塑料成型应用手册

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1、学习情境一学习情境一 塑料成型概貌认识塑料成型概貌认识 第一讲第一讲 绪论、塑料概论绪论、塑料概论 一一.教学要求与目的教学要求与目的 了解塑料成型的基本概念,了解塑料成型技术发展趋势。了解聚合物,塑料的 概念；掌握聚合物的结构,组成,分类；了解聚合物的性能。 二二.教学重点与难点教学重点与难点 塑料成型技术发展的趋势；聚合物的结构、组成、分类及其性能 三三.授课内容授课内容 （一）绪论 1.塑料及塑料工业的发展 （1）塑料： 以高分子量的合成树脂为主要成分，在一定条件下（如温度，压力 等）可 塑制成一定形状且在常温下保持形状不变的材料。 （2）塑料工业含义： 1.塑料生产 2.塑料制件生产

2、塑料之间生产过程与成型方法：（3）塑料具有的特殊优点 a.密度小、质量轻。 b.比强度高（钢的拉伸比强度为 160MPa，玻璃纤维增强的塑料高达 170400MPa）。 c.绝缘性能好，介电损耗低。 d.化学稳定性高。如聚四氟乙烯（PTFE） e.减磨、耐磨性能好。 f.许多塑料有透光性能、绝热性能和防水、防透气、防辐射等特殊性能。 2.塑料成型工业在生产中的重要地位 塑料成型工业是从事塑料模具的制造和塑料制件的生产。 塑料成型工业在基础工业中的地位和对国民经济的影响显得日益重要。 3.塑料成型技术的发展趋势 （1）CAD/CAE/CAM 技术的快速发展和推广应用 （2）各种模具新材料的研制和

3、应用 模具材料直接影响到模具的制造工艺、模具的使用寿命、塑件的成型质量 和模具的加工成本。 （3）塑料制件的微型化、大型化和精密化 德国已研究出注射量只有 0.1g 的微型注射机可生产 0.05g 左右的微型注射 成型塑件。 我国已能生产 0.5g 的微型注射机，可生产 0.1g 左右的微型塑件。 法国已拥有注射量为 1.7105g 的超大型注射机，合模力达到 150MN。 美国和日本分别制造出注射量为 1.0105g 和 9.6104g 的超大型注射机。 国产注射机注射量也达到了 3.5104g，合模力达到 80MN。 （4）模具的标准化 GB/T125551990 是大型注射模架的国家标准

4、 GB/T125561990 是中小型注射模架的国家标准 塑料模具零件的国家标准从推杆的 GB/4169.11984 到模具技术条件的 GB/4169.121984 总计 12 个。 （5）快速成形技术 是八十年代后期发展起来的新兴先进制造技术，是现代工业从的规模批量 生产转变为小批量个性化生产，产品的生命周期越来越短，同时对产品质量和 外观设计水平的要求也越来越高而产生的。 快速成形技术是由 CAD 模型直接驱动的快速制造复杂形状三维物理实体 的技术的总称，其基本过程是：成形过程的难度与待成形的物理实体形状的复杂程度无关 快速成型技术的优点： 大大缩短新品研制周期，可使模型或模具制造时间缩短

5、数倍甚至数十倍； 原型的复制性、互换性高，制作工艺与制造原型的几何形状无关，在加工 复杂曲面时更显优越； 加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低 50加工周期节约 70以上； 可及时发现产品设计错误并尽更改； 高度技术集成，可实现设计制造一体化。 快速成形典型工艺 a.熔融挤压快速成形 利用热塑性塑料的热熔性、粘结性，在计算机控制下层层堆积成型 工作原理 将丝状材料送进喷头，在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充 轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并于下层的材料粘结，堆 积成型。b.熔融挤压快速成形 特点 成形材料种类较多，成形塑件强度好 熔融挤压工艺的

6、材料一般是热塑性塑料，如 ABS、PC、PC/ABS、PPSF 等。 尺寸精度较高，表面质量较好，易于装配 材料利用率高 成型速度较快 一般可达 1550 立方厘米/小时（相当于 1550 克/小时），最高速度已接 近 100 立方厘米/小时。 快速模具技术 自 20 世纪 80 年代开始，欧美发达国家对塑料制品的快速模具技术进行了 系统研究，到目前为止，已形成了 3 种比较成熟的适应中小批量生产的快速模 具制造工艺，即真空注型工艺、低压灌注工艺以及高温树脂型腔模工艺。 4.塑料模具的分类 注射模 压缩模 压注模 挤出模 气动成型模 （二）塑料概论（二）塑料概论 1、聚合物分子的结构特点 （1

