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第1章塑料概论
本章要点:
塑料组成及分类、塑料材料的使用性能、塑料成型工艺特性、塑料成型原理
一、塑料组成及分类
(一)塑料组成
塑料是以高分子合成树脂为主要成分,大多含有添加剂、且在加工过程中能流动成型的材料。
塑料的组成成分及其作用如下:
1、合成树脂
决定塑料的类型和基本性能。
成型时,将塑料的其它成分粘合在一起。
2、填充剂
增量和改性作用。
填料按其形状有粉状、纤维状和片状。
粉状填料有木粉、滑石粉、石墨、金属粉等;纤维状填料有玻璃纤维、石棉纤维、碳纤维等;片状填料有玻璃布、石棉布等。
3、增塑剂:
改善塑料的可塑性和柔软性。
常用的增塑剂有邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、癸二酸二丁酯、癸二酸二辛酯、磷酸三苯酯等。
4、着色剂
美观和装饰作用。
改善塑件的耐候性,即提高抗紫外线能力。
着色剂包括无机颜料、有机颜料和染料三大部分。
5、稳定剂
稳定剂是指能阻缓材料变质的物质。
常用的稳定剂有水杨酸苯酯、三盐基性硫酸铅、硬脂酸钡等。
6、润滑剂
改进塑料熔体的流动性。
减少塑料对设备和模具的摩擦。
改进塑件表面质量。
常用的润滑剂有石蜡、硬脂酸等。
(二)塑料的分类
塑料的品种繁多,按其加工性能不同可分为热塑性塑料和热固性塑料。
热塑性塑料是指合成树脂都是线形或支链型高聚物,在特定温度范围内能反复加热和冷却硬化的塑料。
热固性塑料的合成树脂加热前是线形结构,加热初期具有可熔性和可塑性,但加热到一定温度后,分子呈现网状结构并硬化定型,不再可熔和可塑。
常用的热塑性塑料和热固性塑料见表2-1。
常用塑料名称及代号
二、塑料材料的使用性能
1、聚乙烯
聚乙烯树脂为白色半透明粒料,手触似蜡。
聚乙烯普遍具有优异的电绝缘性能,常用作高频电绝缘材料。
能耐大多数无机酸、碱、盐的侵蚀。
使用温度不超过100°。
低密度聚乙烯(LDPE)广泛用于生产薄膜、管材等。
高密度聚乙烯(HDPE)广泛用于生产各种瓶、罐、盆、桶、鱼网、捆扎带及管材、异型材等产品。
2、聚丙烯
聚丙烯树脂为无色透明和有一定光泽的刚性粒料,比水轻。
具有优异的抗疲劳弯曲性能,常温下可经受300万次的弯折。
在120°下可长时间使用。
最大缺点是耐老化性能差
广泛用于食品容器、厨房用品、医疗器具、瓶盖、框体、洗衣机面板、高档玩具、具有铰链结构的盒体等。
它的薄膜产品主要用作包装袋、捆扎带、编织带和绳索等。
3、聚苯乙烯
通用型的聚苯乙烯树脂是无色透明玻璃状粒料。
易燃,离开火源后继续燃烧,有浓烟。
透明度达88%~92%,仅次于有机玻璃(PMMA),
优异的着色性能。
连续的使用温度为60°~80°
制品具有较大的脆性,易受冲击而开裂,制品表面受摩擦而起刮痕。
广泛用于家用器皿、玩具、生活和文教用品,家电、轻工仪表的壳体、灯罩、圆珠笔杆等。
发泡型的聚苯乙烯塑料用于防震、隔音材料及电冰箱衬里等。
4、AS树脂
AS树脂是以聚苯乙烯为主要成分,与丙烯晴共聚而成的,透明而稍带黄色,通常使用的是呈现微蓝的透明色,透明度达90%。
在机械强度、耐热性、耐油性、耐化学腐蚀性能等方面优于通用型的聚苯乙烯树脂。
广泛用于家电、汽车零件、照明器材、文教用品。
它还经常与ABS树脂掺合使用。
5、聚氯乙烯
聚氯乙烯树脂为白色粉末,形同面粉,燃烧时发出刺激性气味,离火自动熄灭。
根据加入的增塑剂的量不同分为硬聚氯乙烯塑料和软聚氯乙烯塑料。
