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第1章 塑料成型基础 1 1聚合物分子的结构特点 1 基本概念1 塑料的主要成分是树脂 树脂分为天然树脂和合成树脂2 聚合物 是由一种或几种简单化合物通过聚合反应而生成的一种高分子化合物 合成树脂就是一种聚合物 简称高聚物或聚合物 1 1聚合物分子的结构特点 2 聚合物的特点 1 含原子数量多 一个高分子中含有几千个 几万个 甚至几百万个原子 2 分子量大 高分子化合物的分子量一般可自几万至几十万 几百万甚至上千万 例如尼龙分子的分子量为二万三千左右 天然橡胶的为四十万 3 分子长度相对于低分子长 例如低分子乙烯的长度约为0 0005 m 而高分子聚乙烯的长度则为6 8 m 是前者的13600倍 1 1聚合物分子的结构特点 3 聚合物的分类 1 聚合物大分子基本上都属于长链状结构 按结构不同可分为 a 线型聚合物 b 带有支链的线型聚合物 c 体型聚合物 1 1聚合物分子的结构特点 2 按分子结构及热性能不同分a 热塑性 PE PP PVC PS ABS PMMA PA POM PC等 b 热固性 酚醛塑料 氨基塑料 环氧塑料 聚邻苯二甲酸 二烯丙酯 有机硅塑料 硅酮塑料 1 1聚合物分子的结构特点 3 聚合物的结构按照分子排列的几何特征 可分 a 结晶型聚合物b 无定形聚合物 远程无序 近程有序 注 结晶只发生在线型聚合物和含交联不多的体型聚合物中 1 2聚合物的热力学性能 1 聚合物的物理状态 1 定义 聚合物在不同温度下所表现出来的分子热运动特征称为聚合物的物理状态 2 分类 玻璃态 结晶态 高弹态粘流态 1 2聚合物的热力学性能 2 聚合物的热力学曲线 1 线型无定形聚合物 2 线型结晶聚合物 脆化温度 玻璃化温度 粘流温度 热分解温度 熔点 1 2聚合物的热力学性能 玻璃态 塑料处于温度以下的状态 为坚硬的固体 是大多数塑件的使用状态 称为玻璃化温度 是多数塑料使用温度的上限 高弹态 塑料处于温度和之间的状态 类似橡胶状态的弹性体 仍具有可逆的形变性质 1 2聚合物的热力学性能 粘流态 当塑料受热温度超过时 由于分子链的整体运动 塑料开始有明显的流动 塑料开始进入粘流态变成粘流液体 通常我们也称之为熔体 塑料在这种状态下的变形不具可逆性质 一经成型和冷却后 其形状永远保持下来 称为粘流化温度 是聚合物从高弹态转变为粘流态 或粘流态转变为高弹态 的临界温度 当塑料继续加热 温度至时 聚合物开始分解变色 称为热分解温度 是聚合物在高温下开始分解的临界温度 1 3聚合物的流变学性质 流变学 研究物质变形与流动的科学 粘流态的聚合物在外力作用下 相互交缠卷曲的大分子链将会沿受力方向发生解缠 伸直以及相对滑移 从而表现出一种变形量很大的宏观流动 聚合物的流变学主要研究聚合物在外力作用下产生的应力 应变和应变速率等力学现象与自身粘度之间的关系 以及影响这些关系的各种因素 1 牛顿流动规律 牛顿在研究液体流动时发现 温度一定时 低分子液体在流动时的切应力和剪切速率之间存在着如下关系 式中 液层之间的单位距离内的速度差 称为速度梯度 单位时间内的切应变 称为剪切速率 比例常数 称为剪切粘度或牛顿粘度 1 3聚合物的流变学性质 1 3聚合物的流变学性质 凡是液体层流时符合牛顿流动规律的通称牛顿流体 其特征为应变随应力作用的时间线性地增加 且粘度保持不变 定温情况下 应变具有不可逆性质 应力解除后应变以永久变形保持下来 1 3聚合物的流变学性质 2 指数流动规律 式中K 与聚合物和温度有关的常数 可反映聚合物熔体的粘稠性 称为粘度系数 n 与聚合物和温度有关的常数 可反映聚合物熔体偏离牛顿流体性质的程度 称为非牛顿指数 1 3聚合物的流变学性质 注 在注射成型中 只有少数聚合物熔体的粘度对剪切速率不敏感如PA PC等 除常把它们近似视为牛顿流体外 其它绝大多数的聚合物熔体都表现为非牛顿流体 这些聚合物熔体都近似地服从指数流动规律 1 3聚合物的流变学性质 上式可改写为 设于是 式 1 5 改写为式中 1 5 称为流变方程 1 6 称为流动方程 1 7 非牛顿液体的表观粘度 1 3聚合物的流变学性质 就表观粘度的力学性质而言 它与牛顿粘度相同 但是 表观粘度表征的是非牛顿液体 服从指数流动规律 在外力的左右下抵抗剪切变形的能力 