塑料成型工艺与模具设计

备课讲义课程名称塑料模具设计课程编号1111610学时学分40（4）学时2.5学分专业层次机械设计制造及其自动化备课教材《塑料成型加工与模具》黄虹主编化工版2003授课班级机自107授课日期201136年9～12月授课教师卓荣明归口系部机械工程系版次03第1章塑料成型概述1．1塑料的概念1．1．1塑料定义塑料是以树脂为基本成份，在一定条件下可以塑化成形的合成材料。其中树脂——高分子化合物，主要由人工合成，又称为高分子聚合物；一定条件——温度、压力、模具、设备等；塑化成形——加热→流动→成型→定形；合成材料——树脂、添加剂等。1．1．2塑料的特性及其用途1．1．2．1塑料的特性优点：1）塑料材料重量轻，密度一般为0.9～2.3克/cm³；2）具有某些优良的机械性能，如比强度高、摩擦系数小、自润滑性好、吸震性好等；3）电性能优良，如绝缘性能好、介电损耗低等；4）化学稳定性高，能耐酸、碱和许多化学药品的腐蚀；5）光学性能优良，如光学塑料的折射率、透光范围等指标均较好；6）表面装饰性好，如着色、喷漆、电镀等性能优良；7）成型工艺性能优良，加工成本低，经济性好；8）性能可改良性好，通过改性技术改善塑料的性能和用途成为主要发展方向。缺点：1）耐高温性差，一般塑料的使用温度范围为60～300℃；2）机械性能欠缺，如机械强度、刚性、表面硬度、耐疲劳性等较低；3）尺寸稳定性差，如热膨胀系数、收缩率、抗蠕变性等性能均不理想；4）耐候性差，如易老化、变色、发脆等；5）塑料是非绿色材料，对人体、环境等不良影响成为阻碍其发展的重要因素。1．1．2．2塑料的用途塑料的用途是由它的性能及价格等因素决定的。塑料材料被广泛应用于机械、建筑、电气、电子、家电、农业、医药、日用品等各行各业，更在现代的航空、航天、军事技术等尖端科学领域得到了大力的开拓和应用。1．1．3塑料的发展简史及在国民经济中的地位1．1．3．1塑料的发展简史1）初创阶段1820年英国人ThomasHancock发现经过塑炼的橡胶具有可塑性，并能流动，出现了塑性一词Plastic；1839年美国人CharlasCoodyear发现橡胶与硫磺一起加热会使橡胶更富有弹性，并能定型，出现了硫化一词Vulcanization；1851年出现了有弹性的硬质橡胶，并产生了橡胶工业。这不仅是橡胶工业的里程碑，而且也是塑料发展史上的重要一页；1856年英国人AlexanderParkes发现在感光的火棉中，熔剂蒸发后留下的固体残渣是一种硬而有弹性的角质物质，并能防水。又于1862年展出了硝化纤维素塑料，为此而被授勋；1865年美国人JohnWesleyHyatt用硝化纤维素制成了代替象牙的桌球；1872年正式命名硝化纤维素加樟脑的合成材料为“赛璐珞”。这是通过有机物聚合反应生成的第一种塑料材料，是现代塑料工业的里程碑。2）理论和技术发展阶段1872年AdolfBayer用甲醛反应得到树脂状物质；1899年AithurSmith获得了关于酚醛树脂的第一个英国专利（16874号）；1909年LeeHendrikBaekeland控制和改进反应使得酚醛树脂成为第一个进入工业化生产的合成树脂；1925～1935年间，建立了有关高分子化合物特征和生成的基本理论，从而在有机化学和物理化学的基础上产生了高分子化学和物理这一新兴学科，有力地促进了塑料工业的发展。这期间，低密度聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺等热塑性塑料相继工业化，奠定了塑料工业的基础。3）飞跃发展阶段1954年，发现用TiCl3的络合物作催化剂（齐格勒—纳塔催化剂），通过定向聚合可得到优良性能的聚合物。这一定向催化聚合工艺的创立、高分子学科的进一步发展及聚合技术的开拓，使得高密度聚乙烯、聚丙烯进入了工业化生产。50年代中期～60年代末，石油化工的高速发展为塑料工业提供了丰富而廉价的原料，这一阶段，塑料的产量和品种不断增加，成型加工技术更趋完善。4）稳定增长阶段70年代以来，由于石油危机和资本主义周期性的经济危机，原材料价格猛涨，塑料增长速度显著下降。这一阶段塑料工业的特点是通过各种改性技术来改进塑料的性能，提高产品的质量，扩大应用领域，生产技术更趋合理。进入90年代以来，塑料工业向着生产工艺自动化、连续化，产品系列化，以及不断开拓功能性塑料的新领域发展。1．1．3．2塑料材料在国民经济中的地位高分子学科的创立、石油化工工业的发展、成型加工技术的开拓，已使塑料材料跻身于金属、纤维和硅酸盐三大传统材料之列，成为新型的重要材料之一，更成为国民经济中各行各业不可缺少的重要材料。1．2塑料制品成型加工的概念1．2．1塑料制品的生产工业体系从塑料的原材料到塑料制品，所经过的生产流程如下图所示。成型加工添加剂单体成型加工添加剂单体塑料制品塑料树脂原料塑料制品塑料树脂原料图1-1塑料制品的生产工业体系Ⅲ塑料制品生产Ⅱ图1-1塑料制品的生产工业体系Ⅲ塑料制品生产Ⅱ塑料材料生产Ⅰ塑料原料生产1．2．2塑料制品的成型加工技术过程塑料一般经过以下的生产工序制成产品。后处理前处理后处理前处理修饰塑料制品装配机械加工成型加工塑料修饰塑料制品装配机械加工成型加工塑料锯冲剪车铣刨钻铰攻其它其它螺接嵌接焊接粘接粉料粒料溶液等锯冲剪车铣刨钻铰攻其它其它螺接嵌接焊接粘接粉料粒料溶液等镀饰印喷烫滚浸涂锉磨抛其它镀饰印喷烫滚浸涂锉磨抛其它挤出成型挤压烧结其它压制烧结二次成型热成型发泡成型涂层成型层压成型离心成型铸塑成型滚塑成型吹塑成型压缩成型注射成型挤出成型挤压烧结其它压制烧结二次成型热成型发泡成型涂层成型层压成型离心成型铸塑成型滚塑成型吹塑成型压缩成型注射成型图1-2塑料制品的生产技术过程图1-2塑料制品的生产技术过程以上过程中，成型加工是最主要的。一般来说，各种塑料都需经过多种成型工艺方法的加工才能成为产品，且各种塑料都有其比较适应的成型工艺方法及过程。1．3塑料成型模具的概念1．3．1塑料模具的概念塑料模具是利用其特定形状去成型具有一定形状和尺寸的塑料制品的工艺装备。（以注射模具为例，利用简单结构示意图）其中模具基本结构——动模、定模、型腔、流道、推出机构、导向机构、温度调节基本工作过程——合模→注射→保压→冷却→开模→推出制品→注射前准备1．3．2塑料模具的基本要求1）保证塑料制品的质量要求，如形状及尺寸精度、外观质量；2）模具的制造技术要求，如结构合理、制造容易、成本低廉；3）模具的使用要求，如操作简单、维护方便、高效率、自动化；4）模具的经济性要求，如生产批量、材料成本、制造成本。1．3．3塑料模具的分类塑料模具的分类方法很多，一般按照制品的成型工艺方法进行分类。1）注射模2）压缩模3）压注模4）挤出模5）气动成型模1．5练习思考题1）什么是塑料材料？举实例说明塑料材料在实际使用中的特点？2）谈一谈对塑料制品成型加工技术在国民经济和现代制造业中地位的认识？第2章塑料成型技术基础2．1聚合物的概念及塑料的组成2．1．1高分子的概念2．1．1．1高分子的定义20世纪20年代，德国化学家斯陶丁格提出高分子化合物分子结构模型，从而确立了大分子学说。他认为，高分子是分子量特别大的一类化合物，是由很多化学结构比较简单的结构单元重复连接成链状或网状的大分子，对于人工合成的则称为高分子聚合物或聚合物。2．1．1．2分子结构式和分子量以聚丙烯（PP）为例，其分子结构为：[CH2—[CH2—CH]nCH3CH3其中：1）n为高分子的聚合度，应具有足够大的数值，否则不属于高分子化合物。用于塑料材料的聚合物一般n值为100～200以上，分子量为104以上，分子链长度大于104埃；2）对于同一种聚合物，不同的生产批次或同一批次的不同分子之间，聚合度n值是不相同的。