塑料件模具设计-塑料的组成和工艺特性

第二章塑料的组成和工艺特性12.1塑料的组成

塑料是以树脂为主要成分的高分子材料。塑料的组成:合成树脂+各种添加剂。1合成树脂合成树脂实质上是高分子物质，它是塑料的基材，对塑料的物理、化学性能起决定作用。合成树脂常呈液体状、粉状或颗粒状。22．塑料添加剂(1)增塑剂凡添加到聚合物中能使聚合物体系的塑性增加的物质都可以称为增塑剂。增塑剂的主要作用是为了改进树脂的柔顺性、延伸性和可塑性等，以达到降低其熔融粘度和熔融温度，改善其加工性能的目的。32．塑料添加剂(2)填料(填充剂)填料在充填过程中一般显示两种功能：首先增加容量，降低塑料成本；其次是能够改善塑料性能，即用以塑料改性，提高塑料的物理性能、加工性能和塑件的质量等。例如，把木粉加入到酚醛树脂中，即能起到降低成本的作用，还能改善韧性；把玻璃纤维加入到塑料中，可以大幅度提高塑料的机械强度；聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)中加入钙质填料后，可得到物美价廉的具有刚性和耐热性的钙塑料。此外，有的填料还可使塑料具有树脂没有的性能，如导电性、导磁性、导热性等。常用的填充剂有玻璃纤维、碳酸钙(CaCO3)、滑石粉、木粉等。42．塑料添加剂(3)稳定剂工业上为了提高树脂在热、光和霉菌等外界因素作用时的稳定性，常在树脂中加入一些添加剂，这些阻碍塑料变质的物质称为稳定剂。稳定剂的加入量很少，一般仅为千分之几，但作用却很大。常用的稳定剂有光稳定剂、热稳定剂等。52．塑料添加剂(4)润滑剂为防止塑料在成型过程中发生粘模和减少塑料对设备的磨擦，同时还能改善塑料的流动性以及提高制品表面光泽度而加入的添加剂称为润滑剂．62．塑料添加剂(5)着色剂着色剂是能使塑料制件具有各种颜色的物质，现代塑料成型加工中，塑料着色已变得越来越重要，所有的塑件中约有80％是经过着色的。塑件的着色不仅能够使塑件外观绚丽多彩、美艳夺目，提高塑件的商品价值，还可根据不同的用途给塑件配以合适的颜色，起到特殊的作用。例如军用塑料制品的着色大多与自然界中的颜色相近，以便于增加其隐蔽性，用起来方便又安全。此外，着色剂还可改善塑件的性能，如可以提高耐候性，力学强度、电性能及光学性能等。72.2塑料的分类塑料工业发展很快，到目前为止，塑料的品种已近300种，常用的有约30种。根据塑料的制造方法、成型工艺和用途等不同可把塑料进行分类。82.2塑料的分类(1)按制造方法分类:聚合树脂和缩聚树脂聚合反应是将许多低分子单体化合成高分子聚合物的化学反应，在此反应过程中没有低分子物质析出。缩聚反应是将相同的或不同的低分子单体化合高分子聚合物的化学反应，在此反应过程中有低分子物质析出。92.2塑料的分类（2）按成型性能分类塑料分为热塑性塑料和热固性塑料

热塑性塑料的特点是受热后软化或熔融，冷却后固化，再加热仍可软化。热塑性塑料的分子结构呈线型或支链型结构。热塑性塑料主要由聚合树脂制成。热塑性塑料又可分为无定形塑料和结晶形塑料。

热固性塑料在开始受热时可以软化或熔融，一旦固化成型就不会再软化。热固性塑料在加热开始时也具有线型或支链型结构，但受热后逐渐结合成体型结构。热固性塑料大多以缩聚树脂为主，加入各种添加剂制成的。102.2塑料的分类3）按用途分类：塑料可分为通用塑料(如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等)和工程塑料(如聚碳酸酯、聚酰胺、聚甲醛、聚砜、聚苯醚等)，其中工程塑料又可分为通用工程塑料和特种工程塑料。近年来，人们对用于特种环境塑料的研究中，又出现了功能塑料，其中有医用塑料、光敏塑料等。112.3塑料的性能和用途（1）质量轻密度0.83~2.2g/cm3塑料密度小，对于减轻机械设备重量和节能具有重要的意义，尤其是对车辆、船舶、飞机、宇宙航天器而言。最轻的是聚4-甲基-1-戊烯代号PMP光学塑料之一例如透镜、视镜；微波炉中的盘碟最重的是聚四氟乙烯PTFE电线电缆包层、密封圈、电饭锅的防粘层、贵重药品的包装等。（2）优良的化学稳定性塑料对酸、碱、盐等化学物质均有耐腐蚀能力。