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塑料基础知识 培训时间 2014年1月6日培训人 李德胜 塑料的定义 塑料是以树脂为主要成分 在一定温度和压力下塑造成一定形状 并在常温下能保持既定形状的高分子有机材料 树脂是指受热时通常有转化或熔融范围 转化时受外力作用具有流动性 常温下呈固态或半固态或液态的有机聚合物 它是塑料最基本的 也是最重要的成分 广义地讲 在塑料工业中作为塑料基本材料的任何聚合物都可称为树脂 高分子材料概述 高分子材料有天然的和人工合成的两大类 天然的有纤维素 淀粉 蛋白质等 人工合成的有热固性塑料和热塑性塑料和弹性体三大类 热固性塑料具有立体网状结构 经过一次热软化成型后 其后不能再进行加热软化 强热只能使其分解破坏 不能反复塑制 热塑性塑料一般具有立体链状线性结构 受热软化 可以反复塑制 弹性体是具有高弹性的橡胶 包括天然橡胶和合成橡胶 塑料的分类 按塑料用途分通用塑料 一般指产量大 用途广 成型性好 价廉的塑料 如聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯等 工程塑料 般指能承受一定的外力作用 并有良好的机械性能和尺寸稳定性 在高 低温下仍能保持其优良性能 可以作为工程结构件的塑料 如ABS 尼龙 聚矾等 特种塑料 般指具有特种功能 如耐热 自润滑等 应用于特殊要求的塑料 如氟塑料 有机硅等 塑料的分类 按塑料的物理化学性能分热塑性塑料 在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料 如聚乙烯塑料 聚氯乙烯塑料 热固性塑料 因受热或其它条件能固化成不熔不溶性物料的塑料 如酚醛塑料 环氧塑料等 塑料基本性能 质量轻 强度高优异的电绝缘性能优良的化学稳定性能减摩 耐磨性能好透光及防护性能透光及防护性能 塑料助剂 热稳定剂如果不加说明 热稳定剂专指聚氯乙烯及氯乙烯共聚物加工所使用的稳定剂 聚氯乙烯及氯乙烯共聚物属热敏性树脂 它们在受热加工时极易释放氯化氢 进而引发热老化降解反应 热稳定剂一般通过吸收氯化氢 取代活泼氯和双键加成等方式达到热稳定化的目的 工业上广泛应用的热稳定剂品种大致包括盐基性铅盐类 金属皂类 有机锡类 有机锑类等主稳定剂和环氧化合物类 亚磷酸酯类 多元醇类 个二酮类等有机辅助稳定剂 塑料助剂 分散剂塑料制品实际上是基础树脂与各种颜料 填料和助剂的混合体 颜料 填料和助剂在树脂中的分散程度对塑料制品性能的优劣至关重要 分散剂是一种促进各种辅助材料在树脂中均匀分散的助剂 多用于母料 着色制品和高填充制品 包括烃类 石蜡油 聚乙烯蜡 氧化聚乙烯蜡等 脂肪酸皂类 脂肪散酯类和脂肪酰胺类等 塑料助剂 润滑剂和脱模剂润滑剂是配合在聚合物树脂中 旨在降低树脂粒子 树脂熔体与加工设备之间以及树脂熔体内分子间摩擦 改善其成型时的流动性和脱模性的加工改性助剂 多用于热塑性塑料的加工成型过程 包括烃类 如聚乙烯蜡 石蜡等 脂肪酸类 脂肪醇类 脂肪酸皂类 脂肪酸酯类和脂肪酰胺类等 脱模剂可涂敷于模具或加工机械的表面 亦可添加于基础树脂中 使模型制品易于脱模 并改善其表面光洁性卧前者称为涂敷型脱模剂 是脱模剂的主体 后者为内脱模剂 具有操作简便等特点 硅油类物质是工业上应用最为广泛的脱模剂类型 塑料助剂 阻燃剂阻燃剂实际上是阻燃作用和抑烟功能助剂的总称 准确地讲 阻燃剂称作难燃剂更为恰当阻燃剂依其使用方式可以分为添加型阻燃剂和反应型阻燃剂 按照化学组成的不同 阻燃剂还可分为无机阻燃剂和有机阻燃剂 无机阻燃剂包括氢氧化铝 氢氧化镁 氧化锑 硼酸锌和赤磷等 有机阻燃剂多为卤代烃 有机溴化物 有机氯化物 磷酸酯 卤代磷酸酯 氮系阻燃剂和氮磷膨胀型阻燃剂等 聚乙烯PE 分子式 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 简写 nCH2 CH2 聚合压力大小 高压 