塑料组成、分类与工艺性能.ppt

第一章塑料概论 第一节高聚物的分子结构与特性第二节高聚物的热力学性能及在成型过程中的变化第三节塑料的组成及分类第四节塑料的工艺性能第五节常用塑料第六节塑料的改性 第一节高聚物的分子结构与特性 一 树脂与塑料的概念树脂包括天然树脂和合成树脂 天然树脂是指从树木 动物 石油中分泌出的脂物 如松香是从松树分泌出鲍乳液状松脂中分离出来的 虫胶是从热带昆虫的分泌物中提取的 而沥青是从石油中得到的 这些天然树脂无明显的熔点 受热后逐渐软化 可溶解于有机溶剂 不溶解于水等 随着生产的发展 天然树脂不仅在数量上而且在质量上都远远不能满足需要 于是人们根据天然树脂的分子结构和特性 应用人工方法制造出了合成树脂 例如酚醛树脂 氨基树脂 环氧树脂 聚乙烯 聚氯乙烯等都属于合成树脂 塑料是以树脂为主要成分 添加一定数量和一定类型的添加剂 在加工过程中能够形成流动的成型材料 由于添加剂所占比例比较小 塑料的性能主要取决于合成树脂的性能 下一页 返回 第一节高聚物的分子结构与特性 二 高聚物的分子结构与特性无论是天然树脂还是合成树脂 它们都属于高分子聚合物 简称高聚物 塑料的许多优异性能都与高聚物的分子结构密切相关 我们知道 低分子化合物中所含的原子数一般都不多 例如一个水分子H2O由3个原子构成 一个石灰石分子CaCO3由5个原子构成 再复杂一点的化合物 其分子中所含的原子数最多也不过是几百个 但是 高聚物则不同 一个高聚物分子中含有成千上万 甚至几十万个原子 例如 尼龙分子中大约含有4千个原子 天然橡胶分子中大约含有5万到6万个原子 纤维素 木材中含有此成分 分子中大约含有10万到20万个原子 从相对分子质量来看 低分子化合物的相对分子质量只有几十或几百 如水的相对分子质量为18 石灰石为100 而高聚物的相对分子质量比低分子化合物的高得多 一般从几万至上千万 例如 尼龙分子的相对分子质量为2 3万左右 天然橡胶为40万 再从分子长度来看 低分子乙烯的长度约为0 0005 m 而高分子聚乙烯的长度为6 8 m 后者是前者的13600倍 上一页 下一页 返回 第一节高聚物的分子结构与特性 由此可见 高分子是含有原子数很多 相对分子质量很高 分子很长的巨型化合物 正是由于高分子化合物与低分子化合物的分子结构存在着如此悬殊的差异 才使高聚物具有许多与低分子化合物很不相同的特性 单就分子中所含原子个数 相对分子质量的大小和分子的长短还不足以表达高分子的结构特性 每个高分子里含有按照一定的方式排列的一种或数种原子或原子团 再通过化学链连成一个高分子 例如聚乙烯分子里的小单元为C2H4 每个聚乙烯分子里含有n个象下面这样连接起来的小单元 C2H4 C2H4 C2H4 C2H4 上一页 下一页 返回 第一节高聚物的分子结构与特性 这些小单元称为 链节 好像链条里的每个链节 n称为 链节数 聚合度 表示有多少链节聚合在一起 由许多链节构成一个很长的高聚物分子 称为 分子链 例如聚乙烯的相对分子质量若是56000 那么一个聚乙烯分子里就含有两千多个乙烯单体分子 单体分子是指用以合成高聚物的小分子 如果高聚物的分子链呈不规则的线状 或者团状 高聚物是一根根的分子链组成的 则称为线型高聚物 如图1 1 a 所示 如果在大分子的链之间还有一些短链把它们相互交联起来 成为立体结构 则称为体型高聚物 如图1 1 c 所示 此外 还有一些高聚物的大分子主链上带有一些或长或短的小支链 整个分子链呈枝状 如图1 1 b 所示 称为带有支链的线型高聚物 上一页 下一页 返回 第一节高聚物的分子结构与特性 高聚物的分子结构不同 其性质也不同 线型高聚物具有弹性和塑性 在适当的溶剂中可溶胀或溶解 升高温度时则软化至熔化状态而可流动 而且这种特性在高聚物成型前后都存在 因而可以反复成型 所以称为热塑性材料 体型高聚物脆性大 弹性较高 塑性很低 在成型前是可熔的 一经成型硬化后 就成为既不溶解又不熔融的固体 不能再次成型 所以称为热固性材料 三 结晶型和非结晶型高聚物的结构与特性对于某些固体材料 如果它们中的质点既是近程有序 又是远程有序 则可将它们称为晶体材料 反之则称为非晶材料 高聚物的结构按照分子排列的几何特点 也可以分为结晶型和非结晶型两大类型 其中非结晶型高聚物又叫做无定形高聚物 上一页 下一页 返回 第一节高聚物的分子结构与特性 结晶型高聚物由 晶区 分子作有规则紧密排列的区域 和 非晶区 分子处于无序状态的区域 所组成 晶区所占的重量百分数称为结晶度 例如低压聚乙烯在室温时的结晶度为85 90 通常当高聚物的分子结构简单 主链上带有的侧基体积小 对称性高 分子间作用力大时 有利于结晶 反之 则对结晶不利或不能形成结晶区 结晶只发生在线型高聚物和含交联链不多的体型高聚物中 结晶对高聚物的性能影响重大 由于结晶造成了分子的紧密聚集状态 增强了分子间的作用力 所以使高聚物的强度 硬度 刚度及熔点 耐热性和耐化学性等性能都有所提高 而与链运动有关的性能 如弹性 伸长率和冲击强度等则降低 上一页 下一页 返回 第一节高聚物的分子结构与特性 对无定形高聚物的结构 过去一直认为其分子排列是杂乱无章 相互穿插交缠的 但用电子显微镜观察 发现无定型高聚物的质点排列不是完全无序的 而是大距离范围内无序 小距离范围内有序 即 远程无序 近程有序 体型高聚物由于分子链间存在大量交联 