塑料结构及性能

1、塑料成型工艺及塑料成型工艺及 模具设计模具设计 塑料结构与性能塑料结构与性能机电工程系机电工程系 戴护民戴护民2009-8-222理解塑料材料理解塑料材料聚合物，是塑料的主要成分，出自希腊语聚合物，是塑料的主要成分，出自希腊语“许多部分许多部分”。许多塑料词汇来源于许多塑料词汇来源于希腊语，聚合体用来描述由很多重复单元组成的大分子的材料。它们以化学方希腊语，聚合体用来描述由很多重复单元组成的大分子的材料。它们以化学方式结合成为链状结构。蚕丝，棉花、羊毛是自然聚合物的例子。式结合成为链状结构。蚕丝，棉花、羊毛是自然聚合物的例子。在最近在最近40年，化学工业已经开发出过剩的人造聚合物，以满足产品多

2、样性对年，化学工业已经开发出过剩的人造聚合物，以满足产品多样性对材料的需求：例如油漆，衣料。光纤，胶片，人造橡胶以及结构塑料。严格来材料的需求：例如油漆，衣料。光纤，胶片，人造橡胶以及结构塑料。严格来说，数千种材料可以被归为塑料，然而这一术语在今天通常只应用于聚合材料，说，数千种材料可以被归为塑料，然而这一术语在今天通常只应用于聚合材料，但不包括光纤光纤可以被铸造或者成型为固体或半固体。聚合是一个将单体但不包括光纤光纤可以被铸造或者成型为固体或半固体。聚合是一个将单体绑定成块并构造大分子的化学过程。商用的聚合体的分子通常具有上千个重复绑定成块并构造大分子的化学过程。商用的聚合体的分子通常具有上

3、千个重复单元的长度。单元的长度。3塑料的历史塑料的历史1839 自然界橡胶自然界橡胶 - Charles Goodyear 发明加工方法发明加工方法1839 发现聚苯乙烯（发现聚苯乙烯（PS ）- Eduard Simon 1872 聚氯乙烯（聚氯乙烯（PVC） - first created by Eugen Baumann 1909 酚醛塑料酚醛塑料苯酚甲醛命名为酚醛塑料苯酚甲醛命名为酚醛塑料 - Leo Baekeland 1926 乙烯基乙烯基 （PVC） - Walter Semon 发明可塑发明可塑 PVC. 1927 醋酸纤维醋酸纤维 1935 低密度低密度 聚乙烯（聚乙烯（LD

4、PE） - Reginald Gibson and Eric Fawcett 1936 丙烯酸丙烯酸 or 聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯 1938 聚苯乙烯应用聚苯乙烯应用 1938 聚四氟乙烯（聚四氟乙烯（PTFE）命名为）命名为 铁氟龙（铁氟龙（Teflon） - Roy Plunkett 1939 尼龙（尼龙（Nylon）被用作是丝绸的替代品）被用作是丝绸的替代品 Wallace H. Carothers1941 聚对苯二甲酸乙二醇酯（聚对苯二甲酸乙二醇酯（Pet） - Whinfield and Dickson 1942 不饱和聚酯（不饱和聚酯（PET） - John Rex Wh

5、infield and James Tennant Dickson 1951 高密度聚乙烯（高密度聚乙烯（HDPE） - Paul Hogan and Robert Banks 1951 聚丙烯聚丙烯 （PP） - Paul Hogan and Robert Banks 1954 绝缘聚苯乙烯泡沫绝缘聚苯乙烯泡沫 - Ray McIntire1964 聚酰亚胺聚酰亚胺 1970 热塑性聚酯热塑性聚酯 1985 结晶（液晶）聚合物结晶（液晶）聚合物4塑料加工技术的简要历史塑料加工技术的简要历史1878年，年， John 和和 Isaiah Hyath，从，从1870年的金属铸造专利出发，提出了第

6、年的金属铸造专利出发，提出了第一台注射模机器专利用于生产撞球。一台注射模机器专利用于生产撞球。1909年，年， Leon H. Bakeland 开发了苯开发了苯酚甲醛，是一种热固性塑料，它不能像热塑性塑料一样被重复利用，目前已酚甲醛，是一种热固性塑料，它不能像热塑性塑料一样被重复利用，目前已经成为市场的主导塑料类型之一。经成为市场的主导塑料类型之一。经过大约经过大约30年的努力，年的努力，Wallace H. Carothers 领导开发了尼龙领导开发了尼龙 nylon (PA) ，建立了缩聚合（作用）的基本原理，大大推动了热塑性塑料采用注射模塑的方建立了缩聚合（作用）的基本原理，大大推动了

7、热塑性塑料采用注射模塑的方式经济地制造产品。式经济地制造产品。ISO 1043-1/2/3 用字母简单地定义了聚合物，使塑料的辨识变得很方便。用字母简单地定义了聚合物，使塑料的辨识变得很方便。 今今天我们可以把普通热塑性塑料分为天我们可以把普通热塑性塑料分为30个大家族。个大家族。 (例如：例如：ABS, PA, POM, 和和 PC)。从基本。从基本30个家族出发，通过修改结构（例如：个家族出发，通过修改结构（例如： PA6, PA66, PA 12, LDPE, HDPE ），填充物（例如：），填充物（例如： PA6 GF 30%, PPH 30%T ）以及混合）以及混合（例如：（例如：P

8、C-AB）已经发展出）已经发展出150个以上塑料家族。现在市场上可用的不同商个以上塑料家族。现在市场上可用的不同商业级别的塑料已经超过业级别的塑料已经超过10万种。万种。5几个基本的定义几个基本的定义 聚合物：由一些小的部分构成的大分子结构聚合物：由一些小的部分构成的大分子结构 单体单体: (重复重复)构成部分构成部分 均聚（合）物：由相同的单体得到的聚合物。均聚（合）物：由相同的单体得到的聚合物。 共聚物共聚物: 不同单体构成的聚合物。不同单体构成的聚合物。 混合：混合： 不同聚合物的混合物。不同聚合物的混合物。 热塑性塑料：可以重复熔化和凝固的聚合物。热塑性塑料：可以重复熔化和凝固的聚合物

