塑料成型工艺与模具设计第1章塑料

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1、第1章 塑料,本章主要介绍塑料组成、分类、塑料的各种使用性能和工艺性能，还介绍了常用塑料的基本特性、主要应用和成型特点。通过本章的学习，要求掌握常用塑料的特性、分类与工艺性能；熟悉塑料的组成与用途；了解高分子聚合物的结构、特点及结晶、降解、交联等概念。,1.1塑料组成 1.2塑料分类 1.3塑料性能 1.4常用塑料简介 习题,1.1 塑料的组成,塑料由合成树脂和添加剂组成。 1.1.1 合成树脂 由许多小分子链经聚合反应所获的高分子聚合物称为合成树脂。 树脂是一种高分子聚合物，它由许多相对分子质量高达104106的高分子链聚集而成，它的几何结构有线型、支链型和网状型，如图1 -1所示。 天然的

2、高分子聚合物称为天然树脂.,图1 -1 树脂的几何结构示意图,1.1.2 添加剂,在合成树脂中加入某些添加剂，则可以得到各种性能的塑料品种，一般添加剂在塑料中所占比例较小。 添加剂主要有：填充剂、增塑剂、稳定剂、着色剂、固化剂、润滑剂、发泡剂等。,1.填充剂,填充剂又称填料。 加入填充剂的目的:一是增量;二是改性。如酚醛树脂中加入木粉后，克服了脆性，提高了弹性;聚乙烯中加入钙质填料，提高了耐热性和刚度等。用玻璃纤维作为填充剂，能使塑料的机械性能大幅度提高。 填充剂的形状一般为粉状，也有纤维状和层状。常用的填充剂有:木粉、滑石 粉、石墨、金属粉、玻璃纤维、石棉纤维、碳纤维等。,增塑剂可改进塑料的

3、可塑性。 如聚氯乙烯树脂中加入增塑剂邻苯二甲酸二丁酯后，变为如同橡胶一样柔软的塑料。 常用的增塑剂有邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、癸二酸二丁酯、癸二酸二辛酯、磷酸三苯酯等。,2.增塑剂,为防止塑件较快变质变性，需在塑料中加入某些物质，这些物质称为稳定剂。 稳定剂分为光稳定剂、热稳定剂、抗氧剂等。 常用的稳定剂有硬脂酸盐、环氧化合物等。,3.稳定剂,着色剂又称色料，主要起美观和装饰作用。 着色剂还兼有其他作用:炭黑着色剂有助于防止塑料受光变脆老化;二盐基性亚磷酸酯能防止紫外线射入;在塑料中加入珠光色 料、萤光色料，可使之具有特殊的光学性能。,4.着色剂,热固性塑料在成型时，使其原来的线型分

4、子结构变为网状型分子结构，硬化过程加速，故又称为硬化剂。 在环氧树脂中加入乙二胺，在酚醛树脂中加入六甲基四胺，就是这个道理。,5.固化剂,润滑剂对塑料的表面起润滑作用，防止塑料在成型过程中黏附在成型设备或模具上，同时还能改善塑料熔体的流动性以及提高塑件表面的光亮度。 常用的润滑剂有硬脂酸、石蜡、金属皂类（硬脂酸钙、硬脂酸锌）等。,6.润滑剂,为了制成泡沫塑料，在树脂中加入某种物质，如石油醚等，使树脂膨胀，这些物质就称为发泡剂。,7.发泡剂,1.2 塑料的分类,按塑料受热成型后所表现出的不同分子几何结构和性能，可将塑料分为： 1、热塑性塑料 2、热固性塑料,1.2.1 按成型结构和性能分类,1.

5、热塑性塑料,热塑性塑料是指在一定温度范围内能反复加热和冷却硬化的塑料。 这类塑料分子链呈线型或支链型，因而受热后会软化或熔融，成为可流动的黏稠液体，从而可在模具型腔内成型加工成一定形状的塑件，冷却后固化成型。在成型过程中只有物理变化而无化学变化，因此热塑性塑料可以反复回收使用。,热塑性塑料可分为：结晶型、非结晶型 结晶型塑料分子链排列整齐、稳定、紧密，其具有较高的强度、硬度、刚度，较耐热、耐化学腐蚀，不透明，但与链运动有关的弹性、伸长率和冲击强度不是很高.常用结晶型塑料有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚酰胺（尼龙PA）等; 非结晶型塑料分子链排列则杂乱无章，相关性能与结晶型塑料正好相反。 常

