第二章 塑料成型基础.ppt

1、第一章 塑料成型基础,本章基本内容 聚合物结构特点与性能、塑料的组成和分类 塑料的工艺性能 塑料的热力学性能、流变学性质、塑料熔体在成型过程中的流动状态及物理和化学变化 常用塑料的结构、性能及用途,本章重点、难点 塑料特征 聚合物的性能 塑料工艺性能,1.1 塑料的组成,塑料=树脂+（助剂） 一、树脂 塑料是由树脂和助剂构成。塑料中的必要和主要成分是树脂。 树脂在树脂中的作用： 决定塑料的类型； 决定塑料的基本性能； 起粘接作用，将塑料中各种组分粘接起来。,1.1 塑料的组成,1 树脂基本概念 树脂是一种高分子有机化合物，无明显的熔点，受热后逐渐软化，可溶解于有机溶剂，不溶于水，常温下呈固态、

2、半固态或液态。 2 树脂来源 天然树脂 天然树脂：由自然界中动植物分泌所得的无定型有机物质。 常用种类：松香、沥青、虫胶。 特点：量少，性能差，不能满足使用要求。在工业上基本不采用。,1.1 塑料的组成, 合成树脂 合成树脂是由低分子有机物经化学聚合反应形成的高分子有机化合物，简称高聚物或聚合物。石油是合成树脂的主要原料。 特点：量大，性能好，在工业生产过程中广泛使用。 种类：PE、PS、PVC等。 3 树脂在塑料中的成分比例 一般为4065%，个别树脂（如PE、PS、PA）可100%制成塑料使用。,1.1 塑料的组成,4 聚合物制备方法 高分子和低分子区别,聚合物是原子数很多，相对分子质量很

3、高，分子很长的有机化合物,1.1 塑料的组成, 聚合物制备方法 聚合反应：加聚反应、缩聚反应 聚合反应：把低分子有机物结合起来形成高分子有机物的化学反应过程叫聚合反应。 加聚反应 单体之间相互反应生成一种高分子化合物，叫加聚反应。 特征： 反应中无副产物产生； 反应前后分子个数相同； 形成高聚物的形态是线状。,1.1 塑料的组成, 缩聚反应 单体之间相互反应生成一种高分子化合物，同时还有低分子产生的化学反应，叫缩聚反应。 特征： 反应中有副产物产生； 反应前后分子个数不同； 形成高聚物的形态是线状、体型、带支链线型。,5 聚合物的分类 按聚合物的分子结构分类,a) 线型聚合物,b)带有支链的线

4、型聚合物,c)体型聚合物,1.1 塑料的组成, 线型聚合物 特征：大分子呈线状。 性能：受热时可软化到熔化而流动；具有一定的弹性和塑性，在溶剂中可溶解和溶胀；可反复加热成型。 常见种类：PE、PS 体型聚合物 特征：主链呈长链形状，主链之间有短链横跨连接，并在三维空间中相互交联。,1.1 塑料的组成,性能：硬度高、脆性大，塑性、弹性低，成型前是可熔和可溶的，但一旦成型后既不熔化也不能溶解，所以只能一次成型。 带支链线型聚合物 特征：主链呈线状，但主链上带有或长或短的支链。 性能：受热时可熔，也可溶解于有机溶剂；因存在支链，使分子减的间距拉大，结构疏松，故机械强度低，但塑性、弹性好。,1.1 塑

5、料的组成, 按热性能不同分类 可分为热塑性树脂和热固性树脂 热塑性树脂 可以多次反复加热而仍具有可塑性。这类树脂构成的塑料可回收利用。 热固性树脂 只能一次加热成型。 按聚合物的聚集态结构分类 可分为结晶型聚合物和非结晶型聚合物,1.1 塑料的组成,聚合物的结晶：聚合物分子有规则紧密排列，称为聚合物的结晶。 结晶型聚合物 由晶区+非晶区构成。 晶区：聚合物分子有规则紧密排列的区域。 非晶区：分子处于无序状态的区域。 非结晶型聚合物 全部由非晶区构成。,1.1 塑料的组成, 一般说来，结晶型聚合物的结晶不能百分之百的进行，结晶区所占的质量分数称为结晶度。 聚合物分子结构简单，主链上带有侧基体积小

