7 2.1.2 芳纶1313纤维的制备................................................ 8 2.2 对位芳纶的生产工艺 ........................................................... 9 第3章 芳纶纤维的发展现状 ..................................................... 12 3.1 国外芳纶纤维的发展现状............ 错误～未定义书签。12 3.1.2 国外芳纶纤维的生产 .............................................. 12 3.2 我国芳纶纤维的发展现状 ................................................. 14 3.2.1 我国芳纶纤维的发展史 ............................................ 14 3.2.2 国内芳纶纤维的生产 ............................................... 14 3.3 我国芳纶纤维的消费现状及预测 ...................................... 15 3.4 我国芳纶纤维的进出口情况.............................................. 16 3.5 我国芳纶纤维的供需情况 .............. 错误～未定义书签。17 3.6 国内外芳纶纤维的展望 ..................................................... 18 结 论 ................................................................................................ 19 谢 辞 ................................................................................................ 20 参考文献 .......................................................................................... 21 附 录 ................................................................................................ 23 外文资料翻译 .................................................................................. 24 基于因特网的注塑模具智能设计系统 ..................................... 24 III 洛阳理工学院毕业设计(论文) 前 言 芳纶是芳香族聚酰胺类纤维的总称。它的全称是芳香族聚酰胺纤维。1974年，美国贸易联合会( U.S，Federal Trade Commission，FTC)将它们命名为“aramid fibers”，我国称为芳纶。 20世纪60年代初，美国杜邦公司首先开发出具有优良热稳定性的间位芳给-HF-1，即Nomex纤维;1966年，公司又生产出了对位芳纶即Kevlar纤维;1972年日本帝人公司生产出对位芳纶Conex纤维;1986年荷兰Akzo公司生产出Twaron纤维;1987年日本帝人公司生产出Technora纤维。 自20世纪60年代美国杜邦公司成功地开发出芳纶纤维并率先实现产业化后，迄今30多年中，芳纶纤维走过了由军用战略物资向民用物资过渡的历程，价格也降低了将近一半。现在国外芳纶无论是研发水平还是规模化生产都日趋成熟。在芳纶纤维生产领域，对位芳香族聚酰胺纤维发展最快，产能主要集中在日本、美国和欧洲。如美国杜邦的Kevlar纤维，荷兰阿克苏?诺贝尔公司(已与帝人合并)的Twaron纤维，日本帝人公司的Technora纤维及俄罗斯的Terlon纤维等。 我国于1972年开始进行芳纶的研制工作，并于1981年通过芳纶1313的鉴定,1985年又通过芳纶1414的鉴定，它们分别相当于美国杜邦公司的Kevlar-29和Kevlar-49。近年来芳纶在我国的研究进展越来越快，并不断取得重大突破。 芳纶作为一种新型的高性能纤维，其杰出的物理化学性能越来越受到重视，2007年3月，上海艾麦达纤维科技有限公司和常熟市贝斯特皮革有限公司的“100 t,a对位芳纶聚合体制备试研究”项目通过了鉴定，对位芳纶聚合体制备技术正是生产芳纶纤维的关键技术，有了它，对位芳纶的产业化久迈出了关键的一步。 芳纶是一种高强度、高模量、低密度和耐磨性好的有机合成的高科技纤维。 由于芳纶其独特的物理性能和化学性能，使得其广泛用于国防、航空、航天、造船、体育器材、汽车、建筑等工业，例如:在建筑业可以作增强 1 洛阳理工学院毕业设计(论文) 混凝土构件、汽车业可替代石棉来制造刹车片、离合器、整流器等，以降低石棉对环境及人体健康的伤害。还可以用来制作防护服装，如宇航服、 [1]消防服等;耐热制品如芳纶增强的橡胶传送带;以及高性能的绳索等。 2 洛阳理工学院毕业设计(论文) 第1章 绪 论 1.1芳纶纤维的概述 1.1.1 芳纶纤维的定义 芳纶纤维是芳香族聚酰胺类纤维的统称，国外商品牌号叫做凯芙拉纤维，我国命名为芳纶纤维。 1.1.2 芳纶纤维的分类 芳纶纤维按分子结构可分为三种类型:对位芳香族聚酰胺纤维，间位芳香族聚酰纤维，芳香族聚酰胺共聚纤维。其中对位芳香族聚酰胺纤维又分为聚对苯酰胺(聚对氨基苯甲酰)纤维、聚苯二甲酰胺对苯二胺纤维，间位苯二甲酰间苯二胺纤维分为聚间苯二甲酰间苯二胺纤维、聚N,N-间苯双-(间苯甲酰胺)对苯二甲酰胺纤维。 1.1.3芳纶纤维的发展史 芳纶纤维诞生于20世纪60年代末，最初作为宇宙开发材料和重要的战略物资而秘不示人，平添了许多神秘色彩。冷战结束后，芳纶作为高技术含量的纤维材料大量用于民生领域，才逐渐露出庐山真颜。芳纶最早由美国杜邦公司研制成功并实现工业化生产，其间位芳纶注册为Nomex(诺美克斯)，对位芳纶注册为Kevlar(凯芙拉)，二者分别在世界间位、对位芳纶领域占据着主导地位。例如防火纤维芳纶1313最早由美国杜邦公司研制成功，并于1967年实现了工业化生产，产品注册为Nomex(诺美克斯)。几乎与防火纤维芳纶1313的发明同步，美国杜邦公司在20世纪60年代末研制出另一种高性能合成纤维-防弹纤维芳纶1414，其商品1972年首次问世，定名为Kevlar(凯芙拉)。 长期以来，由于芳纶纤维的生产投资成本高、技术难度大，世界上仅美国、日本和前苏联有能力进行生产，工艺技术属于绝密，产品被视为战略物资而严加管制。目前，全球芳纶市场主要由美国杜邦公司、日本帝人 3 洛阳理工学院毕业设计(论文) 公司以及烟台氨纶股份有限公司三大芳纶供应商来瓜分。 中国芳纶纤维产业虽然起步较晚，但发展速度较快。一方面生产技术进步快。国内企业不仅成功地实现了间位芳纶短纤的产业化，而且在长丝以及对位芳纶领域取得了突破性进展。另一方面是国内市场发展快。中国芳纶纤维属于新兴市场，年增长速度超过了30%。中国芳纶纤维制造业已 [2]进入快速发展期。 1.2芳纶纤维的特点 1. 良好的机械特性 间位芳纶是一种柔性高分子，断裂强度高于普通涤纶、棉、尼龙等，伸长率较大，手感柔软，可纺性好，可生产成不同纤度、长度的短纤维和长丝，在一般纺织机械制成不同纱支织成面料、无纺布，经过后整理，满足不同领域的防护服装的要求。 2.优异的阻燃、耐热性能 间位芳纶的极限氧指数(LOI)28，因此当它离开火焰时不会继续燃烧。间位芳纶的阻燃特性是由其自身化学结构所决定的，因而是一种永久阻燃纤维，不会因使用时间和洗涤次数降低或丧失阻燃性能。间位芳纶具有很好的热稳定性，在205?的条件下可以连续使用，在大于205?高温条件下仍能保持较高的强力。间位芳纶具有较高的分解温度，而且在高温条件下不会熔融、融滴，当温度大于370?时才开始炭化。 3.稳定的化学性质 除强酸与强碱以外，芳纶几乎不受有机溶剂、油类的影响。芳纶的湿强度几乎与干强度相等。对饱和水蒸气的稳定性，比其他有机纤维好。 芳纶对紫外线是比较敏感的。若长期裸露在阳光下，其强度损失很大，因此应加保护层。这种保护层必须能阻挡紫外光对芳纶骨架的损害。 4.耐辐射性 间位芳纶的耐辐射性能十分优异。例如在1.72×108rad/s的r射线的照射下，强度仍能保持不变。 5.耐久性 4 洛阳理工学院毕业设计(论文) 间位芳纶优良的耐摩擦和耐化学品性能，经过100次洗涤后，用间位芳纶加工的布料撕破强力仍可以达到原强力的85%以上。对位芳纶的耐温性能要高于间位芳纶，连续使用温度范围为-196 ?,204 ?，在560?高温下不分解、不熔化。对位芳纶最显著的特性是高强度、高模量，其强度大于25克/旦，是优质钢材的5,6倍、玻纤的3倍、高强尼龙工业丝的2倍;模量是优质钢材或玻璃纤维的2,3倍、高强尼龙工业丝的10倍。芳纶浆粕是对芳纶纤维进行表面原纤化处理之后便得到的，其独特的表面结构极大地提高了混合物的抓附力，因此非常适合作为一种增强纤维应用于摩擦及密封产品中。芳纶浆粕六方特种纤维----芳纶1414浆粕，浅黄色絮花状，呈毛绒状，其毛羽丰富，强度高、尺寸稳定性好，无脆性、耐高温、耐腐蚀、有韧性、收缩率小、耐磨性好、表面积大，能很好的与其它物质结合，是一种补强材料，回潮率为8%，平均长度为2-2.5mm，表面积为 28m/g。而被用作垫片增强材料，具有较好的回弹性能和密封性能，对人体健康及环境无危害，可用作于水、油、烃类和中等强度的酸碱等介质的密封，造出的垫片具有优良的密封性能和抗蠕变松弛性能。事实证明，通常只需添加少于10%的浆粕，得到产品的强度相当于50-60%石棉纤维增强的产品。用于增强摩擦、密封材料等制成品，可作为石棉的替代品用于 [3-4] 摩擦密封材料，高性能耐热绝缘纸以及增强复合材料。 1.3 芳纶纤维的应用 芳纶纤维主要用作环氧、聚酯和其他树脂的增强材料，制成各种航空、宇航和其他军事用途的构件。 1.3.1 在航空航天及军事方面的应用 在航空方面，主要用作各种整流罩、机翼前缘、襟翼、方向舵、安定面翼尖、尾锥、应急出口系统构件、天花板、隔板、舱壁、地板、舱门、行李架、座椅等。采用芳纶复合材料，可比玻璃纤维复合材料减轻质量30%。为了达到减轻质量和提高经济效率，一般在商用飞机和直升机上，都大量采用了芳纶复合材料。