熔融指數(shù)課件

一、高聚物的分子結(jié)構(gòu)與特性1.樹脂與塑料的概念

塑料的主要成分是樹脂，最早，樹脂是指從樹木中分泌出的脂物，如松香就是從松樹分泌出的乳液狀松脂中分離出來的。后來又發(fā)現(xiàn)．從熱帶昆蟲的分泌物中也可提取樹脂，如蟲膠。有些樹脂還可以從石油中得到，如瀝青。這些都屬于天然樹脂，其特點(diǎn)是無明顯的熔點(diǎn)，受熱后逐漸軟化，可溶解于有機(jī)溶劑，而不溶解于水。出于天然樹脂無論數(shù)量還是質(zhì)量都不能滿足現(xiàn)實(shí)需要，因此，在實(shí)際生產(chǎn)中所用的樹脂都是合成樹脂。合成樹脂是人們按照天然樹脂的分子結(jié)構(gòu)和特性．用人工方法合成制造的。由于其是由相對(duì)分子質(zhì)量小的物質(zhì)經(jīng)聚合反應(yīng)而制得的相對(duì)分子質(zhì)量大的物質(zhì)。因此稱之為高分子聚合物，簡(jiǎn)稱高聚物。

一般在常溫常壓下高聚物為固體，也有為粘稠液體。有些合成樹脂可以直接作為塑料使用(如聚乙烯、聚苯乙烯、尼龍等)，但有些合成樹脂必須在其中加入一些助劑，才能作為塑料使用(如酚醛樹脂、氨基樹脂、聚氯乙烯等)。2、高分子與低分子的區(qū)別1．分子中所含原子數(shù)在低分子物質(zhì)中、每個(gè)分子所含原子數(shù)為幾個(gè)、幾十個(gè)最多幾百個(gè)。而高分子物質(zhì)中，每個(gè)分子所含原子數(shù)為幾千個(gè)、幾萬個(gè)甚至幾十萬個(gè)原子。2、相對(duì)分子質(zhì)量低分子物質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量為幾十、幾百，而且相對(duì)分于質(zhì)量是固定的。而高分子物質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量可達(dá)幾萬、幾十萬、上百萬甚至上千萬，而且相對(duì)分子質(zhì)量還可以根據(jù)需要進(jìn)行改變。另外，樹脂中無數(shù)個(gè)大分子的相對(duì)分子質(zhì)量并不完全相同，有很大差別，因此高分子化合物的相對(duì)分子質(zhì)量采用平均相對(duì)分子質(zhì)量來表示。

由此可見，高分子的相對(duì)分子質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低分子。3、高聚物的分子結(jié)構(gòu)與特性······一C2H4一C2H4一C2H4一C2H4一C2H4一······

高分子聚合物分子結(jié)構(gòu)不同，其性能也不同。線型高聚物具有可溶性和可熔性，成型后性質(zhì)不變，因此可多次成型。體型高聚物成型前是可溶和可熔的，成型后變成既不溶解又不熔融的固體，所以不能再次成型。4、結(jié)晶型與非結(jié)晶型

高聚物的結(jié)構(gòu)及性能

結(jié)晶是指聚合物從熔融狀態(tài)到冷凝時(shí)，分子由獨(dú)立移動(dòng)的、完全處于無秩序狀態(tài)變成分子停止自由移動(dòng)，取得一個(gè)略微固定的位置，并有一個(gè)使它們自己排列成為正規(guī)模型傾向的一種現(xiàn)象。聚合物由高溫熔體向低溫固態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，若分子鏈能夠穩(wěn)定規(guī)整排列，則稱為結(jié)晶型；分子鏈不能得到規(guī)整排列，則稱為非結(jié)晶型。

分子鏈的排列及相互之間的作用，即結(jié)晶，對(duì)材料性能有明顯影響。結(jié)晶聚合物和非結(jié)晶聚合物的物理性能及注射性能有很大差別。結(jié)晶高聚物一般具有耐熱性、非透明性和較好的力學(xué)性能，而非結(jié)晶型高聚物則相反。結(jié)晶形態(tài)以斜方晶型、單斜晶型、三斜晶型為主

從上圖中還可反映出非結(jié)晶聚合物與結(jié)晶聚合物的物理狀態(tài)與溫度的關(guān)系，有兩點(diǎn)不同:

一是流動(dòng)溫度表示不同，非結(jié)晶聚合物與結(jié)晶聚合物分別用Tf或Tm來表示；二是完全結(jié)晶聚合物在Tg或Tm之間基本上不呈高彈態(tài)，其形變基本保持不變，有利于擴(kuò)大聚合物的使用溫度范圍。

聚合物在Tf(或Tm)溫度到Td溫度之間處于粘流態(tài)，呈液狀熔體，在外力作用下，聚合物出現(xiàn)變形量很大的流動(dòng)，在外力解除后，這種變形和流動(dòng)不能回復(fù)。從Tf溫度開始，聚合物在Tf溫度以上不高的溫度范圍內(nèi)，表現(xiàn)為流動(dòng)性質(zhì)，可進(jìn)行某些擠出和吹塑成型等。在Tf溫度再高一些情況下，聚合物的彈性模量降到最低值，熔體粘性較小，在不大的外力作用下就能引起熔體的流動(dòng)變形，可進(jìn)行擠出、注射及吹塑等成型加工。Tf溫度過高，會(huì)使聚合物粘度大大降低，難以得到良好塑件，接近Td時(shí)，易引起聚合物分解，降低塑件力學(xué)性能和外觀質(zhì)量。Tf也是塑料成型的重要溫度參數(shù)。聚合物在Td溫度以上，將會(huì)發(fā)生分解