7、）基本概念 1）塑料的主要成分是树脂树脂分为天然树脂和合成树脂 2）聚合物：是由一种或几种简单化合物通过聚合反应而生成的一种高分子 化合物。合成树脂就是一种聚合物，简称高聚物或聚合物 （2）聚合物的特点： 1）含原子数量多，一个高分子中含有几千个、几万个、甚至几百万个原子。2）分子量大，高分子化合物的分子量一般可自几万至几十万、几百万甚至 上千万。例如尼龙分子的分子量为二万三千左右，天然橡胶的为四十万。 3）分子长度相对于低分子长，例如低分子乙烯的长度约为 0.0005m，而 高分子聚乙烯的长度则为 6.8m，是前者的 13600 倍。 （3）聚合物的分类： 1）聚合物大分子基本上都属于长链状

8、结构，按结构不同可分为：a) 线型聚合物 b)带有支链的线型聚合物 c)体型聚合物 2）按分子结构及热性能不同分 a)热塑性（PE、PP、PVC、PS、ABS、PMMA、PA、 POM、PC 等） b)热固性（酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料、聚邻苯二甲酸、二烯丙酯、 有机硅塑料、硅酮塑料） 3）聚合物的结构按照分子排列的几何特征，可分： a)结晶型聚合物 b)无定形聚合物（远程无序，近程有序） 注：结晶只发生在线型聚合物和含交联 不多的体型聚合物中。 2、聚合物的热力学性能 （1）聚合物的物理状态： 1）定义：聚合物在不同温度下所表现出来的分子热运动特征称为聚合物的 物理状态。 2）分类：玻璃态

9、（结晶态）高弹态粘流态 （2）聚合物的热力学曲线：1线型无定形聚合物；2线型结晶聚合物 3、聚合物的流变学性质 流变学研究物质变形与流动的科学。粘流态的聚合物在外力作用下，相互交缠卷曲的大分子链将会沿受力方向 发生解缠，伸直以及相对滑移，从而表现出一种变形量很大的宏观流动。 聚合物的流变学主要研究聚合物在外力作用下产生的应力、应变和应变速 率等力学现象与自身粘度之间的关系，以及影响这些关系的各种因素。 （1）牛顿流动规律： 牛顿在研究液体流动时发现，温度一定时，低分子液体在流动时的切应力 和剪切速率之间存在着如下关系： 式中 液层之间的单位距离内的速度差，称为速度梯度单位时间内的切应变，称为剪

10、切速率。比例常数，称为剪切粘度或牛顿粘度。 凡是液体层流时符合牛顿流动规律的通称牛顿流体，其特征为应变随应力 作用的时间线性地增加，且粘度保持不变（定温情况下），应变具有不可逆性 质，应力解除后应变以永久变形保持下来。 （2）指数流动规律：式中 K与聚合物和温度有关的常数，可反映聚合物熔体的粘稠性，称为粘度 系数；n与聚合物和温度有关的常数，可反映聚合物熔体偏离牛顿流体性质的程 度，称为非牛顿指数。 注：在注射成型中，只有少数聚合物熔体的粘度对剪切速率不敏感如 PA、PC 等，除常把它们近似视为牛 顿流体外，其它绝大多数的聚合物熔体都表现为非牛顿流体。这些聚合物熔体都近似地服从指数流动规律。

11、上式可改写为：（1.5）设 （1.6）于是，式（1.5）改写为（1.7）式中 非牛顿液体的表观粘度。就表观粘度的力学性质而言，它与牛顿粘度相同。但是，表观粘度表征的 是非牛顿液体（服从指数流动规律）在外力的左右下抵抗剪切变形的能力。由 于非牛顿液体的流动规律比较复杂，表观粘度除与流体本身的性质以及温度有 关以外，还受剪切速率的影响，这就意味着外力的大小及其作用时间也能改变 流体的粘稠性。 （3）影响聚合物流变学性质的因素 1）聚合物结构对粘度的影响 分子结构 相对分子质量 相对分子质量分布（聚合物内大分子之间相对分子质量的差异） 2）温度对粘度的影响 注射成型生产中，依靠提高温度降低熔体粘度以

