工业设计材料与工艺 塑料

1、 本章主要内容n第一节第一节 常用工程塑料及其性质常用工程塑料及其性质n第二节第二节 工程塑料的成型技术与工艺工程塑料的成型技术与工艺n第三节第三节 表面处理与装饰技术表面处理与装饰技术高分子材料高分子材料n塑料属高分子材料塑料属高分子材料，高分子材料高分子材料又称高分又称高分子化合物或高分子聚合物（高聚物），是子化合物或高分子聚合物（高聚物），是以高分子化合物为主要成份的有机材料。以高分子化合物为主要成份的有机材料。n高分子材料高分子材料分两类：分两类：n蚕丝、羊毛、纤维素、油脂、天然蚕丝、羊毛、纤维素、油脂、天然橡胶橡胶、淀粉、蛋、淀粉、蛋白质等白质等n塑料塑料、合成橡胶、合成纤维、胶粘剂

2、、涂料等、合成橡胶、合成纤维、胶粘剂、涂料等n工程上使用的主要是人工合成的高分子材料。工程上使用的主要是人工合成的高分子材料。n高分子化合物高分子化合物是指相对分子质量很是指相对分子质量很大的化合物（大的化合物（5000以上乃至几百万）以上乃至几百万）n低分子化合物低分子化合物相对分子质量在相对分子质量在500以下。以下。n 在这个数量之间的根据其性能来确定。在这个数量之间的根据其性能来确定。 高分子材料高分子材料n一般性能：一般性能： n高分子化合物一般有较好的弹性、塑性和强度，高分子化合物一般有较好的弹性、塑性和强度，低分子化合物这些性能较低。低分子化合物这些性能较低。所以，高分子化合物是

3、相对分子量大到使其机械性能具有工程意义的化合物。高分子材料高分子材料n几个概念：几个概念：n单体单体n高分子化合物高分子化合物由由低分子化合物体低分子化合物体通过聚核反通过聚核反应获得，组成高分子化合物的低分子化合物应获得，组成高分子化合物的低分子化合物称作单体。称作单体。n链节链节n大分子链由许多结构相同的基本单元重复连大分子链由许多结构相同的基本单元重复连接构成，组成大分子链的这种结构单元称作接构成，组成大分子链的这种结构单元称作链节。链节。高分子材料高分子材料高分子材料高分子材料高分子材料高分子材料n一种或几种单体相互加成而链结成聚合物的反应。（应用80%以上）n例：例：聚乙烯的反应方程

4、式聚合反应：加（成）聚合反应聚合反应：加（成）聚合反应n一种或几种单体相互混合而连结成聚合物，同时析出（缩去）某种低分子物质（如：水、氨、醇、卤化氢等）的反应。反应生成物成份与单体不同，反应较复杂。少用。缩（合）聚（合）反应缩（合）聚（合）反应n组成大分子链的化学元素主要是碳、氢、氧，组成大分子链的化学元素主要是碳、氢、氧，另外还有氮、氯、氟、硼、硅、硫等元素，另外还有氮、氯、氟、硼、硅、硫等元素，其中碳是形成大分子链的主要元素。其中碳是形成大分子链的主要元素。n大分子链的原子以共价键结合，其组成元素大分子链的原子以共价键结合，其组成元素不同，原子间共价键力就不同，高分子材料不同，原子间共价键

5、力就不同，高分子材料的性能亦不同。的性能亦不同。大分子链的化学组成、形态和聚合态大分子链的化学组成、形态和聚合态n形态：形态：n分子链的形态对聚合物性能有显著影响。分子链的形态对聚合物性能有显著影响。n大分子链可呈现不同的几何形状，主要有线大分子链可呈现不同的几何形状，主要有线型、支化型、和体型（或网型）三类。型、支化型、和体型（或网型）三类。大分子链的化学组成、形态和聚集态大分子链的化学组成、形态和聚集态n高分子材料的聚合态：高分子材料的聚合态：n晶态晶态n部分结晶态部分结晶态n非晶态（玻璃态）非晶态（玻璃态）大分子链的化学组成、形态和聚合态大分子链的化学组成、形态和聚合态高分子材料的性能高

