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1、第六章 常用非金属材料的成形,第一节 塑料的成型 第二节 工程陶瓷的成形 第三节 橡胶的成形,工程塑料及其成形,塑料是一类以天然或合成树脂为主要成分，在一定温度、压力条件下经塑制成形，并在常温下能保持形状不变的高分子工程材料。 塑料具有一定的耐热、耐寒及良好的力学、电气、化学等综合性能，可以替代非铁金属及其合金，作为结构材料用来制造机器零件或工程结构。塑料以其质轻、耐蚀、电绝缘，具有良好的耐磨和减摩性，良好的成形工艺性等特性以及有丰富的资源而成为应用很广泛的高分子材料，在工农业、交通运输业、国防工业及日常生活中均得到广泛应用。,一、工程塑料的组成和性能,l. 塑料的组成,一般说来，塑料是由树脂
2、和若干种添加剂 (如填充剂、增塑剂、润滑剂、着色剂、稳定剂、固化剂和阻燃剂)组成。,第一节 塑料的成型,塑料的组成,6,(1) 树脂 树脂是塑料的主要组分，它是塑料中能起粘结作用的部分，并使塑料具有成形性能。合成树脂如聚乙烯、聚碳酸酯、酚醛树脂等是现代塑料的基本原料，其种类、性质和所占比例大小决定了塑料的性能。 (2) 填充剂 其主要作用是改变塑料的某些性能，降低塑料成本，扩大塑料的应用范围。常用的填料种类有木粉、玻璃纤维、石棉、云母粉、铝粉、二硫化钼和石墨粉等。 (3) 增塑剂 增塑剂是用来提高树脂可塑性的。常用增塑剂如氧化石蜡、磷酸酯类等。 (4) 润滑剂 润滑剂是为防止塑料在成形过程中粘
3、模而加入的添加剂。常用的润滑剂为硬脂酸及硬酯酸盐类。 (5) 着色剂 着色剂是使塑料制品具有美丽色彩的有机或无机颜料。常用着色剂有铁红、铬黄、氧化铬绿、士林蓝、锌白、铁白、炭黑等。 (6) 固化剂 固化剂是热固性塑料所必需的添加剂，目的在于促使线型结构转变为体型结构，成形后获得坚硬的塑料制品。固化剂种类很多，如六次甲基四胺、顺丁烯二酸等。 (7) 稳定剂 稳定剂又称防老化添加剂，其主要作用是提高某些塑料的受热或光照稳定性。常用稳定剂有硬酯酸盐、铅化物、酚类和胺类物质等。,2. 工程塑料的性能,7,(8) 其他添加剂 塑料添加剂除上述几项外还有阻燃剂(如氧化锑等)、抗静电剂、发泡剂、溶剂、稀释剂
4、等。 添加剂的种类很多，要根据塑料品种和产品功能要求决定添加与否及添加多少。,1) 力学性能 力学性能是决定工程塑料使用范围的重要指标之一，工程塑料具有较高的强度、良好的塑性、韧性和耐磨性，可代替金属制造机器零件或构件，尤其是某些工程塑料的比强度(材料拉伸强度与密度之比)很高，大大超过金属的比强度(如玻璃纤维增强塑料)，可制造减轻自重的各种结构件。,(1) 拉伸强度、弹性模量和伸长率 常用工程塑料的应力-应变曲线可归结为以下四种基本类型: 硬而韧的工程塑料(图5-1曲线1) 如ABS、尼龙、聚甲醛、聚碳酸酯等，具有很高的弹性模量、屈服强度、抗拉强度和较大的伸长率。,图5-1 塑料拉伸时的应力-
5、应变曲线,1硬而韧的塑料；2硬而脆的塑料； 3硬而强的塑料；4软而韧的塑料,8,硬而脆的工程塑料（图5-1曲线2） 如聚苯乙烯和酚醛树脂等塑料，具有很高的弹性模量和抗拉强度，但在较小的伸长率（2%）下就会断裂，无明显屈服。 硬而强的工程塑料（图5-1曲线3） 如有机玻璃、长玻璃纤维增强热固性塑料及某些配方的硬聚氯乙烯等塑料，具有高的弹性模量和抗拉强度，伸长率为2%5%。 软而韧的工程塑料（图5-1曲线4）如高增塑的聚氯乙烯等塑料的弹性模量和屈服点低，而伸长率很大，约25%1000%，抗拉强度较高。 从图5-1可以看出各种塑料的力学性能差异很大，一般热塑性塑料的抗拉强度在50l00MPa之间，热
