《塑料模具设计》-陈志刚-主编第1.3PPT课件.ppt

1 3塑料的组成与分类1 3 1塑料的组成组成塑料的最基本成分是合成树脂 称为基质材料 按实际需要 塑料材料中一般还含有许多其它成分 称为助剂 添加剂 这些助剂用以改善材料的使用性能或工艺性能 热塑性塑料有时也以纯树脂形式使用 热固性塑料则完全以加有助剂的形式使用 1 塑料材料所使用的助剂品种很多 包括填充剂 增强剂 增塑剂 润滑剂 抗氧剂 热稳定剂 光稳定剂 阻燃剂 着色剂 抗静电剂 固化剂 发泡剂和其它某些助剂 对助剂的基本要求是 功能上有效 在塑料加工使用条件下稳定 与树脂结合稳固 不渗析和喷霜 无毒无味 价格适宜 2 1 树脂塑料的主要成分是合成树脂 约占塑料总重量的40 100 其作用是使塑料具有可塑性和流动性 将各种助剂粘结在一起 并决定塑料的类型 热塑性或热固性 和主要性能 物理性能 化学性能 力学性能及电性能等 本书以后章节中将对各种常用树脂做详细介绍 3 2 填充剂 增强剂填充剂又称填料 一般是对聚合物呈惰性的粉末物质 它的加入可以改善塑料的某些物理性能 例如导热性 膨胀性 耐热性 硬度 收缩性 尺寸稳定性等 扩大它的使用范围 减少树脂用量 降低成本 填料含量可达近40 4 增强剂是用来提高塑料的力学性能 即提高材料强度和刚度 硬度等的助剂 以增大材料的承载能力 也往往伴随着改善材料的其它物理性能 如提高耐热性 减小收缩 改善尺寸稳定性 改变导热性和热膨胀性等 人们往往将这两种含义有所区别的助剂视为同一 实际上 填料的含义较广 增强剂的含义较窄 可将增强剂包括在填料内 视为专用于改善材料力学性能的填料 在许多情况下填充剂所起的作用并不比树脂小 是塑料中一个重要但并非必要的成分 5 对填料的要求是 易被树脂浸润 与树脂有很好的粘附性 性质稳定 填料的颗粒大小适中 分散性良好 不吸油和水 对设备不严重磨损 塑料由和组成 答案 树脂添加剂 6 3 增塑剂增塑剂是用以改善塑料塑性 增加成型加工时的流动性 降低制品的脆性 改善材料耐寒性的一种助剂 增塑剂对塑料的增塑机理主要是增塑剂分子可对 树脂大分子起隔离作用 使不同分子链之间的距离增大 减小大分子之间的相互吸引力和缠结 使分子链的内旋转变得容易 从而增加分子链的柔曲性并使分子链相互滑移变得容易 从而增大材料流动性 改善耐寒性 减小脆性等 7 根据卫生指标增塑剂可分为有毒 低毒和无毒三类 完全无毒的增塑剂不多 低毒增塑剂根据各国卫生部门允许可以有条件地用于接触食品和医药行业 根据相容性的大小也可分为主增塑剂 辅增塑剂 主增塑剂与塑料有良好的相容性 可单独使用 辅增塑剂与聚合物相容性较差 一般不能单独使用 常与主增塑剂并用 根据应用性能还可分为耐寒性 耐热性 耐候性 耐燃性 防霉性 抗静电性等增塑剂 8 对增塑剂的基本要求是 挥发性很小 能与树脂很好地混溶而不起化学反应 不易从制件中析出及挥发 不降低制件的主要性能 无毒 无害 无色 不燃及成本低等 一般需多种增塑剂混用才能满足多种性能要求 因此 增塑剂实际上是树脂的不挥发性溶剂 欲达到增塑剂与树脂良好的混溶 必须选用那些与树脂溶解度参数接近的品种 