6、，对称性高，分子间作用力大时，有利于结晶。 结晶一般只发生在线型聚合物和含交链不多的体型聚合物中。 结晶后聚合物性能：强度、硬度、刚度、熔点、耐热性和耐化学性能提高，弹性、伸长率却下降。,1.1 塑料的组成,1.1 塑料的组成,二、助剂 填充剂 增塑剂 稳定剂 润滑剂 着色剂 固化剂,1.1 塑料的组成,1.1 塑料的组成,三、塑料的分类 1 按合成树脂的分子结构及特性分 热塑性塑料 分子结构特征：线型、带支链线型 特点：反复加热，多次成型。成型过程只发生物理变化，无化学变化。 热固性塑料 分子结构特征：体型网状结构 特点：只能一次成型，不能回收利用。成型过程中既有物理变化，也有化学变化。,1

7、.1 塑料的组成,1.1 塑料的组成,2 按应用范围分 通用塑料 特点：产量大、用途广、价格低 工程塑料 特点：用作工程结构材料。机械强度高、耐磨性、耐腐蚀性、润滑性、尺寸稳定性好。 功能塑料 特点：具有特殊性能 四、常用塑料（自学）,一、聚合物的性能 1 聚合物的热力学性能 聚合物的物理状态 定义：聚合物在不同温度下所表现出来的分子热运动特征称为聚合物的物理状态。 聚合物的物理状态可从热力学曲线上表示出来。 热力学曲线：聚合物在恒应力作用下变形量与温度的关系曲线。 分类 玻璃态（结晶态） 高弹态 粘流态,1.2 聚合物和塑料的性能, 聚合物的热力学曲线,1线型无定形聚合物；2线型结晶聚合物,

8、（脆化温度）,（玻璃化温度）,（粘流温度）,（热分解温度）,（熔点）,1.2 聚合物和塑料的性能,玻璃态： 塑料处于温度 以下的状态，为坚硬的固体，是大多数塑件的使用状态。 称为玻璃化温度，是多数塑料使用温度的上限。 高弹态： 塑料处于温度 和 之间的状态，类似橡胶状态的弹性体，仍具有可逆的形变性质。,1.2 聚合物和塑料的性能,粘流态： 当塑料受热温度超过 时，由于分子链的整体运动，塑料开始有明显的流动，塑料开始进入粘流态变成粘流液体，通常我们也称之为熔体。塑料在这种状态下的变形不具可逆性质，一经成型和冷却后，其形状永远保持下来。 称为粘流化温度，是聚合物从高弹态转变为粘流态（或粘流态转变为

9、高弹态）的临界温度。当塑料继续加热，温度至 时，聚合物开始分解变色， 称为热分解温度，是聚合物在高温下开始分解的临界温度。,1.2 聚合物和塑料的性能,1.2 聚合物和塑料的性能,2 聚合物在成型过程中的物理和化学变化 1 成型过程中聚合物的结晶 结晶聚合物 聚合物在从高温熔体向低温固态转变的过程中，若其分子链构型（结构形态）能够得到规整排列，则该聚合物为结晶聚合物。（如：PE、PTFE、POM等） 结晶度 结晶型聚合物的结晶区在聚合物中所占的重量百分数。（大多数聚合物的结晶度约为10%60%，但有些也可能达到很高的数值，如PP的结晶度达到70%95%，HDPE和PTFE的也能超过90%） 结

10、晶过程, 影响结晶的因素 温度 压力和切应力 增大压力可使聚合物在高于正常情况下的熔化温度发生结晶；切应力可导致微晶生成，产生均匀的微晶结构。 分子结构 聚合物分子结构越简单、越规整，结晶越快，结晶度越高， 同一种聚合物的最大结晶速率随相对分子质量的增大而减小。 添加剂,1.2聚合物和塑料的性能, 结晶对塑件性能的影响 密度 密度随结晶度的增大而提高。 力学性能 抗拉强度随结晶度的增大而提高；冲击韧性将下降；弹性模量将减小。 热性能 结晶有助于提高聚合物的软化温度和热变形温度。 翘曲 结晶程度越高，体积收缩越大，因此结晶态塑件比非结晶态塑件更容易因收缩不均而发生翘曲。 表面粗糙度和透明度 结晶