例如L-1011三星式客机总用量已达1135kg，是飞 5 洛阳理工学院毕业设计(论文) 机减轻质量365kg。S-76商用直升飞机的外表面，使用芳纶复合材料已达50%。在航天方面，主要用作火箭发动机壳体和压力容器、宇宙飞船的驾驶舱、氧气、氮气和氦气的容器以及通风管道等。在其他军事用途上，可以用作防护材料，如坦克、装甲车、飞机、艇的防弹板以及头盔和防弹衣等。 1.3.2 在民用工业方面的应用 芳纶纤维复合材料可大幅减轻制品的质量，故在民用工业方面应用也十分广泛。例如，造船工业采用芳纶复合材料后，船体可减轻质量的28%-40%，燃料省35%，航程可延长35%。用作汽车和舢板的材料时，都可大幅减轻质量。在体育用品方面，已经成功地用于许多运动器材，在曲棍球棒中，以芳纶和木材混合使用，可以改进耐用性及其刚性，同时也可以与玻璃纤维合用。在高尔夫球棒、网球拍、标枪、弓、鱼竿、滑雪橇和其他体育用品中，可以与碳纤维合用。在混合结构中，芳纶提供较高的抗张强度，优良的抗冲击性能，及有利的经济性。 芳纶纤维的高强度、质量轻、尺寸稳定等特性，也可作为涂覆织物使用，用作空气支撑结构建筑物以及充气胶布制品，如胶船、救生筏、充气桥、软式飞艇、气球、特种服装、飞机软油箱等。 芳纶是轮胎帘子线的好材料，具有承载高、质量轻、乘用舒适、噪音低、高速性能好、滚动阻力小、产生热量小、耐磨损等优点，特别适用于高速高压轮胎。芳纶还可以用橡胶和塑料复合制成高压软管和重型运输带。 用芳纶制成的带式快速降落伞，比用尼龙66的减轻质量50%-60%，而包装体积可降低50%-60%以上。用芳纶缆绳可以代替钢丝的绳索，用作深海固定绳，在海水中浸泡1年后它的强度也不下降。还可以作为吊装绳、抛锚绳和直升机的吊绳等。 此外，还可以取代石棉制品，主要用作密封垫和摩擦材料，如刹车片、离合器片等。还可以增强水泥，使强度大大提高，防止产生裂纹，也是原 [5-6] 子能发电不可缺少的材料。 6 洛阳理工学院毕业设计(论文) 第2章 芳纶纤维的生产工艺 2.1 间位芳纶纤维的生产工艺 间位芳纶全称“聚间苯二甲酰间苯二胺”，英文缩写MPIA( poly-m-phenyleneisophthalamide)，我国称为芳纶1313。芳纶1313是一种开发早、应用广、产量大、发展快的耐高温纤维品种，其总量居特种纤维的第二位。其分子结构为:聚间苯二甲酰间苯二胺是排列规整的锯齿型大分子，在熔融以前就已经分解，玻璃化温度Tg为270?，在350?以下不会发生明显的分解和碳化。当温度超过400?时，纤维逐渐发脆、炭化直至分解，但是不会产生熔滴;在火焰中不延燃，具有较好的阻燃性，极限氧指数LOI为29%—32%，性能极佳。间位芳纶的突出特点是优异的耐高温性，良好的尺寸稳定性，优良的可纺性、防火性和耐腐蚀性。 芳纶1313纤维的生产工艺包括两个步骤:聚间苯二甲酰间苯二胺的 [7] 缩聚物的制备，芳纶1313纤维的的制备。 2.1.1 聚间苯二甲酰间苯二胺缩聚物的制备 芳纶1313由间苯二甲酰氯(ICI)和间苯二胺(MPD)缩聚而成，生产缩聚物主要有如下三种方法。 1. 界面缩聚法 把配方量的间苯二胺溶于定量的水中，加入少量的酸吸收剂成为水相。再将配方量的ICI溶于有机溶剂中，然后边强烈搅拌边把ICI溶液加到MPD的水溶液中，在水和有机相的界面上立即发生反应，生成聚合物沉淀，经过分离、洗涤干燥后得到固体聚合物。 2. 低温溶液缩聚法 先把间苯二胺溶解在N，N二甲基乙酰胺( DMAc)溶剂中，在搅拌下加人间苯二甲酰氯，反应在低温下进行，并逐步升温到反应结束。然后加入氢氧化钙，中和反应生成的氯化氧，使溶液成为DMAc-CaCI2酰胺盐溶液系统，经过浓度调整，可直接用于湿法纺丝，也可以通过碱性的离子交 7 洛阳理工学院毕业设计(论文) 换树脂除去反应生成的HCI。黎苇等研究叔胺添加剂对PMIA缩聚反应的影响，发现不同结构叔胺对PMIA分子量的影响是不同的，其中以加入少量甲基吡啶作为HCI吸收剂对提高PMIA分子量最为明显。 3. 乳液缩聚法 将ICI溶于与水有一定相溶性的有机溶剂(如环己酮)，MPD溶于含有酸吸收剂的水中，高速搅拌，使缩聚反应在搅拌时形成的乳液体系的有机相中进行。此方法利于热量传递。此外，还有专利报道有气相缩聚法制备芳香族聚酰胺。 鉴于低温溶液缩聚与界面缩聚、乳液缩聚相比，耗用溶剂少，生产效率高，在直接使用树脂溶液进行纺丝、打浆和制膜时可以省去树脂析出、水洗和再溶解等操作，在生产上更为经济，所以低温溶液聚合应用广泛。采用低温缩聚法制备聚间苯二甲酰间苯二胺，溶剂为N，N二甲基乙酰胺( DMAc)时，有下列因素对反应有影响:间苯二甲酰氯，间苯二胺纯度，摩尔比，反应温度，反应时间，溶剂中的水分含量和搅拌速度等。 2.1.2 芳纶1313纤维的制备 芳纶1313纤维可采用干法纺丝、湿法纺丝或干喷湿纺法制备。 1. 干法纺丝 干法纺丝的流程为将低温溶液缩聚所得的纺丝液用氢氧化钙中和，得到约含20%聚合物及9% CaCl2的黏稠液，经过滤后加热到150,160?进行干法纺丝，得到初生纤维因带有大量无机盐，需经多次水洗后在300?左右进行4,5倍的拉伸，或经卷绕后的纤维先进入沸水浴进行拉伸、干燥，再于300?下张紧1.1倍处理。干法纺丝产品有长丝和短纤维两种。 2. 湿法纺丝 湿法纺丝的一般流程为:纺前原液温度控制在22?左右，原液进入体积密度为1.366的含二甲基乙酰胺和氯化钙凝固浴中，浴温保持60?，得到的初生纤维经水洗后，在热水浴中拉伸2. 73倍，接着再进行干燥，温度为130?，然后320?的热板上再拉伸1.45倍而制得成品。日本帝人采用此方法。Conex的产品主要为短纤维，有以下几个品种:普通短纤维、原液染色短纤维、短切纤维和高强度长丝。据专利介绍的高强Conex的湿 8 洛阳理工学院毕业设计(论文) 法纺丝流程为:浆液?凝固浴?洗涤?第?次湿拉伸?第二次湿拉伸?干燥?千拉伸?后处理。制得的纤维抗张强度可达8.48,9.27cN/dtex，伸长率25%,28%在300?时的热收缩为5.60%,6.O%。 3. 干喷湿纺法 美国孟山都公司综合干纺和湿纺的优点，提出了干喷湿纺的工艺。采用这种工艺，纺丝拉伸倍数大，定向效果好，耐热性高。如湿纺纤维在400?下热收缩率为80%，而干喷湿纺纤维小于l0%，湿纺的零强温度为440?，干纺为470?，而千喷湿纺可提高到515?。 各大公司采用的生产工艺流程为:美国杜邦公司采用低温溶液聚合，干法纺丝，得纤维Nomex;日本帝人公司采用界面聚合，再溶解，用倒章式湿法纺丝装置进行纺丝，纺出纤维称为Conex;孟山都公司综台干纺和湿纺的优点提出了干喷湿纺工艺。此外，前苏联的ΦeHHnox用热塑挤压 [8-10] 法生产。 2.2 对位芳纶的生产工艺 对位芳纶全称为聚对苯二甲酰对苯二胺，英文缩写pptA，我国俗称芳纶1414。对位芳纶采用低温缩聚法合成，其单体主要是对苯二胺(PPD)和对苯二甲酰氯(TPC)或对苯二甲酸(TPA)。 聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)纺丝制成的芳纶纤维主要商品有Kevlar、Twaron等。PPTA的缩聚单体是PPD和TPC，PPTA在达到其熔点之前即发生分解，因此既不能用熔融聚合法聚合，也不能用熔融纺丝法纺丝。Du Pont公司采用低温溶液缩聚法生产PPTA。 聚合过程包括适量的PPD在缩聚溶剂中溶解，氮气保护下冷却到-15?，然后伴随搅拌添加TPC，生成的产物是黏稠的糊状浆，反应物允许静置过夜，同时逐渐升温至室温。通过将此反应物在混合器中用水搅拌，洗去溶剂和HCl，聚合物过滤收集。在该反应中，溶剂的选择、反应物的化学计量、体系中水分等因素对决定聚合物分子质量有重要作用。 缩聚溶剂选用弱碱性酰胺溶剂，如N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基乙酰胺、六甲基磷酰胺( HMPA)等。选用酰胺类溶剂的原因是它们对芳香族 9 洛阳理工学院毕业设计(论文) 聚酰胺分子有很强的溶解能力，在聚合物链增长到足够长之前，能防止其从溶液中结晶沉淀出来，从而保证反应活性，得到高分子量产物。实际生产中，采用混合溶剂以便提高聚合物分子量。据报道，Du Pont公司早期采用HMPA/NMP混合物作为缩聚溶剂，当HMPA/NMP的体积比为2:l时，生产的PPTA有最大的分子量。最佳反应物的浓度约为0.25mol/L，浓度低于0.25mol/L或高于0.3mol/L会导致分子量的下降。 由于后期发现HMPA溶剂可能致癌(Du Pont公司花费了大量的精力 )。聚合产物的丹子量与才寻找到一种比较合适的替代溶剂(NMP/CaCl2 NMP/CaCl2的比例有相当大的关系，提高或降低CaC的用量都会降低聚l2 合产物的分子量。由于NMP/CaCl溶剂系统的溶解能力比HMPA/NMP溶2 剂系统稍差，聚合产物中有低聚体存在，这个问题的解决得益于先进的反应器，新型反应器系统消除了低聚体晶核的产生和结晶。加入碱性化合物中和反应过程中的HCl有利于提高分子质量。发现LiH是最有效的碱性化台物，原因之一是它与HCl反应不产生水，而水的存在将导致链反应的终止。 当二元酸成为廉价原料后，也进行过对苯二甲酸( TPA)与PPD合成PPTA的研究。当TPA和PPD的缩聚反应中有吡啶存在，在含有已经溶解了CaCl和LiCI的NMP中，可以制得高分子量的PPTA。据报道，采用聚2 4-乙烯吡啶代替吡啶，可以克服TPA和二元胺缩聚时芳香族聚酰胺分子量低的困难。 纺丝时，采用浓硫酸作溶剂制备纺丝溶液，溶解温度80?，溶液浓度一般为14%,20%。采用这些条件是为了获得具有各向异性的液晶纺丝原液。采用干喷湿纺法纺丝，干喷湿纺的作用之一是将喷丝板和低温凝固水浴隔开，以便喷丝板保温，保持纺丝溶液的液晶态。另外，干喷湿纺的空气层有利于纺丝溶液的拉伸。喷头拉伸比(卷绕速度,喷丝于L吐出速度)对初生纤维强度有重要影响，一般大于3。纺丝时预先将纺丝原液加热到70—90?，纺出喷丝孔后，再经过约0.5cm长的空气层，然后进入温度约10?、含硫酸量为20%—27%的凝固浴中。由于纺丝溶液具有液晶性质，通过喷丝孔时已经高度取向，初生纤维不必进行拉伸就能获得优良的力学性能，只需水洗干燥就可以得到级的芳纶。 10 洛阳理工学院毕业设计(论文) 为了得到更高模量的芳纶，还需要在氮气流的保护下，进行约550?的热处理。高模量Kevlar 49就是标准级Kevlar 29通过热处理得到的。湿PPTA初生纤维在高温下的热处理对于提高模量很有效，但对强度的影响不大。 Twaron的制造工艺和Kevlar的类似，但Twaron的缩聚反应溶剂是NMP/CaCl2，受Twaron公司的产品专利保护。PPD在冷却的NMP/CaCI2的悬浮液中溶解，该溶液的主要功能是形成一种带有酰胺键合的复合体，以便使溶液中的聚合物分子链尽可能的长，较高的分子量可以提高纤维的 4(对应于聚合度85和分强度。