塑料基础及成型模具 12

1.1聚合物的结构和性能1.2聚合物的流变性质1.3聚合物成型过程中的物理行为1.4聚合物成型过程中的化学行为1.5塑料组成、分类与用途1.6塑料成型工艺性能第1章塑料成型基础知识

什么是“塑料”？定义：塑料是以合成树脂为基本成分，在一定的温度和压力下能塑化成型，并在成型后能保持既定形状的材料。词源：英文“Plastics”源于希腊语“plastikos”，意为“可塑造的”。核心：塑料的性能基石是其中的高分子聚合物。塑料的定义

1.1聚合物的结构和性能

从单体到高分子：聚合反应聚合反应：将低分子单体通过化学键连接，转变成高分子聚合物的过程。分子量对比：低分子物（如水H₂O）：分子量几十。高分子物（如尼龙）：分子量可达数万至数百万。示例：聚乙烯(PE)分子量：7万~30万。分子→共价键连接→大分子链；分子量>1000,不统一，平均分子量1.1.1高分子聚合物的形成

1.1聚合物的结构和性能

1.1.1高分子聚合物的形成

1.1聚合物的结构和性能

1.高分子链的“形状”决定塑料“性格”1）线型结构：长链状，无或很少分支。特性：可反复加热熔融、冷却固化。→

热塑性塑料2）支链型结构：主链上带有分支。特性：通常也可热塑成型。3）体型（网状）结构：分子链间通过“交联”形成三维网络。特性：加热固化后永久定型，无法再熔。→

热固性塑料1.1.2高分子链的三种结构形态1.1聚合物的结构和性能

分子链如何堆砌？-聚集态结构1）定义：聚合物分子链之间的排列与堆砌方式，称为聚集态结构或超分子结构。2）三种类型：（1）晶态：分子链规则、紧密排列。性能：强度、硬度、耐热性好；通常不透明。（2）非晶态（玻璃态）：分子链杂乱无章排列。性能：透明性好，弹性、韧性佳。（3）部分晶态：介于两者之间。结晶度：晶体区域所占百分比，影响性能。2.聚合物的聚集态结构1.1聚合物的结构和性能

随温度“变身”：聚合物的物理三态1.线型非晶聚合物随温度升高呈现三种状态：（1）玻璃态(T<Tg)特征：硬、脆，似玻璃。只适合机械加工。玻璃化温度Tg：使用温度下限。（2）高弹态

(Tg<T<Tf)特征：柔软、富有弹性，像橡胶。可进行真空成型、压延等。（3）黏流态(T>Tf)特征：熔融、可流动。用于注射、挤出等成型。黏流温度Tf：成型加工温度。分解温度Td：温度上限。1.1.3高分子聚合物的物理状态、力学状态及加工适应性1.1聚合物的结构和性能

分子链如何堆砌？-聚集态结构线型非晶态聚合物的物理三态图1-3高聚物的物理状态与温度的关系形变（％）温度T/℃玻璃态高弹态粘流态线型非晶态线型晶态材料的环境适应性～热稳定性和加工性能1.1聚合物的结构和性能

既是黏稠液体，又是弹性固体：黏弹性1.黏弹性：塑料熔体在变形和流动时，同时表现出黏性液体的流动特性和弹性固体的恢复特性。两个关键现象：（1）滞后效应：熔体的变形响应滞后于所施加的应力。（2）应力松弛：成型后，内部应力随时间推移而逐渐减小的现象。导致问题：残余应力、时效变形（产品放一段时间后变形）。1.2.1聚合物的黏弹性质1.2聚合物的流变性质

熔体如何流动？——牛顿与非牛顿1.牛顿流体：切应力(τ)与剪切速率(γ)成正比，黏度(η)为常数。公式：τ=η*γ（如水、甘油）2.非牛顿流体：τ与γ不成正比，表观黏度(ηa)可变。塑料熔体大多属于假塑性流体：剪切速率增加时，表观黏度下降（“剪切变稀”），利于充模。1.2.2聚合物的流动规律稠度系数非牛顿指数非牛顿流体聚合物熔体的表观黏度（或非牛顿黏度）

