注塑成形材料

1、注塑成形材料塑料 塑料是以有机高分子化合物为基础 , 加入若干其他材料 (添加剂 制成的固体材料 , 塑 料同金属和陶瓷材料一起成为当今三大结构材料塑料的优点 塑料的密度是三大材料中最小的 , 具有较高的比强度 , 塑料还具有优良的电绝 缘性和热绝缘性 , 良好的耐磨性和耐蚀性 , 以及优良的成型工艺性塑料的缺点强度 , 硬度较低 , 耐热性差 , 容易老化等第一节 热塑性塑料的组成一 树脂树脂是高分子化合物的聚合物 , 高分子化合物的特性及其聚集态决定了树脂的性质 , 树脂 的性质在很大程度上决定了塑料的性质1, 高分子化合物的合成与结构特点(1单体 高分子化合物是相对分子量很大的化合物。它

2、是由相对分子量较小 的低分子化合物经聚合反应而成。这种低分子化合物称为单体 ,并不是所有低分子化合物都能成为单体,如食盐,水,甲烷等都不能成为单体。 因为这些化合物的分子处于饱合状态,不能进行聚合反应。目前可作为单体主要是含双 键的不饱和碳氢化合物,某些复杂环状化合物和含有特殊官能团的化合物。一些常见单 体列表如下 单体名称 结构式乙烯 H HHH CC 苯乙烯 HH C HC氯乙烯 C CH HH C I丙烯 C H 3C HCH H聚合物名称 乙烯 苯乙烯 氯乙烯 丙烯 聚 聚 聚 聚 四氟乙烯 聚合物名称 结构式 单体名称 C C F F 四氟乙烯 聚 三聚甲醛 O 2H C C H 2

3、O 2H O 聚甲醛 己内酰胺 O 2H H 22C 2H C C HN C H 2酰胺 聚 O C H 33H C H HO 聚碳酸脂 双酚A(2 聚合反应 由单体转变成聚合物的过程称为聚合反应。 聚合反应分有两种基本形式1 加聚反应 加聚反应也称为加成反应,其特点是参加反应的分散单体,以共价键的形式连接一起, 成为相对分子质量很大的大分子链。 这种反应必须借助光和热和其他引发剂 的作用才能进行。 这种反应只是单体的连接, 没有其它小分子副产物生成。 进行这种反应的 单体主要是烯烃类化合物和环状化合物,参加加聚反应可以是一种单体,也可以是两种或两种以上单体。均加聚反应 单一单体的加聚反应称为

4、均加聚反应共加聚反应 两种单体的加聚反应称为共加聚反应2 缩聚反应 缩聚反应的特点a 反应过程中有某种低分子化合物产生如 H 2O,NH 3、和卤化物b 这种反应仍须借助光和热或引发剂才能进行c 缩聚反应生成的大分子链不是单体的简单重复,而是形成与 单体不同的结构。D 进行这种反应的单体主要是含有特殊官能团的化合物均缩聚反应 由一种单体进行的缩聚反应称为均缩聚反应共缩聚反应 由两种单体进行的缩聚反应称为共缩聚反应均聚物 均聚所得的化合物也称均聚物共聚物 共聚所得的化合物也称共聚物3 分子链的特性 由单体经聚合反应形成的高分子化合物很象一条长链, 故也称为大分 子链。不论是加聚反应或是缩聚反应形

5、成的大分子链,都是由许多单元重复连接而成的 大分子链的重复单元称为链节,链节的重复个数称为聚合度大分子的相对分子质量 一个大分子的相对分子质量等于链节的相对分子量乘以聚合 度, 在高分子化合物中, 每个大分子聚合度是不同的, 因此每个大分子的相对分子量也是不 同的, 这样在表示高分子化合物的相对分子量时就不能以某个大分子为依据, 而是用平圴相 对分子质量表示改变聚合条件可以控制高分子化合物的平圴相对分子质量。相对分子量大的聚合物具 有较高强度和硬度及较好的抗蠕变性能, 但随着相对分子量的增大, 聚合物的熔融粘度增大, 不利于模塑成型。设计和制造塑料模具时,应对此影响予以充分注意主链和侧基 如聚

6、乙烯,聚丙烯,聚氯乙烯中 (-C-C-C-是大分子链的核心称为主链 氢 原子(H 氯原子(CI 和(CH 3基团称为侧基 主链和侧基的性质决定了大分子链的许多 特性。大分子链的形状 主链原子一般都是共价键连接的, 共价键具有很高的键能, 因此大分 子链有一定的强度,在主链上(尤其是碳 -碳键构成的主链相邻两原子的位置可以有多种 方位的变化, 所以大分子链不是一条直线而是一条不规则的曲线, 大分子链的形状随时可变, 故高分子材料不像金属材料那样坚硬, 具有一定的柔顺性, 而且随着温度的提高柔顺性更好 (4 高分子化合物形态 根据大分子链组成物的不同和聚合工艺的不同, 高分子化合物 有三种状态1

7、线性高分子结构 线性高分子结构的主链一般没有分支或只有极少的分支,自然 状态下呈卷曲状, 当受到外力作用时容易伸直, 去除外力后又呈卷曲状。 以线型高分子化合 物组成的塑料具有较好的弹性和塑性,而且随温度的升高而提高。2支链型高分子结构 支链型高分子结构主链有一定数量的分支,分支部分称为支链, 支链不同于侧基, 支链链轴的原子与主链原子相同, 并且带有侧基, 有时也可以由不是主链 原子的其它原子接枝而成, 自成一段较短的高分子链, 以支链型高分子化合物组成的塑料其 弹性和塑性比线型高分子结构的塑料略差,但机械强度较高。3体型高分子结构 体型高分子化合物是在线型或支链型的大分子链之间由原来单体

