工业设计材料与工艺 塑料

工业设计材料与工艺塑料第1页/共88页本章主要内容第一节常用工程塑料及其性质第二节工程塑料的成型技术与工艺第三节表面处理与装饰技术第2页/共88页第一节常用工程塑料及其性质第3页/共88页高分子材料塑料属高分子材料，高分子材料又称高分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。高分子材料分两类：天然高分子材料蚕丝、羊毛、纤维素、油脂、天然橡胶、淀粉、蛋白质等人工合成高分子材料塑料、合成橡胶、合成纤维、胶粘剂、涂料等工程上使用的主要是人工合成的高分子材料。第4页/共88页高分子化合物——是指相对分子质量很大的化合物（5000以上乃至几百万）低分子化合物——相对分子质量在500以下。在这个数量之间的根据其性能来确定。

高分子材料第5页/共88页一般性能：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。所以，高分子化合物是相对分子量大到使其机械性能具有工程意义的化合物。高分子材料第6页/共88页几个概念：单体高分子化合物由低分子化合物体通过聚核反应获得，组成高分子化合物的低分子化合物称作单体。链节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链节。高分子材料第7页/共88页高分子材料第8页/共88页高分子材料第9页/共88页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）例：聚乙烯的反应方程式聚合反应：加（成）聚合反应第10页/共88页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）反应第11页/共88页化学组成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，其中碳是形成大分子链的主要元素。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，高分子材料的性能亦不同。大分子链的化学组成、形态和聚合态第12页/共88页形态：分子链的形态对聚合物性能有显著影响。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。大分子链的化学组成、形态和聚集态第13页/共88页第14页/共88页高分子材料的聚合态：晶态部分结晶态非晶态（玻璃态）大分子链的化学组成、形态和聚合态第15页/共88页高分子材料的性能机械性能：高聚物的物理、力学状态线性非晶态高聚物的三种力学状态：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。第16页/共88页塑料概念以天然树脂或合成树脂（也称合成高分子化合物，因外观似天然树脂如琥珀、松香、虫胶等而得名）为原料，在一定温度和压力条件下，可以用模具使其成型为具有一定形状和尺寸的塑料制件，当外力解除后，在常温下其形状保持不变。多数以合成树脂为基本成分，一般含有添加剂如：填料、稳定剂，增塑剂、色料或润化剂等。塑料的特点比重小，比强度大；耐腐蚀，耐磨，绝缘，减磨，消声，减震；易成型，易复合等优良的综合性能。易老化耐热性差刚性差尺寸稳定性差第17页/共88页塑料生产（树脂或半制品生产）塑料制品的生产（塑料成型工业or加工工业）塑料工业第18页/共88页塑料制品的简单生产流程塑料制品生产系统组成成型、机械加工、修饰三个过程组成。原料树脂塑料生产塑料制品塑料塑料制品生产第19页/共88页1合成树脂（高聚物）是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,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。塑料的组成第20页/共88页2．添加剂为改善性能而加入的其他组分,主要有以下几种：(1)填料或增强材料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。例如：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；加人石棉粉可提高塑料的耐热性；加入云母粉可提高塑料的电绝缘性；加入二硫化钼等可提高塑料的自润滑性；加入铝粉可提高塑料对光的反射能力等。塑料的组成第21页/共88页2．添加剂(2)固化剂它的作用在于通过交联使树脂具有体型网状结构,成为较坚硬和稳定的塑料制品。例如：在酚醛树脂中加入六亚甲基四胺；在环氧树脂中加入乙二氨、顺丁烯二酸酐等。塑料的组成第22页/共88页2．添加剂(3)增塑剂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。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。塑料的组成第23页/共88页2．添加剂(4)稳定剂为了防止受热、光等的作用使塑料过早老化,加入少量能起稳定化作用的物质。例如：能抗氧的物质有酚类和胺类等有机物;炭黑则可作紫外线吸收剂。其他一些添加剂,如润滑剂、着色剂、阻燃剂、抗静电剂和发泡剂等。塑料的组成第24页/共88页塑料的特性塑料能自由成型并易加工。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。第25页/共88页2质轻,耐振动与冲击,比强度高（按单位质量计算的强度）塑料比金属轻,一般塑料比重在0.9~2.3之间(各种泡沫塑料的比重在0.01~0.5之间)；强度较高，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。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。减震消音，具有柔韧性和弹性塑料的特性第26页/共88页3塑料电绝缘性、热物理性能好。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，可与陶瓷媲美导热率极小,只有金属的1/600~1/200,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。塑料的特性第27页/共88页4优良的化学稳定性能一般塑料对酸碱等化学药品均有良好的耐腐蚀能力特别的如，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"。塑料的特性第28页/共88页5塑料成型容易、加工方便,能大批量生产容易进行切削、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。塑料的特性第29页/共88页塑料与金属及其它工业材料相比较有如下缺点：1塑料不耐高温,低温容易发脆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第30页/共88页2塑料制品易变形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。3塑料有“老化”现象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。塑料的缺点第31页/共88页塑料的分类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：一是按使用特性分类；二是按理化特性分类；三是按加工方法分类。

第32页/共88页通常分通用塑料、工程塑料和特种塑料三种。

1）通用塑料

一般是指原料来源丰富、产量大、应用面广、成型性好、价格便宜的塑料如聚乙烯、聚丙烯、酚醛等塑料的分类——1、按使用特性分类第33页/共88页2)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。通用工程塑料：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、乙烯醇共聚物等特种工程塑料：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）等具有较高物理机械性能，应用于工程技术领域

