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1、备 课 讲 义课 程 名 称 塑料模具设计 课 程 编 号 1111610 学 时 学 分 40（4）学时 2.5学分 专 业 层 次 机械设计制造及其自动化 备 课 教 材 塑料成型加工与模具 黄 虹 主编 化工版 2003 授 课 班 级 机自107 授 课 日 期 201136年912月 授 课 教 师 卓 荣 明 归 口 系 部 机械工程系 版 次 03 第1章 塑料成型概述11 塑料的概念111 塑料定义塑料是以树脂为基本成份，在一定条件下可以塑化成形的合成材料。其中 树脂高分子化合物，主要由人工合成，又称为高分子聚合物；一定条件温度、压力、模具、设备等；塑化成形加热流动成型定形；合
2、成材料树脂、添加剂等。112 塑料的特性及其用途1121 塑料的特性优点：1）塑料材料重量轻，密度一般为0.92.3克/cm；2）具有某些优良的机械性能，如比强度高、摩擦系数小、自润滑性好、吸震性好等；3）电性能优良，如绝缘性能好、介电损耗低等；4）化学稳定性高，能耐酸、碱和许多化学药品的腐蚀；5）光学性能优良，如光学塑料的折射率、透光范围等指标均较好；6）表面装饰性好，如着色、喷漆、电镀等性能优良；7）成型工艺性能优良，加工成本低，经济性好；8）性能可改良性好，通过改性技术改善塑料的性能和用途成为主要发展方向。缺点：1）耐高温性差，一般塑料的使用温度范围为60300；2）机械性能欠缺，如机械
3、强度、刚性、表面硬度、耐疲劳性等较低；3）尺寸稳定性差，如热膨胀系数、收缩率、抗蠕变性等性能均不理想；4）耐候性差，如易老化、变色、发脆等；5）塑料是非绿色材料，对人体、环境等不良影响成为阻碍其发展的重要因素。1122 塑料的用途塑料的用途是由它的性能及价格等因素决定的。塑料材料被广泛应用于机械、建筑、电气、电子、家电、农业、医药、日用品等各行各业，更在现代的航空、航天、军事技术等尖端科学领域得到了大力的开拓和应用。113 塑料的发展简史及在国民经济中的地位1131 塑料的发展简史1）初创阶段1820年英国人Thomas Hancock发现经过塑炼的橡胶具有可塑性，并能流动，出现了塑性一词Pl
4、astic；1839年美国人Charlas Coodyear发现橡胶与硫磺一起加热会使橡胶更富有弹性，并能定型，出现了硫化一词Vulcanization；1851年出现了有弹性的硬质橡胶，并产生了橡胶工业。这不仅是橡胶工业的里程碑，而且也是塑料发展史上的重要一页；1856年英国人Alexander Parkes发现在感光的火棉中，熔剂蒸发后留下的固体残渣是一种硬而有弹性的角质物质，并能防水。又于1862年展出了硝化纤维素塑料，为此而被授勋；1865年美国人John Wesley Hyatt用硝化纤维素制成了代替象牙的桌球；1872年正式命名硝化纤维素加樟脑的合成材料为“赛璐珞”。这是通过有机物
5、聚合反应生成的第一种塑料材料，是现代塑料工业的里程碑。 2）理论和技术发展阶段1872年Adolf Bayer用甲醛反应得到树脂状物质；1899年Aithur Smith获得了关于酚醛树脂的第一个英国专利（16874号）；1909年Lee Hendrik Baekeland控制和改进反应使得酚醛树脂成为第一个进入工业化生产的合成树脂；19251935年间，建立了有关高分子化合物特征和生成的基本理论，从而在有机化学和物理化学的基础上产生了高分子化学和物理这一新兴学科，有力地促进了塑料工业的发展。这期间，低密度聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺等热塑性塑料相继工业化，奠定了塑料工业的基础。3）飞跃
6、发展阶段1954年，发现用TiCl3的络合物作催化剂（齐格勒纳塔催化剂），通过定向聚合可得到优良性能的聚合物。这一定向催化聚合工艺的创立、高分子学科的进一步发展及聚合技术的开拓，使得高密度聚乙烯、聚丙烯进入了工业化生产。50年代中期60年代末，石油化工的高速发展为塑料工业提供了丰富而廉价的原料，这一阶段，塑料的产量和品种不断增加，成型加工技术更趋完善。4）稳定增长阶段70年代以来，由于石油危机和资本主义周期性的经济危机，原材料价格猛涨，塑料增长速度显著下降。这一阶段塑料工业的特点是通过各种改性技术来改进塑料的性能，提高产品的质量，扩大应用领域，生产技术更趋合理。进入90年代以来，塑料工业向着生
7、产工艺自动化、连续化，产品系列化，以及不断开拓功能性塑料的新领域发展。1132 塑料材料在国民经济中的地位高分子学科的创立、石油化工工业的发展、成型加工技术的开拓，已使塑料材料跻身于金属、纤维和硅酸盐三大传统材料之列，成为新型的重要材料之一，更成为国民经济中各行各业不可缺少的重要材料。12 塑料制品成型加工的概念121 塑料制品的生产工业体系从塑料的原材料到塑料制品，所经过的生产流程如下图所示。成型加工添加剂单体塑料制品塑料树脂原料图1-1 塑料制品的生产工业体系 塑料制品生产 塑料材料生产 塑料原料生产122 塑料制品的成型加工技术过程塑料一般经过以下的生产工序制成产品。后处理前处理修饰塑料
