塑料模设计讲稿1.1

1、 上海工程技术大学材料工程学院上海工程技术大学材料工程学院 塑料模设计塑料模设计 主讲教师：廖秋慧主讲教师：廖秋慧 学时数：学时数：6464 课程性质：考试课程性质：考试 课程研究内容：课程研究内容： 注塑模具设计方法 ；注塑件结构设 计；常用的注塑工艺设计方法。 重点：重点： 注塑模具设计方法。 课程基本要求：课程基本要求： 了解常用塑料的性能和工艺性； 掌握几种主要塑料成型方式； 掌握注塑模设计特征及方法。 课程名称：塑料模设计课程名称：塑料模设计 内容简介：内容简介： 本章主要讲述塑料及其应用； 塑料的组成；塑料的分类；塑料成型的加 工适应性（包括热塑性塑料和热固性塑料 的工艺特性）；塑

2、料的主要成型方法等。 第第1章章 概论概论 第第1 1章章 塑料的基本概念塑料的基本概念 1.1 塑料定义及其应用 1.2 塑料的分类 1.3 塑料的组成 1.4 塑料成型的工艺特性 1.5 热塑性塑料的工艺特性 1. 1. 塑料（高聚物）：塑料（高聚物）： 以合成树脂合成树脂为基本成分，在一定条件一定条件 下可模塑成形下可模塑成形，而产品最后能够保持形状不变的 材料。 合成树脂可直接做塑料使用，如PE、PS、PA 合成树脂助剂，如酚醛树脂、氨基树脂、 PVC 2. 2. 塑料的特点：塑料的特点： 1.1、塑料的定义及其应用特点 1 1 密度小、质量轻密度小、质量轻 塑料的密度约为0.92.3

3、gcm3，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0.83g cm3，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 2 比强度高比强度高 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 3 绝缘性能好、介电损耗低绝缘性能好、介电损耗低 金属导电是其

4、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 4 化学稳定性高化学稳定性高 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”。 由于塑料的化学稳定性高，所以它 们在化学工业中应用很广泛，可

5、以用来 制作各种管道、密封件和换热器等。 5 5 减摩、耐磨性能好减摩、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 6 减振、隔音性能好减振、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

6、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。 除了上述几点之外，许多塑料还都 具有透光和绝热性能，或可以与金属一 样进行电镀、着色和焊接，从而使得塑 料制品能够具有丰富的色彩和各种各样 的结构形式。另外，许多塑料还具有防 水、防潮、防透气、防辐射以及耐瞬时 烧蚀等特殊性能。 1.2 塑料的分类： 根据性能、应

7、用、组成和结构等有不同的分类方法。 按受热后所表现的性能不同按受热后所表现的性能不同来划分： 1) 热固性塑料热固性塑料：在一定的温度和压力等条件下保持一定 的时间而固化，固化后成为不能熔融，不能溶化的刚硬材 料。 如：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 2) 2) 热塑性塑料：热塑性塑料：在特定的温度范围内能反复加热软化和 冷却硬化成型，受热时主要是通过物理变化而使其几何构 型发生变化，再次受热后仍具有可塑性，但性能有所降低。 如：聚乙烯（PE)、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

8、(POM)、聚酰胺 (PA)(尼龙)、聚碳酸酯(PC)、苯乙烯丙烯腈(SAN)等。 具体区别见表1-1。 成型前， 塑料中树 脂分子结 构 使制品固 化定型的 模具温度 条件 成型后， 塑料中树 脂分子结 构 成型过程 中树脂所 发生的变 化 制品的熔 化，溶解 性能 塑料的使 用性 常采用 的成型 方法 热 塑 性 塑 料 线型或支 链状线型 聚合物分 子 冷却 基本与成 型前的相 同 物理变化 （可能有 少量分解 或交链现 象发生） 可熔化 可溶解 反复多次 使用（可 回收废料） 注射、 挤出、 吹塑等 热 固 性 塑 料 线型聚合 物分子 加热（提 供交联反 应温度 转变为体 型分子 既

9、有物理 变化，又 有化学变 化。有低 分子析出 既不可熔 化，也不 可溶解 一次性使 用，因成 型过程不 可逆 压缩或 压注。 有的品 种可以 采用注 射 表1-1热塑性塑料与热固性塑料有关成型方面的区别 按塑料的用途来划分：按塑料的用途来划分： 1) 通用塑料通用塑料： 一般指产量大、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。 2) 2) 工程塑料：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、