塑料的分类——1、按使用特性分类第34页/共88页

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。如氟塑料和有机硅具有突出的耐高温、自润滑等特殊功用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——1、按使用特性分类第35页/共88页4)增强塑料在外形上可分为粒状（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）按材质可分为布基增强塑料（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——1、按使用特性分类第36页/共88页5)泡沫塑料可分为硬质、半硬质和软质泡沫塑料三种。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；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；半硬质泡沫塑料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——1、按使用特性分类第37页/共88页1)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：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）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

2)热塑料性塑料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——2、按按理化特性分类第38页/共88页热固性塑料和热塑料性塑料的温度依赖性第39页/共88页根据不同成型方法，分膜压、层压、注射、挤出、吹塑、浇铸塑料和反应注射塑料等膜压塑料

多为物性和加工性能与一般热固性塑料相类似的塑料；层压塑料

指浸有树脂的纤维织物，经叠合、热压而结合成为整体的材料；注射、挤出和吹塑

多为物性和加工性能与一般热塑性塑料相类似的塑料；浇铸塑料

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；反应注射塑料是用液态原材料，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——3、按加工方法分类第40页/共88页按密度分低密度、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——4、其他分类方法第41页/共88页常用塑料及其应用热塑性塑料五大品种：PE、PVC、PS、PP、ABS氟塑料高分子复合材料：玻璃钢、碳纤维增强塑料第42页/共88页1．聚乙烯（PE塑料）由乙烯聚合而成，分子式：（CH2—CH2）n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PVC塑料，属易加工塑料分类：第一类：PE-HD对于密度为0.91-0.925g/cm3，为第一类型PE-HD；对于密度为

0.926-0.94g/cm3，为第二类型PE-HD；对于密度为0.94-0.965g/cm3，为第三类型PE-HD。第二类：PE-LD特点：在所有塑料中密度较低

第43页/共88页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PE-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PE-LD是半结晶材料，成型后收缩率较高，在1.5%到4%之间。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（PE塑料）第44页/共88页性能：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。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。无毒。电绝缘性能、耐化学腐蚀性能、耐低温性能和流动性能优良。柔顺性、热塑性、弹性、透气性好；透水性差。1．聚乙烯（PE塑料）第45页/共88页性状：白色或浅白色腊状半透明固体。薄膜状聚乙烯几乎透明。常用方面：

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（PE塑料）第46页/共88页常用方面：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。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（PE塑料）第47页/共88页常用方面：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。其他板材（即出版材、片材）人造革单丝泡沫塑料及其制品1．聚乙烯（PE塑料）第48页/共88页第49页/共88页第50页/共88页2．聚丙烯（PP）属易加工塑料。分子式：第51页/共88页特点：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。相对密度在塑料里最小，仅为0.90—0.91/cm3。时塑料中最轻的塑料。性状：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（PP）第52页/共88页性能：机械性能(强度、硬度、和弹性等)均高于聚乙烯。拉伸强度为32—40兆帕弯曲强度为40—55兆帕抗弯折能力强，抗冲击强度高PP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。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。耐高温（100℃以下可长期工作），低温性能稍差优良的电绝缘性和耐腐蚀性能在常温下耐酸、碱腐蚀冲击韧性差，抗老化差，透气性比PE大2．聚丙烯（PP）第53页/共88页常用方面：工农业喷灌管、化工管道、板材、电缆包覆和护套、打包带、包装袋、瓦楞板等机械零件法兰、齿轮、手把、接头、汽车水、油箱壳体、电视机壳体等日用品水杯、食具、玩具、饮料、药品容器、包装薄膜如玻璃纸透明。纺织品丙纶纤维、无纺布等。另外聚丙烯改性后，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（PP）第54页/共88页用聚丙烯扁片和标准的照明设备设计可自行组装的灯饰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。第55页/共88页第56页/共88页第57页/共88页3．聚氯乙烯(PVC)

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。分子式：第58页/共88页特点：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、强度和硬度均比聚乙烯高。质硬、耐老化性好。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。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(PVC)第59页/共88页性能：硬质聚氯乙烯（薄璃球树脂）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40—50兆帕。软质聚氯乙烯（棉花球树脂）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10—20兆帕。3．聚氯乙烯(PVC)第60页/共88页性状：白色粉末，密度1.4。常用方面：工农业农用薄膜（透气、透紫外线）、雨布耐酸、碱管、绝缘层、电线管、医药卫生器具国防结构零件建材墙板、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(PVC)第61页/共88页第62页/共88页聚乙烯薄膜与聚氯乙烯薄膜的鉴别聚乙烯薄膜无毒，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、手提包等鉴别方法：（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）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）第63页/共88页4．聚苯乙烯（PS）

聚苯乙烯由苯乙烯单体聚合而成分子结构式：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。第64页/共88页特点：无色、无味、无毒、无嗅，具有光泽的透明固体。相对密度为1.04—1.09。刚度和表面硬度较大，尺寸稳定性好，着色容易。4．聚苯乙烯（PS）第65页/共88页性能：电绝缘性好,是很好的高频绝缘材料。耐辐射性好。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。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（PS）第66页/共88页应用方面：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、果盘电子工业、仪表设备外壳、车灯罩、光学零件（三棱镜、透镜）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（PS）第67页/共88页第68页/共88页第69页/共88页第70页/共88页5.ABS塑料是丙烯腈、丁二烯、苯乙烯的共聚物树脂，具有上三种组分的特点属热塑性塑料黑色颜料的ABS制品的耐候性好，在室外暴露两年经太阳和大气侵蚀，其外观和性能都基本不变第71页/共88页特点：改变三种组分的配比，可是塑酯的性能和特点发生很大的变化。以适应不同产品的需要。丙烯腈使聚合物耐油、耐热、耐化学腐蚀；丁二烯使聚合物具有卓越的柔性、韧性的橡胶的特点；苯乙烯使聚合物具有良好的刚性和熔融的加工流动性；5.ABS塑料第72