由于非牛顿液体的流动规律比较复杂 表观粘度除与流体本身的性质以及温度有关以外 还受剪切速率的影响 这就意味着外力的大小及其作用时间也能改变流体的粘稠性 1 3聚合物的流变学性质 讨论 n 1时 这意味着非牛顿流体变为牛顿流体 所以 n值可以用来反映非牛顿也体偏离牛顿流体性质的程度 n 1时 绝对值 1 n 越大 流体的非牛顿性越强 剪切速率对表观粘度的影响越强 其中n 1时 称为假塑性液体 在注射成型中 除了热固性聚合物和少数热塑性聚合物外 大多数聚合物熔体均有近似假塑性液体流变学的性质 N 1时 称为膨胀性液体 属于膨胀性液体的主要是一些固体含量较高的聚合物悬乳液 1 2 3 4 图1 5不同类型流体的流动曲线1 膨胀性流体 2 牛顿流体 3 假塑性流体 4 复合型流体 剪切速率 切应力 不同类型流体的流动曲线 1 3聚合物的流变学性质 不同类型流体的流变曲线 1 2 3 表观粘度 图1 6不同类型流体的流变曲线1 膨胀性流体 2 牛顿流体 3 假塑性流体 剪切速率 1 3聚合物的流变学性质 1 3聚合物的流变学性质 3 假塑性液体的流变学性质在中等剪切速率区域 假塑性液体的流变学性质表现为 1 变形和流动所需要的切应力随剪切速率变化 并呈指数规律增大 2 变形和流动所受到的粘滞阻力 即液体的表观粘度随剪切速率变化 并呈指数规律减小 这种现象称为假塑性液体的 剪切稀化 1 3聚合物的流变学性质 4 影响聚合物流变学性质的因素 1 聚合物结构对粘度的影响 分子结构 相对分子质量 相对分子质量分布 聚合物内大分子之间相对分子质量的差异 1 3聚合物的流变学性质 2 温度对粘度的影响注 注射成型生产中 依靠提高温度降低熔体粘度以改善流动性的工艺控制方法 主要适用于粘度对剪切速率不太敏感或其熔体近似服从牛顿流动规律的聚合物 如PMMA PC PA 66等这些材料不需要增加很多温度而它们的粘度却下降不少 1 3聚合物的流变学性质 3 压力对粘度的影响注 粘度对压力的敏感性会因聚合物不同而不同 通常认为 聚合物熔体的压缩率越大 其粘度对压力的敏感性越强 1 3聚合物的流变学性质 5 热固性聚合物的流变学性质热固性聚合物和热塑性聚合物流变行为的不同可以用图1 9加以说明 C B A 温度 流动性 图1 9温度对热固性聚合物流动性的影响A 总的流动曲线 B 粘度对流动性的影响曲线 C 交联反应速度对流动性的影响曲线 1 4聚合物熔体在成型过程中的流动状态 1 熔体在圆形导管内的流动 2 在扁形导槽内的流动 1 4聚合物熔体在成型过程中的流动状态 3 成型过程中的流动状态分析 塑料聚合物熔体在注射机内的旋转螺杆与料筒之间进行输送 压缩 熔融塑化 并将塑化好的熔体储存在料筒的端部 储存在料筒端部的熔体受螺杆的向前推压力并通过喷嘴 模具的主流道 分流道和浇口 开始射入模腔内 塑料熔体经浇口射入模具型腔过程中的流动 相变与固化 1 4聚合物熔体在成型过程中的流动状态 影响压力损失的因素 压力损失和流程距离成正比 压力损失和流道 包括型腔 的截面尺寸有关 流道截面尺寸愈小 压力损失愈大 对圆形流动通道 压力损失与流道半径的4次方成正比 对矩形流动通道 压力损失与流道深度的3次方和宽度的1次方成反比 压力损失和熔体的表观粘度成正比 1 4聚合物熔体在成型过程中的流动状态 4 速度分布与末端效应 1 速度分布 n n 3 n 1 n 1 3 r R v vm 对牛顿型流体来说 这种分布呈抛物线型 对非牛顿型流体来说 这种抛物线型稍尖 n 1 或稍平 n 1 1 4聚合物熔体在成型过程中的流动状态 2 端末效应 与聚合物的弹性有关 简单地说 熔体在入口端出现压力降 在出口端出现膨胀的现象称为端末效应 亦分别称为入口效应和离模膨胀效应 1 4聚合物熔体在成型过程中的流动状态 产生入口效应的原因 聚合物液体以收敛流动方式进入导管入口时 它必须变形以适应它在新的且有适当压缩性的流道内流动 但聚合物熔体具有弹性 也就是对变形具有抵抗力 因此 就必须消耗适当的能量 即消耗相当的压力降 来完成在这段管内的变形 熔体各点的速度在进入导管前后是不同的 为调整速度 也要消耗一定的压力降 1 4聚合物熔体在成型过程中的流动状态 产生离模膨胀的原因 解释之一 聚合物熔体从导管中流出后 周围压力大大减小 甚至完全消失 这意味着聚合物内的大分子突然变得自由了 因此 