塑料成型理论基础

第十章塑料成型技术一、塑料的组成及结构特点塑料是以人工合成树脂为主要成分，添加一定数量的稳定剂、填充剂、增塑剂、润滑剂、着色剂、固化剂等助剂的高分子混合物低分子化合物单体经过聚合反应转变成大分子物质，其原子以共价键的方式形成大分子结构，相对分子质量一般不低于104聚合物所含单元的数量N，称为聚合度，N越大，聚合物的相对分之质量越高聚合物大分子均为长链状结构，容易弯曲。其链状结构有线性、支链型和体型三种类型，如图示§10-1塑料的组成、分类及主要的成型方法大分子链结构的类型按制造方法分：聚合树脂塑料和缩聚树脂塑料两类按成形性能分：热塑性塑料和热固性塑料两类按用途分：通用塑料、工程塑料和特殊用途塑料等二、塑料的分类§10-1塑料的组成、分类及主要的成型方法常用塑料名称及英文代号随温度升高，聚合物将呈现玻璃态、高弹态、粘流态三种状态聚合物的物理状态与温度的关系1－线性非结晶聚合物；2－线形聚合物；3－金属三、塑料的可加工性及主要成型方法§10-1塑料的组成、分类及主要的成型方法玻璃态是聚合物的使用状态，g称为玻璃化温度,为衡量制品使用范围的标致之一，g越高，制品对环境温度适应性越强f为粘流温度，是聚合物从高弹态转为粘流态的温度m为熔点，是聚合物的熔融温度d为热分解温度，是聚合物高温下开始分解的温度§10-1塑料的组成、分类及主要的成型方法f(m)和d可用来衡量塑料的注射成型性能，f(m)低时，有利于熔融，生产时耗能少；f(m)温度区间大时，塑料熔体的热稳定性好，可在较宽温度范围内变形和流动塑料的成型方法有很多，其中主要有：注射（塑）成型、挤出成型、压缩成型、压铸成型、吹塑成型等。据统计，目前注射制品约占所有塑料制品总产量的30%，占工程塑料制品的80%，故注射成型是一种最主要的成型方法牛顿流动规律：温度一定时，低分子液体流动时的切应力与切应变速率成正比，即：式中：h为剪切粘度（Pa·s）。符合上式的流体称为牛顿流体，比例系数h称为牛顿粘度，它是流体本身固有的性质，其数值表征了流体抵抗外力引起流动形变的能力一、塑料的流变性§10-2塑料成型理论基础dtddtd层流流速分布模型§10-2塑料成型理论基础塑料成形中，大多数塑料熔体都是非牛顿流体，它们中大部分近似服从指数流动规律：式中：K－稠度系数，n－非牛顿系数§10-2塑料成型理论基础指数流动规律也可表示为：称为聚合物熔体的表观粘度。它表征的是非牛顿流体在外力作用下的抗切应变的能力•粘度是描述塑料熔体流变行为最重要的参数•对于牛顿流体，其粘度h为一个不变常量•对于非牛顿流体，其表观粘度受多种因素影响nndtdKK)(a1nK在聚合物流变学理论中，凡是服从指数流动规律的非牛顿流体统称为粘性流体。根据n的取值范围可将粘性流体分为三类：n1时，称为假塑性液体，绝大多数聚合物熔体与溶液的流动都接近于假塑性流体n1时，称为膨胀性液体n=1时，且只有切应力达到或超过一定值后才能流动的，称为Bingham体§10-2塑料成型理论基础不同类型流体的流动曲线不同类型流体的流变曲线§10-2塑料成型理论基础1）聚合物结构和其他组分的影响聚合物相对分子质量越大，熔体的粘度和非牛顿性越大。相对分子质量分布较宽的聚合物，其粘度对剪切速率的敏感性较大，非牛顿性也较强2）温度的影响在粘流态，热塑性塑料熔体的粘度随温度升高而呈指数规律降低，但不同熔体粘度对温度的敏感程度不同3）压力的影响随外部压力增大，熔体受压缩体积减少，分子间作用力增加致使粘度也随之增大。由于塑料熔体的压缩率不同，不同熔体的粘度对压力的敏感性也不同4）剪切速率的影响塑料熔体的表观粘度随着剪切速率或切应力的增大而减少，不同种类的塑料对剪切速率的敏感性不同表观粘度影响因素分析：1.聚合物的结晶：在一定的外界条件下，聚合物分子在空间作规则性的排列称为结晶二、塑料成形过程的物理和化学变化§10-2塑料成型理论基础•聚合物结晶态与低分子物质结晶有很大区别，主要表现为晶体不整齐、结晶不完全、结晶速度慢、没有明晰的熔点等。