8、制品装配机械加工成型加工塑料锯冲剪车铣刨钻铰攻其 它其 它螺 接嵌 接焊 接粘 接粉 料粒 料溶液等镀 饰印喷烫滚浸涂锉磨抛其 它挤出成型挤压烧结其 它压制烧结二次成型热成型发泡成型涂层成型层压成型离心成型铸塑成型滚塑成型吹塑成型压缩成型注射成型图1-2 塑料制品的生产技术过程以上过程中，成型加工是最主要的。一般来说，各种塑料都需经过多种成型工艺方法的加工才能成为产品，且各种塑料都有其比较适应的成型工艺方法及过程。 13 塑料成型模具的概念131 塑料模具的概念塑料模具是利用其特定形状去成型具有一定形状和尺寸的塑料制品的工艺装备。（以注射模具为例，利用简单结构示意图）其中 模具基本结构动模、定
9、模、型腔、流道、推出机构、导向机构、温度调节基本工作过程合模注射保压冷却开模推出制品注射前准备132 塑料模具的基本要求1）保证塑料制品的质量要求，如形状及尺寸精度、外观质量；2）模具的制造技术要求，如结构合理、制造容易、成本低廉；3）模具的使用要求，如操作简单、维护方便、高效率、自动化；4）模具的经济性要求，如生产批量、材料成本、制造成本。133 塑料模具的分类塑料模具的分类方法很多，一般按照制品的成型工艺方法进行分类。1）注射模2）压缩模3）压注模4）挤出模5）气动成型模 15 练习思考题1）什么是塑料材料？举实例说明塑料材料在实际使用中的特点？2）谈一谈对塑料制品成型加工技术在国民经济和
10、现代制造业中地位的认识？第2章 塑料成型技术基础 21 聚合物的概念及塑料的组成211 高分子的概念2111 高分子的定义20世纪20年代，德国化学家斯陶丁格提出高分子化合物分子结构模型，从而确立了大分子学说。他认为，高分子是分子量特别大的一类化合物，是由很多化学结构比较简单的结构单元重复连接成链状或网状的大分子，对于人工合成的则称为高分子聚合物或聚合物。2112 分子结构式和分子量以聚丙烯（PP）为例，其分子结构为： CH2CH nCH3其中：1）n为高分子的聚合度，应具有足够大的数值，否则不属于高分子化合物。用于塑料材料的聚合物一般n值为100200以上，分子量为104以上，分子链长度大于
11、104埃；2）对于同一种聚合物，不同的生产批次或同一批次的不同分子之间，聚合度n值是不相同的。在同一批次的聚合物中，n值具有平均的意义，其分子量也是统计平均值；3）分子量的分布是聚合物的一个重要性能参数，有些特殊塑料制品对原料树脂的分子量分布有严格要求，分子量的分布体现出原料树脂生产的工艺水平。2113 分子链形状和空间构型1）分子链形状是指结构单元在空间上的连接形式及构造形状，具有线形、支化形和网形等三种形状。2）分子链空间构型是指支化形高分子或一些结构单元具有取代基（官能团）的聚合物分子其小支链或取代基（官能团）在分子链上的排列状况及构造形式，具有无规立构、等规立构和间规立构等三种构型。3
12、）通常化学键的键能为30200千卡/摩尔，而分子间力（小分子）一般小于10千卡/摩尔，分子间力（范德华力）对物质的熔点、沸点、溶解度等都有影响。对于聚合物分子，其强度是由化学键和分子间力（范德华力）共同决定的，聚合物分子链的形状和空间构型对分子间力有重要影响。例1 无规聚丙烯（PP）的软化温度约为80，使用价值很低；等规聚丙烯（PP）的熔点温度约为165，具有较好的使用价值。例2 用于等规聚丙烯的催化剂为有名的齐格勒（德国）纳塔（意大利）催化剂，具有定向聚合作用，其对于高分子聚合物的发展作出了划时代的贡献。1955年意大利首先合成出等规聚丙烯。齐格勒和纳塔于1963年获得诺贝尔化学奖。2114
13、 分子链的空间构象和柔顺性1）由于聚合物分子链的长径比很大、分子链上单键的内旋、分子的热运动等因素的影响，可见高分子链的空间构象是千变万化的，通常将构象无规则变化的柔性高分子链称为无规线团。2）无规线团在受到外力作用的时候，会沿着外力作用的方向伸展或压缩；外力解除后，经过一定的时间，其分子链的空间构象将恢复自由，发生形态和尺寸的改变，通常将高分子的这种特性称为柔顺性。高分子链的柔顺性取决于高分子的主链结构、取代基、氢键、交联度等因素的影响，通常根据其柔顺性的高低分为柔性分子链和刚性分子链。212 塑料的组成及分类2121 塑料的组成1）塑料材料的性能主要取决于聚合物的结构及性能，同时决定了塑料的类型。2）塑料中添加填料和助剂的目的在于改善材料的内在性质和加工性质，并达到提高制品使用性能。3）塑料不仅可通过物理改性（填料、助剂等）来改善性能，而且可以经过共混、共聚、接枝、交联、定向催化等化学改性技术来进一步增加材料的品种和扩大制品的用途。2122 按聚合物结构及特性分类1）热塑性塑料是指聚合物分子呈线型或支型结构，受热流动且能够成型，冷却后能保持既得的形状。加热和冷却可以反复进行多次，在此过程中一般只发生聚集态改变等物理变化。2）热固性塑料是指聚合物经过加热流动且成型后，其分子结构发生化学变化，分子链由线型交联成体型结构，且这样