增塑剂的分子量不能太小 方可保证具有很小的挥发性 一般使用的增塑剂 其分子量都希望接近300或超过300 9 增塑剂的常用品种有以下几类 1 苯二甲酸酯类这类增塑剂的优点是可使材料保持良好的绝缘性和耐寒性 2 磷酸酯类这类增塑剂的特点是可以使材料保持有较好的耐热性 但耐寒性却较差 且该类增塑剂有毒性 3 己二酸 壬二酸 癸二酸等的二辛酯这类增塑剂可以使材料具有较好的耐寒性 但耐油性却较差 苯二甲酸酯 磷酸酯 10 在现有塑料品种中 使用增塑剂最多的塑料品种是聚氯乙烯 聚乙酸乙烯 丙烯酸酯类塑料 纤维素塑料 其中聚氯乙烯塑料的用量最大 占增塑剂总产量的80 以上 11 4 着色剂加入到塑料配料中使塑料制品具有各种颜色的助剂统称为着色剂 着色剂的功能主要有 1 美化产品 使制品光彩夺目 提高制品的商品价值 2 赋予制品某种特殊功能 例如可作为辨认标志 或起隐蔽伪装作用 或改善制品的某些性能 例如可改善光学性能 耐候性等 12 对着色剂的具体要求是 色彩鲜艳 着色力大 在塑料中分散良好 耐热 耐光 耐候性好 耐溶剂性和化学稳定性好 对塑料的加工性能和使用性能无明显影响 无毒 无污染 价廉 13 着色剂按其溶解性能分为两大类 染料和颜料 1 染料可以在水 油或有机溶剂中溶解的着色剂称为染料 染料一般都是有机化合物 染料的优点是色泽鲜艳 色彩夺目 色谱齐全 但缺点是耐热性 耐候性 经受外界气候的考验 耐溶剂性皆差 染料是纤维 织物等纺织品的主要着色剂 在塑料中应用较少 主要是用在光学塑料制品中 可以使透明塑料保持较好的透明性 丝织物的主要着色剂 14 2 颜料颜料是不能溶解的着色剂 无论在水中或油中 或在其它溶剂中 都很难使其溶解 因此只能以细粉状均匀掺混到材料中 颜料可以是有机化合物 也可以是无机化合物 颜料是塑料中采用的主要着色剂 如墨水 15 对热稳定剂的要求是 热稳定效率高 并兼具一定的光稳定性 与被稳定的塑料相容性好 不升华 不迁移 不喷霜 不易被水 油或溶剂抽提 不与其他助剂反应 不被硫或铜污染 不显著影响聚合物的理化性能 无毒 无污染 无异味 可制得透明制品 加工使用方便 价格低廉 5 稳定剂 1 热稳定剂 加入到塑料配料中 能改善树脂的热稳定性 抑制其热降解 热分解的助剂称为热稳定剂 16 由于聚氯乙烯的热稳定性特别突出 一般所述的热稳定剂 多是指对聚氯乙烯塑料的专用热稳定剂 除聚氯乙烯外 聚甲醛塑料的热稳定性问题也较突出 但聚甲醛主要是采用对树脂端基封闭处理的方法提高热稳定性 其它塑料在合理的熔融加工温度范围内 都具有尚好的热稳定性 对光稳定剂的具体要求是 能强烈吸收紫外光或有效猝灭激发态分子 激发态一般是指电子激发态 气体受热时分子平动能增加 液体和固体受热时分子振动能增加 但没有电子被激发 这些状态都不是激发态 或具有捕获自由基的足够能量 热稳定性好 在所用塑料加工温度下不发生变化 具有优良的光稳定性和化学稳定性 不与其他组分发生不利反应 与聚合物有良好的相容性 不挥发 不迁移 不被水和溶剂抽出 无毒 无污染 价廉 17 2 光稳定剂 加入到塑料配方中 能改善塑料的耐日光性 防止或降低日光中紫外线对塑料产生破坏的助剂 统称光稳定剂 