其形态常为球晶，用结晶度来表示其程度。一般聚合物的结晶度为10％～60％•结晶度的提高可增加聚合物密度、抗拉强度、刚度和热变形温度，但降低了聚合物冲击韧性。由于结晶时形成球晶，致使制品的透明度降低。另外结晶度提高会在制品内产生较高的附加应力而引起制品翘曲•在塑性加工中影响结晶度的因素有：温度及冷却速度、熔融温度与熔融时间和应力2.聚合物取向：聚合物的大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。§10-2塑料成型理论基础•塑料在成形过程中会发生不同类型的取向。一种是流动取向，另一种是拉伸取向•取向会使制品产生明显的各向异性。•其不利之处为增加了制品翘曲的可能性•有利之处为制品受力方向与取向方向一致可改善制品质量。同时使结晶提前，使制品密度和强度都相应提高•另外，取向程度的提高会使线收缩率增加，线膨胀系数也随之变化取向的影响因素有：•塑料熔体的加工温度，提高加工温度有利于产生解除取向效应•聚合物分子松弛时间，结晶型塑料松弛时间短容易使取向冻结，其取向成熟高于无定形塑料•模具温度低时熔体冷却速度加快，冷冻取向效应提高塑料比热大，热导率低会降低熔体冷却速度，有利于取向的解除•注射压力可提高熔体的切应力和剪切速率，有助于分子取向•大浇口冷却慢，浇口封闭晚，取向作用加强•快速充模使制品表面层分子取向增高，中心部位取向减弱§10-2塑料成型理论基础3.聚合物的降解：聚合物相对分子质量降低的现象称为聚合物的降解。•通常聚合物分子是在受到热和应力或者微量水分、酸、碱等杂质及空气中氧的作用而使大分子结构改变，产生降解•降解是有害的，按轻重不同会使聚合物变色、出现气泡和流纹、甚至焦化变黑§10-2塑料成型理论基础图是注射成型过程示意图。成型时，先将粉状或粒状物料从料斗送入高温机筒内加热熔融塑化使之成为粘流态熔体，然后在柱塞或螺杆的高压推动下以很大的流速通过喷嘴注射进入温度较低的闭合模具中。熔体在压力作用下充满型腔并被压实，经过一段保压后柱塞或螺杆回程。此时，熔体可能从型腔向浇注系统倒流。冷却定型后开启模具，制品便可从模腔中脱出。一、注塑成型过程§10-3注射成型及其模具注塑成型过程a)加热熔融塑化b)充模、压实、保压、倒流c)冷却定型、脱模1－料斗2－机筒3－喷嘴4－分流锥5－柱塞塑料在注射机筒内经过加热、塑化达到流动状态后，由模具的浇注系统进入模具型腔，最终冷却定形的过程称为浇注过程。该过程可分为充模、压实、保压、倒流和冷却五个阶段。如图示为一个注射周期内压力随时间变化曲线。§10-3注射成型及其模具注射成形中的压力－时间曲线1－注射压力曲线；2－喷嘴末端的压力曲线；3－型腔始端的压力曲线；4－型腔末端的压力曲线OA段为塑料熔体在注射压力p1作用下，从料筒计量室流入型腔始端的时间AB段熔体充满型腔，此时注射压力达到最大值BC段是熔体的压实阶段,注射压力用于压实熔体CD段为保压阶段E时刻熔体在浇口处凝固,封断流动EF段为冷却定形阶段决定注塑件成形质量的关键参数有:温度(熔体和模具温度)、压力、时间(充模时间）和速度。1.典型注射模具结构：图显示了一套卧式多腔单分型面注射模具结构。该模具可分为定模（零件5、11～14）和动模（零件1～4、15～19）两大部分。按其主要功能，注射模由成型零部件、导向机构、浇注系统、顶出脱模机构、侧向分型与侧向抽芯机构、排气结构、温度调节系统和支承零部件八大部分组成二、典型注射模具§10-3注射成型及其模具与冲压模具比较，浇注系统、温度调节系统、侧向分型与侧向抽芯机构等三部分为注射成型模具所特有。卧式多腔单分型面注射模a)合模成形，b)开模顶出1－拉料杆2－顶杆3－导柱4－凸模5－凹模6－冷却水管7－浇口8－分流道9－主流道10－冷料穴11－定位环12－主流道衬套13－定模座14－定模板15－动模板（凸模固定板）16－支撑板17－动模座18－顶杆固定板19－顶杆底板§10-3注射成型及其模具2.