浅析塑胶原料选择

塑胶原料选择一 塑料选材的一般程序塑料也像金属一样，种类繁多，虽然已工业化的主要类别只有五十多种，但每类又有许多品级。如尼龙塑料则包括尼龙3、尼龙4、尼龙6、尼龙46、尼龙66、尼龙7、尼龙8、尼龙9、尼龙610、尼龙1010、尼龙11、尼龙12、尼龙13、尼龙612，尼龙9T，尼龙13，MC尼龙，尼龙MXD6 尼龙等品种。每一品种还可以通过改性，例如加入填料或增强材料和其它辅助材料，或通过共混制成合金；或通过加工工艺如定向拉伸、结晶、发泡等来获得新的性能，以满足使用要求。 塑料的品种既然是如此繁多，它们的性能又具可变性，因此，塑料应用的选材常常要从塑料中许多性能的综合平衡来考虑(包括工艺与成本)，而且某些性能数据如磨损性、冲击性尚不能完全预测其使用性，有时又缺乏准确可靠的设计公式，因此，大多数塑料的选材过程是比较复杂的。为了能选择出性能和加工工艺均符合使用要求的、又尽量能恰如其分地量材使用的品种就要求采用系统、综合的分析方法来选材。 一个完整的设计过程，应从构思、草图开始。选材在设计过程中是个关键步骤，对于指定部件的选材，最主要的是考虑部件的功能和决定部件功能的有关材料性能，同时还要考虑诸如部件的特点和禁忌、使用时的外界条件、临界条件、使用寿命和使用方式、维修方法、制品尺寸和尺寸精度、成型加工工艺、生产数量、生产速度、成本、原料来源和经济效益等等。这些因素包括两方面，一方面是使用环境介质和环境条件，如构件承受的负荷和自重，冲击和振动等机械作用的影响；接触的气体、液体、固体及化学药品；曝露的大气环境 (气温、湿度、降雨、阳光、冰雪以及有害气体等)的影响；贮存环境条件和长期贮存的的影响；此外，除静态破坏影响外，还要考虑摩擦升温、蠕变、成型收缩等引起的变形、应力松弛以及反复应变而引起的疲劳，高应变率引起的力学性能变化等等。另一方面是搬运、勤务处理或操作时，制品可能遭到外力作用，甚至是意外的外力作用的影响。充分考虑这些因素才能明确所要求的综合性能。 了解生产数量是为了从经济上考虑恰当的成型加工方法。比如所需数量是几个至几十个，就不必要制造模具，可直接用板材或棒材加工；需要数量是几百个左右时，可酌情采用简易模具或树脂-金属模、低熔点合金模等；当需要量更多时则应采用正规的模具成型。比如，设计的部件要急于使用，则考虑材料货源是主要的；如要设计宇航零件，则性能因素是最重要的；如设计通用产品，则应综合考虑性能和成本。下面列举一个典型的选材程序： (1)零部件的构思：进行初步的功能设计，即部件的形状及其功能元件的形状，并考虑选择基本加工方法。 (2)选材：根据在应力下与使用性能相关的塑料的工程性能和加工性来筛选候选材料，这些应力是部件工作时施加在制品上的。 (3)初步分析设计：利用工程设计性能计算壁厚和零件的其它尺寸。并根据塑料的特点进行制品设计和模具设计。 (4)试制样品：在部件实际使用条件下或模拟零部件的使用条件下进行考验、考核。 (5)重新设计和重新试验：当发现性能不能满足使用要求时，要重新筛选材料或重新设计并试验。 (6)根据试制样品的试验情况和加工零部件的成本，确定最终设计和选材。 (7)确定材料的技术规格和检验方法。 有时上列步骤可以缩短，尤其是在零部件要求简单，或新零件与旧零件的差别很小的时候。