在同一批次的聚合物中，n值具有平均的意义，其分子量也是统计平均值；3）分子量的分布是聚合物的一个重要性能参数，有些特殊塑料制品对原料树脂的分子量分布有严格要求，分子量的分布体现出原料树脂生产的工艺水平。2．1．1．3分子链形状和空间构型1）分子链形状是指结构单元在空间上的连接形式及构造形状，具有线形、支化形和网形等三种形状。2）分子链空间构型是指支化形高分子或一些结构单元具有取代基（官能团）的聚合物分子其小支链或取代基（官能团）在分子链上的排列状况及构造形式，具有无规立构、等规立构和间规立构等三种构型。3）通常化学键的键能为30～200千卡/摩尔，而分子间力（小分子）一般小于10千卡/摩尔，分子间力（范德华力）对物质的熔点、沸点、溶解度等都有影响。对于聚合物分子，其强度是由化学键和分子间力（范德华力）共同决定的，聚合物分子链的形状和空间构型对分子间力有重要影响。例1无规聚丙烯（PP）的软化温度约为80℃，使用价值很低；等规聚丙烯（PP）的熔点温度约为165℃，具有较好的使用价值。例2用于等规聚丙烯的催化剂为有名的齐格勒（德国）—纳塔（意大利）催化剂，具有定向聚合作用，其对于高分子聚合物的发展作出了划时代的贡献。1955年意大利首先合成出等规聚丙烯。齐格勒和纳塔于1963年获得诺贝尔化学奖。2．1．1．4分子链的空间构象和柔顺性1）由于聚合物分子链的长径比很大、分子链上单键的内旋、分子的热运动等因素的影响，可见高分子链的空间构象是千变万化的，通常将构象无规则变化的柔性高分子链称为无规线团。2）无规线团在受到外力作用的时候，会沿着外力作用的方向伸展或压缩；外力解除后，经过一定的时间，其分子链的空间构象将恢复自由，发生形态和尺寸的改变，通常将高分子的这种特性称为柔顺性。高分子链的柔顺性取决于高分子的主链结构、取代基、氢键、交联度等因素的影响，通常根据其柔顺性的高低分为柔性分子链和刚性分子链。2．1．2塑料的组成及分类2．1．2．1塑料的组成1）塑料材料的性能主要取决于聚合物的结构及性能，同时决定了塑料的类型。2）塑料中添加填料和助剂的目的在于改善材料的内在性质和加工性质，并达到提高制品使用性能。3）塑料不仅可通过物理改性（填料、助剂等）来改善性能，而且可以经过共混、共聚、接枝、、交联、定向催化等化学改性技术来进一步增加材料的品种和扩大制品的用途。2．1．2．2按聚合物结构及特性分类1）热塑性塑料是指聚合物分子呈线型或支型结构，受热流动且能够成型，冷却后能保持既得的形状。加热和冷却可以反复进行多次，在此过程中一般只发生聚集态改变等物理变化。2）热固性塑料是指聚合物经过加热流动且成型后，其分子结构发生化学变化，分子链由线型交联成体型结构，且这样的过程具有不可逆性。2．1．2．3按塑料的应用范围分类1）通用塑料是指产量很大、用途广、价格低的塑料，构成了塑料工业的主体。2）工程塑料是指常在工程技术中用作结构材料的塑料，具有较好的机械性能及使用性能。3）特殊塑料是指具有某些特殊性能及用途的塑料。2．2聚合物的加工性质及塑料的成型工艺性2．2．1聚合物的加工性质2．2．1．1聚合物的聚集态聚合物是由众多的高分子聚集在一起的，其在加工过程中所表现出的许多性质和行为都与高分子的聚集态有关，包括高分子的长链结构、缠结状态和力学状态等。图2—图2—1聚合物的热力学曲线根据聚合物在加热过程中所表现出的力学性质和分子热运动特征，将聚合物分为玻璃态（或结晶态）、高弹态和粘流态，通称聚集态，如图2—1所示。图中Tb——脆化温度Tg——玻璃化温度Tf（Tm）——粘流温度（熔点温度）Td——热分解温度影响聚集态转变的因素有：高分子链结构、聚合物体系组成、受力状态、环境温度等，当聚合物及组成一定时，聚集态的转变主要与温度有关。2．2．1．2聚合物的加工性质聚合物在加工过程中一般要经历由固态→液态的聚集态转变。了解这些转变的本质和规律就能选择适当的加工方法和确定合理的加工工艺参数，在保持原有性能的条件下，以最少的能量消耗，高效率地生产好的塑料制品。1）玻璃态分子杂乱排列的过冷液体，对于结晶聚合物则为玻璃态与晶态的两相混合。该聚集态不宜进行引起大变形的加工，但可以进行机械加工。2）高弹态分子的热运动能量较高，分子链表现出很好的柔顺性，能产生较大的弹性变形，但变形与回复都与时间有关，又称为橡胶态。该聚集态可进行真空成型（热成型）、压力成型、压延成型等加工。在加工过程中将制品温度迅速冷却到Tg温度以下是实现这类加工的关键。3）粘流态分子的热运动能量很高，聚合物不再保持固体形状，受力能产生流动，但粘性很大。温度偏低时表现出类橡胶流动行为；温度偏高时不大的外力就能引起宏观流动，表现为不可逆的粘性形变。该聚集态温度偏低时可进行压延成型、挤出成型、吹塑成型等加工；温度偏高时可进行吹塑成型、注射成型、熔融纺丝等加工。在加工后只要将制品温度冷却下来就可以实现这类加工。综合以上，可以得知：1）对于大多数塑料而言，玻璃态是制品的使用状态，Tb温度和Tg温度是衡量制品使用范围的重要标志，Tb～Tg温度范围越宽，制品对环境的适应性越强。可以通过增塑、共混、改变分子量及其分布、交联和填充无机填料等技术来调整使用温度范围。2）Tf（Tm）温度和Td温度是衡量制品成型性能的重要指标，Tf（Tm）温度低，有利于熔融，生产时热能消耗少；Tf（Tm）～Td温度范围越宽，塑料熔体的热稳定性越好，可在较宽的温度范围内流动和成型，不易发生热分解等质量问题。2．2．1．3聚合物加工过程中的粘弹行为1）聚合物粘弹性由于聚合物在加工过程中处于不同的条件下会表现出固体和液体的性质，即表现出弹性和粘性。但由于聚合物分子的长链结构和大分子运动的逐步性质，聚合物的形变和流动不可能是纯弹性或纯粘性的，而应是弹性和粘性的综合，即为粘弹性的。2）经典的粘弹性理论如下式所示：式中γ——聚合物的总形变γE——普通弹性形变γH——高弹形变γV——粘性形变σ——作用外力t——外力作用时间E1、E2——普通弹性形变模量、高弹形变模量η2、η3——高弹形变粘度、粘性形变粘度3）三种形变的性质如图2—2所示，概述如下：普通弹性形变γE——形变值很小，且不依赖于时间，是由外力使聚合物大分子键长和键角或聚合物晶体中处于平衡状态的粒子间发生形变和位移所引起。图2—2聚合物在外力作用下的形变—时间曲线γ图2—2聚合物在外力作用下的形变—时间曲线γEγVγHγE高弹形变γH——形变值很大，且依赖于时间，具有可逆性，是由处于无规则热运动的大分子链段的形变和位移即空间构象的改变所引起。粘性形变γV——形变值很大，表现为宏观流动，具有不可逆性，是聚合物在外力作用下沿力作用方向发生的大分子之间的解缠和相对滑移所引起。4）在加工过程中，聚合物的粘弹性行为概述如下：温度变化时——如温度升高时，由粘弹性公式可知，η2、η3降低，γH、γV增加，但γV增加得更快，而γH增加趋势减小。温度高于Tf（Tm）时——聚合物处于粘流态，形变以粘性形变为主。此时聚合物粘度低流动性大，易于成型，制品的因次稳定性（形状和几何尺寸稳定性）较好。另一方面由于弹性效应的存在，制品会产生内应力和后变形等质量问题。温度处于Tg～Tf范围内时——聚合物处于高弹态，形变以高弹形变为主。此时聚合物粘度高不易流动，且由于高弹形变的可逆性，因此通常较少在此温度范围内成型制品。另一方面由粘弹性公式可知，当外力σ加大和外力作用时间t增加时，γV比γH能更快地迅速增加，粘性形变成分增大，使制品能够产生有效的成型变形，如果此时将温度迅速地冷却到Tg温度以下，则可使制品达到成型的目的，但制品的因次稳定性低，遇热极易变形。5）聚合物塑性形变是指聚合物在Tg～Tf温度范围内以较大的外力和较长时间作用下产生的不可逆形变，其实质是高弹态条件下大分子的强制性解缠和流动。是一种重要的聚合物加工技术，可有效地降低在此温度范围内成型制品的内应力，并能提高制品的因次稳定性。