分子链难以作有序排列 所以都具有无定形结构 上一页 返回 第二节高聚物的热力学性能及在成型过程中的变化 一 高聚物的热力学性能高聚物的物理 力学性能与温度密切相关 温度变化时 高聚物的受力行为发生变化 呈现出不同的力学状态 表现出分阶段的力学性能特点 高聚物在不同温度下的力学状态 就是高聚物的热力学性能 这些性能在很大程度上决定了塑料对加工的适应性 下面以热塑性材料为例说明受恒应力作用时变形程度与温度的关系 热塑性材料可以有三种物理聚集状态 即玻璃态 高弹态和粘流态 三种物理状态之间可以相互转变 它体现了分子链在不同温度 力场作用下 分子运动状态和分子间的相互作用 图1 2为高聚物的三种物理状态与温度的关系 高聚物的温度 形变曲线 下一页 返回 第二节高聚物的热力学性能及在成型过程中的变化 1 玻璃态温度低于Tg 玻璃化温度 曲线基本是水平的 高聚物不仅整个分子链不能运动 连单个链节也失去了曲挠性 变得象玻璃那样坚硬 即表现为玻璃态 此时 塑料的弹性模量较高 变形程度小 由于塑料的Tg温度高于室温 所以一般使用的塑料都处于玻璃态 2 高弹态当温度上升 高于Tg低于Tf 粘流化温度 时 曲线开始急剧变化 但很快稳定趋于水平 高聚物变得象橡胶一样柔软而富有弹性 这种状态叫做高弹态 此时塑料的弹性模量显著减小 形变能力大大增强 外力去除变形量可以回复 变形是可逆的 上一页 下一页 返回 第二节高聚物的热力学性能及在成型过程中的变化 3 粘流态当温度继续上升高于Tf 变形迅速发展 弹性模量再次很快下降 高聚物即产生粘性流动 成为粘流态 常称之为熔体 此时的变形是不可逆的粘性变形 塑料在冷却后能将形变永久保持下去 当温度过高超过Td 热分解温度 时 大分子链裂解 高聚物降解成为低聚物或单体 不再具有高聚物的性能 材料被破坏 热分解 所以Tf Td是塑料成型加工的范围 这个范围越宽 塑料成型加工就越容易进行 上一页 下一页 返回 第二节高聚物的热力学性能及在成型过程中的变化 综上所述 高聚物的成型加工是在粘流状态中实现的 粘流化温度Tf是高聚物成型加工的最低温度 欲使高聚物达到粘流态 加热只是方法之一 还可以通过加入增塑剂降低高聚物的粘流温度 粘流温度不仅与高聚物的化学结构有关 而且与其相对分子质量的大小有关 粘流温度随相对分子质量的增加而升高 以上所述是热塑性材料的热力学性能 而热固性材料由于分子运动阻力很大 一般随温度发生的力学状态变化较小 所以通常不存在粘流态甚至高弹态 即遇热不熔 高温时则分解 上一页 下一页 返回 第二节高聚物的热力学性能及在成型过程中的变化 二 高聚物的加工工艺性能塑料的热力学性能决定了塑料对加工的适应性 不同的物理状态 成型加工方法也不同 当温度低于Tg 塑料的弹性模量较高 变形程度小 不宜进行大变形的加工 但可以作为结构材料进行锉 锯 钻 车 铣等机械加工 温度上升高于Tg低于Tf时 塑料形变能力大大增强 可进行真空成型 压力成型 压延和弯曲成型等 从Tf开始分子热运动大大激化 塑料的弹性模量降低到最低值 较小的外力就能引起熔体宏观流动 此时在形变中主要是不可逆的粘性形变 冷却后塑料就能将形变永久保持下去 因此 在这个温度范围内常进行注塑 挤出 吹塑成型等加工 过高的温度将使高聚物的粘度大大降低 不适当地增大流动性容易引起诸如注射成型中的溢料 挤出塑件的形状扭曲 收缩和纺丝过程中纤维的毛细断裂等现象 温度高到分解温度附近还会引起高聚物分解 以致降低产品物理力学性能或引起外观不良等 因此 Tg与Tf都是塑料进行加工的重要参考温度 上一页 下一页 返回 第二节高聚物的热力学性能及在成型过程中的变化 三 高聚物的结晶高聚物由非晶态转为晶态的过程就是结晶过程 结晶发生在高温熔体向低温固态转变过程中 在此过程中高聚物分子作稳定规整排列的就是结晶区 同金属的结晶相类似 高聚物的结晶过程也由晶核生成和晶体生长两步完成 在高聚物主体中 如果它的某一局部的分子链段已成为有序排高聚物列 且其大小已能使晶体自发地生长 则该种大小的有序排列的微粒即称为晶坯 晶坯在高于熔点时时结时散 处于一种动态平衡状态 温度接近熔点乃至刚刚冷至熔点以下时 晶坯依然有时结时散的情况 但某些晶坯也会长大 以致达到临界的稳定尺寸 即变成晶核 晶核生成的速率与温度密切相关 若以 Q表示晶核生成的温度与熔点之间的温差 则当 Q等于零时 即温度为熔点 晶核生成的速率为零 上一页 下一页 返回 第二节高聚物的热力学性能及在成型过程中的变化 Q逐渐增大 晶核生成速率很快上升 以致达到一个最大值 这时 没有达到临界尺寸的晶坯结多散少 最有利于形成晶核 Q继续增大 分子链段的运动阻力会增大 因而晶核生成率又会降低 直至接近于玻璃化温度时又降为零 此时 分子主链的运动停止 因此 晶坯的生长 晶核的生成及晶体的生长都停止 这样 凡是尚未开始结晶的分子均以无序状态或非晶态保持在高聚物中 从而构成了高聚物中的非晶区 值得注意的是 在晶核生成的过程中 如果熔体中存有外来的物质 异相成核 则会大大提高晶核的生成速率 上一页 下一页 返回 第二节高聚物的热力学性能及在成型过程中的变化 综上所述 具有结晶倾向的高聚物 在成型的塑料制件中会不会出现晶形结构 需由成型时塑料制件的冷却速率来决定 由于结晶度能够影响塑料制品的性能 所以工业上为了改善由具有结晶倾向的高聚物所制的塑件性能 常采用热处理方法 