然而，有时选材步骤更为复杂，特别是在开发新应用时，或在塑料所承受的应力很复杂的情况下，系统、综合的分析法不仅是可靠的成功办法，而且是节省开发费用的途径二、塑料一般选材设计者绘出零件图后，要对零部件列出使用条件和重要选材因素、然后合理地选材。括以下三个步骤： (1)跟据应用目的，列出部件的全部功能要求(并不是材料的性能)，并尽可能定量化。例如： 在额定的连续载荷下允许的最大变形量； 使用和运输过程中所受的应力种类和大小；是否长期受力，是动态或是静态应力； 最高工作温度； 在工作温度下允许的尺寸变化； 零部件允许的尺寸公差； 零部件的使用性能要求； 部件是否要求着色、粘接、电镀等； 要求贮存期多长，是否在户外使用； 有无耐燃性要求，等等。 (2)根据部件的功能要求，考虑使用性能数值(工程性能)和设计数据，提出目标材料(部件材料)的性能数值，并通过这些性能要求来选定材料，即使这些性能估计是粗略的，也会大大方便候选材料的筛选，为最终材料的选定提供有益的依据。 选择恰当材料性能是很关键而又复杂的，因为零部件的某一功能常常包含几种性能，例如在尺寸稳定性的要求中除尺寸精度外，还要考虑线胀系数、模塑收缩率、吸水性、蠕变性等等。零件的强度和刚度，除了从材料性能上考虑以外，还要从制品结构设计上(如厚度和加强筋等)加以考虑。材料的成型工艺性、耐久性、经济性等也都是选材时应考虑的因素。有时候，某些使用要求不一定能明确对材料性能的定量要求，如电镀性往往要通过实际试验或已有的经验来筛选。又如塑料炮弹弹带，要求材料经受高速冲击、压缩、扭拧、剪切等复杂的外力作用和高速高温高压气流的影响，很难直接提出材料的定量性能要求，因此，除了通过力学计算外，还可通过模拟试验和探索试验来推算受力情况，提出粗略的性能要求。 (3)最后通过部件工程性能要求与材料性能的比较来确定候选材料。 选择塑料时应注意下面几个问题： 必须对选用塑料的性能有较全面的了解，然后根据使用条件去考虑配方、工艺和制品设计等。 塑料一般导热性低，选用和设计时要充分注意。 塑料的线胀系数一般比金属大，有的易吸水，因此尺寸变化较大，选用和设计时要考虑恰当的配合间隙和公差范围。 有的塑料有应力开裂的倾向，选用和设计时要尽量减少应力，制品设计要避免应力集中，或作适当的后处理，并要严格控制加工工艺。 有的塑料有蠕变和后收缩或变形的倾向，选用和设计时应充分注意。 各种塑料有-一定的使用强度范围和允许接触的介质以及能承受的压力和速度极限，选用和设计时应该考虑设计者绘出零件图后，要对零部件列出使用条件和重要选材因素、然后合理地选材。括以下三个步骤： (1)跟据应用目的，列出部件的全部功能要求(并不是材料的性能)，并尽可能定量化。例如： 在额定的连续载荷下允许的最大变形量； 使用和运输过程中所受的应力种类和大小；是否长期受力，是动态或是静态应力； 最高工作温度； 在工作温度下允许的尺寸变化； 零部件允许的尺寸公差； 零部件的使用性能要求； 部件是否要求着色、粘接、电镀等； 要求贮存期多长，是否在户外使用； 有无耐燃性要求，等等。 (2)根据部件的功能要求，考虑使用性能数值(工程性能)和设计数据，提出目标材料(部件材料)的性能数值，并通过这些性能要求来选定材料，即使这些性能估计是粗略的，也会大大方便候选材料的筛选，为最终材料的选定提供有益的依据。 选择恰当材料性能是很关键而又复杂的，因为零部件的某一功能常常包含几种性能，例如在尺寸稳定性的要求中除尺寸精度外，还要考虑线胀系数、模塑收缩率、吸水性、蠕变性等等。