例1塑料制品的应力松弛现象及温度和时间的等同效应？例2塑料或橡胶制品的消音、减震现象？2．2．2塑料的成型工艺性塑料的成型工艺性是指塑料材料在成型过程中表现出的特有性能，决定着成型工艺方法、工艺参数的选择和塑件的质量，同时对模具设计及其质量要求影响很大。2．2．2．1热塑性塑料的工艺性热塑性塑料的成型工艺性能除了热力学性能（聚集态及加工性质）、结晶性和取向性外，还包括收缩性、流动性、相容性、吸湿性、热稳定性等。1）收缩性是指一定量的塑料在熔融状态下的体积高于冷却成型后的体积。收缩率是指收缩性的大小，以单位长度塑件收缩量的百分比来表示。实际收缩率是指模具（或塑件）在成型温度时的尺寸与塑件在室温时的尺寸之间的差别，在大型、精密模具成型零件尺寸计算时经常采用。计算收缩率是指室温时模具尺寸与塑件尺寸之间的差别，在普通中、小模具成型零件尺寸计算时经常采用。收缩率范围是指影响塑料收缩率变化的因素较多，如塑料品种、塑件结构、模具结构、成型工艺条件等，因此塑料制品收缩率会有一定的波动范围。2）流动性是指成型过程中塑料熔体在一定的温度与压力作用下充填模具型腔的能力。流动性能通常用熔融指数（MI）测定法或螺旋线长度试验法来衡量，一般分为好、中、差三类。其影响因素主要有塑料性质、温度、压力、模具结构等。3）热稳定性是指某些塑料在高温下受热时间较长或因剪切作用过大时产生的料温升高而出现的变色、降解和分解的倾向，又称为塑料的热敏性。塑料在分解时往往释放出对塑料材料、设备、模具及人体都有害的气体等产物，因此应从多方面采取措施防止塑料产生热分解。4）吸湿性是指塑料对水分的亲疏程度，是由于其分子结构中含有亲水的极性基因（如酰胺基）所导致，另外还与塑料的组成有关。含水率较高的塑料在加工时会释放出气体，促使塑料产生高温水解，从而导致材料降解，制品出现变色、气泡、银丝与斑纹等质量问题。因此塑料在成型加工前，一般要经过干燥，控制水分含量在0.2%～0.5%以下。5）相容性是指两种或两种以上不同的塑料在熔融状态下不产生相分离现象的能力，又称为塑料的共混性。一般分子结构相似者较易相容，可以得到类似共聚物的综合性能，是改进塑料性能的重要途径之一。2．2．2．2热固性塑料的工艺性热固性塑料在热力学性能上的表现明显不同于热塑性塑料，其主要工艺性能指标有收缩率、流动性、比容和压缩率、硬化速度、水分及挥发物含量等。1）收缩率的意义同热塑性塑料类同，计算方法也与热塑性塑料相同。影响热固性塑料收缩率的因素较多，一般可从模具结构设计、成型工艺条件控制等方面降低制品的收缩率。2）流动性的意义同热塑性塑料类同。热固性塑料的流动性能通常用拉西格流动值来衡量，一般分为好、中、差三类。其影响因素主要有塑料性质、模具结构、成型工艺条件等。3）比容是指单位重量的松散塑料所占的体积。压缩率是指塑料的体积与塑料制品的体积之比。比容和压缩率都可表示粉状或纤维状塑料的松散性，可用来确定模具加料室的大小。4）硬化速度是指一定量的热固性塑料在成型过程中完成交联反应所需的时间，通常以塑料试样硬化1mm厚度所需的秒数来表示。硬化速度的快慢与塑料品种、制品形状、壁厚、预热及预压、成型工艺条件控制等因素有关。5）水分及挥发物含量主要来自塑料吸收的水分和在成型反应过程中释放出的副产物。塑料中的水分及挥发物含量在很大程度上直接影响塑件的物理、力学和介电性能，还会影响组织疏松、收缩率大小、表面光泽、翘曲变形等质量问题。另一方面水分及挥发物含量不足会导致流动性不良、成型困难、不利于压锭等问题。2．3聚合物加工过程的物理化学变化2．3．1聚合物加工过程中的结晶2．3．1．1聚合物结晶的概念1）一般，支化程度低、侧基较小、结构单元单一、分子链规整性较好的高分子比较容易结晶，表现为分子链在空间上的规整排列。2）聚合物熔体冷却结晶时通常生成球晶，在高应力的作用下还能生成纤维状晶体。球晶是由无数微晶聚集而成的多晶聚集体，微晶（单晶）的结晶形态为“折叠链”结构3）结晶聚合物为晶区和非晶区两相混合结构，各个分子链贯穿多个晶区和非晶区，结晶度一般为10～60%，最大可达90%。4）结晶速度慢，结晶具有不完全性，结晶聚合物没有清晰的熔点是大多数聚合物结晶的基本特点。5）不同聚合物结晶速度差别很大，决定于聚合物分子结构、相组成及冷却速度，晶体生成最大速率在Tg～Tm之间。6）聚合物中所含的低分子物（溶剂、增塑剂、水分子等）及固体杂质（或固体填料）会影响聚合物的结晶过程，一般能起促进作用。7）二次结晶是在一次结晶后残留的非晶区域和晶体不完整部分继续进行结晶和进一步完整化结晶的过程。8）后结晶是聚合物加工过程中一部分来不及结晶的区域在加工后发生的继续结晶现象，一般发生在球晶的界面上。2．3．1．2聚合物结晶对制品性能的影响1）聚合物结晶时分子链排列紧密，体积收缩，密度增加，造成分子间结合力增强，力学性能和热性能得到提高；而与分子链运动有关的性能，如高弹性、伸长率、冲击韧性则降低；另外收缩率增大还会使制品的透明度降低。2）非晶区域的存在使聚合物具有韧性，而结晶区域则使聚合物具有刚硬性，聚合物的性能取决于两相的综合及分布状况。3）二次结晶和后结晶都会使制品性能和尺寸在使用和存放中发生变化，影响制品的正常使用。2．3．1．3聚合物成型加工对结晶的影响1）冷却速度决定了晶核生成和晶体生长的条件，影响聚合物在加工过程中能否形成结晶、结晶的速度、晶体的形态和尺寸等，而冷却速度取决于熔体温度Tm与冷却介质温度Tc之间的温度差，即ΔT=Tm–Tc。根据ΔT的大小，将制品的冷却分为缓冷、快冷、中等冷却等三种类型。缓冷时，ΔT值小，结晶通常由均相成核作用开始，容易形成大的球晶，生产周期长，制品发脆，力学性能降低，冷却程度不够还易使制品扭曲变形，一般很少采用。快冷时，ΔT值大，结晶程度降低，制品体积明显松散，但厚制品内部的结晶程度相对较大，这种内外的不均匀性会引起制品中出现内应力，同时未结晶的过冷液体结构不稳定，会产生后结晶等问题，影响制品的性能。中等冷却时，即冷却介质温度Tc处于Tg附近温度时，此时制品的表面较快凝固，结晶的晶粒较细，而内部相对有利于晶核生成和晶体生长，但晶核生成数量与晶体生长速率之间的比例关系较好，生产周期较短，晶体生长好，结晶较完整，制品的因次稳定性较好，因此在制品成型加工中经常采用。2）熔融温度和熔融时间较长时，会使结晶速度较慢，晶粒尺寸变大；相反使则结晶速度变快，晶粒尺寸较细，有利于提高制品的力学强度、耐磨性和热畸变温度等性能指标。3）成型加工中受到高应力的作用时，熔体取向产生的诱发成核作用使晶核生成数量和结晶速度趋向于有利。4）成型加工后常采用适当的热处理改善结晶的状态，稳定制品的性能和尺寸。2．3．2聚合物加工过程中的取向2．3．2．1聚合物取向的概念1）通常有两种情况，一种是聚合物熔体或浓溶液中大分子链段和其中固体纤维状填料在剪切流动时会顺着流动的方向作平行排列的流动取向；另一种是聚合物在Tg～Tf温度范围内成型时大分子链段或微晶等结构组织沿着外力拉伸方向作平行排列的拉伸取向。2）聚合物熔体流动时，一方面剪切应力的存在对大分子链段产生取向作用，另一方面由于分子的热运动必然对取向的大分子链段存在着解取向作用。3）聚合物成型时的流动取向与制品形状和浇口位置等因素有关，多数情况下大分子链段和其中纤维状填料的取向往往是单轴取向和双轴取向（或平面取向）的综合。4）聚合物的分子链结构、分子量、柔顺性和所含的低分子物（溶剂、增塑剂等）等对聚合物的取向和解取向作用都有较大的影响，从而使制品取向结构的稳定性产生差异。2．3．2．2聚合物取向对制品性能的影响1）聚合物成型中的取向使制品出现力学的各向异性，一般注射制品中熔体流动方向的抗张强度约为垂直于流动方向的1～3倍，冲击强度约为1～10倍。