塑料成型工艺及模具设计精品课程电子教案

塑料成型工艺及模具设计精品课程电子教案内容摘要：

C2H4— „ 称为聚乙 烯。 （ 2） 有些是取其原料的名称（简名）后附“树脂”二字，如苯酚和甲醛合成，成为酚醛树脂。 （ 3）以聚合物的特征命名 如己二胺与己二酸的反应物叫做聚己二酰己二胺。 （ 4）习惯命名 如尼龙－ 66 为聚己二酰己二胺，尼龙后的第一个数字表示二元胺的碳原子数，第二个数字表示二元酸的碳原子数。 涤纶为聚对苯二甲酸乙二醇酯。 “纶”字常作为纤维商品的后缀。 共聚物如橡胶往往从共聚单体中各取一个字头，后加“橡胶”二字来命名，如丁二烯与丙烯腈的共聚物称为丁腈橡胶。 （ 5） 国际纯化学和应用化学联合 会 (IUPAC)的系 统命名法 A、确 定重复单元的结构； B、排好重复单元中的次级单元的次序； C、给重复单元命名； D、在重复单元名称前面加一个“聚”字。 （三）高聚物的聚集态结构及其性能 分子聚集态结构是指平衡态时分子与分子之间的几何排列。 高聚物在常温常压下，大多数为固态，没有气态，固体聚合物分子的排列有两种形式，分子有规则紧密排列的区域，称之为结晶区。 分子处于无序状态的区域称之为非晶区，如图 2－ 2 所示。 按照分子排列的几何特征，固态聚合物可分为结晶型和无定型（或非结晶型）两种。 结晶型聚合物由晶区非晶区所组成，晶区所占的重量百分数称为结 晶度，例如低压聚乙烯在室温时的结晶度 为 85％－ 90％。 一 般而言， 聚合物 大分子链的结构对称性好 ，主链上带有的侧基体积小、分子间作用力大，则有利于结晶；反之，则对结晶不利或不能形成结晶区。 结晶只发生在线性聚合物和含交联不多的体型聚合物中。 图 2－ 2 结晶型聚合物结构示意图 1－晶区 2－ 非晶区 结晶对聚合物的性能有较大影响。 由于结晶造成了分子紧密聚集状态，增强了分子间的作用力，所以使聚合物的强度、硬度、刚度及熔点、耐热性和耐化学性等性能有所提高，但与链运动有关的性能如弹性、伸长率和冲击强度等则有所降低。 对于无定型聚合物的结构，大距离范围内其分子排列是杂乱无章的、相互穿插交缠的。 小距离范围内有序，即“远程无序，近程有序”。 体型聚合物由于分子链间存在大量交联，分子链难以作有序排列，所以绝大部分是无定型聚合物。 三、聚合物加工性质 （一）聚合物的聚集态及其加工性 聚合物聚集态的多样性导致其成型加工的多样性。 聚合物聚集态转变取决于聚合物的分子结构、体系的组成以及所受应力和环境温度。 当聚合物及其组成一定时，聚集态的转变主要与温度有关。 温度变化时，塑料的受力行为发生变化，呈现出不同的物理状态和力学性能特点。 如图 2－ 3 所示 ，为线型无定型聚合物和完全线型结晶型聚合物受恒定压力时变形程度与温度关系的曲线，也称热力学曲线。 aαR压缩空气AAA放大aA 图 2— 3聚 合物的物理状态与温度及加工的关系 1－线型无定型聚合物 2－完全线型结晶型聚合物 Tb 称为 聚合物的脆化温度，是 聚合物 保持高分子力学特性的最低温度。 Tg 称 为玻璃化温度，是 聚合物 从玻璃态转变为高弹态（或相反）的临界温度。 Tf称 为粘流温度，是无定型 聚合物 从高弹态转变为粘流态（或相反）的临界温度。 Tm称 为熔点，是结 晶型聚合物由晶态转变为熔融态（或相反）的临界温度。 Td 称 为热分解温度，是聚合物在加热到一定温度时 高分子主链发生断裂 开始分解的临界温度。 1．线型无定型聚合物 从图中看出，线型无定型聚合物在受热时常存在的三种物理状态为 :：玻璃态（结晶聚 合物亦称结晶态）、高弹态和粘流态。 （ 1）玻璃态 聚合物处于温度 Tg 以下的状态，曲线基本是水平的，变形程度小，并且是可逆的，弹性模量较高，聚合物 呈现刚性固体状， 聚合物受力变形符合虎克定律，应力和应变成正比。 处于玻璃态的聚合物可作为结构材料，能进行车、铣、锯、削、刨等机械 加工。 一般多数聚合物的温度都高于室温，只有极少数聚合物温度低于室温，如高密度聚乙烯玻璃化温度为800C，玻璃态是大多数聚合物的使用状态。 Tg 是多数聚合物使用温度的上限。 Tb 是聚合物使用的下限温度。 当温度低于 Tb 时，聚合物在很小的外力作用下就会发生断裂，无使用价值。 从聚合物的使用角度来看， Tb 和 Tg 之间的范围显然越宽越好。 