非結(jié)晶聚合物在Tg-Tf溫度之間處于高彈態(tài)，聚合物體積膨脹，彈性模量大大降低，雖然仍呈固體狀態(tài)，但在不太大的外力作用下，聚合物變形能力顯著增大，彈件變形在外力解除后仍將回復(fù)。對(duì)于非結(jié)晶聚合物，在高彈態(tài)中靠近粘流溫度Tf一側(cè)，高聚物粘性很大，可對(duì)某些塑料進(jìn)行真空成型、壓力成型、壓延成型和彎曲成型等。對(duì)于結(jié)晶聚合物，在玻璃化溫度Tg到流動(dòng)溫度Tf之間可成型薄膜或纖維拉伸等成型加工。Tg是選擇和合理使用塑料的重要參數(shù)，也是大多數(shù)塑料成型的最低溫度。

熱分解是指在高溫下與氧接觸后，聚合物產(chǎn)生可燃性低分子物質(zhì)及揮發(fā)性低分子物質(zhì)氣體，破壞聚合物的組成，影響塑件質(zhì)量。3、高聚物的結(jié)晶

結(jié)晶對(duì)聚合物性能有很大影響。由于聚合物結(jié)晶使大分子鏈排列整齊，分子間作用力增強(qiáng)，因而塑件密度、剛度、抗拉強(qiáng)度、硬度、耐熱性、抗溶劑性、氣密性及耐化學(xué)腐蝕性等性能隨結(jié)晶度的增大而提高，而彈性、伸長率及沖擊強(qiáng)度則有所下降。塑件中含有一定量的非結(jié)晶部分，可增加塑件韌性和強(qiáng)度，但也有可能使塑件各部分性能不均勻，甚至使塑件翹曲和開裂。另外，球晶的大小也會(huì)影響塑件的性能，球晶會(huì)使塑件伸長率和韌性降低，沖擊強(qiáng)度減小，較大的球晶結(jié)構(gòu)還會(huì)使塑件呈乳白色，變得不透明，而較小的球晶可使塑件透明。4、高聚物的取向1.1聚合物的取向

聚合物的取向是指樹脂的分子鏈在外力作用下(如剪切流動(dòng))，會(huì)有不同方式和不同程度的平行排列。在成型過程中，出于受剪切力和拉伸力的作用，因此聚合物的取向分流動(dòng)取向和拉伸取向兩種。A．聚合物的流動(dòng)取向成型中聚合物熔體在型腔里的流動(dòng)是剪切流動(dòng)，在剪切流動(dòng)中，不同部位流動(dòng)速度不同，使蜷曲的聚合物長鏈分子沿著流動(dòng)方向伸直和取向。

熔體充模過程中，先與模壁接觸的熔體迅速冷卻，形成一個(gè)來不及取向的薄殼，后續(xù)熔體與薄殼摩擦較小，剪切應(yīng)力小，取向較小。聚合物熔體在模腔流動(dòng)時(shí)的取向分布程度，如圖1—4所示。聚合物在流動(dòng)方向上的取向程度不同。在流動(dòng)方向上，熔體任意一點(diǎn)的取向剪切應(yīng)力與熔體流動(dòng)壓力成正比，因此隨著熔體壓力由澆口到熔體前鋒逐漸減小，取向程度也逐漸減小，澆口處取向最大。另外，隨著熔體向前流動(dòng)，溫度下降，與模腔接觸不取向的薄殼厚度逐漸增大。B．聚合物的拉伸取向聚合物拉伸取向在Tg-Tf溫度范圍內(nèi)，當(dāng)拉伸到預(yù)定要求時(shí)，迅速冷卻到Tg以下，取向就被保存下來了。經(jīng)過拉伸取向冷卻后的聚合物，再加熱到Tg以上溫度，會(huì)明顯產(chǎn)生收縮，包裝用的薄膜采用的就是這一原理。1.2取向?qū)酆衔镄阅艿挠绊?/p>

非結(jié)晶聚合物取向后出現(xiàn)明顯的各向異性，即在取向方向(縱向)的抗拉強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度顯著提高，而垂直于取向方向(橫向)則強(qiáng)度顯著下降，收縮率縱向大于橫向。例如，在一般成型溫度下，注射塑件在流動(dòng)方向上的力學(xué)強(qiáng)度是垂直方向上的1—2.9倍，而沖擊強(qiáng)度為1~10倍。

結(jié)晶聚合物取向后也會(huì)呈現(xiàn)各向異性，但與非結(jié)晶聚合物稍有不同。結(jié)晶聚合物在取向方向上，力學(xué)性能和密度得到提高，彈性和韌性也會(huì)改善，而伸長率降低。

聚合物取向后的各向異性顯著，而雙軸取向后的各向異性有可能減小。另外，非結(jié)晶聚合物單軸取向后的各向異性程度比結(jié)晶聚合物要顯著一些。聚合物取向后，其它性能也會(huì)隨之發(fā)生變化。如隨取向程度的提高，聚合物彈性模量提高，玻璃化溫度上升，沿取向方向線膨脹系數(shù)增大，收縮率與取向程度成正比等。1.3影響聚合物取向的主要因素

(以注射成型為例)1．溫度的影響隨著溫度升高，一方面聚合物粘度下降。有利于熔體變形和流動(dòng)，便于聚合物取向；另一方面聚合物解取向(取向后的聚合物大分子在高溫下，因大分子運(yùn)動(dòng)加劇而恢復(fù)原來腸曲狀態(tài))能力提高。如果熔體溫度很高，則與凝固溫度之間范圍寬，聚合物大分子松馳時(shí)間延長，解取向能力加強(qiáng)，取向程度減小。非結(jié)晶聚合物熔體溫度下降到Tg溫度的松馳時(shí)間大于結(jié)晶聚合物熔體溫度下降到Tm的松弛時(shí)間，因此結(jié)晶聚合物的冷卻速度快，容易凍結(jié)大分子，獲得較高的取向程度。2．注射壓力和保壓壓力增大注射壓力和保壓壓力，提高剪切應(yīng)力和剪切速率，有利于取向程度的提高。