9、。 热固性塑料：在成型过程中聚合物化学反应形成交联网状结构。热固性塑料：在成型过程中聚合物化学反应形成交联网状结构。热固性塑料不能被再次加热熔化以及分解。热固性塑料不能被再次加热熔化以及分解。 弹性体（人造橡胶）：允许大的，可恢复的弹性变形。软的，弹性体（人造橡胶）：允许大的，可恢复的弹性变形。软的，很低的玻璃化转换温度，部分交联网状结构。很低的玻璃化转换温度，部分交联网状结构。 弹性体可以是热固弹性体可以是热固性或者热塑性。性或者热塑性。6化学结构化学结构大多数塑料由下面元素构成：大多数塑料由下面元素构成： C 碳碳 (4 价价, 12 g/mol) H 氢氢 (1价价, 1 g/mol)

10、O 氧氧 (2价价, 16 g/mol) Cl 氯氯(1价价, 35 g/mol) N 氮氮 (3价价, 14 g/mol) S 硫硫 (2价价, 32 g/mol) F 氟氟 (1价价, 19 g/mol)化合物的分子式是以原子的排列方式表示的分子结构，同时分子里面的化学键化合物的分子式是以原子的排列方式表示的分子结构，同时分子里面的化学键也在分子式里表示出来了。也在分子式里表示出来了。化学式很容易的表示了化合物是有那些原子构成的，以及在发生化学反应时这化学式很容易的表示了化合物是有那些原子构成的，以及在发生化学反应时这些原子之间的关系。些原子之间的关系。7聚合物描述聚合物描述聚合物是高分子

11、。它们不是原子的随意组合；聚合物是由较小的分子（单体）构成的聚合物是高分子。它们不是原子的随意组合；聚合物是由较小的分子（单体）构成的, 由很多重复的单体构成了特征链。如聚苯乙烯：由很多重复的单体构成了特征链。如聚苯乙烯： x表示重复单元的数目，成为聚合度。表示重复单元的数目，成为聚合度。8聚合物分子分类聚合物分子分类 1/3重复单元包括可辨识功能的重复单元包括可辨识功能的基基用于描述聚合体。这个术语强调的用于描述聚合体。这个术语强调的基基是聚合体合是聚合体合成时的单体，但是这种用法不是很精确。例如：成时的单体，但是这种用法不是很精确。例如：聚酯聚酯聚醚聚醚聚酰亚胺聚酰亚胺9聚合物分子分类聚合

12、物分子分类 2/3聚合体通常根据单体命名，一条包含聚合体通常根据单体命名，一条包含CH2基的聚合物叫做聚乙烯基的聚合物叫做聚乙烯（polyethylene）, 而不是聚亚甲基（而不是聚亚甲基（polymethylene）。）。同样地，包含同样地，包含6个碳元素的聚酰胺（己内酰胺）称为尼龙个碳元素的聚酰胺（己内酰胺）称为尼龙-6 （polycaprolactam）。）。 （己内酰胺）（己内酰胺）（尼龙（尼龙-6）10聚合物分子分类聚合物分子分类 3/3当然，对于聚合物的命名有系统的规则当然，对于聚合物的命名有系统的规则 (国际理论与应用化学联合会国际理论与应用化学联合会 IUPAC提提出出)，

13、但是当聚合物很复杂时，按照命名规则的叫法就会非常罗嗦，因此出现但是当聚合物很复杂时，按照命名规则的叫法就会非常罗嗦，因此出现了很多行话（俚语）。这些俚语名称通常包含了化学描述的痕迹，了很多行话（俚语）。这些俚语名称通常包含了化学描述的痕迹， 但是被大但是被大大简化了。例如大简化了。例如(碳氧基碳氧基-1,4-亚本基亚本基-异丙基异丙基-1,4-亚丙基亚丙基) 被称为被称为 “聚碳酸酯聚碳酸酯 (PC)” 是因为它包含了碳酸盐的链接是因为它包含了碳酸盐的链接(高亮显示部分高亮显示部分)。参照参照IUPAC 聚合物命名法聚合物命名法: 应用化学应用化学 1976, 48, 373. （标准）（标准

14、） 高分子高分子 1973, 6, 149 （标准）（标准）（聚碳酸酯）（聚碳酸酯）PC11化学结构式举例化学结构式举例: 聚乙烯聚乙烯单体单体: 碳原子两侧联接两个乙烯基。化学结构式可以写成：碳原子两侧联接两个乙烯基。化学结构式可以写成： C2H4 或者更好的或者更好的 CH2=CH2 (碳原子之间有两个联接因为碳的化合价是碳原子之间有两个联接因为碳的化合价是4价价)。聚合物聚合物: 聚乙烯是由乙烯基单体组成的聚合物。它只包括聚乙烯是由乙烯基单体组成的聚合物。它只包括CH2基的长链结构，基的长链结构，化学式可以写成：化学式可以写成： (C2-H4)n。下面是它们各自化学式的结构：下面是它们各

15、自化学式的结构：H H H H H H H H H H H H H | | | | | | | | | | | | |C = C C C C C C C C C C C C | | | | | | | | | | | | |H H H H H H H H H H H H H乙烯基乙烯基 聚乙烯的重复单位聚乙烯的重复单位侧基侧基骨架骨架12复习：塑料复习：塑料“三态三态”与与4个重要温度个重要温度由图中可见，对一个典型的无定形聚合物来说，有比较明显的几个特征温度：脆化温度TB 低于脆化温度的聚合物，像玻璃一样发脆，塑料无使用价值。最近开发一种在TB温度以下来粉碎一些柔软性较大的很难用一般粉碎方法