目前PPTA的典型的数均分子量约为2×10 子链长约110nm)(多分散性约为2,3。长丝经上油后干燥，通过若干后处理工序就可以生产出不同品种的长丝产品，Twaron的其他产品如短纤维和浆粕最初都是用长丝制成的。 通过纤维成形技术改善PPTA型芳纶力学性能的措施有:减小喷丝孔和纤维的直径，增加喷丝孔的长径比，增加纺丝张力和纺丝速度，对初生纤维进行浸渍后热处理，冷冻固态下的高压纺丝，聚合物渗透技术等。此类技术基本上是从减少PPTA纤维结构缺陷、提高结晶取向程度来考虑的。[11] 11 洛阳理工学院毕业设计(论文) 第3章 芳纶纤维的发展现状 3.1国外芳纶纤维的发展现状 3.1.1国外芳纶纤维的发展史 芳纶纤维最早开发于20世纪60年代初，1962年美国杜邦公司率先研制出商品名为“Nomex”间位芳纶，并于1967年开始工业化生产;1966年又研制出商品为“Kevlar”的高性能芳纶，并于1971年开始工业化生产;目前全球从事芳纶1414生产的厂家主要有美国杜邦公司(Kevlar)、日本帝人公司(Twaron、 Technora)、俄罗斯耐热公司(Pycap)等。 自20世纪60年代美国杜邦公司成功的研发出芳纶纤维并率先实现产业化后，迄今30年多年中，芳纶纤维走过了由军用战略物资向民用物资过渡的历程，现在国外芳纶无论是研发水平还是规模化生产都日趋成熟。在芳纶纤维生产领域，对位芳香族聚酰胺纤维发展最快。如美国杜邦的Kevlar纤维，荷兰阿克苏?诺贝尔公司(已与帝人合并)的Twaron纤维，日本帝人公司的 [12] Technora纤维及俄罗斯的Terlon纤维等。 3.1.2 国外芳纶纤维的生产 美国杜邦是芳纶开发的先驱，他们无论在新产品的研发、生产规摸上，还是在市场占有率上都居世界一流水平，仅他们生产的Kevlar纤维，目前就有Kevlar-49、Kevlar-29等十多个牌号，每个牌号又有数十种规格的产品。杜邦公司Kevlar纤维的总产能达3.0万t\a以上，目前杜邦公司有三个生产高性能芳纶的基地，最早的生产基地是在Richmond，产能2.2万t\a(合成树脂3.0万t\a以上)，第二个生产基地是在英国北爱尔兰Maydown，产能0.7万t\a，第三个生产基地是在日本的合资东丽一杜邦(TDC)，产能0.4万t\a。杜邦公司在2006年宣布扩大Kevlar纤维的生产能力，增设新的生产线，计划在未来五年产能将扩张50,。帝人、赫斯特等芳纶生产的知名企业也不甘示弱，纷纷扩产或联合，并积极开拓市场，希望成为这个朝阳产业的生力军。近年来日本敌人通过收购并投资荷兰阿克苏?诺贝尔公司，使其产量增加1倍，形成了与杜邦 12 洛阳理工学院毕业设计(论文) 公司抗衡的竞争格局。 国外芳纶纤维产能主要集中在日本、美国和欧洲，生产芳纶纤维的公司也较为集中， 目前全球从事芳纶纤维生产的厂家主要有5个:美国杜邦公司(Kevlar)、日本帝人公司(Twaron、Teehnora)、俄罗斯卡明斯克化纤股份公司(SVM、AP—ITIOC、Rusar) 和特威尔化纤股份公司(SVM、Apmoc)、韩国科隆公司(Kolon)，其他国家或公司仅有少量生产 一。2009年， 全球芳纶纤维生产能力约9.51万t\a，其中对位芳纶纤维产能约6.61万t\a，杜邦和帝人二家公司产能合计6.15万t\a，占对位芳纶纤维产能的93% ;间位芳纶纤维的产能约为2.9万t\a，主要的生产公司仍为杜邦公司，产能为全球总产能的75 以上。预测到2015年全球对位芳纶纤维产能可达6.61万t\a，间位芳纶的产能为5.2万t\a。2009年全球芳纶纤维的消费量约为7.5万t，其中对位芳纶纤维5.2万t，间位芳纶纤维2.3万t。芳纶纤维的消费区域主要也集中在美国、欧洲和日本。欧洲是世界芳纶纤维的最大消费市场，其消费量占全球总消费量的48, ，约3.6万t;美国消费量占全球36 ，约2.7万t;日本消费量约占全球11 ，约0.8万t;其他地区约0.4万t。随着生产技术的发展以及生产成本的逐步降低，芳纶纤维的消费领域已经逐步从应用于军工和航天领域的特殊材料，发展成为在工业和民用 [13-14]领域有着广泛应用的高性能材料。 表4-1 国外对位芳纶纤维的产能情况(t\a) 企业名称 装置所在地 产能 杜邦公司 美国 2.45 英国 0.70 日本 0.50 帝人公司 日本 0.20 荷兰 2.30 俄罗斯卡明斯特和特俄罗斯 0.20 维尔化纤公司 韩国科隆公司 韩国 0.26 合计 6.61 13 洛阳理工学院毕业设计(论文) 3.2 我国芳纶纤维的发展现状 3.2.1 我国芳纶纤维的发展史 我国于1972年开始进行芳纶的研制工作，并于1981年通过芳纶1313的鉴定，1985年又通过芳纶1414的鉴定，它们分别相当于美国杜邦公司的Nomex和Kevlar。1986,1990年中国发展国民经济第七个五年计划期间，北京橡胶工业研究设计院、西安交通大学、晨光化工研究院、南通合成树脂厂和上海合成纤维研究所共同承担了国家关于芳香族聚酰胺的研制工作。在20世纪90年代，晨光化工研究院、上海合成纤维研究所、东华大学化学纤维研究所、沈阳市红星密封材料厂等单位研制和生产的对位芳纶性能已接近国际水平。但由于资源、成本等方面的原因，我国应用的芳纶大部分仍然依赖于进口。1999年，山东烟台氯纶股份有限公司正式提出建设中国第一个芳纶1313程项目，并于2001年5月份引进了俄罗斯技术。经过艰苦的技术攻关，开发研制出了具有极高科技含量的20多种有色芳纶1313纤维，产品质量可与美国杜邦等世界一流公司媲美。 3.2.2 国内芳纶纤维的生产 随着我国经济的迅速发展，我国的芳纶需求量和生产量越来越多。2009年我国间位芳纶纤维产能7600t\a,对位芳纶纤维产能255t\a，芳纶纤维总产量约3000t。国内间位芳纶纤维的主要生产企业有3家，分别为烟台氨纶股份有限公司、广东彩艳股份有限公司和圣欧 (苏州)安全防护材料有限公。2004年烟台氨纶股份有限公司在完成了间位芳纶中试的基础上实现了500t产业化生产线，并于2006年将生产线扩大至2500t\a。2009年底公司又新建生产装置，产能达到4600\a，完全投产后产量也将大幅增加。广东彩艳股份有限公司于1996年开始研发芳纶纤维生产技术，2000年时建成200t\a间位芳纶纤维中试生产线，2004年时，建成 l000t\a间位芳纶纤维生产线。圣欧(苏州)安全防护材料有限公司成立于2005年，隶属于圣欧集团(中国)有限公司，公司间位芳纶纤维产能达到2000t\a，为国内第二大问位芳纶纤维生产企业，也是中国最大的芳纶绝缘纸生产商。国内对位芳纶纤维的主要生产企业有4家， 14 洛阳理工学院毕业设计(论文) 分别为中蓝晨光化工研究院、上海东华大学、烟台氨纶股份有限公司和广东彩艳股份有限公司。中蓝晨光院在20世纪90年代掌握年产30t对位芳纶纤维技术的基础上，正在扩大建设千吨级的对位芳纶纤维生产装置。东华大学在2000年后开始对位芳纶纤维的研究工作，2006年与两家民营企业组建了上海艾麦达纤维科技有限公司，并在常熟市贝斯特皮革有限公司建成年产 1000t 规模的中试装置。烟台氨纶股份有限公司2008年取得对位芳纶纤维中试成功，建成连续运转百吨级中试生产线，计划建设1000t\a对位芳纶纤维生产装置。广东彩艳股份有限公司是主要的间位芳纶纤维生产公司，对位芳纶纤维还处于研发阶段，有小试装置，规划建设l000t\a对位芳纶纤维的生产装置。另外，国内还有多家单位如河北硅谷化工公司、江苏仪征化纤公司、河南帘子线公司等都在进行对位芳纶纤维工业化生产的研究，其中仪化公司计划投资 ll亿元人民币建设 3000t\a对位芳纶项目，河北硅谷化工公司计划建设千吨级对位芳纶纤维的生产装置。2009年中国芳纶纤维生产厂家概况如表2 表4-2 2009年中国芳纶纤维生产厂家生产能力(t\a) 企业名称 间位芳纶纤维 对位芳纶纤维 烟台氨纶公司 4600 100 广东彩艳公司 2000 20 上海东华大学 1000 100 晨光化工研究院 --- 30 其他研究院 --- 5 合计 7600 255 3.3 我国芳纶纤维的消费现状及预测 由于芳纶的投资成本高，技术难度大，工艺技术严格保密，长期以来只有美国和日本等极少数国家生产，产品被视为重要战略物资而严格管理，形成了技术和贸易的垄断，在价格上、货源上对我国实行特别限制，再加上国 15 洛阳理工学院毕业设计(论文) 内技术、资金、原料和设备等原因，中国至今未能实现芳纶1414的工业化生产。近10年来，由于我国高科技产业的高速发展，芳纶1414又是支持高科技产业的基础材料，市场容量扩大，对芳纶1414的需求日趋紧迫，据统计我国每年直接和间接进口的芳纶及相关制品数以亿元计，缺口5000t以上，市场潜 [15]力极大。 2009年，我国芳纶纤维的消费量约5125t。目前芳纶纤维的主要消费领域是防弹防护材料、线缆材料、橡胶和复合材料工业。尤其是对位芳纶纤维在防护材料和复合材料上的应用增长较快。防护材料主要用于防弹织物以及防火织物，用于军事、安保、消防等领域;线缆主要用于高强绳索和光缆的张力构件;橡胶工业领域的用量稳步增长，主要是轮胎、胶管、传动带和胶料用短纤维的用量增长较快;复合材料主要应用于固体火箭发动机壳体，航天器的机身、主翼、尾翼等。预计到2015年，我国芳纶纤维的市场年需求量将会达到 ll000t，2009,2015年的年均增长率为13.6。2009年国内芳纶纤维的 [17-18] 消费结构及2015年的预测如表3所示 表3 2009年国内芳纶纤维的消费结构及2015年展望(t) 消费领域 2009 2015(预测) 2009-2015年 均增长率/% 橡胶增强 900 1700 11.2 复合材料 500 1300 17.3 线缆 1000 1900 11.3 防护材料 2000 4500 14.5 绝缘材料 5000 1000 12.2 其他 225 600 17.8 合计 5125 11000 13.6 3.4 我国芳纶纤维的进出口情况 2009年，我国芳纶纤维的进口量约2519t，出口量约394t，净进口量2125t。 16 洛阳理工学院毕业设计(论文) 近几年，我国芳纶纤维进口量增长较快，2007年时芳纶纤维进口量有1850t，到2009年进口量已超过2500t。2007,2009年芳纶纤维进口的年均增长率约为 [1916.7%。表4为2007,2009年国内芳纶纤维进出口情况] 表4 2007，2009年国内芳纶纤维的进出口情况(t) 年份 进口数量 出口数量 2007 1850 429 2008 2696 425 2009 2519 394 3.5 我国芳纶纤维的发展现状 近年来我国芳纶纤维市场需求旺盛，国产产品供不应求，大部分用量依靠进口，2009年国内市场缺口约2000t。