6、分子材料的性能n机械性能：高聚物的物理、力学状态机械性能：高聚物的物理、力学状态n线性非晶态高聚物的三种力学状态：线性非晶态高聚物的三种力学状态：n 线性非晶态高聚物在不同温度下表现出三种物理状态，即玻璃态、高弹态和粘流态。塑料制品的简单生产流程塑料制品的简单生产流程塑料制品生产系统组成塑料制品生产系统组成n1 合成树脂（高聚物）合成树脂（高聚物）n是由低分子化合物通过缩聚或加聚反应合成的由低分子化合物通过缩聚或加聚反应合成的高分子化合物高分子化合物,如酚醛树脂、聚乙烯等,是塑料的主要组成,也起粘接剂作用。合成树脂在塑料中的含量约占40%100%，对塑料的性能起决定性作用。塑料的组成塑料的组成

7、n2添加剂添加剂 为改善性能而加入的其他组分,主要有以下几种：n填料在塑料中主要起增强作用。有时也可改善或提高塑料的某些特殊性能,以扩大其应用范围。填料的用量可达20%50%, 是塑料改性最重要的组成。n例如：n加入石墨、石棉纤维或玻璃纤维等,可以改善塑料的机械性能；n加人石棉粉可提高塑料的耐热性；n加入云母粉可提高塑料的电绝缘性；n加入二硫化钼等可提高塑料的自润滑性；n加入铝粉可提高塑料对光的反射能力等。塑料的组成塑料的组成n2添加剂添加剂n它的作用在于通过交联使树脂具有体型网状它的作用在于通过交联使树脂具有体型网状结构结构,成为较坚硬和稳定的塑料制品。成为较坚硬和稳定的塑料制品。n例如：例

8、如：n在酚醛树脂中加入六亚甲基四胺；在酚醛树脂中加入六亚甲基四胺；n在环氧树脂中加入乙二氨、顺丁烯二酸酐等。在环氧树脂中加入乙二氨、顺丁烯二酸酐等。塑料的组成塑料的组成n2添加剂添加剂n(3) 增塑剂增塑剂n用以提高树脂可塑性和柔性的添加剂。常用的为用以提高树脂可塑性和柔性的添加剂。常用的为液态或低熔点的固体有机化合物。液态或低熔点的固体有机化合物。n例如：聚氯乙烯树脂中加入邻苯二甲酸二丁酯例如：聚氯乙烯树脂中加入邻苯二甲酸二丁酯,可变为橡胶一样的软塑料。可变为橡胶一样的软塑料。塑料的组成塑料的组成n2添加剂添加剂n(4)稳定剂稳定剂n为了防止受热、光等的作用使塑料过早老化为了防止受热、光等的

9、作用使塑料过早老化,加加入少量能起稳定化作用的物质。入少量能起稳定化作用的物质。n例如：例如：n能抗氧的物质有酚类和胺类等有机物能抗氧的物质有酚类和胺类等有机物;n炭黑则可作紫外线吸收剂。炭黑则可作紫外线吸收剂。n其他一些添加剂其他一些添加剂,如如。塑料的组成塑料的组成塑料的特性塑料的特性。虽然塑料制品的性能,根据其种类、成型条件及使用环境等变化较大,但与其它材料相比较,塑料具有良好的综合特性。1 多数塑料制品有透明性,并富有光泽,能着鲜艳色彩。2 质轻,耐振动与冲击,比强度高（按单位质量计算的强度）n塑料比金属轻,一般塑料比重在0.92.3之间(各种泡沫塑料的比重在0.010.5之间)；n强