前段流动中储存于大分子中的弹性变形能量被释放出来 致使在流动变形中已经伸展开的大分子链重新恢复卷曲 各分子链的间距随着增大 从而导致聚合物内自由空间增大 于是体积相应发生膨胀 1 4聚合物熔体在成型过程中的流动状态 入口效应和出模膨胀效应通常对塑料的成型都是不利的 特别是在注射成型 挤出成型和拉丝过程中 可能导致产品变形和扭曲 降低塑件的尺寸稳定性 并可能在塑件内产生内应力 降低塑件物理和力学性能 增加管子或口模的平直部分长度 适当降低成型时的压力和提高成型温度 并对挤出物加以适当速度的牵引或拉伸等 均有利于减小或消除端末效应带来的不利影响 1 5聚合物在成型过程中的物理和化学变化 要求 了解聚合物加工过程中产生的结晶 取向 降解和交联等现象的物理和化学变化的特点以及成型工艺条件对它们的影响 1 5聚合物在成型过程中的物理和化学变化 1 成型过程中聚合物的结晶1 结晶聚合物 聚合物在从高温熔体向低温固态转变的过程中 若其分子链构型 结构形态 能够得到规整排列 则该聚合物为结晶聚合物 如 PE PTFE POM等 2 结晶度 结晶型聚合物的结晶区在聚合物中所占的重量百分数 大多数聚合物的结晶度约为10 60 但有些也可能达到很高的数值 如PP的结晶度达到70 95 HDPE和PTFE的也能超过90 3 结晶过程 1 5聚合物在成型过程中的物理和化学变化 4 影响结晶的因素 温度 压力和切应力增大压力可使聚合物在高于正常情况下的熔化温度发生结晶 切应力可导致微晶生成 产生均匀的微晶结构 分子结构聚合物分子结构越简单 越规整 结晶越快 结晶度越高 同一种聚合物的最大结晶速率随相对分子质量的增大而减小 添加剂 1 5聚合物在成型过程中的物理和化学变化 5 结晶对塑件性能的影响 密度密度随结晶度的增大而提高 力学性能抗拉强度随结晶度的增大而提高 冲击韧性将下降 弹性模量将减小 热性能结晶有助于提高聚合物的软化温度和热变形温度 翘曲结晶程度越高 体积收缩越大 因此结晶态塑件比非结晶态塑件更容易因收缩不均而发生翘曲 表面粗糙度和透明度结晶后 塑件表面粗糙度将降低 而透明度会减小或丧失 1 5聚合物在成型过程中的物理和化学变化 结晶型塑料有PE PP PTFE POM PA CPT等 非结晶型塑料有PS PMMA PC ABS PSU等一般来说 结晶型塑料是不透明的或半透明的 非结晶型塑料是透明的 特例 聚4 甲基戊烯 1为结晶型塑料却高度透明性 ABS为非结晶型塑料却不透明 6 成型结晶塑料时应注意下列问题 料温上升到成型温度所需的热量多 要用塑化能力大的设备 冷凝时放出热量大 要充分冷却 熔态与固态的比重差大 成型收缩大 易发生缩孔 气孔 各向异性显著 内应力大 结晶熔点范围窄 易发生未熔粉末注入模具或堵塞浇口 1 5聚合物在成型过程中的物理和化学变化 1 5聚合物在成型过程中的物理和化学变化 2 成型过程中的取向作用1 取向的概念聚合物大多分子及其链段或结晶聚合物的微晶粒子在应力作用下形成的有序排列叫做取向结构 2 分类 按应力性质不同分拉伸取向 由拉应力引起 取向方向与拉伸方向一致流动取向 在切应力作用下沿着熔体流动方向形成的 按流动性质不同 取向结构可分为单轴取向 取向结构单元均沿着一个流动方向有序排列多轴取向 结构单元可沿两个或两个以上流动方向有序排列 按结晶与非结晶聚合物分结晶取向非结晶取向 1 5聚合物在成型过程中的物理和化学变化 2 取向对塑件性能的影响 取向对塑件力学性能的影响对单轴取向而言 取向后在取向平行方向的抗拉强度大为增强 而与取向轴垂直方向的抗拉强度则有所减弱 而双轴取向的薄片或薄膜在平面的任何方向上均有较高的抗拉强度 断裂伸长率和冲击韧度 抗撕裂能力也有所提高 取向使塑件具有各向异性 在光 热 电等方面 1 5聚合物在成型过程中的物理和化学变化 取向对其它性能的影响聚合物的玻璃化温度随取向程度的提高而上升 取向程度越大 回缩或热收缩越大 综上所述 聚合物的取向对塑件的性能影响很大 在塑料成型生产中 可以利用聚合物的取向来提高塑件的性能 例如吹塑薄膜就是利用聚合物双轴取向原理来提高其性能的 但并不是说聚合物取向对塑件性能均有益处 在生产厚度较大的塑件时 就应力图消除取向现象 使塑件不致发生翘曲变形或裂纹 从而保证塑件质量 1 5聚合物在成型过程中的物理和化学变化 1 未取向区2 高度取向区3 中等取向区4 轻度取向区 