即烘若干时间 以使其非晶相转变为晶相 将不太稳定的晶形结构转为稳定的晶形结构 微小的晶粒转为较大的晶粒等 但也必须注意 适当的热处理可以提高高聚物的性能 也会由于晶粒的过分粗大 使高聚物变脆 性能反而变坏 四 高聚物的取向高聚物熔体在导管 如圆管 内流动的速率在管中心最大 管壁处为零 在导管截面上各点的速度分布呈扁平的抛物线形状 上一页 下一页 返回 第二节高聚物的热力学性能及在成型过程中的变化 在这种流动情况下 热固性和热塑性塑料中各自存在的细而长的纤维状填料 如木粉 短玻璃纤维等 和高聚物分子 在很大程度上 都会顺着流动的方向作平行的排列 这种排列常称为取向作用 其次 由于同样原因 热塑性塑料在其玻璃化温度与粘流温度 或软化点 之间进行拉伸时 也会发生取向作用 显然这些取向单元如果继续存在于塑件中 则塑件就将出现各向异性 各向异性有时是塑件所需要的 如制造取向薄膜与单丝等 这样就能使塑件沿拉伸方向的抗拉强度与光泽程度等有所增加 但在制造许多厚度较大的塑件 如压缩产品 时 又要尽量消除这种各向异性现象 因为塑件中存在的这一现象不仅使取向不一致 而且各部分的取向程度也有差别 这样会使塑件在某些方向上的机械强度得到提高 但在另外一些方向上强度降低 甚至发生翘曲或裂纹 上一页 下一页 返回 第二节高聚物的热力学性能及在成型过程中的变化 五 高聚物的降解高聚物成型塑件常常是在高温和应力作用下进行的 因此 高聚物分子可能由于受到热和应力的作用或由于高温下高聚物中微量水分 酸 碱等杂质及空气中氧的作用而导致其相对分子质量降低 使高聚物的大分子结构发生化学变化 通常我们把高聚物相对分子质量降低的现象称为高聚物的降解 也称裂解 降解的实质表现为断链 分子链结构的改变 侧基的改变以及它们的综合作用 在成型加工中 高聚物的降解一般都难以完全避免 而降解大多是有害的 轻度降解会使高聚物变色 进一步降解会使高聚物分解出低分子物质 导致相对分子质量降低 塑件出现气泡和流纹等弊病 并因此削弱塑件的各种物理 力学性能 严重的降解会使高聚物焦化变黑 产生大量的分解物质 上一页 下一页 返回 第二节高聚物的热力学性能及在成型过程中的变化 对塑料的成型加工来说 在正常操作情况下 热降解是主要的 由力 氧气和水等引起的降解是次要的 但它们也都能通过温度对高聚物的降解起重要作用 所谓热降解是指高聚物在高温下受热时间过长 发生变色和分解等现象 高聚物在成型过程中出现降解后 塑件外观变坏 内在质量降低 使用寿命缩短 因此 加工过程都应设法减少和避免高聚物降解 为此 通常可采取如下措施 1 严格控制原材料的技术指标 使用合格的原材料 若原材料不合格 高聚物的稳定性和加工性变坏 所含杂质可对降解起催化作用 2 使用前对高聚物进行严格干燥 特别是聚酯 聚醚和聚酰胺等吸湿性强的塑料 使用前通常应使水分含量降低到0 01 0 05 以下 上一页 下一页 返回 第二节高聚物的热力学性能及在成型过程中的变化 3 确定合理的加工工艺和加工条件 使高聚物在不易产生降解的条件下加工成型 这对于那些热稳定性差 加工温度和分解温度非常接近的高聚物尤为重要 4 采用结构良好的成型加工设备和模具 5 当加工温度较高时 在配方中考虑使用抗氧化剂 稳定剂等 以加强高聚物对降解的抵抗能力 六 高聚物的交联高聚物在加工过程中 形成立体网状分子结构的反应称为交联 通过交联反应可生成体型高聚物 和线型高聚物相比 体型高聚物的机械强度 耐热性 耐溶剂性 化学稳定性和塑件的形状稳定性均有所提高 上一页 下一页 返回 第二节高聚物的热力学性能及在成型过程中的变化 所以在一些对强度 工作温度 蠕变等要求较高的场合 体型高聚物有着广泛的应用 交联反应主要发生在热固性聚合物的成型过程中 例如 采用压缩和压注和层压等成型方法来生产热固性塑料制品 就是典型的交联反应 在加工热塑性材料时 由于加工条件不当或原料不纯等 也可能在高聚物中引起交联反应 但这种交联是非正常的 会使聚合物性能变坏 在加工中应尽量避免 高聚物的交联反应很难进行完全 高聚物的交联度高 说明交联反应进行的程度深 在交联反应进行的同时 高聚物逐渐失去了可溶性和可熔性 交联度不宜过高或过低 过高的交联度会引起高聚物发脆 变色和起泡 交联度过低 高聚物的机械强度 耐热性等较差 塑件表面灰暗 易产生细微裂纹 吸水量也大 在塑料成型工业中 交联一词常常用硬化代替 交联度过低称为 硬化不足 反之称为 硬化过度 一般说来 加工温度高则交联速度快 硬化时间长则交联度高 加工过程中的流动 搅拌等都有利于交联反应速度的加快 上一页 下一页 返回 第二节高聚物的热力学性能及在成型过程中的变化 但所渭 硬化得好 或 硬化得完全 并不意味着交联反应进行的完全 而是指交联作用发展到一种最为适宜的程度 以致塑料制件的物理性能 力学性能等达到最佳状况 显然 交联程度是不会达到100 的 但是硬化程度却可以 一般硬化程度大于100 的为 过熟 反之则为 欠熟 上一页 返回 第三节塑料的组成及分类 一 塑料的组成塑料的成分相当复杂 几乎所有的塑料都是以各种各样的树脂为基础 再加入各种添加剂制成的 一 树脂树脂多是从石油 煤 空气 水和农副产品等物质中提炼出来的化学物质 它是塑料的主要成分 约占材料总重量的40 60 有些树脂不能单独做塑料 必须加入一些添加剂 加入添加剂的目的 是为了减少树脂含量 