材料成型工藝基礎(chǔ)(第四版)課件 第6章

第6章高分子材料及其成型6.1工程塑料簡(jiǎn)介6.2工程塑料成型工藝6.3塑料制品的結(jié)構(gòu)工藝性

6.1工程塑料簡(jiǎn)介

6.1.1高分子化合物

1.高分子化合物的基本概念高分子化合物(簡(jiǎn)稱高分子,又稱高聚物或聚合物)是由一種或多種簡(jiǎn)單低分子化合物聚合而成的分子量特別大的有機(jī)化合物的總稱。高分子化合物分為天然化合物和人工合成化合物(合成材料)兩種。天然化合物包括天然橡膠、松香、纖維素、蛋白質(zhì)等;人工合成化合物包括塑料、合成橡膠、合成纖維等。

雖然高分子化合物的相對(duì)分子質(zhì)量很大,但其化學(xué)組成一般卻比較簡(jiǎn)單,它們的分子往往都是由特定的結(jié)構(gòu)單元通過(guò)共價(jià)鍵多次重復(fù)結(jié)合形成高分子鏈。例如聚氯乙烯的分子

是由許多聚乙烯結(jié)合而成的,即

像聚乙烯這樣能聚合成高分子化合物的低分子化合物,稱為單體,組成高分子鏈的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元

稱為鏈節(jié),n為高分子鏈所含鏈節(jié)的數(shù)目,稱為聚合度。

因此,高分子化合物的相對(duì)分子質(zhì)量=聚合度×鏈節(jié)數(shù)量。

表6-1列舉了幾種常見高分子化合物的單體和鏈節(jié)。

2.高分子化合物的結(jié)構(gòu)

高分子化合物的結(jié)構(gòu)可分為兩種基本類型,即均聚物和共聚物。均聚物只含有一種單體鏈節(jié),若干個(gè)鏈節(jié)用共價(jià)鍵按一定方式重復(fù)連接起來(lái)形成均聚物;共聚物是由兩種以上

不同的單體鏈節(jié)聚合而成的高聚物。

均聚物的結(jié)構(gòu)有四種形式:線型(伸直)、線型(蜷曲)、支鏈型和網(wǎng)型,如圖6-1所示。圖6-1均聚物結(jié)構(gòu)示意圖

線型均聚物的特點(diǎn)是可溶、可熔,即它可以溶解于一些有機(jī)溶劑,加熱可以熔化?；谶@一特點(diǎn),線型均聚物易于加工,可反復(fù)使用,如聚氯乙烯、聚苯乙烯等。

支鏈型均聚物的性能與線型基本相同。

網(wǎng)型均聚物是在兩根長(zhǎng)鏈之間由若干個(gè)支鏈把它們交聯(lián)起來(lái),構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)似的形狀。如果這種網(wǎng)狀的支鏈向空間發(fā)展的話,便得到體型高聚物結(jié)構(gòu)。這種高聚物的特點(diǎn)是在任何情況下都不熔化,也不溶解。成型加工只能在形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之前進(jìn)行,一經(jīng)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),就不能再改變其形狀。這種高聚物具有形狀穩(wěn)定、耐熱和耐溶劑作用的優(yōu)點(diǎn),如熱固性塑料酚醛、脲醛等。

共聚物的高分子排列形式可分為無(wú)規(guī)則型、交替型、嵌段型和接枝型,如圖6-2所示(圖中將兩種不同結(jié)構(gòu)的單體分別以有斜線和空白的圓圈表示)。共聚物能把兩種或多種不同特性的單體綜合到一種聚合物中來(lái),使共聚物在實(shí)際應(yīng)用上具有十分重要的意義。人們常把共聚物稱為非金屬的合金,例如汽車用的有機(jī)玻璃——聚甲苯丙烯酸甲酯,使用溫度為100℃左右,同10%~15%的甲基丙酸共聚后,使用溫度可提高到160℃。又如ABS塑料是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三元共聚物,它具有強(qiáng)度高、耐熱、耐沖擊、耐油、耐腐蝕及易加工的綜合性能。

圖6-2共聚物結(jié)構(gòu)示意圖

3.高分子化合物的聚集態(tài)

高分子化合物的性能不僅與高分子的相對(duì)分子質(zhì)量和分子結(jié)構(gòu)有關(guān),也和分子鏈在空間的堆砌狀態(tài)即聚集態(tài)有關(guān)。高分子化合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)是指高分子材料本身內(nèi)部高分子

鏈之間的幾何排列和堆砌結(jié)構(gòu),也稱為超分子結(jié)構(gòu)。按照大分子排列是否有序,高分子化合物的聚集態(tài)分為結(jié)晶態(tài)和非結(jié)晶態(tài)兩類。結(jié)晶態(tài)聚合物分子排列規(guī)則有序,非結(jié)晶態(tài)聚

合物分子排列雜亂不規(guī)則。

4.高分子化合物的力學(xué)性能

1)線型非結(jié)晶態(tài)高分子化合物的力學(xué)性能

線型非結(jié)晶態(tài)高分子化合物沒有一定的熔點(diǎn),隨溫度的變化,會(huì)呈現(xiàn)出三種物理形態(tài):玻璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài),其中,Tx為脆化溫度,Td

為分解溫度,如圖6-3所示。

圖6-3線性非結(jié)晶態(tài)高分子化合物的溫度形變關(guān)系曲線

(1)玻璃態(tài)。當(dāng)溫度較低時(shí),由于分子熱運(yùn)動(dòng)的能量很低,尚不足以使分子鏈節(jié)或整個(gè)分子鏈產(chǎn)生運(yùn)動(dòng),此時(shí)高聚物呈現(xiàn)如玻璃體狀的固態(tài),稱為玻璃態(tài)。