16、在常温下粉碎的塑料和高弹体；玻璃化温度Tg 塑料在TB-Tg 温度下称为玻璃态下的塑料，这是塑料的极限使用温度范围。玻璃态下的聚合物可以进行机械加工：车、刨、磨、钉，还可进行粘接、涂装、印刷；熔融温度Tm 处于Tg-Tm 之间的塑料叫高弹态下的塑料，塑料在高弹态下可以进行分子的结晶、拉伸定向、收缩、真空热成型、热定型。也就是说，高弹态下的聚合物分子，由于分子热运动的力量，可以在固定的位置上有一定自由度；分子结构具有高度规整性的聚合物可以在高弹态下结晶；可以在外力作用下分子顺外力作用方向进行定向排布；还可以在软化温度附近进行真空热成型或压制成型。尼龙等一类工程塑料，可以在高弹态下退火处理或淬火处

17、理，以改善聚合物的各种性能。分解温度TD到了TD温度，聚合物分子发生热分解，超过这个温度聚合物分解剧烈，为此，聚合物的熔融成型温度只能在Tm-TD之间熔融态下进行。13主要聚合物重复的化学结构主要聚合物重复的化学结构 1/3聚合物重复的化学结构聚合物重复的化学结构 名名 称称Tg (C) Tm (C) X XX = H LDPE, HDPE（低密度聚乙烯）（低密度聚乙烯）-120 140 C C X = F PTFE（聚四氟乙烯）（聚四氟乙烯） -113 327 X XX = CH3 PP（聚丙烯）（聚丙烯） -10 170 H XX = Cl PVC(聚氯乙烯聚氯乙烯) 80 220 C C

18、 X = C6H5 PS（聚苯乙烯）（聚苯乙烯） 100 - H HX = Cn PAN (丙烯晴丙烯晴) 105 - X = OCOCH3 PVAc 29 - H XX = Cl PVDC(聚二氯乙烯聚二氯乙烯) -18205 C C X = F PVDF (聚偏氟乙烯聚偏氟乙烯) -45210 H XX = CH3 PIB (合成橡胶合成橡胶) -75 25 H XX = CH3 C C Y = COOCH3 PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）（聚甲基丙烯酸甲酯） 105 - H Y14主要聚合物重复的化学结构主要聚合物重复的化学结构 2/3聚合物重复的化学结构聚合物重复的化学结构 名名 称称

19、Tg (C)Tm (C) HC=CXX = H Polybutadiene（聚丁二烯）（聚丁二烯）-8511 / X = CH3 Polyisoprene（聚异戊二烯）（聚异戊二烯）-7525CH2 CH2 n = 1 POM（聚甲醛）（聚甲醛） -85170 O (CH2)n n = 2 PEO （聚氧乙烯）（聚氧乙烯） -6770 O O ll lln = 2PET（聚酯）（聚酯）70265O(CH2)nOC Cn = 4PBT聚丁苯二甲酸丁二酯聚丁苯二甲酸丁二酯 80232 O lln = 5PA-6 (尼龙尼龙-6)50228 (CH2)n C N n = 10PA-11(尼龙尼龙-1

20、1)46185 l H O On=6, m=4 PA-66(尼龙尼龙-66)57265 ll ll(CH2)nNC(CH2)mCN l lH H15主要聚合物重复的化学结构主要聚合物重复的化学结构 3/3聚合物重复的化学结构聚合物重复的化学结构 名名 称称Tg (C) Tm (C)/ CH3 O PPO（聚苯醚）（聚苯醚）209(261) CH3 CH3 O l ll C O C O PC（聚碳酸酯）（聚碳酸酯） 145(290) l CH3 S PPS(聚苯硫醚聚苯硫醚)90285 OH CO2H LCP(液晶聚合物液晶聚合物) 11938016高分子链的分类高分子链的分类链状结构分为三类链

21、状结构分为三类, (线性，枝状，交联线性，枝状，交联).大多数聚合物是线性链，但是枝状链有非常重要的应用，不规则形状的高枝状大多数聚合物是线性链，但是枝状链有非常重要的应用，不规则形状的高枝状聚合物是当前研究的热点。聚合物是当前研究的热点。线性线性枝状枝状交联交联17枝状链枝状链如果聚乙烯是由少量短的枝状链（侧链）构成的称为高密度聚乙烯如果聚乙烯是由少量短的枝状链（侧链）构成的称为高密度聚乙烯high-density PE (HDPE)。如果是由大量的，较长的枝状链构成，称为低密度聚乙烯如果是由大量的，较长的枝状链构成，称为低密度聚乙烯low-density PE (LDPE)。18聚合聚合聚

22、合是单体通过化学键联结形成大分子，很多方式都可以完成聚聚合是单体通过化学键联结形成大分子，很多方式都可以完成聚合。合。在在 加聚反应加聚反应 中，在长大的聚合物分子中通过连锁反应一次加入中，在长大的聚合物分子中通过连锁反应一次加入一个单体，新加入的单体为下一次反应创造一个新的活性部位。一个单体，新加入的单体为下一次反应创造一个新的活性部位。在在 缩聚反应缩聚反应 中，反应发生在单体之间或者链末端的基上，释放中，反应发生在单体之间或者链末端的基上，释放出小的分子（通常是水出小的分子（通常是水H2O） 这种可逆的反应如果在水没有被移这种可逆的反应如果在水没有被移走的情况下会达到平衡并停止。走的情况

