1、学习情境一 塑料成型概貌认识第一讲 绪论、塑料概论一.教学要求与目的 了解塑料成型的基本概念,了解塑料成型技术发展趋势。了解聚合物,塑料的概念；掌握聚合物的结构,组成,分类；了解聚合物的性能。二.教学重点与难点塑料成型技术发展的趋势；聚合物的结构、组成、分类及其性能三.授课内容（一）绪论1.塑料及塑料工业的发展 （1）塑料：以高分子量的合成树脂为主要成分，在一定条件下（如温度，压力 等）可塑制成一定形状且在常温下保持形状不变的材料。（2）塑料工业含义：1.塑料生产2.塑料制件生产塑料之间生产过程与成型方法：（3）塑料具有的特殊优点a.密度小、质量轻。b.比强度高（钢的拉伸比强度为 160MPa
2、，玻璃纤维增强的塑料高达170400MPa）。c.绝缘性能好，介电损耗低。d.化学稳定性高。如聚四氟乙烯（PTFE）e.减磨、耐磨性能好。f.许多塑料有透光性能、绝热性能和防水、防透气、防辐射等特殊性能。2.塑料成型工业在生产中的重要地位塑料成型工业是从事塑料模具的制造和塑料制件的生产。 塑料成型工业在基础工业中的地位和对国民经济的影响显得日益重要。3.塑料成型技术的发展趋势（1）CAD/CAE/CAM 技术的快速发展和推广应用（2）各种模具新材料的研制和应用模具材料直接影响到模具的制造工艺、模具的使用寿命、塑件的成型质量和模具的加工成本。（3）塑料制件的微型化、大型化和精密化德国已研究出注射
3、量只有 0.1g 的微型注射机可生产 0.05g 左右的微型注射成型塑件。我国已能生产 0.5g 的微型注射机，可生产 0.1g 左右的微型塑件。法国已拥有注射量为 1.7105g 的超大型注射机，合模力达到 150MN。美国和日本分别制造出注射量为 1.0105g 和 9.6104g 的超大型注射机。国产注射机注射量也达到了 3.5104g，合模力达到 80MN。（4）模具的标准化GB/T125551990 是大型注射模架的国家标准GB/T125561990 是中小型注射模架的国家标准塑料模具零件的国家标准从推杆的 GB/4169.11984 到模具技术条件的GB/4169.121984 总
4、计 12 个。（5）快速成形技术是八十年代后期发展起来的新兴先进制造技术，是现代工业从的规模批量生产转变为小批量个性化生产，产品的生命周期越来越短，同时对产品质量和外观设计水平的要求也越来越高而产生的。快速成形技术是由 CAD 模型直接驱动的快速制造复杂形状三维物理实体的技术的总称，其基本过程是：成形过程的难度与待成形的物理实体形状的复杂程度无关快速成型技术的优点：大大缩短新品研制周期，可使模型或模具制造时间缩短数倍甚至数十倍；原型的复制性、互换性高，制作工艺与制造原型的几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越； 加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低50加工周期节约 70
5、以上； 可及时发现产品设计错误并尽更改； 高度技术集成，可实现设计制造一体化。快速成形典型工艺a.熔融挤压快速成形利用热塑性塑料的热熔性、粘结性，在计算机控制下层层堆积成型工作原理将丝状材料送进喷头，在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并于下层的材料粘结，堆积成型。b.熔融挤压快速成形特点成形材料种类较多，成形塑件强度好熔融挤压工艺的材料一般是热塑性塑料，如 ABS、PC、PC/ABS、PPSF等。尺寸精度较高，表面质量较好，易于装配材料利用率高成型速度较快一般可达 1550 立方厘米/小时（相当于 1550 克/小时），最高速度已接近 1
6、00 立方厘米/小时。快速模具技术自 20 世纪 80 年代开始，欧美发达国家对塑料制品的快速模具技术进行了系统研究，到目前为止，已形成了 3 种比较成熟的适应中小批量生产的快速模具制造工艺，即真空注型工艺、低压灌注工艺以及高温树脂型腔模工艺。4.塑料模具的分类注射模压缩模压注模挤出模气动成型模（二）塑料概论1、聚合物分子的结构特点（1）基本概念1）塑料的主要成分是树脂树脂分为天然树脂和合成树脂2）聚合物：是由一种或几种简单化合物通过聚合反应而生成的一种高分子化合物。合成树脂就是一种聚合物，简称高聚物或聚合物（2）聚合物的特点：1）含原子数量多，一个高分子中含有几千个、几万个、甚至几百万个原子