(2)高彈態(tài)。當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí),鏈節(jié)可以較自由地旋轉(zhuǎn),但高聚物的整個(gè)分子鏈還是不能移動(dòng)。此時(shí)在不大的外力作用下,可產(chǎn)生相當(dāng)大的可逆性形變,當(dāng)外力除去后,通過(guò)鏈節(jié)的旋轉(zhuǎn)又恢復(fù)原狀。這種受力能產(chǎn)生很大的形變,除去外力后能恢復(fù)原狀的性能稱為高彈性。這種高聚物的形態(tài)稱為高彈態(tài)。

(3)黏流態(tài)。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí),高聚物得到的能量足夠使整個(gè)分子鏈都可以自由運(yùn)動(dòng),從而成為能流動(dòng)的黏液,其黏度比液態(tài)低分子化合物的黏度要大得多,因而稱為黏流態(tài)。

由高彈態(tài)向玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度Tg稱為玻璃化溫度,它是高分子材料的最高使用溫度,它的高低不僅可確定該高聚物是適合做橡膠還是適合做塑料,而且能顯示材料的耐熱、耐寒性能。

由高彈態(tài)向黏流態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度Tf

稱為黏流化溫度,它決定了高分子材料加工成型的難易程度,通常成型溫度選擇在黏流化溫度以上。表6-2列舉了幾種非晶態(tài)高分子化合物的Tg和Tf值。

2)線型結(jié)晶態(tài)高分子化合物的力學(xué)性能

如圖6-4是線型結(jié)晶態(tài)高分子化合物的溫度形變關(guān)系曲線。圖6-4線型結(jié)晶態(tài)高分子化合物的溫度形變關(guān)系曲線

3)體型高分子化合物的力學(xué)性能

由于體型高分子化合物的大分子鏈交聯(lián)束縛著,大分子鏈不能產(chǎn)生相互滑動(dòng),因此沒有黏流態(tài),只有玻璃態(tài)和高彈態(tài)。體型高分子化合物受熱后仍保持堅(jiān)硬狀態(tài),當(dāng)加熱到很高溫度時(shí)才發(fā)生分解而導(dǎo)致高分子化合物的破壞。這種高分子化合物呈現(xiàn)不溶不熔的特性,機(jī)械強(qiáng)度較線型高分子化合物高,且耐熱性很好。工業(yè)上常用作結(jié)構(gòu)材料使用,如酚醛塑料。

5.高分子化合物的主要特點(diǎn)

相對(duì)分子質(zhì)量大是高分子化合物的基本特性之一,也是同低分子化合物的根本區(qū)別。正是由于高分子化合物的相對(duì)分子質(zhì)量大,因而高分子化合物表現(xiàn)出某些特殊性能,如較好的強(qiáng)度和彈性、密度小、比重輕、耐腐蝕、絕緣性好、易于加工成型等特性,但也存在不耐高溫、易燃燒和易老化等弱點(diǎn)。

1)彈性和塑性

從表6-2可以看出,高分子化合物的玻璃化溫度Tg低于室溫而黏流化溫度Tf高于室溫時(shí),它處于高彈態(tài),用作材料時(shí)可以有彈性;當(dāng)Tg高于室溫時(shí),高分子化合物處于玻璃態(tài),用作材料時(shí)可做塑料。

2)機(jī)械性能

高分子化合物的機(jī)械性能指標(biāo)主要有機(jī)械強(qiáng)度、剛性以及沖擊強(qiáng)度等。高分子化合物的平均相對(duì)分子質(zhì)量的增大,有利于增加分子鏈間的作用力,可使拉伸強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度等

有所提高。

3)電絕緣性和抗靜電性

組成高分子化合物的化學(xué)鍵絕大多數(shù)是共價(jià)鍵,高分子一般不存在自由電子和離子,因此高分子材料通常是很好的絕緣體,可用作絕緣材料。

兩種電性不同的物體相互接觸或摩擦?xí)r,會(huì)產(chǎn)生靜電現(xiàn)象。高分子材料一般是不導(dǎo)電的絕緣體,電荷不易漏導(dǎo),靜電現(xiàn)象極普遍,可被應(yīng)用于靜電印刷、油漆噴涂和靜電分離等。當(dāng)靜電妨礙了人們的生產(chǎn)和生活時(shí),常用抗靜電劑來(lái)消除靜電。

6.1.2工程塑料的組成

塑料是以合成樹脂為主要成分的有機(jī)高分子材料。一般塑料可分為簡(jiǎn)單組分和多組分兩類。簡(jiǎn)單組分的塑料由一種樹脂組成,如聚四氟乙烯等;也可加入少量著色劑、潤(rùn)滑劑等,如聚苯乙烯、有機(jī)玻璃等。多組分的塑料由多種組分組成,除樹脂外,還要加入其他添加劑,如酚醛塑料、環(huán)氧塑料等。

1.工程塑料的定義

(1)廣義:凡可作為工程材料即結(jié)構(gòu)材料的塑料,稱為工程塑料。

(2)狹義:具有某些金屬性能,能承受一定的外力作用,并有良好的機(jī)械性能、電性能和尺寸穩(wěn)定性,在高、低溫下仍能保持其優(yōu)良性能的塑料,稱為工程塑料。