23、下会达到平衡并停止。理解聚合工艺可以深刻理解塑料的性质。例如，通过缩聚反应制理解聚合工艺可以深刻理解塑料的性质。例如，通过缩聚反应制造的塑料，水分被释放出来了，如果暴露在水分和高温下就会降造的塑料，水分被释放出来了，如果暴露在水分和高温下就会降解（去聚合）。解（去聚合）。19联结联结联结的类型和状态决定机械性能：联结的类型和状态决定机械性能：主要的联结主要的联结 共价键共价键 (C-C, C-O, C-H, C-N) 沿着分子链的共价键沿着分子链的共价键链与链之间的共价键联结链与链之间的共价键联结次要的联结次要的联结 范德华力（分子间作用力）范德华力（分子间作用力） 氢键氢键 离子键离子键 链

24、与链之间的次要联结链与链之间的次要联结20联结联结热塑性塑料热塑性塑料 沿着分子链的共价键沿着分子链的共价键 链与链之间是次要的联结链与链之间是次要的联结 2维结构维结构热固性塑料热固性塑料 沿着分子链和分子链之间都是（交联）共价键联结沿着分子链和分子链之间都是（交联）共价键联结 3维网状结构维网状结构弹性体弹性体 部分交联联结部分交联联结 2.5 维维 网状结构网状结构21低分子量到高分子量低分子量到高分子量 -CH2n-分子量影响材料的性质。分子量影响材料的性质。分子链中分子链中n值值材料的状态和性材料的状态和性能能应用应用14简单的气体简单的气体气体气体511简单的液体简单的液体汽油汽油

25、916中等粘度的液体中等粘度的液体煤油煤油1625高粘度的液体高粘度的液体油脂油脂2550结晶固体结晶固体蜡蜡501000半结晶固体半结晶固体涂料涂料10005000强，韧的塑料固强，韧的塑料固体体塑料制品塑料制品36万万纤维纤维增强纤维增强纤维气气体体液液体体固固体体22分子量分子量为什么重要？为什么重要？分子量是很重要的，因为它决定了很多物理性能。例如：转变温分子量是很重要的，因为它决定了很多物理性能。例如：转变温度（液态到蜡状到橡胶态到固体），机械性能度（液态到蜡状到橡胶态到固体），机械性能 （硬度，强度，粘（硬度，强度，粘弹性，韧性和粘度）。弹性，韧性和粘度）。拉伸强度拉伸强度分子量分

26、子量（熔化）（熔化）粘度粘度分子量分子量23物理性能物理性能加工性能：加工性能： 热塑性塑料热塑性塑料很容易熔化并成型出制品，通常是线性和很容易熔化并成型出制品，通常是线性和枝状分子结构。大多数热塑性塑料能够溶于合适的溶剂。枝状分子结构。大多数热塑性塑料能够溶于合适的溶剂。 热固性热固性塑料塑料加热后会分解加热后会分解 ，通常是交联结构并且不溶于溶剂。用热固性，通常是交联结构并且不溶于溶剂。用热固性塑料加工零件时，通常是让塑料在模具内完成合成。一旦固化，塑料加工零件时，通常是让塑料在模具内完成合成。一旦固化，改变这种零件的唯一方法是采用机加工方式改变这种零件的唯一方法是采用机加工方式 （如，研

27、磨，钻孔（如，研磨，钻孔等）。等）。 物理性能：物理性能： 能够延展和回弹的聚合物称为橡胶或能够延展和回弹的聚合物称为橡胶或弹性体弹性体，通常是，通常是部分交联，通过共价键交联或者氢键交联。根据聚合物的应用，部分交联，通过共价键交联或者氢键交联。根据聚合物的应用，还包括还包括塑料，塑料，粘合剂，纤维等。聚合物通常称为粘合剂，纤维等。聚合物通常称为“树脂树脂”，但是，但是“树脂树脂”偶尔也指热固性塑料。偶尔也指热固性塑料。24塑料材料塑料材料塑料材料塑料材料热固性热固性热塑性热塑性弹性体弹性体无定形无定形半结晶型半结晶型结晶型结晶型25半结晶型和无定形塑料半结晶型和无定形塑料半结晶型塑料半结晶型

28、塑料 有固定的熔化温度有固定的熔化温度 (Tm) 在这个温度下有序的区域在这个温度下有序的区域被打破变成无序。被打破变成无序。 相反，无定形区域在一个相对很宽的温度范围相反，无定形区域在一个相对很宽的温度范围内软化内软化 (低于低于Tm) ，软化的温度成为玻璃化转变温度，软化的温度成为玻璃化转变温度 (Tg)。完全完全无定形塑料无定形塑料 没有没有 Tm，但是，所有的塑料都有，但是，所有的塑料都有Tg。 在在Tm以上以上温度，塑料变成液态。温度，塑料变成液态。无定形塑料举例：常规的无定形塑料举例：常规的 聚苯乙烯聚苯乙烯 (PS) 和聚甲基苯基酸甲酯和聚甲基苯基酸甲酯/有有机玻璃机玻璃 (PM

29、MA)。结晶型塑料举例：聚乙烯结晶型塑料举例：聚乙烯 (PE, PE-LD, PS-HD)，聚酯，聚酯 (PET)。还有一类塑料称为结晶型塑料，是目前工业和学术研究的热点。还有一类塑料称为结晶型塑料，是目前工业和学术研究的热点。26结晶型塑料结晶型塑料结晶型塑料是基于结晶型塑料是基于羟羟基芳香聚基芳香聚酯及其单体的一类结晶材料。酯及其单体的一类结晶材料。与半结晶型塑料的主要区别是：与半结晶型塑料的主要区别是：长的，刚硬的，棒状分子，即长的，刚硬的，棒状分子，即使在熔化状态也保持有序（向使在熔化状态也保持有序（向列结构）。列结构）。27三类热塑性塑料之间的区别三类热塑性塑料之间的区别无定形和半结