12、改善流动性的工艺控制方 法，主要适用于粘度对剪切速率不太敏感或其熔体近似服从牛顿流动规律的聚 合物，如 PMMA、PC、PA-66 等这些材料不需要增加很多温度而它们的粘度却 下降不少。 3）压力对粘度的影响 粘度对压力的敏感性会因聚合物不同而不同。通常认为，聚合物熔体的压 缩率越大，其粘度对压力的敏感性越强 （4）热固性聚合物的流变学性质 4、聚合物熔体在成型过程中的流动状态 （1）熔体在圆形导管内的流动：（2）在扁形导槽内的流动：（3）成型过程中的流动状态分析 .塑料聚合物熔体在注射机内的旋转螺杆与料筒之间进行输送、压缩、熔 融塑化，并将塑化好的熔体储存在料筒的端部。 .储存在料筒端部的熔

13、体受螺杆的向前推压力并通过喷嘴、模具的主流道、 分流道和浇口，开始射入模腔内。 .塑料熔体经浇口射入模具型腔过程中的流动、相变与固化。 （4）速度分布与末端效应vvm1）速度分布： 2）端末效应（与聚合物的弹性有关）简单地说：熔体在入口端出现压力降，在出口端出现膨胀的现象称为端末 效应，亦分别称为入口效应和离模膨胀效应。 产生入口效应的原因： 聚合物液体以收敛流动方式进入导管入口时，它必须变形以适应它在新的 且有适当压缩性的流道内流动，但聚合物熔体具有弹性，也就是对变形具有抵 抗力，因此，就必须消耗适当的能量，即消耗相当的压力降，来完成在这段管 内的变形。熔体各点的速度在进入导管前后是不同的，

14、为调整速度，也要消耗 一定的压力降。 产生离模膨胀的原因（解释之一） 聚合物熔体从导管中流出后，周围压力大大减小，甚至完全消失，这意味 着聚合物内的大分子突然变得自由了，因此，前段流动中储存于大分子中的弹 性变形能量被释放出来，致使在流动变形中已经伸展开的大分子链重新恢复卷 曲，各分子链的间距随着增大，从而导致聚合物内自由空间增大，于是体积相 应发生膨胀。入口效应和出模膨胀效应通常对塑料的成型都是不利的，特别是 在注射成型、挤出成型和拉丝过程中，可能导致产品变形和扭曲，降低塑件的 尺寸稳定性，并可能在塑件内产生内应力，降低塑件物理和力学性能。增加管 子或口模的平直部分长度，适当降低成型时的压力

15、和提高成型温度，并对挤出 物加以适当速度的牵引或拉伸等，均有利于减小或消除端末效应带来的不利影 响。 5、聚合物在成型过程中的物理和化学变化 要求：了解聚合物加工过程中产生的结晶、取向、降解和交联等现象的物理和化 学变化的特点以及成型工艺条件对它们的影响。 （1）成型过程中聚合物的结晶 1）结晶聚合物： 聚合物在从高温熔体向低温固态转变的过程中，若其分子链构型（结构形 态）能够得到规整排列，则该聚合物为结晶聚合物。（如：PE、PTFE、POM 等） 2）结晶度： 结晶型聚合物的结晶区在聚合物中所占的重量百分数。（大多数聚合物的 结晶度约为 10%60%，但有些也可能达到很高的数值，如 PP 的

16、结晶度达到 70%95%，HDPE 和 PTFE 的也能超过 90%） 3）结晶过程： 4）影响结晶的因素 温度 压力和切应力 增大压力可使聚合物在高于正常情况下的熔化温度发生结晶；切应力可导 致微晶生成，产生均匀的微晶结构。 分子结构 聚合物分子结构越简单、越规整，结晶越快，结晶度越高，同一种聚合物 的最大结晶速率随相对分子质量的增大而减小。 添加剂 5）结晶对塑件性能的影响 密度 密度随结晶度的增大而提高。 力学性能 抗拉强度随结晶度的增大而提高；冲击韧性将下降；弹性模量将减小。 热性能 结晶有助于提高聚合物的软化温度和热变形温度。 翘曲 结晶程度越高，体积收缩越大，因此结晶态塑件比非结晶态塑件更容易因 收缩不均而发生翘曲。 表面粗糙度和透明度 结晶后，塑件表