1.2聚合物的流变性质

牛顿流动定律：在一定温度下，当切应力

作用于两个相距为dr的液体平行层面并以相对速度dv移动时，则且应力

与剪切速率(dv/dr)存在相应的直线关系。管壁管中心轴静止面活动面牛顿粘度剪切速率牛顿流动定律1.2聚合物的流变性质

剪切速率切应力宾哈流体膨胀性流体假塑性流体不同类型流体的流动曲线牛顿流体1.2聚合物的流变性质

什么在改变熔体的“黏稠度”？1）材料本身：分子链柔顺性↑

→

缠结多

→

黏度↑，非牛顿性↑。相对分子质量↑

→

黏度↑，流动性↓。2）工艺条件：温度↑

→

分子运动加剧

→

黏度↓。压力↑

→

分子间距缩小

→

黏度↑。添加剂：增塑剂、润滑剂

→

黏度↓。3.影响聚合物黏度的主要因素温度增塑剂或溶剂填充剂相对分子量压力黏度随剪切速率增加而下降1.2聚合物的流变性质

弹性带来的麻烦：端末效应与熔体破裂1.端末效应：入口效应：熔体进入细流道时产生额外压力降。2.离模膨胀：熔体挤出后，因弹性回复导致直径大于口模。3.失稳流动（熔体破裂）：在过高剪切速率下，熔体失去稳定层流，发生弹性湍流。表现：产品表面粗糙、竹节状、螺旋状畸变。1.2.3聚合物的弹性1.2聚合物的流变性质

熔体如何在模具中铺展？——充型流动1.浇口尺寸的影响：（1）浇口<<型腔：易喷射，形成蛇形流，产品有波纹。（2）浇口≈型腔：扩展流动，平稳充填，质量好。

a）高速b）中速c）低速1.2.4熔体在模具型腔中的充型流动1.2聚合物的流变性质2.熔接痕（weldline）：定义：两股料流前沿汇合时，因融合不充分而形成的痕迹线。影响：是结构上的薄弱区，强度较低。

热量的给予与带走：成型中的传热1.聚合物传热特点：导热性差，易造成内外温差。2.加热策略：外部传导加热+螺杆剪切摩擦生热相结合。3.冷却关键：冷却速率必须控制。过快

→

各部分收缩不均

→

内应力大、变形。结晶型聚合物（如PP、PA）冷却时放出结晶潜热，需更充分冷却。1.3.1成型中的加热与冷却1.3聚合物成型过程中的物理行为

分子链的“排队”与“解散”：结晶过程1.结晶型聚合物：分子链能规则排列（如PE、PP、PA、POM）。特点：不透明、强度高、耐热、有熔点(Tm)。2.非结晶型聚合物：分子链始终杂乱无章（如PS、PC、PMMA）。特点：透明、尺寸稳定性好。结晶的影响因素：温度、冷却速度、分子结构规整性。1.3.2聚合物的结晶1.3聚合物成型过程中的物理行为1.3.2聚合物的结晶非结晶性热塑性塑料结晶性热塑性塑料常用的材料ABS、压克力（PMMA、PAN）、聚碳酸脂(PC)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)聚缩醛树脂(POM)、尼龙(PA,)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、热塑性聚脂(PBT、PET)微观结构分子在液相和固相都呈现杂乱的配向性分子在液相呈现杂乱的配向性，在固相则形成紧密堆砌的晶体。受热反应具有软化温度范围，但没有明显的熔点具有明确的熔点性质透明抗化学性差成形时体积收缩率低通常强度不高一般具有高熔胶粘度热含量低半透明或不透明抗化学性佳成形时体积收缩率高强度高熔胶粘度低热含量高结晶性与非结晶性热塑性塑料对比1.3聚合物成型过程中的物理行为

分子链被“拉齐”：取向作用1.取向：在外力（剪切/拉伸）作用下，分子链或其链段沿特定方向择优排列的现象。2.类型：流动取向（剪切引起）、拉伸取向（单向拉伸引起）。3.影响：性能各向异性：取向方向强度↑，垂直方向强度↓。产品翘曲：各向收缩不均导致。1.3.3成型中的取向1.3聚合物成型过程中的物理行为

隐藏在内部的“紧张”：残余应力1.来源：流动（取向）应力：不均匀剪切流动被冻结。2.热应力：不均匀冷却收缩被约束。3.危害：产品翘曲变形、开裂、光学性能下降、耐环境应力开裂性差。4.解决措施：优化模具冷却均匀性、进行退火处理。1.3.4成型中的残余应力1.3聚合物成型过程中的物理行为