如PTFE被称为“塑料王”，耐强酸、强碱、强氧化剂和盐类。它的化学稳定性超过了所有的已知材料。最常用的耐腐蚀材料为硬聚氯乙烯.122.3塑料的性能和用途（3）绝缘性能好塑料对电、热、声都有良好的绝缘性能，被广泛地用来制造电绝缘材料、绝热保温材料以及隔音隔热材料。（4）比强度高（强度与密度之比）塑料的绝对强度不如金属高，但塑料密度小，所以比强度、比刚度相当高．尤其是以各种高强度的纤维状、片状和粉末状的金属或非金属为填料制成的增强塑料，其比强度和比刚度比金属还高。如玻璃纤维增强塑料（玻璃钢、鱼杆），其比强度超过金属；碳纤维增强塑料（羽毛球拍杆），其绝对强度接近于钢132.3塑料的性能和用途（5）光学性能好塑料的折光率较高，并且具有很好的光泽，如有机玻璃、聚苯乙烯、聚碳酸脂等都可制成晶莹透明的制品。（6）多种防护性能塑料还具有防水、防潮、防辐射、防震等多种防护性能，被广泛地用来制造食品、化工、航天工业的包装材料和防护材料142.3塑料的性能和用途(7)耐磨和自润滑性好：塑料的摩擦系数小、耐磨性好、有很好的自润滑性，加上比强度高，传动噪声小，它可以在液体介质、半干甚至干摩擦条件下有效地工作。它可以制成轴承、齿轮、凸轮和滑轮等机器零件，非常适用于转速不高、载荷不大的场合。152.4常用塑料简介2.4.1热塑性塑料(1）聚乙烯（PE）聚乙烯是由乙烯聚合而成的，是塑料工业中产量最大的塑料。聚乙烯无毒，无味，呈乳白色，密度为0.91～0.96g/cm3。聚乙烯有优良的绝缘性、耐化学腐蚀性及耐低温性能，还有很高的耐水性，长期与水接触其性能可保持不变。这种塑料很容易加工成各种形状（管、桶、袋、盆等）的塑料制件，已广泛应用于电器工业、化学工业、食品工业、机械制造工业、农业等各个方面。162.4常用塑料简介聚乙烯的聚合方法按压力来分有低压法、中压法、高压法，所得到的聚合物相应地称为低压聚乙烯、中压聚乙烯和高压聚乙烯。高压法制备的聚乙烯，密度和结晶度较低，质地柔软、透明性好，可以用于制薄膜和日用品。这种聚乙烯也称为低密度聚乙烯。而低压法和中压法制备的聚乙烯，由于密度和结晶度较高，所以刚性大，机械强度高，但透明性较差，适于制备各种工业配件。这种聚乙烯又称为高密度聚乙烯。但和其他塑料相比，聚乙烯机械强度低，表面硬度差。聚乙烯的绝缘性能优异，成型时在流动方向和垂直方向上收缩性差异较大，易产生变形、缩孔。此外，聚乙烯质地柔软且易脱模，塑件有浅的侧凹时可强行脱模。172.4常用塑料简介(2)聚丙烯(PP)聚丙烯是60年代发展起来的热塑性塑料。聚丙烯密度低，无色，无味，无毒，外观和聚乙烯很相似，呈白色蜡状，密度为0．90～0．9lg／cm3。但和聚乙烯相比，它的透明性更高，透气性更低。此外，聚丙烯的弹性、屈服强度、硬度及抗拉、抗压强度等都高于聚乙烯。聚丙烯吸水率<0.02％，几乎不吸水，因此其高频绝缘性能好，绝缘性能不受湿度的影响。此外，聚丙烯耐热性好，能在100℃以上的温度下进行消毒灭菌，熔点为164～170℃，其最高使用温度可达150℃，最低使用温度为-15℃，但当温度低于35℃时会脆裂。聚丙烯在氧、热、光的作用下极易降解、老化，所以必须加入防老化剂。定向拉伸后聚丙烯可制作铰链，抗弯曲疲劳强度特别高。聚丙烯成型加工时成型收缩率较大，易导致成型加工出来的制件出现变形、缩孔等缺陷。182.4常用塑料简介由于聚丙烯具有上述许多优良特性，因此常用它来制作各种机械零件，如法兰、接头、泵叶轮、汽车零件和自行车零件等，也可用做水、蒸汽、各种酸碱等的输送管道，盖和箱壳及各种绝缘零件，此外还可用于医药工业中(注射器)等。192.4常用塑料简介(3)聚氯乙烯(PVC)