3．澆口凍結(jié)時(shí)間采用大澆口時(shí)，澆口凍結(jié)較晚，流動(dòng)過程延時(shí)，在一定程度上抵消了因分子熱運(yùn)動(dòng)而引起的解取向，因此澆口附近取向顯著。

4．模具溫度模具溫度較低時(shí)，聚合物大分子運(yùn)動(dòng)容易凍結(jié)，因此解取向能力減小，取向程度提高，高于慢速充模。

結(jié)晶和取向只存在于具有線性結(jié)構(gòu)的熱塑性塑料中，不存在網(wǎng)狀或體型結(jié)構(gòu)的熱固性塑料中。

熱降解是指在成型中因高溫受熱時(shí)間過長而引起的降解。熱降解反應(yīng)速度隨溫度升高而加快，因此必須將成型溫度和加熱時(shí)間控制在適當(dāng)范圍內(nèi)，加熱溫度不能高于熱分解溫度，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。

力降解是指在成型中因粉碎、高速攪拌、擠壓及注射等而受到剪切應(yīng)力和拉伸應(yīng)力，使聚合物分子鏈斷裂，相對(duì)分子質(zhì)量降低的現(xiàn)象。力降解發(fā)生的同時(shí)，常伴有熱量的產(chǎn)生，如果熱量不能及時(shí)擴(kuò)散出去，也有可能同時(shí)發(fā)生熱降解，因此成型過程中的降解，很多情況下是熱、力及氧降解作用的總和。在聚合物中加入溶劑或增塑劑，其流動(dòng)性增大，力降解作用減弱。

氧化降解是常溫下大多數(shù)聚合物都能和氧氣發(fā)生緩慢作用而氧化降解，成型時(shí)由于熱的作用加速氧化降解。熱氧化降解反應(yīng)比熱降解反應(yīng)進(jìn)行得劇烈，對(duì)成型過程影響也更大，因此成型時(shí)必須嚴(yán)格控制溫度和時(shí)間，避免過熱而發(fā)生氧化降解。對(duì)熱穩(wěn)定性差的聚合物，應(yīng)加入抗氧劑，提高聚合物的抗降解能力。

水降解是指如果聚合物中含有容易被水解的基團(tuán)或因聚合物被氧化而形成容易水解的基團(tuán)，在高溫和高壓下成型時(shí)，被聚合物中的水分分解，這種現(xiàn)象叫聚合物的水降解。為防止水降解，在成型前須對(duì)塑料材料進(jìn)行干燥處理。6、聚合物的交聯(lián)

聚合物的交聯(lián)是指聚合物在成型過程中，由線型結(jié)構(gòu)交聯(lián)為體形結(jié)構(gòu)的化學(xué)反應(yīng)過程，通常也稱“硬化”或“熟化”。隨著交聯(lián)反應(yīng)的進(jìn)行，聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量急劇增加，交聯(lián)完成后整個(gè)聚合物成為一個(gè)大分子，其物理性能、力學(xué)性能及化學(xué)性能等方面都得到提高。

影響交聯(lián)的因素有以下幾個(gè)方面：1．溫度和硬化時(shí)間的影響當(dāng)溫度升高時(shí)，交聯(lián)反應(yīng)速度加快，硬化時(shí)間縮短。隨著交聯(lián)反應(yīng)的形成，聚合物熔體流動(dòng)性逐漸降低，不易大分子擴(kuò)散，交聯(lián)反應(yīng)越來越難。硬化時(shí)間短，交聯(lián)程度低，塑件性能不好，即“硬化不足”或“欠熟”。交聯(lián)過度，塑件發(fā)脆、變色和起泡，降低了塑件物理性能。即“硬化過度”或“過熟”。因此需控制好一定的壓力、溫度和時(shí)間，使聚合物硬化適中，獲得好的性能。2．反應(yīng)基因或反應(yīng)活性點(diǎn)的影響熱固性聚合物的交聯(lián)反應(yīng)是分子鏈中帶有的反應(yīng)基團(tuán)(如羥甲基等)或反應(yīng)活性點(diǎn)(如不飽和鍵等)與交聯(lián)劑反應(yīng)的結(jié)果，反應(yīng)過程中產(chǎn)生的生成物(如水等)，會(huì)阻緩交聯(lián)的繼續(xù)。3、應(yīng)力的影響成型過程中熔料間的剪切應(yīng)力作用，以及粘性物料通過流動(dòng)和攪拌作用等能增加反應(yīng)基團(tuán)或活性點(diǎn)與交聯(lián)劑的接觸機(jī)會(huì)，有利于加快和提高交聯(lián)反應(yīng)速度。三、塑料的組成與分類3.1、塑料的組成

塑料的成分是相當(dāng)復(fù)雜的，按其成分的不同，可分為簡(jiǎn)單組分和多組分塑料。簡(jiǎn)單組分的塑料，基本上以樹脂為主要成分，不加或加入少量助劑；多組分的塑料除樹脂以外，還需加入其它一些助劑。樹脂和助劑按不同比例配制，可以獲得各種性能的塑件，同一種樹脂，不同配方，就可以獲得迥然不同的塑料材料及塑件。塑料的組成：樹脂、填充劑、增塑劑、著色劑、穩(wěn)定劑、潤滑劑3.1.1樹脂3．1．2填充劑