2.工程塑料的組成及主要作用

1)合成樹脂

合成樹脂即人工合成線型高聚物,是塑料的主要成分(約40%~100%),主要起黏結(jié)作用,能將其他組分膠結(jié)在一起組成一個(gè)整體,使塑料具有成型性能。合成樹脂對(duì)塑料的類型、性能和應(yīng)用起決定作用。

2)添加劑

添加劑是為了改善塑料的使用性能或成型工藝性能而加入的其他輔助成分,各種添加劑使塑料的應(yīng)用更廣泛。

(1)填充劑(填料)。填充劑主要起增強(qiáng)作用,可以提高塑料的力學(xué)性能、熱學(xué)性能、電學(xué)性能,降低成本。

(2)增塑劑。增塑劑用于提高塑料的可塑性和柔軟性,主要是液態(tài)或低熔點(diǎn)的固體有機(jī)化合物,如甲酸酯類、磷酸酯類、氧化石蠟等。

(3)固化劑。固化劑的作用是與樹脂發(fā)生化學(xué)反應(yīng),在聚合物中生成橫跨鏈,形成不溶的三維交叉聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu),使樹脂在成型時(shí),由線型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu),形成堅(jiān)硬的塑料。

(4)穩(wěn)定劑。穩(wěn)定劑是為了防止塑料制品老化,提高樹脂在受熱、光、氧化等作用時(shí)的穩(wěn)定性,延長(zhǎng)其壽命而加入的少量物質(zhì)。

(5)著色劑。著色劑使塑料制品具有各種美麗的色澤以滿足使用要求。

(6)潤(rùn)滑劑。潤(rùn)滑劑是使塑料在加工成型時(shí)易于脫模和表面光亮美觀而加入的少量物

(7)抗靜電劑。塑料在加工和使用過(guò)程中由于摩擦而容易帶靜電,尤其在高速加工時(shí),這種靜電嚴(yán)重時(shí)會(huì)妨礙正常的生產(chǎn)和安全,有時(shí)會(huì)因靜電集塵而導(dǎo)致塑料中混入塵埃而降

低塑料制品的性能和價(jià)值。因此,加入抗靜電劑可以提高塑料表面的電導(dǎo)率,使塑料能迅速放電,防止靜電積聚。

(8)其他添加劑。為了保證塑料的使用性能和良好的加工性能,往往加入一些其他成分,如防老化劑、發(fā)泡劑、阻燃劑等。

6.1.3塑料的分類和性能

1.塑料的分類

塑料的種類很多,分類方法也很多,主要的分類方法如下:

(1)按塑料的應(yīng)用范圍來(lái)分,可以分為通用塑料、工程塑料和功能塑料。

①通用塑料。通用塑料主要指產(chǎn)量大、用途廣、價(jià)格低的聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料等幾大品種,它們約占塑料總產(chǎn)量的75%以上,主要用于制作一般普通的機(jī)械零件和日常用品。

②工程塑料。工程塑料指在工程技術(shù)中用作機(jī)械構(gòu)件或結(jié)構(gòu)材料的塑料。這種塑料具有較高的機(jī)械強(qiáng)度,或具有耐高溫、耐腐蝕、耐輻射等特殊性能。常用的工程塑料有聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、ABS塑料等。

工程塑料又可分為通用工程塑料和特種工程塑料。

?通用工程塑料包括聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物、聚苯醚(PPO)、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBTP)及其改性產(chǎn)品。

?特種工程塑料(高性能工程塑料)為耐高溫的結(jié)構(gòu)材料,包括聚砜(PSF)、聚酰亞胺(PI)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚砜(PES)、聚芳酯(PAR)、聚酰胺酰亞胺(PAI)、聚苯酯、聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚酮類、離子交換樹脂、耐熱環(huán)氧樹脂。

③功能塑料。功能塑料指具有耐輻射、超導(dǎo)電、導(dǎo)磁和感光等特殊功能,能滿足特殊使用要求的塑料,如醫(yī)用塑料、導(dǎo)電塑料、氟塑料、有機(jī)硅塑料等。

(2)按塑料的受熱行為來(lái)分,可以分為熱塑性塑料和熱固性塑料。

①熱塑性塑料。這類塑料的合成樹脂為線型結(jié)構(gòu)分子鏈,是聚合反應(yīng)的結(jié)果。

②熱固性塑料。這類塑料的合成樹脂為密網(wǎng)型結(jié)構(gòu)分子鏈,是縮聚反應(yīng)的結(jié)果。

(3)按塑料的化學(xué)成分分類,可分為聚氯乙烯類塑料,如聚乙烯、聚苯乙烯、ABS樹脂等;乙烯基塑料,如聚氯乙烯樹脂、聚乙酸乙烯酯等;氟塑料,如聚四氟乙烯樹脂、聚全氟代異丙烯等;有機(jī)硅;酚醛樹脂;環(huán)氧樹脂;聚氨酯等。

2.工程塑料的性能

工程塑料的基本性能主要包括物理、化學(xué)、力學(xué)性能和熱電性能等。

1)密度

2)耐腐蝕性能

3)比強(qiáng)度單位質(zhì)量計(jì)算的強(qiáng)度稱為比強(qiáng)度。

4)彎曲強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度是指材料抗彎曲斷裂的能力。

5)沖擊

6)剪切強(qiáng)度剪切強(qiáng)度是指材料抵抗剪切應(yīng)力的能力或被剪斷時(shí)的應(yīng)力。強(qiáng)度

7)電絕緣性能

在常溫及一定溫度范圍內(nèi)塑料具有良好的絕緣性能。

8)擊穿強(qiáng)度

任何介質(zhì)在電場(chǎng)作用下,當(dāng)電場(chǎng)電壓超過(guò)某一臨界值時(shí),通過(guò)介質(zhì)的電流會(huì)急劇增大,即介質(zhì)由絕緣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電態(tài)而失去絕緣性能,這種現(xiàn)象稱為介質(zhì)的擊穿。