8、或其它化合物或原子团交联作用而形成的 交联后大分子链形成空间三维的庞大网络 故体型结构又称网络结构。交联是在相邻大分子之间的若干位置进行的, 控制生产工艺可以控制交联点的数目 体型结构的高分子材料几乎无弹性和塑性,硬度较高而且脆性很大2 高分子化合物的聚集态 高分子化合物以单个大分子分散存在时, 不能成为有实用价 值的材料。 但当高分子化合物的大分子以某种方式 (通过健力或范德华力的作用 聚集在一 起时,就成为各种各样的树脂,成为塑料的主要组成物按照高分子化合物本身的性质及某些外界条件的影响, 高分子化合物的聚集态有两种类型 1 线型无定形聚合物 线型无定形聚合物的特点是大分子之间不是规则地排

9、列一起, 而是彼此交叉缠绕呈无序排列 . 如图 线型无定形聚合物又称为非结晶聚合物。 然而近代研究表明线型无定型聚合物中存在某些 近程有序区域,即在微小范围内大分子呈现规则排列,只是这种有序区范围小、数量少, 对聚合物的性能影响不大,可予以忽略线型无定型聚合物是由大分子链结构不规整, 侧基不对称或侧基有庞大基团线型和支链型 高分子化合物聚集而成的线型无定型聚合物在不同温度范围内明显地表现出不同的力学性能。 这些不同的力学性能 对塑料的使用和模塑成型加工具有重要意义线型无定型聚合物不同温度时的力学状态可用形变 -温度曲线表示如图 形变X g f d , 从图中显示在一定温度范围内聚合物呈现有三种

10、不同的力学状态, 可以用形变能力 (在外 力作用下变形难易程度表示玻璃态 高分子聚合物的玻璃态存在于 Tx- Tg温度范围内 所谓玻璃态, 就是温度较低时 大分子所具有的能量很小, 大分子链之间的运动不能进行,分子内的链段也难以进行,聚 合物表现出像玻璃一样刚硬,故称玻璃态玻璃化温度 Tg 是聚合物的一项重要参数聚合物呈玻璃态时具有较好的力学性能, 此时若对聚合物施加外力, 只能产生微小的变 形,去除外力后立即恢复原来形状,这种变形形式称为普通形变。温度低于 Tx 时,不仅链段运动不能进行,连分子的局部热振动也不能进行,聚合物呈 现脆性状态,此时若对聚合物施加外力,即产生脆性断裂温度高于 Tg

11、 时,外力作用下聚合物会产生较大变形,故 Tx- Tg的温度范围为结构材 料的使用温度范围。 凡 Tx 低于室温而 Tg 超过室温的聚合物均可用作结构材料。 Tx- Tg的 温度范围越大,其使用温度范围也越大2高弹态 高分子聚合物的高弹态存在于图中 Tg- Tf之间,此时因温度较高,大分子链能 够较自由地进行链段运动。 在外力作用下, 原来卷曲状的大分子链缓慢伸直, 去除外力后大 分子链又缓慢恢复成卷曲状,因此可以产生百分之数百的变形量,这种变形称为高弹形变。 高弹形变是具有柔顺性的大分子链在外力作用下缓慢伸直及缓慢恢复的过程, 故这种变形是 高分子聚合物独有的。 金属材料和陶瓷无此特征。 产

12、生高弹变形时大分子连之间没有相对运 动,因此这种高弹变形是可逆的要求具有高弹性的橡胶材料, 高弹变形温度应处于室温, 而 Tg 应低于室温, 越低越好, 而 Tf 应高于室温,越高越好,而要求具有一定力学性能的结构材料,其高弹形变温度越高 越好,因为结构材料呈现高弹态是不能使用的3粘流态 高分子聚合物的粘流态存在于 Tf-Td 之间。 此时因温度更高, 除了大分子 链能够进行链段运动外, 大分子链之间也能产生相对滑动。 因此在外力的作用下, 高分子聚 合物会产生流动变形,这种变形为粘流变形粘流变形是塑料模塑加工的工艺基础。 由于粘流变形是聚合物中大分子的相对滑动, 所 以这种变形是不可逆的,

13、也正是由于这种变形的不可逆性, 才能通过模塑制造出各种塑料制 品然而, 粘流变形的过程拌随着高弹变形。 高弹形变是链段运动, 所以在生产模塑塑料制品 时必须将原料加热到足够高的温度, 使高弹变形部分得到完全松驰, 否则塑料制品会由于高 弹形变的恢复而产生严重的内应力,导致制品断裂或变形从高弹态转变为粘流态的转变温度 Tf 是一个重要的工艺参数。 对于塑料的模塑成型而言, Tf 应可能低,以简化加热装置和减少能源消耗,而且温度 Tf Td 的范围愈大愈好。温度范 围大可使生产时对加热温度的控制比较宽松, 反之就必须严格控制加热温度, 增大生产操作 的难度。粘度 粘度也是聚合物粘流态的一项重要参数