10、度较高，有些增强塑料的比强度接近甚至超过钢材。例如合金钢材，其单位质量的拉伸强度为160兆帕，而用玻璃纤维增强的塑料可达到170 400兆帕。n大多数塑料具有优良的减摩、耐磨和自润滑特性。如工程塑料制造的耐摩擦零件；在耐磨塑料中加入某些固体润滑剂和填料时，可降低其摩擦系数或进一步提高其耐磨性能。 n减震消音，具有柔韧性和弹性塑料的特性塑料的特性n3 塑料电绝缘性、热物理性能好。n几乎所有塑料都具有优异的电绝缘性能，如极小的介电损耗和优良的耐电弧特性，可与陶瓷媲美n导热率极小,只有金属的1/6001/200,泡沫塑料的导热率与静态空气相当,因此被广泛用作绝热保温材料或建筑节能、冷藏等绝热装置材料

11、。塑料的特性塑料的特性n4 优良的化学稳定性能n一般塑料对酸碱等化学药品均有良好的耐腐蚀能力n特别的如，聚四氟乙烯的耐化学腐蚀性能比黄金还要好，甚至能耐王水等强腐蚀性电解质的腐蚀，被称为塑料王。塑料的特性塑料的特性n5 塑料、加工方便,能大批量生产n容易进行切削、焊接、表面处理等二次加工,精加工成本低,用塑料制品代替金属制品,可以节约大量金属材料。塑料的特性塑料的特性n塑料与金属及其它工业材料相比较有如塑料与金属及其它工业材料相比较有如下缺点：下缺点：n1 塑料不耐高温,低温容易发脆n多数塑料虽不易燃烧,但在300以上发生变形,燃烧时放出有毒气体。由于耐热性较差,使塑料的用途受到限制塑料的缺点

12、塑料的缺点n2 塑料制品易变形n温度变化时尺寸稳定性较差,成型收缩较大,即使在常温负荷下也容易变形。n3 塑料有“老化”现象n塑料在长时间使用或贮藏过程中,质量会逐渐下降。这是由于受周围环境如氧气、光、热、辐射、它是塑料制品性能的一个严重缺陷。塑料的缺点塑料的缺点塑料的分类塑料的分类n塑料的分类体系比较复杂，各种分类方法也有所交叉，按常规分类主要有以下三种：n一是按使用特性分类按使用特性分类；n二是按理化特性分类按理化特性分类；n三是按加工方法分类按加工方法分类。 n通常分通用塑料、工程塑料和特种塑料三种。 n1）通用塑料 一般是指、的塑料如聚乙烯、聚丙烯、酚醛等塑料的分类塑料的分类1、按使用

13、特性分类n2) 工程塑料 一般指能承受一定外力作用，具有良好的机械性能和耐高、低温性能，尺寸稳定性较好，可以用作工程结构的塑料，如聚酰胺、聚砜等。 分为以下两大类。：聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、改性聚苯醚、热塑性聚酯、超高分子量聚乙烯、甲基戊烯聚合物、乙烯醇共聚物等交联型：聚氨基双马来酰胺、聚三嗪、交联聚酰亚胺、耐热环氧树指等。非交联型：聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚醚酮（PEEK）等 n具有较高物理机械性能，应用于工程技术领域塑料的分类塑料的分类1、按使用特性分类n 3) 特种塑料 一般是指具有特种功能，可用于航空、航天等特殊应用领域的塑料。n如氟塑料和有机硅具有突出的耐高温、自润滑等

14、特殊功用n增强塑料和泡沫塑料具有高强度、高缓冲性等特殊性能 塑料的分类塑料的分类1、按使用特性分类n4) 增强塑料粒状（如钙塑增强塑料）纤维状（如玻璃纤维或玻璃布增强塑料）片状（如云母增强塑料）布基增强塑料（如碎布增强或石棉增强塑料）无机矿物填充塑料（如石英或云母填充塑料）纤维增强塑料（如碳纤维增强塑料） 塑料的分类塑料的分类1、按使用特性分类n5) 泡沫塑料n可分为硬质、半硬质和软质泡沫塑料三种。n硬质泡沫塑料没有柔韧性，压缩硬度很大，只有达到一定应力值才产生变形，应力解除后不能恢复原状；n软质泡沫塑料富有柔韧性，压缩硬度很小，很容易变形，应力解除后能恢复原状，残余变形较小；n半硬质泡沫塑料