改善塑料的使用和加工性能 塑料之所以具有可塑性或流动性 就是树脂所赋予的 下一页 返回 第三节塑料的组成及分类 二 填充剂添加填充剂 填料 不仅能使塑料的成本大大降低 而且还能使塑料的性能得到显著改善 对塑料的推广和应用起了促进作用 常用的填料有木粉 纸浆 硅藻土 云母 石棉 炭黑 玻璃纤维等 填料在很大程度上能改变塑料的机械性能 物理性能及工艺性能 如硬度 刚度 电绝缘性等 例如 聚甲醛等树脂中加人石墨 聚四氟乙烯后 使塑料的耐磨性 抗水性 耐热性 硬度及机械强度等得到全面的改进 用玻璃纤维作为塑料的填充剂 能使塑料的机械强度大幅度地提高 有的填充剂还可以使塑料具有树脂所没有的性能 如导电性 导磁性 导热性等 大多数填料还可以减少塑料在成型时的收缩率 以提高产品的尺寸精度 填料的用量一般不超过塑料的40 上一页 下一页 返回 第三节塑料的组成及分类 三 增塑剂树脂中加入增塑剂后 加大了其分子间的距离 因而削弱了大分子间的作用力 这样便使树脂分子容易滑移 从而使塑料能在较低的温度下具有良好的可塑性和柔软性 如聚氯乙烯树脂中加入邻苯二甲酸二丁酯 可变为象橡胶一样的软塑料 常用的增塑剂是液态或低熔点固态的有机化合物 主要有甲酸酯类 磷酸酯类和氯化石蜡等 对增塑剂的要求是 与树脂有良好的相溶性 挥发性小 不易从塑件中折出 无毒 无臭味 无色 对光和热比较稳定 不吸湿 另外还需注意 加人增塑剂固然可以使塑料的工艺性能和使用性能均得到改善 但也降低了树脂的某些性能 如稳定性 介电性 机械强度等 因此 在塑料中要尽可能少添加增塑剂 有些塑料可不添加增塑剂 上一页 下一页 返回 第三节塑料的组成及分类 四 稳定剂稳定剂可以提高树脂在受外界因素 如热 光 氧和射线等 作用时的稳定性 阻止和减缓塑料在加工使用过程中的分解变质 许多树脂在成型加工和使用过程中由于受上述因素的作用 性能会变坏 即所谓 老化 加人少量 千分之几 稳定剂可以减缓这种情况的发生 对稳定剂的要求是除对聚合物的稳定效果好外 还应能耐水 耐油 耐化学药品 并与树脂相溶 在成型过程中不分解 挥发小 无色 根据不同的作用 稳定剂可分热稳定剂 光稳定剂 抗氧化剂等 常用的稳定剂有硬脂酸盐 铅的化合物及环氧化合物等 上一页 下一页 返回 第三节塑料的组成及分类 五 润滑剂添加润滑剂的目的是对塑料表面起润滑作用 改进塑料熔体的流动性 减少或避免对模具型腔的摩擦和粘附 从而使塑件的表面更加光洁 也有助于延长模具的使用寿命 常用的润滑剂有硬脂酸及其盐类 其加入量通常小于1 六 着色剂在塑料中有时要用有机颜料 无机颜料和染料使塑料制件具有各种色彩 以适合使用上的美观要求 这些有机颜料 无机颜料和染料就称为着色剂 有些着色剂兼有其他作用 如本色聚甲醛塑料用碳黑着色后能在一定程度上防止光老化 聚氯乙烯用二盐基性亚磷酸铅等颜料着色后 可避免紫外线的射人 对树脂起着屏蔽作用 因此 它们还可以提高塑料的稳定性 对着色剂的一般要求是 性质稳定 不易变色 不与其他成分 增塑剂 稳定剂等 起化学反应 着色力强 与树脂有很好的相溶性 上一页 下一页 返回 第三节塑料的组成及分类 七 固化剂固化剂又称硬化剂 交联剂 它的作用在于促使合成树脂进行交联反应而形成体型网状结构或加快交联反应速度 成为较坚硬和稳定的塑料制件 例如 在环氧树脂中加人乙二胺 三乙醇胺等 塑料的添加剂除上述几种外 还有发泡剂 制造泡沫塑料 阻燃剂 降低塑料的燃烧性 防静电剂 导电剂和导磁剂等 塑料还可以制成 合金 即把不同品种不同性能的塑料用机械的方法均匀溶合起来 或者将不同单体的塑料通过化学处理得到新性能的塑料 例如 ABS塑料就是由苯乙烯 丁二烯 丙烯睛组成 经共聚和混合而制成的三元 合金 上一页 下一页 返回 第三节塑料的组成及分类 二 塑料的分类目前 塑料的品种很多 目前已投入生产的有300余种 常用的有40多种 从不同角度按照不同原则进行分类的方式也各不相同 但常用的塑料分类方法有以下两种 一 按分子结构及其热性能分类1 热塑性塑料这种塑料具有线型分子链或带支链线型分子结构 如图1 1 a 1 1 b 所示 这类塑料在加热时 分子活动能力强 链分子间容易产生相对运动 物料形态由固态逐渐软化或熔融成胶糊状态或粘稠流体状态 但冷却后又可变硬复原为固态 如此可以反复进行多次 在这一过程中一般只有物理变化 塑料分子结构并无变化 因而其变化过程是可逆的 但是 如果温度过高而且保温时间过长 材料也将被破坏 上一页 下一页 返回 第三节塑料的组成及分类 简而言之 热塑性塑料是可以多次反复加热而仍具有可塑性的塑料 聚乙烯 聚丙烯 聚苯乙烯 聚氯乙烯 有机玻璃 聚甲醛 聚碳酸酯 ABS等塑料均属此类 2 热固性塑料这类塑料最终具有体型网状结构 如图1 1 c 所示 这种分子结构是在塑料加热成型后期逐渐形成的 在加热之初 因分子呈线型结构 具有可溶性和可塑性 可塑制成一定形状的塑件 当继续加热时 温度达到一定程度后 分子呈现立体网状结构 树脂变成不溶或不熔的体型结构 使形状固定下来不再变化 如再加热 也不再软化 不再具有可塑性 在这一变化过程中既有物理变化 又有化学变化 因而其变化过程是不可逆的 上一页 下一页 返回 第三节塑料的组成及分类 简而言之 热固性塑料是通过加热硬化制得的塑料 热固性塑料常采用压缩 压注或层压等方法成型 酚醛塑料 氨基塑料 环氧塑料 有机硅塑料 