高温下的“伤害”：聚合物降解1.定义：聚合物在热、氧、水、应力作用下，分子链断裂，分子量下降。类型：热降解、热氧降解、水降解、应力降解。后果：产品变色、起泡、性能劣化、产生异味。预防措施：严格控制温度与时间、原料充分干燥、添加稳定剂。1.4.1聚合物降解1.4聚合物成型过程中的化学行为

聚合物由线型结构-体型结构聚合物交联是指通过化学键或物理作用连接聚合物链，使其从线型结构转变为三维网状体型结构的过程。这一转变显著提升了材料的强度、热稳定性和耐溶剂性。1.化学交联：通过共价键实现，如橡胶硫化。2.物理交联：依赖氢键、范德华力等相互作用，常见于热塑性弹性体。两种方式均能有效改善聚合物的力学性能和实用性。1.4.2聚合物交联1.4聚合物成型过程中的化学行为

塑料=树脂+添加剂1.树脂（40-100%）：决定塑料基本性能的高分子聚合物。2.添加剂（根据需要）：填充剂：降低成本或增强性能（如碳酸钙、玻纤）。增塑剂：增加柔韧性（如软质PVC中的DOP）。稳定剂：防止热、光降解。着色剂：赋予颜色。润滑剂：改善流动、脱模。1.5.1塑料的组成1.5塑料组成、分类、性能与用途1.5.1塑料的组成添加剂1.5塑料组成、分类、性能与用途

添加剂、填充料及补强料常用村料对聚合物性质的影响强化纤维碳素、碳、矿物质纤维、玻璃增加拉伸强度增加弯曲模数(flexuralmodulus)提高热变形温度提升抗收缩与抗翘曲能力导电性填充料铝粉、碳纤维、石墨提高电气性质提高热传导性耦合剂烷钛酸盐

改善聚合物与纤维接口之键结力抗燃剂氯、溴、硫、金属盐降低燃烧发生率及扩散速度混合填充料碳酸钙、硅、粘土降低材料成本塑化剂单体液体、低分子量材料改善熔胶的流动性加强挠曲性着色剂（色料或染料）金属氧化物、铬酸盐、碳黑提供耐久的颜色防止热裂解或紫外线造成裂解发泡剂气体、氮复合物、联氨衍生物造成孔穴组织以降低材料密度1.5.1塑料的组成添加剂的种类与作用1.5塑料组成、分类、性能与用途

1.5.1塑料的组成添加剂的与作用1.5塑料组成、分类、性能与用途1.5.1塑料的组成分子单体到塑料产品的过程1.5塑料组成、分类、性能与用途1.5.1塑料的组成合成树酯助剂填料压塑粉和塑料粒子成型加工热固性塑料制品热塑性塑料制品单体或原料加聚反应或缩聚反应混合、粉碎分子单体到塑料产品的过程1.5塑料组成、分类、性能与用途1.5.1塑料的组成分子单体到塑料产品的过程1.5塑料组成、分类、性能与用途

形形色色的塑料：如何分类？1.5.2塑料的分类1.5塑料组成、分类、性能与用途

形形色色的塑料：如何分类？1.按受热行为（最重要）：热塑性塑料：线/支链结构，可反复成型，可回收。（如PE，PP，PS，ABS，PC）热固性塑料：网状结构，一次成型永久固化，不可回收。（如酚醛、环氧、不饱和聚酯）2.按用途：通用塑料：产量大、价格低（六大：PE，PP，PVC，PS，

酚醛，

氨基）。工程塑料：力学等性能优异，可作结构件（四大：PA，POM，PC，PBT）。特种塑料：具有特殊功能（耐高温、导电）。1.5.2塑料的分类1.5塑料组成、分类、性能与用途

1.5.3塑料的性能与用途密度小(重量轻，塑料比重0.9~2，铝2.7，铁7.8)。比强度和比刚度高。化学稳定性好。电气性能优良。减摩、耐磨和自润滑性好。成型和着色性能好。多种防护性能：除防腐外，塑料还具有防水、防潮、防透气、防振、防辐射等。耐热性差、受载荷易蠕变、老化现象。1.5塑料组成、分类、性能与用途