零件的强度和刚度，除了从材料性能上考虑以外，还要从制品结构设计上(如厚度和加强筋等)加以考虑。材料的成型工艺性、耐久性、经济性等也都是选材时应考虑的因素。有时候，某些使用要求不一定能明确对材料性能的定量要求，如电镀性往往要通过实际试验或已有的经验来筛选。又如塑料炮弹弹带，要求材料经受高速冲击、压缩、扭拧、剪切等复杂的外力作用和高速高温高压气流的影响，很难直接提出材料的定量性能要求，因此，除了通过力学计算外，还可通过模拟试验和探索试验来推算受力情况，提出粗略的性能要求。 (3)最后通过部件工程性能要求与材料性能的比较来确定候选材料。 选择塑料时应注意下面几个问题： 必须对选用塑料的性能有较全面的了解，然后根据使用条件去考虑配方、工艺和制品设计等。 塑料一般导热性低，选用和设计时要充分注意。 塑料的线胀系数一般比金属大，有的易吸水，因此尺寸变化较大，选用和设计时要考虑恰当的配合间隙和公差范围。 有的塑料有应力开裂的倾向，选用和设计时要尽量减少应力，制品设计要避免应力集中，或作适当的后处理，并要严格控制加工工艺。 有的塑料有蠕变和后收缩或变形的倾向，选用和设计时应充分注意。 各种塑料有-一定的使用强度范围和允许接触的介质以及能承受的压力和速度极限，选用和设计时应该考虑。三、塑料选材的途径着手选材，可以先进行初选，然后综合评价后进行试验。初选可通过两个途径，一是根据制品用途选材；二是根据制品要求性能选材（利用材料性能表和性能等级分类等）；同时还要考虑经济成本和安全卫生等因素。 下面就以一些已工业化的塑料为对象，列举几种简易的选材方法。 1、根据用途选材 用途主要是指制品应用域的归类，此外还包括制品的使用环境、受力类型和作用方式、使用对象等等要素。 (1)使用环境 所谓使用环境是指材料或制品使用时经受周围环境的温度、湿度、介质等，特别是温度和湿度的条件。根据用途的不同，温度条件可由南北极的低温到赤道或沙漠地区的炎热气温，或者是宇航环境的高低温，甚至在火灾时的高温等；湿度条件从在水中长期或间歇浸泡与露天雨淋到冬天的干燥状态(30RH)；有的制品是在特殊气体中使用或者用于接触化学液体或溶液的场合；此外，自然曝露状态下除了风、雨、雾等影响外还受太阳光的曝晒等等。因此，必须考虑待用塑料对使用环境的适应能力。 (2)制品的受力类型和作用方式 根据制品的受力类型和受力状态及其对材料产生的应变来筛选能满足使用要求的材料是很必要的。也就是说，要考虑上述各种环境下的外力作用是拉伸、压缩、弯曲、扭曲、剪切、冲击或摩擦，或是几种力的组合作用。此外，还要考虑外力的作用方式是快速的 (短暂)或是恒应力或恒应变的，是反复应力还是渐增应力等等。 用于冲击负荷场合的制品，应选择冲击强度高的；用于恒定应力的场合而且必须防止变形时，应选择蠕变小的材料；用于反应力作用的场合应选择疲劳强度比较高的材料； (3)使用对象 使用对象是指使用塑料制品的国别、地区、民族和具体使用者的范围。例如。国家不同，其标准规格也不同。如美国的电气部件用的塑料，为保证其对热和电气的安全性，要求必须符合UL规格。另外，对色彩和图案及形状的要求也会因国家、民族的习惯和爱好而不同，应选择合适的色彩和形状。使用者不同，如儿童、老年、妇女用品也各有不同的要求在工业上使用也要考虑使用对象，而选择不同的材料。 (4)按用途进行分类。 按用途分类的方法有多种，有的按应用领域分类。