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塑料成型工艺与模具设计（修订版）屈华昌主编李和平主讲高等教育出版社2绪论教学目的：了解塑料成型在工业生产中的重要性、塑料模具的分类。教学重点：教学难点：教学课时：1学时教学内容：一、塑料及塑料工业的发展1、初创阶段；2、发展阶段；3、飞跃发展阶段；4、稳定增长阶段。二、塑料成型在工业生产中的重要性1、模具工业在国民经济中的重要地位；2、塑料模具设计与制造在塑料工业中的地位。三、塑料成型技术的发展趋势1、模具的标准化；2、加强理论研究；3、塑料制件的精密化、微型化和超大型化；4、新材料、新技术、新工艺的研制、开发和应用。二、塑料模具的分类按照塑料制件的成型方法可分为以下几类：1、注射成型：注射成型又称注射模塑或注塑成型。其原理是将粒状或粉状的塑料原料加入到注射机的料筒中，经过加热熔融成粘流态，在柱塞或螺杆的推动下，以一定的流速3注射入闭合的模具型腔中，充分硬化定型后从模内脱出成型的塑件。几乎所有的热塑性塑料（除氟塑料外）及部分热固性塑料皆可经注射成型而获得各种形状的塑料制品，其应用覆盖了国民经济各个领域。2、压缩成型：其原理是将预热过的塑料原料直接加入到处于成型温度下的模具型腔中，然后闭模及加压加热，塑料在型腔内受热受压，熔融塑化并向型腔各部位充填，待充分固化定型后，卸压启模即得模压制品。3、压注成型:压注成型又称传递成型。它的原理是将热固性塑料置于高温的模具加料腔内，使其受热熔融塑化成粘流态，并在活塞的压力作用下，通过模具的浇注系统注射入闭合的模腔中；熔融塑料在此继续受热受压，经交联固化而定型；最后打开模具获得所需形状的制品。4、挤出成型：挤出成型又称挤压成型。其成型原理是借助于转动的螺杆，连续的将塑化好的、呈熔融状态的成型物料从挤出机的机筒中挤出，并通过特定断面形状的口模成型。并在冷却、牵引和切断等一系列的辅助装置的作用下，获得具有一定截面形状的连续型材，如管材、棒材、板材、片材、电线电缆的包覆层及其它的异型材等。5、中空成型：中空成型又称中空吹塑成型。中空成型的原理是先通过挤出或注塑的成型方法生产出高弹状态的塑料型坯，再把塑料型坯放入闭合的模腔内，然后向型坯内吹入压缩空气，使其胀大并紧贴在模腔表壁，经冷却定型后获得与模具型腔形状一致的中空制品。中空成型主要用于生产塑料瓶子、水壶、提桶、玩具等。6、真空成型：将加热的塑料片材与模具型腔表面所构成的封闭空腔内抽真空，使片材在大气压力下发生塑性变形而紧贴于模具型面上成为塑料制件的成型方法。7、压缩空气成型：是利用压缩空气，使加热软化的塑料片材发生塑性变形并紧贴在模具型面上成为塑料制件的成型方法。三、学习本课程应达到的目的学习目的与要求：1、了解塑料的组成、分类及其性能；2、了解塑料成型的基本原理和工艺特点；3、掌握各种成型设备对各类模具的要求；4、掌握各类成型模具的结构特点及设计计算方法；5、具有初步分析、解决成型现场技术问题的能力。4第一章高分子聚合物结构特点与性能教学目的：了解聚合物的分子结构与性能教学重点：聚合物的热力学性能教学难点：聚合物的热力学性能教学课时：2学时教学内容：1.1聚合物分子的结构特点一、聚合物的分子结构（一）树脂与塑料1、天然树脂：从物体中直接提取出来的树脂。2、合成树脂：人们根据天然树脂的分子结构和特性，应用人工方法制的的树脂。因为合成树脂有优良的性能，所以塑料一般都是用合成树脂制得的。（二）高分子与低分子1、高分子：含有原子数很多、相对分子质量很高、分子很长的巨型分子。无论是天然树脂还是合成树脂都是高分子聚合物。2、低分子：原子数很少、相对分子质量很低的分子。如H2O、CaCO3等。（三）聚合物的分子结构1、线型聚合物：聚合物的分子链呈不规则的线状，聚合物是一根根的分子链组成的，称线型聚合物。2、体型聚合物：在大分子链之间有一些短链把它们相互交联起来，成为网状结构，称体型聚合物。51.2聚合物的热力学性能图2-3聚合物的热力学曲线图2-3中曲线1为线型无定形聚合物受恒应力作用时变形程度与温度的关系曲线，也较热力学曲线。