常温下，玻璃态的典型材料是有机玻璃。 （ 2）高弹态 当 聚合物 受热温度超 过 Tg 时（ Tg 至 Tf间） ，曲线开始急剧变化， 聚合物 进入柔软而富有弹性的高弹 状。 变形能力显著增大，弹性模量显著降低， 但变形仍然具有可逆性。 在高弹态状态下，可进行弯曲、吹塑、真空成型、引伸、冲压等成型，成型后会产生较大的内 应力。 进行上述成型加工时，应考虑到高弹态具有的可逆性，由于高弹态形变比普弹形变大一万倍左右，且属于与时间有依赖性的可逆形变，因此，必须将成型后的塑料制件迅速冷却到 Tg 以下，以保证得到符合产品质量要求的塑件。 常温下，高弹态的典型材料是橡胶。 （ 3）粘流态 当聚合物受热温度超过 Tf 时， 分子热运动能量进一步增大，至能解开分子链间的缠结而发生整个大分子的滑移， 变形迅速发展，聚合物开始有明显的 流动，聚合物开始进入粘流态变成液体，具有了流动性，通常称之为熔体。 在这种状态下聚合物的变形不具有可逆性，一经成型和冷却后，其形状就能永久保持下来。 Tf是塑料成型加工的最低温度，在这种粘流状态下，聚合物熔体形变在不太大的外力作用下就能引起宏观流动，可进行注射、挤出、压注、纺丝等成型加工，成型后应力较小。 增高温度将使塑料的粘度大大降低，流动性增大，有利于塑料熔体充型，但不适当的增大流动容易导致诸如注射成型过程中的溢料、挤出成型塑件形状的扭曲、收缩和纺丝过程中纤维的毛细断裂等现象。 当温度高到分解温度 Td 附近还 会引起聚合物分解，以致降低塑件的物理力学性能或引起外观不良等缺陷。 因此， Tf和 Td 可用来衡量聚合物的成型性能，温度区间大时，聚合物熔体的热稳定性好，可在较宽的温度范围内受形和流动，不易发生热分解。 Tf和 Td 都是聚合物材料进行成型加工的的重要参考温度。 常温下，粘流态的典型材料是熔融树脂（如胶粘剂）。 2．完全 线型结晶型聚合物 和线型 无定型 聚合物 的热力学曲线相比较，完全线型结晶型聚合物的热力学曲线通常无明显的高弹态，说明完全结晶的聚合物不存在高弹态，在高弹态温度下也不会有明显的弹性变形，但结晶型聚合物一般不 可能完全结晶，都含有非结晶的部分，所以它们在高弹态温度阶段仍能产生 一定程度的变形，只不过比较小而已。 因此，对线型结晶型聚合物，可在玻璃化温度至熔点的温度区间内进行薄膜吹塑和纤维拉伸。 完全线型结晶型聚合物和 Tf 对应的温度为熔点 Tm，是线型结晶型聚合物熔融或凝固的临界温度，由于其熔点很高，甚至高于其分解温度，所以不能采用一般的成型加工方法，如四氟乙烯塑件就是采用高温烧结法制成的。 线型结晶型聚合物可在脆化温度和熔点之间应用，使用温度范围较宽，耐热性能好。 （ 二 ） 聚合物的可挤压性 聚合物 的 可挤压性是指聚合物通过 挤压作用形变时获得一定形状并保持这种形状的能力。 塑料在加工过程中常受到挤压作用，例如塑料在挤出机和注射机料筒中以及在模具中都受到挤压作用。 通常条件下塑料在固体状态不能采用挤压成型，衡量聚合物可挤压性的物理量是熔体的粘度（剪切粘度和拉伸粘度）。 熔体粘度过高，则物料通过形变而获得形状的能力差；反之，熔体粘度过低，虽然物料具有良好的流动性，易获得一定形状，但保持形状的能力较差。 因此，适宜的熔体粘度，是衡量聚合物可挤压性的重要标志。 聚合物的可挤压性不仅与其分子组成、结构和相对分子质量有关，而且与温度、压力等成型 条件有关。 衡量 聚合物 可 挤压性 的物理量 是聚合物 熔体的 粘度。 通常简便实用的 测量 方法是测定聚合物的熔体流动速率。 虽然 不能说明成型 过程中 实际聚合物的流动情况。 但 由于方法简便易行，对成型塑料的选 用 和适用性 具 有参考价值。 （ 三 ） 聚合物的可模塑性 注射、挤出、模压等成型方法对聚合物的可模塑性要求是：能充满模具型腔获得制品所需尺寸精度，有一定的密实度，满足制品合格的使用性能等。 聚合物的可模塑性是指在一定的温度和压力作用下聚合物在模具中模塑成型的能力。 具有可模塑性的聚合物可通过注射、压缩、压注和挤出等成型方法制得各种形状的模 塑制品。 可模塑性主要取决于塑料的流变性、热性能、物理力学性能、工艺因素以及模具的结构尺寸。 热固性聚合物的可模塑性还与聚合物的化学反应性能有关，模塑条件对塑料可模塑性的影响，如图 2－ 4 所示的模塑压力－温度曲线。 