14、, 对模塑工艺尤为重要。 粘度大的塑料, 模 塑时难以充满型腔, 或需要较高的温度和压力才能完成充型, 这就增大了生产工艺的复杂性。 聚合物粘流温度的高低和粘度的大小同分子结构及相对分子质量的大小有关。 凡大分子结 构复杂,相对分子质量大的聚合物,其粘度大,粘流温度高。这是因为大分子结构复杂时, 链锻运动比较困难, 大分子之间的相对滑动也比较困难。 相对分子质量大的聚合物, 即大分 子链较长, 大分子间彼此缠绕点较多, 大分子间的吸引力也较大, 这就使大分子之间滑动更 加困难。 降低大分子的聚合度或模塑时加入增塑剂, 可以降低粘流温度和粘度, 提高模塑温 度也可以降低粘度, 不过粘度太小对模塑

15、也不利, 容易产生溢流现象。 如果加热温度接近或 超过 Td ,则聚合物发生分解室温时呈现粘流态的聚合物,即为目前广泛使用的有机粘结剂(2晶型聚合物 高分子聚合物的结晶概念与金属材料的结晶概念不完全相同。金属 材料的结晶特点是每一种金属晶体都有特定的晶格形式, 而且有固定的晶格常数。 绝大多数 金属原子都存在于相应的晶格节点上。高分子聚合物结晶的特点是大分子链远程排列有序。 虽然一些结晶型聚合物也有晶胞, 晶片, 晶球的结构模型, 也可以用电子显微镜拍摄某些聚 合物结晶结构照片, 但从总体上看, 结晶型聚合物中的大分子链不可能百分之百规则有序排 列,也没有象金属材料那样有固定的晶型。结晶型聚合

16、物的聚集态如下图图中显示在一些区域大分子呈规则排列, 而另一些区域大分子呈无序排列, 规则排列称 为晶区 ,无序排列区称为非晶区。结晶型聚合物总存在一定比例的非晶区,晶区所占的百分比称为结晶度。通常结晶度在百分之 80以上的聚合物称为结晶型聚合物。影响聚合物结晶度的主要因素有以下几点1大分子链化学结构的复杂性化学结构简单,无支链或少支链的大分子彼此容易靠紧, 就容易结晶。 如聚乙烯是高分子聚合物中最简单的一种高分子结构, 而高密 度聚乙烯(HDPE 支链又很少,故高密度聚乙烯的结晶度可达 90%-95%.2 侧基体积大小及其对称性 带有其它取代基的大分子, 凡侧基体积小, 对称性好的, 则大分

17、子就容易靠紧,就容易结晶。如聚四氟乙烯,侧基 F 原子体积小,分布完全对称,故聚四氟乙烯(PTFE 也是高结晶度 的聚合物反之,像聚苯乙烯(PS 这样的结构,侧基有一个庞大的苯环,对称性又很差,大分子 不容易彼此靠紧,故聚苯乙烯属于非结晶型聚合物聚甲基丙烯酸甲脂(有机玻璃 PMMA 侧基原子基团庞大,对称性很差,故也属于非结 晶型聚合物3大分子链间的作用力 有些聚合物其大分子的化学结构相当复杂,侧基也不对称,但 大分子之间有很大的作用力,这种聚合物也能结晶。例如聚酰胺(PA 就是一个典型的例 子。虽然聚聚酰胺分子结构复杂,侧基不对称,但其大分子之间能产生氢键,具有很大的作 用力,故聚酰胺具有较

18、高的结晶度,属结晶型聚合物4外界条件 高分子聚合物的结晶过程是一个热力学过程,伴随着一定的动力学条件。 也就是说结晶过程有热交换并在一定时间内完成。 结晶前聚合物处于熔融状态, 大分子无序 排列。随着温度下降,大分子逐渐失去活动能力慢慢转变成固态,并在此间进行有序化过程。 如果降温的速度大于聚合物内部有序化过程的速度, 则结晶就难以充分进行, 聚合物的结晶 度就低。反之,即可提高聚合物的结晶度在冷却过程如有适当外力作用, 也能促进聚合物结晶。 故生产中可采用控制冷却速度和调 整外界作用力等工艺因素控制聚合物的结晶度。结晶型聚合物和无定型聚合物两者力学性能和工艺性能有许多区别, 对塑料制品材料的

19、选 择模具制造有密切的关系在一般情况下,结晶型聚合物的物理性能和力学性能是密度,熔点,强度,硬度较高,而 与链段运动有关的性能如弹性,冲击强度,伸长率,透明性和溶解性等较低工艺性能的特点尤为重要。 结晶型聚合物具有与无定型聚合物不同的温度 -形变曲线, 如 图。 3 相对分子量更高的结晶型聚合物2 结晶型聚合物1 无定型聚合物结晶型聚合物与无定型聚合物温度-形变曲线比较形 变 TfTm Tf Tg结晶型聚合物在温度较低时也会脆化, 而且其脆化温度比无定型料略高。随着温度升高,结晶型聚合物不会出现高弹形变,即没有高弹态 温度升高至熔融温度 Tm 时,呈现粘 流态。结晶型聚合物的 Tm 有相对稳定

20、的数值,类似于金属材料的熔点,其数值比一般无定型聚合物的 Tf 略高。常用塑料的 Tm 值列于下表 通过聚合反应得到的高分子化合物就是树脂,可直接作为制作塑料制品的原料二、添加剂塑料的主要组成物是树脂 。但单纯树脂不能成为理想的结构材料,必须加入若干种添加 剂才能获得满意的使用性能和工艺性能, 成为理想的结构材料。 有时添加剂还显示十分重要 的作用,甚至不可缺少塑料中加入的添加剂与合成树脂所用的催化剂、引发剂或交联剂不同。添加剂不影响树 脂的化学结构,只是以物理的形式存在于树脂中,形成多相或微多相结构常用的添加剂及其在塑料中的作用如下1 填充剂 填充剂是塑料中较重要的添加剂 , 在塑料中的百分