9)耐熱性

塑料的耐熱性常用馬丁耐熱溫度表示。

10)導(dǎo)熱性

塑料的導(dǎo)熱性很差,導(dǎo)熱系數(shù)只有0.23~0.70W/(m·K),而鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為52W/(m·K),可見差別很大。

11)耐磨性

塑料的摩擦系數(shù)小,有的塑料可以在完全無(wú)潤(rùn)滑的條件下工作。

12)線膨脹系數(shù)

塑料的線膨脹系數(shù)較大,一般為金屬的3~10倍。

塑料具有很多優(yōu)良性能,但塑料也存在缺點(diǎn)和不足。如機(jī)械強(qiáng)度、剛度、硬度不如金屬材料,導(dǎo)熱性能差,高溫性能差,還易燃和易熔,在受到紫外線長(zhǎng)期照射會(huì)發(fā)生變色和老化現(xiàn)象,有的塑料不耐某些有機(jī)溶劑等。因此,在塑料的選用中,要充分考慮塑料的特性,做到合理選材。

6.1.4常用的工程塑料

工程塑料相對(duì)于金屬來(lái)說(shuō),具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、電絕緣性能好、透光、隔熱、消音、吸震等優(yōu)點(diǎn),也有強(qiáng)度低、耐熱性差、容易蠕變和老化等缺點(diǎn)。不同類型的工程塑料有著各自不同的性能特點(diǎn)。表6-3列出了工業(yè)上常用的工程塑料的性能、特點(diǎn)和用途。

6.2工程塑料成型工藝

塑料制品性能的優(yōu)劣,既與選用的塑料品種、組成、結(jié)構(gòu)和性能有關(guān),也與成型方法和具體工藝條件等因素有關(guān)。在選擇塑料的成型方法時(shí),首先應(yīng)考慮塑料的成型工藝性能以及各種塑料對(duì)成型方法的適應(yīng)性(表6-4列出了常用工程塑料對(duì)成型方法的適應(yīng)性);同時(shí)也應(yīng)考慮各種成型方法的特點(diǎn)和工藝條件,以生產(chǎn)出使用性能優(yōu)良的塑料制品。

6.2.1塑料成型的工藝性能

1.流動(dòng)性及影響因素

塑料在一定的溫度與壓力下填充模腔的能力稱為流動(dòng)性,它與鑄造合金流動(dòng)性的概念相似。塑料的流動(dòng)性是影響塑料填充模具型腔獲得完整制品的主要因素。在塑料成型過(guò)程中,塑料應(yīng)具有適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性。

1)聚合物分子量和結(jié)構(gòu)的影響

聚合物的分子量作為塑料的固有特性而影響流動(dòng)性。聚合物的分子量越大,纏結(jié)程度越嚴(yán)重,流動(dòng)時(shí)所受的阻力越大,則聚合物的黏度大、流動(dòng)性越差。不同的成型方法對(duì)聚合物的流動(dòng)性要求不同,因此對(duì)聚合物的分子量要求也會(huì)不同。注射成型要求塑料的流動(dòng)性好,可采用分子量低的聚合物;擠壓成型用于流動(dòng)性較差的塑料生產(chǎn),可采用分子量較高的聚合物;中空吹塑成型可采用中等分子量的聚合物。

2)各種添加劑的影響

塑料中的各種添加劑對(duì)流動(dòng)性的影響有著不同的作用。有的添加劑的加入會(huì)使流動(dòng)性增加,而有的添加劑會(huì)使流動(dòng)性降低。因此根據(jù)不同成型方法對(duì)流動(dòng)性要求的不同,可以

通過(guò)加入不同的添加劑來(lái)調(diào)整流動(dòng)性。

3)溫度的影響

升高溫度可使塑料的樹脂黏度降低,流動(dòng)性增加。但是在塑料成型中不能僅靠提高溫度來(lái)提高其流動(dòng)性,還必須將塑料加熱到合適的溫度范圍來(lái)成型,這是因?yàn)椴煌芰系牧?/p>

動(dòng)性有不同的溫度敏感性。

熱塑性塑料的流動(dòng)性用熔融指數(shù)(也稱熔融流動(dòng)率)表示,熔融指數(shù)越大,流動(dòng)性就越好。熔融指數(shù)與塑料的黏度有關(guān),黏度愈小,熔融指數(shù)愈大,塑料的流動(dòng)性也愈好。

常用塑料的流動(dòng)性大致可分為以下三類:

(1)流動(dòng)性好:尼龍、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、醋酸纖維素等。

(2)流動(dòng)性中:改性聚苯乙烯、ABS、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、氯化聚醚等。

(3)流動(dòng)性差:聚碳酸酯、硬聚氯乙烯、聚苯醚、聚砜、聚芳砜、氟塑料等。

4)剪切速率(剪切應(yīng)力)及壓力的影響

剪切速率對(duì)聚合物的黏度有較大影響,一般聚合物的黏度隨著剪切應(yīng)力的增加而降低,從而其流動(dòng)性提高。但不同的聚合物熔體對(duì)剪切作用的敏感程度不同。壓力對(duì)聚合物