2）聚合物产生平面取向时制品的力学各向异性与相互垂直的两个方向的拉伸倍数有关，平面取向改善了单轴取向的各向力学差异程度，提高了制品的使用性能。3）聚合物取向的程度对大分子间的作用力、软化温度、热收缩率、线膨胀系数等产生较明显的影响。如高取向高结晶聚合物的Tg温度约可升高20～30℃；垂直于取向的线膨胀系数约大于取向方向的3倍。4）由取向而导致的性能各向异性一般对制品的使用是不利的，往往会使制品产生变形、翘曲或裂纹等质量问题，但另一方面对制品的结构受力等又产生积极的影响，因此在制品结构和模具结构设计时应充分考虑这些因素而加以利用。2．3．2．3聚合物成型加工对取向的影响1）聚合物成型温度对大分子的取向及解取向有着矛盾的作用，最终的有效取向取决于这两个过程的平衡条件以及是否能将取向结构冻结下来，其中结晶聚合物的取向结构较易冻结。2）非结晶聚合物在成型条件下由于制品表层和中心的取向及解取向的程度差异，一般只在制品次表面层产生程度很高的取向，次表面层的深度与流动距离有关，一般距表面约0.2～0.8mm。3）结晶聚合物在成型条件下的流动取向与结晶过程密切相关，二者相互作用、相互影响。4）聚合物在Tg～Tf温度范围内的拉伸取向应以使聚合物产生连续均匀的塑性形变为原则。各种聚合物的拉伸比和其结构及物理性能有关，一般非结晶聚合物约为1.5～3.5，高结晶聚合物约为5～10，多数约为4～5。5）聚合物中的固体纤维状填料在模具型腔内的流动行为较为复杂，但其取向结构主要与流动方向保持一致，因此设计模具时应对制品方向布置及浇口开设位置等进行充分考虑，对取向产生有利的影响。6）成型加工后采用适当的热处理不仅影响聚合物结晶的状态，还能对大分子的解取向和解除冻结的内应力产生作用，进一步改善和稳定制品的性能。2．3．3聚合物加工过程中的化学变化2．3．3．1聚合物的降解1）聚合物降解是指聚合物在成型过程中，由于受到高温、应力等外部条件或聚合物中微量的水分、酸、碱以及空气中氧气的作用，导致聚合物大分子结构发生变化、分子量降低、性能变坏的现象。2）聚合物降解的实质表现为分子断链、交联、链结构变化、侧基改变以及它们的综合作用。3）聚合物降解的现象表现为变色、气泡、流纹、各种物理及力学性能的削弱、焦化。4）聚合物降解的影响因素有：聚合物结构、体系组成、杂质、温度、应力、水分、酸、碱、氧气。在成型加工过程中，往往由多种因素综合作用引起聚合物的降解，其中高温热降解是主要形式。5）聚合物降解的避免措施主要有：使用合格原料、严格干燥、确定合理加工工艺、保持良好的设备和模具的结构状态、使用稳定剂等添加剂。2．3．3．2聚合物的交联1）聚合物交联是指聚合物由线型分子结构转变为体型结构的化学反应。2）聚合物交联的实质表现为分子链中带有的反应基团及反应活点和添加的交联剂（硬化剂）相互间的连接作用。在加工反应过程中，已经发生连接作用的反应基团和活点对原有反应基团和活点的比值称为交联度。3）聚合物交联的结果表现为聚合物的机械强度、耐热性、化学稳定性、制品的因次稳定性等均有所提高。4）聚合物交联的影响因素有：加热温度、硬化时间、反应基团及活点、应力。在成型加工过程中，由于多种因素的影响，交联反应难以完全进行。5）聚合物的交联反应程度在制品成型加工过程中表现为“欠熟”和“过熟”，应严格控制工艺条件，使交联反应进行到最为适宜的程度，可使制品的物理—力学性能等达到最佳状态。2．4聚合物的流变性质流变学是研究物质形变与流动的一门科学。聚合物流变学主要研究应力作用下的高分子材料产生弹性、塑性和粘性形变的行为以及研究这些行为与各种因素（聚合物结构与性质、聚合物体系组成、温度、力的大小、力作用方式、作用时间等）之间的相互关系。由于流动与形变是一般聚合物加工过程最基本的工艺特征，因此聚合物流变学的研究对聚合物加工有着非常重要的现实意义。聚合物流变是一门半经验的物理科学，其概念已经成为聚合物成型加工理论的重要组成部分，对材料的选择和使用、加工时最佳工艺条件的确定、加工设备、成型模具的设计以及提高产品质量等都有极重要的指导作用。液体的流动和形变都是在受应力作用的条件下得以实现的，重要的应力有剪切应力τ、拉伸应力σ、流体静压力p三种，其中剪切应力τ对聚合物的成型最为重要。液体流动时处于层流还是湍流以雷诺数（Re）为准，当Re<2100～4000为层流。由于聚合物熔体或分散体的雷诺数通常较小，因此流动时基本上处于层流状态。材料受力后产生的几何形状的改变称为应变。单位时间内的应变称为应变速率，如果应变是由剪切应力τ引起的切应变γ，则称为剪切速率，表示为2．4．1牛顿流体及其流变方程1）液体在管道中处于层流状态流动时，可将其视为一层层彼此相邻且完全平行的薄层液体沿外力（剪切应力τ）作用方向进行的相对滑移。2）液层间的粘性阻力、管壁的摩擦力等因素使相邻薄层液体在移动方向上存在着速度差，液层间单位距离内的速度差称为速度梯度，表示为，单位S-1。3）由下式可知速度梯度和剪切速率在数值上相等，因此可用剪切速率（单位S-1）来表示液体的流动形变。4）1687年牛顿（Newton）在研究低分子液体的流动行为时，发现了层流液体的牛顿流动定律，可用牛顿流变方程表示为式中η（单位Pa·S）称为牛顿粘度，是液体自身固有的属性，反映了液体的粘稠度。不同液体的η值也不相同，与其分子结构及温度有关。5）牛顿流体是指液体层流时符合牛顿流动定律的液体，其特征为应变随应力作用的时间线性地增加，且粘度保持不变；应变具有不可逆性，应力解除后应变以永久变形保持下来。牛顿流体的流动表现为纯粘性流动，范围为低分子化合物的液体或溶液以及气体等。6）流动曲线是指对流体在不同温度下以τ～或η～作图所得到的曲线，其反映了流体的性质。例1以τ～或η～作图绘制牛顿流体的流动曲线。2．4．2非牛顿流体及其流变方程1）非牛顿流体是指液体层流时不符合牛顿流动定律的液体，其特征为应变随应力作用的时间不呈比例关系，液体粘度ηa（称为非牛顿粘度或表观粘度）不是常数；应变具有粘弹性特征，流动中包含着不可逆形变和可逆形变两部分。牛顿流体的流动表现为粘弹性流动，范围为高分子聚合物的熔体及溶液等。2）聚合物加工时大多处于中等剪切速率范围（=10～104S-1），此时大多数聚合物熔体或溶液的流动行为都表现为非牛顿流体。3）聚合物熔体的流动曲线是指对聚合物熔体或溶液在不同温度下以τ～或ηa～作图所得到的曲线，是确定加工工艺及加工条件所不可缺少的依据。例1以τ～或ηa～作图绘制非牛顿流体的流动曲线。4）根据聚合物熔体的流动曲线可将聚合物液体分为假塑性液体、膨胀性液体等，其中假塑性液体较为常见，以大分子形状不对称和分子链刚性较大的聚合物表现最为显著。5）非牛顿流体的流变方程表示为式中ηa（单位Pa·S）称为表观粘度（或剪切粘度），反映了非牛顿液体在外力作用下抵抗剪切变形的能力，其与流体性质及温度有关，另外还受剪切速率的影响。6）聚合物液体在给定剪切速率下的表观粘度ηa主要由大分子的长链结构和缠结和聚合物液体内的自由体积两方面因素决定。凡是能减少分子链缠结作用的因素都能加速大分子的链运动并导致聚合物液体的粘度降低；另一方面凡是能引起聚合物液体内的自由体积增加的因素都能活跃大分子的链运动并导致聚合物液体的粘度降低。其它各种环境因素如温度、应力、应变速率、低分子物质（溶剂等）以及聚合物自身的结构和体系组成等对表观粘度ηa的影响，大都能用这两方面因素来进行解释。2．4．3聚合物加工过程对熔体流变性质的影响2．4．3．1加工时剪切速率的影响1）多数聚合物熔体的流动特征表现为假塑性流体，即当剪切速率增加时，熔体的粘度随之下降，但不同种类的聚合物对剪切速率变化的敏感程度确是不一样的。2）粘度对剪切速率的敏感性可用给定温度下剪切速率为100S-1和1000S-1时的粘度比来表示，即为/。