塑料及其成型基础

塑料及其成型基础一、塑料成型概述1、塑料及其特性A.塑料的含义塑料是一种以天然或合成树脂为主要成分，在一定温度、压力下，可塑制成型，并在常温下能保持其形状不变的材料。绝大多数塑料以合成树脂为基本材料，一般含有添加剂，如填料、增塑剂、润滑剂、固化剂等。B.塑料的组成1.树脂树脂是塑料的主要成分（约占40%～100%），对塑料的性能起着决定性的作用。故绝大多数塑料以所用的树脂命名（如聚氯乙烯）。2.添加剂添加剂是为改善塑料的使用性能或成型工艺性能而加入的其他物质。⑴填充剂又称填料，主要起增强作用，有时也可改善其他性能（如铝可提高对光的反射能力和防老化）。填料通常有：木粉、石英粉、各种金属粉、合成纤维、玻璃纤维、玻璃布、棉布等。⑵增塑剂用来提高树脂的可塑性和柔软性。常用的是液态或低熔点固体有机化合物。⑶固化剂又称硬化剂或交联剂，加入到某些树脂中可以由线型分子链间产生交联，从而由线型结构变成网状结构，固化成钢硬的塑料。⑷稳定剂又称防老化剂，其作用是提高树脂在受光、热或其他条件作用下的稳定性。⑸润滑剂防止塑料在成型过程中粘在模具或其他设备上，使塑件表面光亮美观。⑹着色剂在塑料中可用有机染料或无机颜料等着色剂。另外的添加剂为：发泡剂、防老剂、阻燃剂和抗静电剂等。C.塑料的分类1.按用途分⑴通用塑料产量大、用途广、成本低。广泛应用于工、农业和日常生活。主要有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料和氨基塑料等，占塑料总量的75%以上。⑵工程塑料常指在工程技术中作结构材料的塑料。其强度、硬度、塑性、韧性、耐热性都高于通用塑料，可代替有色金属和各种合金钢制作机械零件、工业容器等。主要有ABS、聚酰胺（尼龙）、聚甲醛、聚碳酸脂、聚砜、聚苯醚、聚氯醚、有机玻璃、氟塑料等2.按树脂的热性能分⑴热塑性塑料加热时会软化、熔融，冷却时会凝固、变硬，可反复加工，废品可回收利用。如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS、聚酰胺（尼龙）、聚甲醛、聚碳酸脂、聚砜、聚氯醚等。⑵热固性塑料固化后再加热，不再软化、熔融。具有较高的耐热性和刚性。如酚醛树脂、环氧树脂、氨基塑料等。D.塑料的用途特点塑料具有密度小、耐腐蚀、高耐磨性、良好的电绝缘及隔音隔热等特点。除日常生活用品外，在机械制造中主要用于制作各种罩壳、手轮、手柄等一般结构件；轻载齿轮、涡轮、干摩擦轴承、轴套、丝杠螺母等摩擦、磨损件；密封圈等密封件；腐蚀介质中使用的容器、管道、阀门等腐蚀件。E.塑料的性能1.力学性能⑴强度由于塑料的化合键力比金属键小及大分子链排列规整度不够，塑料的绝对强度比金属低很多。根据不同的使用要求，细分为拉伸强度、压缩强度、冲击强度等。不同塑料的同一强度指标值可能相差若干数量级，主要影响因素有：大分子链的长短、结晶度的高低、添加剂的种类、注射加工的工艺参数等。如以玻璃纤维、碳纤维等为填料，塑料的强度可达到相当于灰铸铁的强度值。⑵硬度硬度是塑料对压印和刮痕的抵抗能力，可用塑料的布氏、维氏、洛氏和邵氏硬度试验系统来测定。塑料是常用工程材料中硬度最低的材料之一。⑶摩擦系数塑料的摩擦系数一般较小，耐磨和自润滑性较好，如聚甲醛、聚碳酸脂、聚酰胺。聚四氟乙烯是固体材料中摩擦系数最小的材料之一。⑷蠕变蠕变是指塑料受到低于屈服强度的固定载荷时，随载荷作用的时间增加，塑料变形也逐渐增大的现象。大多数塑料在室温时即会产生蠕变。蠕变小的塑料为聚苯醚、聚碳酸脂、聚砜、胶木、改性塑料等。2.物理性能、化学性能、电性能和热性能⑴密度塑料密度小，一般为0.85～2.2g/cm3，如聚乙烯为0.91，聚丙烯为0.90。⑵耐久性和耐候性耐久性指塑料在使用条件下保持其性能的能力。耐候性指塑料在日光、冷热、风雨中保持其使用性能的能力，耐候性指标主要考虑外界环境的影响。塑料的这两个性能均不如金属材料。⑶耐热性和自熄性耐热性评价指标有多种，一般常用热变形指标评价。