21、比较大, 起作用也是多 方面的,主要有:(1 提高抗拉强度 树脂的力学性能比金属材料差得多, 限制了塑料作为结构材料的应 用。提高强度是扩大塑料应用范围的重要手段。其主要方法是在塑料中加入增强材料常用的增强材料是各种高强度、 耐高温和高模量纤维及其织物, 如玻璃纤维、 石棉纤维、 碳纤维和硼纤维等。 这些材料在塑料中其界面能与树脂形成牢固的粘附结合。 在受外力的作 用时, 这些纤维状的填充剂能承受大部分应力, 树脂起传递应力和保护纤维的作用, 从而极 大地提高塑料的强度以玻璃纤维增强的某些塑料(如 ABS 塑料、聚甲醛、尼龙 -6 尼龙 -66 聚碳酸脂、 聚砜等 ,其抗拉强度与一般灰铸铁的抗

22、拉强度相近。这种增强塑料俗称玻璃钢。高强度纤 维增强的增强塑料不仅提高抗拉强度, 而且也明显提高抗蠕变强度和疲劳强度, 提高热变形 温度,降低热膨胀系数,还能抑制与纤维方向垂直的微裂纹的扩展加入某些金属粉末或其它材料 (如酚醛树脂中加入木粉 也能提高塑料的强度, 增强承 载能力(2 提高强度和耐磨性 树脂是硬度很低的固体材料, 抵抗磨粒磨损的能力较差。 为了 提高塑料制品的硬度,增强抵抗磨粒磨损的能力,常用的方法也是塑料中加入某些填充剂。 这类填充剂主要是一些高硬度的氧化物或碳化物,如氧化铝,氧化硅,氧化钛和碳化硅等。 这些化合物也是以宏观分散相的状态存在, 不影响树脂本身的性质, 在摩擦环境

23、中这些高硬 度化合物起着抵抗磨损的作用,有效减缓整体材料的磨损(3 降低摩擦系数, 提高自润滑性 大多数树脂都具有一定程度的自润滑性和较小的磨 擦系数。 但当塑料作为减磨材料使用时, 其自身的自润滑性显得不够, 故常在塑料中加入某 些固体材料作为填充剂,进一步降低摩擦系数,提高自润滑性能这类填充剂常用的有石墨,二硫化钼,硫化铅,聚四氟乙烯和滑石粉等(4改变导电、导热性能 塑料是良好的电、 热绝缘材料。但有时塑料制品的工作条 件对塑料的导电、 导热性能有特殊要求, 就需在塑料中加入某些填充剂以达到使用要求。 加 入石棉,云母能提高耐热性和电绝缘性,加入石墨和金属粉末则可提高导热性(5降低材料成本

24、 选择一些既能改善塑料某些性能又比树脂低廉的材料作为填充剂, 可以使材料成本降低。 如烯烃类填充硫酸污泥制成钙塑板, 酚醛塑料填充木粉制成各种电器 元件,都是改善塑料性能又降低材料成本的实例。2 增塑剂 合成树脂一般都具有一定的可塑性。 但树脂本身所具有的可塑性不能满足某 些塑料制品的使用要求和成型工艺要求, 因此在塑料中添加增塑剂是满足上述要求的重要途 径。常用增塑剂为液态或低熔点固态有机化合物, 如甲酸脂类、 磷酸脂类和氯化石蜡等这些 低分子物质的加入使树脂中大分子链拉开距离, 降低分子间的作用力, 从而提高大分子链的 柔顺性。为提高增塑效果,增塑剂必须与树脂有良好的相溶性,挥发性小、无毒

25、、无味、无 色,对光和热比较稳定。3 稳定剂 塑料与金属相比,一个 显著的缺点就是易老化,即在光、热和氧的作用下 降解、 断链和交联, 制品失去使用性能。 在塑料中加入稳定剂可有效地延缓老化。 稳定剂主 要是抗氧剂和紫外线吸收剂。 稳定剂除了低抗氧和紫外线的有害作用外还能耐水、 耐油、 耐 化学药品并与树脂良好相熔性,在成型过程中不易分解常用的稳定剂有硬脂酸盐、铅或锡的化合物和环氧化合物等4 润滑剂 在塑料中添加润滑剂的目的是满足成型工艺的需要。 在相同工艺参数条件下, 希望塑料的粘度小, 流动性能好, 使之容易填充整个型腔, 同时要求塑料制品成形容易脱离 模具并保持表面光洁。因此润滑剂的润滑

26、作用实际上包含两种一是降低塑料的熔融黏度, 减少内摩擦。 这类润滑剂要求与塑料有良好的相溶性, 如在 塑料中加入低相对分子量的聚乙烯和聚四氟乙烯可以获得良好的效果。 这种润滑也称为内润 滑另一种作用则是使塑料容易脱模, 不必要求润滑剂与塑料相溶, 而要求在成型过程中能 在熔融塑料与金属模具之间形成一层很薄的隔离膜, 使塑料不粘在模具表面即可。 这种润滑 也称为外润滑。常用的润滑剂是硬脂酸及其盐类5 染色剂 合成树脂多为半透明乳白色或无色透明,以此制成塑料制品必定是色泽单调 不美观。许多塑料制品,如日用品、儿童玩具和各种装饰品都要求颜料鲜艳。花纹美观。许 多电器导线, 为安装接线方便也要求用各种