6、固性塑料的抗拉强度为3060 MPa。工程塑料与金属材料相比，其抗拉强度和弹性模量均较低，这是目前工程塑料作为工程结构材料使用的最大障碍之一。因此在一些负荷大的地方，还需采用钢结构。 (2) 剪切强度、冲击韧度和弯曲强度 剪切强度 对于塑料薄膜或板材特别重要，玻璃布增强的热固性层压板的剪切强度在80170MPa之间。 冲击韧度 一般塑料的冲击韧度值比金属低，并且有缺口比没有缺口的塑料件冲击韧度值明显下降。 弯曲强度 热塑性塑料中聚甲醛弯曲强度为9098MPa，尼龙可达2l0 MPa，热固性塑料约为50150 MPa，玻璃纤维(布)层压塑料可达350 MPa。,拉伸强度、弹性模量和伸长率,(3)
7、 蠕变性能,9,蠕变是指材料受到一固定载荷时，除了开始的瞬时变形外，随时间的增加变形逐渐增大的现象。金属材料在较高温度时，才有明显的蠕变现象，而塑料则在室温下受载后就可发生显著的蠕变现象，载荷大时甚至出现蠕变断裂。 (4) 硬度和耐磨性能 工程塑料的硬度比金属低，但其抗摩擦磨损性能却远远优于金属，用工程塑料制作的轴承、活塞环、凸轮、齿轮等零件已广泛应用。 2）物理性能 (1) 密度小 (2) 易着色、色泽鲜艳。 (3) 透光性好，具有多种防护性能。 3) 热性能 包括耐热性、导热性、热膨胀性、熔融指数及燃烧性。与金属相比塑料耐热性、导热性差，热膨胀性大，易燃烧。 4) 化学性能 主要指耐腐蚀性
8、能好。一般塑料对酸、碱、盐等介质具有良好的抗腐蚀能力，并广泛用作防腐蚀工程材料。 除以上性能外，塑料还有优良的电气绝缘性能、成形加工性及消声吸振性等。,二、工程塑料的分类和应用,10,1.塑料的分类,1) 按树脂受热的行为分为热塑性与热固性塑料 热塑性塑料:其分子结构主要为线型或支链线型分子结构，工艺特点是受热软化、熔融，具有可塑性，冷却后坚硬；再受热又可软化，可重复使用而其基本性能不变；可溶解在一定的溶剂中。成形工艺简便、形式多种多样，生产效率高，可直接注射、挤压、吹塑成形。如聚乙烯、聚丙烯、ABS等。 热固性塑料:具有体型分子结构，热固性塑料一次成形后，质地坚硬、性质稳定，不再溶于溶剂中，
9、受热不变形，不软化，不能回收。成形工艺复杂，大多只能采用模压或层压法，生产效率低。如酚醛塑料、环氧塑料等。 2) 按应用范围可分为通用塑料和工程塑料 通用塑料:指产量大、成本低、用途广的塑料 (如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等)，它们的产量占塑料总产量的75%以上。 工程塑料:指应用于工业产品或在工程技术中作为结构、零件、外观和装饰的塑料，具有高强度或耐热、耐蚀等特点，如ABS、聚四氟乙烯、聚酰氨等。,2常用的塑料及应用,常用的热塑性工程塑料有聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和聚丙烯、ABS塑料、聚碳酸脂、有机玻璃、聚甲醛和聚酚胺(尼龙)等。,表5-1 常用的塑料及其性能、用途,11,与热塑性工程塑料相
10、比，热固性工程塑料的主要优点是硬度和强度高，刚度大，耐热性优良，使用温度范围远高于热塑性工程塑料，主要缺点是成形工艺较复杂，常常需要较长时间加热固化，而且不能再成形，不利于环保。常用的热固性工程塑料有酚醛塑料、环氧塑料和有机硅塑料。 常用的塑料及其性能、如表5-1,续表,12,13,续表,三、工程塑料的成形,14,1. 塑料成形加工技术分类,塑料的成形，按各种成形加工技术在生产中所属成形加工阶段的不同，可将其划分为一次成形技术、二次成形技术和二次加工技术三个类别。,2. 塑料的一次成形技术,塑料的一次成形是指将粉状、粒状、纤维状和碎屑状固体塑料、树脂溶液或糊状等各种形态的塑料原料制成所需形状和
11、尺寸的制品或半制品的技术。这类成形方法很多，目前生产上广泛采用注射、挤出、压制、浇注等方法成形。,1) 注射成形 注射成形（图5-2）是将粒状或粉状塑料置于注射机的料筒内，经加热熔化呈流动状态，然后在注射机的柱塞(或移动螺杆)快速而又连续的压力下，从料筒前端的喷嘴中以很高的压力和很快的速度注入到闭合模具的型腔中，经冷却脱模，即可得到所需形状的塑料制品。,图5-2 注射成形示意图,15,注射成形主要应用于热塑性塑料和流动性较大的热固性塑料，可以成形几何形状复杂、尺寸精确及带各种嵌件的塑料制品，如电视机外壳、日常生活用品等。目前注射制品约占塑料制品总量的30%。近年来，新的注射技术如反应注射、双色