聚合物熔体从浇口流入模腔时 熔体处于充模的初期阶段 料流呈辐射状 所以形成平面取向结构 熔体与型腔表壁接触后 开始实现充模过程 在这个过程中 先与型腔表壁接触熔体迅速冷却 形成一个来不及取向的薄壳 以后的熔体将在薄壳内流动 由于薄壳对熔体的摩擦作用 其附近的熔体流动阻力很大 熔体内会产生很大的切应力 所以大分子能在此处高度取向 与此同时 熔体中部所受摩擦最小 切应力也不太大 所以大分子一般只能轻度取向 而在中部熔体与薄壳附近熔体之间的过渡区中 大分子取向程度中等 1 5聚合物在成型过程中的物理和化学变化 3 成型过程中聚合物的降解1 概念由于聚合物大分子受热和应力的作用 或由于在高温下受微量水分 酸 碱等杂质及空气中氧的作用 聚合物会发生相对分子量降低或大分子结构改变等化学变化 这种现象叫降解或裂解 2 防治 严格控制原材料的技术指标和使用合格的原材料 使用前对聚合物进行严格的干燥 确定合理的加工工艺和加工条件 使用添加剂注 聚合物降解通常是有害的 但也有例外 如通过机械降解 辊压货共挤 作用使聚合物之间或两种聚合物的弹体之间进行接枝或嵌段聚合物配置共聚物 以改良聚合物性能并扩大其应用范围就是一例 1 5聚合物在成型过程中的物理和化学变化 4 成型过程中聚合物的交联1 硬化不足塑件的机械强度 耐热 耐化学腐蚀性 电绝缘性等会下降 热膨胀 内应力 受力时的蠕变量等会增加 塑件缺少光泽 容易发生翘曲变形 有时甚至会产生裂纹 2 过度硬化塑件机械强度不高 变色 发脆 表面有时会出现密集的小泡 可使塑件产生焦化和裂解现象 2 1塑料的基本组成 1 塑料的组成合成树脂 添加剂1 合成树脂 40 100 受热软化后可将塑料的其它组分加以粘合 并决定塑料的主要性能2 添加剂包括填充剂 增塑剂 稳定剂 润滑剂 着色剂和固化剂等 1 5聚合物在成型过程中的物理和化学变化 2 塑料的分类1 按合成树脂的分子结构及特性分 热塑性塑料如 PE PP PS PVC PMMA PA POM ABS PC PPO PSU PTFE等 热固性塑料如 酚醛塑料 氨基塑料 环氧塑料 脲醛塑料 三聚氰胺甲醛和不饱和聚酯等 1 5聚合物在成型过程中的物理和化学变化 2 按塑料的用途分 通用塑料如 PE PP PS PVC 酚醛塑料和氨基塑料 工程塑料如 POM PA PC PPO ABS PSU PTFE PMMA和环氧树脂等 特殊塑料如 氟塑料 聚酰亚胺塑料 有机硅树脂和环氧树脂等 1 6塑料成型的工艺特性 塑料的工艺性能 塑料在成形过程中表现出来的特有性质 热塑性塑料 收缩性流动性相容性吸湿性热敏性 热固性塑料 收缩性流动性比容和压缩比硬化速度水分及挥发物含量 1 热塑性塑料的工艺性能1 收缩性 塑件从模具中取出冷却到室温后 尺寸或体积收缩的特性称为收缩性成型收缩的大小可用收缩率来表示 2 1 2 2 式中Ss 实际收缩率Sj 计算收缩率a 模具或塑件在成型温度时的尺寸b 塑件在室温时的尺寸c 模具在室温时的尺寸 1 6塑料成型的工艺特性 1 6塑料成型的工艺特性 成型收缩的形式塑件的尺寸收缩 由于热胀冷缩和塑件脱模时弹性恢复 塑性变形等原因 导致塑件脱模冷却到室温后其尺寸缩小 收缩的方向性 塑料在成型时由于分子的取向作用使塑件呈现各向异性 沿料流方向 即平行方向 收缩大 强度高 与料流垂直方向则收缩小 强度低 1 6塑料成型的工艺特性 后收缩 塑件成型时 由于受成型压力 切应力 各向异性 密度不均 填料分布不均 模温不一致 硬化不均和塑性变形等因素的影响 塑件内存在残余应力 当脱模后 由于应力趋向平衡及储存条件的影响 使塑件再次收缩 这种收缩称为后收缩 一般塑件在脱模后10h内变化最大 24h后基本定型 但最后稳定要经过30 60天 通常热塑性塑料的后收缩比热固性塑料大 挤塑和注射的后收缩比压缩成型大 1 6塑料成型的工艺特性 后处理收缩 在某些情况下 塑件按其性能和工艺要求 成型后要进行热处理 处理后也会导致塑件尺寸收缩 这种收缩叫后处理收缩 在模具设计时 对高精度塑件则应考虑后收缩及后处理收缩的偏差并予以补偿 1 6塑料成型的工艺特性 影响塑件收缩的因素 塑料的品种各种塑料都有其各自的收缩率范围 同一种塑料由于相对分子质量 填料及配比等不同 则其收缩率及各向异性也不同 塑件的结构塑件的形状 尺寸 壁厚 有无嵌件 嵌件数量及布局等 对收缩率值有很大影响 