熔體的黏度也有明顯的影響,隨著壓力的增大,聚合物熔體的黏度升高,有時(shí)黏度竟能增加一個(gè)數(shù)量級(jí),因而在塑料的成型過(guò)程中不能單純靠提高壓力來(lái)提高塑料的流量。因此,在使用螺桿式注塑機(jī)成型塑料時(shí),通過(guò)選擇一定螺距的螺桿并控制螺桿的轉(zhuǎn)速來(lái)達(dá)到控制剪切速率和壓力的效果,使塑料具有合適的流動(dòng)性。

2.收縮性

塑料在成型和冷卻過(guò)程中發(fā)生體積縮小的特性(發(fā)泡制品除外)稱為收縮性。這種收縮性可用收縮率k來(lái)表示:

式中:k表示塑料收縮率;Lm表示模具在室溫時(shí)的尺寸,單位為mm;L1表示塑件在室溫時(shí)的尺寸,單位為mm。

3.吸濕性

有的塑料樹脂因含有極性基團(tuán),極易吸濕或黏附水分,如ABS、有機(jī)玻璃、聚酰胺、尼龍等;有的塑料樹脂含非極性基團(tuán),幾乎不吸水也不黏附水分,如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。我們把塑料樹脂及其添加劑對(duì)水分的敏感程度稱為吸濕性。吸濕性大的塑料在成型過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生如外觀水跡、表面粗糙、制品內(nèi)有水泡、強(qiáng)度下降和黏度下降等缺陷。因此,在塑料成型前,必須對(duì)塑料樹脂及其添加劑進(jìn)行干燥處理。

4.結(jié)晶性

對(duì)于結(jié)晶塑料在成型過(guò)程中發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象的性質(zhì)稱為結(jié)晶性。成型工藝條件對(duì)結(jié)晶塑料制品的性能具有很大的影響。如成型時(shí)料筒、模具的溫度高且熔融物料的冷卻速度慢,則結(jié)晶條件好,制品的結(jié)晶度大,其密度、硬度和剛度高,拉伸、彎曲、耐腐蝕性、耐磨性和導(dǎo)電性能好;反之,結(jié)晶度小,其柔軟性、透明性、耐折性好,沖擊強(qiáng)度提高,伸長(zhǎng)率提高。因此,控制塑料的結(jié)晶度,可以獲得不同性能的塑料。

5.熱敏性和水敏性

熱敏性是指塑料對(duì)熱較為敏感,在高溫下受熱時(shí)間較長(zhǎng)或進(jìn)料口截面過(guò)小,剪切作用大時(shí),料溫增高而易發(fā)生變色、解聚、分解的傾向,具有這種特性的塑料稱之為熱敏性塑

料,如聚甲醛、聚氯乙烯塑料。因此,對(duì)這類塑料在成型加工時(shí),必須嚴(yán)格控制成型溫度和周期,在塑料中加入穩(wěn)定劑以保證成型加工條件,使制品具有要求的特性。

水敏性是指塑料對(duì)水降解的敏感性,也稱吸濕性。水敏性高的塑料,在成型過(guò)程中高溫高壓使塑料產(chǎn)生水解或使塑件產(chǎn)生氣泡、銀絲等缺陷。因此塑料在成型前要干燥除濕,并嚴(yán)格控制水分。

6.毒性、刺激性和腐蝕性

有些塑料在加工時(shí)會(huì)分解出有毒性、刺激性和腐蝕性的氣體。例如,聚甲醛會(huì)分解產(chǎn)生刺激性氣體甲醛,聚氯乙烯及其衍生物或共聚物會(huì)分解出既有刺激性又有腐蝕性的氯化氫氣體。成型加工上述塑料時(shí),必須嚴(yán)格掌握工藝規(guī)程,防止有害氣體危害人體和腐蝕模具及加工設(shè)備。

6.2.2注射成型及其工藝條件

1.注射成型的原理和特點(diǎn)

注射成型又稱注塑成型,是塑料成型的主要方法之一,主要適用于熱塑性塑料和部分流動(dòng)性好的熱固性塑料。

注射成型原理如圖6-5所示。

圖6-5注射成型原理

注射成型過(guò)程可分為加料、熔融塑化、施壓注射、沖模冷卻、制品脫模等五個(gè)步驟。

注射設(shè)備有螺桿式和柱塞式兩種形式。它們的共同特點(diǎn)為:

①加熱塑料至黏流狀態(tài);

②對(duì)黏流態(tài)的塑料熔體施加壓力,使其射出并充滿模具型腔。螺桿式注塑機(jī)具有加熱均勻、原料混合和塑化均勻、溫度和壓力易控制、注射量大等優(yōu)點(diǎn)。因此,螺桿式注塑機(jī)是注射成型的首選設(shè)備。而柱塞式注塑機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,注射量小,適用于小型塑料制品的生產(chǎn)。

注射成型過(guò)程所需的成型工具就叫注射模,注塑模的設(shè)計(jì)與制造是保證塑料制品形狀、尺寸及塑料制品質(zhì)量的關(guān)鍵。由于塑料制品的形狀和尺寸、適用場(chǎng)合千差萬(wàn)別,使注塑模的大小、結(jié)構(gòu)和復(fù)雜程度差別很大。但典型的注塑模由澆注系統(tǒng)、成型零件、導(dǎo)向零件、脫模頂出機(jī)構(gòu)、抽芯機(jī)構(gòu)、加熱冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和其他結(jié)構(gòu)零件等幾部分組成。圖6-6為注塑模的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,其澆注系統(tǒng)由主流道、分流道、澆口等組成;導(dǎo)向零件由導(dǎo)合釘和承壓柱組成;脫模頂出機(jī)構(gòu)由脫模板、脫模桿和回頂桿等組成;冷卻系統(tǒng)由冷卻劑通道組成。