中压 低压 聚合实施方法 淤浆法 溶液法 气相法 产品密度大小 高密度 中密度 低密度 线性低密度 产品分子量 低分子量 普通分子量 超高分子量 聚乙烯PE LDPE 低密度聚乙烯 又称高压聚乙烯 LLDPE 线形低密度聚乙烯MDPE 中密度聚乙烯HDPE 高密度聚乙烯 又称低压聚乙烯 UHMWPE 超高分子量聚乙烯改性聚乙烯 氯化聚乙烯 CPE 交联聚乙烯 PEX 乙烯共聚物 乙烯 丙烯共聚物 塑料 EVA 乙烯 丁烯共聚物 乙烯 其它烯烃 如辛烯POE 环烯烃 的共聚物 乙烯 不饱和酯共聚物 EAA EMAA EEA EMA EMMA EMAH 分子量达到300万 600万的聚乙烯称为超高分子量聚乙烯 UHMWPE 超高分子量聚乙烯的强度非常高 可以用来做防弹衣 生产方法 分为高压法 低压法 中压法三种 高压法用来生产低密度聚乙烯 这种方法开发得早 用此法生产的聚乙烯至今约占聚乙烯总产量的2 3 但随着生产技术和催化剂的发展 其增长速度已大大落后于低压法 低压法就其实施方法来说 有淤浆法 溶液法和气相法 淤浆法主要用于生产高密度聚乙烯 而溶液法和气相法不仅可以生产高密度聚乙烯 还可通过加共聚单体 生产中 低密度聚乙烯 也称为线型低密度聚乙烯 近年来 各种低压法工艺发展很快 中压法仅菲利浦公司至今仍在采用 生产的主要是高密度聚乙烯 聚乙烯性能 HDPE 高密度聚乙烯为无毒 无味 无臭的白色颗粒 熔点约为130 相对密度为0 941 0 960 它具有良好的耐热性和耐寒性 化学稳定性好 还具有较高的刚性和韧性 机械强度好 介电性能 耐环境应力开裂性亦较好 熔化温度220 260C 对于分子较大的材料 建议熔化温度范围在200 250C之间 MDPE MDPE的相对密度为0 926 0 953 结晶度为70 80 平均分子量为20万 拉伸强度为8 24兆帕 断裂伸长率为50 60 熔融温度126 135 熔体流动速率为0 1 35克 10分钟 热变形温度 0 46兆帕 49 74 LDPE 低密度聚乙烯为乳白色圆珠形颗粒 无毒 无味 无臭 表面无光泽 密度为0 916 0 925g cm3 性质较柔软 具有良好的延伸性 电绝缘性 化学稳定性 加工性能和耐低温性 可耐 70 但机械强度 隔湿性 隔气性和耐溶剂性较差 分子结构不够规整 结晶度 55 65 低 结晶熔点 108 126 也较低 聚乙烯生产方法 聚乙烯生产方法 聚乙烯按聚合压力可以分为高压法 中压法 低压法 按介质来分可以分为淤浆法 溶液法 气相法 低压法 分淤浆法 溶液法和气相法三种 除溶液法外 聚合压力都在2MPa以下 一般步骤有催化剂的配制 乙烯聚合 聚合物的分离和造粒等 中压法 用负载于硅胶上的铬系催化剂 在环管反应器中 使乙烯在中压下聚合 生产高密度聚乙烯 低压法生产聚乙烯 淤浆法 生成的聚乙烯不溶于溶剂而呈淤浆状 淤浆法聚合条件温和 易于操作 常用烷基铝作活化剂 氢气作分子量调节剂 多采用釜式反应器 由聚合釜出来的聚合物淤浆经闪蒸釜 气液分离器到粉料干燥机 然后去造粒 图4 生产过程中还包括溶剂回收 溶剂精制等步骤 采用不同的聚合釜串联或并联的组合方式 可以得到不同分子量分布的产品 溶液法 聚合在溶剂中进行 但乙烯和聚乙烯均溶于溶剂中 反应体系为均相溶液 反应温度 140 压力 4 5MPa 较高 特点是聚合时间短 生产强度大 可兼产高 中 低三种密度的聚乙烯 能较好地控制产品的性质 但溶液法所得聚合物分子量较低 分子量分布窄 固体物含量较低 气相法 乙烯在气态下聚合 一般采用流化床反应器 催化剂有铬系和钛系两种 由贮罐定量加入到床层内 用高速乙烯循环以维持床层流态化 并排除聚合反应热 生成的聚乙烯从反应器底部出料 图5 反应器的压力约2MPa 温度85 100 气相法是生产线型低密度聚乙烯最主要的方法 气相法省去了溶剂回收和聚合物干燥等工序 且比溶液法节省投资15 和操作成本10 为传统高压法投资的30 操作费的1 6 因而得到了迅速发展 