6、用非结晶型塑料有聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）和丙烯腈 -丁二烯 -苯乙烯共聚物（ABS）等。,2.热固性塑料,热固性塑料是指初次可加热到一定的温度后变软成型，一旦固化定型后不可再软化的塑料。 加热前，分子链是线型或支链型结构，加热初期具有可熔性和可塑性，但加热到一定温度后，分子的链与链之间产生了化学反应，分子链逐渐变成网状型结构（称之为交联反应），成为既不熔化又不溶解的物质，再次加热不能塑化成型。因此，热固性塑料不能反复成型和回收再利用。,1.2.2 按使用性能和用途分类,按照使用性能和用途，塑料可分为： 1、通用塑料 2、工程塑料 3、特种塑料,1通用塑料,通用塑料广泛应用于日常生活

7、用品、包装材料以及一些小型的机械零件，其产量约占世界塑料总产量的80。通用塑料主要有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、酚醛塑料和氨基塑料六大类。,2工程塑料,工程塑料是指可用作工程结构材料的塑料，力学性能优良，能在较广温度范围内承受机械应力和较为苛刻的化学及物理环境中使用。工程塑料与通用塑料相比，产量小，价格较高，但具有优异的力学性能、电性能、化学性能、耐磨性、耐热性、耐腐蚀性、自润滑性及尺寸稳定性，即具有某些金属的性能，因而可代替一些金属材料用于制造结构零部件和传动件等，故在机械制造、轻工、电子、日用品、宇航、导弹、原子能等工业领域得到广泛应用。,目前工程

8、上使用较多的工程塑料有主要有聚酰胺(尼龙PA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、ABS、聚苯醚(PPO)、聚砜（PSF）及各种增强塑料。,3特殊塑料,特殊塑料是指用于特种环境中，具有某一方面的特殊性能的塑料，又称为功能塑料。 如医用塑料、光敏塑料、导磁塑料、导热塑料、超导电塑料、耐辐射塑料、耐高温塑料等。这类塑料产量小，价格较贵，性能优异。,1.3 塑料的性能,塑料的使用性能包括物理性能、化学性能、力学性能、热性能和电性能等。,塑料的性能包括使用性能和工艺性能。,1.3.1 塑料的使用性能,1塑料的物理性能,塑料的物理性能主要有密度、透气性、透湿性、吸水性、透明性、透光率等。 透湿性是指塑

9、料透过蒸汽的性质。 吸水性是指塑料吸收水分的性质。它可用吸水率表示。 透明性是指塑料透过可见光的性质，它可用透光率来表示。,2塑料的化学性能,塑料的化学性能有耐化学性、耐老化性、抗霉性等。 耐化学性是指塑料耐酸、碱、盐、溶剂和其他化学物质的能力。 耐老化性是指塑料暴露于自然环境中或人工条件下，随着时间推移而不产生化学结构变化，从而保持其性能的能力。 抗霉性是指塑料对霉菌的抵抗能力。,3塑料的力学性能,塑料的力学性能主要有抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、伸长率、冲击韧度、疲劳强度、蠕变与耐蠕变性、应力松弛、磨耗、硬度等。 与金属相比，塑料的强度和刚度绝对值都比较小。通用塑料的抗拉强度一般约2050

10、MPa，工程塑料一般约5080MPa，很少有超过100MPa的品种。经玻璃纤维增强后，许多工程塑料的抗拉强度可以达到或超过150MPa。由于塑料密度小，若采用比强度和比刚度(分别为强度和刚度的绝对值与密度之比)与金属比较，塑料却不一定低于金属，某些塑料比刚度甚至超过金属。,4塑料的热性能,塑料的热性能主要是耐热性、热稳定性、耐燃性等。 耐热性是指塑料在外力作用下，受热而不变形的性质。 热稳定性是指高分子化合物在加工或使用过程中受热而不分解变质的性质。 耐燃性是指塑料接触火焰时抵制燃烧或离开火焰时阻碍继续燃烧的能力。,5塑料的电性能,塑料的电性能主要有介电常数、介电强度、耐电弧性等。 介电常数是

11、以绝缘材料(塑料)为介质与以真空为介质制成的同尺寸电容器的电容量之比； 介电强度是指塑料抵抗电击穿能力的量度，其值为塑料击穿电压值与试样厚度之比。 耐电弧性是塑料抵抗由于高压电弧作用引起变质的能力。,1.3.2 塑料的工艺性能,（1）收缩性 塑件通常在高温熔融状态下成型，从模具中取出，其尺寸或体积发生收缩的现象，称为收缩性。收缩性的大小可用成型收缩率 S表示: S=(a-b)/b100% （1 -1） 式中 a模具或塑件在室温时的型腔尺寸; b塑件在室温时的尺寸。,1.热塑性塑料的工艺性能,热收缩 弹性恢复 结晶收缩 收缩的方向性 塑件结构 、形状、尺寸、壁厚、有无嵌件、嵌件数量及其分布。 模