27、不同颜色塑料作为包皮。 因此塑料的染色也是生 产的重要的一环。添加的染色剂分染料和颜料两类。染料通常是在生产原料时加入,应能与树脂有良好的相溶性。颜料一般在成型加工时加入。 各种染色剂都应该是性能稳定, 不易变色, 不与其它添加 剂起化学反应。 有些染色剂同时还有促使塑料性能稳定的作用, 而有些染剂则相反, 降低塑 料性能的稳定性6固化剂 固化剂的作用是使线型聚合通过交联成为体型聚合物,使制品具有良好的刚 度和硬度。 通常固化剂只添加于热固性塑料中, 如酚醛树脂添加六次甲基四胺。 环氧树脂添 加酸酐类化合物,聚脂树脂添加过氧化物等7 阻燃剂 许多合成树脂都有遇火燃烧的特性,有的甚至离火后继续自

28、燃。金属材料及 陶瓷材料则无此缺点。为使用安全,常在塑料中加入阻燃剂以防止塑料制品遇火燃烧。 常用的阻燃剂有三氧化二锑,氢氧化铝等8 抗静电剂 塑料是良好绝缘材料,但塑料在使用过程中如与其它材料发生摩擦,很容 易在表面产生静电。 轻者表面吸尘变脏, 重者火花放电引起火灾, 加入静电剂的作用是制品 表面导电形成导电层而放电常用的抗静电剂为有机氮化合物等9 发泡剂 发泡剂是使塑料形成微孔结构材料的添加剂。这类发泡剂都是在受热能分解 放出气体的化合物,常用的有机发泡剂有偶氮二甲酰胺和偶氮二异丁腈, 无机发泡剂有碳酸氢钠和碳酸氢铵 等加入发泡剂形成的微孔结构塑料成为泡沫塑料, 有良好的隔声和隔热性能及

29、很高的比刚 度,被广泛应用10功能添加剂,广义地说,所有塑料添加剂都可称为功能添加剂,因为每一种添加剂 加入塑料中都使塑料具有某种功能。 这里所说的添加剂则是除以上所有添加剂以外, 能使塑 料具有一些特殊性能的物质加入低电阻金属的粉末,可使塑料具有一定的导电能力加入发光材料,可使塑料在黑暗中发光,成为发光塑料加入芳香物质可使塑料发出香味等等综上所述, 添加剂是塑料的组成部分, 当然并不是所有塑料都必须添加上面所列的全部 添加剂, 而是生产的工艺要求和制品的使用要求而有选择地加入, 加入份量应依具体要求而 异必须指出 添加剂的加入可能在某些方面起有益的作用,而在其他方面可能产生反面作用。选添加剂

30、要全面考虑第二节 塑性塑料的分类塑料作为结构材料使用其历史远比金属材料和陶瓷材料短得多, 但其品种的发展速度却 很快, 在短短的几十年间就有几百个品种问世。 因此塑料有多种分类方法, 最常用的是按树 脂的受热的特性和塑料的用途分类1 按塑料的受热特性分类 按塑料加热冷却时树脂呈现的特性, 分为热塑性塑料和热固 性塑料两类1 热塑性塑料 热塑性塑料的特性是塑料受热时软化, 温度升高到一定数值时可呈现 粘流态,当温度降低时(一般指室温塑料变得坚硬。再次加热能再变软,冷却后又变硬, 可以如此多次反复热塑性塑料除能多次反复外, 还能溶于某些溶剂, 这种现象称为可熔可溶。 常用的热塑 性塑料有聚乙烯 聚

31、丙烯 聚氯乙烯 聚苯乙烯 ABS 塑料 聚甲醛 聚酰胺 聚四氟乙烯 聚甲 基丙烯酸甲脂(有机玻璃 、聚碳酸脂和聚砜等2 热固性塑料 热固性塑料的特性是塑料第一次受热时软化, 冷却时固化并呈现刚硬 状态。 重新加热时不再软化,温度超过一定数值时发生分解。 这类塑料不溶于溶剂,称为不 熔不溶, 常用的热固性塑料有酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂和不饱和聚脂等2 按塑料的用途分类 按塑料的用途分通用型和工程塑料两类1 通用塑料 通用塑料通常指产量大、用途大、价格低廉、主要用于制造日用品的塑 料有资料称,通用塑料的产量约占总产量的 3/4,成为塑料工业的重要支柱。常用的通用 塑料有聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯

32、 聚苯乙烯 酚醛塑料、氨基塑料等2 工程塑料 工程塑料通常指具有较高的力学性能和耐高温、 耐腐蚀, 在各类工程中作 为结构材料的塑料。常用的有聚酰胺、聚甲醛、 ABS 、塑料聚碳酸脂、聚四氟乙烯、聚砜和 聚氯醚等随着塑料工业技术的迅速发展和塑料应用的日益广泛, 某些通用塑料也在工程中获得应 用小家电中大量采用塑料零件, 而这类塑料很难化分其属性 -日用品或工业品, 故也可认 为某些原属工程塑料的品种也用于制造日用品。 因此通用塑料与工程塑料之间实际上已无明 显界限第三节 热塑性塑料及其特性一、常用热塑性塑料 (Thermoplastics1. 聚乙烯(Polyethylene 在诸多塑料品种中