30、晶无定形和半结晶 两类塑料在熔化状态下都是无序的微观结构。无定形两类塑料在熔化状态下都是无序的微观结构。无定形塑料在冷却状态时保持了这种无序结构，因此零件会有好的冲击强度塑料在冷却状态时保持了这种无序结构，因此零件会有好的冲击强度但是硬度较差。此外，采用提高分子量的方式提高承载能力，会导致但是硬度较差。此外，采用提高分子量的方式提高承载能力，会导致塑料的粘度变高，流动性变差，很难充满薄壁零件和一些精细的部位。塑料的粘度变高，流动性变差，很难充满薄壁零件和一些精细的部位。半结晶型塑料冷却时会形成被无定形结构包围的高度有序的结晶区域，半结晶型塑料冷却时会形成被无定形结构包围的高度有序的结晶区域，有

31、序的结构提高了承载强度和抗化学腐蚀性能，但是降低了冲击强度。有序的结构提高了承载强度和抗化学腐蚀性能，但是降低了冲击强度。结晶型结晶型 比半结晶型塑料有更好的加工性能和很好的机械强度。熔化状比半结晶型塑料有更好的加工性能和很好的机械强度。熔化状态下，刚硬、棒状的结晶型分子保持有序状态，就像没有煮过的面条态下，刚硬、棒状的结晶型分子保持有序状态，就像没有煮过的面条一样有序。刚硬、棒状的结构也限制了分子链的相互缠绕。在熔化状一样有序。刚硬、棒状的结构也限制了分子链的相互缠绕。在熔化状态，在剪切作用下这些棒状分子相互滑动，粘度很低。在很低的压力态，在剪切作用下这些棒状分子相互滑动，粘度很低。在很低的

32、压力下就可以流动，这使得很容易充满薄壁零件和精细区域。由于在熔化下就可以流动，这使得很容易充满薄壁零件和精细区域。由于在熔化状态高度有序，在冷却时，它们只需要极短的时间或者不需要时间就状态高度有序，在冷却时，它们只需要极短的时间或者不需要时间就可以完成结晶，这使得结晶型塑料在很高的温度下就会有很高的硬度，可以完成结晶，这使得结晶型塑料在很高的温度下就会有很高的硬度，能够被快速顶出。低的熔化热，可以忽略的结晶时间，以及高温下的能够被快速顶出。低的熔化热，可以忽略的结晶时间，以及高温下的高硬度导致结晶型塑料成型周期只是普通热塑性塑料的一半。高硬度导致结晶型塑料成型周期只是普通热塑性塑料的一半。28

33、三类热塑性塑料的性能比较三类热塑性塑料的性能比较无定形塑料无定形塑料半结晶型塑料半结晶型塑料结晶型塑料结晶型塑料熔化态和固态下都是随机的分子链分布固态分子链链有序分布；熔化态随机分布高的连贯链；熔化态和固态都是非常有序的分子结构流动性差流动性好流动性极好玻璃纤维增强提高材料性能有限玻纤增强提高承载能力，尤其对高结晶塑料提高更大玻纤增强降低各向异性，提高承载能力可以用于制作透明零件由于结晶结构，零件通常不透明由于高度结晶，零件不透明抗化学腐蚀能力差抗化学腐蚀能力好抗化学腐蚀能力极好拉伸强度和模量低拉伸强度和模量高拉伸强度和模量极高服役温度低服役温度高服役温度最高29塑料分类：使用场合，成本和性能

34、塑料分类：使用场合，成本和性能$30塑料性能塑料性能塑料成型工艺与金属工艺相比，因为塑料的多样性，设计者有更塑料成型工艺与金属工艺相比，因为塑料的多样性，设计者有更多的选择自由。然而，与金属相比，塑料的机械性能对塑料种类，多的选择自由。然而，与金属相比，塑料的机械性能对塑料种类，速率，持续时间，载荷频率，加工温度变化，相对湿度等非常敏速率，持续时间，载荷频率，加工温度变化，相对湿度等非常敏感。塑件设计者必须考虑这些条件下的材料反应。下表列出了感。塑件设计者必须考虑这些条件下的材料反应。下表列出了5种载荷条件以及相应的材料性能。种载荷条件以及相应的材料性能。载荷条件载荷条件 相应的材料性能相应的

35、材料性能 1. 短期载荷 应力应变行为 2. 长期载荷 蠕变和应力松弛 3. 循环载荷 疲劳 4. 高速度/冲击载荷 冲击强度 5. 极端温度下的载荷 热力学行为31塑料拉伸性能测试塑料拉伸性能测试实验设置：夹持试样两端，施加拉力，记录试样应力应变。实验设置：夹持试样两端，施加拉力，记录试样应力应变。32应力应力 () 和和 应变应变 () 的定义：的定义： 施加力施加力 (F)应力应力 () 横截面积横截面积 (A) L L0应变应变 () L0 应力应力 () 杨氏模量杨氏模量 (E) 应变应变 () (a) 拉伸试样，横截面积拉伸试样，横截面积 A, 初始长度初始长度 L0。(b) 拉伸

36、试样受恒定载荷拉伸试样受恒定载荷 F作用，拉伸长度作用，拉伸长度L。 拉伸性能的概念拉伸性能的概念1/233拉伸性能的概念拉伸性能的概念2/234粘弹性模型和弹性粘弹性模型和弹性 / 阻尼（缓冲）模型阻尼（缓冲）模型对于塑料这种粘弹性材料，短期拉伸测试数据主要反映了材料的弹性响应数据。对于塑料这种粘弹性材料，短期拉伸测试数据主要反映了材料的弹性响应数据。材料与时间相关的粘弹性行为（在长期载荷作用下）也必须测试和评估，找到材料与时间相关的粘弹性行为（在长期载荷作用下）也必须测试和评估，找到长期载荷作用的有害因素。长期载荷作用的有害因素。 弹性模型和缓冲模型的组合，可以用来建立载荷弹性模型和缓冲模

