{数控模具设计}塑料成型工艺及模具设计第一章

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1、,塑料成型工艺及模具设计 湖南大学塑料模具研究所 叶久新 王群/主编,机械工业出版社,“十一五” 国家级规划教材,“十一五” 国家级规划教材,课件使用说明,1.1 聚合物的结构和性能 1.2 聚合物的流变性质 1.3 聚合物成型过程中的物理行为 1.4 聚合物成型过程中的化学行为 1.5 塑料组成、分类与用途 1.6 塑料成型工艺性能,第1章 塑料成型基础知识,塑料的概念 塑料是以高分子聚合物为主要成分，加入一定量添加剂而组成的一种混合物。,1.1 聚合物的结构和性能,将低分子化合物单体转变成高分子物质的过程叫做聚合反应，单体经过这种化学反应之后，其原子便以共价键的方式相结合，形成高分子结构。

2、,1.1.1 聚合物高分子的形成,1.1 聚合物的结构和性能,1.聚合物的长链结构 组成聚合物的高分子呈链状结构，其链状结构有以下三种类型：,1.1.2 聚合物高分子的结构,1.1 聚合物的结构和性能,线型高分子,支链型高分子,体型高分子,2.聚合物的聚集态结构 高分子聚合物的聚集态结构是指聚合物分子链之间的排列和堆砌结构，分三类：,1.1.2 聚合物高分子的结构,1.1 聚合物的结构和性能,非晶态,晶态,部分晶态,1.1.3 聚合物高分子的物理状态、力学及加工适应性 1.非结晶高聚物的温度、力学状态及成型加工的关系,1.1 聚合物的结构和性能,图1-3 聚合物物理状态与温度的关系,线型非结晶

3、聚合物,线型结晶聚合物,1.1.3 聚合物高分子的物理状态、力学及加工适应性 1.非结晶高聚物的温度、力学状态及成型加工的关系,1.1 聚合物的结构和性能,1.1.3 聚合物高分子的物理状态、力学及加工适应性 2. 线性结晶聚合物的物理状态、力学性能及加工状态,1.1 聚合物的结构和性能,图1-3 聚合物物理状态与温度的关系,相对分子质量较低（TmTf）,相对分子质量较高（TmTf）,1.成型过程中的应力和应变 2.聚合物变形流动时的粘弹性质 3.塑料变形的滞后效应与松弛,1.2.1 聚合物的粘弹性质,1.2 聚合物的流变性质,1. 牛顿型流体,1.2.2 聚合物的流动规律,1.2 聚合物的流

4、变性质,图1-3 聚合物物理状态与温度的关系,2. 非牛顿型流体,1.2.2 聚合物的流动规律,1.2 聚合物的流变性质,稠度系数,非牛顿指数,非牛顿流体聚合物熔体的表观黏度（或非牛顿黏度）,2. 非牛顿型流体,1.2.2 聚合物的流动规律,1.2 聚合物的流变性质,3. 影响高分子聚合物黏度的因素,1.2.2 聚合物的流动规律,1.2 聚合物的流变性质,温度,增塑剂或溶剂,填充剂,相对分子量,压力,1.聚合物熔体的弹性类型 （1）剪切弹性 成型物料所受的切应力与其发生的剪切弹性变形的比称为剪切弹性模量，简称“切变模量”。,1.2.3高分子聚合物的弹性,1.2 聚合物的流变性质,（2）拉伸弹性

5、 成型物料所受的拉应力与其发生的拉伸弹性变形的比称为拉伸弹性模量。,2.聚合物熔体流动过程中的弹性行为 （1）端末效应 在导管入口和出口端出现的与聚合物熔体弹性行为有紧密联系的现象称为入口效应和出口膨胀效应合称为端末效应。 （2）不稳定流动和熔体破裂现象 1）分子结构 2）温度 3）流道结构,1.2.3高分子聚合物的弹性,1.2 聚合物的流变性质,1.浇口和型腔对熔体充型流动的影响,1.2.4聚合物熔体的充型流动,1.2 聚合物的流变性质,浇口的横截面高度和型腔的深度相差很大 （高速 ）,浇口的横截面高度和型腔的深度相差很大 （中速）,浇口的横截面高度和型腔的深度相差很大 （低速）,2.扩张流