33、,聚乙烯的原料比较丰富,故其产量高。聚乙烯的代号为 PE ,分子结构式为C H C H H H n按照生产工艺的不同,聚乙烯分为高压聚乙烯、中压聚乙烯,和低压聚乙烯三种。 高压聚乙烯的相对分子质量较小, 大分子链含有若干短支链, 结晶度是三种聚乙烯中最 小的,密度也是三者中最小的,约 0.91-0.92g/cm3, 亦称低密度聚乙烯(LDPE 。高压聚乙 烯的强度较差而柔顺性、抗冲击性和透明性较好。中、 低压聚乙烯大分子链的支链较少, 相对分子质量和结晶度都比高压聚乙烯大, 但柔 顺性较差,质地坚硬。低压聚乙烯的密度为 0.94-0.96g/cm3,亦称高密度聚乙烯(HDPE 。 聚乙烯呈乳白

34、色半透明状态,遇火会燃烧。从分子结构式可知,聚乙烯分子中只有碳、 氢两种元素,没有极性基团。 在常温下能耐 酸、碱作用,也不溶于有机溶剂。吸水性小,耐蚀性和电绝缘性很好,是优良的高频电绝缘 材料。 高压聚乙烯多用于制造薄膜。 低压聚乙烯则作为结构材料使用, 用制造日用品, 化工 设备中的耐蚀管道、槽衬及某些机械零件。2.聚氯乙烯(Poly-vinyl chloride 聚氯乙烯是最早工业化的塑料品种之一,在日常 生活中广泛应用。聚氯乙烯的代号为 PVC ,分子结构为C H CH Cl H n聚氯乙烯树脂为无色透明体,供应状态常为白色粉末。有良好的着色性能,密度为1.4g/cm3。 由于含有较高

35、的氯, 故有耐燃自熄的特性。 聚氯乙烯大分子链含有极性的氯原子, 分子的作用力比聚乙烯大,强度和硬度都比聚乙烯略大。聚氯乙烯树脂在 65-85时就开始软化, 150-170则呈熔融状态, 190以上分解并放出有 毒的氯化氢。按照组分中加增塑剂的不同,可制得硬质聚氯乙烯和软质聚氯乙烯。硬质聚氯乙烯具 有较高的强度和硬度,可作为结构材料使用。软质聚氯乙烯(P-PVC 具有良好的柔顺性,可制作各类软管、电线包皮和日用品, 其中大量用于制作薄膜和人造革。硬质聚氯乙烯(PVC-U 除生产成型零件外,大量用于生产管材,棒材和板材,在化 工和建筑业中广泛应用。聚氯乙烯具有良好的介电性能,但随着温度的上升和频

36、率的增高,介电性能变差。故只能用于制造室温使用的低频电器元件,如民用电器插座、插头和开关等。聚氯乙烯具有良好的化学稳定性,能耐许多化学药品的腐蚀。常温能耐一定浓度的盐 酸、硫酸、硝酸和氢氧化钠,广泛用于制造化工容器和运输管道。3.聚丙烯(Polypropylene 聚丙烯是 20世纪 50年代才开始工业化生产。由于原料丰 富,价格便宜,又具有许多优良性能,故应用日益增多,产量不断提高。聚丙烯的代号为 PP ,分子结构式为 n H H C HC C H 3从分子式中可以看出,在聚丙烯的分子链上每隔一个碳原子就连接一个甲基基团。甲 基基团的排列形式对聚丙烯的性能有一定的影响。 一般规律是甲基排列规

37、整性高的, 结晶度 较高,机械强度也较高。聚丙烯的密度为 0.90-0.91 g/cm3,是常用塑料中密度最小的品种。聚丙烯具有良好的 耐热性,在无外力作用的环境中加热至 150也不变形。故聚丙烯可在水中煮沸,可以制作 需经煮沸消毒的医疗器械,如注射针筒等。聚丙烯的许多力学性能如拉伸强度、屈服强度、压缩强度、硬度和弹性模量等都优于 低压聚乙烯。可作为许多机械零件的材料,如齿轮、法兰、风扇叶轮、和小型壳体等。聚丙 烯还具有良好的电绝缘性、化学稳定性和成型工艺性,可用于制作电器元件、化工管道、容 器和家用电器零件等。聚丙烯遇火容易燃烧,使用时应予以注意。4.聚苯乙烯(Polystyrene 聚苯乙

38、烯略早于聚丙烯问世,其原料苯乙烯十分丰富,也 是目前广泛应用的塑料之一。聚苯乙烯的密度是 1.04-1.16/cm3,比聚氯乙烯小而大于聚乙烯和聚丙烯。聚苯乙烯遇 火会自燃,聚苯乙烯的代号为 PS ,分子结构为 C H CH H聚苯乙烯的主链上带有结构庞大的苯环,故柔性差,质硬脆,抗冲击性能差,敲打时 发出类似金属的声音。机械强度低于硬质聚氯乙烯,尤其是相对分子质量较小的品种强度更差。聚苯乙烯具有良好的可塑流动性及较小的成型收缩率, 是成型工艺性最好的塑料品种 之一,容易制造形状复杂的制品。聚苯乙烯无色透明,透光性能仅次于有机玻璃,容易着色,常用于制造要求透明或颜 色鲜艳的制品,如各种灯罩、光