但气相法在产品质量及品种上有待进一步改进 塑料的热力学三态 玻璃态 高弹态 粘流态 玻璃态 相当于无机物的固态 处于玻璃态的塑料分子链段基本上处于停止的状态 分子只在自身的位置上振动 在这种形态下 塑料件可以进行削 切 刨等机械加工 大多数塑料常温下都处在玻璃态形态下 如 POM PC PBT ABS等等 高弹态 处于高弹态下的塑料分子 动能增加 分子的运动维持在小链段的旋转 链与链之间不会发生位移 在这种形态下 当塑料件受到外力的作用时会发生缓慢形变 外力除去后又慢慢恢复原来的形状 大多数塑料只有在热加工过程中出现塑料的高弹态 在常温下处于高弹态的塑料有TPE TPU等弹性体塑料 粘流态 所有塑料只有在热加工过程中才会出现粘流态 处于粘流态的塑料分子 网状结构已解体 大分子链与链之间 链段与链段之间都能自由移动 外力很容易使塑料体变形 除去外力后不再恢复原形 注塑成型过程可以这样讲 通过加热和外力的作用 让塑料从室温的玻璃态 或高弹态 经高弹态转变为粘流态 注射入具有一定形状的封闭模腔 然后在模腔中逐渐冷却 从粘流态返回常态的玻璃态或高弹态 最后取出与模腔形状一致的塑料制品 塑料的取向 塑料在加工过程中 在力的作用下 流动的大分子链段存在的方向或区域上造成的性质差异 熔体在模腔的取向过程 直接影响制品的品质 我们下来谈谈工艺参数对取向应力及其对制品性能的影响 A 熔体温度高 粘度低 剪切力降低则取向度减少 B 在浇口封闭前 延长保压时间 会导致取向应力增加 C 提高射出压力或保压压力 会增大取向应力 D 模具温度高可使制品缓慢冷却 减缓取向作用 E 加强制品厚度可降低取向应力 制品中内应力的存在会严重影响制品的力学性能和使用性能 由于内应力的存在及分布不均 会造成制品会使用中裂纹 变形 翘曲 还会引起制品表面泛白 浑浊及光学性能变坏 注塑机结构 注射系统 均匀加热和塑化一定的塑料 在一定的压力和速度下 将定量的熔料注射到模腔中 当注射结束后对模腔内的熔料进行保压预装置主要由 螺杆 料筒和喷嘴组成注射装置主要由 注射座 注射油缸 螺杆驱动装置和注射座移动油缸组成 射出装置的结构 旋转螺杆 料斗 射出驱动油缸 计量马达 止逆环 止逆环 计量中射出中 射胶组件 止逆环 射出装置动作一 计量 预塑 预塑时 螺杆旋转 将从料口落入螺槽中的物料连续地向前推进 加热圈通过料筒壁把热量传递给螺槽中的物料 固体物料在外加热和螺杆旋转剪切热双重作用下 并经过螺杆各功能段的热历程 达到塑化和熔融 熔料推开止逆环 经过螺杆头的周围通道流入螺杆的前端 并产生背压 推动螺杆后移完成熔料的计量 在注射时 螺杆起柱塞的作用 在油缸作用下 迅速前移 将储料室中的熔体通过喷嘴注入模具 抽胶 射出装置动作二 射胶 注塑机结构 锁模系统 由合模装置 调模装置和制品顶出装置组成 其主要功能有 实现模具的启闭 提供足够的锁力 顶出制品 调整容模厚度 A 机械液压曲肘式锁模机构 A 机械液压曲肘式锁模机构 使用曲肘方式获取锁模力 使用较小直径的驱动油缸也能获得固定大型模具所需要的锁模力 但是存在因为拉杆数量多 结构复杂 易磨损 开合模精度差 B 直压式锁模系统 半合螺母拉杆开合模油缸锁模油缸 动模固定板定模固定板 直压式则是通过锁模油缸的油压直接产生模具锁紧力 但是如果锁模油缸非常大 需要移动较大行程时 就需要花费很长的时间 所以采用了半合螺母机构 当模具开始关闭时 半合螺母打开 通过开合模油缸进行模具关闭 等模具关闭到拉杆的沟槽的位置时 半合螺母关闭 连杆与动模固定板被锁紧 在这种情况下 通过锁模油缸拉紧拉杆来产生锁模力 虽然直压式需要的模具固定油缸非常大 但是因为动模固定板处没有油缸装置 与曲肘式相比较 具有设备体积较小 以及模具固定机构的精度容易长期维持等的优点 直压式锁模锁模系统 2 半合螺母锁住拉杆 3 锁模开始 4 锁模完成 注塑机结构 控制系统 它的作用是 保证注塑机按一定的工艺参数和动作程序准确有效地进行工作 它由液压系统 电气控制系统和加热冷却装置三部分组成 