不饱合聚酯塑料等均属此类 二 按用途分类1 通用塑料这类塑料主要是指产量大 用途广 价格低的一类塑料 主要包括六大品种 聚乙烯 聚氯乙烯 聚苯乙烯 聚丙烯 酚醛塑料和氨基塑料 它们的产量约占塑料总产量的80 构成了塑料工业的主体 上一页 下一页 返回 第三节塑料的组成及分类 2 工程塑料工程塑料常指在工程技术中用作结构材料的塑料 它除具有较高的机械强度外 还具有很好的耐磨性 耐腐蚀性 自润滑性及尺寸稳定性等 即具有某些金属性能 因而可以代替金属作某些机械构件 目前常用的工程塑料包括聚酰胺 聚甲醛 聚碳酸酯 ABS 聚砜 聚苯醚 聚四氟乙烯等几种 3 特殊塑料特殊塑料指具有某些特殊性能的塑料 这类塑料有高的耐热性或高的电绝缘性及耐腐蚀性等性能 如氟塑料 聚酰亚胺塑料 有机硅树脂 环氧树脂等 特殊塑料还包括为某些专门用途而改性制得的塑料 如导磁塑料和导热塑料 上一页 返回 第四节塑料的工艺性能 塑料的工艺性能是塑料在成型加工过程中表现出来的特有性质 表现在许多方面 有些性能直接影响成型方法和工艺参数的选择 有些性能直接影响塑件质量 同时也影响着模具的设计 有的则只与操作有关 下面就热塑性塑料和热固性塑料的工艺性能分别进行讨论 一 热塑性塑料的工艺性能热塑性塑料的成型工艺性能除了前面讨论过的热力学性能 结晶性及取向性外 还应包括收缩性 流动性 相容性 吸湿性及热稳定性等 下一页 返回 第四节塑料的工艺性能 1 收缩性塑件自模具中取出冷却到室温后 其尺寸或体积会发生收缩变化 这种性质称为收缩性 收缩性的大小以单位长度塑件收缩量的百分数来表示 叫做收缩率 由于成型模具材料与塑料的线胀系数不同 收缩率分为实际收缩率和计算收缩率 实际收缩率表示模具或塑件在成型温度时的尺寸与塑件在室温时的尺寸之间的差别 而计算收缩率则表示室温时模具尺寸与塑件尺寸的差别 这两种收缩率的计算可按下列公式求得 上一页 下一页 返回 第四节塑料的工艺性能 式中S 实际收缩率 S 计算收缩率 Lc一模具或塑件在成型温度时的单向尺寸 Ls 塑件在室温时的单向尺寸 Lm 模具在室温时的单向尺寸 在普通中 小型模具成型零件尺寸计算时 计算收缩率与实际收缩率相差很小 且模具或塑件在成型温度时的单向尺寸测量不变 所以常采用计算收缩率 实际收缩率表示塑料实际所发生的收缩 在大型 精密模具成型零件尺寸计算时常采用 上一页 下一页 返回 第四节塑料的工艺性能 塑件收缩的形式除由于热胀冷缩 塑件脱模时的弹性恢复及塑性变形等原因产生的尺寸线性收缩外 还会按塑件形状 料流方向及成型工艺参数的不同产生收缩方向性 此外 塑件脱模后残余应力的缓慢释放和必要的后处理工艺也会使塑件产生后收缩 显然 影响塑件成型收缩的因素主要有 1 塑料品种各种塑料都具有各自的收缩率 同一种塑料由于树脂的相对分子质量 填料及配方比等不同 其收缩率及各向异性也不同 例如 树脂的相对分子质量高 填料为有机的 树脂含量较多 则塑料的收缩率就大 上一页 下一页 返回 第四节塑料的工艺性能 2 塑件结构塑件的形状 尺寸 壁厚 有无嵌件 嵌件数量及其分布对收缩率的大小也有很大影响 如塑件的形状复杂 壁薄 有嵌件 嵌件数量多且对称分布 收缩率就小 3 模具结构模具的分型面 加压方向 浇注系统形式 布局及尺寸等因素直接影响料流方向 密度分布 保压补缩作用及成型时间 因而也对收缩率及方向性影响很大 如采用直接浇口和大截面的浇口 可减少收缩 但方向性强 若浇口宽且短 则方向性小 距离浇口近的或与料流方向垂直的部位收缩大等 上一页 下一页 返回 第四节塑料的工艺性能 4 成型工艺挤出成型和注射成型一般收缩率大 方向性也很明显 塑料的装料形式 预热情况 成型温度 成型压力 保压时间等对收缩率及方向性都有较大影响 例如采用压锭加料 进行预热 采用较低的成型温度 较高的成型压力 延长保压时间等均是减小收缩率及方向性的有效措施 由上述可知 影响塑料收缩率变化的因素很多 而且相当复杂 不同品种的塑料 其收缩率各不相同 即使同一品种而批号不同的塑料 或同一塑件的不同部位 其收缩率也经常不同 因此收缩率不是一个固定值 而是在一定范围内变化的 这个波动范围越小 塑件的尺寸精度就越容易保证 否则就难于控制 在模具设计时应根据以上因素综合考虑选取塑料的收缩率 对精度高的塑件应选取收缩率波动范围小的塑料 并留有试模后修正的余地 上一页 下一页 返回 第四节塑料的工艺性能 2 流动性在成型加工中 塑料熔体在一定的温度与压力作用下充填模腔的能力 就是塑料的流动性 塑料流动性的好坏 在很大程度上影响了成型工艺的许多参数 如成型温度 压力 周期 模具浇注系统的尺寸及其他结构参数 在决定零件大小与壁厚时 也要考虑流动性的影响 从分子结构来讲 流动的产生实质上是分子间相对滑移的结果 高聚物熔体的滑移是通过分子链段运动来实现的 显然 流动性主要取决于分子组成 相对分子质量大小及其结构 只有线型分子结构而没有或很少有交联结构的高聚物流动性好 而体型结构的高分子一般不产生流动 高聚物中加人填料会降低树脂的流动性 加人增塑剂 润滑剂可以提高流动性 流动性差的塑料 在注射成型时不易充填模腔 易产生缺料 有时当采用多个浇口时 塑料熔体的会合处不能很好地熔接而产生熔接痕 上一页 下一页 返回 第四节塑料的工艺性能 这些缺陷甚至会导致零件报废 相反 若材料流动性太好 注射时容易产生流涎 造成塑件在分型面 