注射模具分类§10-3注射成型及其模具1）单分型面注射模具：简单而又常用的一类。型腔的一部分（型芯）在动模上，另一部分（凹模）在定模上。主流道设在定模一侧，分流道设在分型面上。开模后由于动模上拉料杆的拉料作用以及制品因收缩包紧在型芯上，制品连同凝料留在动模一侧，动模上设有推出机构，用于推出制品和流道内的凝料2）双分型面注射模具（图）：双分型面注塑模以两个不同的分型面分别取出流道凝料和塑料制品。与两板式的单分型面注塑模具相比，双分型面注塑模具在动模板与定模板之间增加了一块可以移动的中间板（又名浇口板），故又称三板式模具立式双分型面注塑模1－支架2－凸模3－支撑板4－动模板5－推件板6－导柱7－限位钉8－弹簧9－定距拉板10－主流道衬套11－定模座12－中间板13－导柱14－顶杆15－顶杆固定板16－顶杆底板§10-3注射成型及其模具3）带活动镶件的注射模具：对于复杂结构的塑料制品，由于无法通过简单的分型从模具中取出制品，因此可在模具中设置活动镶件和活动侧向型芯，脱模时必须将它们连同制品一起移出模外，然后用手工或简单工具将它们与制品分开，因此，这类模具的生产效率不高，常用于小批量的试生产§10-3注射成型及其模具带活动镶件的注射模具1－顶杆底板2－顶杆固定板3－顶杆4－弹簧5－支架6－支撑板7－动模板4）带抽芯的注射模具：当塑料制品上有侧孔或侧凹时，在模具内可设置由斜导柱或斜滑块等组成的侧向分型抽芯机构，它能使侧型芯作横向移动§10-3注射成型及其模具带侧向分型抽芯的注射模具5）自动卸螺纹注射模具：对带有内（外）螺纹的塑料制品，可在模具中设置转动的螺纹型芯（型环），利用机械的旋转运动或往复运动将螺纹制品脱出§10-3注射成型及其模具自动卸螺纹的注射模具1－定模型板2－衬套3－动模板4－定距螺纹5－支撑板6－支架7－螺纹型芯8－注射机合模螺杆6）推出机构设在定模：由于注射机推出液压缸在动模一侧，因此塑料制品开模后常留在动模侧。对有些要求制品留在定模的注射模具，应在定模一侧设置推出机构，以便将制品从定模内推出。§10-3注射成型及其模具推出机构设在定模的注射模具1－支架2－支撑板3－成型镶件4－螺钉5－动模板6－螺钉7－推件板8－拉杆9－定模板10－定模座板11－凸模12－导柱7）无流道凝料注射模具：通过采用对流道加热和绝热的方法来保证从注射机喷嘴到浇口处之间的塑料保持熔融状态。称为热流道注射模具§10-3注射成型及其模具无流道凝料注射模具1－动模座2－垫板3－推板4－固定板5－顶杆6－支撑板8－动模板9－凸模10－导柱11－定模板12－凹模13－垫板14－喷嘴15－热流道板16－加热器孔17－定模座板18－绝热层19－主流道衬套20－定位环21－二级喷嘴一、塑料的可焊性§10-4塑料的焊接•对热塑性塑料：在一定温度下软化直至粘滞流动，冷却后又重新硬化。这个过程可重复多次而且大分子性质不变，所以可对它进行焊接加工•对热固性塑料：在成形过程中已发生不可逆交联反应，因此不能进行焊接加工二、塑料的焊接成形方法1）塑料的热气焊：用热气体对制品表面及焊条加热，再通过手工或机械方式施加压力将两件制品连在一起的方法热气摆动焊2）塑料的超声焊接：塑料的焊接面在超声波能量的作用下做高频机械振动而发热熔化，同时施加压力把制品焊接在一起。这种方法适用于大多数热塑性塑料，主要用于焊接模塑件、薄模、板、线材等，焊接时不用填充材料3）塑料摩擦焊：被焊接的塑料在焊接面上经摩擦发热而熔化，同时手控或机械操纵焊接压力把制品焊接在一起。摩擦热可通过焊件之间的相对摩擦运动，或与中间体之间的相对转动来产生4）塑料挤塑焊：以焊接填料在塑化装置内充分均匀混合，塑化后挤出的棒状熔料为焊接填料，填进已预热至焊接温度的焊接表面并用专用压具压实的方法。主要用于聚乙烯和聚丙烯塑料的焊接5）热工具焊：利用一个或多个发热工具对两个被焊制件表面加热，直至