12、具结构 、分型面、浇口形式及尺寸。 成型的工艺性影响。 常用热塑性塑料的收缩率见表1 -2,影响塑件成型收缩的因素有:,塑料在一定的温度和压力下充满模具型腔的能力称为流动性。 流动性过小，则不易成型，成型压力大，易产生缺料和熔接痕等缺陷; 流动性过大，成型容易，成型压力低，易造成溢边严重，填充不密实，塑件收缩严重等不良现象。 表1 -3列出的是常用热塑性塑料的流动性情况。,（2）流动性,表1-3 常用热塑性塑料的流动性,塑料流动性的大小通常用熔融指数和螺旋流动试验值表示。 熔融指数（MI）是指热塑 性树脂在一定温度和压力下，其熔体在10 min内通过图1-2所示的标准测试装置的质量， 单位为g

13、。 熔融指数越大，流动性越好。,图1 -2 熔融指数标准测试装置示意图,螺旋流动试验值是将被测塑料在一定的温度和压力下注入图1-3所示的标准阿基米德螺旋线模具流道中，测量所能达到的流动长度，单位为 cm。流动长度越长，代表该塑料熔体流动性越好。,图1 -3 标准阿基米德螺旋线模具流道示意图,线型分子结构的塑料流动性好。 塑料加入填充剂，会降低流动性;加入增塑剂和润滑剂，会提高流动性。 塑料熔体的温度越高，注射压力越大，流动性越好。常用塑料对温度压力的敏感性见表1 -4。模具结构 浇注系统的形式、尺寸、结构布置（如型腔表面粗糙度、浇口截面厚度、型腔形式、排气形式）、冷却系统的设计和熔料流动阻力等

14、因素都会直接影响到流动性。,影响流动性的因素有:,（3）取向与结晶,分子取向存在于塑件时，塑件的力学性能和收缩率产生各向异性，一般平行于取向方向的力学性能较高，收缩率较大，而垂直于取向方向的力学性能较低，收缩率较小。 在注射成型中，主要以流动取向为主，分子链在剪切力的作用下，沿熔体流动方向取向，如图14所示流动取向。影响流动取向的因素很多，熔体温度和模具温度越高，取向程度越小；注射压力和保压压力越大，取向程度越大；采用大浇口，取向作用更明显，尤其在浇口处。,图1-4 流动取向,结晶是指塑料由熔融状态到冷却固化的过程中，分子发生有规则排列的现象。 结晶使聚合物的强度、硬度、刚度及熔点、耐热性和耐

15、化学性等性能有所提高，但与链运动有关的性能如弹性、伸长率和冲击强度等则有所降低。 热塑性塑料有结晶现象，结晶型塑料一般为不透明或半透明的，非结晶型塑料是透明的。 但也有例外的情况，如聚甲基戊烯为结晶型塑料，却有高透明性，而 ABS 是非结晶型塑料但不透明。,结晶型塑料在模具设计及选择注塑机时应注意以下几点：,料温上升到成型温度所需要的热量多，要选用塑化能力大的设备。 冷却时放出的热量大，模具要加强冷却。 塑件成型后收缩大，易发生缩孔、气孔。 结晶度与冷却速度密切相关，冷却速度快，结晶度低，收缩小；冷却速度慢，结晶度高，收缩大，为此应合理控制模具温度。 塑料各向异性明显，内应力大，脱模后塑件易发

16、生变形翘曲。,吸湿性是指塑料对水的亲和性。 吸湿性强的塑料在成型过程中，由于高温高压使水分变成气体或发生水解作用，使塑件产生气泡等缺陷，并影响其电气性能，所以凡是吸湿性强，或具有粘附水分倾向的塑料，在成型前，必须进行干燥处理，以除去其中水分。 吸湿性强的常用塑料有：有机玻璃、尼龙、聚碳酸脂、ABS、聚矾等；而吸湿性差有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、氟塑料等。,（4）吸湿性,热敏性是指某些塑料对热较为敏感，在温高和受热时间长的情况下就会产生变色、降解、分解的特性。 常见的热敏性塑料有硬聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、醋酸乙烯共聚物、聚甲醛和聚三氟氯乙烯等。,（5）热敏性,在热敏性塑料中加入热稳定剂。 应选择合适的成型设备，控制成型温度和成型周期。 及时消除模具和设备中的分解产物。 设备和模具采取防腐蚀措施，比如表面镀铬。,防止热敏性塑料发生分解现象的措施：,塑料的水敏性是指它在高温下对水降解的敏感性。 水敏性塑料即使含有少量水分，在高温高压下也容易发生分解，因此，成型前必须进行干燥处理，以严格控制水分含量，保证原料的绝对干燥。聚碳酸酯就属于水敏性塑料。,