39、学仪器零件等。聚苯乙烯有很小的吸水率,在潮湿环境中形状和尺寸的变化很小,适用于制造要求尺 寸稳定的制品如仪表壳体等。聚苯乙烯具有优良的电绝缘性能,尤其是在高频条件下介电损耗仍然很小,是优良的 高频绝缘材料聚苯乙烯的主要缺点是脆性大,形状复杂制品成型后存较大内应力时,常会在使用中 自行开裂。 为改善聚苯乙烯的脆性, 加少量丁二烯可明显降低脆性,提高冲击韧性。这种塑 料亦称高冲击型聚苯乙烯。5. ABS 塑料 (Acrylonitrile-butadiene styrene ABS 是一种三元共聚物, 由丙烯腈 (A 、 丁二烯(B 、和苯乙烯(S 三种单体组成,兼有三种组分的优点,而且三种组分的

40、比例可 按需要任意调整,以便塑料具有所需的性能。ABS 的分子结构式为 HHCHCNCCHCH H HHCHC C CH HHABS 塑料是在树脂连续相中分布着橡胶相。丙烯腈使 ABS 塑料具有高的硬度、良好 的耐腐蚀性和耐热性;丁二烯使其具有高的韧性和低温弹性;苯乙烯则使 ABS 塑料具有良 好的成型工艺性、着色性和刚性。ABS 塑料的密度为 1.02-1.08g/cm3,吸水率很小,但遇火会燃烧,除了可调整三种组 分的比例以获得不同性能外,还可加入不同的添加剂,制成通用级、中冲击级、高冲击级、 低温冲击级、阻燃级、电镀级、透明级和自熄级等品种的 ABS 塑料。ABS 塑料具有优良的综合性能

41、,即优良的力学性能、电绝缘性、化学稳定性、成型工 艺性。虽然 ABS 塑料本身不透明,但其着色性能好。 ABS 塑料另一个重要特点是表面可电 镀、喷涂、印刷、真空镀膜和绘画。目前 ABS 塑料除了用于制造多种机械零件外, 在家用电器中得到非常广泛的应用, 如电视机、收音机、洗衣机、电冰箱等的壳体等及电镀旋钮,电话机壳体、听筒、孔盘及一些 仪表壳体等。6.聚酰胺(Polyamide 聚酰胺是大分子链中含有酰胺基团的高分子聚合物制成的塑 料的总称,包含若干品种。不同品种的聚酰胺其性能有一定的差别。聚酰胺的代号为 PA ,俗称尼龙(英文商品名称 Nylon 的译名,尼龙 -66纤维织物我国 商业上也

42、称绵纶 。聚酰胺是最先用作工程塑料的品种之一,制取方法有两种。1 一种是由氨基酸脱水制成内酰胺, 然后开环聚合。 用链节中碳原子的数目作为具体 的品种的命名。这类尼龙常见的品种有尼龙 -6、尼龙 -8等。尼龙 -6(PA6由己内酰胺聚合而得的聚酰胺,其结构式为 N H 2H C 5C O链节中有 6个碳原子,则称为聚酰胺 -6(尼龙 -6, PA6 。尼龙 -8(PA8如由辛内酰胺聚合而得的聚酰胺,其结构式为 N H 2H C 7C O n链节中含有 8个碳原子,则称为聚酰胺 -8(尼龙 -8, PA8 。2另一种制取方法是由二元酸与二元胺缩聚而得,也是以二元酸与二元胺的碳原子数 命名。这类尼

43、龙常见的品种有尼龙 -66、尼龙 -610、尼龙 -1010等。尼龙 -66(PA66由己二胺与己二酸聚合而成的尼龙,其结构式为 NH 2H C C O H N 4C H 2O C链节中二元胺的部分含有 6个碳原子,二元酸的部分也含有 6个碳原子,这种尼龙称 为尼龙 -66(PA66 。尼龙 -610(PA610由己二胺与癸二酸聚合而成的尼龙,其结构式为N H 2H C C OH N 8C H 2O C链节中二元胺的部分含有 6个碳原子, 二元酸的部分中含有 10个碳原子, 这种尼龙则 称为尼龙 -610(PA610 。 聚酰胺属线型高分子聚合物,酰胺基团上的氢能与另一个大分子中酰胺基团上给出

44、电 子的羰基结合成作用力很大的氢键。 H O C N2H C HC H 2C ON H 22H 因此聚酰胺大分子与大分子之间存很大的作用力,以至于使聚酰胺的聚集态形成晶态 结构,成为结晶聚合物,并使聚酰胺具有较高的机械强度和明显的熔点。不同品种的聚酰胺,氢键的密度(即相同分子链长度的氢键个数是不同的,故机械 强度也不同。尼龙 -6和尼 -66的氢键最密,故其强度最好,随着分子链中碳原子的增加,强 度逐渐降低。聚酰胺的吸水性(Hygroscopic 较大,而且吸水后会发生体积膨胀,影响制品的尺寸 精度。分子链中的次甲基(CH2基团是疏水基团,随着(CH2基团数量的增加,吸水率 降低。例如尼龙 -

45、6的吸水率最大, 24h 的吸水率为 2%;而尼龙 -1010则为 0.39%,尼龙 -12为 0.25%。聚酰胺除了具有较高的强度外,还具有摩擦系数小和良好的自润滑性,可在少润滑和 无润滑的条件下作摩擦材料使用。适用于制作不允许润滑油污染的纺织与食品机械的零件, 如齿轮、轴承、轴套等。聚酰胺还具有耐油、耐溶剂和耐稀酸的作用,但不耐浓酸。 由于聚酰胺的耐热温度不高,而且吸湿性大,故应避免在高温和高湿度的环境中使用。7.聚甲醛(Polyacetal 聚甲醛是近来被广泛应用的热塑性工程塑料。其大分子链的 支链极少,属线型结晶型聚合物,有明显的熔点,颜色呈白色。聚甲醛的代号为 POM 。 根据所用的