6、动充型与熔接痕 （1）充型运动过程的三个典型阶段 1)前锋料流呈辐射状流动的起始阶段 2)前锋料流呈圆弧状的过渡阶段 3)以黏流性熔膜为前锋料头的匀整运动主阶段。 （2）溶接痕 当熔体在型腔中流动的过程中遇到型芯和嵌件等障碍物时，则熔膜将被分成两股，最终在两股料流的汇合处产生熔接痕。,1.2.4聚合物熔体的充型流动,1.2 聚合物的流变性质,仅仅靠加热的方式来提高熔体的流动性往往会造成局部熔体的过热，从而导致聚合物的分解。一般将加热升温与增加熔体的摩擦生热结合起来才能获得比较满意的效果。 过分加大冷却速度也会由于塑件各部分由于冷却速度相差太大而造成很大的内应力。 结晶型聚合物在受热转变成熔体的

7、过程中会因为要吸收结晶潜热，而比非结晶型聚合物要消耗更多的热量。,1.3.1 聚合物的加热与冷却,1.3 聚合物成型过程中的物理行为,1.聚合物的结晶现象 （1）结晶的概念 （2）二次结晶和后结晶 （3）结晶速度和结晶度 1）结晶速度 2）结晶度 2.结晶对塑件质量的影响 通常结晶度大的塑件密度大，强度、硬度高，刚度、耐磨性好，耐化学性和电性能好；结晶度小的塑料，柔软性、透明性较好，伸长率和冲击韧度较大。,1.3.2聚合物的结晶,1.3 聚合物成型过程中的物理行为,1.取向及其机理 聚合物高分子及其链段或结晶聚合物的微晶粒子在应力作用下形成的有序排列即称为取向（或定向）。 取向的分类： 在切应

8、力作用下沿着熔体流动方向形成的流动取向； 由拉应力引起的取向方位与应力方向一致的拉伸取向。,1.3.3聚合物的取向,1.3 聚合物成型过程中的物理行为,2. 影响取向的因素 注射成型中，凡是能改变熔体流动速度梯度和熔体停止流动后在玻璃化温度以上的停留时间等因素都会影响聚合物的取向程度和分布。 (模温、塑件壁厚、注射压力、保压时间、浇口 ) 3.取向对聚合物性能的影响 聚合物会呈现出明显的各向异性，沿着取向方向力学性能显著提高，与取向方向垂直的方向力学性能显著下降。,1.3.3聚合物的取向,1.3 聚合物成型过程中的物理行为,残余应力是由塑料在型腔内流动和冷却的过程中产生的。 残余流动应力：在注

9、射和保压阶段，塑料受到不均衡的剪切和正应力作用，产生了隐藏在塑件内部的残余应力。 温度残余应力：由于注射型腔内快速的不均匀冷却固化而产生的热应力。,1.3.4 残余应力,1.3 聚合物成型过程中的物理行为,定义：聚合物分子在受到热、应力、微量水、酸、碱等杂质以及空气中的氧作用，导致聚合物链断裂、分子变小、相对分子质量降低的现象 。 1.降解的种类 （1）热降解 （2）氧化降解 （3）水降解 （4）应力降解,1.4.1 聚合物降解,1.4 聚合物成型过程中的化学行为,2. 防止降解的方法 （1）严格控制成型原料的技术指标，避免因原材料不纯对降解发生催化作用； （2）成型前对物料进行充分的预热和干

10、燥，严格控制其含水量； （3）制定合理的成型工艺参数； （4）成型设备和模具状态应该具有良好的结构； （5）对热、氧稳定较差的聚合物 。,1.4.1 聚合物降解,1.4 聚合物成型过程中的化学行为,(1)交联 聚合物由线性结构转变为体形结构的化学反应过程。 (2)交联与硬化熟化的关系 “硬化的好”、“熟化的好”，并不意味着交联反应的完全，而实际只是指成型固化过程中的交联反应发展到了一种最为适宜的程度，在这种程度下，塑件能获得最佳的物理和力学性能。,1.4.2 聚合物的交联,1.4 聚合物成型过程中的化学行为,塑料的主要成分是合成树脂，其中还有许多有特定用途的添加剂。 （1）合成树脂：是人工合成