聚氯乙烯是世界上产量仅次于聚乙烯而占第二位的塑料。聚氯乙烯树脂为白色或浅黄色粉末，由于其分子结构中含有氯原子，因此聚氯乙烯通常不易燃烧，离火即灭，火焰呈黄色，常用的聚氯乙烯有硬质聚氯乙烯和软质聚氯乙烯之分。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，可单独用做结构材料。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。PVC的化学稳定性比较高，电器绝缘性能优良。在成型加工时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，并严格控制温度及熔料的滞留时间。202.4常用塑料简介聚氯乙烯因其化学稳定性高，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。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，聚氯乙烯用于制造凉鞋、雨衣、玩具、人造革等。212.4常用塑料简介(4)聚苯乙烯(PS)聚苯乙烯是仅次于聚氯乙烯和聚乙烯的第三大塑料品种。聚苯乙烯是一种无定形高聚物，它无色，无味、透明，密度为1．05g／cm3，容易染色和加工，尺寸稳定，电绝缘性和热绝缘性较好。聚苯乙烯的透明性也好，但若长时间存放或受到光照易出现混浊和发黄的现象。此外，聚苯乙烯还有优良的电性能(尤其是高频绝缘性能)和一定的化学稳定性。但耐热性低，热变形温度一般在70～98℃，只能在较低的温度下使用。222.4常用塑料简介成型加工中，聚苯乙烯的流动性好，易成型且成品率高，浇注系统很适宜采用点浇口形式。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，适用于壁厚均匀的塑件，由于聚苯乙烯的刚性大、透明度好、电性能优良，而且成本低、易成型，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，使它的用途更加广泛。聚苯乙烯在工业上可制作仪表外壳、灯罩、化学仪器零件、透明模型等；在电气方面用做良好的绝缘材料、接线盒、电池盒等电器零件；在日用品方面广泛用于包装材料、各种容器、玩具、一次性快餐盒等232.4常用塑料简介(5)丙烯腈一丁二烯一苯乙烯共聚物(ABS)ABS是由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯共聚而成的聚合物，丙烯腈使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。因此ABS具有良好的综合力学性能。242.4常用塑料简介ABS外观为粒状或粉状，呈浅象牙色，不透明但成型的塑料件有较好的光泽。它无毒、无味，易燃烧、无自熄性，密度为1．08～1．2g／cm3。ABS具有较高的抗冲击强度，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。ABS有一定的硬度和尺寸稳定性，易于成型加工，且易着色。252.4常用塑料简介ABS具有良好的成型性和综合力学性能，因此用途广泛，在机械工业上用来制造水箱外壳、蓄电池槽、冷藏库，冰箱衬里、管道、电机外壳，仪表壳、齿轮、泵叶轮、轴承和把手等。ABS在汽车工业上的用途也日趋增加，用ABS可制造汽车挡泥板、扶手、热空气调节导管、加热器等，还有的用ABS夹层板制作小轿车车身等。此外，ABS还可用来制作水表壳、纺织器材、家用电器外壳、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。262.4常用塑料简介(6)聚酰胺(PA)聚酰胺通称尼龙，它在世界上的消费量居工程塑料之首位。耐磨性最好尼龙的命名由二元胺与二元酸中的碳原子数来决定，如己二胺和癸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，后一个数为二元酸中的碳原子数；若由氨基酸的自聚制取，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l010、尼龙610、尼龙66、尼龙6、尼龙9、尼龙11等。272.4常用塑料简介尼龙有优良的力学性能，其抗冲击强度比一般塑料有显著提高，其中尼龙6尤为突出尼龙本身无毒、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、尼龙具有良好的消音效果和自润滑性能，耐化学性能良好，对酸、碱、盐性能稳定，耐溶剂性能和耐油性也好。