塑件的形状复杂 尺寸小 壁薄 带嵌件 收缩率就小 模具结构模具的分型面 加压方向 浇口形式 尺寸及分布等对收缩率及方向性影响也很大 如采用直接浇口 浇口截面大 收缩小 但方向性明显 成型工艺条件模具温度高 塑件冷却慢 则密度高 收缩大 注射压力高 脱模后弹性恢复大收缩小 保压时间长收缩小 1 6塑料成型的工艺特性 2 流动性 塑料在一定温度 压力作用下 填充模具型腔的性能 称为塑料的流动性 塑料的流动性差 就不易充满型腔 因此需要较大的成形压力才能成形 塑料的流动性好 可以用较小的成形压力充满型腔 但流动性太好 会使塑料在成形时产生严重的溢边 填充不密实 塑件组织疏松 易粘模 热塑性塑料的流动性常用熔融指数 单位g 螺旋线长度 单位cm 来表示 1 6塑料成型的工艺特性 熔融指数用如图2 1所示的标准装置 熔融指数测定仪 来测定 将被测塑料装入加热料筒中并进行加热 在一定的温度和压力下 测定塑料熔体在10min内从出料孔挤出的重量 图2 1熔融指数测定仪结构示意图 1 6塑料成型的工艺特性 螺旋线长度用标准阿基米德螺旋线模具来测定 将被测塑料在一定的温度与压力下注入模具内 用其所达到的流动长度来表示该塑料的流动性 1 6塑料成型的工艺特性 影响塑料流动性的因素塑料的分子结构与成分 具有线型分子结构塑料流动性好 加入填料 降低流动性 加入增塑剂和润滑剂 增加塑料的流动性 温度 塑料温度高 流动性好 在成形时可通过调节温度控制流动性 PS PP PA PMMA ABS AS PC CA对温度敏感 压力 注射压力 受剪切作用 流动性 模具结构 包括模具浇注系统的形式 尺寸和布置 冷却系统设计的合理性 熔料流动阻力等因素 凡促使熔料温度降低 流动阻力增加的因素 都会使流动性降低 1 6塑料成型的工艺特性 常用热塑性塑料的流动性 流动性好尼龙PA 聚乙烯PE 聚苯乙烯PS 聚丙烯PP 醋酸纤维素CA 流动性中等ABS 有机玻璃PMMA 聚甲醛POM 氯化聚醚CPT 流动性差聚碳酸酯PC 硬聚氯乙烯 聚苯醚PPO 聚砜PSU 氟塑料 1 6塑料成型的工艺特性 3 相容性 共混性 指两种或两种以上不同品种的塑料 在熔融状态下不产生相分离现象的能力 不同塑料的相容性与其分子结构有一定关系 分子结构相似者较易相容 反之较难 通过塑料的这一性质 可得到类似共聚物的综合性能 这是改进塑料性能的重要途径之一 1 6塑料成型的工艺特性 4 吸湿性 表明塑料对水分的敏感程度 具有吸湿或粘附水分倾向的塑料 PA PC PSU ABS等 既不吸湿也不易粘附水分的塑料 如PE PP POM等 注 凡是具有吸湿或粘附水分倾向的塑料 如成型前水分未去除 则在成型过程中由于水分在成型设备的高温料筒中变为气体并促使塑料发生水解 成型后塑料出现气泡 银丝等缺陷 因此 对吸湿性和粘附水分倾向大的塑料 在成型之前应进行干燥 使水分控制在0 5 0 2 以下 1 6塑料成型的工艺特性 5 热敏性 某些热稳定性差的塑料 在料温高和受热时间长的情况下就会产生降解 分解 变色的特性 热敏性塑料 硬聚氯乙烯 聚偏氯乙烯 醋酸乙烯共聚物 聚三氟氯乙烯 PCTFE 聚甲醛 POM 等 解决方法 选用螺杆式注射机 流道截面取大一些 避免过大的摩擦热 注射机筒内壁 流道和模腔表壁镀铬熔体在模内流动时不得有死角和滞料现象生产时严格控制成型工艺条件 1 6塑料成型的工艺特性 2 热固性塑料的工艺性能1 收缩率 产生收缩的原因热收缩 是由于热胀冷缩而使塑件成型冷却后所产生的收缩 热收缩与模具温度成正比 是影响收缩的最主要因素 结构变化引起收缩 由于交联反应 分子由线性结构变为网状结构 分子链间距缩小 结构变得紧密 而产生了体积收缩 弹性恢复 塑件从模具中取出后作用在塑件上的压力消失 由于弹性回复 会造成塑件体积的负收缩 膨胀 塑性变形 塑件脱模时 成型压力迅速降低 但模壁紧压在塑件周围 使其产生塑性变形 1 6塑料成型的工艺特性 影响收缩率的因素塑料品种 品种不同 收缩率不同 同种塑料 牌号不同 收缩率不同 同种牌号 批次不同 收缩率也可能不同塑件结构 壁厚大 收缩率大 有嵌件 收缩率小 形状复杂 收缩率小模具结构成形工艺 1 6塑料成型的工艺特性 2 流动性 表示方法 拉西格流动性 单位 测定方法 将一定重量的被侧塑料预压成圆锭 将圆锭放入压模中 在一定的温度和压力下 测定它从模孔中挤出的长度 