硬聚氯乙烯塑料主要用于制造板、片、管、棒、各种型材等挤出成型产品,以及弯头、三通阀、泵、电线槽板等注射成型产品。
软聚氯乙烯塑料主要用于生产薄膜、人造革、电线电缆绝缘层、输液管及包扎带等产品。
6、聚甲基丙烯酸甲酯
聚甲基丙烯酸甲酯树脂为无色透明颗粒,俗称有机玻璃。
高度的透明洁净和优异的透光性能。
该材料抗冲击、耐震性好,并具有良好的电绝缘性、着色性、耐气候性和二次加工性。
广泛用于汽车、摩托车的安全玻璃、仪表罩以及工艺美术品、文教用品、假牙等领域。
7、ABS
ABS树脂呈微黄色或白色不透明颗粒料,无毒无味;是丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物。
ABS树脂具有突出的力学性能和良好的综合性能,ABS塑料的表面可以电镀。
但它的使用温度不高,不超过80°。
广泛用于制造汽车内饰件、电器外壳、手机、电话机壳、旋钮、仪表盘、容器等,也可生产板材、管材等产品。
8、聚酰胺
聚酰胺的国外商品名为尼龙,是淡黄色透明或半透明颗粒
尼龙是一类塑料的总称,较常用的有尼龙6、尼龙66、尼龙1010等。
优异的耐磨性和自润滑性能,它的耐磨性高于铜。
很高的机械强度和韧性,耐弱碱和一般的有机溶剂,使用温度一般在-40°~+100°。
吸水性较大,影响尺寸的稳定性。
尼龙树脂中还经常加入玻璃纤维填料提高抗冲击强度。
广泛用于仪表零件(线圈骨架、开关、接插件、垫圈、外壳)、机械零件(齿轮、轴承、凸轮、衬套)等。
9、聚甲醛
聚甲醛树脂为白色粉末,经造粒后为白色或淡黄色半透明有光泽的硬粒。
具有优异的机械性能,特别是弹性模量高,回弹性很好,冲击强度和耐疲劳强度十分突出。
耐磨性和自润滑性能优异,仅次于尼龙。
电气绝缘性能、尺寸稳定性好。
不足之处是它的热稳定性差,加热时易分解,易燃,紫外线作用易老化。
广泛用于精密齿轮、轴承、凸轮、轴套、等家电产品内部的传动部件及汽车零件、塑料拉链和薄壁制品等。
10、聚碳酸酯
聚碳酸酯树脂为无色透明颗粒料,无毒无味。
卓越的冲击强度、耐蠕变性。
较高的耐热性、耐寒性(-100°~140°)。
透明度较好,可见光的透过率达90%以上。
拉伸强度、弯曲强度、刚性及电气绝缘性能也很突出。
不足之处是它的疲劳强度低,塑件易产生内应力而开裂,塑件的耐磨性较差。
广泛用于制造齿轮、轴承等机械零件,接线板、骨架等电子仪器仪表零件以及沙管等纺织器材。
11、聚苯醚
白色或微黄色固体颗粒。
适合于制造耐高温、防火工程产品,广泛用于电子电器、机械、汽车工业部件。
12、聚砜
白色细粉丝状晶体,造粒后为琥珀色的透明颗粒料,也有是象牙色的不透明颗粒。
主要用来制造尺寸精度、热稳定性、刚性要求高的电子电讯零件,如天线罩、齿轮、骨架等及汽车工业部件,还可以代替金属和玻璃用于宇宙航天、人造卫星、飞机等各个方面。
13、聚对苯二甲酸类树脂
包括聚对苯二甲酸乙二(醇)酯(PET)和聚对苯二甲酸丁二(醇)酯(PBT)。
PET广泛用于生产中空容器,被人们称为“聚酯瓶”。
还可用来制造胶卷筒、胶带等
PBT主要用于耐热电器产品的壳体。
14、酚醛塑料
纯净的酚醛树脂单独几乎没有使用价值,而以酚醛树脂为基础加入填料制成的各种酚醛塑料种类很多,应用十分广泛。
酚醛压缩粉:
俗称电木粉,用于制造普通的电绝缘零件。
如电器开关、仪表外壳、旋钮等。
纤维状酚醛塑料用于制造骨架、开关、凸轮等。
石棉纤维填充的酚醛塑料有卓越的耐热性和耐化学腐蚀性和耐磨性。
用于制造摩擦垫片,制动块等。
层状酚醛塑料:
在片状填料上浸渍酚醛树脂溶液制得的塑料,可以制造层压板、卷绕制品等。
例如玻璃布层塑料可以用作地下输油管道的外保护层。
