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1、 塑料成型工艺及模具设计塑料成型工艺及模具设计 叶久新叶久新 王群王群/ /主编主编机械工业出版社“十一五” 国家级规划教材 1.1 1.1 聚合物的结构和性能聚合物的结构和性能 1.2 1.2 聚合物的流变性质聚合物的流变性质 1.3 1.3 聚合物成型过程中的物理行为聚合物成型过程中的物理行为1.4 1.4 聚合物成型过程中的化学行为聚合物成型过程中的化学行为1.5 1.5 塑料组成、分类与用途塑料组成、分类与用途1.6 1.6 塑料成型工艺性能塑料成型工艺性能第1章 塑料成型基础知识 塑料的概念塑料的概念 塑料是以塑料是以高分子聚合物高分子聚合物为主要成分，加入一定量为主要成分，加入一定
2、量添添加剂加剂而组成的一种混合物。而组成的一种混合物。1.1 聚合物的结构和性能 将低分子化合物将低分子化合物单体单体转变成高分子物质的过程叫做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。价键的方式相结合，形成高分子结构。1.1.1 聚合物高分子的形成1.1 聚合物的结构和性能 1.聚合物的长链结构聚合物的长链结构决定聚合物基本性质的主要因素决定聚合物基本性质的主要因素 组成聚合物的高分子呈链状结构，其链状结构有以下三种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：类型：1
3、.1.2 聚合物高分子的结构1.1 聚合物的结构和性能 线型高分线型高分子子支链型高支链型高分子分子体型高分体型高分子子 2.聚合物的聚集态结构聚合物的聚集态结构 决定聚合物本体性质的主要因素决定聚合物本体性质的主要因素 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：堆砌结构，分三类：1.1 聚合物的结构和性能 非晶态非晶态晶态晶态部分晶态部分晶态 1.1.3 聚合物高分子的物理状态、力学及加工适应性1. 高聚物的温度、力学状态及成型加工的关系高聚物的温度、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
4、聚合物物理状态与温度的关系线型非结线型非结晶聚合物晶聚合物线型结晶线型结晶聚合物聚合物 1.1.3 聚合物高分子的物理状态、力学及加工适应性1. 高聚物的温度、力学状态及成型加工的关系高聚物的温度、力学状态及成型加工的关系1.1 聚合物的结构和性能 1.成型过程中的应力和应变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聚合物变形流动时的粘弹性质 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 图1-3 聚合物物理状态与温度的关系 2. 非牛顿型流体非牛顿型流体 1.2 聚合物的流变性质 稠度系数稠
5、度系数 非牛顿指数非牛顿指数 非牛顿流体聚合物熔体的表观黏度（或非牛顿黏度）非牛顿流体聚合物熔体的表观黏度（或非牛顿黏度） 2. 非牛顿型流体非牛顿型流体 1.2 聚合物的流变性质 “剪切稀化剪切稀化” 3. 影响高分子聚合物黏度的因素影响高分子聚合物黏度的因素1.2 聚合物的流变性质 温度温度增塑剂或溶剂增塑剂或溶剂填充剂填充剂相对分子量相对分子量压力压力高聚物进行粘性流动的同时会伴随一定量的高弹形变，这部分高弹形变是可逆的，外力消失以后，高分子链又蜷曲起来，因而整个形变要恢复一部分。这种流动过程可以示意表示如下：聚合物熔体的这种弹性形变常会使熔体在模内流动时产生一些问题，并对制品的外观尺寸
6、稳定性产生影响。 高聚物流体的弹性表现高聚物流体的弹性表现受外力受外力外力除去外力除去 1.聚合物熔体的弹性类型聚合物熔体的弹性类型 （1）剪切弹性）剪切弹性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）拉伸弹性 2.聚合物熔体流动过程中的弹性行为聚合物熔体流动过程中的弹性行为 （1）端末效应端末效应 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联系的现象称为入口效应入口效应和和出口膨胀效应出口膨胀效应（合称端末效应）。（合称端末效应）。 （2）不稳定流动不稳定流动熔体破裂现象熔体破裂现象 1.2 聚
7、合物的流变性质 鲨鱼皮形鲨鱼皮形波浪形波浪形竹节形竹节形螺旋形螺旋形不规则破裂不规则破裂 不稳定流动不稳定流动 1.浇口和型腔对熔体充型流动的影响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 浇口的横截浇口的横截面高度和型面高度和型腔的深度相腔的深度相差很大差很大（高速（高速 ）浇口的横截浇口的横截面高度和型面高度和型腔的深度相腔的深度相差不大差不大（中速）（中速）浇口的横截浇口的横截面高度和型面高度和型腔的深度接腔的深度接近近（低速）（低速） 2.扩张流动充型与熔接痕扩张流动充型与熔接痕（1）充型运动过程的三个典型阶段）充型运动过程的三个典型阶段 1