热变形温度即在等速升温时，试样受简支梁式静弯曲载荷变形，并达到规定值是的温度。通常塑料在100゜C以下使用，少数塑料如聚碳酸脂、改性尼龙66或聚对本二甲酸丁二醇脂可在200゜C使用。自熄性反映了塑料在进行针焰或炙热丝加热试验时，撤除针焰或炙热丝后自行停止燃烧的能力。电器产品中直接与热源、电线接触或接近的部件必须考虑这一指标。许多塑料具有良好的自熄性，如阻燃ABS、阻燃聚苯乙烯、阻燃尼龙66等材料。⑷电绝缘性和体积电阻率一般塑料都具有良好的电绝缘性。一般塑料都可以用于民用绝缘。塑料中可加入导电材料，使塑料在某种程度上导电，满足特殊的使用要求。导电程度用体积电阻率表示。耐蚀性和耐溶剂性塑料具有优异的耐蚀和耐溶剂性。前者是指塑料耐酸、碱、盐的能力；后者决定了塑料能否用化学方法进行粘接。其中，氟塑料在“王水”中不受腐蚀，耐蚀性最好；聚乙烯、聚丙烯除了在氧化性酸中耐蚀性稍差外，能耐其他酸、碱、盐，耐蚀性优良。同一塑料随着填料、增塑剂的增加，耐蚀性下降。聚苯硫醚、氯化聚醚、氟塑料的耐溶剂性最好；聚乙烯、聚丙烯除了对苯和汽油的耐溶剂性较差外，在其他的溶剂中有极好的稳定性。塑料的耐蚀性和耐有机溶剂性明显优于金属。⑸导热性和热膨胀性导热性用热导率表示，即塑料中温度相差1゜C的两个平行面，在单位时间内传递的热量。塑料的导热性比金属小得多。热膨胀性指塑料受热时发生的膨胀的大小。温度升高1゜C所增加的长度与原来长度之比，称为线膨胀系数。塑料的线膨胀系数较大。在制造带有金属嵌件或金属件紧密结合的塑料制品时，应防止金属件松动或脱落。3.塑料的成型工艺性塑料的成型工艺性优良，可用注射、压制、挤出、吹塑、真空吸塑等方法成型。尤其是热塑性塑料的成型适应性更强，可以一次成型就获得形状复杂并具有一定尺寸精度的塑料制品，一般不需要再机械加工即可直接使用。塑料的优良成型工艺性是塑料广泛应用的重要原因之一。F.常用塑料1.热塑性塑料⑴聚乙烯（PE）化学稳定性极好，耐蚀性优良，介电性和电绝缘性良好，吸水率低。根据合成方法不同，聚乙烯塑料有高压聚乙烯和低压聚乙烯之分，聚乙烯塑料也可以与其他聚合物进行共聚。a.低密聚乙烯（LDPE）即高压聚乙烯，在较高的压力下形成，密度为0.91～0.94，相对分子质量小，结晶度小，质地柔软，耐蚀性、耐溶剂性好，电绝缘性好，强度低，摩擦系数小。外观为白色蜡状半透明物，易燃，无毒。b.高密聚乙烯（HDPE）即低压聚乙烯，在较低的压力下形成，密度为0.94～0.96，大分子支链比低密聚乙烯少，强度较高，也稍坚硬耐磨。此外，耐蚀性和电绝缘性好。可用于强度要求比低密聚乙烯稍高的场合。c.线性低密聚乙烯（LLDPE）是在线性的乙烯主链上带有短小的共聚单体支链，支化程度低于低密聚乙烯，高于高密聚乙烯。与低密聚乙烯相比，抗撕裂性、抗穿刺性、抗拉强度和耐候性提高较多。另外，其生产效益高，生产投资额较低密聚乙烯少一半，能耗减少75%，生产占地面积减少90%，预期将有可能取代低密聚乙烯。d.乙烯—醋酸乙烯共聚物（EVA）是具有类似橡胶弹性的塑料。醋酸乙烯（VA）脂含量低时，塑料与聚乙烯性能相近。醋酸乙烯脂含量高时，塑料的弹性、柔软性、透明度和粘结性提高。该塑料具有良好的弹性、耐溶剂性、耐候性、低温可扰性，但不耐油，也不耐芳烃。⑵聚丙烯（PP）聚丙烯是塑料中密度最小一种，为0.9；电绝缘性好，除浓硫酸、浓硝酸外，能耐各种腐蚀介质和溶剂；耐热性好，可在略高于100゜C情况下使用；力学性能较高，弯曲疲劳强度特高，俗称“百折塑料”。但聚丙烯收缩率较大，耐磨性较差，易低温脆化。的性能可能有较大提高。⑶聚氯乙烯(PVC)聚氯乙烯有较高的抗压强度、表面硬度，较小的延伸率。根据使用要求，加入5%以下增塑剂的称为硬质聚氯乙烯，加入20%以上增塑剂的称为软质聚氯乙烯，介于两者之间的则称为半硬质聚氯乙烯。聚氯乙烯塑料在加工和使用中，均有可能分解出氯化氢和氯化氢乙烯气体，有一定毒性，因此必须严格控制加工工艺指标和规定使用范围。