塑料的主要成分是合成樹脂，約占塑料總重量的40％—100％。其作用是使塑料具有可塑性和流動(dòng)性，將各種助劑粘結(jié)在一起，并決定塑料的類型(熱塑性或熱固性)和主要性能(物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能等)。

填充劑又稱填料，一般是對(duì)聚合物呈惰性的粉末物質(zhì)。它的加入可以改善塑料性能，擴(kuò)大它的使用范圍，減少樹脂用量，降低成本(填料含量可達(dá)近40％)。在許多情況下填劑所起的作用并不比樹脂小，是塑料中一重要但并非必要的成分。

對(duì)填料的要求是：易被樹脂浸潤，與樹脂有很好的粘附性，性質(zhì)穩(wěn)定。填料的顆粒大小和表面狀況對(duì)塑料性能也有一定影響，顆粒越小對(duì)制件穩(wěn)定性和外觀等方面的改善作用就越大。此外，還要求填料分散性良好，不吸油和水，對(duì)設(shè)備磨損不嚴(yán)重。填料的加入改變了分子間構(gòu)造，降低了結(jié)晶傾向，提高玻璃化溫度和硬度，但常會(huì)使塑料的強(qiáng)度和耐濕性降低。填料量大時(shí)會(huì)使加工性能和表面光澤變差，因此需對(duì)填料品種和加入量嚴(yán)加控制。填充劑按其形狀可分粉狀的、纖維狀的和層狀(片狀)的。常用的部分填料及其作用如下表。3．1．3增塑劑

有些樹脂(如硝酸纖維、醋酸纖維、聚氯乙烯等)可塑性小，柔順性差，為了降低樹脂的熔融粘度和熔融溫度，改善其成型加工性能，通常加入能與樹脂相溶的不易揮發(fā)的高沸點(diǎn)有機(jī)化合物，這類物質(zhì)稱為增塑劑。樹脂中加入增塑劑后，加大了聚合物分子之間的距離，削弱了大分子之間的作用力，使樹脂分子變得容易滑移，從而使塑料能在較低溫度下具有良好的可塑性和柔順性。

對(duì)增塑劑的要求是：能與樹脂很好地混溶而不起化學(xué)反應(yīng)；不易從制件中析出及揮發(fā)；不降低制件的主要性能；無毒、無害、無色、不燃及成本低等。一般需多種增塑劑混用才能滿足多種性能要求。

增塑劑是一種低分子化合物或聚合物，通常為高沸點(diǎn)的難揮發(fā)性液體或低熔點(diǎn)的固體酯類化合物，如鄰苯二甲酸酯類、脂肪族二元酸酯類及磷酸酯類等。目前，塑料工業(yè)中使用增塑劑最多的是聚氯乙烯塑料，用的增塑劑占總產(chǎn)量80％以上。3．1．4著色劑

著色劑又稱色料，它能賦予塑料以色彩，起美觀和裝飾作用，有些著色劑還具有改善塑件耐候性(提高抗紫外線能力)、耐老化性及延長塑件使用壽命和使塑料具有特殊的光學(xué)性能的作用。如本色聚甲醛塑料用炭黑著色后能在一定程度上有助于防止光老化；聚氯乙烯用二鹽基性業(yè)磷酸鉛等顏料著色后，可避免紫外線的射入，對(duì)樹脂起屏蔽作用。一般對(duì)色料的要求是：性能穩(wěn)定、不分解、易擴(kuò)散、耐光和耐候性優(yōu)良，不發(fā)生從制件內(nèi)部向表層析出或移向與其接觸的其它物質(zhì)的遷移現(xiàn)象。要使塑料具有特殊的光學(xué)性能，可在塑料中加入金屬絮片、珠光、磷光及熒光色料等。3．1．5穩(wěn)定劑

穩(wěn)定劑是一類可以提高樹脂在光、熱、氧及霉菌等外界因素作用時(shí)的穩(wěn)定性，阻緩塑料變質(zhì)的一類物質(zhì)。許多樹脂在成型加工和使用過程中由于受上述因素的作用，性能會(huì)變壞。加入少量(干分之幾)穩(wěn)定劑就可以減緩這種情況的發(fā)生。穩(wěn)定劑的種類主要有三類：光穩(wěn)定劑、熱穩(wěn)定劑和抗氧劑。對(duì)穩(wěn)定劑的要求是除對(duì)聚合物的穩(wěn)定效果好外，還要耐水、耐油、耐化學(xué)藥品，并與樹脂相溶，在成型過程中不分解、揮發(fā)小、無色。常用的穩(wěn)定劑有硬脂酸鹽、鉛的化合物及環(huán)氧化合物等。3．1．6潤滑劑

為改善塑料熔體的流動(dòng)性，減少或避免對(duì)模具或設(shè)備的磨損和粘附，以及改進(jìn)塑件表面質(zhì)量而加入的一類助劑，稱為潤滑劑。潤滑劑的主要作用是降低塑料材料內(nèi)部分子之間的相互摩擦，因此潤滑劑分內(nèi)外兩類。內(nèi)潤滑劑在高溫下與聚合物有一定相溶性，削弱聚合物分子間力和分子鏈間相互間的引力，起到塑化或軟化作用；外潤滑劑與聚合物的相溶性很低，能附著在熔融樹脂表面或附著在成型機(jī)械及模具的表面，降低它們之間的摩擦。

常用的潤滑劑有而蠟、硬脂酸、金屬皂類、脂類及醇類等。

當(dāng)然，塑料的成分遠(yuǎn)不止上述幾種，還有防靜電劑、阻燃劑、增強(qiáng)劑、驅(qū)避劑、發(fā)泡劑、交聯(lián)劑及固化劑等。3．2塑料的分類