又称抗紫外线剂 光稳定剂的类型及作用 按其实质可分为以下三类 1 紫外光屏蔽剂 2 紫外线吸收剂 3 紫外线猝灭剂 18 3 抗氧剂 许多树脂在制造 贮存 加工和使用过程中都会因氧化而加速降解 添加到塑料配方中 能延缓或抑制塑料氧化降解 抑制其性能变劣的物质统称抗氧剂 对抗氧剂的具体要求是 有优良的抗氧化性能 与聚合物相容性好 不喷霜 在所用塑料加工温度下稳定 不与其他助剂发生不利反应 无毒 无污染 不变色 不影响聚合物的其他重要性能 耐抽出性好 挥发和迁移性小 价廉 19 6 润滑剂加入到塑料配料中 以便在塑料成型加工中减小摩擦 改善加工性能的助剂 称为润滑剂 塑料润滑剂有外润滑剂与内润滑剂之分 外润滑剂用于减小塑料加工时物料或制品与加工设备金属表面间的摩擦或粘附 例如减小熔体与注塑机 挤出机螺杆间或与料筒间的摩擦 制品与模具型面间的摩擦等 挤出机 20 1 3 2塑料的分类塑料的种类繁多 大约有300多种 常用的塑料也有几十种 而且每一品种又有多种牌号 为了便于识别和使用 需要对塑料进行分类 1 按塑料的使用特性分为通用塑料 工程塑料和功能塑料 1 通用塑料是指一般只能作为非结构材料使用 产量大 用途广 价格低 性能普通的一类塑料 主要有聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯 聚苯乙烯 酚醛塑料和氨基塑料六大品种 约占塑料总产量的75 以上 注 非结构材料 不以力学性能为基础 不用作受力构件所用材料 21 2 工程塑料是指可以作为工程结构材料 力学性能优良 能在较广温度范围内承受机械应力和较为苛刻的化学及物理环境中使用的一类塑料 主要有聚酰胺 尼龙 聚碳酸酯 聚甲醛 ABS 聚苯醚 聚砜 聚酯及各种增强塑料 3 功能塑料是指用于特种环境中 具有某一方面的特殊性能的塑料 主要有医用塑料 光敏塑料 导磁塑料 高耐热性塑料及高频绝缘性塑料等 这类塑料产量小 价格较贵 性能优异 22 2 按塑料受热后呈现的基本特性分热塑性和热固性塑料 1 热塑性塑料是指在一定的温度范围内 能反复加热软化乃至熔融流动 冷却后能硬化成一定形状的塑料 这类塑料基本上是以聚合反应得到的线型或支链型树脂为基础制得的 在成型过程中只有物理变化 而无化学变化 因而受热后可多次成型 废料可回收再利用 如聚乙烯 聚氯乙烯 聚丙烯 聚苯乙烯 聚碳酸酯 ABS 聚甲醛 尼龙及有机玻璃 标牌 广告牌 等 23 2 热固性塑料是指加热温度达到一定程度后能成为不溶和不熔性物质 使形状固化下来不再变化的塑料 这类塑料基本上是以缩聚反应得到的 在成型受热时发生化学变化使线型分子结构转变为体型结构 废料不能再回收利用 如酚醛塑料 氨基塑料 环氧塑料 不饱和聚酯塑料 三聚氰胺塑料等 24 1 4塑料的工艺性能1 4 1热塑性塑料的工艺性能1 收缩性塑件从温度较高的模具中取出冷却到室温后 其尺寸或体积发生收缩的现象 称为收缩性 它可用相对收缩量的百分率表示 即收缩率 S 收缩不仅与热胀冷缩有关 而且还与各种成型因素有关 因此成型后塑件的收缩 称为成型收缩 25 1 影响热塑性塑料成型收缩的主要因素如下 1 