3）粘度对剪切速率的敏感性与聚合物的分子结构、分子量、体系组成等因素有关。一般聚合物分子链的柔性大、分子间力小时，其粘度对剪切速率的敏感性就越大，如PE、PS、PP、PVC等。4）在成型加工中，通常选择粘度对剪切速率敏感性小的区域进行，此时剪切速率的波动对塑料制品的质量影响不大。5）聚合物成型加工常用的剪切速率范围为压缩成型1～10S-1、混炼与压延成型10～102S-1、压注成型102～103S-1、挤出成型10～103S-1、注射成型103～105S-1。2．4．3．2加工温度的影响1）对于温度大于Tg以上的聚合物，一般其熔体的粘度随着温度的升高而呈指数函数的方式降低，表示为式中——聚合物熔体温度为T1时的粘度——聚合物熔体温度为T2时的粘度——粘度常数（在温度范围不超过50℃时，由实验测定）2）粘度对温度的敏感性可用给定剪切速率下T1与T2相差40℃时的粘度比来表示，即为/。3）粘度对温度的敏感性与聚合物的分子结构、分子量及其分布等因素有关。一般聚合物分子链的刚性与分子间力越大时，其粘度对温度的敏感性就越大，如PC、PMMA、PA66等。4）通常任何聚合物在加工温度下长时间受热都会导致不同程度的降解，因此必须考虑加热时间对粘度的影响。2．4．3．3成型压力的影响1）通常在受到100个大气压作用时，各种聚合物体积减小不超过1%。但在150℃温度以上加工时聚合物熔体受压常达到50～300MPa，此时聚合物体积的减小量明显增加，导致其粘度随之增大。2）不同聚合物对于压力的敏感性是不同的，其与聚合物的分子结构、分子量等因素有关。3）在加工过程中通过增加压力和降低温度，都能获得同样的粘度变化效果，称为压力—温度等效性，如压力达到1000大气压时，熔体粘度的变化相当于降低30～50℃温度所产生的作用。4）单纯通过增加成型压力来提高聚合物熔体的流动性是不适当的，还会对设备造成损害并使功率消耗过大。因此应综合考虑塑料制品的质量、设备及模具的性能、生产的经济性等因素，确保加工时具有最佳的成型温度及成型压力。2．4．3．4热塑性聚合物流变曲线的应用1）根据流变曲线确定合理的工艺参数2）根据流变曲线采用低温充模工艺2．4．3．5热固性聚合物流变曲线的应用2．4．4聚合物熔体在模内的流动行为2．4．4．1端末效应2．4．4．2失稳流动和熔体破裂2．4．4．3聚合物熔体的充模流动2．5常用塑料及其性能2．5．1塑料的性能2．5．2热塑性塑料2．5．2．1聚乙烯（PE）1．基本特性聚乙烯塑料是塑料工业中产量最大的品种。按聚合时采用的压力方式不同可分为高压、中压和低压三种。低压聚乙烯的分子链上支链较少，相对分子质量、结晶度和密度较高（故又称高密度聚乙烯），所以比较硬、耐磨、耐蚀、耐热及绝缘性较好。高压聚乙烯分子带有许多支链，因而相对分子质量较小，结晶度和密度较低（故称低密度聚乙烯），且具有较好的柔软性、耐冲击性及透明性。聚乙烯无毒、无味、呈乳白色。密度为0.91～0.96g／cm3，有一定的机械强度，但和其他塑料相比机械强度低，表面硬度差。聚乙烯的绝缘性能优异，常温下聚乙烯不溶于任何一种已知的溶剂，并耐稀硫酸、稀硝酸和任何浓度的其他酸以及各种浓度的碱、盐溶液。聚乙烯有高度的耐水性，长期与水接触其性能可保持不变。其透水气性能较差，而透氧气和二氧化碳以及许多有机物质蒸气的性能好。在热、光、氧气的作用下会产生老化和变脆。一般高压聚乙烯的使用温度约在80℃左右，低压聚乙烯为100℃左右。聚乙烯能耐寒，在-60℃时仍有较好的力学性能，-70℃时仍有一定的柔软性。2．主要用途低压聚乙烯可用于制造塑料管、塑料板、塑料绳以及承载不高的零件，如齿轮、轴承等；高压聚乙烯常用于制作塑料薄膜、软管。塑料瓶以及电气工业的绝缘零件和包覆电缆等。3．成型特点聚乙烯成型时，在流动方向与垂直方向上的收缩差异较大，注射方向的收缩率大于垂直方向的收缩率，易产生变形，并使塑件浇口周围部位的脆性增加；聚乙烯收缩率的绝对值较大，成型收缩率也较大，易产生缩孔；冷却速度慢，必须充分冷却，且冷却速度要均匀；质软易脱模，塑件有浅的侧凹时可强行脱模。2．5．2．2聚丙烯（PP）1．基本特性聚丙烯无色。无味、无毒。外观似聚乙烯，但比聚乙烯更透明更轻。密度仅为0.90～0.91g／cm3。它不吸水，光泽好，易着色。屈服强度、抗拉、抗压强度和硬度及弹性比聚乙烯好。定向拉伸后聚丙烯可制作锐链，有特别高的抗弯曲疲劳强度。如用聚丙烯注射成型一体铰链（盖和本体合一的各种容器），经过7*1O7次开闭弯折未产生损坏和断裂现象。聚丙烯熔点为164～170℃，耐热性好，能在100℃以上的温度下进行消毒灭菌。其低温使用温度达-15℃，低于-35℃时会脆裂。聚丙烯的高频绝缘性能好。因不吸水，绝缘性能不受湿度的影响。但在氧、热、光的作用下极易解聚、老化，所以必须加入防老化剂。2．主要用途聚丙烯可用作各种机械零件如法兰、接头、泵叶轮、汽车零件和自行车零件。作水、蒸汽、各种酸碱等的输送管道，化工容器和其他设备的衬里。表面涂层。制造盖和本体合一的箱壳，各种绝缘零件，并用于医药工业中。3．成型特点成型收缩范围大，易发生缩孔、凹痕及变形；聚丙烯热容量大，注射成型模具必须设计能充分进行冷却的冷却回路；聚丙烯成型的适宜模温为80℃左右，不可低于50℃，否则会造成成型塑件表面光泽差或产生熔接痕等缺陷。温度过高会产生翘曲现象。2．5．2．3聚氯乙烯（PVC）1．基本特性聚氯乙烯是世界上产量最大的塑料品种之一。聚氯乙烯树脂为白色或浅黄色粉末。根据不同的用途可以加人不同的添加剂，使聚氯乙烯塑件呈现不同的物理性能和力学性能。在聚氯乙烯树脂中加入适量的增塑剂，就可制成多种硬质、软质和透明制品。纯聚氯乙烯的密度为1.4g／cm3，加入了增塑剂和填料等的聚氯乙烯塑件的密度一般在1.15～2.00g／cm3范围内。硬聚氯乙烯不含或含有少量的增塑剂，有较好的抗拉、抗弯、抗压和抗冲击性能，可单独用作结构材料。软聚氯乙烯含有较多的增塑剂，它的柔软性、断裂伸长率、耐寒性增加，但脆性、硬度、抗拉强度降低。聚氯乙烯有较好的电气绝缘性能，可以用作低频绝缘材料。其化学稳定性也较好。但聚氯乙烯的热稳定性较差，长时间加热会导致分解，放出氯化氢气体，使聚乙烯变色。其应用温度范围较窄，一般在-15～55℃之间。2．主要用途由于聚氯乙烯的化学稳定性高，所以可用于防腐管道、管件、输油管、离心泵、鼓风机等。聚氯乙烯的硬板广泛用于化学工业上制作各种贮槽的衬里、建筑物的瓦楞板、门窗结构。墙壁装饰物等建筑用材。由于电气绝缘性能优良而在电气、电子工业中，用于制造插座。插头、开关、电缆。在日常生活中，用于制造凉鞋、雨衣、玩具、人造革等。3．成型特点聚氯乙烯在成型温度下容易分解放出氯化氢。所以必须加入稳定剂和润滑剂，并严格控制温度及熔料的滞留时间；不能用一般的注射成型机成型聚氯乙烯，因为聚氯乙烯耐热性和导热性不好，用一般的注射机将料筒内的物料温度加热到166～193℃时会引起分解。应采用带预塑化装置的螺杆式注射机；模具浇注系统应粗短，进料口截面宜大，模具应有冷却装置。2．5．2．4聚苯乙烯（PS）1．基本特性聚苯乙烯是仅次于聚氯乙烯和聚乙烯的第三大塑料品种。聚苯乙烯无色透明、无毒无味，落地时发出清脆的金属声，密度为1.054g／cm3。聚苯乙烯的力学性能与聚合方法、相对分子质量大小。定向度和杂质量有关。相对分子质量越大，机械强度越高。聚苯乙烯有优良的电性能（尤其是高频绝缘性能）和一定的化学稳定性。能耐碱、硫酸、磷酸、10％～30％的盐酸、稀醋酸及其他有机酸，但不耐硝酸及氧化剂的作用。对水、乙醇、汽油、植物油及各种盐溶液也有足够的抗蚀能力。能溶于苯、甲苯、四氯化碳、氯仿。酮类和脂类等。聚苯乙烯的着色性能优良，能染成各种鲜艳的色彩。但耐热性低，热变形温度一般在70～98℃，只能在不高的温度下使用。