塑料的種類繁多，大約有300多種，常用的塑料也有幾十種，而且每一品種又有多種牌號(hào)，為了便于識(shí)別和使用，需要對(duì)塑料進(jìn)行分類。3．2．1按塑料的使用特性分為通用塑料、工程塑料和功能塑料1．通用塑料是指一般只能作為非結(jié)構(gòu)材料使用，產(chǎn)量大，用途廣，價(jià)格低，性能普通的一類塑料。主要有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、酚醛塑料和氨基塑料六大品種，約占塑料總產(chǎn)量的75％以上。2．工程塑料是指可以作為工程結(jié)構(gòu)材料，力學(xué)性能優(yōu)良，能在較廣溫度范圍內(nèi)承受機(jī)械應(yīng)力和較為苛刻的化學(xué)及物理環(huán)境中使用的一類塑料。主要有聚酰胺(尼龍)、聚碳酰酯、聚甲醛、ABS、聚苯醚、聚砜、聚酯及各種增強(qiáng)塑料。工程塑料與通用塑料相比產(chǎn)量小，價(jià)格較高，但具有優(yōu)異的力學(xué)性能、電性能、化學(xué)性能、耐磨性、耐熱性、耐腐蝕性、自潤滑性及尺寸穩(wěn)定性，即具有某些金屬性能，因而可代替一些金屬材料用于制造結(jié)構(gòu)零部件和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)零部件等。3、功能塑料

是指用于特種環(huán)境中，具有某一方面的特殊性能的塑料。主要有醫(yī)用塑料、光敏塑料、導(dǎo)磁塑料、高耐熱性塑料及高頻絕緣性塑料等。這類塑料產(chǎn)量小，價(jià)格較貴，性能優(yōu)異。3．2．2按塑料受熱后呈現(xiàn)的基本特性

分熱塑性塑料和熱固性塑料1．熱塑性塑料

是指在一定的溫度范圍內(nèi)，能反復(fù)加熱軟化乃至熔融流動(dòng)，冷卻后能硬化成一定形狀的塑料。這類塑料基本上是以聚合反應(yīng)得到的線型或支鏈型樹脂為基礎(chǔ)制得的，在成型過程中只有物理變化，而無化學(xué)變化，因而受熱后可多次成型，廢料可回收再利用。如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、ABS、聚甲醛、尼龍及有機(jī)玻璃等。

2．熱固性塑料

是指加熱溫度達(dá)到一定程度后能成為不溶和不熔性物質(zhì)，使形狀固化下來不再變化的塑料。這類塑料基本上是以縮聚反應(yīng)得到的，在成型受熱時(shí)發(fā)生化學(xué)變化使線型分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w形結(jié)構(gòu)、廢料不能再回收利用。如酚醛塑料、氨基塑料、環(huán)氧塑料、不飽和聚酯塑料、三聚氰胺塑料等。結(jié)晶和取向只存在于具有線性結(jié)構(gòu)的熱塑性塑料中，不存在網(wǎng)狀或體型結(jié)構(gòu)的熱固性塑料中。

熱塑性塑料和熱固性塑料的比較四、塑料的工藝性能4．1熱塑性塑料的工藝性能4．1．1收縮性

塑件從溫度較高的模具中取出冷卻到室溫后，其尺寸或體積發(fā)生收縮的現(xiàn)象，稱為收縮性。它可用相對(duì)收縮量的百分率表示，即收縮率（S)。收縮不僅與熱脹冷縮有關(guān)、而且還與各種成型因素有關(guān)，因此成型后塑件的收縮，稱為成型收縮。

不同種塑料收縮率不同，同一種塑料批號(hào)不同，收縮率也不同。結(jié)晶形塑料的收縮率一般為1．2％-4．o％非結(jié)晶形塑料收縮率一般為o．2％-1．o％

塑料的收縮率數(shù)值大，且變化范圍大，給塑件的尺寸控制帶來困難。

1、影響熱塑性塑料成型收縮的主要因素如下：(1)熱收縮塑料因加熱或冷卻而按本身熱[膨]脹系數(shù)進(jìn)行膨脹或收縮，塑料的線[膨]脹系數(shù)大于鋼，因此塑件冷卻收縮比模具大，脫模后的塑件尺寸小于型腔相應(yīng)尺寸。(2)彈性恢復(fù)熔料在成型壓力下壓縮，脫模后壓力消失，產(chǎn)生彈性恢復(fù)而使塑件體積膨脹。(3)結(jié)晶收縮結(jié)晶塑料成型冷卻過程中結(jié)晶，引起體積收縮，內(nèi)應(yīng)力增強(qiáng)，塑件內(nèi)殘余應(yīng)力大，分子取向增大，結(jié)晶度越高，體積收縮越大。(4)收縮的方向性成型時(shí)分子沿著流動(dòng)方向取向，冷卻中被強(qiáng)烈定向的分子要恢復(fù)原來狀態(tài)，引起收縮。分子定向強(qiáng)的塑料，成型收縮率在流動(dòng)方向上大，垂直方向上小，使塑件產(chǎn)生各向異性。另外，成型時(shí)各部位密度及填料不均，也會(huì)使收縮不均勻。收縮的方向性和不均勻性，易使塑件變形、翹曲和產(chǎn)生裂紋。(5)塑件結(jié)構(gòu)一般隨著壁厚的增加，收縮率增大。因?yàn)槿哿吓c型腔表面形成低密度外殼，塑料導(dǎo)熱性差。壁越厚則內(nèi)部冷卻越慢，收縮率增大；形狀復(fù)雜的塑件其收縮率小于形狀簡(jiǎn)單塑件的收縮率。(6)澆口形式、尺寸及其分布采用直接澆口或大截面澆口時(shí)收縮小，但方向性明顯；澆口厚度過小，澆口先硬化，成型壓力作用減小，收縮變大，反之塑件致密，收縮??；距澆口近的或與料流方向平行的部位收縮大；熔料在模腔中流動(dòng)距離越長收縮越大；澆口位置和數(shù)量不同，則熔體流向和流程不同，影響分子鏈的取向方向和程度，不僅影響收縮率的大小，而且使塑件各部位和各方向收縮不同。(7)成型工藝條件型腔內(nèi)壓力越高，彈性恢復(fù)越大，收縮率越小；保壓時(shí)間長，則收縮小，但方向性明顯；料溫升高，熱脹冷縮就增大，成型收縮率也增大，但引起粘度減小，有利于壓力傳遞，會(huì)減小收縮，因此對(duì)于粘度大或粘度對(duì)溫度不敏感的塑料，收縮率增大，對(duì)于粘度小或粘度對(duì)溫度敏感的塑料，收縮率減??；注射時(shí)間越短，收縮率越大；模溫高，熔料冷卻慢，密度高，收縮大，尤其是結(jié)晶塑料，結(jié)晶充分，收縮率增大；冷卻時(shí)間長，冷卻均勻，硬化充分，收縮率小，對(duì)于非結(jié)晶塑料，冷卻時(shí)間影響較小。