15、的柔韧性和其他性能介于硬质他软质泡沫塑料之间塑料的分类塑料的分类1、按使用特性分类n1) 热固性塑料 指在受热或其他条件下能固化或具有不溶（熔）特性的塑料，如酚醛塑料、环氧塑料等。又分两种： n甲醛交联型：包括酚醛塑料、氨基塑料（如脲甲醛三聚氰胺甲醛）n其他交联型：包括不饱和聚酯、环氧树脂、邻苯二甲二烯丙酯树脂等n 2) 热塑料性塑料n指在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料，如聚乙烯、聚四氟乙烯等n又分烃类、含极性基因的乙烯基类、工程类、纤维素类等多种类型塑料的分类塑料的分类2、按按理化特性分类 多为物性和加工性能与一般热固性塑料相类似的塑料； 指浸有树脂的纤维织物，经叠合、热压而结

16、合成为整体的材料； 多为物性和加工性能与一般热塑性塑料相类似的塑料； 是指能在无压或稍加压力的情况下，倾注于模具中能硬化成一定形状制品的液态树脂混合料，如MC尼龙等； 是用液态原材料，加压注入膜腔内，使其反应固化成一定形状制品的塑料，如聚氨酯等塑料的分类塑料的分类3、按加工方法分类按密度分低密度、中密度、高密度按聚合压力分高压聚乙烯、中压聚乙烯、低压聚乙烯按分子量大小分低分子量聚乙烯、超高分子量聚乙烯塑料的分类塑料的分类4、其他分类方法常用塑料及其应用常用塑料及其应用n热塑性塑料热塑性塑料n五大品种：五大品种：PE、PVC、PS、PP、ABSn氟塑料氟塑料n高分子复合材料：玻璃钢、碳纤维增强塑

17、料高分子复合材料：玻璃钢、碳纤维增强塑料 1聚乙烯（聚乙烯（PE塑料）塑料）n由乙烯聚合而成，分子式：（由乙烯聚合而成，分子式：（CH2CH2）nn其原料充足，产量一直是世界塑料产量的首位，其原料充足，产量一直是世界塑料产量的首位，在我国具第二位，仅次于在我国具第二位，仅次于PVC塑料，属易加工塑料，属易加工塑料塑料n分类：n第一类：PE-HD n对于密度为0.91-0.925g/cm3，为第一类型PE-HD；n对于密度为 0.926-0.94g/cm3，为第二类型PE-HD；n对于密度为0.94-0.965g/cm3，为第三类型PE-HD。n第二类：PE-LDn特点：在所有塑料中密度较低 n

18、PE-HD是高结晶材料，高结晶度导致了它的高密度、抗张力强度、高扭曲温度，粘性以及化学稳定性nPE-HD比PE-LD抗渗透性强、但抗冲击强度较低PH-HD的特性主要由密度和分子量分布所控制nPE-LD是半结晶材料，成型后收缩率较高，在1.5%到4%之间。n分子量越高，PH-LD的流动特性越差，但是有更好的抗冲击强度。1聚乙烯（聚乙烯（PE塑料）塑料）n性能：n由于其在密度、结晶度、分子量方面的差异其性能差异是较大的。n一般，低密度聚乙烯的机械性能较高密度聚乙烯稍差，制品较高密度聚乙烯软。n无毒。n电绝缘性能、耐化学腐蚀性能、耐低温性能和流动性能优良。n柔顺性、热塑性、弹性、透气性好；透水性差。