此曲线分为三个阶段，即线型无定形聚合物常存在的三种物理状态：玻璃态、高弹态和粘流态。1）θ＜θg，曲线基本是水平的，变形程度小，而且是可逆的；但弹性模量较高，聚合物处于刚性状态，表现为玻璃态。2）θg≤θ≤θf，曲线开始急剧变化，但很快稳定趋于水平。聚合物的体积膨胀，表现为柔软而富有弹性的高弹态。外力去除变形量可以恢复，弹性是可逆的。3）θ＞θf，曲线变形迅速发展，弹性模量再次很快下降，聚合物即产生粘性流动，成为粘流态。此变形不可逆。其中θg－－玻璃化温度，是聚合物从玻璃态转变为高弹态的临界温度，是塑料使用的上限温度；θf－－粘流温度，是聚合物从高弹态转变为粘流态的临界温度；θb－－脆化温度，是塑料使用的下限温度；θd－－热分解温度；θb～θg－－塑料的使用温度范围。6表2-1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θg以下θg～θfθf～θd分子状态分子纠缠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加工可能性可作为结构材料进行锉、锯、钻、车、铣等机械加工弯曲、吹塑、引伸、真空成型等，成型后会缠身较大的内应力可注射、挤出、压延等，成型后应力小。1.3聚合物的流变学性质一、牛顿流体及其流变方程图2-4液体在流道中流动时的速度梯度图从图中可得出v=dx/dt（1）故dv/dr＝d(dx/dt)/dr＝d(dx/dr)/dt（2）式中v－液层移动速度；dv/dr－单位距离内的速度差（速度梯度）；dx/dr－一个液层相对于另一个液层移动的距离，它是剪切力作用下该层液体产生的切应变γ，即γ＝dx/dr。7所以dv/dr＝dγ/dt＝γ′（3）式中γ′－单位时间内的切应变，称为剪切速率。故可以用剪切速率代替速度梯度，两者在数值上相等。切应力和剪切速率的关系τ＝η（dv/dr）＝ηγ′（4）式中τ－液层单位表面上所加的切应力；η－比例常数（牛顿粘度）。式（4）为牛顿流动定律，即牛顿流体的流变方程。它表明液层单位表面上所加的切应力与液层间的速度梯度成正比。二、聚合物熔体的粘弹性流动熔体中的弹性形变与聚合物的相对分子质量、外力作用速度或时间以及熔体的温度等有关。当相对分子质量越大、外力作用时间越短、熔体温度超高于材料熔点时，弹性现象表现显著。三、热塑性和热固性聚合物流变行为的比较1、热塑性聚合物加热是一种物理作用，加工过程所获得的形状必须通过冷却定型（硬化）。在加热的过程中，材料内在性质发生一定变化，但未改变材料整体可塑性的基本特性，材料是可以反复塑造成型的。2、热固性聚合物加热可使材料熔融，而且在足够高的温度下发生交联反应，最终完成硬化等化学反应。材料一旦硬化，就失去了再次软化、流动和改变形状的能力，也就是说这种聚合物不可以反复塑造成型。1．4聚合物在成型过程中的物理化学变化一、聚合物的结晶1、概念结晶过程：聚合物由非晶态转为晶态的过程。结晶度：结晶区在聚合物中所占的重量百分比。2、结晶度对塑件的影响8为了改善塑件的性能，通常采用热处理的方法使非晶相转变为晶相，不稳定的晶形结构转为稳定的晶形结构，微小的晶粒转为较大的晶粒，但晶粒过分粗大，会使聚合物变脆，性能变差。二、成型过程中的取向作用1、概念取向作用：热固性和热塑性塑料中各自存在的细而长的纤维状填料和聚合物分子，在很大程度上，都会顺着流动的方向作平行的排列，这种排列称为取向作用。2、注射、压注成型塑件中纤维状填料的取向图2-24扇形片试样中填料的取向从图中可以看出，填料排列的方向主要顺着流动的方向，碰到阻力后，改称与阻力垂直的方向，并按此定形。3、注射、压注成型塑件中聚合物分子的取向图2-25注射成型长条形试样中聚合物取向程度分析（a）横向截面（b）轴向纵截面从图中可以看出，沿试件轴向的分子取向程度从浇口处顺着料流方向逐渐增加，达到最大值后又逐渐减弱。沿试件截面越靠近中心区域取向程度越小，中心两侧而不到表层的一带取向程度较高。