预测未来我国芳纶纤维市场仍将大量进口，国产芳纶纤维在数量和质量上仍与进口产品有一定差距，但差距将逐步缩小，自给率逐步提高。2007,2009年国内芳纶纤维的供需变化及预测如表5所示。 表5 2007，2009年国内芳纶纤维的供需变化及2015年展望(t) 年份 产量 净进口量 表观消费自给率/% 量 2007 3000 1400 4400 68.2 2008 3000 2200 5200 57.7 2009 3000 2125 5125 58.5 2015(预10000 1600 11600 86.2 测) 2009-201522.2 -4.8 14.6 -- 年增长率/% 17 洛阳理工学院毕业设计(论文) 3.6 国内外芳纶纤维的展望 芳纶凭借其良好的机械性、优异的耐燃性阻燃性，稳定的化学性质等，在海内外用户中赢得普遍赞誉，具有广阔的市场发展前途。 21世纪是新技术新材料的时代，也是高科技纤维的时代。随着科技进步和世界经济的进一步发展，芳纶纤维还将在更多领域有所应用，现在芳纶纤维不仅仅在航空航天、军事、工业生产方面得到了很好的运用，更是渗透到了人们生活中的方方面面。芳纶纤维在市场容量和更加复杂的性能方面将会加速发展。目前，美国、日本的芳纶制造商都争相扩大生产，世界芳纶工业正迎来一个大发展的机遇。我国要打破外国的芳纶技术垄断和突破生产技术的障碍，就必须全力以赴进行工程技术攻关，研制出具有中国自主知识产权的芳纶技术专利，生产出可与国外同类产品媲美的高性能芳纶纤维，以取得市场的制高点和主动权。随着我国对位芳纶产业化进程的推进，我们的化纤 [20]工业一定能在产业用纺织品领域发挥越来越大的作用。 18 洛阳理工学院毕业设计(论文) 结 论 发展具有差别化、功能化、特殊意义的高性能纤维和特种纤维是21世纪的主要研究课题，芳香族聚酰胺纤维作为典型的高性能纤维必将得到全面的发展。现代国防、消防、化工、冶金、水电、地矿、核工业等行业对具有隔热、透气、阻燃、耐温、耐腐蚀的特种材料的需求也将造就一个潜在的巨大市场。通过改性、新型成型技术和差别化研究，进一步改善其压缩强度、耐疲劳强度、弯曲模量、耐水耐光性能和表面粘合力，提高其使用性能，改善加工条件，降低生产成本，可以预计随着芳纶纤维生产技术和应用技术的革新，与芳纶纤维相关的功能纺织品将会得到更广泛的应用。 用芳纶纤维增强的复合材料具有耐腐蚀、耐疲劳、抗冲击、隔热等优异性能，在许多领域尤其在航空航天领域得到了广泛应用。由于芳纶具有优良的性能，故该纤维及其制品应用于轮胎行业、防弹衣、运动器材，航空航天、军需工业建筑业、涂覆织物制品等多种行业中。正是由于它的用途十分广泛，它曾被称为“全能纤维”。据统计，用于防弹衣、头盔等约占7,,8,;航空航天材料、体育用材料约占40,;轮胎和胶带骨架材料等约占20,;高强绳索等占13%左右。 现阶段我国的芳纶产品主要是高温过滤用的低端产品，服装及其他高端领域的应用较少，一些高端产品，如间位芳纶纸、长丝、可染纤维等尚未开发成功。高端间位芳纶产品的技术开发难度较大，成为芳纶在高端产品中应用的主要阻力。另外由于目前只有美国、日本、荷兰等国家可进行芳纶纤维大规模工业化生产，国内较少厂家能生产芳纶的成本较高，这就阻碍芳纶在许多行业的应用，如轮胎行业等。随着社会的发展，芳纶作为一种高性能的纤维，其应用将会越来越广泛，国内芳纶要借鉴国外的，进一步加大芳纶的生产规模，减少原纤化，提高摩擦性能，改善染色性能等，将会成为以 [21]后芳纶研究的主要方向。 19 洛阳理工学院毕业设计(论文) 谢 辞 本课题在选题及研究过程中得到胡骥老师的悉心指导。胡老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。胡老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却给以终生受益无穷之道。对胡老师的感激之情是无法用言语表达的。感谢诸位老师等对我的教育培养。你们细心指导我的学习与研究，在此，我要向诸位老师深深的鞠一个躬，并深深的表示感谢。 20 洛阳理工学院毕业设计(论文) 参考文献 [1]李哗(对位芳纶的发展现状、技术分析及展望E[J](合成纤维，2009，9:1-5 [2]罗益锋(高性能纤维掘金勿忘科学发展[J] (中国化工信息，2010, 1(8):6-7( [3]李新新，张慧萍，晏雄(芳纶纤维生产及应用状况[J](天津纺织科技，2009，187:4-9 [4]罗益锋(聚焦海外高性能纤维新动向[J](中国化工信息，2010:2(1)8-9 [5]杨青，王小菊(改性芳纶短纤维Sulfron3001在轮胎胶料中的应用[J](橡胶工业，2010，57(5):300-302 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高科技含量的20多种有色芳纶1313纤维，产品质量可与美国杜邦等世界一流公司媲美。 23 洛阳理工学院毕业设计(论文) 外文资料翻译 基于因特网的注塑模具智能设计系统 摘要 互联网和信息技术在近几年的飞速发展为支持促进不同地理分布企业的协同产品的开发提供了一个解决方案。通过开发基于因特网的协同产品开发模块的模具设计系统，我们可以找到促进注塑模具合作发展的行之有效的工具。本文介绍了注塑模具基于因特网的智能设计的一种原型。该系统的架构包括一个嵌入网络环境的交互式KB模具设计系统。采用人工智能技术的Java功能的方法可用来发展网络交互式计算机辅助设计系统。在这个系统中，计算模块、知识模块和模具特点图形生成模块的功能集成在一个交互式模具CAD技术框架。该系统的知识基础是通过互动过程访问模具设计师而获得，这样也可以使他们自己的智慧和经验纳入总的模具设计。该方法加快了设计进程，也促进了设计的标准化，从而加快了模具制造的的速度。我们用一个实际的案例研究来说明基于互联网的模具设计系统(具体)操作。 关键词:因特网 基于知识的专家系统 注塑模具设计 合作 1、简介 塑料，这是当今时代最多才多艺的一种材料，被广泛应用在世界各地 24 洛阳理工学院毕业设计(论文) 的许多产品中。由于它能够生产复杂形状的塑料部件，具有良好的尺寸精度和很短的生产周期，今天注射成型已成为塑料工业中用于制造塑料零部件最重要的工艺过程。然而，由于全球化的市场,短生命周期产品的开发,增加产品多样化、高要求的产品质量,当前塑料工业正处在巨大的压力下。为了满足上述要求，这种贸易采用各种先进的技术是非常重要的，这些技术包括信息和网络技术、计算机辅助集成技术、并行工程、人工智能等等,有效帮助了注射模压产品的发展。 在注塑成型中，为满足产品质量和高效的处理模具的设计是至关重要的。在大多数情况下,模具质量负责经济学的整个过程。注塑模具设计包括广泛的关于模具元件结构和功能的经验知识(启发式知识)。如今，模具设计面临的截稿压力与日俱增并且设计本身主要是基于模具设计师的经验。模具设计师应具备深入和广泛的经验,因为详细的决定需要知识的各种参数之间的相互作用。不幸的是，对于这些经验丰富的设计师来说，要满足不断升级的市场需求是不可能的。因此,智能CAD工具可以协助模具设计过程中的各项任务，对于提高模具制造工业的生产效率非常重要。 全球制造业的发展趋势在很大程度上是由互联网，信息技术与全球市场支撑的。如今，能够普遍地看到，设计、制造和最终产品的装配完成于座落在世界不同的地方公司。在产品开发过程中，涉及的各方面需要分享他们的专业知识和经验。当前网络的发展和信息技术可以提供一个解决方案，来支持和共同促进在不同地理上分布企业的产品开发。开发一个基于 25 洛阳理工学院毕业设计(论文) 因特网的智能模具设计系统，作为协同产品开发系统的一个模块，它可以提供一个有效并且可行的工具，帮助小型和中型企业中注塑模具的协同开发，从而满足当今全球市场竞争中的严格要求。 本文提出了一个基于因特网的智能模具设计系统，利用互联网技术和知识为基础的办法。该系统可以缩短注塑模具的设计周期，可以有效地帮助小型和中等规模企业中注塑模具的设计和开发工作，从而缓解当前竞争激烈的世界市场中日益增长的压力。本文的其余部分组织如下:2部分简要介绍了注射模具设计;3部分介绍了前人在模具设计及相关领域的研究成果;基于互联网的模具设计系统的结构安排在第4节;5部分是结论。 2、注塑模具设计 注塑模具的基本特征包括腔的数量和布局，进料系统，冷却系统，注射系统以及模具制造。图1显示了模具设计的一般程序。由图我们可知，如何相互关联的条件和边界条件与次级条件必须满足的主要功能。 模具设计的项目通常首先要考虑经济方面，即为了满足交货日期和其他要求，我们要考虑有多少配件可以并且应该采用一模一腔的模式生产的问题。其次是考虑模腔的安排，这可能直接将便于注射的考虑在内，随后就是模具与熔体以及浇口质量(数量，位置及浇口的形状)之间的关系。进料系统容纳来自注塑成型机的注射喷嘴的熔融物料，并将其分配到各个型腔中。为了消除模制过程中产生的热量，我们有必要给模具提供一个冷 26 洛阳理工学院毕业设计(论文) 却系统。当制品在模腔中凝固并冷却下来之后，我们通过注喷射系统将其从模腔中顶出。模具通常是由几块金属板堆叠而形成的刚体构成的。为了妥善运作，它必须容纳各种模具配件安置在合理位置。模具结构通常涉及选择标准模架和模具配件。复杂的塑料零件，其它一些机制如幻灯片，旋转装置等等，也可能参与模具整体结构。 3、相关研究 许多研究已经进行了模具设计，并且多年来相关领域都在应用计算机辅助技术。这些研究活动范围从研究模具设计的专业领域到研究模具设计作为一个整体的综合性系统。我们可以将其广泛的分为三个方面:功能性和初始模具设计;该算法自动生成模具;模具设计的系统发展。 惠和谭提出了基于扫描操作的启发式操作方法用来开发用于确定脱模方向，分型线，侧型芯等的自动化模具设计系统。黄等人用实体造型技术建立了模具板和标准模具零件库。陈和刘已经开发出了一种成本模型，这种模型描述了成本因素和产品开发活动之间的关系以及它们与产品几何之间的关系，来对注射成型进行成本效果设计。富等人提出一种高效的方法系统介绍了侧凹特征的定义、分类、特征参数取值和注射模具设计系统中所有侧凹类型的确认条件。陈等人提出了一种对于德克赛尔模具和难于决策的脱模方向的测定方法。李吉昌提出了一种神经网络的方法来模拟和优化注塑模具浇口参数。李春雷采用基于特征的方法设计了模具成型的冷却 27 洛阳理工学院毕业设计(论文) 系统。郑和李提出了注塑成型协同设计环境的一个框架，它指出各个区域分布的各学科设计人员可以相互合作。马等人运用面对对象的方法对塑料注射模具设计的标准组件库的发展进行了描述。娄和李没有运用二维图纸的标准方法，而是提出了一套用三维实体模型提供初步设计的方法。