11、后，塑件表面粗糙度将降低，而透明度会减小或丧失。,1.2 聚合物和塑料的性能, 结晶型塑料有PE、PP、PTFE、POM、PA、CPT等 非结晶型塑料有PS、PMMA、PC、ABS、PSU等 一般来说，结晶型塑料是不透明的或半透明的，非结晶型塑料是透明的。 特例：聚4-甲基戊烯-1为结晶型塑料却高度透明性；ABS为非结晶型塑料却不透明。,1.2 聚合物和塑料的性能, 成型结晶塑料时应注意下列问题 料温上升到成型温度所需的热量多，要用塑化能力大的设备 冷凝时放出热量大，要充分冷却 熔态与固态的比重差大，成型收缩大，易发生缩孔、气孔 各向异性显著，内应力大 结晶熔点范围窄，易发生未熔粉末注入模具或

12、堵塞浇口,1.2 聚合物和塑料的性能,2 成型过程中的取向作用 取向的概念 聚合物大多分子及其链段或结晶聚合物的微晶粒子在应力作用下形成的有序排列叫做取向结构。 分类 按应力性质不同分 拉伸取向由拉应力引起，取向方向与拉伸方向一致 流动取向在切应力作用下沿着熔体流动方向形成的 按流动性质不同，取向结构可分为 单轴取向取向结构单元均沿着一个流动方向有序排列 多轴取向结构单元可沿两个或两个以上流动方向有序排列 按结晶与非结晶聚合物分 结晶取向 非结晶取向,1.2 聚合物和塑料的性能, 取向对塑件性能的影响 取向对塑件力学性能的影响 对单轴取向而言，取向后在取向平行方向的抗拉强度大为增强，而与取向轴

13、垂直方向的抗拉强度则有所减弱；而双轴取向的薄片或薄膜在平面的任何方向上均有较高的抗拉强度、断裂伸长率和冲击韧度，抗撕裂能力也有所提高。 取向使塑件具有各向异性（在光、热、电等方面）,1.2 聚合物和塑料的性能, 取向对其它性能的影响 聚合物的玻璃化温度随取向程度的提高而上升；取向程度越大，回缩或热收缩越大。 综上所述，聚合物的取向对塑件的性能影响很大。在塑料成型生产中，可以利用聚合物的取向来提高塑件的性能，例如吹塑薄膜就是利用聚合物双轴取向原理来提高其性能的，但并不是说聚合物取向对塑件性能均有益处，在生产厚度较大的塑件时，就应力图消除取向现象，使塑件不致发生翘曲变形或裂纹，从而保证塑件质量。,

14、1.2 聚合物和塑料的性能,1未取向区 2高度取向区 3中等取向区 4轻度取向区,聚合物熔体从浇口流入模腔时，熔体处于充模的初期阶段，料流呈辐射状，所以形成平面取向结构。熔体与型腔表壁接触后，开始实现充模过程，在这个过程中，先与型腔表壁接触熔体迅速冷却，形成一个来不及取向的薄壳，以后的熔体将在薄壳内流动。由于薄壳对熔体的摩擦作用，其附近的熔体流动阻力很大，熔体内会产生很大的切应力，所以大分子能在此处高度取向。与此同时，熔体中部所受摩擦最小，切应力也不太大，所以大分子一般只能轻度取向。而在中部熔体与薄壳附近熔体之间的过渡区中，大分子取向程度中等。,1.2 聚合物和塑料的性能,3 成型过程中聚合物

15、的降解 概念 由于聚合物大分子受热和应力的作用，或由于在高温下受微量水分、酸、碱等杂质及空气中氧的作用，聚合物会发生相对分子量降低或大分子结构改变等化学变化，这种现象叫降解或裂解。 防治 严格控制原材料的技术指标和使用合格的原材料 使用前对聚合物进行严格的干燥 确定合理的加工工艺和加工条件 使用添加剂 注：聚合物降解通常是有害的，但也有例外，如通过机械降解（辊压货共挤）作用使聚合物之间或两种聚合物的弹体之间进行接枝或嵌段聚合物配置共聚物，以改良聚合物性能并扩大其应用范围就是一例。,1.2 聚合物和塑料的性能,4 成型过程中聚合物的交联 硬化不足 塑件的机械强度、耐热、耐化学腐蚀性、电绝缘性等会