活动成型零件 推杆等处的溢料飞边 因此 成型过程中应适当选择与控制材料的流动性 以获得满意的塑料制件 塑料流动性的好坏采用统一的方法来测定 对热塑性塑料常用的方法有熔融指数测定法和螺旋线长度试验法 熔融指数测定法是将被测塑料装入如图1 3所示的标准装置内 在一定的温度和压力下 通过测定熔体在10min内通过标准毛细管 直径为 2 09mm的出料模孔 的塑料重 质 量值来确定其流动性的状况 该值叫做熔融指数 熔融指数越大 流动性越好 熔融指数的单位为g 10min 螺旋线长度试验法是将被测塑料在一定的温度与压力下注人如图1 4所示的标准的阿基米德螺旋线模具内 图中所示数字 单位为cm 来表示该塑料的流动性 流动长度越长 流动性就越好 上一页 下一页 返回 第四节塑料的工艺性能 热塑性塑料的流动性分为三类 流动性好的 如聚酰胺 聚乙烯 聚丙烯 聚苯乙烯 醋酸纤维素等 流动性中等的 如改性聚苯乙烯 ABS AS 聚甲基丙烯酸甲酯 聚甲醛 氯化聚醚等 流动性差的 如聚碳酸酯 硬聚氯乙烯 聚苯醚 聚砜 氟塑料等 影响流动性的因素主要有 1 温度料温高 则流动性大 但不同塑料也各有差异 聚苯乙烯 聚丙烯 聚酰胺 聚甲基丙烯酸甲酯 ABS AS 聚碳酸酯 醋酸纤维等塑料的流动性随温度变化的影响较大 而聚乙烯 聚甲醛的流动性受温度变化的影响较小 上一页 下一页 返回 第四节塑料的工艺性能 2 压力注射压力增大 则熔料受剪切作用大 流动性也增大 尤其是聚乙烯 聚甲醛较为敏感 3 模具结构浇注系统的形式 尺寸 布置 如型腔表面粗糙度 浇道截面厚度 型腔形式 排气系统 冷却系统的设计 熔料的流动阻力等因素都直接影响熔料的流动性 凡促使熔料温度降低 流动阻力增加的因素 就会使流动性降低 3 相容性相容性是指两种或两种以上不同品种的塑料 在熔融状态不产生相互分离现象的能力 如果两种塑料不相容 则混熔时制件会出现分层 脱皮等表面缺陷 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 例如高压聚乙烯 低压聚乙烯 聚丙烯彼此之间的混熔等 分子结构不同时较难相容 例如聚乙烯和聚苯乙烯之间的混熔 上一页 下一页 返回 第四节塑料的工艺性能 塑料的相容性又俗称为共混性 通过塑料的这一性质 可以得到类似共聚物的综合性能 是改进塑料性能的重要途径之一 例如聚碳酸酯和ABS塑料相容 就能改善聚碳酸酯的工艺性 主要是流动性 4 吸湿性吸湿性是指塑料对水分的亲疏程度 据此塑料大致可以分为两种类型 第一类是具有吸湿或粘附水分倾向的塑料 例如聚酰胺 聚碳酸酯 ABS 聚苯醚 聚砜等 第二类是吸湿或粘附水分极小的材料 如聚乙烯 聚丙烯等 造成这种差别的原因主要是由于其组成及分子结构的不同 如聚酰胺分子链中含有酰胺基CO一NH极性基因 对水有吸附能力 而聚乙烯类的分子链中是由非极性基因组成 表面是蜡状 对水不具有吸附能力 材料疏松使塑料的表面积增大 也容易增加吸湿性 上一页 下一页 返回 第四节塑料的工艺性能 凡是具有吸湿或粘附水分的塑料 如果水分含量超过一定的限度 则由于在成型加工过程中 水分在成型机械的高温料筒中变成气体 会促使塑料高温水解 从而导致材料降解 成型后的塑件出现气泡 银丝与斑纹等缺陷 因此 塑料在加工成型前 一般都要经过干燥 使水分含量在0 5 0 2 以下 并要在加工过程中继续保温 以防重新吸潮 5 热敏性和水敏性 热敏性是指某些热稳定性差的塑料 在高温下受热时间较长或浇口截面过小及剪切作用大时 料温增高就易发生变色 降解 分解的倾向 具有这种特性的塑料称为热敏性塑料 如硬聚氯乙烯 聚甲醛 聚三氟氯乙烯等 上一页 下一页 返回 第四节塑料的工艺性能 热敏性塑料在分解时产生单体 气体 固体等副产物 尤其是有的分解气体对人体 设备 模具都有刺激 腐蚀作用或有毒性 同时 有的分解物往往又是促使塑料分解的催化剂 如聚氯乙烯的分解物为氯化氢 能促使高分子分解作用进一步加剧 为了防止热敏性塑料在成型过程中出现过热分解现象 可采取在塑料中加人稳定剂 合理选择设备 如选用螺杆式注射机 正确控制成型温度和成型周期 及时清理设备中的分解物等办法 此外 也可采取合理设计模具的浇注系统 模具表面镀铬等一些措施 水敏性在高温下 熔体对水降解的敏感性 称为水敏性 具有水敏性的塑料 称为水敏性塑料 如聚碳酸酯等 水敏性塑料在成型过程中 即使含有很少水分 也会在高温及高压下发生水解 因此这类塑料在成型前必须进行干燥处理 上一页 下一页 返回 第四节塑料的工艺性能 二 热固性塑料的工艺性能热固性塑料同热塑性塑料相比 具有制件尺寸稳定性好 耐热好和刚性大等特点 所以在工程上应用十分广泛 热固性塑料在热力学性能上明显不同于热塑性塑料 其主要的工艺性能指标有收缩率 流动性 水分及挥发物含量 硬化速度等 1 收缩率同热塑性塑料一样 热固性塑料也具有因成型冷却而引起的尺寸减小 计算方法与热塑性塑料收缩率相同 产生收缩的主要原因有 上一页 下一页 返回 第四节塑料的工艺性能 1 热收缩这是因热胀冷缩而引起的尺寸变化 由于塑料是由高分子化合物为基础组成的物质 线膨胀系数比钢材大几倍至十几倍 制件从成型加工温度冷却到室温时 就会产生远大于模具尺寸收缩的收缩 这种热收缩所引起的尺寸减小是可逆的 收缩量大小可用塑料线膨胀系数的大小来判断 2 