10、聚酰亚胺(PI)等。 1.3 塑料组成： 树脂和助剂按不同比例配制， 可获得不同性能的塑料。 1) 树脂树脂（40%65%）：天然树脂和合 成树脂，决定塑料最基本的物理化学性质。 高分子内部结构决定了最基本的物理化学 性质，而外部结构决定加工性能和物理机 械性能。 2) 助剂助剂：填充剂、增塑剂、着色剂、 稳定剂、润滑剂等。 a线状 b支链状 c网状 d体型状 图1 高聚物分子链的空间构型形式 a b c d 热塑性塑料：树脂分子链成型前后都是线性或带支链的结构热塑性塑料：树脂分子链成型前后都是线性或带支链的结构 热固性塑料：树脂固化前是线性或带支链的结构，固化后为热固性塑料：树脂固化前是线性

11、或带支链的结构，固化后为 立体网状结构立体网状结构 结晶型塑料：塑料凝固时有晶核到晶粒的生成过程，形成支结晶型塑料：塑料凝固时有晶核到晶粒的生成过程，形成支 链状结构，链状结构，PEPE、PPPP、PAPA、POMPOM等等 无定型塑料：塑料凝固时有晶核到晶粒的生成过程，自由大无定型塑料：塑料凝固时有晶核到晶粒的生成过程，自由大 分子链的分子链的“冻结冻结”，PSPS、PVCPVC、有机玻璃、有机玻璃、PCPC等等 1) 1) 填充剂：填充剂： 填充剂又称填料，通常对聚合物呈 惰性。一般为粉末状物质，如石墨、云 母、石棉纤维及玻璃纤维等，其用量可 达塑料的20%50%。 作用：改善塑料的成型性

12、能、减小塑料中 的聚合物用量以及提高塑料的某些性能。 2) 2) 增塑剂：增塑剂： 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能与聚 合物相溶并且不易挥发的有机化合物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。增塑剂加入聚合物后，其 分子可插入到大分子链之间，并因此而削弱聚 合物大分子之间的作用力， 从而导致聚合物 的粘流温度和玻璃化温度下降，粘度也随之减 小，故流动性可以提高。增塑剂加入聚合物后， 还能提高塑料的伸长率、抗冲击性能以及耐寒 性能，但其硬度、强度和弹性模量却有所下降。 3) 3) 稳定剂：稳定剂： 为了防止或抑制不正常的降解和

13、交联，需 要在聚合物中添加一些能够稳定其化学性质的能够稳定其化学性质的 物质物质，这些物质称为稳定剂。根据发挥作用的 不同可分为热稳定剂、抗氧化剂和光稳定剂。 生产中，稳定剂的添加量一般大于2%，也有少 数情况下高达5%。 （1）热稳定剂：金属皂类 （2）抗氧化剂：酚类、胺类等有机物 （3）光稳定剂：炭黑等 4) 4) 润滑剂：润滑剂： 为了改善塑料改善塑料在注塑成型过程中的流动的流动 性性能，并减少或避免减少或避免塑料熔体对设备及模具 的粘附和摩擦摩擦，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。它 还能使塑料表面保持光洁。 5) 5) 增强剂：增强剂： 增强剂是填充剂中的

14、一个类型，多用于热 固性塑料，可以提高塑料制品的物理性能和 力学强度。 6)6)交联剂：交联剂： 亦称硬化剂，添加在聚合物中能促使聚 合物进行交联反应或加快交联反应速度，一 般多用在热固性塑料中。可以促使制品加速 硬化。 7)7)着色剂：着色剂： 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。着色剂用量一般为 0.01%0.02%,一味提高用量并不能加重色泽 和鲜艳程度。 8) 8) 其他助剂：其他助剂： （1）阻燃剂：添加在聚合物中可以阻止或延缓 塑料燃烧的物质。 （2）驱避剂：添加在聚合物中防止老鼠、昆 虫、细菌和霉菌危害的物质。 （3）防

15、静电剂：添加在聚合物中能防止塑料遭 静电危害的物质。 （4）偶联剂：添加在聚合物中能提高聚合物和 增强剂、填充剂界面间结合力的物质。 （5）开口剂：添加在聚合物中防止塑料薄膜层 之间粘连的物质。 1.4 塑料成型的工艺特性： 聚合物的物理状态：聚合物的物理状态： 玻璃态、高弹态和粘流态 聚合物的物理化学变化：聚合物的物理化学变化： 结晶、取向、交联和降解 聚合物的物理状态：聚合物的物理状态： 聚合物在不同条件下表现出的分子热运动特征，和 温度密切相关。 脆化温度； b T 玻璃化温度； g T 粘流温度； f T 熔点或结晶温度； m T 热分解温度； d T 无定型聚合物存在三种物理状态，