热收缩塑料因加热或冷却而按本身热膨胀系数进行膨胀或收缩 2 弹性恢复熔料在成型压力下压缩 脱模后压力消失 产生弹性恢复而使塑件体积膨胀 3 结晶收缩结晶塑料成型冷却过程中因结晶 引起体积收缩 内应力强 塑件内残余应力大 结晶度越高 体积收缩越大 26 4 收缩的方向性成型时分子沿着流动方向取向 冷却中被强烈定向的分子要恢复原来状态 引起收缩 分子定向强的塑料 成型收缩率在塑料熔体流动方向上大 在垂直于塑料熔体流动方向上小 因而使塑件产生各向异性 另外 成型时各部位密度及填料不均 也会使收缩不均匀 收缩的方向性和不均匀性 易使塑件变形 翘曲和裂纹 27 5 浇口形式 尺寸及其分布采用直接浇口或大截面浇口时收缩小 但方向性明显 浇口厚度过小 浇口先硬化 成型压力作用减小 收缩变大 反之塑件致密 收缩小 距浇口近的或与料流方向平行的部位收缩大 熔料在模腔中流动距离越长收缩越大 浇口位置和数量不同 则熔体流向和流程不同 影响分子链的取向方向和程度 不仅影响收缩率的大小 而且使塑件各部位和各方向收缩不同 28 6 成型工艺条件型腔内压力越高 弹性恢复越大 收缩率越小 保压时间长 则收缩小 但方向性明显 料温越高 热胀冷缩就越大 成型收缩率也增大 但引起粘度减小 有利于压力传递 会减小收缩 因此对于粘度大或粘度对温度不敏感的塑料 收缩率增大 对于粘度小或粘度对温度敏感的塑料 收缩率减小 注射时间越短 收缩率越大 模温高 熔料冷却慢 密度高 收缩大 尤其结晶塑料 结晶充分 收缩率增大 冷却时间长 冷却均匀 硬化充分 收缩率小 对于非结晶塑料 冷却时间影响较小 29 从以上分析可知 影响收缩率的因素很多 要确定收缩率的值非常困难 而且复杂 在模具设计时 综合考虑各种因素的影响 按经验确定塑件各部位的收缩率 对于精度要求较高塑件 应留有修模余地 7 塑件结构一般随着壁厚的增加 收缩率增大 因为熔料与型腔表面形成低密度外壳 塑料导热性差 壁越厚则内部冷却越慢 收缩率增大 形状复杂塑件小于形状简单塑件的收缩率 30 2 收缩的形式1 线尺寸收缩由于热胀冷缩 脱模时弹性恢复及塑性变形等原因 塑件脱模冷却到室温后 其尺寸缩小 因此 设计模具成型零件时必须预以补偿 避免尺寸超差 2 后收缩塑件脱模后 因各种残余应力趋向平衡而产生时效变形 引起塑件尺寸缩小的现象 称为后收缩 在成型过程中 塑料熔体在温度和压力下变形流动非常复杂 塑化不均 充模后冷却速度不同等因素的影响 使塑件内出现结晶不均 取向和收缩等一系列应力的作用 脱模后除引起时效变形外 还会使塑件的力学性能 光学性能及表观质量变坏 严重时会开裂 31 一般压注和注射成型的塑件后收缩大于压缩成型塑件 热塑性塑件的后收缩大于热固性塑件的后收缩 非结晶塑料在脱模24h后 基本上完成收缩 但结晶形塑料需很长时间才能达到最终稳定状态 3 后处理收缩为了消除或减小后收缩对塑件的影响 稳定成型后的尺寸 对成型后塑件进行适当热处理 热处理后也会使塑件尺寸发生变化 称为后处理收缩 常用的后处理方法有退火和调湿处理 退火可以消除或降低塑件成型后的残余应力 解除取向 降低塑件硬度和提高韧性 32 调湿处理主要用于因吸湿很强 