如汽车运输工业用的，家用电气设备用的，机械工业用的，建筑材料用的，宇航和航空用的等等；有的，按应用功能分类。如结构材料(外壳、容器等)，低摩擦擦材料(轴承、滑杆、阀衬等)，受力机械零件材料。耐热、耐腐蚀材料(化工设备、耐热设备和火箭导弹用材料)，电绝缘材料(电气结构制品)、透光材料。表中列出一些机械部件采用工程盟栀料的情况。当有几种材料同属一类用途时，应根据其使用特点和材料性能进一步比较和筛选。最好选择2-3种进行试验比较。比如说外壳这类用途就包括动态外壳，静态外壳，绝缘外壳等，因此要求使用不同特性的塑料。动态外壳是经常受到剧烈震动或轻微撞击的容器，要求材料除有刚性和尺寸稳定性外，还要有较好的冲击强度。在室内应用时可采用ABS塑料，在户外使用的应考虑耐老化性能好的材料。如AAS(丙烯睛-丙烯酸酯-苯乙烯共聚物)或MAAS，或用酚醛、环氧或聚的玻璃钢等。静态外壳是用在不活动或少活动的部位，如仪表壳、收音机和电视机外壳等。要求形状和尺寸稳定、美观，一般可采用高冲击强度聚苯乙烯、ABS、聚丙烯等；如要求透明则可采用乙酸丁酸纤维素、聚甲基丙烯酸酯或聚碳酸酯。至于绝缘外壳，除要求绝缘外，有的还要求有高的机械强度和冲击强度，如电动机罩、电动机械外壳等，则可采用玻璃纤维增强聚碳酸酯，玻璃纤维增强聚对苯二甲酸丁二酯(PBTP)或热固性树脂的玻璃钢等。按塑料应用范围选材 (1)制造容器、外壳、盖、导管的塑料 。 这类制品一般不要求承载很大负荷，但要求有良好甚至优良的冲击强度和硬度、良好的或适中的拉伸强度和尺寸稳定性，以及良好的外观和耐环境性，并要求材料的价格适中。对另有特殊性能要求的应专门考虑。如果采用金属制造时，一般是采用钢板、型钢、铸铝或冲切铝、轻合金或压铸金属。这些材料强度较高，刚硬度也好。但是，当遇到下列情况和要求时，采用塑料更为合适。 a必须防止共振而且要求传声小； b要求有一定的弹性变形以防止由于偶然碰撞而引起的凹痕； c制品形状复杂，用金属加工工艺生产有困难； d制品不希望后加工； e.要求制品整体电绝缘(或部分绝缘)和绝热，或整体着色或要求透明、半透明; f.要求耐腐蚀和耐湿气，不生锈; 考虑以上的特点、比较适宜的材料见表(待补充)所示。有时，一种材料不能满足要求，往往需要塑料和其它材料复合，例如需要控制蠕变或挠曲变形或特别耐磨耗时，可把带螺纹的金属嵌件嵌入塑料件中，如果要求结构壳体能经受碰撞和粗用时，可考虑采用金属和塑料的复合板或在金属表面上复合塑料。 (2)低摩擦应用方面的塑料 这类应用要求的材料需具有低的摩擦系数甚至无润滑时摩擦系数也低，耐磨蚀性好，并具有适中至良好的形稳性、耐热性和耐腐蚀性。以往采用铜锑锡合金、青铜、铸铁、预润滑的木材、石墨等。但是，当遇到下列情况和要求时，采用塑料更为合适。 a有腐蚀或磨耗； b加工时，润滑剂会污染产品； c组件必须在高于或低于普通润滑剂的适用温度下工作； d要求无保养操作； e用塑料可避免复杂的润滑体系； f迫切要求减重时； g. 要求电绝缘； h. 要求减弱声响、噪音； I. 要求尽量减少擦伤和刻痕； j体系高负荷、低速运行会挤出普通润滑剂; k. 滑粘性不适宜时。 根据上述要求，作为轴承减摩零件的合适塑料见表(待补充)所示。但是，当工作温度长期超过260或有很大的径向负荷、止推负荷时，或是需要连续高速运转，以及长期时间内要求轴的偏斜极小或要求轴的磨损先于轴承的磨损时，应考虑用其它材料。