Ashaab等人描述了配套的塑料工程开发体系，通过互联网的注射模具协作设计，促进了注塑成型信息和知识在感兴趣的人之间的分享。李等人运用图像技术发展了一种启发式搜索算法，使得塑料注射模具冷却系统的布局设计自动操作。 近年来，研究人员已经开始采用基于知识的方法来解决注塑成型及模具设计问题。DTMOULD-1是一个注塑模具成本估算知识库系统。EIMPPLAN-1将可塑性纳入了配件设计的考虑之中你，并记载了注塑模具配件理论设计的发展。为了注塑模具设计，我们开发了CADFEED。然而，这些限制了特殊区域或简单部分的设计，而且不够成熟，但对于一般的模具设计则足够实用了。Bozdana和Eyercioglu 开发了一个专家系统用来测定热塑性材料注塑成型参数。Chanetal提出了一个基于知识的计算机辅助设计的基本结构来辅助注射模具设计系统，它覆盖了模具设计流程和模具知识管理。从以上的回顾可以看出，大多数以前的工作，认为只有总体设计的某些方面和其中一些太过理论化而不能应用于实际模具设计，它涉及大量关于模具功能和结构的实用知识，人类启发式知识和经验型知识。KB系统已表现出极大的潜力，协助设计师与用于概念化设计的计算机设计系 28 洛阳理工学院毕业设计(论文) 统相互作用，并且采用具有广泛分析手段的工程法则帮助完成最终工程模具设计。此外，对于注射模具设计在基于网络的智能系统方面仍然有相对较少的研究工作。 4.基于互联网的模具设计系统的结构 4.1 概述 目前，大多数计算机辅助设计系统只提供几何建模功能，方便模具设计绘制草图，并不提供模具设计师必要的知识来开发优秀的模具设计。传统计算机辅助工程软件包的优势在于密集信息问题的数据处理或对密集公式化问题的数量控制。前者包括计算机辅助绘图和图形、数据减少和转变;而后者涉及数字建模与分析。然而，在设计上的问题，尤其是在模具设计中，会涉及到一个模具功能和结构的大量实用知识。因此，传统的计算机辅助设计技术不适于处理启发式和经验型知识，这在模具设计问题中是至关重要的。一般来说，对于模具设计，KB系统较传统计算机辅助设计系统的优势在于它表述明确是一个知识机构的操作系统，代表着人类的智慧。 基于网络的模具设计系统利用互联网技术和基于知识的方法可以提供一个有效可行的工具，帮助小型和中型企业中注塑模具的协同开发，从而满足当今全球市场竞争中的严格要求。此外，一贯需要检查和更新信息，来确保数据的准确和更新，因为模具制造商和标准元器件供应商要不断改进和升级他们的设备和工艺。通过充分利用快速发展的计算机网络和信息 29 洛阳理工学院毕业设计(论文) 技术的优势，基于互联网的模具设计系统可以有能力不断的更新和升级大量关于注射模具设计的信息，这种方式迅速便捷。 4.2 系统架构 根据实际模具设计程序和在这一阶段需要考虑的问题，推荐基于互联网的智能注射模具设计系统的结构如图2所示。它的组成是将基于知识的模具设计系统嵌入一个基于互联网的环境。模具设计通常涉及复杂和多元相关的设计问题，因此缺乏一个完整的定量化和结构化的方法。现有的方法将完整的设计问题打破成一系列子问题，并且为这些字问题的解决方案发展知识基础。所有的设计活动是有组织的七个功能模块，它们是型腔布局设计、进料设计、散热设计、模具制造、模具顶出设计、模架的选择和标准件的选择。这些模块用于生成功能设计包括型腔布局设计、进料设计、冷却回路、注射装置、模具结构和选择标准模架及配套元件包括:登记环、导套、导柱、扣件等。 5.结论 本文介绍了针对注射模具设计原型网络智能系统的开发。该系统架构包括一个交互式KB模具设计系统，其被嵌入一个网络环境。一个Java功能的解决方案与人工智能技术结合起来是用来建立这样一个网络的交互式计算机辅助设计系统。模具设计通常涉及复杂、多元相关的设计问题并 30 洛阳理工学院毕业设计(论文) 且缺乏一个完整定量而且结构化的方法。本方法将完整的设计问题分解成若干个子问题并且为这些子问题的解决方案开发基础知识。该系统可以合并为协同产品开发系统的一个模块，提供一个有效可行的工具，帮助小型和中小型企业注射模具的协同设计和开发工作，从而在竞争激烈的全球市场中满足严格的要求。 31 洛阳理工学院毕业设计(论文) Based on the Internet of injection mold intelligent design system Abstract The rapid growth of Internet and information technologies in recent years provides a solution to support and facilitate collaborative product developments among different geographically distributed enterprises. An effective and feasible tool to aid the collaborative development of injection moulds can be realized by developing an Internet-based mould design system as one of the modules of a collaborative product development system. This paper presents a prototype Internet-based intelligent design system for injection moulds. The architecture of the system consists of an interactive KB mould design system embedded in an Internet environment. A Java-enabled solution together with artificial intelligence techniques is employed to develop such a networked interactive CAD system. In this system, the computational module, the knowledge base module and the graphic module for generating mould features are integrated within an interactive CAD-based framework. The knowledge base of the system would be accessed by mould designers through interactive programs so that their own intelligence and experience could also be incorporated with the total mould design. The approach adopted both speeds up the design process and facilitates design standardization which in turn increases the speed of mould manufacture. A practical case study is presented to illustrate the operations of the Internet-based mould design system. 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved. 1. Introduction Plastic, which is one of the most versatile in the modern age, is widely used in many products throughout the world. Due to its ability to produce complex -shape plastic parts with go od dimensional accuracy and very short 32 洛阳理工学院毕业设计(论文) cycle times, injection moulding has become the most important process for manufacturing plastic parts in the plastic industry today. However, the current plastics industry is under great pressure, due to the globalization of the market, the short life cycle of pro duct development, increasing product diversity, high demand of product quality. To meet such requirement s, it is very important for this trade to adopt various advanced technologies which include information and Intern et technology, CAD/ CAE/C AM integration technology, concurrent engineering, artificial intelligence, and so on, to effectively aid the development of injectionmoulded product. In injection moulding, the design of a mould is of critical importance for pro duct quality and efficient processing. In most cases, quality of mould is responsible for the economics of the entire process . Injection mould design involves extensive empirical knowledge (heuristic knowledge) about the structure and functions of the components of