8、)前锋料流呈辐射状流动的起始阶段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。以黏流性熔膜为前锋料头的匀整运动主阶段。1.2 聚合物的流变性质 （2）溶接痕）溶接痕 当熔体在型腔中流动的过程中遇到型芯和嵌件等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。的汇合处产生熔接痕。 是整个塑件的薄弱环节，其强度即为塑件的强度。是整个塑件的薄弱环节，其强度即为塑件的强度。前锋料遇到障碍后分流合流熔接前锋料遇到障碍后分流
9、合流熔接 1.聚合物的结晶现象聚合物的结晶现象（1）结晶的概念）结晶的概念（2）二次结晶和后结晶）二次结晶和后结晶（3）结晶速度和结晶度）结晶速度和结晶度 1）结晶速度）结晶速度 2）结晶度）结晶度 2.结晶对塑件质量的影响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、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。性、透明性较好，伸长率和冲击韧度较大。 1.3.1聚合物的结晶 1.3 聚合物成型过程中的物理行为结晶型塑料有：聚乙烯、聚丙
10、烯、聚四氟乙烯、聚甲醛、聚酰胺、氯化聚醚等。非结晶型塑料有：聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、ABS、聚砜等。一般结晶型塑料是不透明的或半透明的，非结晶型塑料是透明的。（但也有例外，如聚4-甲基戊烯-1就具有高度透明性，ABS却不透明） 1.取向及其机理取向及其机理 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）。力作用下形成的有序排列即称为取向（或定向）。取向的分类：取向的分类：在切应力作用下沿着熔体流动方向形成的流动取向；在切应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
11、一致的拉伸取向。由拉应力引起的取向方位与应力方向一致的拉伸取向。 1.3.2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。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聚合物会呈现出明显
12、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。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 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：在注射和保压阶段，塑料受到不均衡残余流动应力：在注射和保压阶段，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。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。化而产生的热应力。1.
13、3.3 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、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相对分子质量降低的现象 。 1.降解的种类降解的种类 （1）热降解）热降解 （2）氧化降解）氧化降解 （3）水降解）水降解 （4）应力降解）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）严格控制成型原料的技术指标
14、，避免因原材料不纯对降解发生催化作用；降解发生催化作用；（2）成型前对物料进行充分的预热和干燥，严格控制其含）成型前对物料进行充分的预热和干燥，严格控制其含水量；水量；（3）制定合理的成型工艺参数；）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；）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）对热、氧稳定较差的聚合物 。1.4 聚合物成型过程中的化学行为 (1)交联交联 聚合物由线性结构转变为体形结构的化学反应过程。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交联与硬化熟化的关系 “硬化的好硬化的好”、“熟化的好熟化的好
