第6讲 塑料及其成形

第四章塑料及其成形塑料的概念塑料：以合成树脂或天然树脂为主要成分，加入适量的添加剂，以增加其工艺性能与使用性能。在一定温度压力下制成具有一定结构形状，能在常温下保持其形状不变的高分子材料。添加剂有：填料和增强材料、填充剂、增塑剂、固化剂、稳定剂、润滑剂、抗静电剂、阻燃剂等。塑料的分类按照使用特性，分为：通用塑料：指产量大、用途广、成型好、价格便宜的塑料，如聚乙烯、聚丙烯、酚醛等。工程塑料：指能承受一定外力作用、具有良好的力学性能和耐高、低温性能，尺寸稳定性较好，可以用作工程结构的塑料，如聚酰胺、聚砜等。特种塑料：具有特种功能，如氟塑料和有机硅等。按照理化特性，又可分为：热固性塑料：指在受热或其他条件下能固化或具有不溶(熔)特性的塑料。酚醛塑料（PF）、氨基塑料（MF）、环氧塑料（EP）等。优点：强度、耐热性好，受压不宜变形。缺点：成型工艺复杂，生产效率低。热塑性塑料：指在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料。聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、ABS塑料、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，又称有机玻璃）、聚酰胺（PA，俗称尼龙）、聚碳酸酯（PC）、聚甲醛（POM）、聚苯醚（PPO）、聚砜（PSF）、聚四氟乙烯（PTFF）、氯化聚醚（CPT）等。优点：成型工艺简单，生产率高，具有一定的力学性能，可重复回收使用。缺点：耐热性差，刚度较低。塑料制品的优点：质量轻，比强度高；耐腐蚀，化学稳定性好。有优良的电绝缘性能、光学性能、减摩、耐磨性能和消声减震性能。加工成形方便，成本低。主要不足：耐热性差、刚性和尺寸稳定性差、易老化等。注射成形塑料注射成形：又称注塑成形，是热塑性塑料成形的主要加工方法，近年来，也用于部分热固性塑料的成形加工。注射过程：包括加料、塑化、注射、保压、冷却定型和脱模等几个步骤。特点：生产效率高、易于实现机械化和自动化、并能制造外形复杂，尺寸精确的塑料制品，大约60%~70%的塑料制件用注射成形方法生产。注射成形工艺过程示意压塑成形压塑成形：又称压缩成形、模压成型，是塑料成形加工中较传统的工艺方法，目前主要用于热固性塑料的加工。压塑成形原理:将经过预制的热固性塑料原料（也可以是热塑性塑料），直接加入敞开的模具加料室，然后合模，并对模具加热加压，塑料在热和压力的作用下呈熔融流动状态充满型腔，随后由于塑料分子发生交联反应逐渐硬化成形。成形工艺过程：预先对塑料原料进行预压成形和预热处理，然后将塑料原料加入到模具加料室闭模后加热加压，使塑料原料塑化，经过排气和保压硬化后，脱模取出塑件。然后清理模具和对塑件后期处理。压塑成形工艺过程示意加料压塑成形

顶出脱模

1-自动加料装置；2-料斗；3-上模板；4-凸模；5-压缩空气上下吹管；6-凹模；7-下模板；8-顶出杆传递成形原理：又称压注成形或挤胶成形，它是在压塑成形的基础上发展起来的热固性塑料成形方法，其工艺类似于注射成形工艺，所不同的是传递成形时塑料在模具的加料室内塑化，再经过浇注系统进入型腔，而注射成形是在注射机料筒内塑化。工艺过程：将塑料原料经过预处理，闭模后将原料加入加料室加热软化（若是下加料室传递成形应先加料，后闭模加热），随即在柱塞的挤压下通过模具的浇注系统将熔融塑料挤入型腔，塑料在型腔内继续受热受压而固化成形，然后开模取出制品，并清理型腔、加料室和浇注系统。优点：成形周期短；塑件飞边小，易于清理；能成形薄壁多嵌件的复杂塑料制品；塑件的精度和质量较压塑件高。