成型加工时，尼龙具有较低的熔融粘度和良好的流动性，生产的制件容易产生飞边.因其吸水性强，成型加工前必须进行干燥处理。熔融状态的尼龙热稳定性较差，因此在高温料筒内停留时间不宜过长：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、电器线圈骨架等。282.4常用塑料简介(7)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)聚甲基丙烯酸甲酯是聚丙烯酸酯类塑料中最重要的一类，俗称有机玻璃。透光性最好，号称透光之冠。它是一种无定形聚合物，故成型收缩率不大，仅为0．8％。它的密度为1．19～1．22g／cm3，具有很高的透明性，透光率为90％～92％，有较强的耐化学腐蚀性，力学性能中等，电性能和耐候性能优良，聚甲基丙烯酸甲酯可用来制造具有一定透明度的防震、防爆和观察等方面的零件，如油杯、光学镜片、车灯灯罩、油标及各种仪器零件，透明模型、透明管道、汽车和飞机的窗玻璃、飞机罩盖，也可用做广告牌、绝缘材料等。292.4常用塑料简介(8)聚碳酸酯(PC)聚碳酸酯是一种性能优良的热塑性工程塑料，无色透明的塑件，密度为1.2g／cm3。它具有良好的韧性和刚性，抗冲击性极好；成型收缩率一般为0．5％～0．8％，因此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；具有良好的抗蠕变、耐磨，耐热、耐寒性和良好的耐气候性，302.4常用塑料简介在加工成型时，聚碳酸酯吸水率小，但当温度达到一定高度时，它对水分比较敏感，因此加工前物料必须经干燥处理，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，所以可用提高温度的办法来增加融熔塑料的流动性。聚碳酸酯是一种性能优良的工程塑料，用途也很广泛，在机械上主要用做各种节流阀、润滑油输油管、芯轴、轴承、齿轮、蜗轮、蜗杆、齿条、凸轮、滑轮、泵叶轮、铰链、螺母、垫圈、容器、冷冻(冷却)装置零件、灯罩及各种外壳和盖板等，在电器方面用做电机零件、电话交换器零件、信号用继电器、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。312.4常用塑料简介(9)聚甲醛(POM)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。塑料中弹性最好，弹性元件聚甲醛特别适合于做轴承、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、配盘、线圈座、各种输油管、蛆料弹簧等。322.4常用塑料简介(11)聚四氟乙烯（PTFE)聚四氟乙烯是氟塑料(主要包括聚三氟乙烯、聚全氟乙丙烯、聚偏氟乙烯等)中最重要的一种，俗称塑料王。聚四氟乙烯树脂为白色粉末，平均密度为2.2g／cm3。聚四氟乙烯具有卓越的性能，它的化学稳定性是其他任何塑料无法比拟的，强酸、强碱及各种氧化剂甚至沸腾的“王水”和原子工业中用的强腐蚀剂五氟化铀等腐蚀性很强的介质对它都不起作用，其化学稳定性超过金、铂、玻璃、陶瓷及特种钢等，聚四氟乙烯具有良好的电气绝缘性，且不受环境湿度、温度和电频率的影响。聚四氟乙烯的缺点是容易热膨胀，不耐磨，机械强度差，刚性不足且成型困难。制件一般是先将粉料冷压成坯件，然后再烧结成型。332.4常用塑料简介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、雷达等上面的某些零件；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用于脱模剂。在医学上还可用它制作代用血管、人工心肺装置等。342.4常用塑料简介2．3．2热固性塑料(1)酚醛树脂(PF)酚醛树脂是最早工业化的塑料产品，它属于热固性塑料，在我国热固性塑料中占第一位。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。