毛糙部分不计在内 即为拉西格流动值 1 6塑料成型的工艺特性 影响因素塑料品种加入填料 流动性降低 加入增塑剂 流动性增加 模具结构模具成型表面光滑 型腔形状简单 采用不溢式压缩模等有利于改善流动性 成型工艺采用压锭及预热和提高成型压力 在低于塑料硬化温度的条件下提高成型温度等都能提高塑料的流动性 1 6塑料成型的工艺特性 3 比容和压缩率比容 压缩率 表示粉状塑料的松散程度 用来确定压缩模加料腔容积的大小 比容和压缩率大 要求加料腔体积增大 同时成形困难 1 6塑料成型的工艺特性 4 硬化速度 硬化是指热固性塑料成形时分子由线形向体型转变 完成交联反应的过程 硬化速度通常以塑料试样硬化每1 厚度所需的秒数来表示 影响硬化速度的因素 塑料品种 塑件形状及壁厚 成型温度及是否预热 预压等有密切关系 例如 采用预压 预热 提高成型温度和增长加压时间等措施 都能显著加快硬化速度 硬化速度的调整 压注或注射成形时 应要求在塑化 填充时化学反应慢 硬化慢以保持长时间的流动状态 但当充满型腔后 在高温 高压下应快速硬化 1 6塑料成型的工艺特性 5 水分和挥发物含量 来源制造时未除净存储 运输过程中吸收 吸湿性塑料 成型时化学反应附产物 水发及挥发物含量过多的影响易造成不易成型 塑件质量低等缺陷 例如 塑件易产生气泡 内应力和塑性变形 使机械强度降低 会促使流动性过大 容易溢料 成型周期增长 收缩率增大 使塑件容易产生翘曲 波纹及光泽不好等现象 有害气体对模具和人体会有损害 注意 塑料中水分及挥发物的含量不足 也会导致流动性不良 成型困难 同时不利于压锭 1 6塑料成型的工艺特性 测定采用15 0 2g的试验用料 在烘箱中于103 105 干燥30min后 其试验前后重量差 M 设水分及挥发物的含量为X 则 1 7常用塑料简介 1 聚乙烯 PE 是塑料工业中产量最大的品种 1 物理形态 无毒 无味 白色或乳白色 柔软 半透明颗粒状 使用温度范围 70 180 吸水性极小 且介电性能好 是最理想的高频电绝缘材料 2 分类按聚合时采用压力 分为高压PE 低密度 强度 耐热性低 介电性 柔软性 耐冲击性 透明性高中压PE低压PE 高密度 强度 耐热性高 介电性 柔软性 耐冲击性 透明性低 1 7常用塑料简介 3 用途 低压聚乙烯用于制造塑料管 塑料板 塑料绳以及承载不高的零件 中压聚乙烯适宜的成型方法有高速吹塑成形 可制造瓶类 包装用的薄膜以及各种注射成形制品和旋转成形制品 高压聚乙烯常用于制作塑料薄膜 软管 塑料瓶以及电气工业的绝缘零件和电缆外皮等 4 成形特点 收缩率范围及收缩值大 方向性明显 易变形 扭曲 流动性好且对压力变化敏感 注射成形时采用高压注射 慢速冷却 塑件可强行脱模 1 7常用塑料简介 2 聚丙稀 PP 1 物理特性 聚丙烯无色 无味 无毒 比聚乙烯更透明 更轻 它不吸水 光泽好 易着色 介电性 耐水性 化学稳定性好 易于加工成形 能在100 以上的温度下进行消毒灭菌 其最低使用温度可达 15 与PE相比较 收缩率大 力学性能好 特别抗弯曲疲劳强度高 定向拉伸后聚丙烯可制作铰链 1 7常用塑料简介 2 用途制作各种机械零件 如法兰 接头 泵叶轮 汽车零件和自行车零件水蒸汽 各种酸碱等的输送管道 化工容器和其他设备的衬里 表面涂层盖和本体合一的箱壳 各种绝缘零件 3 成形特点成形收缩范围及收缩率大易发生缩孔 凹痕 变形 方向性强 流动性极好易于成形 注射成形模具必须设计能充分进行冷却的冷却回路 并注意控制成形温度 1 8塑料成型工艺 1 注射成型原理及其成型特点1 注射成型原理 将粒状或粉状的塑料加入到注射机的料斗 在注射机内塑料受热熔融并使之保持流动状态 然后在一定压力下注人闭合的模具 经冷却定型后 熔融的塑料就固化成为所需的塑件 注射成型工作循环 加料 合模 注射充模 保压补缩 冷却定型 开模 清模 塑件脱模 预塑 1 8塑料成型工艺 1 8塑料成型工艺 注射成型的特点 优点 成型周期短 生产效率高 易实现自动化 能成型形状复杂 尺寸精确 带有金属或非金属嵌件的塑料制件 产品质量稳定 适应范围广到目前为止 除氟塑料以外 几乎所有的热塑性塑料都可以用注射成型的方法成型 另外 一些流动性好的热固性塑料也可用注射成型 1 8塑料成型工艺 缺点 注射设备价格较高 注射模具结构复杂 生产成本高 生产周期长 