37、型的组合，可以用来建立载荷作用下塑料模型。作用下塑料模型。35弹性行为（虎克）弹性行为（虎克）弹性表示材料对载荷的弹性响应：弹性表示材料对载荷的弹性响应： = 施加应力施加应力 = 诱发应变诱发应变T = 时间时间 时间时间 (T)应应 力力 () 时间时间 (T)应应 变变 () 36粘性行为（牛顿）粘性行为（牛顿）缓冲缓冲 表示材料对载荷的粘性响应：表示材料对载荷的粘性响应： = 施加应力施加应力 = 诱发应变诱发应变T = 时间时间 缓冲器缓冲器 由一个圆筒支撑一个浸入粘性流体的活塞组成。由一个圆筒支撑一个浸入粘性流体的活塞组成。时间时间 (T)应力应力 () 时间时间 (T)应变应变

38、() 37粘弹性行为粘弹性行为1/3粘弹性粘弹性理想弹性行为理想弹性行为 理想粘性行为理想粘性行为罗宾汉罗宾汉 知道永远不要离开自己的弓箭。知道永远不要离开自己的弓箭。拉伸一个结晶固体，能量拉伸一个结晶固体，能量会储存在化学键内会储存在化学键内剪切应力作用于流体，剪切应力作用于流体，能量会消散在流动中能量会消散在流动中38Time (T)Stress () Time (T)Stain () Time (T)Stain () Time (T)Stress () 蠕变和应力松弛蠕变和应力松弛粘弹性行为粘弹性行为2/3在时间在时间 t0, 恒定应力施加在恒定应力施加在粘弹性材料上，保持足够粘弹性材料

39、上，保持足够长的时间。材料对应力的长的时间。材料对应力的响应是响应是t0时刻有个初始应变时刻有个初始应变然后增大直到材料最终失然后增大直到材料最终失效。图（效。图（b）当应力保持一个较短的时当应力保持一个较短的时间，材料经历一个初始应间，材料经历一个初始应变，随后增大，直到时间变，随后增大，直到时间 t1时刻应力撤销（应变迅速时刻应力撤销（应变迅速降低），然后缓慢降低，降低），然后缓慢降低，直到直到 t t2，留下残余应变。，留下残余应变。t0t1（a）（b）t239粘弹性行为粘弹性行为3/3几个力学模型几个力学模型 (例如：例如： Maxwell, Voight-Kelvin, Burger

40、) 模仿材料对载荷的典模仿材料对载荷的典型粘弹性响应。型粘弹性响应。Voight-Kelvin 力学模型是塑料最常用的模型。力学模型是塑料最常用的模型。Voight-Kelvin 力学模型的组成：力学模型的组成： 串联的弹簧代表弹性，可完全恢串联的弹簧代表弹性，可完全恢复的响应。复的响应。 串联的缓冲器代表有时间依赖性串联的缓冲器代表有时间依赖性的，在载荷移除后不能完全恢复的，在载荷移除后不能完全恢复的响应。的响应。 并联的弹簧和缓冲器代表有时间并联的弹簧和缓冲器代表有时间依赖性的，在弹簧作用一段时间依赖性的，在弹簧作用一段时间后，可完全恢复的响应。后，可完全恢复的响应。变形载荷变形载荷（弹簧

41、）（弹簧）弹性部分（弹簧）弹性部分（弹簧）粘性部分粘性部分（缓冲器）（缓冲器）（缓冲器）（缓冲器）变形载荷变形载荷40应力应力-应变曲线（拉伸测试结果）应变曲线（拉伸测试结果）线性范围线性范围拉伸弹性模量拉伸弹性模量屈服强度屈服强度屈服强度对应的应变屈服强度对应的应变拉伸极限强度拉伸极限强度断裂时的强度断裂时的强度极限应变极限应变应变应变应力应力41拉伸性能拉伸性能 1/2拉伸性能，对结构设计非常重要，用于比较塑料的相对强度和硬度。拉伸性能，对结构设计非常重要，用于比较塑料的相对强度和硬度。Test method: ISO 527 (ASTM D 638).拉伸（弹性）模量拉伸（弹性）模量 (

42、MPa): 拉伸模量用于衡量塑料的硬度。高的弹性模量意味拉伸模量用于衡量塑料的硬度。高的弹性模量意味着高的硬度。着高的硬度。 增塑剂通常降低拉伸模量。纤维和填充物增加拉伸模量，但是增塑剂通常降低拉伸模量。纤维和填充物增加拉伸模量，但是会引起模量的各向异性。这个值受硬度影响。会引起模量的各向异性。这个值受硬度影响。 屈服应力屈服应力 (MPa): 是塑件功能使用的最高极限。是塑件功能使用的最高极限。屈服伸长（延伸率）屈服伸长（延伸率） (%):断裂应力断裂应力 (MPa):断裂延伸率断裂延伸率 (%):42弹性模量与温度的关系（半结晶型塑料）弹性模量与温度的关系（半结晶型塑料）43典型热塑性塑料

43、的应力典型热塑性塑料的应力-应变曲线应变曲线右图是左图弹性部分的放大。点右图是左图弹性部分的放大。点 P 是比例极限，用作设计的应变是比例极限，用作设计的应变极限。极限。 点点 I 是弹性极限，超过这个点，塑件无法回到原始尺寸。是弹性极限，超过这个点，塑件无法回到原始尺寸。弹性极限弹性极限比例极限比例极限杨氏模量杨氏模量44纤维增强塑料的应力纤维增强塑料的应力-应变曲线应变曲线玻璃纤维显著提高极限强玻璃纤维显著提高极限强度，屈服强度，比例极限度，屈服强度，比例极限和杨氏模量，在很低的应和杨氏模量，在很低的应变值（变形小）就断裂。变值（变形小）就断裂。另一方面，普通塑料在超另一方面，普通塑料在超