16、下降；热膨胀、内应力、受力时的蠕变量等会增加；塑件缺少光泽，容易发生翘曲变形；有时甚至会产生裂纹。 过度硬化 塑件机械强度不高、变色、发脆，表面有时会出现密集的小泡；可使塑件产生焦化和裂解现象。,1.2 聚合物和塑料的性能,1.2 聚合物和塑料的性能,二、塑料的工艺性能 塑料在成形过程中表现出来的特有性质。,热塑性塑料,收缩性 流动性 相容性 吸湿性 热敏性,热固性塑料,收缩性 流动性 比容和压缩比 硬化速度 水分及挥发物含量,1、热塑性塑料的工艺性能 收缩性塑件从模具中取出冷却到室温后，尺寸或体积收缩的特性称为收缩性 成型收缩的大小可用收缩率来表示：,（2.1）,（2.2）,式中 Ss实际收

17、缩率 Sj 计算收缩率 a 模具或塑件在成型温度时的尺寸 b 塑件在室温时的尺寸 c 模具在室温时的尺寸,1.2 聚合物和塑料的性能, 成型收缩的形式 塑件的线尺寸收缩： 由于热胀冷缩和塑件脱模时弹性恢复、塑性变形等原因，导致塑件脱模冷却到室温后其尺寸缩小。 收缩具有方向性：塑料在成型时由于分子的取向作用使塑件呈现各向异性，沿料流方向（即平行方向）收缩大，强度高，与料流垂直方向则收缩小，强度低。,1.2 聚合物和塑料的性能,后收缩： 塑件成型时，由于受成型压力、切应力、各向异性、密度不均、填料分布不均、模温不一致、硬化不均和塑性变形等因素的影响，塑件内存在残余应力。当脱模后，由于应力趋向平衡及

18、储存条件的影响，使塑件再次收缩，这种收缩称为后收缩。一般塑件在脱模后10h内变化最大，24h后基本定型，但最后稳定要经过3060天。通常热塑性塑料的后收缩比热固性塑料大，挤塑和注射的后收缩比压缩成型大。,1.2 聚合物和塑料的性能,后处理收缩： 在某些情况下，塑件按其性能和工艺要求，成型后要进行热处理，处理后也会导致塑件尺寸收缩，这种收缩叫后处理收缩。在模具设计时，对高精度塑件则应考虑后收缩及后处理收缩的偏差并予以补偿。,1.2 聚合物和塑料的性能,影响塑件收缩的因素： 塑料的品种 各种塑料都有其各自的收缩率范围，同一种塑料由于相对分子质量、填料及配比等不同，则其收缩率及各向异性也不同。 塑件

19、的结构 塑件的形状、尺寸、壁厚、有无嵌件、嵌件数量及布局等，对收缩率值有很大影响。塑件的形状复杂、尺寸小、壁薄、带嵌件，收缩率就小。 模具结构 模具的分型面、加压方向、浇口形式、尺寸及分布等对收缩率及方向性影响也很大，如采用直接浇口，浇口截面大，收缩小，但方向性明显。 成型工艺条件 模具温度高、塑件冷却慢，则密度高、收缩大；注射压力高、脱模后弹性恢复大收缩小；保压时间长收缩小。,1.2 聚合物和塑料的性能, 流动性：塑料在一定温度、压力作用下，填充模具型腔的性能，称为塑料的流动性。 流动实质是聚合物分子间相对滑动的结果。 塑料的流动性差，就不易充满型腔，因此需要较大的成形压力才能成形。 塑料的

20、流动性好，可以用较小的成形压力充满型腔。但流动性太好，会使塑料在成形时产生严重的溢边，填充不密实，塑件组织疏松，易粘模。 热塑性塑料的流动性常用熔融指数（单位g/10min）、螺旋线长度（单位cm）来表示。,1.2 聚合物和塑料的性能,熔融指数用如图所示的标准装置（熔融指数测定仪）来测定。 将被测塑料装入加热料筒中并进行加热，在一定的温度和压力下，测定塑料熔体在10min内从出料孔挤出的重量。,熔融指数 测定仪结构示意图,1.2 聚合物和塑料的性能,螺旋线长度用标准阿基米德螺旋线模具来测定。 将被测塑料在一定的温度与压力下注入模具内，用其所达到的流动长度来表示该塑料的流动性。 根据测定数值的大