不适合于单件小批量的塑件生产 1 8塑料成型工艺 加料塑化充模保压倒流冷却脱模 成型前的准备 注射过程 塑件的后处理 注射成型工艺 退火处理调湿处理 原料外观检验及工艺性能测定塑料预热和干燥料筒清洗嵌件预热脱模剂的选用 1 8塑料成型工艺 1 成形前准备 原料外观检验及工艺性能测定 包括塑料色泽 粒度及均匀性 流动性 熔体指数 粘度 热稳定性及收缩率的检验 塑料预热和干燥 除去物料中过多的水分和挥发物 以防止成型后塑件表面有缺陷或发生降解 影响塑料制件的外观和内在质量 物料干燥的方法 小批量生产 采用烘箱干燥 大批量生产 采用沸腾干燥或真空干燥 1 8塑料成型工艺 料筒清洗 当改变产品 更换原料及颜色时均需清洗料筒 嵌件预热 减少物料和嵌件的温度差 降低嵌件周围塑料的收缩应力 保证塑件质量 脱模剂的选用 常用脱模剂包括硬脂酸锌 液态石蜡和硅油 1 8塑料成型工艺 2 注射过程 加料将粒状或粉状塑料加入注射机的料斗 塑化通过注射机加热装置的加热 使得螺杆中的塑料原料熔融 成为具有良好的可塑性的塑料熔体 充模塑化好的塑料熔体在注射机柱塞或螺杆的推动作用下 以一定的压力和速度经过喷嘴和模具的浇注系统进入并充满模具型腔 1 8塑料成型工艺 保压补缩从熔体充满型腔后 在注射机柱塞或螺杆推动下 熔体仍然保持压力进行补料 使料筒中的熔料继续进入型腔 以补充型腔中塑料的收缩需要 并且可以防止熔体倒流 浇口冻结后的冷却经过一段时间使型腔内的熔融塑料凝固成固体 确保当脱模时塑件有足够的刚度 不致产生翘曲或变形 脱模塑件冷却到一定的温度 推出机构将塑件推出模外 注射成型过程中塑料压力的变化 0 1 3 2 时间 压力 1 柱塞或螺杆在熔体充满模腔后停在原位不动2 没有倒流阶段3 补缩时间短 倒流的熔体多 1 8塑料成型工艺 3 塑件后处理后处理原因及作用 由于塑化不均匀或由于塑料在型腔内的结晶 取向和冷却不均匀 或由于金属嵌件的影响或由于塑件的二次加工不当等原因 塑件内部不可避免地存在一些内应力 从而导致塑件在使用过程中产生变形或开裂 因此 应该设法消除之 1 8塑料成型工艺 退火处理将塑件在定温的加热液体介质 如热水 热油和液体石蜡等 或热空气循环烘箱中静置一段时间 然后缓慢冷却至室温的一种热处理工艺 温度 高于使用温度10 15 或低于热变形温度10 20 时间 与塑料品种和塑件厚度有关一般可按每毫米约半小时计算 作用 消除塑件的内应力 稳定塑件尺寸 提高结晶度 稳定结晶结构 从而提高其弹性模量和硬度 1 8塑料成型工艺 调湿处理 将刚脱模的塑件放入加热介质 如沸水 醋酸钾溶液 中 加快吸湿平衡速度的一种后处理方法 主要用于吸湿性很强且又容易氧化的塑料 如PA 温度 100 121 热变形温度高时取上限 反之取下限 时间 保温时间与塑件厚度有关 通常取2 9h 目的 消除残余应力 使制品尽快达到吸湿平衡 以防止在使用过程中发生尺寸变化 1 8塑料成型工艺 3 注射成型的工艺参数 温度压力时间 料筒温度喷嘴温度模具温度 控制塑料的塑化和流动 影响塑料的流动和冷却 塑化压力 背压 注射压力 重要参数 1 8塑料成型工艺 1 温度 料筒温度料筒温度应在粘流温度 或熔点 和热分解温度之间 柱塞式料筒温度高于螺杆式料筒温度10 20 塑件及模具结构特点 对于薄壁制件料筒温度高于厚壁制件 形状复杂或带有嵌件的制件料筒温度也应高一些 料筒温度的分布 一般遵循前高后低的原则 即料筒后端温度最低 喷嘴温度最高 对螺杆式注射机为防止因螺杆与熔料 熔料与熔料 熔料与料筒之间的剪切摩擦热而导致塑料热降解 可使料筒前段温度略低于中段 1 8塑料成型工艺 判断料筒温度是否合适 可采用对空注射法观察或直接观察塑件质量的好坏 对空注射时 如果料流均匀 光滑 无泡 色泽均匀则说明料温合适 如果料流毛糙 有银丝或变色现象 则说明料温不合适 1 8塑料成型工艺 喷嘴温度 一般略低于料筒最高温度 以防止熔料在喷嘴处产生流涎现象 但不能过低 否则熔料在喷嘴处会出现早凝而将喷嘴堵塞 或者有早凝料注入模腔而影响塑件的质量 1 8塑料成型工艺 模具温度 模具温度的高低决定于塑料的特性 塑件尺寸与结构 性能要求及其它工艺条件 模具温度 流动性 密度和结晶度 收缩率和生产率 模具温度通常是由通入定温的冷却介质来控制的 也有靠熔料注入模具自然升温和自然散热达到平衡的方式来保持一定的温度 在特殊情况下 