A4321成型困难充模不足缺料线溢料线分解线溢料变形粘弹性极限温度 /℃压力 /MPa 图 2－ 4模塑压力－温度曲线 A－成型区域 1－表面不良线 2－溢料线 3－塑料分解线 4－缺料线 从图中可见成型温度过高，虽然有利于成型，但会引起塑料分解，塑件的收缩率也会增大；成型温度过低则熔体粘度大，流动性差 ，成型困难；适当地增大压力，能改善熔体的流动性，但过高的压力会引起成型溢料，增加塑件的内应力；压力过低又会造成充模不足，因此，图中 4 四条线组成的区域 A 才是模塑的最佳区域。 要成型得到满意的塑件，使塑料具有较好的可模塑性，就要充分考虑温度和压力两者的关系，把温度和压力控制在可模塑的区 域 A 内。 （ 四 ） 聚合物的可延性 可延性 是 非晶形或半结晶聚合物在受到压延或拉伸时变形的能力。 聚合物的可延性取决于材料产生塑性变形的能力和 加工 硬化作用。 利用聚合物的可延性，可通过压延和拉伸工艺生产产片材、薄膜和纤维。 形变能力 与固态聚合物的结构及其所处的环境温度有关 ， 而 加工硬化作用则与聚合物的取向程度有关。 四、 聚合物的加热与冷却 在成型 过程 中，聚合物 需要加热 由玻璃态受热转变为粘流态，成型后又 需要冷却 由粘流态转变为玻璃 态 ，因此，聚合物的加热和冷却对 塑件成型有着重要作用。 聚合物的加热和冷却过程主要传热方式是热扩散 ， 热扩散系数是成型物料的一个内在性能指标，热扩散系数决定了聚合物加热和冷却的难易程度，其表达式为： α ＝ A／ cpρ （ 2— 1） 式中 A——导热系数 （ cal/cm2s℃）； cp— 定压热容（ cal/g℃）； ρ — 为密度（ g/cm3）； α 一热扩散系数 （ 104 cm/s）。 表 2－ 1 列出了某些材料的热性能（常 温） 表 2－ 1 某些材料的热性能（常温） 材料 cp（ cal/g℃） k（ 104cal/cm2s℃） α（ 104cm/s） 聚酰胺 12 聚乙烯（高密度） 聚乙烯（低密度） 16 聚丙烯 8 聚苯乙烯 10 聚氯 乙烯（硬） 15 聚氯乙烯（软） ABS 11 聚甲基丙烯酸甲酯 11 聚甲醛 11 聚碳酸酯 13 聚砜 16 聚甲醛（木粉填充） 11 酚甲醛塑料（矿物填充） 12 22 脲甲醛塑料 14 密胺塑料 8 醋酸纤维素 6 12 玻璃 20 37 钢材 1100 950 铜 10000 1200 从表 2－ 1 中可见，各种聚合物的热扩散系数相差不是很大，但与铜和钢相比，相差十分悬殊。 聚合物热 扩散 的传热速率很小， 其 粘流态聚合物由于粘度很高，对流传热速率也很小， 因此，聚合物的传热不佳，不能 在较短的时间内 使聚合物均匀受热与冷却，在成型时， 对聚合物加热时为防止 造成局部过热， 引起降解或分解，不能将温差提得过高；在冷却时 为防止其内部产生内应力也不能使冷却介质与熔体之间温差太大、。 由于许多聚合物熔体的粘度都很大，因此，在成型过程中发生流动时，会因内 摩擦而产生显著的热量。 可用于聚合物的升温，用摩擦热使聚合物熔体烧焦的可能性不大。 聚合物固体在受热转变为熔体时具有相态的转变，相变时也需要吸收或放出热量，结晶形聚合物的这种相变需吸收更多的热量。 例如将含有部分结晶的聚合物（如聚乙烯）转变为熔体时就比转变非晶形聚合物（如聚苯乙烯）时要消耗更多的热量，反之，在冷却时要排出更多的热量。 因此，对结晶形聚合物成型时应选择塑化能力强的设备，而在冷却结晶时，模具应加强冷却。 第二节 聚合物的在成型过程中的流动和形变 聚合物 在各种成型过程中 ，大部分工艺均要求它处于粘流态， 因为在这种状态下，聚合物在外力的作用下易于发生 流动和变形。 流动与形变是 聚合物 成型加工中最基本的工艺特征。 高聚物流体有两种形式，一种是由固体加热到粘流温度或熔点以上，变成熔融状液体，即熔体。 也称干法塑化，特点是利用加热将高聚物固体变成熔体，定型时仅为简单的冷却。 但塑化时局部易产生过热现象。 另一种是加入溶剂使高聚物达到粘流态，即分散体。 也称湿法塑化，特点是用溶剂将塑料充分软化，定型时须脱溶剂，同时考虑溶剂的回收。 其优点是塑化均匀，能避免高聚物过热。 在成型加工过程中，两种高聚物流体都有着广泛的应用。 这里主要介绍 高聚物熔体的形式。 一、 聚合物 在成型过程中的流动性能。