圖6-6-注塑模的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.注射成型的工藝條件

1)溫度的控制

在注射成型過(guò)程中,溫度的控制是非常重要的,主要是控制料筒、噴嘴和模具三個(gè)部分的溫度。

(1)料筒溫度。應(yīng)使物料從室溫加熱到黏流態(tài),使物料充分塑化,獲得一定的流動(dòng)性,且物料不分解。

(2)噴嘴溫度。噴嘴溫度一般比料筒溫度稍低,但不能過(guò)低。這樣既可減少熔融物料在噴嘴處流散,又可防止冷凝料進(jìn)入模腔或堵塞噴嘴。

(3)模具溫度。對(duì)于結(jié)晶性塑料,必須嚴(yán)格控制模具溫度。

2)壓力的控制

注射成型的壓力分為塑化壓力和注射壓力,它們是對(duì)物料的塑化和充模成型質(zhì)量影響非常大的因素之一。

塑化壓力是指注射機(jī)工作時(shí)物料塑化過(guò)程中所需要的壓力。

注射壓力是指在注射成型時(shí),螺桿或柱塞的頭部對(duì)物料所施加的壓力。

3)成型周期

成型周期是指完成一次注射成型過(guò)程所需要的時(shí)間。它包括注射時(shí)間、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間和起模時(shí)間等。

制品成型過(guò)程中,在保證質(zhì)量的前提下,應(yīng)盡量縮短成型周期,以降低生產(chǎn)成本,提高設(shè)備的利用率和生產(chǎn)率。

常用塑料的注射成型工藝條件列于表6-5中。

6.2.3擠出成型及其工藝條件

1.擠出成型的原理及特點(diǎn)

擠出成型是塑料制品加工中最常用的成型方法之一,它具有生產(chǎn)效率高、可加工的產(chǎn)品范圍廣等特點(diǎn)。它可將大多數(shù)熱塑性塑料加工成各種斷面形狀的連續(xù)狀制品,如塑料

管、棒、板材、薄膜、單絲、異型材以及金屬涂層、電纜包層、中空制品、半成品加工(如造粒工藝)得到的顆粒等。用于擠出成型的設(shè)備叫作擠出機(jī),如圖6-7所示。

圖6-7擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)

擠出成型過(guò)程大致可分為三個(gè)階段:

第一階段是原料的塑化,即通過(guò)擠出機(jī)的加熱和混煉,使固態(tài)原料變成均勻的黏性流體。

第二階段是成型,即在擠出機(jī)擠壓部件(機(jī)筒和螺桿)的作用下,使熔融的物料以一定的壓力和速度連續(xù)地通過(guò)成型機(jī)頭,從而獲得一定的斷面形狀。

第三階段是定型,通過(guò)冷卻等方法使熔體已獲得的形狀固定下來(lái),并變成固體狀態(tài)。

擠出成型的主要優(yōu)點(diǎn):能連續(xù)生產(chǎn)等截面的長(zhǎng)件制品;容易與同類材料或異型材料復(fù)合成型(如塑料電線);可進(jìn)行自動(dòng)化大批量生產(chǎn);工藝過(guò)程容易控制;產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,致密;無(wú)澆口、澆道和毛邊等廢料;設(shè)備簡(jiǎn)單,投資小,占地面積小;口模簡(jiǎn)單等。

擠出成型的主要缺點(diǎn):難以成型生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的截面形狀。

2.擠出成型的工藝條件

1)溫度控制

溫度控制是影響塑料塑化和產(chǎn)品特性的關(guān)鍵。擠出機(jī)從加料口到機(jī)頭口模的溫度是逐步升高的,從而保證塑料在料筒內(nèi)充分混合和熔融。生產(chǎn)中機(jī)頭口模的溫度應(yīng)控制在物料

的流動(dòng)溫度和分解溫度之間。在保證物料不分解的前提下,提高溫度有利于生產(chǎn)率的提高。在成型過(guò)程中,應(yīng)根據(jù)不同的物料和具體的操作工藝來(lái)確定最佳的溫度。

2)螺桿的轉(zhuǎn)速和機(jī)頭壓力

螺桿的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了擠出機(jī)的產(chǎn)量并影響熔融物料通過(guò)機(jī)頭口模的壓力和產(chǎn)品質(zhì)量,該速度取決于螺桿和擠出制品的幾何形狀及尺寸。增加螺桿轉(zhuǎn)速可提高擠出機(jī)的產(chǎn)量;同時(shí),由于螺桿對(duì)物料的剪切作用增強(qiáng),可提高物料的塑化效果,改善制品的質(zhì)量。但螺桿轉(zhuǎn)速不是越高越好,如果轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)不當(dāng),會(huì)使制品表面粗糙,產(chǎn)生表面缺陷,影響外觀質(zhì)量。應(yīng)根據(jù)具體情況,調(diào)整螺桿的轉(zhuǎn)速,使螺桿的轉(zhuǎn)速和機(jī)頭口模壓力達(dá)到最佳值,從而既保證制品的質(zhì)量,又獲得較高的產(chǎn)量。

3)牽引速度

牽引速度和擠出速度的配合是保證連續(xù)進(jìn)行的擠出過(guò)程的必要條件。在擠出成型過(guò)程中,物料從機(jī)頭口模擠出時(shí)會(huì)發(fā)生出模膨脹現(xiàn)象,如圖6-8所示。圖6-8物料出模膨脹示意圖

