塑料的组成与工艺特性.ppt

第二章 塑料的组成与工艺特性 本章重点： .掌握塑料的分类 .掌握塑料特性及应用 .掌握热塑性塑料和热固性塑料的区别 本章难点： 1塑料成型的工艺特性成型收缩、流动性、相容性、热敏性等。 2塑料特性的理解及综合应用 2.1 塑料的基本组成 塑料的定义： 塑料中的必要和主要成分是树脂。树脂是由高分子物质所组成，它是通过聚合反 应而制成的，所以又叫聚合物或称高聚物。 塑料的特点： 1、 密度小、质量轻 塑料的密度约为0.92.3gcm3，但大多数都在1.01.4gcm3左右， 其中聚4-甲基丁烯-1的密度最小，大约0.83gcm3，只相当于钢材密度的0.11 和铝材的0.5左右，如果采用发泡工艺生产泡沫塑料，则塑料的密度将会更 小，其数值可以小到0.010.5gcm3。 2 比强度高 按单位质量计算的强度称为比强度，由于塑料的密度小，所以其比强度 比较高，若按比强度大小来评价材料的使用性能，则一些特殊的塑料品种将 会名列前茅。例如，一般钢材的拉伸比强度约160MPa，而用玻璃纤维增强的 塑料拉伸比强度可高达170400MPa。 3 绝缘性能好、介电损耗低 金属导电是其原子结构中自由电子和离子作用的结果，而塑料原子内 部一般都没有自由电子和离子，所以大多数塑料都具有良好的绝缘性能以及 很低的介电损耗。因此，塑料是现代电工行业和电器行业不可缺少的原材料 ，许多电器用的插头、插座、开关、手柄等等，都是用塑料制成的。 4 化学稳定性高 生产实践和科学试验已经表明，绝大多数塑料的化学稳定性都很高， 它们对酸、碱和许多化学药物都具有良好的耐腐蚀能力，其中聚四氟乙烯塑 料的化学稳定性最高，它的抗腐蚀能力比黄金还要好，可以承受“王水”（镪 酸）的腐蚀，所以称为“塑料王”。 5 减摩、耐磨性能好 如果用塑料制作机械零件，并在摩擦磨损的工作条件下应用，那么 大多数塑料都具有良好的减摩和耐磨性能，它们可以在水、油或带有腐蚀 性的液体中工作，也可以在半干摩擦或者完全干摩擦的条件下工作，这是 一般金属零件无法与其相比的。因此，现代工业中已有许多齿轮、轴承和 密封圈等机械零件开始采用塑料制造，特别是对塑料配方进行特殊设计后 ，还可以使用塑料制造自润滑轴承。 6 减振、隔音性能好 塑料的减振和隔音性能来自于聚合物大分子的柔韧性和弹性。一般 来讲，塑料的柔韧性要比金属大得多，所以当其遭到频繁的机械冲击和振 动时，内部将产生粘性内耗，这种内耗可以把塑料从外部吸收进来的机械 能量转换成内部热能，从而也就起到了吸振和减振的作用。塑料是现代工 业中减振隔音性能极好的材料，不仅可以用于高速运转机械，而且还可以 用作汽车中的一些结构零部件（如保险杠和内装饰板等），据报导，国外 一些轿车已经开始采用碳纤维增强塑料制造板簧。 一、塑料的组成 塑料 树脂 填充剂 增塑剂 稳定剂 润滑剂 固化剂 着色剂 抗静电剂 发泡剂 阻燃剂 聚合物是塑料配方中的主要成分 为了改善聚合物熔体在注塑成型过程中的流动性，常常需要在聚 合物中添加一些能与聚合物相溶并且不易挥发的有机化合物，这 些化合物统称为增塑剂。 （1）热稳定剂 （2）抗氧化剂 （3）光稳定剂 为了改善塑料在注塑成型过程中的流动性能，并减少或避免塑料熔 体对设备及模具的粘附和摩檫，常常需要在聚合物中添加一些必要 的物质，这些物质统称为润滑剂。 在聚合物中添加填充剂的主要目的是为了改善塑料的成型性能 、减小塑料中的聚合物用量以及提高塑料的某些性能 添加在聚合物中可使塑料着色的物质统称为着色剂。它们可以 分为无机颜料、有机颜料和染料三种类型。 