44、过屈服点后应力会降低，过屈服点后应力会降低，然后缓慢增加直到断裂。然后缓慢增加直到断裂。断裂断裂纤维增强塑料纤维增强塑料屈服点屈服点普通（无填充）塑料普通（无填充）塑料45材料种类决定了曲线的形状材料种类决定了曲线的形状金属有较高的弹性模量和较低的延伸率。金属有较高的弹性模量和较低的延伸率。塑料有高塑料有高/低弹性模量，比金属延伸率高。低弹性模量，比金属延伸率高。塑料软就弱，硬就脆。塑料软就弱，硬就脆。 金属金属 塑料塑料46拉伸速率、温度与应力拉伸速率、温度与应力-应变曲线应变曲线载荷速率（应变速率）对塑料的应力载荷速率（应变速率）对塑料的应力-应变行为影响很大。下图是载荷速率和应变行为影响

45、很大。下图是载荷速率和温度对半结晶数量拉伸应力温度对半结晶数量拉伸应力-应变曲线的影响。总的来说，高载荷速率或低温应变曲线的影响。总的来说，高载荷速率或低温下，塑料表现出硬和脆。下，塑料表现出硬和脆。 相反，在低载荷速率和高温下，塑料表现出软和容相反，在低载荷速率和高温下，塑料表现出软和容易变形。易变形。增加载荷速率会显著增加屈服强度和极限强度。增加温度会导致比例极限，屈增加载荷速率会显著增加屈服强度和极限强度。增加温度会导致比例极限，屈服强度和极限强度降低。服强度和极限强度降低。47拉伸性能是温度的函数拉伸性能是温度的函数塑料在不同温度下的应力应变曲线塑料在不同温度下的应力应变曲线 (示意图

46、示意图)拉伸强度拉伸强度应变应变48蠕变和应力松弛蠕变和应力松弛1/2蠕变和应力松弛是在长期载荷作用下塑件结构设计必须考虑的问题。从施加载蠕变和应力松弛是在长期载荷作用下塑件结构设计必须考虑的问题。从施加载荷并保持下去，结构持续变形，这种在载荷长期作用下的永久的变形称作蠕变。荷并保持下去，结构持续变形，这种在载荷长期作用下的永久的变形称作蠕变。典型的蠕变是弯曲曲线。蠕变决定于载荷和时间。典型的蠕变是弯曲曲线。蠕变决定于载荷和时间。时间和温度决定了蠕变模量时间和温度决定了蠕变模量 。蠕。蠕变模量是恒定应力与应变变模量是恒定应力与应变(由时间，由时间，温度决定温度决定)的比值。的比值。 () 蠕变

47、模量蠕变模量 (Ec) (t,T)49蠕变和应力松弛蠕变和应力松弛2/2 温度升高，蠕变和应力松弛的速率会增大。温度升高，蠕变和应力松弛的速率会增大。 如果载荷持续足够长的时间，将会出现破裂。这称作应力破裂。如果载荷持续足够长的时间，将会出现破裂。这称作应力破裂。 在外应力作用下，需要考虑残余应力。在外应力作用下，需要考虑残余应力。应力松弛是蠕变的必然结果。在应力松弛是蠕变的必然结果。在变形程度相同时，载荷作用时间变形程度相同时，载荷作用时间时间越长的应力值越低。时间越长的应力值越低。50疲劳疲劳当塑件承受循环载荷，需要在设计时考虑疲劳的影响。当塑件承受循环载荷，需要在设计时考虑疲劳的影响。

48、如果只是恒定载荷，如果只是恒定载荷，我们使用比例极限作为设计时的参考。循环载荷时使用我们使用比例极限作为设计时的参考。循环载荷时使用S-N (应力应力 vs. 循环次循环次数数) 曲线作为设计准则。曲线作为设计准则。S-N 曲线是在确定的频率，温度和载曲线是在确定的频率，温度和载荷幅度下通过弯曲，扭转，拉伸试验荷幅度下通过弯曲，扭转，拉伸试验得到的。当循环次数增大时，塑件疲得到的。当循环次数增大时，塑件疲劳断裂的应力值会降低。劳断裂的应力值会降低。51冲击强度冲击强度 塑料是粘弹性的，它们的性能强烈依赖于时间，塑料，频率，载塑料是粘弹性的，它们的性能强烈依赖于时间，塑料，频率，载荷的持续时间，

49、和温度。荷的持续时间，和温度。冲击强度（韧性）指的是材料抵抗冲击载荷的能力。冲击强度（韧性）指的是材料抵抗冲击载荷的能力。材料的冲击强度随着载荷速率的增加而增加。随着冲击速度的增材料的冲击强度随着载荷速率的增加而增加。随着冲击速度的增加，材料脆性增加（韧性减小）。降低温度也会导致材料脆性增加，材料脆性增加（韧性减小）。降低温度也会导致材料脆性增加。加。冲击强度跟缺口有关。尖锐的圆角（应力集中）会导致冲击强度冲击强度跟缺口有关。尖锐的圆角（应力集中）会导致冲击强度下降。下降。52弯曲性能（弯曲性能（ Flexural properties ）弯曲性能是塑件抵抗弯曲载荷作用的能力。弯曲性能是塑件抵

50、抗弯曲载荷作用的能力。 Test method: ISO 178 (ASTM D 790).弯曲模量弯曲模量 (MPa): 弹性区应力与应变的比值，弯曲模量衡量的是弹性区应力与应变的比值，弯曲模量衡量的是弯曲中塑料的硬度。弯曲中塑料的硬度。弯曲强度弯曲强度 (MPa): 在载荷作用下抵抗弯曲变形的能力。在载荷作用下抵抗弯曲变形的能力。53熔融流动速率熔融流动速率(MFR) 测试设备测试设备54熔融流动速率熔融流动速率(MFR) Material Temp (C) Load (Kg) Material Temp (C) Load (Kg) PP 230 5 PS 200 5 POM 190 2.