the mould. Nowadays, mould design faces with increasing deadline pressures and the design its elf is predominantly ba sed upon experience of the mould designer. Mould designers are required to possess thorough and broad experience, because detailed decisions require the knowledge of the interaction among various parameters.Unfortunately, it is presently impossible to cover the growing demand for such experienced designers. Therefore, intelligent CAD tools that can assist in the various tasks of the mould design process are very important to the productivity of the mould- making industry. The growing trend in global man ufacturing is to a large extent supported by Internet, information technologies and global marketing. Nowadays, it is common to see that design, manufacturing and final assembly of a product are made in companies located in different parts of the world . The various parties concerned would need to share their expertise and experiences during the product development process . The current progress of Internet and information technologies can provide a solution to support and facilitate collaborative product developments among different geographic ally 33 洛阳理工学院毕业设计(论文) distributed enterprises . Developing an Internet-based intelligent mould design system as one of the module of a collaborative product development system can provide an effective and feasible tool to aid the collaborative development of injection moulds in the small- and medium-sized enterprises to satisfy the stringent requirements of nowadays competitive global market . This paper presents an Internet-based intelligent mould design system using Internet technology and knowledge- based approach . The system can shorten the design cycle of injection mould and can effectively aid the design and development works of injection moulds in the small- and medium -sized enterprises to meet the increasing pressure of the current competitive world market . The rest of the paper is organized as follows. Section 2 gives a brief introducion of injection mould design. Section 3 introduces earlier research works on mould design and related fields. The architecture of the Internet-based mould design system is present ed in section 4. The knowledge-based part of the mould design system is described in section 5. Section 6 discusses the development of the system. A practical design case is demonstrated in section 7. Conclusion is made in section 8. 2. Injection mould design The basic features of an injection mould consist of cavity number and layout , feed system, cooling system, ejection system and mould construction. Fig. 1 shows the general procedure of mould design[1]. It can be seen that how interrelated the conditions are and which boundary and secondary conditions have to be met by the main functions. A mould design project normally starts with economic considerations , namely the question of how many parts can and should be produced in one mould in one shot in order to meet the delivery date and other requirements. This is followed by consideration of the arrangements of the cavities in the mould frame, which might directly include thoughts on the ease of ejection and subsequentl , the connection between mouldings and runners and part quality (number , position and shape of gates). 34 洛阳理工学院毕业设计(论文) The feed system accommodates the molten plastic material coming from the injection nozzle of the moulding machine and distributes it into each cavity. To remove the heat from the moulding, it is necessary to provide the mould with a cooling system. After the moulding has solidified and cooled down, it has to be removed from the mould by the ejection system. Mould is normally constructed by stacking several metal plates to form a rigid body . It has to house various mould components in correct positions for the proper functioning of the mould. Mould construction normally involves the selection of mould bases an d standard mould parts . For complicated plastic parts, some other mechanisms such as slides, unscrewing device, etc., might also be involved in the whole mould structure. 