從以上分析可知．影響收縮率的因素很多，要確定收縮率的值非常困難，而且復(fù)雜、在模具設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮各種因素的影響，按經(jīng)驗(yàn)確定塑件各部位的收縮率。對(duì)于精度要求較高的塑件，應(yīng)留有修模余地。2收縮的形式(1)線尺寸收縮由于熱脹冷縮，脫模時(shí)彈性恢復(fù)及塑件變形等原因，塑件脫模冷卻到室溫后，其尺寸縮小。因此，設(shè)計(jì)模具成型零件時(shí)必須預(yù)以補(bǔ)償，避免尺寸超差。

(2)后收縮塑件脫模后，因各種殘余應(yīng)力趨向平衡而產(chǎn)生時(shí)效變形，引起塑件尺寸縮小的現(xiàn)象，稱為后收縮。在成型過程中，塑料熔體在溫度和壓力下變形流動(dòng)非常復(fù)雜，塑化不均，充模后冷卻速度不同等因素的影響，使塑件內(nèi)出現(xiàn)結(jié)晶不均、取向和收縮等一系列應(yīng)力的作用，脫模后除引起時(shí)效變形外，還會(huì)使塑件的力學(xué)性能、光學(xué)性能及表觀質(zhì)量變壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)開裂。

一般壓注和注射成型的塑件后收縮大于壓縮成型塑件，熱塑性塑件的后收縮大于熱固性塑件的后收縮。非結(jié)晶塑料在脫模24h后，基本上完成收縮，但結(jié)晶形塑料需很長時(shí)間才能達(dá)到最終穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)后處理收縮為了消除或減小后收縮對(duì)塑件的影響，穩(wěn)定成型后的尺寸，對(duì)成型后塑件進(jìn)行適當(dāng)熱處理，熱處理后塑件尺寸也會(huì)發(fā)生變化，稱為后處理收縮。常用的后處理方法有退火和調(diào)濕處理。退火可以消除或降低塑件成型后的殘余應(yīng)力，解除取向，降低塑件硬度和提高韌性。

調(diào)濕處理主要用于因吸濕很強(qiáng)，而產(chǎn)生較大尺寸變化，又易氧化的聚酰胺等塑件，調(diào)整其含水量。調(diào)濕處理用沸水或醋酸鉀溶液，加熱溫度200-121℃。在模具設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于高精度塑件應(yīng)考慮后收縮和后處理收縮的誤差，并予以補(bǔ)償。4.1.2流動(dòng)性

塑料在一定的溫度及壓力作用下，充滿模具型腔的能力，稱為流動(dòng)性?？捎萌廴谥笖?shù)和阿基米德螺旋線長度來表示流動(dòng)性大小，多數(shù)采用熔融指數(shù)來表示。熔融指數(shù)法就是熱塑性塑料在一定溫度和—定壓力下，熔體在10min的時(shí)間內(nèi)通過標(biāo)準(zhǔn)毛細(xì)管的塑料重量，該值叫熔融指數(shù)，單位為g/10min。熔融指數(shù)大，則流動(dòng)性好，反之流動(dòng)性不好。1．流動(dòng)性分類按照模具設(shè)計(jì)要求，大致可將熱塑性塑料的流動(dòng)性分為三類：

(1)流動(dòng)性好的塑料尼龍、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、醋酸纖維素及聚4—甲基戊烯等。（2)流動(dòng)性中等的塑料改性聚苯乙烯、ABS、有機(jī)玻璃、聚甲醛、聚氯醚及聚甲基丙烯酸甲酯等。

(3)流動(dòng)性差的塑料聚碳酸酯、硬質(zhì)聚氯乙烯、聚苯醚、聚砜及氟塑料等。2．影響流動(dòng)件的因素

(1)溫度一般料溫較高時(shí)，熔體流動(dòng)性增大，易于流動(dòng)成型，但易分解而且脫模后收縮較大，因此料溫要適宜才行。不同塑料對(duì)溫度的敏感性不同，聚苯乙烯、聚丙烯、尼龍、有機(jī)玻璃、ABS、聚碳酸酯及醋酸纖維素等塑料的流動(dòng)性對(duì)溫度變化較敏感，而聚乙烯和聚甲醛的流動(dòng)性受溫度影響較小。(2)壓力適當(dāng)增加壓力能降低熔體粘度，流動(dòng)性增大。但過高壓力會(huì)使塑件產(chǎn)生應(yīng)力，而且會(huì)因熔體粘度過小，形成飛邊。聚乙烯和聚甲醛的流動(dòng)性對(duì)壓力變化較敏感。