添加在聚合物中，可使塑料形成蜂窝状泡孔结构的物质叫做发泡剂。 二、塑料的分类 1、最常用的分类方法是根据合成树脂在受热后所表现的性能不同来划分， 一般分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。 （1）热塑性塑料 线型或支链型大分子链比较容易活动，受热时分子间可 以互相移动，具有较好的塑性，固化成型后如再加热又可变软，如此可反复 进行多次。 常见的热塑性塑料有聚乙烯、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯、聚氯乙烯、ABS、有 机玻璃(聚甲基丙烯酸酯)、聚甲醛(POM)、聚酰胺(PA)(尼龙)、聚碳酸酯(PC) 、苯乙烯丙烯腈(SAN)等。这类塑料的优点是成型工艺简单，具有相当高 的物理和机械性能，并能反复回炉，但缺点是耐热性和刚性较差。 （2）热固性塑料 网状结构的合成树脂，加热初期具有一定的可塑性，软 化后可制成各种形状的制品，但是过一段时间，随着网状交联的逐渐形成， 便会固化而失去塑性，冷却后再加热也不会再软化，再受高热即被分解破坏 。 易于消费者辨识塑料或塑料包装材料的性质，使废品回收处理更为简便快速 ，规定塑料或塑料包装材料应标示材料名称及分类代码，例如： 常见的热固性塑料有酚醛树脂、环氧树脂(EP)、氨基树脂、醋酸树脂 、三聚氰胺树脂、不饱和聚酯、聚氨基甲酸酯(PUR)等。 这类塑料的成型工艺比较麻烦，不利于连续生产和提高生产率，而且 不能反复利用。但一般具有较高的耐热性和受压不易变形的特点。 2、若按塑料的用途分类，又可分为通用塑料和工程塑料两大类。 通用塑料：般指产量大、用途广、价格低廉的一类塑料，它包括聚乙烯 、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛、氨基等六大品种。 工程塑料：一般指机械强度高，可代替金属而用作工程材料的塑料，如制 作机械零件、电子仪器仪表、设备结构件等。这类塑料包括聚苯醚(PP0)、 ABS、尼龙、聚甲醛、聚砜(PSF)、聚对二甲苯、聚酰亚胺(PI)等。 2.2 塑料成型的工艺特性 一、塑料的成型收缩性 1、收缩性：塑件从温度较高的模具中取出冷却到室温，其尺寸或体积发生收 缩变化，这种性质称为收缩性。 2、收缩率：收缩性的大小以单位长度塑件收缩量的百分数来表示，收缩率分 为实际收缩率和计算收缩率。 3. 影响塑件成型收缩的因素主要有： (1) 塑料品种 (2) 塑件结构 (3) 模具结构 (4) 成型工艺条件 二、塑料的流动性 1、塑料在一定的温度、压力作用下充填模具型腔的能力，称为塑料的流 动性。塑料的流动性差，就不容易充满型腔，易产生缺料或熔接痕等缺陷 ，因此需要较大的成型压力才能成型。相反，塑料的流动性好，可以用较 小的成型压力充满型腔。但流动性太好，会在成型时产生严重的溢边。 流动性的大小与塑料的分子结构有关。对于热塑性塑料，常用熔融指数 和螺旋线长度来表示其流动性。 2、影响流动性的主要因素有： (l) 温度 (2) 压力 (3) 模具结构 三、热固性塑料的工艺特性 1 收缩率 同热塑性塑料一样，热固性塑料经成型冷却后也会发生收缩，其收缩率的 计算方法与热塑性塑料相同。产生收缩的原因主要有： (1) 热收缩 (2) 结构变化引起的收缩 (3) 弹性恢复 (4) 塑性变形 2 流动性 热固性塑料的流动性通常以拉西 格流动值来表示。图所示是拉西格流 动性测定模。