15、氨基塑料
脲甲醛塑料(UF):
俗称电玉粉,用来制造电子绝缘零件。
如插座、开关、旋钮等,它还可作为木材的粘结剂,制造胶合板。
三聚氰胺甲醛塑料(MF):
它目前是塑料餐具和桌面装饰层压塑料板的主要材料,也广泛用于制造电子绝缘零件。
16、环氧树脂
品种多,产量大
最突出的优点是粘结能力很强,耐酸、碱和有机溶剂,比酚醛树脂具有更高的机械强度,耐热性也高。
其制品包括电气开关装置、仪表盘、印刷电路板、耐压容器等。
还广泛用于无线电元件的密封、绝缘、浇铸、防腐涂层和油漆涂料。
三、塑料成型工艺特性
塑料原料加工成为产品的过程中会表现出一系列特性,这些特性与塑料的品种、成型方法和条件、模具结构等密切相关,掌握它有利于我们合理的选择成型工艺条件和设计模具,达到控制产品质量的目的。
收缩性、流动性、结晶性、吸湿性、热敏性、应力开裂
(一)收缩性
塑件从模具中取出冷却至室温后尺寸发生变化的特性称为收缩性。
线尺寸收缩:
它主要是由于塑料的热胀冷缩引起,收缩的程度主要决定于塑料的品种和模具的温度。
收缩方向性:
塑料成型时,其分子会沿一定的方向流动和排列,使塑件出现各项异性。
其结果使塑件发生翘曲、变形、裂纹,收缩方向性与模具的结构密切相关。
后收缩:
在成型过程中,受到各种成型因素的影响,塑件内存在残余应力,塑件脱模后,残余应力发生变化,使塑件发生再收缩。
后处理收缩:
在成型后需进行热处理,热处理后塑件的尺寸也会发生收缩。
衡量塑件收缩程度大小的参数称为收缩率。
影响成型时收缩率波动的因素:
塑料品种、成型压力、熔体温度、模具温度、保压时间、模具浇口尺寸
(二)流动性
塑料在一定温度和压力下填充型腔的能力称为流动性。
流动性好:
尼龙、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯;
流动性中等:
ABS、AS、有机玻璃、聚甲醛、PET、PBT;
流动性差:
硬聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜。
影响流动性的因素:
塑料品种、模具结构、成型工艺。
(三)结晶性
塑料的结晶是指塑料由熔融状态到冷凝的过程中,分子发生有规则排列的现象。
结晶型塑料是不透明或半透明的,非结晶型塑料是透明的。
例外:
如ABS是非结晶型塑料但不透明。
结晶型塑料成型加工时应注意以下方面:
熔化时需要的热量多,设备的塑化能力要强。
冷凝时放出的热量大,模具要加强冷却。
成型收缩大,容易出现方向性收缩,应注意选择浇口位置、数量和工艺条件。
(四)吸湿性、热敏性
塑料中的水份在高温下变成气泡存在于塑件中或引起塑件内应力使塑件变形、表面质量差或机械强度下降。
吸湿性塑料有聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜、有机玻璃、尼龙、ABS、酚醛塑料、氨基塑料等,
不吸湿性塑料有聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚甲醛等。
有些塑料对热比较敏感,在料温高和受热时间长的情况下就会产生变色、甚至分解,这种特性叫热敏性。
热敏性塑料在成型时应严格控制料温和成型周期,也可在塑料中加入热稳定剂。
如硬聚氯乙烯、聚甲醛等。
(五)应力开裂
有些塑料在成型时易产生内应力,塑件在外力或溶剂作用下会发生开裂现象。
对塑料进行干燥,合理选择成型条件,正确设计塑件结构和模具结构,对塑件进行后处理等都有利于减少或消除内应力。
塑料的成型工艺特性见表1-2
表1-2塑料的成型工艺特性