19、1聚乙烯（聚乙烯（PE塑料）塑料）n性状：白色或浅白色腊状半透明固体。薄膜状聚乙烯几乎透明。n常用方面： n薄膜 线型低密度聚乙烯地膜覆盖用薄膜（应用最多）、农用大棚薄膜、包装用薄膜、果品保鲜用薄膜、防化膜、其他吹塑超薄薄膜等1聚乙烯（聚乙烯（PE塑料）塑料）n常用方面：n管材 线性低密度聚乙烯软管用于电线、电缆绝缘护管、套；管可用于煤气管、自来水上下水管、农用暗管、60以下耐蚀性输液管道等。n塑料容器 高密度聚乙烯可制作中空容器如周转箱、瓦楞箱、桶、瓶、大型储槽等n机械零件 超高分子量聚乙烯具有良好的耐磨性，用于各种机械零部件做不粘、耐磨、低噪音的润滑部件，如密封圈、轴承、低载的齿轮、人体关

20、节等。用火焰法或静电法喷覆于金属表面，已提高耐磨性及耐腐蚀性，如家电外壳。1聚乙烯（聚乙烯（PE塑料）塑料）n常用方面：n日用品 皂合（常用着色剂：荧光黄、透明红、荧光绿）塑料袋、药品瓶、油桶、餐具、玩具、花、日用杂品等。 n其他 n 板材（即出版材、片材）n人造革n单丝n泡沫塑料及其制品1聚乙烯（聚乙烯（PE塑料）塑料）2聚丙烯（聚丙烯（PP）n属易加工塑料。n分子式： n特点：n由于分子链上挂有侧基CH3,不利于分子排列的规整度和柔性，使刚性增大。n相对密度在塑料里最小，仅为0.900.91/cm3。时塑料中最轻的塑料。n性状：n制品表面低透明度、低光泽度，透明好于聚乙烯，易着色。2聚丙烯

21、（聚丙烯（PP）n性能：n机械性能(强度、硬度、和弹性等)均高于聚乙烯。n拉伸强度为3240兆帕n弯曲强度为4055兆帕n抗弯折能力强，抗冲击强度高nPP的强度随着乙烯含量的增加而增大。由于结晶度较高，这种材料的表面刚度和抗划痕特性很好，不存在环境应力开裂问题。n通常采用加入玻璃纤维、金属添加剂或热塑橡胶的方法对PP进行改性。n耐高温（100以下可长期工作），低温性能稍差n优良的电绝缘性和耐腐蚀性能在常温下耐酸、碱腐蚀n冲击韧性差，抗老化差，透气性比PE大2聚丙烯（聚丙烯（PP）n常用方面：n工农业 n 喷灌管、化工管道、板材、电缆包覆和护套、打包带、包装袋、瓦楞板等n 机械零件 n法兰、齿轮

22、、手把、接头、汽车水、油箱壳体、电视机壳体等n日用品 n 水杯、食具、玩具、饮料、药品容器、包装薄膜如玻璃纸透明。n纺织品 n丙纶纤维、无纺布等。n另外 n 聚丙烯改性后，大大扩展了其用途，可做成仿木材。发泡制品可作包装材料使用。2聚丙烯（聚丙烯（PP）聚丙烯板提供了多种颜色和印刷工艺,从而使这种材料在外形上为日常用品的生产提供了许多无尽的可能性.可用于家具,包装,照明设备,文具,垫。3聚氯乙烯聚氯乙烯(PVC)n 由乙炔气体和氯化氢合成氯乙烯，再聚合而成,是热塑性塑料。n分子式： n特点：n聚氯乙烯的分子链中存在极性氯原子,增大了分子间的作用力,阻碍了单链内旋,减小了分子链间距离,所以刚度、