6.2.4壓制成型及其工藝條件

1.壓制成型的原理及特點(diǎn)

壓制成型又稱壓塑成型、模壓成型,是塑料成型加工中較傳統(tǒng)的工藝方法,主要用于熱固性塑料的加工。壓制成型主要分為模壓法和層壓法兩種,如圖6-9所示。

模壓法是將樹脂和其他添加劑混合料放置于金屬模具中加熱加壓,塑料在熱和壓力的作用下熔融、流動(dòng)并充滿模膛,樹脂與固化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),經(jīng)一定時(shí)間固化成為一定形狀的制品。

圖6-9壓制成型原理示意圖

層壓法是將紙張、棉布、玻璃布等片狀材料在塑料樹脂中浸泡,涂掛樹脂后一張一張疊放成需要的厚度,放在層壓機(jī)上加熱加壓,經(jīng)一定時(shí)間后,樹脂固化,相互黏結(jié)成型的工藝。該方法主要適用于增強(qiáng)塑料板材、棒、管材等。

壓制成型的主要特點(diǎn):設(shè)備和模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,投資少,可生產(chǎn)大型制品,尤其是生產(chǎn)具有較大平面的平板類制品;工藝條件容易控制;制品收縮量小,變形小,性能均勻;但成型周期長(zhǎng),生產(chǎn)效率低,較難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。

壓塑成型模具如圖6-10所示,與注射模不同的是,壓塑模沒有澆注系統(tǒng),只有一段加料室,這是型腔的延伸和擴(kuò)展。注射成型時(shí)模具處于閉合狀態(tài);而壓塑模成型是靠凸模對(duì)凹模中的原料施加壓力,使塑料在型腔內(nèi)成型。因此,壓塑模的成型零件的強(qiáng)度要比注射模的高。

圖6-10壓塑模結(jié)構(gòu)

2.壓制成型的工藝條件

1)壓制溫度控制

壓制溫度是指壓制成型過(guò)程中模具的溫度。壓制溫度越高,物料在模具中的流動(dòng)性越好,易于物料充滿模型。同時(shí)有利于樹脂化學(xué)交聯(lián)固化成型,縮短壓制成型時(shí)間。但溫度不能過(guò)高,過(guò)高的溫度會(huì)使樹脂固化過(guò)快,力學(xué)性能下降,可能引起燒焦、起泡、裂縫等缺陷;過(guò)低的溫度則使物料的流動(dòng)性變差,難以充滿模腔,也難以使樹脂固化。

2)壓制壓力

由壓力機(jī)對(duì)塑料所施加的迫使物料充滿型腔并固化的壓力稱為壓制壓力。壓力使物料加速在模腔中的流動(dòng)充型,同時(shí)排出物料化學(xué)反應(yīng)中生成的水分及揮發(fā)物等,提高塑料的

密實(shí)度,使制品不發(fā)生氣泡、膨脹和裂紋等缺陷。加壓過(guò)程使制品的形狀固定,可防止冷卻時(shí)制品的變形。壓力的大小、加壓速度與塑料的種類及其流動(dòng)性、成型溫度、制品的形

狀、厚薄等有關(guān),一般通過(guò)試驗(yàn)確定其數(shù)值范圍。

3)壓制時(shí)間

壓制時(shí)間是指模具閉合、加熱加壓到開啟模具的時(shí)間。加壓時(shí)間的長(zhǎng)短與壓制溫度、壓制壓力、塑料的品種及其固化速度有關(guān)。壓制溫度一定,壓制壓力增加,壓制時(shí)間可縮

短。壓力一定,溫度提高,壓制時(shí)間也可縮短?？筛鶕?jù)實(shí)際情況經(jīng)試驗(yàn)在保證質(zhì)量的前提下來(lái)確定最佳時(shí)間。表6-6給出了幾種常用的熱固性塑料的壓制工藝參數(shù)。

6.2.5真空成型及其工藝條件

1.真空成型的原理及特點(diǎn)

真空成型也稱吸塑成型,它是將熱塑性塑料板材、片材固定在模具上,用輻射加熱器加熱到軟化溫度,用真空泵(或空壓機(jī))抽取板材與模具之間的空氣,借助大氣壓力使坯材吸附在模具表面,冷卻后再用壓縮空氣脫模,形成所需塑件的加工方法。

真空成型的特點(diǎn)是生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單,效率高,模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能加工大尺寸的薄壁塑件,生產(chǎn)成本低。

2.真空成型方法的種類及其工藝條件

真空成型包括凹模真空成型、凸模真空成型、凹凸模真空成型等。

凹模真空成型方法如圖6-11所示,一般用于要求外表精度較高、成型深度不高的塑件。真空成型產(chǎn)品有塑料包裝盒、餐具盒、罩殼類塑件、冰箱內(nèi)膽、浴室鏡盒等。其常用材料有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、ABS、聚碳酸酯等。

圖6-11凹模真空成型

6.2.6-其他成型方法

1.吹塑成型

吹塑成型是先用注射法或擠壓法將處于高彈態(tài)或黏流態(tài)的塑料擠成管狀塑料,擠出的中空管狀塑料不經(jīng)冷卻,將熱塑料管坯移入中空吹塑模具中并向管內(nèi)吹入壓縮空氣,在壓縮空氣作用下,管坯膨脹并貼附在型腔壁上成型,經(jīng)過(guò)冷卻后即可獲得薄壁中空制品。圖6-12是吹塑成型的工藝過(guò)程。