有时(尤其是遇到下列情况)可考虑用塑料和其它材料组合，如：a需要尽快散发热量，b要求蠕变极小；c.仅用塑料不能承受太高负荷，等等。 (3)用作重应力机械零件的材料(如齿轮、凸轮、齿条、联轴节、辊子等) 这类应用要求材料的机械强度高、尤其要求具有高的弯曲、拉伸和冲击强度，在升高温度时仍具有良好的耐疲劳性和稳定性，机械加工性良好，尺寸稳定、能模塑成型精密公差 制品。以往是采用铸铁、钢、黄铜等，但是，当遇到下列情况和要求时，考虑用塑料更为合适。 a迫切要求减重; b使用环境砂尘多，有磨蚀和腐蚀; c尽量减小声响或振动； d希望有综合效能。 根据上述要求，比较合适的塑料见表(有待补充)所示。但是，如果要求承受重负荷、工作温度高、以及迫切要求降低材料成本时。应考虑用其它材料。如果要求高耐冲击、耐弯曲而且要求成本低时，可以考虑采用塑料与其它材料(如金属)组成的结构复合材料。 (4)用作化工设备的塑料和耐热塑料 这类应用要求材料耐化学腐蚀、吸湿性小有的还要求耐高低温，具有一般到良好的机械强度。以往是采用不锈钢、钦、铌、和其它贵金属。但是当遇到下列情况和要求时，可考虑用塑料更为合适。 a特别要求耐腐蚀，而不锈钢又不能满足要求； b. 要求既耐腐蚀又耐磨损； c迫切要求降低成本或延长化工设备的使用寿命； d要求减少保养，便于维修； e要求绝热，隔热以及耐瞬时高温或烧蚀(为了选材方便，也可将耐热塑料另分一类) 根据上述的要求，比较合适的塑料见表(有待补充)。此外，还有不饱和聚酯玻璃钢用于大型手糊制品；酚醛或改性酚醛塑料用于耐高温、耐烧蚀、或既耐热又要求具有较高强度的制品。但是，如果要求的机械强度不高，工作温度长期超过290，而且在高低温变动范围很宽的情况下要求尺寸稳定性良好时，应考虑新型复合材料或用其它材料。如果工作条件要求强度很高，而且要有极好的耐腐蚀性，或者要求在升高温度下极耐腐蚀，或者需要借助塑料在高温下慢慢烧蚀来保护金属免受损坏，则可考虑用塑料和其它材料组成的复合材料( 如石墨、耐热树脂与填料或石棉、碳纤、Si02纤维等组成的复合材料)。 (5)用作电气结构零件的塑料 这类应用要求材料在低至中频下电绝缘性优良，具有高的强度和抗冲击性能，良好的耐疲劳性和耐热性，在升高温度情况下，尺寸稳定性良好。以往是用陶瓷、玻璃或云母，但是，当遇到下列情况和要求时，考虑用塑料更为合适。 a有冲击负荷； b迫切要求减重； c尺寸精度要求较严格，陶瓷、玻璃等无机绝缘材料加工达不到要求时； d要求制造形状复杂的导体-绝缘体组合成整体的制品或零件(如印刷电路、集流环组件、灌封或封嵌件等)。 根据上述的要求，比较合适的塑料见表（待补充）此外，还有聚酯(PETP、PBTP)、氟塑料、聚苯醚、聚砜、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、酚醚树脂(xylok-新型酚醚树脂。聚对二甲苯也是较好的绝缘材料。作为一般绝缘材料还可采用聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯可用于制造一般电线电缆绝缘。其中聚碳酸酯用于要求高冲击强度的透明零件；浇铸环氧或模塑料可包封电子和电气元件。适用于要求对环境有最大抗耐能力的场合。