⑷聚苯乙烯(PS)这种塑料一般硬度较高，柔顺性较差，刚性较大；此外，电绝缘性良好，热变形温度达65～95゜C，耐多种油类和溶剂，但溶芳烃和卤烃；外观透明，无色无味、无毒；吸湿性小，不耐冲击，性脆，易裂；耐热性和强度较差。这种塑料通常称为通用聚苯乙烯(GPPS)或简称聚苯乙烯。为改善聚苯乙烯性脆、易裂的缺点，加入5%～20%的丁二烯可明显提高其冲击韧性。常用于要求不太高的小家电外壳，这种塑料称为高抗冲型聚苯乙烯(HIPS)；为改善聚苯乙烯的耐热性、耐冲击性和刚性，将苯乙烯丙烯腈共聚，得到丙烯腈—苯乙烯共聚物(AS或SAN)。其透光性、耐溶剂性、耐热性、着色性有较大改善。对聚苯乙烯塑料进行发泡处理，可得到轻质多孔的发泡聚苯乙烯(ESP)。与其他发泡材料相比，发泡聚苯乙烯的绝热、绝缘、隔音、防振性均较好。⑸丙烯腈—丁二烯—苯乙烯三元共聚物或混合物(ABS)ABS塑料在树脂连续相中分布着橡胶相。其中，丙烯腈使ABS具有足够的硬度、耐蚀性和耐热性；丁二烯使ABS坚韧，具有高抗拉强度、韧性和低温回弹性；苯乙烯使ABS具有良好的成型加工性、刚性和着色性，制品表面光泽度好。三种组合可按不同比例共聚或共混，其中A为0.2～0.3，B为0.05～0.4，S为0.4～0.7。组合比例不同，ABS性能随之变化。ABS塑料具有较好的综合力学性能，即有较好的抗冲击强度、硬度和尺寸稳定性，一定的耐蚀性和耐溶剂性，良好的电绝缘性。加入不同的添加剂，可制成通用级、冲击级、高冲击级、阻燃级、电镀级的ABS塑料，供不同场合使用。ABS塑料不透明，可进行着色、电镀、真空镀膜处理。⑹聚甲醛(POM)聚甲醛塑料外观呈白色，熔点为152～160゜C，结晶度达75%左右耐磨性、自润滑性、尺寸稳定性特别优异，疲劳强度高。缺点使耐候性差，易老化、易燃。改性后聚甲醛性能有相应提高。⑺聚酰胺(PA)俗称“尼龙”。其熔点高，制品具有良好的韧性、耐油性、耐热性和耐溶剂性，优良的力学性能，但吸湿性较大，容易吸湿膨胀。常用的品种有尼龙6、尼龙66、尼龙610、尼龙1010。不同种类的尼龙，分子链上氢键的数量不同，因此制品的结晶度不同，熔点、柔顺性、吸湿性、尺寸稳定性也各不相同，应根据不同的使用要求选择性能不同的尼龙品种。与一般塑料相比，聚酰胺耐磨、强韧、质轻、耐溶剂、耐油、耐冷热、易成型、自润滑性好，特别是常温下抗拉强度、疲劳强度高，摩擦系数小，是广泛使用的工程塑料之一。但由于聚酰胺中含有极性基团，并且吸湿性大，因此电性能稍差。另外，聚酰胺的热变形温度低，只有80゜C左右，刚性差，蠕变大，导热性差，在高温、潮湿和高负荷下不宜采用。聚酰胺改性后可以极大地改善不足之处，工程上用途很广。⑻聚酯聚酯可分为不饱和聚酯和饱和聚酯两大类。前者属于热固性塑料，后者属于热塑性塑料。饱和聚酯主要有两种：聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)。聚对苯二甲酸乙二醇酯是一种结晶度达40%的热塑性塑料，俗称“涤纶”。其成型收缩率大，尺寸稳定性差，热变形温度低；但流动性、延展性较好，纤维特性优良。常用于吹塑级和薄膜级制品。聚对苯二甲酸丁二醇酯的结晶型塑料。具有优良的综合性能；吸湿性小，电绝缘性好；热变形温度高，可在150゜C下长时间使用；摩擦系数小，磨耗低；厚度达0.1mm时仍具有高度透明性；综合性能指标类似聚甲醛或聚碳酸酯。改性后，这种塑料的性能可以极大地提高。⑼聚碳酸酯(PC)是一种淡黄透明的塑料。具有优良的抗冲击强度和抗蠕变性能；抗拉、抗弯强度较高，伸长率较大，弹性模量较高；吸湿率低，尺寸稳定，耐磨、耐蚀性好；耐高压击穿和电绝缘性能特别好；成型性好，可以注射、挤出成型。缺点的疲劳强度低，缺口敏感性高，易开裂，耐磨性次于聚甲醛和聚酰胺。改性后聚碳酸酯的性能有较大的提高。⑽氟塑料(PEF)主要有聚四氟乙烯、聚六氟乙烯、氟化乙烯丙烯。其中聚四氟乙烯(PEFE)应用最广。其结晶度高，摩擦系数很小；化学稳定性极好，具有突出的耐蚀性、耐冷热性，在酸液“王水”中都不被腐蚀，化学稳定性超过玻璃、陶瓷，甚至超过金、银、铂，俗称“塑料王”，还具有优良的自润滑性，减摩性