7、。2）分子量大，高分子化合物的分子量一般可自几万至几十万、几百万甚至上千万。例如尼龙分子的分子量为二万三千左右，天然橡胶的为四十万。3）分子长度相对于低分子长，例如低分子乙烯的长度约为 0.0005m ，而高分子聚乙烯的长度则为 6.8m，是前者的 13600 倍。（3）聚合物的分类：1）聚合物大分子基本上都属于长链状结构，按结构不同可分为：a) 线型聚合物 b)带有支链的线型聚合物 c)体型聚合物2）按分子结构及热性能不同分a)热塑性（PE、PP 、PVC、PS、ABS 、PMMA 、PA、 POM、PC 等）b)热固性（酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料、聚邻苯二甲酸、二烯丙酯、有机硅塑料、硅酮
8、塑料）3）聚合物的结构按照分子排列的几何特征，可分：a)结晶型聚合物b)无定形聚合物（远程无序，近程有序）注：结晶只发生在线型聚合物和含交联不多的体型聚合物中。2、聚合物的热力学性能（1）聚合物的物理状态：1）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。2）分类：玻璃态（结晶态）高弹态粘流态（2）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3、聚合物的流变学性质流变学研究物质变形与流动的科学。粘流态的聚合物在外力作用下，相互交缠卷曲的大分子链将会沿受力方向发生解缠，伸直以及相对滑移，从而表现出一种变形量很大的宏观流动。聚合物的流变学主要研究聚合物在外力作
9、用下产生的应力、应变和应变速率等力学现象与自身粘度之间的关系，以及影响这些关系的各种因素。（1）牛顿流动规律：牛顿在研究液体流动时发现，温度一定时，低分子液体在流动时的切应力和剪切速率之间存在着如下关系： 式中 液层之间的单位距离内的速度差，称为速度梯度单位时间内的切应变，称为剪切速率。比例常数，称为剪切粘度或牛顿粘度。凡是液体层流时符合牛顿流动规律的通称牛顿流体，其特征为应变随应力作用的时间线性地增加，且粘度保持不变（定温情况下），应变具有不可逆性质，应力解除后应变以永久变形保持下来。（2）指数流动规律：式中 K与聚合物和温度有关的常数，可反映聚合物熔体的粘稠性，称为粘度系数；n与聚合物和温
10、度有关的常数，可反映聚合物熔体偏离牛顿流体性质的程度，称为非牛顿指数。注：在注射成型中，只有少数聚合物熔体的粘度对剪切速率不敏感如 PA、PC 等，除常把它们近似视为牛顿流体外，其它绝大多数的聚合物熔体都表现为非牛顿流体。这些聚合物熔体都近似地服从指数流动规律。上式可改写为：（1.5）设 （1.6）于是，式（1.5）改写为（1.7）式中 非牛顿液体的表观粘度。就表观粘度的力学性质而言，它与牛顿粘度相同。但是，表观粘度表征的是非牛顿液体（服从指数流动规律）在外力的左右下抵抗剪切变形的能力。由于非牛顿液体的流动规律比较复杂，表观粘度除与流体本身的性质以及温度有关以外，还受剪切速率的影响，这就意味着
11、外力的大小及其作用时间也能改变流体的粘稠性。（3）影响聚合物流变学性质的因素1）聚合物结构对粘度的影响分子结构相对分子质量相对分子质量分布（聚合物内大分子之间相对分子质量的差异）2）温度对粘度的影响注射成型生产中，依靠提高温度降低熔体粘度以改善流动性的工艺控制方法，主要适用于粘度对剪切速率不太敏感或其熔体近似服从牛顿流动规律的聚合物，如 PMMA、PC、PA-66 等这些材料不需要增加很多温度而它们的粘度却下降不少。3）压力对粘度的影响粘度对压力的敏感性会因聚合物不同而不同。通常认为，聚合物熔体的压缩率越大，其粘度对压力的敏感性越强（4）热固性聚合物的流变学性质 4、聚合物熔体在成型过程中的流
12、动状态（1）熔体在圆形导管内的流动：（2）在扁形导槽内的流动：（3）成型过程中的流动状态分析 .塑料聚合物熔体在注射机内的旋转螺杆与料筒之间进行输送、压缩、熔融塑化，并将塑化好的熔体储存在料筒的端部。.储存在料筒端部的熔体受螺杆的向前推压力并通过喷嘴、模具的主流道、分流道和浇口，开始射入模腔内。.塑料熔体经浇口射入模具型腔过程中的流动、相变与固化。（4）速度分布与末端效应vvm1）速度分布：2）端末效应（与聚合物的弹性有关） 简单地说：熔体在入口端出现压力降，在出口端出现膨胀的现象称为端末效应，亦分别称为入口效应和离模膨胀效应。产生入口效应的原因：聚合物液体以收敛流动方式进入导管入口时，它必须
