上海工程技术大学材料工程学院

上海工程技术大学材料工程学院塑料模设计主讲教师：廖秋慧学时数：64课程性质：考试课程研究内容：•注塑模具设计方法；注塑件结构设计；常用的注塑工艺设计方法。重点：注塑模具设计方法。课程基本要求：1)了解常用塑料的性能和工艺性；2)掌握几种主要塑料成型方式；3)掌握注塑模设计特征及方法。课程名称：塑料模设计内容简介：本章主要讲述塑料及其应用；塑料的组成；塑料的分类；塑料成型的加工适应性（包括热塑性塑料和热固性塑料的工艺特性）；塑料的主要成型方法等。第1章概论第1章塑料的基本概念1.1塑料定义及其应用1.2塑料的分类1.3塑料的组成1.4塑料成型的工艺特性1.5热塑性塑料的工艺特性•1.塑料（高聚物）：•以合成树脂为基本成分，在一定条件下可模塑成形，而产品最后能够保持形状不变的材料。•合成树脂可直接做塑料使用，如PE、PS、PA•合成树脂＋助剂，如酚醛树脂、氨基树脂、PVC•2.塑料的特点：1.1、塑料的定义及其应用特点1密度小、质量轻•塑料的密度约为0.9～2.3g／cm3，但大多数都在1.0～1.4g／cm3左右，其中聚4-甲基丁烯-1的密度最小，大约0.83g／cm3，只相当于钢材密度的0.11和铝材的0.5左右，如果采用发泡工艺生产泡沫塑料，则塑料的密度将会更小，其数值可以小到0.01～0.5g／cm3。2比强度高•按单位质量计算的强度称为比强度，由于塑料的密度小，所以其比强度比较高，若按比强度大小来评价材料的使用性能，则一些特殊的塑料品种将会名列前茅。例如，一般钢材的拉伸比强度约160MPa，而用玻璃纤维增强的塑料拉伸比强度可高达170～400MPa。3绝缘性能好、介电损耗低金属导电是其原子结构中自由电子和离子作用的结果，而塑料原子内部一般都没有自由电子和离子，所以大多数塑料都具有良好的绝缘性能以及很低的介电损耗。因此，塑料是现代电工行业和电器行业不可缺少的原材料，许多电器用的插头、插座、开关、手柄等等，都是用塑料制成的。4化学稳定性高生产实践和科学试验已经表明，绝大多数塑料的化学稳定性都很高，它们对酸、碱和许多化学药物都具有良好的耐腐蚀能力，其中聚四氟乙烯塑料的化学稳定性最高，它的抗腐蚀能力比黄金还要好，可以承受“王水”（镪酸）的腐蚀，所以称为“塑料王”。由于塑料的化学稳定性高，所以它们在化学工业中应用很广泛，可以用来制作各种管道、密封件和换热器等。5减摩、耐磨性能好如果用塑料制作机械零件，并在摩擦磨损的工作条件下应用，那么大多数塑料都具有良好的减摩和耐磨性能，它们可以在水、油或带有腐蚀性的液体中工作，也可以在半干摩擦或者完全干摩擦的条件下工作，这是一般金属零件无法与其相比的。因此，现代工业中已有许多齿轮、轴承和密封圈等机械零件开始采用塑料制造，特别是对塑料配方进行特殊设计后，还可以使用塑料制造自润滑轴承。6减振、隔音性能好塑料的减振和隔音性能来自于聚合物大分子的柔韧性和弹性。一般来讲，塑料的柔韧性要比金属大得多，所以当其遭到频繁的机械冲击和振动时，内部将产生粘性内耗，这种内耗可以把塑料从外部吸收进来的机械能量转换成内部热能，从而也就起到了吸振和减振的作用。塑料是现代工业中减振隔音性能极好的材料，不仅可以用于高速运转机械，而且还可以用作汽车中的一些结构零部件（如保险杠和内装饰板等），据报导，国外一些轿车已经开始采用碳纤维增强塑料制造板簧。除了上述几点之外，许多塑料还都具有透光和绝热性能，或可以与金属一样进行电镀、着色和焊接，从而使得塑料制品能够具有丰富的色彩和各种各样的结构形式。另外，许多塑料还具有防水、防潮、防透气、防辐射以及耐瞬时烧蚀等特殊性能。1.2塑料的分类：根据性能、应用、组成和结构等有不同的分类方法。•按受热后所表现的性能不同来划分：1)热固性塑料：在一定的温度和压力等条件下保持一定的时间而固化，固化后成为不能熔融，不能溶化的刚硬材料。如：酚醛树脂、环氧树脂(EP)、氨基树脂、醋酸树脂、三聚氰胺树脂、不饱和聚酯、聚氨基甲酸酯(PUR)等2)热塑性塑料：在特定的温度范围内能反复加热软化和冷却硬化成型，受热时主要是通过物理变化而使其几何构型发生变化，再次受热后仍具有可塑性，但性能有所降低。