顺利成型的关键工艺性能1.收缩性：塑件冷却后尺寸缩小的特性。必须预先补偿（设计模具放大）。2.流动性：熔体充填型腔的能力。太差则缺料，太好则溢边。表征：热塑性→熔融指数(MI)；热固性→拉西格流动值。3.其他重要性能：热敏性：对过热分解的敏感性（如PVC）。吸湿性：吸收水分的倾向（如PA，ABS）。相容性：不同塑料能否共混改性。1.6塑料成型工艺性能

1.6.1收缩性1.定义：塑料制品在成型冷却后，其尺寸相对于模具型腔尺寸发生缩小的现象。造成成型收缩的原因：

热胀冷缩因弹性回复造成的收缩结晶收缩定向收缩影响收缩率变化的因素：

塑料品种塑件特征模具结构成型工艺参数1.6塑料成型工艺性能

2.收缩率计算（1）线性收缩率：最常用，指制品在某一方向上的尺寸变化。（2）体积收缩率：指制品总体积的减小，对分析制品内部缩孔、凹陷等缺陷很重要。1.6塑料成型工艺性能3.收缩主要源于两个阶段的物理变化：（1）热收缩（主要因素）：塑料从较高的加工温度（熔融态）降至室温，分子链段的热运动减弱，自由体积减小，导致材料体积收缩。这是所有塑料都会发生的。（2）结晶收缩（对结晶性塑料尤为显著）：对于聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）等结晶性塑料，在冷却过程中，无规的分子链会排列成紧密有序的晶体结构，导致密度显著增加，从而产生更大的体积收缩。这是结晶性塑料收缩率通常远高于非结晶性塑料（如ABS、PC、PMMA）的根本原因。

4.影响收缩率的关键因素1.6塑料成型工艺性能影响因素具体说明对收缩率的一般影响

材料因素聚合物类型：结晶性塑料（PE，

PP，

POM）

>

非结晶性塑料（ABS，

PC，

PS）。

添加剂：填料（如玻纤）可显著降低收缩；增塑剂、颜料等会影响收缩率。决定性作用，不同材料有各自的收缩率范围。工艺条件熔体温度/模具温度：温度高，有利于结晶和分子松弛，可能增大收缩。

注射压力/保压压力：压力高、保压时间长，能向型腔补充更多熔体，减小收缩。

冷却速率：快冷抑制结晶，降低结晶塑料的收缩率。关键控制手段，通过调整工艺可在一定范围内调节收缩。产品与模具制品壁厚：壁厚处冷却慢，收缩大，易产生缩痕。

流向与垂直流向：沿熔体流动方向（纵向）的收缩通常大于垂直方向（横向）。

模具结构：浇口尺寸、冷却系统设计直接影响补缩和冷却效率。设计时必须考虑，否则会导致变形或尺寸超差。

5.成型收缩的形式(1)塑件的线性尺寸收缩；(2)收缩的方向性；(3)后收缩：塑件脱模后残余应力将导致塑件再次收缩(4)后处理收缩（退火处理）1.6塑料成型工艺性能

4.影响收缩率的关键因素1.6塑料成型工艺性能影响因素具体说明对收缩率的一般影响1.

材料因素聚合物类型：结晶性塑料（PE，

PP，

POM）

>

非结晶性塑料（ABS，

PC，

PS）。

添加剂：填料（如玻纤）可显著降低收缩；增塑剂、颜料等会影响收缩率。决定性作用，不同材料有各自的收缩率范围。2.

工艺条件熔体温度/模具温度：温度高，有利于结晶和分子松弛，可能增大收缩。

注射压力/保压压力：压力高、保压时间长，能向型腔补充更多熔体，减小收缩。

冷却速率：快冷抑制结晶，降低结晶塑料的收缩率。关键控制手段，通过调整工艺可在一定范围内调节收缩。3.

产品与模具制品壁厚：壁厚处冷却慢，收缩大，易产生缩痕。

流向与垂直流向：沿熔体流动方向（纵向）的收缩通常大于垂直方向（横向）。

模具结构：浇口尺寸、冷却系统设计直接影响补缩和冷却效率。设计时必须考虑，否则会导致变形或尺寸超差。

6.塑料收缩性在实际应用中的重要意义

理解并控制塑料收缩性，是确保产品质量的关键：模具设计：模具型腔尺寸必须根据预测的收缩率进行放大，才能得到尺寸合格的制品。尺寸精度：精密零件（如齿轮、电子连接器）要求收缩率稳定且可预测，否则无法保证装配和功能。外观质量：收缩不均会导致制品翘曲、弯曲、凹陷（缩水）