与一般热塑性塑料相比，酚醛塑料具有刚性好，变形小，耐热、耐磨等性能，能在150～200℃温度范围内长期使用；具有良好的电绝缘性能，在水润滑条件下有极低的摩擦系数。但它的冲击强度较差，质地较脆。酚醛塑料具有良好的成型性能，常用于压缩成型。模具的温度对其流动性有较大影响，硬化时放出大量热量，厚壁大型塑件内部温度易过高，发生硬化不匀及过热现象。352.4常用塑料简介酚醛层压塑料根据所用填料不同，有纸质、布质、木质、石棉和玻璃布等各种层压塑料，可用来制成各种型材和板材。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制作水润滑冷却下的轴承及齿轮等。石棉布层压塑料适用于制作高温下工作的零件。酚醛纤维状压塑料具有优良的电气绝缘性能，耐热、耐水、耐磨，可以加热模压成各种复杂的机械零件和电器零件，可制作各种线圈骨架、接线板、电动工具外壳、风扇叶片、耐酸泵叶轮、齿轮、凸轮等。362.4常用塑料简介(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、三聚氰胺—甲醛等。1)脲一甲醛塑料(UF)脲一甲醛塑料是由脲—甲醛树脂和漂白纸浆等制成的压塑粉，易着色，可染成各种鲜艳的色彩，外观明亮，部分透明，具有较高的表面硬度，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)三聚氰胺一甲醛塑料是由三聚氰胺—甲醛树脂与石棉、滑石粉等制成。三聚氰胺—甲醛塑料可用来制作耐光、耐电弧、无毒的塑件，这些塑件的颜色繁多。此外，三聚氰胺一甲醛塑料在-20—100℃的温度范围内性能变化小，耐沸水，而且耐茶、咖啡等污染性强的物质，还可像陶瓷一样方便地去掉茶渍一类污染物，具有重量轻、不易碎的特点。372.4常用塑料简介氨基塑料常用于压缩、压注成型，压注成型时收缩率大。氨基塑料含水分及挥发物多，使用前需预热干燥，成型时有弱酸性物质及水分析出，因此模具应镀铬防腐，并注意排气。该塑料的熔体流动性好，硬化速度快，因此预热及成型温度要适当，尽快进行装料、合模及加工。382.4常用塑料简介

(3)环氧树脂(EP)万能胶环氧树脂有许多优良的性能，其最突出的特点是粘结能力很强，是人们熟悉的"75能胶”的主要成分.此外，它还耐化学药品、耐热，电气绝缘性能良好，收缩率小。环氧树脂种类繁多，应用广泛，可用做金属和非金属材料的粘合剂，用于封装各种电子元件。环氧树脂配以石英粉等可用来浇铸各种模具。它还可以作为各种产品的防腐涂料。392.5塑料成型的工艺特性塑料的成型工艺性有很多，除了前面讨论过的热力学性能、结晶性及取向性外，塑料的收缩性、流动性、相容性、吸湿性及热稳定性等都属于它的成型工艺特性。2.5.1塑料的成型收缩性塑料制件从模具中取出冷却后一般都会出现尺寸缩减的现象，这种塑料成型冷却后发生体积收缩的特性称为塑料的成型收缩性。影响收缩的因素很多，如塑料本身的热胀冷缩性、模具结构及成型工艺条件等。402.5.1塑料的成型收缩性一般塑料收缩性的大小常用实际收缩率、和计算收缩率来表征：

（1）实际收缩率S实式中，a为成型温度时的尺寸；b为常温时的制品尺寸（2）计算收缩率S计式中，c为常温时的型腔尺寸；b为常温时的制品尺寸412.5.1塑料的成型收缩性影响收缩率的因素有很多，如塑料品种、塑件结构、成型条件及模具结构等。首先，不同种类塑料的收缩率各不相同；同一种塑料，由于塑料的型号不同收缩率也会发生变化。其次，收缩率与所成型塑件的形状、内部结构的复杂程度、是否有嵌件等都有很大关系。再者，成型工艺条件也会影响塑件的收缩率，例如，成型时如果料温过高，则塑件的收缩率增大；成型压力增大，塑件的收缩率减小。422.5.1塑料的成型收缩性例如天津大发车前灯罩壳，材料PP1330（聚丙烯+各种添加剂）料厚8mm，外形尺寸为长1292mm、宽237mm、深40mm，查表知S计=1.7~2.3%，模具价格8万。生产结果：长度超差8mm原因：大型塑料收缩的方向性影响很大解决方法：试生产和计算机模拟432.5.1塑料的成型收缩性尼龙制品各部分尺寸的收缩率塑件的材料为尼龙1010，壁厚为4mm，查表知，收