将一定质量的欲测塑料 预压成圆锭，将圆锭放入压模中，在 一定的温度和压力下，测定它从模孔 中挤出的长度（毛糙部分不计在内） ，此即为拉西格流动值，以mm表示。 数值大，则表明流动性好。 3 比容和压缩率 比容是指单位质量的松散塑料所占的 体积，单位为cm3g； 压缩率是指塑料的体积与塑件的体积 之比，其值恒大于1。 2.3 常用塑料简介 一、热塑性塑料 1. 聚乙烯（PE） 聚乙烯（PE）是乙烯单体经聚合而成，是目前合成树脂中产量最大、 用途最广的品种，约占世界塑料总产量的30%，为塑料工业之冠。 无臭、无味、无毒的可燃性白色粉末，挤出造粒为蜡状半透明颗粒，呈 乳白色，密度：0.910.98g/cm3。 用途：管道联接器、包装胶袋、胶瓶、绝缘电线、吹塑薄膜等。 聚 乙 烯 高密度聚乙烯 （HD-PE） 中密度聚乙烯 低密度聚乙烯 （LD-PE） 高结晶度导致了它的高密度，硬度大，力学性能较高。 比PE-LD有更强的抗渗透性 该材料的流动特性很好，MFR为0.1到28之间 抗冲击强度较低 很容易发生环境应力开裂现象 当温度高于60时很容易在烃类溶剂中溶解 纯度低、介电性能不高、透明性和成型加工性能较差 结晶度55%65%，故密度小、质地柔软、透明性较好 热膨胀系数很高不适合于加工长期使用的制品 不耐光和氧，易老化，需加抗氧化剂和光稳定剂； 耐化学性较好，介电强度高， 具有良好的柔软性、延伸性和透明性，加工性能好。 用途：管道联接器、包装胶袋、胶瓶、绝缘电线、吹塑薄 膜等 用途：包装,建材,水桶,玩具等；像电冰箱容器、存储容器 、家用厨具、密封盖等 2.丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物 （ABS） ABS是PS的改性产品，一种新型的工程塑料，ABS是由丙烯腈（A）、丁 二烯（B）、苯乙烯（S）组成的三元共聚物，来源广泛，性能优异，20世纪 60年代以来发展迅速，是目前产量最大、应用最广的一种工程塑料。 非结晶聚合物、不透明、无毒、无味及微黄的热塑性树脂，可燃烧，燃 烧缓慢且有特殊刺激味，密度1.021.20 g/cm3。 特性： 丙烯腈使ABS具有高强度、热稳定性及化学稳定性；（约占20%30%） 丁二烯使ABS具有坚韧性、抗冲击特性；（约占25%30%） 苯乙烯使ABS具有易加工、高光洁度及高强度。（约占40%50%） ABS是一种具有坚韧、质硬和刚性的工程塑料，具有超强的易加工性，外观 特性，低蠕变性和优异的尺寸稳定性以及很高的抗冲击强度。 ABS的特性主要取决于三种单体的比率，通过控制三种成分的比例可以改变 ABS的性能。 ABS具有良好的电镀性能，也是所有塑料中电镀性能最好的。 收缩率小，尺寸稳定。 不耐有机溶剂、耐热性和耐低温性不高。 MBS：透明ABS，以甲基丙烯酸甲酯（M）代替ABS中的丙烯腈（A）。 用途： 汽车（仪表板，工具舱门，车轮盖，反光镜盒等）、家电（电话机、 电视、电风扇、冰箱、洗衣机）壳体，打字机键盘、大强度工具（头发烘干 机，搅拌器，食品加工机，割草机等）。 3.聚苯乙烯（ PS ） 是苯乙烯单体聚合而成，1920年开始工业化生产，性能优良，来源丰富， 价格低廉，应用广泛，产量仅次于PVC、PP、PE 。 无色透明珠状或粒状，无臭、无味、无毒、易于着色，密度为1.05 g/cm3 。易燃烧,燃烧时带有 很浓的黑烟，鲜花味。落地时发出清脆的类似金属的声 音。 特性： 大多数商业用的PS都是透明的，透光率88%92%，仅次于有机玻璃。 