15、”，并不意味着交联反应，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。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。许多有特定用途的添加剂。 （1）合成树脂：）合成树脂： 是人工合成的高分子化合物，又称高聚是人工合成的高分子化合物，又称高聚物，它是塑料中最基本、最重要的组成成物，它是
16、塑料中最基本、最重要的组成成分，约占塑料质量的分，约占塑料质量的40100，它决定，它决定了塑料的基本性质，各种塑料都是由树脂了塑料的基本性质，各种塑料都是由树脂的名字来命名。的名字来命名。1.5.1 1.5.1 塑料的组成塑料的组成1.5 塑料组成、分类与用途 （2）添加剂）添加剂填充剂：改善塑料性能（粉状、片状、纤维）。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。增塑剂：提高可塑性、流动性、柔韧性、降低脆性。 稳定剂：热稳定剂稳定剂：热稳定剂 、光稳定剂、光稳定剂 、抗氧化剂。、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润滑
17、剂：对塑料的表面起润滑作用，防止塑料在成型加工时黏模。时黏模。 着色剂着色剂 ：无机颜料：无机颜料 、无机颜料、染料。、无机颜料、染料。 其它：发泡剂、阻燃剂、固化剂、防静电剂、导电剂和导其它：发泡剂、阻燃剂、固化剂、防静电剂、导电剂和导磁剂等磁剂等 。 1.5 塑料组成、分类与用途 1.5.2 1.5.2 塑料的分类塑料的分类 1.1.按塑料中树脂分子结构和受热后呈现的基本行为分类：按塑料中树脂分子结构和受热后呈现的基本行为分类：塑料塑料非结非结晶型晶型热热塑性塑性塑料塑料结结晶型晶型热固热固性性塑料塑料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热塑性塑料与热固性
18、塑料的结构与性质的对比受热受热行为行为图示图示1.5 塑料组成、分类与用途 非非结晶性晶性热塑性塑料塑性塑料结晶性晶性热塑性塑料塑性塑料常用的材常用的材料料ABSABS、压克力（克力（PMMAPMMA、PANPAN）、聚碳酸脂）、聚碳酸脂(PC)(PC)、聚、聚苯乙苯乙烯(PS)(PS)、聚、聚氯乙乙烯(PVC)(PVC)聚聚缩醛树脂脂(POM)(POM)、尼、尼龙(PA,)(PA,)、聚乙、聚乙烯(PE)(PE)、聚丙、聚丙烯(PP)(PP)、热塑性聚脂塑性聚脂(PBT(PBT、PET)PET)微微观结构构分子在液相和固相都呈分子在液相和固相都呈现杂乱的配向性乱的配向性分子在液相呈分子在液相
19、呈现杂乱的配乱的配向性，在固相向性，在固相则形成形成紧密密堆砌的晶体。堆砌的晶体。受受热反反应具有具有软化温度范化温度范围，但没，但没有明有明显的熔点的熔点具有明确的熔点具有明确的熔点性性质透明透明抗化学性差抗化学性差成形成形时体体积收收缩率低率低通常通常强强度不高度不高一般具有高熔胶粘度一般具有高熔胶粘度热含量低含量低半透明或不透明半透明或不透明抗化学性佳抗化学性佳成形成形时体体积收收缩率高率高强强度高度高熔胶粘度低熔胶粘度低热含量高含量高1.5 塑料组成、分类与用途 2.2.按塑料的性能及用途分类：按塑料的性能及用途分类： 通用塑料通用塑料：指产量大、用途广且价廉的：指产量大、用途广且价廉
20、的塑料。塑料。 工程塑料工程塑料：在工程技术中常作为结构材：在工程技术中常作为结构材料来使用。料来使用。 特特殊殊功功能能塑塑料料：具具有有特特殊殊性性能能的的塑塑料料（用用于于医医药药、光光敏敏及及液液晶晶方方面面的的氟氟塑塑料料 ）。）。1.5 塑料组成、分类与用途 五大泛用塑料及用途：五大泛用塑料及用途： 低密度聚乙烯低密度聚乙烯(LDPE)(LDPE)地膜、食品包装袋、容器衬里、地膜、食品包装袋、容器衬里、涂层涂层, ,吹塑中空容器等小型制吹塑中空容器等小型制 。 高密度聚乙烯高密度聚乙烯(HDPE)(HDPE)胶管、洗发水瓶、胶膜胶管、洗发水瓶、胶膜等。等。 聚苯乙烯聚苯乙烯(PS)
21、(PS)外壳、玩具、壁砖外壳、玩具、壁砖等。等。 聚氯乙烯聚氯乙烯(PVC)(PVC)瓶子、塑料管、薄膜、保鲜膜瓶子、塑料管、薄膜、保鲜膜等。等。 聚丙烯聚丙烯(PP)(PP)汽车保险杆、仪表板、纤维汽车保险杆、仪表板、纤维等。等。 1.5 塑料组成、分类与用途 工程塑料：工程塑料：起源：起源： 自自1956 1956 年杜邦推出年杜邦推出DerlinDerlin 商名新塑料商名新塑料, ,宣称可取宣称可取 代金属代金属, ,工程塑料之名由此开始。工程塑料之名由此开始。特性：特性： 机械强度高而且有机械强度高而且有适当平衡适当平衡. .耐热耐热, ,耐久或耐久或具特殊机能具特殊机能. .加工性