而产生较大尺寸变化 又易氧化的聚酰胺等塑件 调整其含水量 调湿处理用沸水或醋酸钾溶液 加热温度100 121 在模具设计时 对于高精度塑件应考虑后收缩和后处理收缩的误差 并予以补偿 2 流动性塑料在一定的温度及压力作用下 充满模具型腔的能力 称为流动性 可用熔体指数 在一定的温度和负荷下 其熔体在10min内通过标准毛细管的质量值 以g 10min表示 和阿基米德螺旋线长度 当一点P沿动射线OP以等速率运动的同时 该射线又以等角速度绕点O旋转 点P的轨迹称为 阿基米德螺线 来表示流动性大小 多数采用熔体指数来表示 33 1 流动性分类按照模具设计要求 大致可将热塑性塑料的流动性分三类 1 流动性好的塑料尼龙 聚乙烯 聚丙烯 聚苯乙烯 醋酸纤维素及聚4 甲基戌烯等 2 流动性中等的塑料改性聚苯乙烯 ABS AS 有机玻璃 聚甲醛 聚氯醚及聚甲基丙烯酸甲酯等 3 流动性差的塑料聚碳酸酯 硬质聚氯乙烯 聚苯醚 聚砜及氟塑料等 34 2 影响流动性的因素1 温度一般料温较高时 熔体流动性增大 易于流动成型 但易分解而且脱模后收缩较大 因此料温要适宜才行 不同塑料对温度的敏感性不同 聚苯乙烯 聚丙烯 尼龙 有机玻璃 ABS AS 聚碳酸酯及醋酸纤维素等塑料的流动性对温度变化较敏感 而聚乙烯和聚甲醛的流动性受温度变化影响较小 2 压力适当增加压力能降低熔体粘度 流动性增大 但过高压力会使塑件产生应力 而且会因熔体粘度过小 形成飞边 聚乙烯和聚甲醛的流动性对压力变化较敏感 35 3 模具结构浇注系统的形式 流道与浇口的布置 流道 浇口 模腔的尺寸 型腔表面粗糙度及型腔形状等因素 都会影响到熔料在型腔内的流动性 凡促使熔料温度降低 流动阻力增加的都会使流动性降低 因此模具设计时应考虑所用塑料的流动性 选用合理的模具结构 3 取向与结晶熔体在充模过程中剪切流动 形成分子取向 使塑件力学性能和收缩率产生各向异性 一般平行于取向方向的力学性能较高 收缩率也较大 而垂直于取向方向的力学性能较低 收缩率也较小 取向过大塑件内应力较大 易裂纹 形状和尺寸稳定性较差 取向还会使光学塑件不同方向折射率不同 36 热塑性塑料按其冷凝时有无结晶现象 可分为结晶形塑料和非结晶形 又称无定形 塑料两大类 结晶形塑料有聚乙烯 聚丙烯 聚四氟乙烯 聚甲醛 尼龙 聚氯化醚 聚酯树脂及聚4 甲基戌烯等 非结晶形塑料有聚苯乙烯 聚碳酸酯 聚砜 有机玻璃 ABS 聚氯乙烯及聚苯醚等 37 对于结晶形塑料在模具设计时应注意以下几点 1 结晶形物料上升到成型温度时需要热量多 应使用塑化能力强的设备 2 冷凝结晶时放出的热量大 模具要充分冷却 3 粘流态与固态的密度差值大 成型收缩也大 易发生缩孔和气泡 4 塑件壁薄时 冷却快 结晶度低 收缩小 而厚壁塑件 冷却慢 结晶度高 收缩大 物理性能和力学性能好 因此 应根据塑件的要求严格控制模温 38 5 各向异性明显 内应力大 脱模后未结晶化的分子有继续结晶化倾向 易产生翘曲和变形 6 结晶熔点范围窄 易使未完全熔融塑料注入模具或堵塞浇口 结晶和取向是在塑件成型过程中形成的 其方式与成型条件密切相关 并对塑件性能产生重大影响 