也可用电阻丝和电阻加热棒对模具加热来保持模具的定温 但无论怎样 对塑料熔体来说 都是冷却的过程 1 8塑料成型工艺 2 压力 塑化压力 背压 指采用螺杆式注射机时 螺杆顶部熔体在螺杆旋转后退时所受的压力 塑化压力增加 熔体的温度及其均匀性提高 色料的混合均匀并排出熔体中的气体 但塑化速率降低 延长成型周期 一般操作中 在保证塑件质量的前提下 塑化压力应越低越好 一般为6MPa左右 通常很少超过20MPa 1 8塑料成型工艺 注射压力指柱塞或螺杆顶部对塑料熔体所施加的压力 作用 注射时克服熔体流动充模过程中的流动阻力 使熔体具有一定的充模速率 保压时对熔体进行压实和防止倒流 大小 取决于注射机的类型 塑料的品种 模具结构 模具温度 塑件的壁厚及浇注系统的结构和尺寸等 一般情况下 粘度高的塑料注射压力 粘度低的塑料 薄壁 面积大 形状复杂塑件注射压力高 模具结构简单 浇口尺寸较大 注射压力较低 柱塞式注射机注射压力 螺杆式注射机 料筒温度 模具温度高 注射压力较低 成型周期 注射时间模内冷却时间其他时间 充模时间保压时间 开模 脱模 喷涂脱模剂 安放嵌件 合模时间 3 时间 1 8塑料成型工艺 1 9塑件设计 设计原则 应考虑原材料的成型工艺性 应考虑模具的总体结构 使模具型腔易于制造 模具抽芯和推出机构简单 在保证塑件使用性能 物理性能与力学性能 电性能等的前提下 力求结构简单 壁厚均匀 使用方便 1 9塑件设计 1 塑件尺寸及其精度1 塑件尺寸设计原则 受到塑料的流动性制约 流动性好的塑料可以成形较大尺寸的塑件 反之能成形的塑件尺寸就较小 受成形设备的限制 注射成形的塑件尺寸要受到注射机的注射量 锁模力和模板尺寸的限制 压缩和压注成形的塑件尺寸要受到压机最大压力和压机工作台面最大尺寸的限制 在满足使用要求的前提下 应尽量将塑件设计得紧凑 尺寸小巧一些 1 9塑件设计 2 塑件尺寸精度是指所获得的塑件尺寸与产品图中尺寸的符合程度 即所获得塑件尺寸的准确度 在满足用要求的前提下 应尽可能设计得低一些 1 9塑件设计 塑件尺寸公差根据GB T14486 工程塑料模塑塑料件尺寸公差标准 确定 塑件尺寸公差的代号为MT 公差等级分7级一般的 塑件上孔的公差采用单向正偏差 即塑件上轴的公差采用单向负偏差 即中心距及其他位置尺寸公差采用双向等值偏差 即 1 9塑件设计 2 塑件表面质量1 塑件表面粗糙度GB T14234 塑料件表面粗糙度标准 不同加工方法和不同材料所能达到的表面粗糙度 决定因素 模具成形零件表面粗糙度表面粗糙度选择 塑件的表面粗糙度一般为1 6 0 2 而模具的表面粗糙度数值要比塑件低1 2级 1 9塑件设计 2 塑件表观质量指塑件成形后的表观缺陷状态 如缺料 溢料 飞边 凹陷 气孔 熔接痕 皱纹 翘曲与收缩 尺寸不稳定等 产生原因 由塑件成形工艺条件 塑件成形原材料选择 模具总体设计等多种因素造成的 1 9塑件设计 3 塑件结构设计满足使用要求好的结构工艺性 是指塑件在满足使用要求的前提下 其结构应尽可能符合成形工艺要求 从而简化模具结构 降低生产成本 1 9塑件设计 1 塑件结构工艺性设计应遵循的原则 在保证塑件的使用性能 物理 化学 介电性能与力学性能等的前提下 尽量选用价格低廉和成形性能较好的塑料 并力求结构简单 壁厚均匀 成形方便 在设计塑件时应考虑其模具的总体结构 使模具型腔易于设计制造 模具抽芯和推出机构简单 在设计塑件时 应考虑原料的成形工艺性 如流动性 收缩性等 塑件形状有利于模具分型 排气 补缩和冷却 当设计的塑件外观要求较高时 应先通过造型 而后逐步绘制图样 1 9塑件设计 2 设计内容 形状 塑件的内外表面形状应在满足使用要求的情况下尽可能易于成形 图1 15可强制脱模的侧向凹 凸结构 1 9塑件设计 不合理 合理 1 9塑件设计 脱模斜度一般的 材料性质脆 硬的 脱模斜度要求大 但在具体选择脱模斜度时还应注意以下几点 凡塑件精度要求高的 应采用较小的脱模斜度凡较高 较大的尺寸 应选用较小的脱模斜度塑件形状复杂的 不易脱模的应选用较大的脱模斜度塑件的收缩率大的应选用较大的斜度值塑件壁厚较厚时 会使成型收缩增大 脱模斜度应采用较大的数值 1 9塑件设计 如果要求脱模后塑件保持在型芯一边 则塑件的内表面的脱模斜度可选的比外表面小 反之 要求脱模后塑件留在型腔内 则塑件的外表面的脱模斜度应小于内表面 但当