质地硬而脆，有较高的热膨胀系数，因此，限制了它在工程上的应用。近几十年来，发展了改性聚苯乙烯和以苯乙烯为基体的共聚物，在一定程度上克服了聚苯乙烯的缺点，又保留了它的优点，从而扩大了它的用途。2．主要用途聚苯乙烯在工业上可作仪表外壳、灯罩、化学仪器零件、透明模型等。在电气方面用作良好的绝缘材料、接线盒、电池盒等。在日用品方面广泛用于包装材料、各种容器、玩具等。3．成型特点流动性和成型性优良，成品率高，但易出现裂纹，成型塑件的脱模斜度不宜过小，但顶出要均匀；由于热膨胀系数高，塑件中不宜有嵌件，否则会因两者的热膨胀系数相差太大而导致开裂，塑件壁厚应均匀；宜用高料温、高模温、低注射压力成型并延长注射时间，以防止缩孔及变形，降低内应力，但料温过高，容易出现银丝；因流动性好，模具设计中大多采用点浇口形式。2．5．2．5丙烯睛一丁二烯一苯乙烯共聚物（ABS）1．基本特性ABS是由丙烯睛、丁二烯、苯乙烯共聚而成的。这三种组分的各自特性，使ABS具有良好的综合力学性能。丙烯睛使ABS有良好的耐化学腐蚀性及表面硬度，丁二烯使ABS坚韧，苯乙烯使它有良好的加工性和染色性能。ABS无毒、无味、呈微黄色，成型的塑料件有较好的光泽。密度为1.02～1.059g／cm3。ABS有极好的抗冲击强度，且在低温下也不迅速下降。有良好的机械强度和一定的耐磨性。耐寒性、耐油性、耐水性、化学稳定性和电气性能。水、无机盐、碱、酸类对ABS几乎无影响，在酮、醛、酯、氯代烃中会溶解或形成乳浊液，不溶于大部分醇类及烃类溶剂，但与烃长期接触会软化溶胀。ABS塑料表面受冰醋酸、植物油等化学药品的侵蚀会引起应力开裂。ABS有一定的硬度和尺寸稳定性，易于成型加工。经过调色可配成任何颜色。其缺点是耐热性不高，连续工作温度为70℃左右，热变形温度约为93℃左右。耐气候性差，在紫外线作用下易变硬发脆。根据ABS中三种组分之间的比例不同，其性能也略有差异，从而适应各种不同的应用。根据应用不同可分为超高冲击型、高冲击型、中冲击型、低冲击型和耐热型等。2．主要用途ABS在机械工业上用来制造齿轮、泵叶轮、轴承、把手、管道、电视外壳、仪表壳、仪表盘、水箱外壳、蓄电池槽、冷藏库和冰箱衬里等。汽车工业上用ABS制造汽车挡泥板、扶手、热空气调节导管、加热器等，还有用ABS夹层板制小轿车车身。ABS还可用来制作水表壳、纺织器材、电器零件、文教体育用品、玩具、电子琴及收录机壳体、食品包装容器。农药喷雾器及家具等。3．成型特点ABS在升温时粘度增高，所以成型压力较高，塑料上的脱模斜度宜稍大；ABS易吸水，成型加工前应进行干燥处理；易产生熔接痕，模具设计时应注意尽量减小浇注系统对料流的阻力；在正常的成型条件下，壁厚、熔料温度及收缩率影响极小。要求塑件精度高时。模具温度可控制在50～60℃，要求塑件光泽和耐热时，应控制在60～80℃。2．5．2．6聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）1．基本特性聚甲基丙烯酸甲酯俗称有机玻璃。是一种透光性塑料，透光率达92％，优于普通硅玻璃。有机玻璃产品有模塑成型料和型材两种。模塑成型料中性能较好的是改性有机玻璃372#、373#塑料。372#有机玻璃为甲基丙烯酸甲酯与少量苯乙烯的共聚体，其模塑成型性能较好。373#有机玻璃是372#粉料100份加上丁睛橡胶5份的共混料，有较高的耐冲击韧性。有机玻璃密度为1.18g／cm3，比普通硅玻璃轻一半。机械强度为普通硅玻璃的10倍以上。它轻而坚韧，容易着色，有较好的电气绝缘性能。化学性能稳定，能耐一般的化学腐蚀，但能溶于芳烃、氯代烃等有机溶剂。在一般条件下尺寸较稳定。其最大缺点是表面硬度低，容易被硬物擦伤拉毛。2．主要用途用于制造要求具有一定透明度和强度的防震、防爆和观察等方面的零件，如飞机和汽车的窗玻璃、飞机罩盖、油杯、光学镜片、透明模型、透明管道、车灯灯罩、油标及各种仪器零件，也可用作绝缘材料、广告铭牌等。3．成型特点1）为了防止塑件产生气泡、混浊、银丝和发黄等缺陷，影响塑件质量，原料在成型前要很好地干燥。2）为了得到良好的外观质量，防止塑件表面出现流动痕迹、熔接线痕和气泡等不良现象，一般采用尽可能低的注射速度。3）模具浇注系统对料流的阻力应尽可能小，并应制出足够的脱模斜度。2．5．2．7聚酰胺（PA）1．基本特性聚酰胺通称尼龙。由二元胺和二元酸通过缩聚反应制取或是以一种丙酰胺的分子通过自聚而成。尼龙的命名由二元胺与二元酸中的碳原子数来决定，如己二胺和葵二酸反应所得的缩聚物称尼龙610，并规定前一个数指二元胺中的碳原子数，而后一个数为二元酸中的碳原子数；若由氨基酸的自聚来制取的，则由氨基酸中的碳原子数来定。如己内酸胺中有6个碳原子，故自聚物称尼龙6或聚己内酰胺。常见的尼龙品种有尼龙1010、尼龙610、尼龙66、尼龙6、尼龙9、尼龙11等。尼龙有优良的力学性能，抗拉、抗压。耐磨。其抗冲击强度比一般塑料有显著提高，其中尼龙6更优。作为机械零件材料，具有良好的消音效果和自润滑性能。尼龙耐碱、弱酸，但强酸和氧化剂能侵蚀尼龙。尼龙本身无毒、无味。不霉烂。其吸水性强、收缩率大，常常因吸水而引起尺寸变化。其稳定性较差，一般只能在80～100℃之间使用。为了进一步改善尼龙的性能，常在尼龙中加入减摩剂、稳定剂、润滑剂、玻璃纤维填料等，克服了尼龙存在的一些缺点，提高了机械强度。2．主要用途由于尼龙有较好的力学性能，被广泛地使用在工业上制作各种机械、化学和电气零件，如轴承、齿轮、滚子、辊轴、滑轮、泵叶轮、风扇叶片、蜗轮、高压密封扣圈、垫片、阀座、输油管、储油容器、绳索、传动带、电池箱、电器线圈等零件。3．成型特点熔融粘度低、流动性良好，容易产生飞边。成型加工前必须进行干燥处理；易吸潮，塑件尺寸变化较大；壁厚和浇口厚度对成型收缩率影响很大，所以塑件壁厚要均匀，防止产生缩孔，一模多件时，应注意使浇口厚度均匀化；成型时排除的热量多，模具上应设计冷却均匀的冷却回路；熔融状态的尼龙热稳定性较差，易发生降解使塑件性能下降，因此不允许尼龙在高温料筒内停留时间过长。2．5．2．8聚甲醛（POM）1．基本特性聚甲醛是继尼龙之后发展起来的一种性能优良的热塑性工程塑料。其性能不亚于尼龙，而价格却比尼龙低廉。聚甲醛表面硬而滑，呈淡黄或白色，薄壁部分半透明。有较高的机械强度及抗拉、抗压性能和突出的耐疲劳强度，特别适合于作长时间反复承受外力的齿轮材料。聚甲醛尺寸稳定、吸水率小，具有优良的减摩、耐磨性能。能耐扭变，有突出的回弹能力，可用于制造塑料弹簧制品。常温下一般不溶于有机溶剂，能耐醛、酯、醚、烃及弱酸、弱碱，但不耐强酸。耐汽油及润滑油性能也很好。有较好的电气绝缘性能。其缺点是成型收缩率大，在成型温度下的热稳定性较差。2．主要用途聚甲醛特别适合于作轴承、凸轮、滚轮、辊子、齿轮等耐磨、传动零件，还可用于制造汽车仪表板、汽化器、各种仪器外壳、罩盖。箱体、化工容器、泵叶轮、鼓风机叶片、配电盘、线圈座、各种输油管、塑料弹簧等。3．成型特点聚甲醛成型收缩率大，熔点明显（约153～160℃），熔体粘度低，粘度随温度变化不大，在熔点上下聚甲醛的熔融或凝固十分迅速，所以，注射速度要快，注射压力不宜过高；摩擦系数低、弹性高，浅侧凹槽可采用强制脱出，塑件表面可带有皱纹花样；聚甲醛热稳定性差、加工温度范围窄，所以要严格控制成型温度，以免引起温度过高或在允许温度下长时间受热而引起分解；冷却凝固时排除热量多，模具上应设计均匀冷却的冷却回路。2．5．2．9聚碳酸酯（PC）1．基本特性聚碳酸酯是一种性能优良的热塑性工程塑料，密度为1.20g／cm3，本色微黄，而加点淡蓝色后，得到无色透明塑件，可见光的透光率接近90％。它韧而刚，抗冲击性在热塑性塑料中名列前茅。成型零件可达到很好的尺寸精度并在很宽的温度变化范围内保持其尺寸的稳定性。