■聚乙烯
1.流动性好,溢边值0.02mm,收缩大、容易发生歪、翘、斜等变形。
2. 需要冷却时间长,成型效率不太高。
3. 模具温度对收缩率影响很大,缺乏稳定性
4. 塑件上有浅侧凹,也能强行脱模。
■聚丙烯
1. 流动性好,溢边值0.03mm。
2. 容易发生翘曲变形,塑件应避免尖角、缺口。
3. 模具温度对收缩率影响大,冷却时间长。
4.尺寸稳定性好。
■聚苯乙烯
1.流动性好,溢边值0.03mm。
2.塑件易产生内应力,顶出力应均匀,塑件需要后处理。
3.宜用高料温、高模温、低注射压力成型。
■聚氯乙烯
1.热稳定性差,应严格控制塑料成型温度。
2.流动性差,模具流道的阻力应小。
3.塑料对模具有腐蚀作用,模具成型表面应进行处理(镀铬)。
■PMMA
1.流动性中等偏差,宜用高注射压力成型。
2.不要混入影响透明度的异物和防止树脂分解,要控制料温、模温。
3.模具流道的阻力应小,塑件尽可能有大的脱模斜度。
■ABS
1.吸湿性强、原料要干燥。
2.流动性中等,宜用高料温、高模温、高注射压力成型。
溢边值0.04mm。
3. 尺寸稳定性好。
4. 塑件尽可能有大的脱模斜度。
■AS
1.流动性好,成型效率高。
2.成型部位容易产生裂纹,模具应选择适当的脱模方式,塑件应避免侧凹结构。
3.不易产生溢料。
■尼龙
1.吸湿性强、原料要干燥。
2.流动性好,溢边值0.02mm。
3.收缩大,要控制料温、模温,特别注意控制喷嘴温度。
4.在型腔和主流道上易出现粘模现象。
■聚甲醛
1.热稳定性差,应严格控制塑料成型温度。
2.流动性中等,流动性对压力敏感,溢边值0.04mm。
3.模具要加热,要控制模温。
■聚碳酸酯
1.熔融温度高,需要高料温、高注射压力成型。
2.塑件易产生内应力,原料要干燥,顶出力应均匀,塑件需要后处理。
3.流动性差,模具流道的阻力应小,模具要加热。
■聚苯醚
1.流动性差,对温度敏感,凝固速度快,成型收缩小。
2.宜用高速、高注射压力成型。
3.模具流道的阻力应小,模具要加热,要控制模温。
■聚砜
1.流动性差,对温度敏感,凝固速度快,成型收缩小。
2.成型温度高,宜用高注射压力成型。
3.模具流道的阻力应小,模具要加热,要控制模温。
■酚醛塑料
1.适用于压塑成型,部分适用于传递成型,个别适用于注射成型。
2.原料应预热、排气。
3.模温对流动性影响大,160°C时流动性迅速下降。
4.硬化速度慢,硬化时放出热量大。
■氨基塑料
1.适用于压塑成型、传递成型。
2.原料应预热、排气。
3.模温对流动性影响大,要严格控制温度。
4.硬化速度快,装料、合模和加压速度要快。
■环氧树脂
1.适用于浇注成型、传递成型、封装电子元件。
2.流动性好,收缩小。
3.硬化速度快,装料、合模和加压速度要快。
4.原料应预热,一般不需排气。
四、塑料成型原理
塑料模塑成型的方法很多,它主要包括注射成型、压塑成型、挤塑成型、挤出成型、吹塑成型等方法。
下面介绍几种主要的模塑成型方法的原理。
(一)注射成型
注射成型制品约占塑料制品总量的20%~30%。
该方法适用于全部热塑性塑料和部分热固性塑料,其成型周期短,花色品种多,制品尺寸准确,产品易更新换代,生产可自动化、高速化,具有极高的经济效益。
注射成型三要素:
注射成型机、注射模具、塑料原料
演示各种成型工艺过程动画
简介移动螺杆式注射机结构示意图:
1-机座;2-电动机及油泵;3-注射油缸;4-齿轮箱;5-齿轮传动电动机;6-料斗;7-螺杆;8-加热器;9-料筒;10-喷嘴;11-定模板;12-模具;13-动模板;14-锁模机构;15-锁模油缸;16-螺杆传动齿轮;17-螺杆花键槽;18-油箱