12、注射、发泡注射等的发展和应用，为注射成形提供了更加广阔的应用前景。 注塑机是注塑加工的主要设备，按外形可分为立式、卧式、直角式；按注射方式可分为往复螺杆式、柱塞式，以往复螺杆式用得最多。注塑机除了液压传动系统和自动控制系统外，主要由料斗、料筒、加热器、喷嘴、模具和螺杆构成。 注塑工艺过程包括成形前的准备、注射过程、后处理等（见视频1）。 成形前的准备包括原料检验、原料的染色和造粒、原料的预热及干燥、嵌件的预热和安放、试模、清洗料筒和试车等。 注射过程包括加料、塑化、注射、冷却和脱模等工序。在注射过程中，熔体被柱塞或螺杆推挤至料筒前端并注入模具，当熔体在模具中冷却收缩时，柱塞或螺杆继续保持加压状
13、态，迫使浇口和喷嘴附近的熔体不断补充进入模具中(补塑)，使模腔中的塑料能形成形状完整而致密的制品，这一阶段称为“保压”。当模具浇注系统内的熔体冻结浇口闭合时，卸去保压压力，同时通入水、油或空气等冷却介质，进一步冷却模具，这一阶段称为“冷却”。制品冷却到一定温度后，即可用人工或机械脱模。,注射成形主要应用,视频1 注射成形,16,制品的后处理主要指退火处理和调湿处理。退火处理就是把制品放在恒温的液体介质或热空气循环箱里静置一段时间。退火温度一般高于制品的使用温度1020 ，低于塑料热变形温度1020 ；退火时间则视制品厚度而定。退火后使制品缓冷至室温。调湿处理是让制品在一定的湿度环境中吸收一定的
14、水分，使其尺寸稳定下来，以免在使用过程中因吸水而发生变形。,2)挤出成形,17,挤出成形又称挤塑成形或挤出模塑，其成形过程如图5-3所示。首先将粒状或粉状的塑料加入到挤出机(与注射机相似)料斗中，然后由旋转的挤出机螺杆送到加热区，逐渐熔融呈粘流态，然后在挤压系统作用下，塑料熔体通过具有一定形状的挤出模具(机头)口模而成形为所需断面形状的连续型材。 挤出成形工艺过程包括物料的干燥、成形、制品的成形与冷却、制品的牵引与卷曲(或切割)，有时还包括制品的后处理等。 (1) 原料干燥 原料中的水分会使制品出现气泡、表面晦暗等缺陷，还会降低制品的物理和力学性能等，因此使用前应对原料进行干燥处理。通常水分的
15、质量分数应控制在0.5%以下。,图5-3 挤出成形示意图,视频2 挤出成形,18,(2) 挤出成形 当挤出机加热到预定温度后即可加料。开始挤出的制品外观和质量都很差，应及时调整工艺条件，当制品质量达到要求后即可正常生产。 (3) 制品的定形与冷却 定形与冷却往往是同时进行的，在挤出管材和各种型材时需要有定形工艺，挤出薄膜、单丝、线缆包覆物时，则不需此工艺。 (4) 牵引(拉伸)和后处理 常用的牵引挤出管材设备有滚轮式和履带式两种。牵引时，要求牵引速度和挤出速度相匹配，均匀稳定。一般应使牵引速度稍大于挤出速度，以消除物料离模膨胀所引起的尺寸变化，并对制品进行适当拉伸。,挤出成形的塑料件内部组织均
16、匀紧密，尺寸比较稳定准确。且其几何形状简单、截面形状不变，因此模具结构也较简单，制造维修方便，同时能连续成形、生产率高、成本低；几乎所有热塑性塑料及少部分热固性塑料可采用挤出成形。塑料挤出的制品有管材、板材、棒材、薄膜、各种异型材等。目前，约50%的热塑性塑料制品是挤出成形的。此外挤出成形还可用于塑料的着色、造粒和共混改性等。挤出成形见视频2。,3) 压制成形,19,压制成形是指主要依靠外压的作用，实现成形物料造型的一次成形技术。压制成形是塑料加工中最传统的工艺方法，广泛用于热固性塑料的成形加工。根据成形物料的性状和加工设备及工艺的特点，压制成形可分为模压成形和层压成形。模压成形(图5-4a)是将粉状、粒状、碎屑状或纤维状的热固性塑料原料放入模具中，然后闭模加热加压而使其在模具中成形并硬化，最后脱模取出塑料制件，其所用设备为液压机、旋压机等。 层压成形(图5-4b)是以纸张、棉布、玻璃布等片状材料，在树脂中浸渍，然后一张一张叠放成所需的厚度，放在层压机上加热加压，经一段时间后，树脂固化