23、强度和硬度均比聚乙烯高。质硬、耐老化性好。n优点：具有轻质、防水、防潮隔热、保温、防潮、阻燃、施工简便等。规格、色彩、图案繁多，极富装饰性，可应用于居室内墙和吊顶的装饰，是塑料类材料中应用最为广泛的装饰材料之一。n缺点：怕火，不耐高温，在较热的环境中工作容易变形。3聚氯乙烯聚氯乙烯(PVC)n硬质聚氯乙烯（薄璃球树脂）n加人少量增塑剂、稳定剂和填料获得，具有较高的机械强度和较好的耐蚀性（酸、碱）。拉伸强度为4050兆帕。n软质聚氯乙烯（棉花球树脂） n增塑剂加入量达30%40%时,制得软质聚氯乙烯,其延伸率高,制品柔软,具有良好的耐蚀性和电绝缘性。拉伸强度在1020兆帕。3聚氯乙烯聚氯乙烯(P

24、VC)n性状：n白色粉末，密度1.4。n常用方面：n工农业 n农用薄膜（透气、透紫外线）、雨布耐酸、碱管、绝缘层、电线管、医药卫生器具n国防 n 结构零件n建材 n墙板、天花板、目前大量用于饰条、室内门窗、塑钢门窗等。3聚氯乙烯聚氯乙烯(PVC)聚乙烯薄膜 无毒，可盛放食物，强度差些，不能受80以上高温，有一定透气性，不宜长期盛装茶叶、香料等聚氯乙烯薄膜 毒性，不宜与食品直接接触。常用于做雨衣、鞋底、床罩、窗帘、桌布、手提包等（1）触摸法 手摸起来有润滑感，蜡感，是聚乙烯膜袋，而聚氯乙烯薄膜摸起来有些发粘（2）抖动法 用手抖动，声音发脆，质轻易漂浮是聚乙烯薄膜袋；声音低沉为聚氯乙烯薄膜袋（3）

25、燃烧法 易燃，火焰呈黄色，燃烧时有石蜡状油滴落，并有蜡烛燃烧时的气体，是聚乙烯薄膜袋。不易燃烧，离火即灭，火焰呈绿色，为聚氯乙烯薄膜袋（4）浸水法 将塑料袋浸入水中，用手按压入水后，能浮出水面的为聚乙烯，沉入水底的为聚氯乙烯（聚乙烯的密度小于水，聚氯乙烯的密度大于水；常温时分别约为0.92g/cm3和1.4g/cm3）4聚苯乙烯（聚苯乙烯（PS）n 聚苯乙烯由苯乙烯单体聚合而成n分子结构式：n由于侧基上有苯环,分子间移动的阻力增大,结晶度降低,因而具有较大的刚度，是热塑性塑料。 n特点：n 无色、无味、无毒、无嗅，具有光泽的透明固体。n相对密度为1.041.09。n刚度和表面硬度较大，尺寸稳定

26、性好，着色容易。4聚苯乙烯（聚苯乙烯（PS）n性能：n电绝缘性好,是很好的高频绝缘材料。n耐辐射性好。n几乎不吸水，具有优良的耐蚀性（酸、碱）但溶于芳香烃、氯代烃、酮类和酯类。n缺点是抗冲击性差,易脆裂、耐热性不高,不耐热水，耐油性有限。4聚苯乙烯（聚苯乙烯（PS）n应用方面：应用方面：n用于制作透明或色泽鲜艳的各类制品，如文具、灯具、灯饰、室内外装饰、化妆品装饰、果盘n电子工业、仪表设备外壳、车灯罩、光学零件（三棱镜、透镜）n另外用悬浮法制成不同密度的泡沫塑料可做隔音包装、隔音、防震、救生材料等。4聚苯乙烯（聚苯乙烯（PS）5. ABS塑料塑料n是丙烯腈、丁二烯、苯乙烯的共聚物树脂，具有上三种组分的特点n属热塑性塑料n黑色颜料的ABS制品的耐候性好，在室外暴露两年经太阳和大气