缺点：传递成形加料室内总会留有余料，塑料损耗较大；模具结构较压塑模复杂，制造成本较高。传递成形工艺过程示意装料入加料室、充型、开模、加热软化继续加热并加压、取出塑件固化定型1-柱塞；2-加料室；3-上模座；4-凹模；5-凸模；6-凸模固定板；7-下模座；8-浇注系统凝料；9-塑件真空成形概念：也称为吸塑成形，它是将热塑性塑料板材、片材固定在模具上，用辐射加热器加热到软化温度，用真空泵（或空压机）抽取板材与模具之间的空气，借助大气压力使坯材吸附在模具表面，冷却后再用压缩空气脱模，形成所需塑件的加工方法。成形特点：生产设备简单，效率高，模具结构简单，能加工大尺寸的薄壁塑件，生产成本低。真空成形方法：凹模真空成形、凸模真空成形、凹凸模真空成形等。适宜真空成形常用塑料品种有：聚乙烯、聚丙烯、聚绿乙烯、ABS等。挤出成形也称为挤塑成形，主要用于热塑性塑料生产棒、管等型材和薄膜等，也是中空成形的主要制坯方法。1-挤出机料筒；2-机头；3-定型装置；4-冷却装置；5-牵引装置；6-塑料管；7-切割装置反应注射成形原理：把两种发生反应的塑料原料分别加热软化后，由计量系统进入高压混合器经混合发生塑化反应，再注射到模具型腔中，它们在型腔中继续发生化学反应，并且伴有膨胀、固化的加工工艺。应用：它适合加工聚氨酯、环氧树脂等热固性塑料，也可以用于生产尼龙、ABS、聚酯等热塑性塑料。例如，轿车仪表盘、方向盘、飞机和汽车的座椅及椅垫、家具和鞋类、仿大理石浴缸浴盆等。塑料在汽车上的应用按功能应用主要分为三类：外装件：以塑代钢，增加塑料制品的应用量，减轻汽车重量，达到节能的目的。如保险杠等。内饰件：以安全、环保、舒适为应用特征，用可吸收冲击能量和振动能量的弹性体和发泡塑料制造仪表板、座椅、头枕等制品，以减轻碰撞时对人体的伤害，提高汽车的安全系数。功能结构件：多采用高强度工程塑料，减轻重量，降低成本，简化工艺。如用塑料燃油箱，发动机和底盘上的一些零件等。五大工程塑料在汽车上的用途各有偏重尼龙：主要用于汽车发动机及发动机周边部件，主要品种是GFPA6、GFPA66、增强阻燃PA6等产品。在汽车发动机周边部件上的应用：由于发动机周边部件主要是发热和振动部件，其部件所用材料大多数是玻纤增强尼龙。尼龙具有较好的综合性能，用玻纤改性后的尼龙，主要性能得到很大的提高，如强度、制品精度、尺寸稳定性等均有很大的提高。尼龙的品种多，较易回收循环利用，价格相对便宜等，这些因素促成尼龙成为发动机周边部件的理想选择材料。进气歧管是改性尼龙在汽车中最为典型的应用，1990年德国宝马汽车公司，首先将以玻纤增强尼龙为原料制造的进气歧管应用在六汽缸发动机上；以后世界各大汽车公司纷纷跟进，改性尼龙进气歧管得到广泛的应用。在汽车发动机部件上的应用发动机盖，发动机装饰盖，汽缸头盖等部件一般都用改性尼龙作为首选材料与金属材质相比，以汽缸头盖为例质量减轻50%，成本降低30%。除了发动机部件外，汽车的其他受力部件也可使用增强尼龙，如机油滤清器，刮雨器，散热器格栅等。聚酯PBT：广泛地用于生产保险杠、化油器组件、挡泥板、扰流板、火花塞端子板、供油系统零件、仪表盘、汽车点火器、加速器及离合器踏板等部件。PBT与增强PA、PC、POM在汽车制造业中的竞争十分激烈。PA易吸水，PC的耐热性耐药性不及PBT；在汽车用途接管方面，由于PBT的抗吸水性优于PA，将会逐渐取代PA。在相对湿度较高、十分潮湿的情况下，由于潮湿易引起塑性降低，电器节点处容易引起腐蚀，常可使用改性PBT。在80℃、90%相对湿度下，PBT仍能正常使用，并且效果很好。