16、结晶型聚合物通常不存在高弹态，热固性 塑料通常不存在粘流态甚至高弹态。 聚合物的物理状态：聚合物的物理状态： 小结：大部分聚合物的成型加工是在粘流状态中实现的。 1) Tg的主要决定因素是高分子链本身的刚性和柔性。因此加入增塑剂Tg下 降，反之引起交联、结晶、取向的因素Tg升高。同样对Tf和Tm也有相 同影响。 g T m T25 . 1= g mT T 和 存在一定的关系： ，不对称聚合物取1.5，对称聚合物取2。2) 注塑时，料筒的第三段温度要设定在Tm或Tf 以上，然后以降低1525 的温度梯度依次设定第二段和第一段料筒温度。 4) 注塑时，应严格控制热分解温度。 5) 不同状态下塑料具

17、有不同的加工工艺性。 部分聚合物的热分解温度范围部分聚合物的热分解温度范围 聚合物 热分解温度范围 （C） 聚合物 热分解温度范围 （C） 聚乙烯335 450聚苯乙烯300 400 聚丙烯328 410聚乙烯丁二烯共聚物327 430 聚异丁烯288 425聚甲基丙烯酸甲酯170 300 聚四氟乙烯508 538聚丙烯腈335 450 聚三氟氯乙烯347 418三醋酸纤维素250 280 聚醋酸乙烯213 325聚甲醛222 聚乙烯醇250聚环氧乙烷324 363 聚乙烯醇缩丁醛300 325聚环氧丙烷270 355 聚氯乙烯200 300尼龙6310 380 聚氟乙烯372 480尼龙66

18、310 380 聚偏二氯乙烯225 475聚对苯二甲酸二醇酯283 306 热塑性塑料在不同状态下的物理、工艺性能热塑性塑料在不同状态下的物理、工艺性能 状态玻璃态高弹态粘流态 温度Tg以下Tg Tf（Tm）Tf（Tm） Td 分子状态 分子为无规则 线团或卷曲状 分子链展开，链段运动 高分子链运动， 彼此滑移 工艺状态坚硬的固态高弹性固态，橡胶状 塑性状态或高 粘滞状态 可加工性 可作为结构材 料进行锉、锯、 车、铣、钻等 机械加工 真空成型、压力成型、压延 和弯曲成型, 结晶型塑料可进 行薄膜和纤维拉伸，成型后 产生较大内应力 可注射、挤出、 吹塑等，成型 后内应力小 聚合物的物理化学变化

19、：聚合物的物理化学变化： 1) 取向取向：塑料中的聚合物大分子、细而长的纤维状 填料分子在成型过程中由于受到应力作用而产生分子整齐、 平行排列的现象，这种现象称之为分子取向分子取向。 如图2-122-12 2) 分子定向作用：分子定向作用：有定向分子存在将对制品的力学性能、收 缩与变形产生重要影响。 影响分子定向的因素：影响分子定向的因素： 定向方向定向方向 在流动取向下，分子方向沿着料流方向平行 排列。料流方向又取决于料流进入型腔的位置即浇口位置， 故在型腔一定时影响分子定向方向的因素是浇口位置。 定向程度定向程度 分子定向程度与塑料的类别和塑料制品的壁厚 大小有关。此外，分子定向程度还与注

20、射工艺条件及模具的 浇口设计关系密切，现将其各项影响及相互关系归纳列于表 1212中。 聚合物的物理化学变化：聚合物的物理化学变化： 表表1-2成型条件与模具浇口对分子定向程度的影响成型条件与模具浇口对分子定向程度的影响 影响因素定向程度 增大 减小 成 型 物料温度 充模温度 注射压力 塑料充模时间 条件 模具温度 制品冷却速度 冷 热 慢 快 高 低 长 短 冷 热 快 慢 模具 浇口位置选择 浇口 浇口截面大小 选较薄处 选较厚处 大 小 1.5 1.5 热塑性塑料的工艺特性热塑性塑料的工艺特性 1.5.1 收缩性收缩性 影响塑件成型收缩的因素主要有：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 由于影响塑料收缩率变化的因素很多，而且相当复杂， 所以收缩率是在一定范围内变化的。 %100 %100 b bc S b ba S j s 1.5 1.5 热塑性塑料的工艺特性热塑性塑料的工艺特性 1.5.2 流动性流动性 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。熔融指数采用如图1-1所示的标准装置 来测定。螺旋线长度实验法如图1-2所示