21、小，可将流动性分为好、中、差三类。 流动性好：PA、PE、PS、PP、CA 流动性中等：ABS、PMMA、POM、CPT 流动性差：PC、PVC、PPO、PSU、氟塑料,1.2 聚合物和塑料的性能,影响塑料流动性的因素 塑料的分子结构与成分： 具有线型分子结构塑料流动性好。加入填料，降低流动性，加入增塑剂和润滑剂，增加塑料的流动性。 温度： 塑料温度高，流动性好。在成形时可通过调节温度控制流动性。PS、PP、PA、PMMA、ABS、AS、PC、CA对温度敏感。 压力： 注射压力，受剪切作用，流动性。 模具结构： 包括模具浇注系统的形式、尺寸和布置；冷却系统设计的合理性；熔料流动阻力等因素。凡促

22、使熔料温度降低，流动阻力增加的因素，都会使流动性降低。,1.2 聚合物和塑料的性能,常用热塑性塑料的流动性： 流动性好 尼龙PA、聚乙烯PE、聚苯乙烯PS、聚丙烯PP、醋酸纤维素CA。 流动性中等 ABS、有机玻璃PMMA、聚甲醛POM、氯化聚醚CPT。 流动性差 聚碳酸酯PC、硬聚氯乙烯、聚苯醚PPO、聚砜PSU、氟塑料。,1.2 聚合物和塑料的性能, 相容性（共混性）：指两种或两种以上不同品种的塑料，在熔融状态下不产生相分离现象的能力。 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；反之较难。 通过塑料的这一性质，可得到类似共聚物的综合性能，这是改进塑料性能的重要途径之一

23、。,1.2 聚合物和塑料的性能, 吸湿性 ：表明塑料对水分的敏感程度。 具有吸湿或粘附水分倾向的塑料：PA、PC、PSU、ABS等； 既不吸湿也不易粘附水分的塑料，如PE、PP、POM等。 注： 凡是具有吸湿或粘附水分倾向的塑料，如成型前水分未去除，则在成型过程中由于水分在成型设备的高温料筒中变为气体并促使塑料发生水解，成型后塑料出现气泡、银丝等缺陷。因此，对吸湿性和粘附水分倾向大的塑料，在成型之前应进行干燥，使水分控制在0.50 .2%以下,1.2 聚合物和塑料的性能, 热敏性：某些热稳定性差的塑料，在料温高和受热时间长的情况下就会产生降解、分解、变色的特性。 热敏性塑料： 硬聚氯乙烯、聚偏

24、氯乙烯、醋酸乙烯共聚物、聚三氟氯乙烯（PCTFE）、聚甲醛（POM）等。 解决方法： 选用螺杆式注射机，流道截面取大一些（避免过大的摩擦热） 注射机筒内壁、流道和模腔表壁镀铬 熔体在模内流动时不得有死角和滞料现象 生产时严格控制成型工艺条件,1.2 聚合物和塑料的性能,2 热固性塑料的工艺性能 收缩率 产生收缩的原因 热收缩：是由于热胀冷缩而使塑件成型冷却后所产生的收缩。热收缩与模具温度成正比，是影响收缩的最主要因素。 结构变化引起收缩：由于交联反应，分子由线性结构变为网状结构，分子链间距缩小，结构变得紧密，而产生了体积收缩。 弹性恢复：塑件从模具中取出后作用在塑件上的压力消失，由于弹性回复，会造成塑件体积的负收缩（膨胀）。 塑性变形：塑件脱模时，成型压力迅速降低，但模壁紧压在塑件周围，使其产生塑性变形。,1.2 聚合物和塑料的性能, 影响收缩率的因素 塑料品种：品种不同，收缩率不同，同种塑料，牌号不同，收缩率不同，同种牌号，批次不同，收缩率也可能不同 塑件结构：壁厚大，收缩率大，有嵌件，收缩率小，形状复杂，收缩率小 模具结构 成形工艺,1.2 聚合物和塑料的性能, 流动性 表示方法 拉西格流动性（单位） 测定方法： 将一定重量的被侧塑料预压成圆锭，将圆锭放入压