GE公司的PBT/PC合金，商品名为Xenoy1731,在高级轿车中应用最为广泛；它的耐热性好，耐应力开裂，具有优良的耐磨，耐化学腐蚀性，低温冲击强度高，易加工和涂饰性好，主要应用于高档轿车保险杠，车底板，面板和摩托车护板等。聚甲醛POMPOM生产的汽车部件质轻，噪声低，成型装配简便，因此在汽车制造业获得越来越广泛的应用。POM质轻，加工成型简便，生产成本低廉，材料性能与金属相近。改性POM的耐磨系数很低，刚性很强，非常适合制造汽车用的汽车泵、汽化器部件、输油管、动力阀、万上节轴承、马达齿轮、曲柄、把手、仪表板、汽车窗升降机装置、电开关、安全带扣等。制造轴套、齿轮、滑块等耐磨零件是改性POM的强项，这些部件对金属磨耗小，减少了润滑油用量，增强了部件的使用寿命；因此可以广泛替代铜、锌等金属生产轴承、齿轮、拉杆等。聚碳酸酯：改性PC由于具有高机械性能和良好的外观，在汽车上主要用于外装件和内装件，用途最为广泛的是PC/ABS合金和PC/PBT合金。汽车内装件：PC/ABS合金是最适合用于汽车内装件的材料。因为PC/ABS合金具有优异的耐热性、耐冲击性和刚性，良好的加工流动性。也是制造汽车仪表板的理想材料。PC/ABS合金的热变形温度为110℃～135℃，完全可以满足热带国家炎热的夏天中午汽车在室外停放的受热要求。PC/ABS合金有良好的涂饰性和对覆盖膜的黏附性，因此用PC/ABS合金制成的仪表板无需进行表面预处理，可以直接喷涂软质面漆或覆涂PVC膜。PC/ABS合金还用来制造汽车仪表板周围部件、防冻板、车门把手、阴流板、托架、转向柱护套、装饰板、空调系统配件等汽车零部件。汽车外装件：PC/PBT合金和PC/PET合金既具有PC的高耐热性和高冲击性，又具有PBT和PET的耐化学药品性、耐磨性和成型加工性，因此是制造汽车外装件的理想材料。PC/PBT汽车保险杠可耐－30℃以下的低温冲击，保险杠断裂时为韧性断裂而无碎片产生。弹性体增韧PC/PBT合金和PC/PET合金更适合制作汽车车身板、汽车侧面护板、挡泥板、汽车门框等。高耐热型PC/PBT合金和PC/PET合金的注射成型外装件可以不用涂漆。PC/PET合金可制作汽车排气口和牌照套。PC/ABS合金也可以制作汽车外装件，如汽车车轮罩、反光镜外壳、尾灯罩等。PC/ABS具有良好的成型性，可加工汽车大型部件，如汽车挡泥板。聚苯醚改性PPO在汽车上主要用作对耐热性、阻燃性、电性能、冲击性能、尺寸稳定性、机械强度要求较高的零部件。如PPO/PS合金适用于潮湿、有负荷和对电绝缘要求高、尺寸稳定性好的场合，适合制造汽车轮罩、前灯玻璃嵌槽、尾灯壳等零部件，也适合制造连接盒、保险丝盒、断路开关外壳等汽车电气元件。PPO/PA由于具有优异的力学性能、尺寸稳定性、耐油性、电绝缘性、抗冲击性。可用于制作汽车外部件，如大型挡板、缓冲垫、后阻流板等。对玻璃化转变温度要求较高的发动机罩时PPO/PA合金今后的应用方向。PPO/PBT合金的热变形温度高，对水分敏感度小，是制造汽车外板的理想材料。图2为用LGF－PP制造的福特Fiesta后车门．同钢车门相比，其质量减轻了50%。纳米聚合物复合材料：由有机聚合物基体与纳米无机分散相（至少有一维小于100nm）组成。由于尺寸效应、大比表面积和强界面结合，纳米复合材料强度高、耐热、抗紫外线、阻燃、阻隔性好、加工性能好等。现用的纳米填充物主要为纳米蒙脱土，其比例一般为3%～5%。纳米滑石因其需要的剥离能量较低，已开始进入市场。潜在的纳米填料还有纳米二氧化硅、纳米碳管等。纳米PA是最早的汽车纳米复合材料，主要应用对象为燃料系统和发动机罩下零件。随后又相继开发了以其他热塑性工程塑料（ETPs）、TPO和PP为基体的纳米复合材料。