成型收缩率恒定为0.5％～0.8％。抗蠕变、耐磨、耐热、耐寒。脆化温度在-100℃以下，长期工作温度达120℃。聚碳酸酯吸水率较低，能在较宽的温度范围内保持较好的电性能。耐室温下的水、稀酸、氧化剂、还原剂、盐、油、脂肪烃、但不耐碱、胺、酮、脂、芳香烃，并有良好的耐气候性。其最大的缺点是塑件易开裂，耐疲劳强度较差。用玻璃纤维增强聚碳酸脂，克服了上述缺点，使聚碳酸酯具有更好的力学性能，更好的尺寸稳定性，更小的成型收缩率，并提高了耐热性和耐药性，降低了成本。2．主要用途在机械上主要用作各种齿轮、蜗轮、蚂杆、齿条、凸轮、芯轴、轴承、滑轮、铁链、螺母、垫圈、泵叶轮、灯罩、节流阀、润滑油输油管、各种外壳、盖板、容器、冷冻和冷却装置零件等。在电气方面，用作电机零件、电话交换器零件、信号用线电器、风扇部件、拨号盘、仪表壳、接线板等。还可制作照明灯、高温透镜、视孔镜、防护玻璃等光学零件。3．成型特点聚碳酸酯虽然吸水性小，但高温时对水分比较敏感，所以加工前必须干燥处理，否则会出现银丝、气泡及强度下降现象；聚碳酸酯熔融温度高，熔融粘度大，流动性差，所以，成型时要求有较高的温度和压力，且其熔融粘度对温度比较敏感。所以一般用提高温度的办法来增加熔融塑料的流动性。2．5．2．10聚砜（PSU）1．基本特性聚砜是60年代出现的工程塑料，它是在大分子结构中含有砜基（—SO2—）的高聚物，此外还含有苯环和醚键（—O—），故又称聚苯醚砜。呈透明而微带琥珀色，也有的是象牙色的不透明体。具有突出的耐热、耐氧化性能，可在-100～+150℃的范围内长期使用，热变形温度为174℃，有很高的力学性能，其抗蠕变性能比聚碳酸还好。还有很好的刚性。其介电性能优良，即使在水和湿气中或190℃的高温下，仍保持高的介电性能。聚砜具有较好的化学稳定性，在无机酸、碱的水溶液、醇、脂肪烃中不受影响，但对酮类、氯化烃不稳定，不宜在沸水中长期使用。其尺寸稳定性较好，还能进行一般机械加工和电镀。但其耐气候性较差。2．主要用途聚砜可用于制造精密公差、热稳定性、刚性及良好电绝缘性的电气和电子零件，如断路元件、恒温容器、开关、绝缘电刷、电视机元件、整流器插座、线圈骨架、仪器仪表零件等；制造需要具备热性能好、耐化学性、持久性、刚性好之零件，如转向柱轴环、电动机罩、飞机导管、电池箱、汽车零件、齿轮、凸轮等。3．成型特点塑件易发生银丝、云母斑、气泡甚至开裂，因此，加工前原料应充分干燥；聚砜熔融料流动性差，对温度变化敏感，冷却速度快，所以模具浇口的阻力要小。模具需加热；成型性能与聚碳酸酯相似，但热稳定性比聚碳酸酯差，可能发生熔融破裂；聚砜为非结晶型塑料，因而收缩率较小。2．5．2．11聚苯醚（PPO）1．基本特性聚苯醚是由2、6二甲基苯酚聚合而成的，全称为聚二甲基苯醚。这种塑料造粒后呈琥珀色透明的热塑性工程塑料，硬而韧。硬度较尼龙、聚甲醛、聚碳酸酯高。蠕变小，有较好的耐磨性能。使用温度范围宽，长期使用温度为-127～121℃，脆化温度低达-170℃，无载荷条件下的间断使用温度达205℃。电绝缘性能优良。耐稀酸、稀碱、盐、耐水及蒸汽性能特别优良。吸水性小，在沸水中煮沸仍具有尺寸稳定性，且耐污染、无毒。缺点是塑件内应力大，易开裂，熔融粘度大，流动性差，疲劳强度较低。2．主要用途聚苯醚可用于制造在较高温度下工作的齿轮、轴承、运输机械零件、泵叶轮、鼓风机叶片、水泵零件、化工用管道及各种紧固件、连接件等。还可用于线圈架、高频印制电路板、电机转于、机壳及外科手术用具，食具等需要进行反复蒸煮消毒的器件。3．成型特点流动性差，模具上应加粗浇道直径，尽量缩短浇道长度，充分抛光浇口及浇道；为避免塑件出现银丝及气泡，成型加工前应对塑料进行充分的干燥；宜用高料温、高模温、高压、高速注射成型，保压及冷却时间不宜太长；为消除塑件的内应力，防止开裂，应对塑件进行退火处理。2．5．2．12氯化聚醚（CPT）1．基本特点氯化聚醚是一种有突出化学稳定性的热塑性工程塑料，对多种酸、碱和溶剂有良好的抗腐蚀性，化学稳定性仅次于聚四氟乙烯（塑料王），而价格比聚四氟乙烯低廉。其耐热性能好，能在120℃下长期使用，抗氧化性能比尼龙高。其耐磨、减磨性比尼龙聚甲醛还好，吸水率只有0.01％，是工程塑料中吸水率最小的一种。它的成型收缩率小而稳定，有很好的尺寸稳定性。具有较好的电气绝缘性能，特别是在潮湿状态下的介电性能优异。但氯化聚醚的刚性较差，抗冲击强度不如聚碳酸酯。2．主要用途机械上可用于制造轴承、轴承保持器、导轨、齿轮、凸轮、轴套等。在化工方面，可作防腐涂层、贮槽、容器、化工管道、耐酸泵件、阀、窥镜等。3．成型特点塑件内应力小，成型收缩率小，尺寸稳定性好，宜成型高精度、形状复杂、多嵌件的中小型塑件；吸水性小，加工前必须进行干燥处理；模温对塑件影响显著，模温高，塑件抗拉、抗弯、抗压强度均有一定提高，坚硬而不透明，但冲击强度及伸长率下降；成型时有微量氯化氢等腐蚀气体放出。2．5．2．13氟塑料氟塑料是各种含氟塑料的总称，主要包括聚四氟乙烯、聚三氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚偏氟乙烯等。1．氟塑料的基本特性及主要用途（l）聚四氟乙烯（PTFE）聚四氟乙烯树脂为白色粉末，外观蜡状、光滑不粘。平均密度为2.2g／cm3，是最重的一种塑料。聚四氟乙烯具有卓越的性能，非一般热塑性塑料所能比拟，因此，有“塑料王”之称。化学稳定性是目前已知塑料中最优越的一种，它对强酸、强碱及各种氧化剂等腐蚀性很强的介质都完全稳定，甚至沸腾的“王水”，原子工业中用的强腐蚀剂五氟化铀对它都不起作用，其化学稳定性超过金、铂、玻璃、陶瓷及特重钢等。在常温下还没有找到一种溶剂能溶解它。它有优良的耐热耐寒性能，可在-195～+250℃范围内长期使用而不发生性能变化。聚四氟乙烯的电气绝缘性能良好，且不受环境湿度、温度和电频率的影响。其摩擦系数是塑料中最低的。聚四氟乙烯的缺点是热膨胀大，而耐磨、机械强度差、刚性不足、且成型困难。一般将粉料冷压成坯件，然后再烧结成型。聚四氟乙烯在防腐化工机械上用于制造管子、阀门、泵、涂层衬里等；在电绝缘方面广泛应用在要求有良好高频性能并能高度耐热、耐寒、耐腐蚀的场合如喷气式飞机、雷达等方面。也可用于制造自润滑减摩轴承、活塞环等零件。由于它具有不粘性，在塑料加工及食品工业中被广泛地作为脱模剂用。在医学上还可用作代用血管、人工心肺装置等。（2）聚三氟氯乙烯（PCTFE）聚三氟氯乙烯呈乳白色。与聚四氟乙烯相比，密度相似，为2.07～2.18g／cm3，硬度较大，摩擦系数大，耐热性及高温下耐蚀性稍差。长期使用温度为-200～+200℃，具有中等的机械强度和弹性，有特别好的透过可见光、紫外线、红外线及阻气的性能。它可用来制造各种用于腐蚀性介质中的机械零件，如泵、计量器等。也可用于制作耐腐蚀的透明零件，如密封填料、高压阀的阀座。利用其透明性制作视镜及防潮、防粘等涂层和罐头盒的涂层。（3）聚全氟乙丙烯（PEP）聚全氟乙丙烯是聚乙烯和六氟丙烯的共聚物。密度为2.14～2.17g／cm3。其突出的优点是抗冲击性能好。耐热性能优于聚三氟氯乙烯，比聚四氟乙烯稍差。长期使用温度为-85～+205℃，高温下流动性比聚三氟氯乙烯好，易于成型加工。其他性能与聚四氟乙烯相似。聚全氟乙丙烯通常可用来代替聚四氟乙烯，用于化工、石油、电子、机械工业及各种尖端科学技术装备的元件或涂层等。2．聚三氟氯乙烯、聚全氟乙丙烯的成型特点吸湿性小，成型加工前可不必干燥；这类塑料对热敏感，易分解产生有毒、有腐蚀性气体。因此，要注意通风排气；熔融温度高，熔融粘度大，流动性差，因此采用高温、高压成型。模具应加热；熔料容易发生熔体破裂现象。2．5．3热固性塑料2．5．3．1酚醛塑料（PF）1．基本特性酚醛塑料是热固性塑料的一个品种，它是以酚醛树脂为基础而制得的。