9三、聚合物的降解1、概念降解：又叫裂解，是把相对分子质量降低的现象，称为降解。2、减少和避免聚合物降解的措施1）严格控制聚合物的技术指标，使用合格的原材料；2）聚合物在使用前进行干燥处理；3）确定合理的加工工艺和加工条件；4）使用附加剂来加强聚合物对降解的抵抗能力。四、聚合物的交联1、概念交联：聚合物在加工过程中，形成三维结构的反应称为交联。2、交联聚合物的性能交联聚合物的机械强度、耐热性、耐溶剂性、化学稳定性和塑件的形状稳定性等都有所提高。热固性塑料成型时通常发生交联反应。10第二章塑料的组成与工艺特性教学目的：掌握塑料的组成及工艺特性教学重点：塑料的组成及工艺特性教学难点：塑料的组成及工艺特性教学课时：2学时教学内容：2．1塑料的基本组成2．1．1塑料的组成塑料以合成树脂为主要成分，经与不同的添加剂混合而成具有可塑成型的混合物,在加热加压的条件下具有可塑性,常温下为柔韧的固体。1、合成树脂合成树脂是塑料的基本成分，是人们模仿天然树脂的成分用化学方法人工制取得到的各种树脂。2、填充剂（又称填料）添加填充剂的目的是降低塑料中树脂的使用量，从而降低制品成本；其次是改善塑料的加工性能和使用性能，填充剂在塑料中的含量一般控制在40%以下。3、增塑剂增塑剂的作用是提高塑料的可塑性和柔软性。4、稳定剂添加稳定剂的作用是提高塑料抵抗光、热、氧及霉菌等外界因素作用的能力，阻缓塑料在成型或使用过程中的变质。稳定剂的用量一般为塑料的0.3～0.5%。5、润滑剂润滑剂对塑料的表面起润滑作用。6、着色剂11合成树脂的本色大都是白色半透明或无色透明的。在工业生产中常利用着色剂来增加塑料制品的色彩。对着色剂的要求是：耐热、耐光，性能稳定，不易与其它组分起化学反应，易扩散，着色力强，与树脂有良好的相溶性。着色剂用量一般为塑料的0.01％～0.02％。7、固化剂在热固性塑料成型时，有时要加入一种可以促使合成树脂完成交联反应而固化的物质。2．1．2塑料的分类1、按合成树脂的分子结构及其特性分类1)热塑性塑料这类塑料的合成树脂都是线型或带有支链型结构的聚合物，在一定的温度下受热变软，成为可流动的熔体。在此状态下具有可塑性可塑制成型制品，冷却后保持既得的形状；如再加热，又可变软塑制成另一形状，如此可以反复进行。2)热固性塑料这类塑料的合成树脂是带有体型网状结构的聚合物，在加热之初，因分子呈线型结构，具有可熔性和可塑性，可塑制成一定形状的制品，但当继续加热温度达到一定程度后，分子呈现网状结构，树脂变成了不熔的体型结构，此时即使再加热到接近分解的温度，也不再软化。2、按塑料的用途分类1)通用塑料指产量大、成形性好、价格低、用途广，常作为非结构材料使用的塑料。2)工程塑料指具有优良的力学性能和较宽温度范围内的尺寸稳定性，同时还具有耐磨、耐腐蚀、自润滑等综合性能，能在一定程度上代替金属作为工程结构材料使用的塑料。3)特殊塑料指具有某些特殊性能的塑料，这类塑料通常有高的耐热性或高的电绝缘性及耐腐蚀性。2．2塑料成型的工艺特性2．2．1热塑性塑料的工艺性1、收缩性（1）导致塑料成型收缩的因素121)塑料材料的热胀冷缩；2)制品脱模后的弹性恢复；（2）影响塑料成型收缩的因素1)塑料品种；2)塑件结构；3)模具结构；4)成型工艺。2、流动性在塑料的模塑成型过程中，塑料熔体在一定的温度和压力下充填模具型腔的能力，称为塑料的流动性。影响塑料流动性的因素主要有以下几方面：（1）温度一般情况料温高，流动性大，但不同塑料也各有差异。（2）压力注射压力增大，流动性也增大。（3）模具结构浇注系统的形式、尺寸、结构、冷却系统的设计和流动阻力的都直接影响流动性，凡促使料温降低、流动阻力增加的因素，都会使流动性降低。3、相容性相容性是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。塑料的相容性也称为共混性。4、吸湿性吸水性是指塑料对水分的亲疏程度。5、热敏性热敏性是指某些热稳定性差的塑料，在较高温下受热时间稍长