图13尼龙油底壳，用于戴姆勒—克莱斯勒04款ActorsBR500重型载货车。材料为35%玻纤增强UItramidA3HG7尼龙。是世界第一个尼龙油底壳。其质量较铝油底壳轻50%，而储油能力增大了30%，并具有较高耐热、耐蚀性，高的冲击强度和阻尼性能。图14一体化车门内饰，用于福特05款Mustang。是第一个将8英寸（203mm）扬声器及其密封式音室与面饰制成一体的车门。不仅改善了车内音响效果，而且还可减轻质量8.2kg，节省40美元。图15双色调仪表板，用于福特05款Mustang。借助CAE技术和同时双注塑工艺，将两种颜色树脂同时注入模具中．使仪表板下部呈现两种色调（免油漆），并具有高抗擦伤能力。本田2006款Redgeline皮卡采用了SMC行李厢。是世界第一个多块玻璃纤维增强SMC复合材料嵌入式行李厢。零件数由钢设计的100多个减至7个，质量减轻30%，而且还具有较高的容量和冲击强度，较好的耐蚀性和防滑性。戴姆勒—克莱斯勒03款SmartRoadster车顶及车身外板采用了免油漆塑料车身PC薄膜和ASA/PC树脂涂层形成了具有高光泽度、抗紫外线、抗擦伤的A级表面。

塑料具有多种优势减轻车体的重量，－般塑料的比重0.9～1.5，纤维增强复合材料比重也不超过2.0。塑料成形容易，使得形状复杂的部件加工十分便利。例如仪表台用钢板加工，往往需先加工成型各零件，再分别用连接件装配或焊接而成，工序较多，而用塑料可－次加工成型，加工间短，精度保证。塑料制品的弹性变形特性能吸收量的碰撞能量，对强烈撞击较大的缓冲作用，对车辆乘员起保护作用。另外，塑料还具吸收衰减振动噪声的作用，可提高乘坐的舒适性。现代汽车都采用塑化仪表板方向盘，增强缓冲作用。前后保险杠、车身装饰条都采用塑料材料，减轻车外物体对车身的冲击力。塑料耐腐蚀性强，局部受损腐蚀。如果用塑料做车身覆盖件，十分适宜污染较大的区域使用。根据塑料的组织成分，通过添加同的填料、增塑剂硬化剂制所需性能的塑料，改变材料的机械强度及加工成型性能，适应不同部件的用途。保险杠相当的机械强度，而坐垫靠背就采用柔软的聚氨酯泡沫塑料。塑料颜色可通过添加剂调同颜色，省去喷漆的麻烦。某些塑料件还可电镀，如ABS塑料具有很好的电镀性能，可用于制作装饰条、标牌、开关旋钮、车轮装饰罩等。塑料未来技术发展方向内装件PVC不久将从内饰件应用中退出；聚氨酯因其柔软的触感，预计在内饰件（尤其是高档车）上的应用会不断增长，而中档车在内饰PP化推动下可能更倾向于采用TPO；PU在内饰中尚难以被其他材料取代；复合材料在结构件（如座椅骨架）和吸收冲击能量的零件上的应用将会增长；金属－塑料混合材料在内装件中的应用极具潜力。未来要着力开发外表美观（低反光、耐磨、半透明）同时具有良好降噪性能（尤其是嗡嗡、吱吱声和卡嗒声）的内饰新材料；开发具有优良高速冲击性能的内装件材料；弄清塑料材料触觉特性的本质。开发快速制造技术；适应不同材料体系的一步成形技术；人工智能系统。照明、电子、环境控制一体化设计；内、外装材料体系同一化。根据使用性能要求，制定材料技术标准；制定适用于不同材料竞争分析的试验标准；建立汽车内装件用先进塑料、复合材料的毒性和对环境破坏性的统一评估方法。外装件开发耐候、耐化学侵蚀，具有良好的表面光泽和抗轻微撞击性能的外装件用聚合物体系；提高塑料零部件的表面光洁度；开发光亮、耐候的着色剂；开发先进的增强材料及增强技术；开发可生产出A级表面、免油漆外装件的复合材料。开发大批量、低成本的工装技术；开发大型薄壁零件快速制造工艺；开发先进的模压机；虚拟原型技术；低成本。高表面质量结构复合材料的快速制备工艺开发。照明纳入总体设计；内、外装材料体系同一化。建立制造、装配工艺