组合电器组件的包封可以用有机硅橡胶和环氧组合封来获得更佳的性能；模塑的环氧用于在宽广的温度范围内要求尺寸稳定的零件；三聚氰胺甲醛塑料用于要求具有较大硬度的零件；有机硅聚合物用于要求耐高温的场合；氨基塑料用于要求价格低廉的场合；酚醛层压材料用于冲切和模冲零件等等。但是，如果工作温度极高，或压缩负荷很高时，应考虑用其它材料。 (6)用作透光零件、透明板和模型的塑料这类透明或带色的半透明材料要求透光性良好，具有良好至优良的二次成型性和成型加工性，不易碎(耐冲击)、并有一般至良好的拉伸强度。过去大多数采用玻璃，但是玻璃存在一些缺点，特别是不能满足下列使用要求： a.制品要求耐冲击、耐振动、不易击碎； b.要求具有一定的可弯的性； c.要求有更高的比强度； d材料必须是天然半透明而不应通过表面处理来达到半透明； e要求易于成型形状复杂的制品；等等。 根据上述的要求，比较合适的塑料见表(待补充)其中丙烯酸酯类塑料推荐作一般应用，特别适用于光学、装饰和室外应用。浇铸的丙烯酸酪板料，具有较高的强度和透明性，可制造中、低精度透镜，挤压成型用的丙烯酸酯塑料价格较低(尤其是制造薄的制品)，并且有较好的二次成型性；在透明塑料中聚碳酸酯具有最高的强度，可制作透明的面罩、防护眼镜或防护板。乙酸丁酸纤维素具有优良的耐冲击性，并可深延成型；透明聚氯乙烯具有最佳的二次成型性和印刷适应性；乙酸纤维素塑料可用作可弯曲的透明板和防护板；中等抗冲击的聚苯乙烯和硬质聚氯乙烯塑料是价格低廉的透明和半透明材料；聚苯乙烯可制作价格最低的模塑透明部件。烯丙基二甘醇酯树脂(CR-39)是目前光学上主要使用的热固性塑料，其透明性，耐磨性，抗冲击性及耐化学性都很好，采用表面镀膜或涂有机硅酮膜来提高其表面硬度和耐磨性，能连续耐100，短期内耐150。但尚有吸湿性较大等问题，目前主要用于制作镜片。但是，如果要求制品具有极好的耐化学性或者要求适应高的工作温度，或在工作条件下有磨损，在宽广的温度范围内要求有极好的尺寸稳定性，则应考虑对塑料进行表面处理或采用其它材料。随着新材料的不断出现，选材表也要不断补充修改，以利于提高制品质量、降低成本。如轴承、轴瓦等低摩擦材料，以前一直使用布基酚醛层压品，但近年来则采用尼龙和聚甲醛，要求摩擦系数更小和全耐热时可即含氛塑料粉末或纤维的聚甲醛或聚酰亚胺。根据要求的性能选材 聚合物材料在不同应用场合下，会经受各种外力和环境的综合作用。因此首先要详细了解使用条件及其对材料性能的要求，然后根据性能要求选材并进行设计。但是根据材料性能数据选材时，制品设计者应该注意，塑料和金属之间有明显的差别，对金属而言，其性能数据基本上可用于材料的筛选和制品设计，然而，粘弹性的塑料却不一样，各种测试标准和文献记载的聚合物性能数据是在许多特定条件下的，通常是短时期作用力或者指定温度或低应变速率下的，这些条件可能与实际工作状态差别较大，尤其不适于预测塑料的使用强度和对升温的耐力，因此，所有的塑料选材都要把全部功能要求转换成与实际使用性能有关的工程性能，并根据要求的性能进行选材。通常根据性能选材的方法有：对塑料性能分项考虑、比较的选材；同时考虑多项性能综合评价的选材。 (1)对塑料性能分项考虑、比较的选材 相对密度塑料基材的相对密度一般都在0.91(聚丙烯)到2.2(聚四氟乙烯)的范围内。但若制成泡沫塑料，相对密度就会减少到0.04或更低；填充无机材料或金属等材料能使相对密度达到3左右。塑料比金属的相对密度小(铝2.7，钢7.8)，这是塑料的优点之一。