结构变化引起的收缩热固性塑料的成型加工过程是热固性树脂在模腔中进行化学反应的过程 即产生交联结构 分子链间距离缩小 结构紧密 引起体积收缩 这种由结构变化而产生的收缩 在进行到一定程度时 就不会继续产生 上一页 下一页 返回 第四节塑料的工艺性能 3 弹性恢复塑料制件固化后并非刚性体 脱模时 因成型压力降低 会产生一弹性恢复值 这种现象降低了收缩率 在成型以玻璃纤维和布质为填料的热固性塑料时 这种情况尤为明显 4 塑性变形这主要表现在制件脱模时 成型压力迅速降低 但模壁紧压着制件的周围 产生塑性变形 发生变形部分的收缩率比没有发生变形部分的收缩率大 因此 制件往往在平行加压方向收缩较小 而垂直加压方向收缩较大 为防止两个方向的收缩率相差过大 可采用迅速脱模的办法 上一页 下一页 返回 第四节塑料的工艺性能 影响热固性塑料收缩率的因素与热塑性塑料相同 有原材料 模具结构或成型方法及成型工艺条件等 塑料中树脂和填料的种类及含量 直接影响收缩率的大小 当所用树脂在固化反应中放出的低分子挥发物较多时 收缩率较大 放出低分子挥发物较少时 收缩率较小 在同类塑料中 填料含量增多 收缩率小 填料中加无机填料比加有机填料所得的塑料件收缩小 例如以木粉为填料的酚醛塑料的收缩率 比相同数量无机填料 如石英粉 的酚醛塑料收缩率大 前者收缩率为0 6 1 0 后者为0 15 0 65 凡有利于提高成型压力 增大塑料充模流动性 使塑件密实的模具结构 均能减少制件的收缩率 例如用压缩或压注成型的塑件比注射成型的塑件收缩率小 凡能使塑件密实 成型前使低分子挥发物溢出的工艺因素 也都能使制件收缩率减少 例如成型前对酚醛塑料的预热 加压等 上一页 下一页 返回 第四节塑料的工艺性能 2 流动性流动性的意义与热塑性塑料流动性雷同 但热固性塑料通常以拉西格流动性来表示 而不是用熔融指数表示 测定原理如图1 5所示 将一定重量的欲测塑料预压成圆锭 将圆锭放人压模中 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 以mm计 数值大则流动性好 流动性过大容易造成溢料过多 填充不密实 塑件组织疏松 树脂与填料分头聚集 易粘模而使脱模和模具清理困难以及过早硬化等缺陷 流动性过小则填充不足 不易成型 成型压力增大 因此选用塑料的流动性必须与塑件要求 成型工艺及成型条件相适应 模具设计时应根据流动性来考虑浇注系统 分型面及进料方向等 上一页 下一页 返回 第四节塑料的工艺性能 影响流动性的因素主要有以下三点 1 塑料品种不同品种的塑料 其流动性各不相同 即使同一品种塑料 由于其中相对分子质量的大小 填料的形状 水分和挥发物的含量以及配方不同 其流动性也不相同 2 模具结构模具成型表面光滑 型腔形状简单 有利于改善流动性 3 成型工艺采用预压锭及预热 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 上一页 下一页 返回 第四节塑料的工艺性能 3 比容和压缩比比容是单位重量的松散塑料所占的体积 压缩比是塑料的体积与塑件的体积之比 其值恒大于1 比容和压缩比都表示粉状或短纤维状塑料的松散性 它们都可用来确定模具加料室的大小 比容和压缩比较大 则要求模具加料室尺寸要大 这样会使模具体积增大 操作不便 浪费钢材 不利于加热 同时 比容和压缩比大 使塑料内充气增多 排气困难 成型周期变长 生产率降低 比容和压缩比小 使预压锭和压缩 压注容易 而且压锭重量也较准确 但是 比容太小 则影响塑料的松散性 以容积法装料时造成塑件重量不准确 比容的大小也常因塑料的粒度及颗粒均匀度不同而有误差 上一页 下一页 返回 第四节塑料的工艺性能 4 硬化速度热固性塑料在成型过程中要完成交联反应 即树脂分子由线型结构变成体型结构 这一变化过程称为硬化 硬化速度与塑料品种 塑件形状 壁厚 成型温度及是否预热 预压等有密切关系 例如采用预压的压锭 预热 提高成型温度 增长加压时间 都能显著加快硬化速度 此外 硬化速度还应适合成型方法的要求 例如压注或注射成型时 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 以提高生产率 硬化速度慢的塑料 会使成型周期变长 生产率降低 硬化速度快的塑料 则不能成型大型复杂的塑件 上一页 下一页 返回 第四节塑料的工艺性能 5 水分及挥发物含量塑料中的水分及挥发物来自两个方面 一是塑料在制造中未能全部除净水分 或在贮存 运输过程中 由于包装或运输条件不当而吸收水分 二是来自压缩或压注过程中化学反应的副产物 塑料中水分及挥发物的含量 在很大程度上直接影响塑件的物理 力学和介电性能 塑料中水分及挥发物的含量大 在成型时产生内压 促使气泡产生或以应力的形式暂存于塑料中 一旦压力除去后便会使塑件变形 机械强度降低 上一页 下一页 返回 第四节塑料的工艺性能 压制时 由于温度和压力的作用 大多数水分及挥发物逸出 但尚未逸出时 它占据着一定的体积 严重地阻碍化学反应的有效发生 当塑件冷却后 则会造成组织疏松 当逸出时 挥发物气体又象一把利剑割裂塑件一样 使塑件产生龟裂 降低机械强度和介电性能 此外 水分及挥发物含量过多时 会促使流动性过大 容易溢料 成型周期增长 收缩率增大 塑件容易发生翘曲 波纹及光泽不好等现象 但是 塑料中水分及挥发物的含量不足 会导致流动性不良 