PS具有非常好的几何稳定性、热稳定性、电绝缘特性以及很微小的吸湿倾 向。 它能够抵抗水、稀释的无机酸，但能够被强氧化酸如浓硫酸所腐蚀，并且 能够在一些有机溶剂中膨胀变形。 缺点：力学性能不高，质硬而且脆，冲击强度和耐热性差，易燃。 为改进其性能，对其进行改性，产生了苯乙烯系列树脂， 五大品种： 通用级聚苯乙烯（GPPS）俗称：硬胶 高冲击聚苯乙烯（HIPS）俗称：不碎胶 发泡级聚苯乙烯（EPS） 俗称：发泡胶 AS（SAN料） 俗称：透明不碎胶 ABS 俗称：高度（超）不碎胶 用途： 家庭用品（餐具、托盘等）、 电气（透明容器、光源散射器、绝 缘薄膜等）聚苯乙烯有良好的卫生性能，用于产品包装，使用最多的是热 成型容器，特别是一次性使用的包装容器。 4.聚丙烯（PP） 聚丙烯（PP）是丙烯单体经聚合而成，1957年实现工业化生产，原料来 源丰富，性能优良，价格便宜，发展速度居几大通用塑料之首。 白色、无味、无毒及可燃的白色蜡状透明塑料。不吸水、光泽好、易着 色，密度：0.900.91g/cm3，是通用塑料中最轻的一种。 特性： 熔点168171，可在107121长期使用。是通用塑料中唯一能在水中煮 沸，甚至在135蒸汽中消毒而不被破坏的塑料。 耐低温性能不如聚乙烯，脆化温度-10-35 具有优良的抗吸湿性、抗酸碱腐蚀性、抗溶解性，化学稳定性好。 耐候性差，收缩率大 结晶度高。 力学强度、刚性、延伸性和抗应力开裂性比聚乙烯好 抗疲劳性显著，具有特别高的抗弯曲疲劳强度，可以经过7X107次的弯折 而不断裂，可作铰链。俗称：百折软胶。 最大缺点：在氧、热、光作用下容易降解、老化，应在聚丙烯（PP）中加 入稳定剂 用途：家电部件、壳体（洗碗机门衬垫、干燥机通风管、洗衣机框架及机 盖、冰箱门衬垫、水煲等）、日用消费品、化工设备的管道和容器、汽车 工业（主要使用含金属添加剂的PP：挡泥板、通风管、风扇等）。 5.热塑性聚酯（PBT和PET） 聚酯树脂是一大类树脂的总称。是多元酸和多元醇缩聚反应制得的树脂。 有工业价值的是PET和PBT， PET于1946年开始工业化生产，PBT于1970年实 现工业化生产。 属于工程塑料。 聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）密度为1.311.55g/cm3。无味、无毒及无臭， 阻燃性好。目前所用的PBT大部分是用玻璃纤维增强的。 聚对苯二甲酸乙二酯（PET）密度为1.301.38g/cm3。以前作为合成纤维（ 俗称“的确良”，我国商品名是“涤纶”）后来用于生产薄膜，不断改进后作为工 程塑料。 6.聚甲醛（POM） 以三聚甲醛为原料聚合而成的热塑性工程塑料，1959年工业化生产，产 量仅次于尼龙。 半透明到不透明的白色颗粒，密度为1.42 g/cm3。着色性好，易燃，高结 晶性、高熔点。POM是一种坚韧有弹性的材料。按其合成方法有均聚甲醛和 共聚甲醛两大类。俗称：赛钢 突出特点是有良好的综合力学性能，比强度、比刚度与金属接近，超过尼龙。 高结晶性、耐磨及自润滑性仅次于尼龙，但比尼龙便宜。 耐疲劳性是所有塑料中最好的，耐反复冲击性好过PC和ABS。 温度、湿度对其性能影响不大，即使在低温下仍有很好的抗蠕变特性、几何稳 定性和抗冲击。吸湿性小，可用来制造精密零件。 缺点：收缩率大，在成型温度下的稳定性差 用途：POM具有很低的摩擦系数和很好的几何稳定性，特别适合于制作齿轮和 轴承。由于它还具有耐高温特性，因此还用于管道器件（管道阀门、泵壳体） 。 7. 