如：聚乙烯（PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯、聚氯乙烯、ABS、有机玻璃(聚甲基丙烯酸酯)、聚甲醛(POM)、聚酰胺(PA)(尼龙)、聚碳酸酯(PC)、苯乙烯—丙烯腈(SAN)等。具体区别见表1-1。成型前，塑料中树脂分子结构使制品固化定型的模具温度条件成型后，塑料中树脂分子结构成型过程中树脂所发生的变化制品的熔化，溶解性能塑料的使用性常采用的成型方法热塑性塑料线型或支链状线型聚合物分子冷却基本与成型前的相同物理变化（可能有少量分解或交链现象发生）可熔化可溶解反复多次使用（可回收废料）注射、挤出、吹塑等热固性塑料线型聚合物分子加热（提供交联反应温度转变为体型分子既有物理变化，又有化学变化。有低分子析出既不可熔化，也不可溶解一次性使用，因成型过程不可逆压缩或压注。有的品种可以采用注射表1-1热塑性塑料与热固性塑料有关成型方面的区别•按塑料的用途来划分：1)通用塑料：一般指产量大、用途广、价格低廉的一类塑料，它包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛、氨基等六大品种。2)工程塑料：一般指机械强度高，可代替金属而用作工程材料的塑料，如制作机械零件、电子仪器仪表、设备结构件等。这类塑料包括聚苯醚(PP0)、ABS、尼龙、聚甲醛、聚砜(PSF)、聚对二甲苯、聚酰亚胺(PI)等。1.3塑料组成：树脂和助剂按不同比例配制，可获得不同性能的塑料。•1)树脂（40%～65%）：天然树脂和合成树脂，决定塑料最基本的物理化学性质。高分子内部结构决定了最基本的物理化学性质，而外部结构决定加工性能和物理机械性能。•2)助剂：填充剂、增塑剂、着色剂、稳定剂、润滑剂等。a—线状b—支链状c—网状d—体型状图1高聚物分子链的空间构型形式abcd分子结构：链节为基本单元线型聚合物、带支链的线型聚合物、体型聚合物热塑性塑料：树脂分子链成型前后都是线性或带支链的结构热固性塑料：树脂固化前是线性或带支链的结构，固化后为立体网状结构结晶型塑料：塑料凝固时有晶核到晶粒的生成过程，形成支链状结构，PE、PP、PA、POM等无定型塑料：塑料凝固时有晶核到晶粒的生成过程，自由大分子链的“冻结”，PS、PVC、有机玻璃、PC等1)填充剂：填充剂又称填料，通常对聚合物呈惰性。一般为粉末状物质，如石墨、云母、石棉纤维及玻璃纤维等，其用量可达塑料的20%～50%。作用：改善塑料的成型性能、减小塑料中的聚合物用量以及提高塑料的某些性能。2)增塑剂：为了改善聚合物熔体在注塑成型过程中的流动性，常常需要在聚合物中添加一些能与聚合物相溶并且不易挥发的有机化合物，这些化合物统称为增塑剂。增塑剂加入聚合物后，其分子可插入到大分子链之间，并因此而削弱聚合物大分子之间的作用力，从而导致聚合物的粘流温度和玻璃化温度下降，粘度也随之减小，故流动性可以提高。增塑剂加入聚合物后，还能提高塑料的伸长率、抗冲击性能以及耐寒性能，但其硬度、强度和弹性模量却有所下降。3)稳定剂：为了防止或抑制不正常的降解和交联，需要在聚合物中添加一些能够稳定其化学性质的物质，这些物质称为稳定剂。根据发挥作用的不同可分为热稳定剂、抗氧化剂和光稳定剂。生产中，稳定剂的添加量一般大于2%，也有少数情况下高达5%。（1）热稳定剂：金属皂类（2）抗氧化剂：酚类、胺类等有机物（3）光稳定剂：炭黑等4)润滑剂：为了改善塑料在注塑成型过程中的流动性能，并减少或避免塑料熔体对设备及模具的粘附和摩擦，常常需要在聚合物中添加一些必要的物质，这些物质统称为润滑剂。它还能使塑料表面保持光洁。5)增强剂：增强剂是填充剂中的一个类型，多用于热固性塑料，可以提高塑料制品的物理性能和力学强度。6)交联剂：亦称硬化剂，添加在聚合物中能促使聚合物进行交联反应或加快交联反应速度，一般多用在热固性塑料中。可以促使制品加速硬化。