51、16 PC 300 1.2 ABS 220 10 PMMA 230 3.8 SAN 220 10 PC/ABS 260 2.16 / 555水分（湿气）对水分（湿气）对MFR的影响的影响56体积体积-温度关系图温度关系图(无定形无定形 / 半结晶型半结晶型) Common amorphous regions Crystallization range 57压力压力-体积体积-温度（温度（PVT）关系）关系 (无定形塑料无定形塑料)58无定形塑料无定形塑料 粘弹性（行为）范围粘弹性（行为）范围59热性能热性能 线性热膨胀系数线性热膨胀系数 (CTE) 单位温度下，塑料长度的变化率。单位温度下，塑

52、料长度的变化率。cm/cm/C Test method: ISO 11359 (ASTM D 831).导热系数导热系数, 单位：单位： W/Km, 材料导热能力。材料导热能力。60电性能电性能 1/2绝缘强度（绝缘强度（Dielectric Strength）: 材料绝缘能力。电压梯度材料绝缘能力。电压梯度, 单单位位 kV/mm （材料厚度）（材料厚度） Test method: IEC 60243 (ASTM D 149).介电常数（介电常数（Dielectric Constant）: 电镀能力的衡量。电镀能力的衡量。Test method: IEC 60250 (ASTM D 150)

53、.61材料性能材料性能 1/2密度密度 Density (g/cm3):吸水（湿）性吸水（湿）性 Water Absorption (%, 24 hr): 塑料吸收水平的能塑料吸收水平的能力，决定于分子结构，填充物和添加剂。力，决定于分子结构，填充物和添加剂。Test method: IEC 62 (ASTM D 570).62材料性能材料性能 2/2光投射系数光投射系数 Haze and luminous transmittance (%): 材料的透材料的透明度。明度。IEC 13468 (ASTM D 1003).硬度硬度 Hardness properties 耐磨，耐刮能力。塑料一般

54、测试铅耐磨，耐刮能力。塑料一般测试铅笔硬度。笔硬度。Test method: ISO 868 (ASTM D 2240).63可燃性等级可燃性等级 (V-x)垂直测试垂直测试:V-2 Burning stops within 30 seconds; Flaming drips allowed.V-1 Burning stops within 30 seconds; No flaming drips allowed.V-0 Burning stops within 10 seconds; No drips allowed.64添加剂添加剂加入添加剂，增强物，和填料的原因加入添加剂，增强物，和填料

55、的原因1. 提升加工性能提升加工性能2. 降低成本降低成本3. 降低收缩降低收缩4. 提高表面质量提高表面质量5. 改变电性能改变电性能6. 预防降解预防降解7. 提供令人满意的颜色提供令人满意的颜色8. 提供机械性能提供机械性能9. 提高使用温度提高使用温度10. 降低摩擦系数降低摩擦系数65添加剂的影响添加剂的影响66机械性能变化机械性能变化 (无增强无增强 vs. 玻纤增强玻纤增强 PA66)67热塑性塑料家族热塑性塑料家族 Styrenics (PS, HIPS, ABS, SAN, SPS, ASA, SBC) Vinyls (PVC, CPVC) Acrylics (PMMA, P

56、MMA-HI, PMMI, MABS) Polyolefins (LDPE, HDPE, PP, COC, E/MAA) Polyamides (PA-6, PA-66, PA-46, PA-11, PA-12, PPA, PA MXD6, amorphous PA) Polyimides (PAI, PEI) Polyesters (PET, PTC, PBT, PAR, LCP) Polyethers (PC, PPO, PAEK, PEEK) PC Blend (PC-HT, PC-ABS, PC-ASA, PC-PBT) Polyacetals also called polyoxym

57、ethylene (POM-H, POM-R) Sulfur and Sulfone containing polymers (PPS, PSU, PES, PAS) Thermoplastic elastomer (TPE-V, TPE-O, TPE-U, TPE-E, TPE-A, SEBS) Fluoropolymers (PTFE, CTFE) Fillers and reinforcements Polymer Modifier and additives.68塑料选择塑料选择 (工程设计工程设计) 提供零件提供零件/产品材料描述，确定零件产品材料描述，确定零件/产品材料物质符合禁用

58、物质产品材料物质符合禁用物质的要求的要求 针对所有产品实行针对所有产品实行RoHS 管制。含有该物质的产品必须申明，管制。含有该物质的产品必须申明，建立材料档案。建立材料档案。69产品禁用物质及含量产品禁用物质及含量 物质名称百万分率PPM 应用举例评价法规 石棉 0塑料塑料 (矿物填充矿物填充) 83/ 478/EEC85/610/EEC 91/659/EEC1999/77/EECUSA:CAprop65含氮染料，着色剂30经接触人的皮肤的产品（经接触人的皮肤的产品（涂料，颜料，色素）涂料，颜料，色素）致癌物质致癌物质2002/61/EC76/769/EEC 镉及其化合物100 蓄电池蓄电池

59、, 干电池干电池, 继电器继电器 聚氯乙烯上的颜料，发动聚氯乙烯上的颜料，发动机的外壳金属表面，开关机的外壳金属表面，开关，塑料和彩釉上的锌层颜，塑料和彩釉上的锌层颜料料有毒的，有些有毒的，有些化合物化合物 (镉氯镉氯化物，镉氧化化物，镉氧化物，镉硫化物物，镉硫化物)致癌致癌EU RoHS Directive(2002/96/EC)91/338/EEC91/157/EEC94/62/EC1999/51/EC2000/53/EC76/769/EEC六价铬及其化合物（Cr6）1000塑料涂层，色素，工业塑料涂层，色素，工业铬铬颜料，铬表面颜料，铬表面, 阻蚀剂阻蚀剂蒸发状态可致蒸发状态可致癌癌EU RoHS Directive94/62/EEC2000/