11、的高分子化合物，又称高聚物，它是塑料中最基本、最重要的组成成分，约占塑料质量的40100，它决定了塑料的基本性质，各种塑料都是由树脂的名字来命名。,1.5.1 塑料的组成,1.5 塑料组成、分类与用途,（2）填充剂：改善塑料性能（粉状、片状、纤维）。 增塑剂：提高可塑性、流动性、柔韧性、降低脆性。 稳定剂：热稳定剂 、光稳定剂 、抗氧化剂。 润滑剂：对塑料的表面起润滑作用，防止塑料在成型加工时黏模。 着色剂 ：无机颜料 、无机颜料、染料。 其它：发泡剂、阻燃剂、固化剂、防静电剂、导电剂和导磁剂等 。,1.5.1 塑料的组成,1.5 塑料组成、分类与用途,1.1.2 塑料的填充剂,1.5 塑料组

12、成、分类与用途,1.5.2 塑料的分类 1.按塑料中树脂分子结构和受热后呈现的基本行为分类：,塑料,非结晶型,热塑性塑料,结晶型,热固性塑料,1.5 塑料组成、分类与用途,热塑性塑料与热固性塑料的结构与性质的对比,受热行为图示,1.5 塑料组成、分类与用途,1.5 塑料组成、分类与用途,2.按塑料的性能及用途分类： 通用塑料：指产量大、用途广且价廉的塑料。 工程塑料：在工程技术中常作为结构材料来使用。 特殊功能塑料：具有特殊性能的塑料（用于医药、光敏及液晶方面的氟塑料 ）。,1.5 塑料组成、分类与用途,五大泛用塑料及用途： 低密度聚乙烯(LDPE)地膜、食品包装袋、容器衬里、涂层,吹塑中空容

13、器等小型制 。 高密度聚乙烯(HDPE)胶管、洗发水瓶、胶膜等。 聚苯乙烯(PS)外壳、玩具、壁砖等。 聚氯乙烯(PVC)瓶子、塑料管、薄膜、保鲜膜等。 聚丙烯(PP)汽车保险杆、仪表板、纤维等。,1.5 塑料组成、分类与用途,工程塑料： 起源： 自1956 年杜邦推出Derlin 商名新塑料,宣称可取 代金属,工程塑料之名由此开始。,特性： 机械强度高而且有适当平衡.耐热,耐久或具特殊机能.加工性良好，价格合理且工程性良好。,1.5 塑料组成、分类与用途,特殊功能塑料： 如用于医药、光敏及液晶方面的氟塑料、聚酰亚胺塑料、有机硅树脂、环氧树脂、导电塑料、导磁塑料、导热塑料以及其他某些专门用途而

14、改性得到的塑料。,1.5 塑料组成、分类与用途,1.5.3 塑料的性能与用途 密度小 (重量轻，塑料比重0.92，铝2.7，铁7.8)。 比强度和比刚度高。 化学稳定性好。 电气性能优良。 减摩、耐磨和自润滑性好。 成型和着色性能好。 多种防护性能：除防腐外，塑料还具有防水、防潮、防透气、防振、防辐射等。 耐热性差、受载荷易蠕变、老化现象。,1.5 塑料组成、分类与用途,1.6.1 收缩性 造成成型收缩的原因： 热胀冷缩 因弹性回复造成的收缩 结晶收缩 定向收缩 影响收缩率变化的因素： 塑料品种 塑件特征 模具结构 成型工艺参数,1.6 塑料成型工艺性能,成型收缩的形式 (1)塑件的线性尺寸收

15、缩； (2)收缩的方向性； (3)后收缩：塑件脱模后残余应力将导致塑件再次收缩 (4)后处理收缩（退火处理）,1.6 塑料成型工艺性能,2.收缩率计算,1.6 塑料成型工艺性能,3.影响收缩率变化的因素 (1)塑料品种 (2）塑件特征 (3）模具结构 (4）成型工艺参数,1.6.2.流动性 在成型过程中，塑料熔体在一定的温度与压力作用 下充填型腔的能力称为塑料的流动性。,1.6 塑料成型工艺性能,热塑性塑料熔体流动性测定方法,1.6 塑料成型工艺性能,热固性塑料熔体流动性测定方法,1.6 塑料成型工艺性能,热固性塑料熔体流动性测定方法,1.6 塑料成型工艺性能,塑料熔体的流动性对注射充模的影响 溢料：流动性太好易导致溢料； 缺料：流动性不佳易导致缺料。,1.6 塑料成型工艺性能,1.6.3 塑料的其他工艺性能 1结晶性 2热敏性 3水敏性 4吸湿性 5水分和挥发物含量 6应力敏感性 7相容性 8比容与压缩比 9硬化特性,1.6 塑料成型工艺性能,