7)着色剂：添加在聚合物中可使塑料着色的物质统称为着色剂。它们可以分为无机颜料、有机颜料和染料三种类型。着色剂用量一般为0.01%～0.02%,一味提高用量并不能加重色泽和鲜艳程度。8)其他助剂：（1）阻燃剂：添加在聚合物中可以阻止或延缓塑料燃烧的物质。（2）驱避剂：添加在聚合物中防止老鼠、昆虫、细菌和霉菌危害的物质。（3）防静电剂：添加在聚合物中能防止塑料遭静电危害的物质。（4）偶联剂：添加在聚合物中能提高聚合物和增强剂、填充剂界面间结合力的物质。（5）开口剂：添加在聚合物中防止塑料薄膜层之间粘连的物质。1.4塑料成型的工艺特性：•聚合物的物理状态：玻璃态、高弹态和粘流态•聚合物的物理化学变化：结晶、取向、交联和降解聚合物的物理状态：•聚合物在不同条件下表现出的分子热运动特征，和温度密切相关。－脆化温度；bT－玻璃化温度；gT－粘流温度；fT－熔点或结晶温度；mT－热分解温度；dT无定型聚合物存在三种物理状态，结晶型聚合物通常不存在高弹态，热固性塑料通常不存在粘流态甚至高弹态。聚合物的物理状态：•小结：大部分聚合物的成型加工是在粘流状态中实现的。1)Tg的主要决定因素是高分子链本身的刚性和柔性。因此加入增塑剂Tg下降，反之引起交联、结晶、取向的因素Tg升高。同样对Tf和Tm也有相同影响。gTmT2~5.1=gmTT和存在一定的关系：，不对称聚合物取1.5，对称聚合物取2。2)3)注塑时，料筒的第三段温度要设定在Tm或Tf以上，然后以降低15°～25°的温度梯度依次设定第二段和第一段料筒温度。4)注塑时，应严格控制热分解温度。5)不同状态下塑料具有不同的加工工艺性。部分聚合物的热分解温度范围聚合物热分解温度范围（°C）聚合物热分解温度范围（°C）聚乙烯335~450聚苯乙烯300~400聚丙烯328~410聚乙烯－丁二烯共聚物327~430聚异丁烯288~425聚甲基丙烯酸甲酯170~300聚四氟乙烯508~538聚丙烯腈335~450聚三氟氯乙烯347~418三醋酸纤维素250~280聚醋酸乙烯213~325聚甲醛222聚乙烯醇250聚环氧乙烷324~363聚乙烯醇缩丁醛300~325聚环氧丙烷270~355聚氯乙烯200~300尼龙6310~380聚氟乙烯372~480尼龙66310~380聚偏二氯乙烯225~475聚对苯二甲酸二醇酯283~306热塑性塑料在不同状态下的物理、工艺性能状态玻璃态高弹态粘流态温度Tg以下Tg～Tf（Tm）Tf（Tm）～Td分子状态分子为无规则线团或卷曲状分子链展开，链段运动高分子链运动，彼此滑移工艺状态坚硬的固态高弹性固态，橡胶状塑性状态或高粘滞状态可加工性可作为结构材料进行锉、锯、车、铣、钻等机械加工真空成型、压力成型、压延和弯曲成型,结晶型塑料可进行薄膜和纤维拉伸，成型后产生较大内应力可注射、挤出、吹塑等，成型后内应力小聚合物的物理化学变化：•1)取向：塑料中的聚合物大分子、细而长的纤维状填料分子在成型过程中由于受到应力作用而产生分子整齐、平行排列的现象，这种现象称之为分子取向。如图2-12•2)分子定向作用：有定向分子存在将对制品的力学性能、收缩与变形产生重要影响。影响分子定向的因素：定向方向在流动取向下，分子方向沿着料流方向平行排列。料流方向又取决于料流进入型腔的位置即浇口位置，故在型腔一定时影响分子定向方向的因素是浇口位置。定向程度分子定向程度与塑料的类别和塑料制品的壁厚大小有关。此外，分子定向程度还与注射工艺条件及模具的浇口设计关系密切，现将其各项影响及相互关系归纳列于表1—2中。聚合物的物理化学变化：表1-2成型条件与模具浇口对分子定向程度的影响影响因素定向程度增大减小成型物料温度充模温度注射压力塑料充模时间条件模具温度制品冷却速度冷热慢快高低长短冷热快慢模具浇口位置选择浇口浇口截面大小选较薄处选较厚处大小1.5热塑性塑料的工艺特性1.5.1收缩性影响塑件成型收缩的因素主要有：(1)塑料品种(2)塑件结构(3)模具结构(4)成型工艺条件由于影响塑料收缩率变化的因素很多，而且相当复杂