22、良好，加工性良好，价格合理且工程性良好。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：特殊功能塑料： 如用于医药、光敏及液晶方面的氟塑料、聚如用于医药、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、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改导磁塑料、导热塑料以及其他某些专门用途而改性得到的塑料。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 密度小密度小 ( (重量轻，塑料比重重量轻，塑料比重0.82.2g/cm0.82.2g/cm3 3，铝，铝2.72.7，铁，铁7.8)7.8)
23、。 比强度和比刚度高。比强度和比刚度高。 化学稳定性好。化学稳定性好。 电气性能优良电气性能优良。 减摩、耐磨和自润滑性好。减摩、耐磨和自润滑性好。 成型和着色性能好成型和着色性能好。 多多种种防防护护性性能能：除除防防腐腐外外，塑塑料料还还具具有有防防水水、防防潮潮、防防透透气气、防振、防辐射等。防振、防辐射等。 耐热性差、受载荷易蠕变、老化现象。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、收缩性、收缩性2、流动性、流动性3、其他工艺性能、其他工艺性能 结晶性结晶性 热敏性热敏性 水敏性水敏性 吸湿性吸湿性 比容与压缩比比容与压缩比 硬化特性硬化特性1.6 塑料成型工
24、艺性能一一. .热塑性塑料的工艺性能热塑性塑料的工艺性能l收缩性收缩性 塑件从温度较高的模具中取出冷却到室温后,其尺寸或体积发生收缩的现象。l实际收缩率和计算收缩率l不同种塑料收缩率不同不同种塑料收缩率不同,同一种塑料批号不同或同一种塑料批号不同或同一制件的不同部位的收缩率也经常不同同一制件的不同部位的收缩率也经常不同. l收缩率不是一个固定值，而是在一定范围内变化的，这个波动范围越小，塑件的尺寸精度就越易保证。l结晶型塑料收缩率一般为1.2%4.0%，非结晶型塑料的收缩率一般为0.2%1.0%。塑料的收缩率数值大，且变化范围大，给塑件的尺寸控制带来困难.l收缩的形式有：线尺寸收缩(型腔尺寸计
25、算时必须考虑予以补偿)；后收缩；后处理收缩.(在模具设计时,对高精度塑件应考虑这两者的误差,并予以补偿) 收缩率计算收缩率计算 Lc成型温度时制件尺寸；Ls常温时制件尺寸；Lm常温时型腔尺寸；l流动性流动性 塑料在一定温度与压力下填充型 腔的能力.l评定流动性的指数 熔融指数、阿基米德螺旋线长度熔融指数、阿基米德螺旋线长度l可将常用热塑性塑料的流动性分外三类: 1、流动性好的 PA、PE、PS、PP、CA. 2、流动性中等的 改性PS、ABS、POM、 有机玻璃. 3、流动性差的 PC、硬PVC、PPO、 PSU、氟塑料.l影响流动性的因素：温度、压力、模具结构. 热塑性塑料熔体流动性测定方法
26、热塑性塑料熔体流动性测定方法 1.6 塑料成型工艺性能 热塑性塑料熔体流动性测定方法热塑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；溢料：流动性太好易导致溢料；缺料：流动性不佳易导致缺料。缺料：流动性不佳易导致缺料。1.6 塑料成型工艺性能吸湿性吸湿性 吸湿性塑料：有机玻璃、尼龙、 PC、ABS、PSU等。 此类塑料，在成型过程中由于水份在成型设备的高温料筒内挥发成气体，或者促使塑料水解，会使树脂起泡或粘度下降，不仅影响产品质量，还会给成型加工带来困难。成型前必须对其进行干燥处理，以除去其中的水
27、份。l不吸湿性塑料：PE、PP、PS、氟塑料等。l结晶性 l热敏性热敏性 (硬PVC、聚甲醛、聚四氟氯乙烯等)l应力开裂应力开裂 及熔体破裂及熔体破裂 1 1、熔融时消耗的热量更多；、熔融时消耗的热量更多；2 2、冷却时间较长；、冷却时间较长；3 3、成型收缩率较大；、成型收缩率较大；4 4、制品易变形和翘曲。、制品易变形和翘曲。二二. .热固性塑料的工艺性能热固性塑料的工艺性能l1.收缩性收缩性 收缩的形式及其影响因素与热塑性塑料基本相同.l2.流动性流动性 用拉西格参数衡量.l3.比容积和压缩率比容积和压缩率 比容积-单位重量的松散塑料所占的体积,以cm/g计. 压缩率-塑料的体积与塑件的体积之比,其值恒大于1. 比容积和压缩率都表示粉状或短纤维状塑料的松散性。它们都可用来确定模具加料腔的大小. 热固性塑料熔体流动性测定方法热固性塑料熔体流动性测定方法 1.6 塑料成型工艺性能l4.固化速度固化速度l固化-热固性塑料在成型过程中完成交联反应(即树脂分子由线型结构变成体型结构)的变化过程.l固化速度常以塑料试样固化1mm厚度所需的秒数来表示,以s/mm计。固化速度与塑料品种、塑件形状、壁厚、成型温度及是否预热、预压等有密切关系.l5.水份及挥发物含量水份及挥发物含量l来源 对成型的影响