(3)模具結(jié)構(gòu)澆注系統(tǒng)的形式，流道與澆口的布置，流道、澆口、模腔的尺寸，型腔表面粗糙度及型腔形狀等因素，都會(huì)影響熔料在型腔內(nèi)的流動(dòng)性。凡促使熔料溫度降低，流動(dòng)阻力增加的都會(huì)使流動(dòng)性降低，因此模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮所用塑料的流動(dòng)性，選用合理的模具結(jié)構(gòu)。4.1.3取向與結(jié)晶

熔體在充模過程中剪切流動(dòng)，形成分子取向，使塑件力學(xué)性能和收縮率產(chǎn)生各向性，一般平行于取向方向的力學(xué)性能較高，收縮率也較大，而垂直于取向方向的力學(xué)性能較低，收縮率也較小。取向過大塑件內(nèi)應(yīng)力較大，易裂紋，形狀和尺寸穩(wěn)定性較差，取向還會(huì)使光學(xué)塑件不同方向折射率不同。因此在模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮塑件的取向方向、取向程度及各部分的取向分布

結(jié)晶型塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚甲醛、尼龍、聚氯化醚、聚酯樹脂及聚4-甲基戊烯等；非結(jié)晶型塑料有聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚砜、有機(jī)玻璃、ABS、聚氯乙烯及聚苯醚等。結(jié)晶型塑料一般為不透明或半透明(聚甲醛)；而非結(jié)晶型塑料是透明的(如有機(jī)玻璃）但也有例外情況，如聚4-甲基戊烯為結(jié)晶型塑料，卻有高透明性，ABS為非結(jié)晶型塑料，但卻不透明。

對(duì)于結(jié)晶型塑料在模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(])結(jié)晶型物料上升到成型溫度時(shí)需要熱量多，應(yīng)使用塑化能力強(qiáng)的設(shè)備。

(2)冷凝結(jié)晶時(shí)放出的熱量大，模具要充分冷卻。

(3)粘流態(tài)與固態(tài)的密度差值大，成型收縮也大，易發(fā)生縮孔和氣泡。

(4)塑件壁薄時(shí)，冷卻快，結(jié)晶度低，收縮小。而厚壁塑件，冷卻慢，結(jié)晶度高，收縮大，物理性能和力學(xué)性能好。因此，應(yīng)根據(jù)塑件的要求嚴(yán)格控制模溫。(5)各向異性明顯，內(nèi)應(yīng)力大，脫模后未結(jié)晶化的分子有繼續(xù)結(jié)晶化傾向，易產(chǎn)生翹曲和變形。

(6)結(jié)晶熔點(diǎn)范圍窄，易產(chǎn)生未完全熔融塑料注入模具或堵塞澆口。

結(jié)晶和取向是在塑件成型過程中形成的，其方式與成型條件密切相關(guān)，并對(duì)塑件性能產(chǎn)生重大影響。4.1.4熱敏性和水敏性

1、熱敏性

塑料的化學(xué)結(jié)構(gòu)在熱量作用下都有可能發(fā)生變化，對(duì)熱量作用的敏感程度，稱為塑料的熱敏性。具有熱敏性的塑料，稱為熱敏性塑料，如硬聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、醋酸乙烯共聚物、聚甲醛及聚二氟氯乙烯等。熱敏性塑料在成型過程中，很容易在不太高的溫度下受熱分解和熱降解，或在料溫高和受熱時(shí)間較長的情況下，產(chǎn)生變色、降解及分解，從而影響塑件性能和表面質(zhì)量等。熱敏性塑料在分解時(shí)還會(huì)放出一些揮發(fā)性氣體，有的分解氣體對(duì)人體、設(shè)備及模具有刺激、腐蝕或帶有毒性，分解的氣體還會(huì)成為繼續(xù)分解的催化劑。2．水敏性在高溫下，熔料對(duì)水降解的敏感性，稱為水敏性。具有水敏性的塑料，稱為水敏性塑料，如聚碳酸酯等塑料水敏性塑料在成型中，即使含有少量水分，也會(huì)在高溫及高壓下發(fā)生水解，因此這類塑料在成型前必須進(jìn)行干燥處理。

為避免熱敏性塑料在成型中的分解和熱降解，一方面在塑料中加入熱穩(wěn)定劑，另一方面合理選擇設(shè)備(如螺桿式注射機(jī))，嚴(yán)格控制成型溫度和成型周期，及時(shí)清理分解產(chǎn)物和滯料，模具型腔表面鍍鉻等措施。4.1.5應(yīng)力開裂與熔體破裂1．應(yīng)力開裂有些塑料在成型時(shí)易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而使塑件質(zhì)脆易裂，塑件在不大的外力或溶劑作用下即發(fā)生開裂、這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力開裂。這類塑料有聚苯乙烯、聚碳酸酯及聚砜等。