3. Related research A number of research activities have been carried out on mould design and its related field over the years using computer -aided techniques. These research activities range from studying specific areas of mould design to investigating mould design as a whole integrated system. They can broadly be classified into three areas: the functional and initial mould designs ; the algorithms to automate mould generation ; and system development of mould design. Hui and Tan [2] presented a heuristic search app roach based on sweep operations to develop automated mould design systems for determining parting direction, parting line, side core, etc. Huang et al. [3] used solid modelling techniques to build mould plates and library of standard mould components. Chen an d Liu [4] have developed a cost model, which depicts the relationships between cost factors and product development activities as well as their relationships with product geometry, for cost-effectiveness design for injection moulding. Fuetal. [5] proposed an efficient methodology which systematically presents the undercut feature definition, classification, undercut feat ure parameters, and the recognition criteria of all types of undercut 35 洛阳理工学院毕业设计(论文) features for undercut feature recognition in an injection mould design system. Chenetal. [6] presented a method for determination of parting direction based on dexelmodel and fuzzy decision -making. Li JC [7] presented a neural network approach for modelling and optimization of injection mould gate parameters. Li CL [8] used a feature-based approach to design the cooling system of injection moulds . Chung and Lee [9] proposed a frame- work of collaborative design environment for injection moulding in which geographically distributed, multi- disciplinary designers can collaborate with one another. Maetal.[10] described the development of a standard component library for plastic injection mould design using an object -oriented approach. Low and Lee [11] introduced a methodology of providing the initial design in 3D solid model instead of 2D drawings using the standardization method. Ashaabetal. [12] described a supporting plastic engineering development system to facilitate the sharing of injection moulding information and knowledge between interested parties via the Internet for the collaborative design of injection mould. Li et al. [13] used graph-based technique and developed a heuristic search algorithm to automate the layout design of plastic injection mould cooling system. Researchers have started to adopt a knowledge-based approach to solve the injection moulding and mould design problems in recent years. DT MOULD -1 [14] is a KBS for of injection moulds cost estimation . EIM PPLAN-1 [15] incorporated mouldability considerations into part designs and addressed the conceptual design development of injection-moulded parts . CADF EED [16] was developed for injection mould design. They are, however, limited to specific design areas or simple parts, and are not mature and practical enough to cover general mould design. Bozdana and Eyercioglu [17] developed an expert system for the determination of injection moulding parameters of thermoplastic materials. Chan et al. [18] presented the basic structure of a CAD knowledge-based assisted injection mould design system which covers both the mould design process and mould knowledge 36 洛阳理工学院毕业设计(论文) management. From the above review it can be seen that most of the previous work consider only certain aspects of the total design and some of them are too theoretical to be applied for practical mould design which involves a substantial practical knowledge component about functions and structure of a mould, human heuristic knowledge and empirical type of knowledge. The KB system has demonstrated great potential to assist the designer to interact with a CA D system for conceptualized design as well as the final engineering design of a mould by using engineering rules of thumb with extensive analytical means. In addition, there is still relatively few research works on Internet- based intelligent system for injection mould design. 4. Architecture of the Internet-based mould design system 4.1. Overview At the present time, most CAD systems provide only the geometric mo delling functions which facilitate the drafting operations of mould design, and do not provide mould designers with necessary knowledge to develop good mould designs . Conventional computer-aided engineering packages are usually good at data processing for information-intensive problems or at number manipulation for formulation-intensive problems. The former comprehends the computer -aided drafting and graphics, and data reduction and transformation; while the latter involves numerical (or mathematical ) modelling and analysis. However, in design problem, especially in mould design which involves a substantial practical knowledge component about functions and structure of a mould, human heuristic knowledge