成型困难 同时也不利于压锭 水分及挥发物在成型时变成气体 必须排出模外 有的气体对模具有腐蚀作用 对人体也有刺激作用 为此 在模具设计时应对这种特征有所了解 并采取相应措施 上一页 返回 第五节常用塑料 一 热塑性塑料 一 聚乙烯 PE 1 基本特性聚乙烯塑料是塑料工业中产量最大的品种 按聚合时采用的压力不同可分为高压 中压和低压三种 低压聚乙烯的分子链上支链较少 相对分子质量 结晶度和密度较高 故又称高密度聚乙烯 所以比较硬 耐磨 耐蚀 耐热及绝缘性较好 高压聚乙烯分子带有许多支链 因而相对分子质量较小 结晶度和密度较低 故称低密度聚乙烯 且具有较好的柔软性 耐冲击性及透明性 下一页 返回 第五节常用塑料 聚乙烯树脂无毒 无味 呈白色或乳白色 柔软 半透明的大理石状粒料 为结晶型塑料 密度为0 19 0 96g cm3时 有一定的机械强度 但和其他塑料相比机械强度低 表面硬度差 聚乙烯的绝缘性能优异 且介电性能与温度 湿度无关 是最理想的高频绝缘材料 常温下聚乙烯不溶于任何一种已知的溶剂 并耐稀硫酸 稀硝酸和任何浓度的其他酸及各种浓度的碱 盐溶液 聚乙烯有高度的耐水性 长期与水接触其性能可保持不变 其透水气性能较差 而透氧气和二氧化碳以及许多有机物质蒸汽的性能好 在热 光 氧气的作用下会产生老化和变脆 一般高压聚乙烯的使用温度约在80 左右 低压聚乙烯为100 左右 聚乙烯能耐寒 在 60 时仍有较好的力学性能 70 时仍有一定的柔软性 上一页 下一页 返回 第五节常用塑料 2 主要用途低压聚乙烯可用于制造塑料管 塑料板 塑料绳以及承载不高的零件 如齿轮 轴承等 中压聚乙烯最适宜的成型方法有高速吹塑成型 可制造瓶类 包装用的薄膜以及各种注射成型制品和旋转成型制品 也可用作电线电缆 高压聚乙烯常用于制作塑料薄膜 理想的包装材料 软管 塑料瓶以及电气工业的绝缘零件和包覆电缆外皮等 3 成型特点聚乙烯的成型收缩率范围及收缩值大 易产生缩孔 在流动方向与垂直方向上的收缩差异较大 方向性明显 易产生变形 翘曲 并使塑件浇口周围部位的脆性增加 应控制模温 保持冷却均匀 稳定 冷却速度慢 必须充分冷却 模具要设有冷却系统 流动性好且对压力变化敏感 宜用高压注射 料温均匀 填充速度应快 保压充分 质软易脱模 塑件有浅的侧凹槽时可强行脱模 上一页 下一页 返回 第五节常用塑料 二 聚丙烯 PP 1 基本特性聚丙烯无色 无味 无毒 外观似聚乙烯 但比聚乙烯更透明 密度仅为0 90 0 91g cm3时 它不吸水 光泽好 易着色 屈服强度 抗拉强度 抗压强度和硬度及弹性比聚乙烯好 其抗拉强度甚至高于聚苯乙烯和ABS 定向拉伸后聚丙烯可制作铰链 有特别高的抗弯曲疲劳强度 聚丙烯熔点为164 170 耐热性好 能在100 以上的温度下进行消毒灭菌 其最高使用温度可达到150 最低使用温度为 15 低于 35 时会脆裂 因不吸水 聚丙烯的绝缘性能不受湿度的影响 但在氧 热 光的作用下极易降解 老化 所以必须加人防老化剂 上一页 下一页 返回 第五节常用塑料 2 主要用途聚丙烯可用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 作水 蒸汽 各种酸碱物质等的输送管道 化工容器和其他设备的衬里 表面涂层 可制造盖和本体合一的箱壳 各种绝缘零件 并可用于医药工业中 3 成型特点成型收缩范围大 易发生缩孔 凹痕及变形 聚丙烯热容量大 注射成型模具必须设计能充分进行冷却的冷却回路 聚丙烯成型的适宜模温为80 左右 不可低于50 否则会造成成型塑件表面光泽差或产生熔接痕等缺陷 但温度过高会产生翘曲现象 上一页 下一页 返回 第五节常用塑料 三 聚氯乙烯 PVC 1 基本特性聚氯乙烯是世界上产量最大的塑料品种之一 其原料来源丰富 价格低廉 性能优良 应用广泛 聚氯乙烯树脂为白色或浅黄色粉末 形同面粉 造粒后为透明块状 根据不同的用途加人不同的添加剂 能使聚氯乙烯塑件呈现不同的物理性能和力学性能 在聚氯乙烯树脂中加入适量的增塑剂 就可制成多种硬质 软质制品 纯聚氯乙烯的密度为1 49g cm3 加人了增塑剂和填料等的聚氯乙烯塑件的密度一般在1 15 2 00g cm3范围内 上一页 下一页 返回 第五节常用塑料 硬聚氯乙烯不含或含有少量的增塑剂 有较好的抗拉 抗弯 抗压和抗冲击性能 可单独用作结构材料 其介电性能好 对酸碱的抵抗能力极强 化学稳定性好 但成型较困难 耐热性不高 软聚氯乙烯含有较多的增塑剂 它柔软而富有弹性 类似橡胶 但比橡胶更耐光 更持久 在常温下其弹性不及橡胶 但耐蚀性优于橡胶 不怕浓酸 浓碱的破坏 不受氧气及臭氧的影响 能耐寒冷 但脆性 硬度 抗拉强度 耐磨性及介电性能较硬聚氯乙烯降低 上一页 下一页 返回 第五节常用塑料 总的来说 聚氯乙烯有较好的电气绝缘性能 可以用作低频绝缘材料 其化学稳定性也较好 但聚氯乙烯的热稳定性较差 长时间加热会导致分解 放出氯化氢气体 使聚乙烯变色 其使用温度范围较窄 一般在 15 55 之间 2 主要用途由于聚氯乙烯的化学稳定性高 所以可用于防腐管道 管件 输油管 离心泵 鼓风机等 聚氯乙烯的硬板广泛用于化学工业上制作各种贮槽的衬里 建筑物的瓦楞板 门窗结构 墙壁装饰物等建筑用材 由于电气绝缘性能优良而在电气 电子工业中 用于制造插座 插头 开关 电缆 在日常生活中 用于制造