13、变形以适应它在新的且有适当压缩性的流道内流动，但聚合物熔体具有弹性，也就是对变形具有抵抗力，因此，就必须消耗适当的能量，即消耗相当的压力降，来完成在这段管内的变形。熔体各点的速度在进入导管前后是不同的，为调整速度，也要消耗一定的压力降。产生离模膨胀的原因（解释之一）聚合物熔体从导管中流出后，周围压力大大减小，甚至完全消失，这意味着聚合物内的大分子突然变得自由了，因此，前段流动中储存于大分子中的弹性变形能量被释放出来，致使在流动变形中已经伸展开的大分子链重新恢复卷曲，各分子链的间距随着增大，从而导致聚合物内自由空间增大，于是体积相应发生膨胀。入口效应和出模膨胀效应通常对塑料的成型都是不利的，特别
14、是在注射成型、挤出成型和拉丝过程中，可能导致产品变形和扭曲，降低塑件的尺寸稳定性，并可能在塑件内产生内应力，降低塑件物理和力学性能。增加管子或口模的平直部分长度，适当降低成型时的压力和提高成型温度，并对挤出物加以适当速度的牵引或拉伸等，均有利于减小或消除端末效应带来的不利影响。5、聚合物在成型过程中的物理和化学变化要求：了解聚合物加工过程中产生的结晶、取向、降解和交联等现象的物理和化学变化的特点以及成型工艺条件对它们的影响。（1）成型过程中聚合物的结晶1）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、PTF
15、E、POM等）2）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%）3）结晶过程：4）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5）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
16、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后，塑件表面粗糙度将降低，而透明度会减小或丧失。 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。6）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
17、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堵塞浇口（2）成型过程中的取向作用1）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。2）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2）取向对塑件性能的影响 取向对塑件力
18、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） 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
19、不致发生翘曲变形或裂纹，从而保证塑件质量。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。（3）成型过程中聚合物的降解1）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
20、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。2）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。（4）成型过程中聚合物的交联1）硬化不足 件的机械强度、耐热、耐化学腐蚀性、电绝缘性等会下降；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。2）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。四.作业布置P60. 1. 2.五.参考资料塑料模具设计与制造 齐卫东 高等教育出版社1未取向区 2高度取向区3中等取向区4轻度取向区塑料成型工艺与模具设计 屈华昌 高等教育出版社