圖6-12吹塑成型的工藝過(guò)程

吹塑成型的工藝過(guò)程如下:

配制塑料→塑化塑料→注射(或擠壓)成管坯→從芯模中通入壓縮空氣→管坯吹脹→吹塑模內(nèi)成型→脫出制品

吹塑成型的特點(diǎn):制品的壁厚均勻,尺寸精度高,成型速度快,生產(chǎn)率高。該方法主要適用于熱塑性塑料的中空型塑料制品的生產(chǎn)。

2.壓延成型

壓延成型是用熱軋輥將已加熱塑化的熱塑性塑料壓延成片材、薄膜等的工藝方法。該方法主要適用于聚氯乙烯塑料板材、薄膜制品的生產(chǎn),也適用于人造革或塑料墻紙涂層的

壓延成型。

壓延成型的工藝過(guò)程如下:

壓延成型的特點(diǎn):具有加工能力大、生產(chǎn)速度快、產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)、可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn);其主要缺點(diǎn)是設(shè)備龐大,前期投資高,維修復(fù)雜,制品寬度受壓延機(jī)輥筒長(zhǎng)度的限制。

3.發(fā)泡成型

發(fā)泡成型是結(jié)構(gòu)泡沫塑料生產(chǎn)的主要方法。結(jié)構(gòu)泡沫是一種具有整體皮層和泡沫內(nèi)芯的泡沫塑料,由于具有較高的比強(qiáng)度和比剛度,可以作為結(jié)構(gòu)材料使用,故稱為結(jié)構(gòu)泡沫。結(jié)構(gòu)泡沫產(chǎn)品在工業(yè)零件、汽車零件、包裝、無(wú)線電、精細(xì)家具、環(huán)衛(wèi)產(chǎn)品等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。

4.微發(fā)泡注塑成型

微發(fā)泡注塑成型工藝是一種革新的精密注塑技術(shù),是靠氣孔的膨脹來(lái)填充制品,并在較低且平均的壓力下完成制件的成型。首先將超臨界流體(二氧化碳或氮?dú)?溶解到熱融膠

中形成單相溶體;然后通過(guò)開關(guān)式噴嘴射入溫度和壓力較低的模具型腔,由于溫度和壓力降低引發(fā)分子的不穩(wěn)定性,從而在制品中形成了大量的氣泡核,這些氣泡核逐漸長(zhǎng)大生成微小的孔洞。

微發(fā)泡注塑成型的工藝特點(diǎn):突破了傳統(tǒng)注塑的諸多局限,顯著地減輕了制件的重量,縮短了成型周期;極大地改善了制件的翹曲變形和尺寸穩(wěn)定性。該工藝主要應(yīng)用于汽車儀表盤、門板、空調(diào)風(fēng)管等。

5.納米注塑成型

納米注塑成型是金屬與塑膠以納米技術(shù)結(jié)合的工法,先將金屬表面經(jīng)過(guò)納米化處理后,塑膠直接射出而成型在金屬表面,讓金屬與塑膠可以一體成型。該工藝所采用的金屬有鋁、鎂、銅、不銹鋼、鈦、鐵、鍍鋅板、黃銅等,樹脂材料有PPS、PBT(聚對(duì)苯二甲酸四次甲基酯)、PA6、PA66、PPA(聚鄰苯二甲酰胺)等。該工藝主要應(yīng)用于手機(jī)外殼、筆記本電腦外殼等。

納米注塑成型的工藝特點(diǎn):制品具有金屬外觀質(zhì)感;制品機(jī)構(gòu)件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化,讓產(chǎn)品更輕、薄、短、小,且較計(jì)算機(jī)數(shù)字化控制(ComputerizedNumericalControl,CNC)加工法更具成本效益;降低生產(chǎn)成本并且提高了結(jié)合強(qiáng)度,大幅降低相關(guān)耗材的使用率。

除了上述的成型方法之外,常用的成型工藝還有纏繞成型、滾塑成型、塘塑成型等。

總之,塑料的成型方法比較多,在選擇塑料的成型方法時(shí),必須根據(jù)塑料的特性來(lái)選擇合理的成型方法。同時(shí),合理設(shè)計(jì)模具的型腔,制定合適的成型工藝,才能保證塑料制品的質(zhì)量。

6.3塑料制品的結(jié)構(gòu)工藝性

成型缺陷的產(chǎn)生主要受以下幾個(gè)方面的影響:(1)成型模具設(shè)計(jì)的合理性和制造質(zhì)量。(2)成型過(guò)程中工藝條件的影響。(3)塑料制品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性等。

6.3.1塑料制品壁厚的設(shè)計(jì)

制品壁厚首先取決于使用要求,但是成型工藝對(duì)壁厚也有一定要求。過(guò)薄的壁厚使制品的強(qiáng)度低、剛性差,影響其使用,同時(shí),過(guò)薄的壁厚,使充型時(shí)的流動(dòng)阻力加大,會(huì)出現(xiàn)缺料和冷隔等缺陷;壁厚太厚,塑件易產(chǎn)生空洞、氣泡、凹陷等缺陷,同時(shí)也會(huì)增加生產(chǎn)成本。塑件的壁厚應(yīng)盡量均勻一致,避免局部太厚或太薄,尤其是壁與壁連接處的厚薄不應(yīng)相差太大,并且應(yīng)盡量用圓弧過(guò)渡,否則會(huì)造成因收縮不均而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,或在厚壁處產(chǎn)生縮孔、氣泡或凹陷等缺陷。如圖6-13所示,合理的壁厚應(yīng)設(shè)計(jì)