and empirical type of knowledge are needed in addition to the information-intensive and formulation-intensive knowledge. Therefore, conventional computer -aided design technology is unsuitable for processing heuristic and empirical type of knowledge which is critical in the mould design problems. In general , the major advantage of the KB system for mould design over conventional 37 洛阳理工学院毕业设计(论文) computer-aided design systems is the explicit representation and manipulation of a body of knowledge, representing the hum an expertise. An Internet-based mould design system using Internet technology and knowledge-based approach can provide an effective and feasible tool to aid the collaborative development of injection moulds in the small- and medium-sized enterprises to satisfy the stringent requirements of nowadays competitive global market. Moreover, there is a consistent need to check and update the information to ensure that the data is accurate and updated as mould manufacturers and standard components suppliers continually improve and upgrade their equipments and processes. By taking full advantage of the fast evolving computer network and information technologies, an Internet-based mould design system could have the ability to continually update and upgrade the large amount of information related to injection mould design in a prompt and convenient manner. 4.2. System architecture Based on the practical mould design procedures and the issues to be considered in this stage , the architecture of an Internet-based intelligent injection mould design system is proposed as shown in Fig. 2 . It consists of a knowledge-based mould design system embedded in an Internet-based environment. Mould design generally involves complex and multi-related design problems and thus lacks a complete quantitative and structured approach. The present methodology has involved breaking down the complete design problem into a number of sub-problems (functional designs , e.g. feed system, cooling system, etc. ) and developing a knowledge base of solutions for the various sub-problems. All design activities are organized in seven functional modules , namely , cavity layout design, feed design, cooling design, ejection design, mould construction, mould base selection and standard components selection. These modules are used to generate the functional designs including cavity layout , feed design, cooling circuit, ejection devices , 38 洛阳理工学院毕业设计(论文) mould construction and to select the standard mould base and ancillary components including register rings, guide bushes, guide pillars, fasteners , etc. 5. Conclusion The development of a prototype Internet-based intelligent system for injection mould design has been described in this paper. The architecture of the system consists of an interactive KB mould design system embedded in an Internet environment. A Java-enabled solution together with artificial intelligence techniques is employed to develop such a networked interactive CAD system. Mould design generally involves complex and multi-related design problems and thus lacks a complete quantitative and structured approach. The present methodology has involved breaking down the complete design problem into a number of sub -problems (functional designs, e.g. Feed system, cooling system, etc.) and developing a knowledge base of solutions for the various sub-problems. By using a coding system as the mechanism of inference engine, the knowledge base is accessed from independent interactive program , which aids the designer to select a number of recommended solutions to the particular functional design under consideration. The selection of the actual solutions and their final development into a finished design is left to the mould designer so that their own intelligence and experience could also be incorporated with the total mould design. In the implementation of the methodology, the program was written in modular structure to facilitate access to the knowledge base and to ensure its further development and extension. The approach adopted both speeds up the design process and facilitates design standardization which in turn increases the speed of mould manufacture. The system can be incorporated as one of the modules of a collaborative product development system to provide an effective and feasible tool to aid the collaborative design and development works of injection moulds in the small- and medium -sized industries to satisfy the stringent requirements of nowadays 39 洛阳理工学院毕业设计(论文) competitive global market . 40