聚氯乙烯（ PVC ） 是由氯乙烯单体经聚合而成，早在20世纪30年代已实现工业化生产，原 料易得，价格低廉，是热塑性通用塑料中耗能和生产成本最低的品种，世界 产量仅次于聚乙烯，我国（聚氯乙烯）在20世纪90年代前一直位居第一，90 年代以后被聚乙烯取代。 白色或淡黄色粉末，含15%以下增塑剂的PVC称为硬PVC，含15%以上 增塑剂的PVC称为软PVC，硬PVC密度1.351.45 g/cm3。软质1.161.70g/cm3 。 特性： 材料中增塑剂含量决定软硬程度（一般在5590度）。 PVC材料热稳定性差，易分解，在力、热及氧等条件下分解出HCI气体 ，所 以 PVC在加工时熔化温度是一个非常重要的工艺参数，如果此参数不当将导 致材料分解的问题。 PVC材料具有不易燃性、高强度、以及优良的几何稳定性 PVC材料在实际使用中经常加入稳定剂、润滑剂、增塑剂 。 PVC对氧化剂、还原剂和强酸都有很强的抵抗力 ，化学稳定性高。 用途：供水、防腐、输油、家用管道，房屋墙板，各种管接头以及型材 （硬 PVC） 电子产品包装，医疗器械（输液管）、食品包装、玩具、薄膜、窗帘、台布 等。（软PVC） 8. 聚碳酸酯（PC） 指分子主链上含有碳酸酯基团的热塑性树脂总称。PC是一种非晶体工程材 料，1958年工业化生产。 无色或淡黄色的透明塑料，透光率接近有机玻璃，无毒、无味、无臭、密 度1.21.52 g/cm3。 特性： 俗称：防弹胶 具有优良的力学性能，冲击强度高居塑料之冠，抗蠕变性优于PA和POM，因 而尺寸稳定性好，塑件精度高。 热性能好，使用温度可达130，脆化温度-100。 高透明度 。 耐疲劳强度差，耐磨性差，塑件内应力较大，易开裂，对缺口敏感。 流动性较差，因此这种材料的注塑过程较困难 。 用途：电气和商业设备（计算机元件、连接器等），器具（食品加工机、电冰 箱抽屉等），交通运输行业（车辆的前后灯、仪表板等）。 9.聚酰胺（PA） 由二元胺和二元酸通过缩聚反应而制得，又称尼龙（NYLON），1940年实 现工业化生产，首先用于合成纤维，在我国的商品名为“锦纶”，而后用作塑料的 。是工程塑料中发展最早的品种，改性产品已有几十种系列。聚酰胺（PA）主 要品种有尼龙6、尼龙66，尼龙1010是我国特有的主要产品，1958年研制，1961 年工业化生产。 白色或淡黄色结晶颗粒，无毒，易吸水，易染色，密度：1.14 g/cm3左右。 特性： 尼龙具有优良的力学性能，耐磨性高于作轴承的钢、铜合金及普通钢，比强度 高于金属，机械强度优异，可替代金属材料，广泛用于制造齿轮、蜗轮、密封 垫片、轴承等。 热变形温度低（只能在80100以下使用），吸湿性大（吸水后冲击强度、硬 度、刚度显著增加），尺寸稳定性差。 抗冲击强度高 尼龙66在尼龙材料中结构最强，尼龙6具有最佳的加工。 用途：尼龙6由于有很好的机械强度和刚度被广泛用于结构部件。由于有很好 的耐磨损特性，还用于制造轴承。 同PA6相比，PA66更广泛应用于汽车工业、仪器壳体以及其它需要有抗冲击性 和高强度要求的产品。 10. 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA） 由丙烯酸或丙烯酸衍生物为单体或以它们为主与不饱和化合物共聚制得的 一类丙烯酸树脂。又称有机玻璃，1933年实现工业化生产。 透明非结晶形热塑性塑料，透光率高达92%，密度1.18 g/cm3。 特点： 俗称：亚加力 力学强度和韧性是硅玻璃的10倍以上，坚韧、质轻、不易变形。 在所有塑料中透光性是最好的。 具有优良的耐