结晶和取向只存在于具有线状结构的热塑性塑料中 不存在网状或体型结构的热固性塑料中 39 4 热敏性和水敏性 1 热敏性塑料的化学结构在热量作用下都有可能发生变化 对热量作用的敏感程度 称为塑料的热敏性 具有热敏性的塑料 称为热敏性塑料 如硬聚氯乙烯 聚偏氯乙烯 醋酸乙烯共聚物 聚甲醛及聚三氟氯乙烯等 热敏性塑料在成型过程中 很容易在不太高的温度下受热分解和热降解 或在料温高和受热时间较长的情况下 产生变色 降解及分解 从而影响塑件性能和表面质量等 为避免热敏性塑料在成型中的分解和热降解 一方面在塑料中加入热稳定剂 另一方面合理选择设备 如螺杆式注射机 严格控制成型温度和成型周期 及时清理分解产物和滞料 模具型腔表面镀铬等措施 40 2 水敏性在高温下 熔料对水降解的敏感性 称为水敏性 具有水敏性的塑料 称为水敏性塑料 如聚碳酸酯等塑料 水敏性塑料在成型中 即使含有少量水分 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 41 5 应力开裂与熔体破裂 1 应力开裂有些塑料在成型时易产生内应力而使塑件质脆易裂 塑件在不大的外力或溶剂作用下即发生开裂 把这种现象称为应力开裂 这类塑料有聚苯乙烯 聚碳酸酯及聚砜等 为防止塑件应力开裂方法 在塑料中加入增强填料提高抗裂性 合理布置浇口位置和顶出位置 减小残余应力或脱模力 对塑件进行热处理 消除内应力 使用时禁止与溶剂接触等措施 都可以减小或消除内应力 42 2 熔体破裂是指具有一定熔融指数的塑料 在恒温下通过喷嘴孔时 其流速超过一定值后 熔体表面发生明显的横向裂纹的现象 常出现熔体破裂的热塑性塑料有聚乙烯 聚丙烯 聚碳酸酯 聚砜及氟塑料等 产生熔体破裂的原因是成型过程中切应力或切变速率过大而引起的成型缺陷 会影响塑件的外观和性能 因此 需选用熔体指数较大的塑料 适当地增大喷嘴 流道和浇口的截面积 降低注射速度 提高熔体温度等方法 减缓或消除熔体破裂现象 43 6 吸湿性是指塑料对水分子的亲疏程度 根据这种亲疏程度 塑料大致可分为两种类型 一种是具有吸湿或粘附水分的塑料 如纤维素塑料 有机玻璃 尼龙 聚碳酸酯 ABS 聚砜及聚苯醚等 一种是不吸湿也不粘附水分的 如聚乙烯 聚丙烯 聚苯乙烯及氟塑料等 凡是具有吸湿或粘附水分的塑料 如果水分含量超过一定限度 在成型加工过程中变成水气 将会促使塑料高温水解 使熔体起泡和粘度下降 影响塑件外观 机械强度下降 因此对吸湿性强的塑料 在成型前必须进行干燥处理 44 1 4 2热固性塑料的工艺性能1 收缩性热固性塑料成型收缩的形式及其影响因素与热塑性塑料类似 在模具设计时应根据影响因素综合考虑选取塑料的收缩率 2 流动性热固性塑料的流动性通常用拉西格流动性来表示 测定热固性塑料流动性的模具叫拉西格压模 图2 21 将一定重量的欲测塑料预压成圆锭 再将圆锭放入压模中 于一定的温度和压力下 测定它在3min内从模孔中挤出的塑料条长度 毛糙部分不计在内 以mm计 此即拉西格流动性 这一长度值愈大 则此种热固性塑料的流动性愈好 45 图1 6拉西格压模1 加料室2 模套3 组合凹模4 流料槽 46 影响热固性塑