等缺陷。材料选择与工艺优化：根据产品尺寸稳定性要求，选择合适的材料（如用玻纤增强材料降低收缩），并优化工艺参数以控制收缩。总结：简单来说，塑料收缩性就是塑料冷却固化时“变小”的特性。它不是一个固定不变的常数，而是材料固有属性、加工条件与产品设计相互作用的结果。在工业生产中，工程师的核心任务之一就是通过系统的方法来预测、补偿和控制这种收缩，以确保制品的尺寸精度和外观质量。1.6塑料成型工艺性能

1.6.2.流动性

1.定义：在成型过程中，塑料熔体在一定的温度与压力作用下充填型腔的能力称为塑料的流动性。2.主要影响因素①

材料本身：分子结构：分子链刚性大、极性大、分子量高（或分布宽）的流动性差。结晶性：结晶性塑料（如PP、PA）在熔点以上流动性突变，对温度敏感；非结晶塑料（如PS、PC）流动性随温度变化平缓。添加剂：润滑剂、增塑剂可提高流动性；填料（如玻纤、矿物）通常会降低流动性。②

加工条件：温度：升高温度能显著提高几乎所有塑料的流动性（但需防止分解）。压力：增大注射/挤出压力可强制熔体流动，改善充填效果。剪切速率：大多数塑料熔体属于“剪切变稀”流体，高速（高剪切速率）下表现出的流动性更好。1.6塑料成型工艺性能

1.6.2.流动性2.对加工与应用的影响①模具设计：流动性差的材料需要设计更大的浇口、流道和排气槽。②工艺选择：流动性决定了所需的加工温度、注射压力和注射速度。③产品设计：流动性限制了产品的最小壁厚、最大流程（流程壁厚比）。④性能关联：通常，流动性好的材料，其分子量相对较低，制品的冲击强度等力学性能可能稍差（此为大致的经验性反向关联，非绝对）。1.6塑料成型工艺性能

3.热塑性塑料熔体流动性测定方法（1）熔融流动指数测定法：将被测塑料装入其中，在一定的温度和压力下，通过测定熔体在10min内通过小孔的塑料质量来表征其流动性，也称为熔融指数，其单位为g/10min，通常以MI代表。

1.6塑料成型工艺性能

（2）螺旋线长度试验法

测试时塑料熔体从中央浇口进料，由里往外按阿基米德螺旋线方向将型槽线逐层延伸，每转一周半径增大2.5mm，槽横截面是半圆形，直径为4.9mm，螺旋线槽总长为1925mm，制成盘式蚊香形状的试样，测定其螺旋线的总长度即为被测塑料的流动距离。1.6塑料成型工艺性能

4.热固性塑料熔体流动性测定方法

拉西格流动性测定法：①称取7.5g塑料粉，在（20±5）℃温度下并以50MPa的压力下在内径为28mm的模子内预压成圆锭（片）；②将拉西格测定模加热至（150±5）℃，并保温5min；③将圆锭放入拉西格测定模的加料室，并在20s左右将压缩模增压至30MPa，保压3min；④压好后，卸掉压板，推出锥形组合模，取出试样，测其长度L即为其流动值。1.6塑料成型工艺性能

5.塑料熔体的流动性对注射充模的影响溢料：流动性太好易导致溢料；缺料：流动性不佳易导致缺料。1.6塑料成型工艺性能

6.流动性vs.收缩性：关系与应用启示(1)本质区别：流动性是加工过程中的“行为特性”，关注熔体如何流动充填。收缩性是加工完成后的“结果特性”，关注制品冷却固化后的尺寸变化。(2)内在联系：它们受共同的底层材料因素（如分子结构、结晶性）支配，并同时受到工艺参数（如温度、压力）的显著影响。例如：提高熔体温度，通常会同时提高流动性（利于充填）和增大收缩率（尤其是结晶塑料）。提高注射/保压压力，能改善充填（利用流动性），同时通过补缩减小收缩。

设计平衡：在实际生产中，选择材料和设定工艺时，往往需要在良好的流动性（易于加工成型）与较低的收缩率/稳定的尺寸之间，以及最终制品的力学性能之间寻求最佳平衡点。1.6塑料成型工艺性能

1.6.3塑料的其他工艺性能1.6塑料成型工艺性能