其五大参数是 压力 流量 时间 温度 行程 液压系统由各各液压元件 如泵 油马达 阀类 蓄能器 和回路 如管路和管路控制装置 等组成 而电气控气控制系统由动作程序控制装置 故障检测报警控制装置和安全保护装置组成 加热 冷却装置由加热器 风机和冷却水管路等组成 料筒的作用是 加热 剪切 压缩 混合 输送 熔化塑料 料筒的结构由 螺杆 料筒 喷嘴 加热圈 电源 注塑机结构 其它机构 其它机构由机架 传动装置 料斗 加料装置和润滑装置等组成 周边设备有 机械手 自助增料机 碎料机 模温机 冻水机 油温机 120 以上 水温机 120 以下 注塑机的类型 按塑化分成 螺杆 柱塞按合模系统特征 机械式合模 液压式合模 液压 机械式合模按注射与合模装置的排列顺序式及特点 立式 卧式 角式 多模式按设备加工能力式型号合模力 KN 注射容量mm3超小型160以下16以下小型160 200016 630中型2500 4000800 3150大型5000 125004000 10000超大型16000以上16000以上按使用特征 热塑性通用型 热固性 排气 变色 精密 注塑机分类 卧式注塑机 角式注塑机 立式注塑机 注塑机的注塑参数 注射量 螺杆推进容积 D2 4 螺杆直径 螺杆的外径尺寸 m m 螺杆有效长度 螺杆上有螺纹部分长度 m m 常用L表示 螺杆的长径比L D指螺杆有效长度与直径的比值 其值常在15 25倍之间 芽与芽之间的距离约等于直径 故其值愈大 表示塑料在料筒中旋转的圈数越多 滞留时间长 热能也就越多 这值应不同材料选择 螺杆压缩比 螺杆加料段 第一段螺槽容积与计量段最末的一个螺槽容积之比V1 V2 加料牙深 计量牙深其值通常在2 3 5之间 压缩比愈大 塑料混炼度越好 塑料在料筒内磨擦越大 温度升高 压缩排气越好 其选择也应因料而异 常是调背压 注射行程 螺杆移动的最大距离m m 注射量V2 D2 4 L 注射量 螺杆一次注射最大重量 g 注射压力 注射时螺杆头部预料所发生的最大压力 Mpa 0 1Mpa 1b 1kgf cm2 1kgf 10牛顿 注射时间 注射时螺杆走完注射行程的最短时间 s 螺杆旋转数 回转数 物料塑化时螺杆最低到最高的转速范围 每分钟最快转速9 9M 注射速度 注射时螺杆移动的最大速度mm s 背压 指熔胶开始时 在螺杆后退的反方向上所加在熔融塑料上的压力 背压的目的着重在计量之稳定 塑料熔融的均匀性帮助塑料中的挥发成分或气体能够快速地由漏斗溢口处出 增进塑料的密度 增加原料混炼胶果并适应增加磨擦热以帮助塑料均匀融解 保压 模穴的压力变化分为二个阶段 第一阶段是塑料射入模穴直到充满模穴 此段为增充阶段 然后速度减慢 塑料被继续挤入模穴 成品密度提高 这被挤入的额外的塑料在弥补成品的收缩量 增加密度 此时的压力被称为保压 枕压 保压愈高 时间越长 则成品缩水越小 流动比 此值的计算是 成品由浇口至最长一点的距离 制品的平均厚度 通常流比值小于150为容易成型 大于比值较难成型 如过大的流动比值 则须考虑使用特殊装置以辅助射出速度 如氮气射胶 合模部分技术参数 合模力 为克服熔料胀模 使模具最大的锁模力 KN 计算公式锁模力F TON F Am Pv 1000 F 锁模力TON Am 模腔投影面积CM2 Pv 充填压力KG CM2 一般塑胶材料充填压力在150 350KG CM2 成型面积 指一定的模腔压力下 锁模最大投影面积 mm2 开模力 为取出制品使模具开启的最大压力 KN 开模行程 为取出制品 使用模具平移的最大距离 cm 模板尺寸 前后定模与动模板 模具安装尺寸 m m 模高 注塑机上能容模具最大厚度与最小厚度 cm 模板开距 注塑机定模板与动模板之间开得最大或最小的距离 cm 拉杆距离 注塑机的拉杆 哥林柱 水平面与垂直平面内侧的间距 m m 温控参数 烘料温度 料的干燥是某些必备的工序 如果塑料的温度 含水量 超过限度 制品易出现剥层 银纹 料花 等不良现象 一般常用烤料温度70 85 左右 料筒