酚醛树脂通常由酚类化合物和醛类化合物缩聚而成。酚醛树脂本身很脆，呈琥珀玻璃态。必须加入各种纤维或粉末状填料后才能获得具有一定性能要求的酚醛塑料。酚醒塑料大致可分为四类：①层压塑料；②压塑料；③纤维状压塑料；④碎屑状压塑料。酚醛塑料与一般热塑性塑料相比，刚性好，变形小，耐热耐磨，能在150～200℃的温度范围内长期使用。在水润滑条件下，有极低的摩擦系数。其电绝缘性能优良。缺点是质脆，冲击强度差。2．主要用途酚醛层压塑料用浸渍过酚醛树脂溶液的片状填料制成，可制成各种型材和板材。根据所用填料不同，有纸质、布质、木质、石棉和玻璃布等各种层压塑料。布质及玻璃布酚醛层压塑料具有优良的力学性能、耐油性能和一定的介电性能，用于制造齿轮、轴瓦、导向轮、无声齿轮、轴承及电工结构材料和电气绝缘材料。木质层压塑料适用于作水润滑冷却下的轴承及齿轮等。石棉布层压塑料主要用于高温下工作的零件。酚醛纤维状压塑料可以加热模压成各种复杂的机械零件和电器零件，具有优良的电气绝缘性能、耐热、耐水、耐磨。可制作各种线圈架、接线板、电动工具外壳、风扇叶子、耐酸泵叶轮、齿轮、凸轮等。3．成型特点成型性能好，特别适用于压缩成型；模温对流动性影响较大，一般当温度超过160℃时流动性迅速下降；硬化时放出大量热，厚壁大型塑件内部温度易过高，发生硬化不匀及过热现象。2．5．3．2氨基塑料氨基塑料是由氨基化合物与醛类（主要是甲醛）经缩聚反应而制得的塑料，主要包括脲甲醛、三聚氰胶-甲醛等。1．氨基塑料的基本特性及主要用途（1）脲-甲醛塑料（UF）脲-甲醛塑料是脲-甲醛树脂和漂白纸浆等制成的压塑粉。可染成各种鲜艳的色彩，外观光亮，部分透明，表面硬度较高，耐电弧性能好，耐矿物油、耐霉菌的作用。但耐水性较差，在水中长期浸泡后电气绝缘性能下降。脲-甲醛塑料大量用于压制日用品及电气照明用设备的零件、电话机、收音机、钟表外壳、开关插座及电气绝缘零件。（2）三聚氰胺-甲醛塑料（MF）由三聚氰胺一甲醛树脂与石棉滑石粉等制成。三聚氰胺-甲醛塑料可制成各种色彩、耐光、耐电弧、无毒的塑件，在-20～100℃的温度范围内性能变化小，能耐沸水而且耐茶、咖啡等污染性强的物质。能像陶瓷一样方便地去掉茶渍一类污染物，且有重量轻、不易碎的特点。密胺塑料主要用作餐具、航空茶杯及电器开关、灭弧罩及防爆电器的配件。2．氨基塑料的成型特点氨基塑料常用于压缩、传递成型。传递成型收缩率大；含水分及挥发物多，使用前需预热干燥，且成型时有弱酸性分解及水分析出，模具应镀铬防腐，并注意排气；流动性好，硬化速度快，因此，预热及成型温度要适当，装料、合模及加工速度要快；带嵌件的塑料易产生应力集中，尺寸稳定性差。2．5．3．3环氧树脂（EP）1．基本特性环氧树脂是含有环氧基的高分子化合物。未固化之前，是线型的热塑性树脂。只有在加入固化剂（如胺类和酸酐等）之后，才交联成不熔的体型结构的高聚物，才有作为塑料的实用价值。环氧树脂种类繁多，应用广泛，有许多优良的性能。其最突出的特点是粘结能力很强，是人们熟悉的“万能胶”的主要成分。此外，还耐化学药品、耐热，电气绝缘性能良好，收缩率小。比酚醛树脂有较好的力学性能。其缺点是耐气候性差、耐冲击性低，质地脆。2．主要用途环氧树脂可用作金属和非金属材料的粘合剂，用于封装各种电子元件。用环氧树脂配以石英粉等来浇铸各种模具。还可以作为各种产品的防腐涂料。3．成型特点流动性好，硬化速度快；用于浇注时，浇注前应加脱模剂，因环氧树脂热刚性差，硬化收缩小，难于脱模；硬化时不析出任何副产物，成型时不需排气。2．6练习思考题1）什么是聚合物高分子？具有的主要特征是什么？2）为什么聚合物的性能与其分子链形状和空间构型有关？3）什么是聚合物分子的柔顺性？4）谈一谈聚合物在加工过程中聚集态的转变及其加工性质？5）为什么聚合物加工成型后还会继续发生尺寸和形状的改变？6）谈一谈聚合物结晶的特点及对制品性能的影响？7）谈一谈聚合物取向的概念及对制品性能的影响？8）什么是聚合物流变学？9）剪切速率和速度梯度的意义是否完全等同？为什么？10）牛顿流体的基本特征是什么？11）非牛顿流体的基本特征是什么？绘制其流动曲线。12）什么是粘度对剪切速率的敏感性？对指导加工有何意义？13）什么是成型加工中的压力—温度等效性？对指导加工有何意义？14）聚合物熔体流出流道或浇口时会发生什么变化？影响离模膨胀的因素有哪些？15）什么叫失稳流动？什么叫熔体破裂？如何克服？16）什么是熔接痕？其产生的原因是什么？对制品的使用有何影响？17）在塑料材料中加入填料和稳定剂有何作用？18）什么是热塑性塑料和热固性塑料？两者在本质上有何区别？19）在塑料的成型工艺性能指标中，谈一谈计算收缩率和实际收缩率的意义及应用？20）水分及挥发物对热固性塑料的成型有何影响？第3章塑料制件的设计原则3．1塑料制件的选材塑料制件的选材应考虑以下几个方面，以判断其是否能满足使用要求。1）塑料的力学性能，如强度、刚性、韧性、弹性、抗弯性能、冲击性能、应力敏感性等。2）塑料的物理性能，如对使用环境温度变化的适应性、光学特性、绝热或电气绝缘的程度、精加工和外观的完美程度等。3）塑料的化学性能，如对接触物的耐性、卫生程度和使用上的安全性等。4）必要的精度，如收缩率的大小及各向收缩率的差异。5）成型工艺性，如塑料的流动性、结晶性、热敏性等。3．2塑料制品的结构工艺性（一）尺寸及其精度1）尺寸大小主要与塑料的流动性、注射机的注射量、锁模力和模板尺寸等有关。2）尺寸精度与模具的结构形式、制造精度、磨损程度、塑料收缩率的波动、成型工艺条件、制品后变形等因素有关。3）国内塑料制品的尺寸精度一般参照SJ1372—78塑料制件公差数值标准进行确定。4）精度等级的选用主要与制品尺寸大小、塑料品种和成型工艺条件有关。（二）表面质量塑料制品的表面质量主要与模具型腔的表面粗糙度、成型工艺条件、塑料品种等因素有关，其表面粗糙度一般比模具低1～2级。（三）塑件形状1）塑件的内外表面形状应有利于制品成型和脱模取件，尽可能避免侧向凹凸。2）对于侧向凹凸形状结构，可通过改变塑件结构、强制脱模、侧向抽芯、瓣合型腔和型芯结构等措施进行解决。（四）脱模斜度1）脱模斜度取决于塑件的形状、尺寸、壁厚、塑料的收缩率等因素，一般为30，～1030，。2）一般情况下，脱模斜度不包括在塑件的公差范围内。3）脱模斜度值应根据塑件的结构、使用情况、成型要求灵活选用。（五）塑件壁厚1）塑料制品的壁厚取决于塑件的尺寸大小、形状结构、使用要求、模具结构、塑料的工艺性能和经济成本等因素。2）同一塑件的壁厚应尽可能一致，不同壁厚的比例一般不超过1：3，且应平缓过渡。（六）加强肋及其它防变形结构1）防变形结构的主要作用是增加塑件强度和避免塑件翘曲变形。2）防变形结构的设计取决于塑件形状、使用要求、模具结构及工艺等因素。（七）支承面及凸台1）由于塑件稍许翘曲或变形就会使底面不平，以塑件的整个底面作为支承面是不合理的，通常采用底脚（三点或四点）支承或边框支承。2）凸台主要是用来增强孔或装配附件的凸出部分，设计时应保证足够的强度和合理的结构工艺性。（八）圆角1）塑件形状带有尖角时容易产生应力集中，受力或受冲击振动时会发生破裂，一般除使用要求外，应尽可能采用圆角过渡。2）圆角半径的选用应考虑塑件壁厚和模具制造工艺的要求。（九）孔的设计1）塑件上成型的孔有通孔、盲孔、异形孔等。2）孔的设计应考虑塑件结构、尺寸大小、模具加工制造等要求。（十）螺纹设计1）塑件上的螺纹可以采用直接成型、机械加工、金属嵌件等方法成型。2）直接成型的塑料螺纹不宜采用细牙螺纹，精度要求低于3级，螺纹的最外圈和最内圈应留有台阶。3）直接成型的塑料螺纹应综合考虑塑件使用质量、模具制造工艺、生产率等要求。（十一）齿轮设计1）齿轮结构和尺寸应适应注射成型工艺要求