注射成型的工艺过程:
先将塑料原料经过料斗加入注射机料筒内,由于料筒外面有电热圈加热而使塑料熔融,在注射机螺杆旋转推进的高压下熔融塑料受到剪切和挤压,进一步“塑化”成为具有良好的流动性与可塑性的塑料流体,然后在螺杆的推动下经喷嘴进入模具型腔,塑料流体充满模腔后,继续在高压下于模腔中冷却、固化、定型,最后,撤掉高压,打开模具,取出塑件。
预塑阶段:
螺杆开始旋转,将后端从料斗来的塑料向螺杆前端输送,塑料在高温和剪切力的作用下塑化均匀并逐步聚集在料筒的前部,当熔融塑料越积越多时,压力越来越大,最后克服螺杆背压将螺杆逐步往后推,当料筒前部的塑料达到所需的注射量时,螺杆停止后退和转动,预塑阶段结束。
注射阶段:
螺杆在注射油缸的作用下向前移动,将储存在料筒前部的塑料以多级速度和压力向前推压,经过流道和浇口注入已闭合的模具型腔中。
冷却定型阶段:
塑料在模具型腔中经过保压,防止塑料倒流直到塑料固化,型腔中压力消失,一个生产周期中,冷却定型时间占的比例最大。
(二)压塑成型
压塑成型是将粉状、颗粒状或纤维状物料放入成型温度下的模具型腔中,然后闭模加压,而使其成型并固化的方法。
适用于热固性塑料和热塑性塑料,但主要用于热固性塑料。
压塑成型三要素:
液压机、压塑模、塑料原料。
压塑成型工艺过程:
将预热、预压的塑料原料定量地加入已预热的凹模内,然后合模,置于压机上加压加热。
塑料在型腔内受热受压,熔融塑化向型腔各部位充填,多余部分从分型面溢出成为飞边。
经一定时间的化学反应,塑料充分固化,成为制件,卸压开模后取出制品。
压塑模具示意图:
1-上凸模;2-下凸模;3-凹模;4-顶杆;5-下压板;6-制件
典型的液压机结构:
1-工作油缸;2-上横梁;3-活动横梁;4-立柱;5-下横梁;6-顶出缸
(三)吹塑成型
吹塑成型包括两大类,一类是吹塑薄膜,另一类是吹塑中空制品。
用做吹塑薄膜的塑料有PVC、PE、PP、PS、PA等多种热塑性塑料。
用做吹塑中空制品的塑料有PE、PP、PVC、PC、PET、PBT等。
吹塑薄膜的工艺过程:
如图1-5所示,由挤出机塑化好的物料经环状口模成圆筒状被挤出,再在膜管中鼓入定量的压缩空气,使之横向吹胀,经过冷却的膜管被导入牵引辊迭成双折薄膜,以恒定的速度进入卷取装置而得到制品。
1-管坯挤出,2-吹气膨胀;3-冷却牵引;4-切断;5-辊圈
中空制品的工艺过程:
中空制品的工艺随方法不同而异,分为挤出吹塑和注射吹塑两种。
挤出吹塑是由挤出机挤出管状型坯,而后趁热将型坯放入打开的瓣合模内,夹紧并通入压缩空气进行吹胀以使其达到模腔形状,在保持一定时间、压力的情况下经冷却定型后,打开模具取出制品。
注射吹塑是由注射机将熔融物料注入注射模内形成管坯,开模后管坯留在芯模上,而后趁热将型坯放入打开的瓣合模内并夹紧,从芯模原设通道引入压缩空气,使型坯吹胀,达到模腔形状,在保持一定时间、压力的情况下经冷却定型后,打开模具取出制品。
图1-6挤出吹塑工艺过程
图1-7注塑吹塑工艺过程
五、本章小结
1、塑料是以高分子合成树脂为主要成分的,合成树脂决定塑料的基本性能。
熟练掌握其性能,对于开发新产品是十分重要的。
2、塑料在成型加工中表现出的特点直接影响产品质量,正确理解其成型加工中表现出的收缩性、流动性等特点,对控制产品质量和设计模具都十分关键。
3、注射成型、压塑成型、挤塑成型、挤出成型、吹塑成型等是常见的加工方法。
了解其成型原理对合理设计模具十分重要。
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