46、原料和聚合的方法不同, 聚甲醛又分为均聚甲醛和共聚甲醛。均聚甲醛 以三聚甲醛为原料聚合而成的,其分子结构式为C H 3C OO 2C O H O 3H C C主链以连续 -C-O-键构成。共聚甲醛 以三聚甲醛和少量二氧五环为原料聚合而成,其分子结构式为O 2H C O CH 22H O C CH 2 其分子链在 -C-O-键中平均分布着 -C-C-键。 -C-C-比 -C-O-键稳定, 在大分子链降解时可 作为中止点,故共聚甲醛的稳定性比均聚甲醛好。但 -C-C-键的键距较长,故均聚甲醛的力 学性能较好。两种聚甲醛的其性能也略有区别,如均聚甲醛的密度为 1.43g/cm3,共聚甲醛的密度为1.

47、41g/cm3,结晶度均聚甲醛为 75%-85%,共聚甲醛为 70%-75%;熔点均聚甲醛约 175, 共聚甲醛约 160。聚甲醛具有较小的吸水性, 24h 为 0.22-0.25%,故制品在潮湿环境中使用时具有较好的 尺寸稳定性,聚甲醛的工作温度比聚酰胺略高,可在 100左右的环境下使用,聚甲醛具有良好的 电绝缘性,特别是在潮湿环境中,其电绝缘性能比较稳定。聚甲醛力学性能很好,某些性能超过聚酰胺,如弹性模量、疲劳强度、冲击韧性等都 是聚甲醛突出的优良的性能。聚甲醛具有与聚酰胺相近的摩擦性能,摩擦系数小,自润滑性好,可以在无润滑的条 件下使用。此外,聚甲醛还具有良好的弹性,可制作弹性元件。聚甲

48、醛的缺点是耐候性差,易老化,易燃。目前使用较多的是共聚甲醛。8.聚碳酸脂(Polycarbonate 聚碳酸酯是近年来广泛应用的热塑性工程塑料。常用的 品种是双酚 A 型聚碳酸酯,其分子结构式为C H3 O C C H3 O O C n 分子链中有刚性的苯环，强度好的异丙撑和柔顺的醚键-O-，故聚碳酸酯具有刚柔结合 的优良性能。 聚碳酸酯的代号为 PC，密度 1.2g/cm3，树脂呈淡黄色透明体，透光率在塑料中仅次于 有机玻璃和聚苯乙烯，可以制作透明塑料制品，也可以着色制作颜色鲜艳的塑料，广泛用于 制造光学仪器和照明器件。 聚碳酸酯的吸水率很小，在潮湿的环境中使用时尺寸变化很小，模塑收缩率小，

49、成型后 尺寸稳定性很好，适合制造精度较高的制品。 聚碳酸酯的力学性能与聚酰胺和聚甲醛相近，其冲击强度是常用工程塑料中最好的品 种之一，蠕变强度也是常用工程塑料中较高的。聚碳酸酯的耐热性和耐寒性都很突出，其使 用温度范围为-60至 120，遇火缓慢燃烧。 聚碳酸酯有两个明显的缺点，一是疲劳强度低，另一点是制品易开裂。 由于聚碳酸酯的力学性能优良，主要用于制造承受一定载荷的机械零件，如轴承、齿 轮、蜗轮、蜗杆等，此外，聚碳酸酯还具有较高的耐击性穿电压强度，广泛用于制造电动工 具外壳和其他零件。 9聚砜（Polysulfone）聚砜是问世不久的新型热塑性工程塑料，聚砜的代号为 PSF， 其分子结构式

50、为 C H3 C C H3 O O S O n O 分子链中除含有苯环异丙撑和醚键外，还含有抗氧化性强的砜基，故称聚砜，也称聚 苯醚砜。由于分子链中各组分具有独特的作用，聚砜具有优良的综合性能，其中最突出的是 耐热性，热变形温度为 174，高于聚碳酸酯和聚甲醛，长期使用温度为 150，也比聚碳 酸酯和聚甲醛高，而脆化温度为-100，可见聚砜的使用温度范围很大。 聚砜的密度为 1.24g/cm3 遇火难燃烧，离火自熄。 聚砜的抗拉强度虽然比尼龙-6 和尼龙-66 低，但比聚碳酸酯和聚甲醛高，而且随温度 的升高而降低的趋势缓慢。 聚砜的另一个优良性能是蠕变值很小，在 20、21MPa 的载荷下，1

51、0000h 的蠕变值 小于 0.1%。即使在 100、20MPa 的载荷下，一年的蠕变值也只有 2%，故聚砜适合于制造 要求精密的零件。在机械制造中，聚砜用于制造精密齿轮、凸轮、真空泵叶轮，仪表壳体等。 10聚四氟乙烯（Polyetrafluoroethylene）聚四氟乙烯是氟塑料的一个品种，密度约 2.15g/cm3，聚四氟乙烯的代号为 PTFE 或 F-4，分子结构式为 F F C C F F n 大分子链的侧基是原子直径很小的氟，故聚四氟乙烯是结晶度很高的结晶型聚合物。 聚四氟乙烯有两个显著特点，一是耐蚀性极好，二是摩擦系数极小。 聚四氟乙烯在任何浓度的强酸、强碱、和强氧化剂中都不被腐蚀，即使在高温状态下 也一样，其化学稳