內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生形式是多種多樣的：1、如塑料熔體被注入型腔后，隨著壓實(shí)和補(bǔ)縮，熔體內(nèi)形成壓應(yīng)力、若冷卻速度快，應(yīng)力松馳時(shí)間短，塑件就會(huì)存有較大內(nèi)應(yīng)力；2、充模時(shí)與模具接觸的那層熔體迅速冷卻凝固，而向中心冷卻緩慢，使塑件在厚度方向上應(yīng)力分布不均；3、塑件各部位結(jié)構(gòu)不同，對(duì)熔體流動(dòng)阻力不同，使塑件各部位密度和收縮不均，而產(chǎn)生應(yīng)力；4、塑件內(nèi)含有嵌件，阻礙自由收縮而產(chǎn)生應(yīng)力等。為防止塑件應(yīng)力開裂，可在塑料中加入增強(qiáng)填料提高抗裂性，合理布置澆口位置和頂出位置，減小殘余應(yīng)力或脫模力；對(duì)塑件進(jìn)行熱處理，消除內(nèi)應(yīng)力；使用時(shí)禁止與溶劑接觸等，都可以減小或消除內(nèi)應(yīng)力。2、熔體破裂是指具有一定熔融指數(shù)的塑料，在恒溫下通過噴嘴孔時(shí)，其流速超過一定值后，熔體表面發(fā)生明顯的橫向裂紋的現(xiàn)象。常出現(xiàn)熔體破裂的熱塑性塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚砜及氟塑料等。產(chǎn)生熔體破裂的原因是成型過程中切應(yīng)力或切變速率過大而引起的成型缺陷，會(huì)影響塑件的外觀和性能。因此，需選用熔融指數(shù)較大的塑料，適當(dāng)?shù)卦龃髧娮?、流道和澆口的截面積，降低注射速度，提高熔體溫度等，減緩或消除熔體破裂現(xiàn)象4.1.6吸濕性

是指塑料對(duì)水分子的親疏程度。根據(jù)這種親疏程度，塑料大致可分為兩種類型，一種是具有吸濕或粘附水分的塑料，如纖維素塑料、有機(jī)玻璃、尼龍、聚碳酸酯、ABS、聚砜及聚苯醚等；一種是不吸濕也不粘附水分的，如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯及氟塑料等。凡是只有吸濕或粘附水分的塑料，如果水分含量超過一定限度，會(huì)在成型加工過程中變成水氣、促使塑料高溫水解、使熔體起泡和粘度下降，影響塑件外觀，機(jī)械強(qiáng)度下降。因此對(duì)吸濕性強(qiáng)的塑料，在成型前必須進(jìn)行干燥處理。4．2熱固性塑料的工藝性能4．2．1收縮性

熱固性塑料成型收縮的形式及其影響因素與熱塑性塑料類似。在模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)影響因素綜合考慮選取塑料的收縮率。4．2．2流動(dòng)性熱固件塑料的流動(dòng)性通常用拉西格流動(dòng)性來表示。測(cè)定熱固性塑料流動(dòng)性的模具叫拉西格壓模，將一定重量的欲測(cè)塑料預(yù)壓成圓錠，再將圓錠放入壓模中，于一定的溫度和壓力下，測(cè)定它從?？字袛D出的長度(毛糙部分不計(jì)在內(nèi)，以mm計(jì))，此即拉西格流動(dòng)性，數(shù)值大則流動(dòng)性好。

每一品種的塑料通常分為三個(gè)不同等級(jí)的流動(dòng)性，以供不同塑件及成型工藝選用；1、流動(dòng)性好的塑料，在成型時(shí)易隘料，填充型腔不密實(shí)，塑件組織疏松，影響塑料力學(xué)性能和電性能，樹脂及填料分開聚集，易粘模，清理困難及過早固化等。2、流動(dòng)性差的塑料即使增大壓力也會(huì)填充不足，不易成型。因此，選用塑料的流動(dòng)性應(yīng)與塑件結(jié)構(gòu)和要求，成型工藝及成型條件相適應(yīng)，對(duì)面積大、嵌件多及薄壁復(fù)雜塑件，應(yīng)選流動(dòng)性好的塑料。模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)塑料流動(dòng)性來設(shè)計(jì)模具澆注系統(tǒng)、分型面及進(jìn)料的方向。2．影響流動(dòng)性的因素

(1)塑料的填料及潤滑劑填料不同，流動(dòng)性也會(huì)不同。熱固性塑料用木粉作填料時(shí)，流動(dòng)性最好；用無機(jī)鹽作填料時(shí)，流動(dòng)件較差；用玻璃纖維和紡織物作填料時(shí)，流動(dòng)性最差。添加潤滑劑，流動(dòng)性也會(huì)提高。

(2)模具結(jié)構(gòu)模具型腔表面光滑，型腔形狀簡(jiǎn)單，澆口位置、流道設(shè)計(jì)合理都可改善流動(dòng)性。

(3)成型工藝采用預(yù)壓及預(yù)熱，適當(dāng)提高成型壓力及在低于塑料硬化溫度條件下提高成型溫度，都能提高塑料的流動(dòng)性。4．2．3固化速度

是指熱固性塑料在壓制標(biāo)準(zhǔn)試樣時(shí)，樹脂分子由線型結(jié)構(gòu)變成體型結(jié)構(gòu)，在模具型腔內(nèi)變成堅(jiān)硬而不溶不熔固化狀態(tài)的速度。通常以固化1mm厚的試樣所需時(shí)間來表示，單位為s/mm。此值越小，表明固化速度越快。固化速度與塑料品種、塑件壁厚、結(jié)構(gòu)形狀、成型溫度、預(yù)熱及預(yù)壓等因素有關(guān)，另外，還與成型工藝方法有關(guān)，注射和壓注成型要求在塑化及填充時(shí)化學(xué)反應(yīng)要慢，硬化要慢，應(yīng)保持較長時(shí)間流動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)充滿型腔后在高溫和高壓下快速硬化。

熱固性塑料固化的速度有一定范圍限制。如果固化速度太慢，則塑件成型周期長，生產(chǎn)率低；固化速度太快，成型形狀復(fù)雜大件時(shí)較困難，因?yàn)槿哿显诔淠＿^程中已開始固化，型腔內(nèi)尺寸較小的部位不易充滿。4．2．4水分及揮發(fā)物含量

塑料中的水分來源于塑料制造中未除凈，貯存及運(yùn)輸中吸收的水分，以及成型過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的副產(chǎn)物。塑料中適