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熱塑性塑料注塑成型
本書主要講述了熱塑性塑料的通用注塑件成型工藝。同時也介紹了原料，注塑件模具，設(shè)備，產(chǎn)品設(shè)計以及一些擠出管材方面的知識。一． 塑料基礎(chǔ)知識1.塑料的組成與分類1.1塑料的定義：塑料是以高分子樹脂為主要成分，在一定條件下（如溫度、壓力等）可塑制成一定形狀且在常溫下保持形狀不變的材料。塑料它可以是純的樹脂，也可以是加有各種添加劑的混合物，添加劑的是用來改善純樹脂的物理機(jī)械性能，改善加工性能或者為了節(jié)約樹脂。 因此，塑料最基本的物理化學(xué)性質(zhì)是由樹脂的性質(zhì)所決定的。樹脂可分天然樹脂和人造樹脂，后者又稱合成樹脂。樹脂都屬高聚物，這些高聚物有獨特的分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)與分子外部結(jié)構(gòu)。高分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了高聚物最基本的物理化學(xué)性質(zhì)；而高分子外部結(jié)構(gòu)則決定高聚物的加工性能和物理機(jī)械性能。1.2 塑料的組成：塑料都以合成樹脂（極少天然樹脂）為基本原料，并可能加入填料、增塑劑、染料、穩(wěn)定劑、潤滑劑等各種輔助料而組成。因此，不同品種牌號的塑料，由于選用樹脂及輔助料的性能、成分、配比及塑料生產(chǎn)工藝不同，則其使用及工藝特性也各不相同。1.3 塑料的分類：1.3.1按受熱時的行為分： a) 熱塑性塑料加熱時變軟以至流動，冷卻變硬成型出產(chǎn)品，這種過程是可逆的，可以反復(fù)進(jìn)行。聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛，聚碳酸酯，聚酰胺，丙烯酸類塑料、其它聚烯烴及其共聚物、聚砜、聚苯醚、氯化聚醚等都是熱塑性塑料。熱塑性塑料中樹脂分子鏈都是線型或帶支鏈的結(jié)構(gòu)，分子鏈之間無化學(xué)鍵產(chǎn)生，加熱時軟化流動，冷卻變硬的過程是物理變化。b) 熱固性塑料 第一次加熱時可以軟化流動，加熱到一定溫度，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，交聯(lián)固化而變硬，這種變化是不可逆的，此后，再次加熱時，已不能再變軟流動了。正是借助這種特性進(jìn)行成型加工，利用第一次加熱時的塑化流動，在壓力下充滿型腔，進(jìn)而固化成為確定形狀和尺寸的制品。這種材料稱為固性塑料。熱固性塑較的樹脂固化前是線型或帶支鏈的，固化后分子鏈之間形成化學(xué)鍵，成為三度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不僅不能再熔融，在溶劑中也不能溶解。酚醛、脲醛、三聚氰胺甲醛、環(huán)氧、不飽和聚酯、有機(jī)硅等塑料，都是熱固性塑料。 1.3.2 按樹脂合成時的反應(yīng)類型分：a) 聚合型塑料 樹脂是由聚合反應(yīng)制得。這種樹脂一般是由含有不飽和鍵，主要是雙鍵的單體，借雙鍵打開生成的，反應(yīng)過程中無低分子產(chǎn)物釋出。聚烯烴、聚鹵代烯烴、聚苯乙烯、聚甲醛、丙烯酸類塑料都屬于聚合型塑料。聚合型塑料都是熱塑性塑料。 b) 縮聚型塑料樹脂是由縮聚反應(yīng)制得。這種樹脂一般是由含有某種官能團(tuán)（一般最少含有兩個官能團(tuán)）的單體，借官能團(tuán)之間的反應(yīng)使單體連接起來而形成的。1.3.3 按塑料中樹脂大分子的有序狀態(tài)分:a) 無定形塑料樹脂大分子的排列是無序的。這種塑料，由于樹脂分子鏈的結(jié)構(gòu)特點，或因熱力學(xué)原因，或成型過程工藝條件范圍的限制，分子鏈不會產(chǎn)生有序的整齊堆砌形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)，而呈現(xiàn)無規(guī)則的隨機(jī)排列。在純樹脂狀態(tài)，這種塑料是透明的。 b) 結(jié)晶型塑料樹脂大分子排列呈現(xiàn)出有序晶相。從熔融狀態(tài)冷卻變?yōu)橹破愤^程中，樹脂的分子鏈能夠有序地緊密堆砌產(chǎn)生結(jié)晶結(jié)構(gòu)的。一般所謂的結(jié)晶型塑料，實際上都是半結(jié)晶的，不像低分子晶體（例如NaCl）那樣能產(chǎn)生100%的結(jié)晶度。樹脂大分子鏈排列呈現(xiàn)出無定形相與結(jié)晶相共存的狀態(tài)。成型條件對結(jié)晶度和晶態(tài)結(jié)構(gòu)有明顯影響，從而對制品性能有明顯影響。結(jié)晶結(jié)構(gòu)只存在于熱塑性塑料中。 1.3.4按性能和應(yīng)用范圍分: a) 通用塑料通用塑料是指生產(chǎn)量大，貨源廣，價格低，適于大量應(yīng)用的塑料。通用塑料一般皆具有良好的成型工藝性，可采用多種工藝成型出多種用途制品。一般說，通用塑料不具有突出的綜合力學(xué)性能和耐熱性，不宜用于承載要求較高的結(jié)構(gòu)件和在較高溫度下工作的耐熱件。但通用塑料的各品種，都有各自的某些優(yōu)異性能，使它具有廣泛用途。聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料合稱五大通用塑料。其它聚烯烴、乙烯基塑料及其共聚物與改性材料、丙烯酸塑料、氨基塑料等也都屬于通用塑料。b)工程塑料工程塑料是指那些具有突出力學(xué)性能，耐熱性，或優(yōu)異耐化學(xué)試劑，耐溶劑性，或在變化的環(huán)境條件下可保持良好絕緣介電性能的塑料。工程塑料一般可以作為承載結(jié)構(gòu)件，高溫環(huán)境下的耐熱件和承載件，高溫條件，潮濕條件，大范圍的變頻條件下的介電制品和絕緣用品。工程塑料的生產(chǎn)批量小，價格也較昂貴，用途范圍相對狹窄，一般都是按某些特殊用途生產(chǎn)一定批量的材料。現(xiàn)有的工程塑料主要品種有聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚苯醚、ABS、PET、PBT、聚砜、聚苯硫醚、氯化聚醚、聚酰亞胺、聚醚醚酮、氟塑料、超高分子量聚乙烯、環(huán)氧塑料和不飽和聚酯等。 此外還有具有某種特殊功能，適于某種特殊用途的特種工程塑料，例如用于導(dǎo)電，壓電，熱電，導(dǎo)磁，感光，防輻射，光導(dǎo)纖維，液晶，高分子分離膜，專用于摩擦磨損用途等塑料。 特種工程塑料又稱功能塑料。特種工程塑料的主要成分是樹脂，有些是專門合成的特種樹脂，但也有一些是采用上述通用塑料或工程塑料用樹脂經(jīng)特殊處理或改性后獲得特殊性能的。 2.塑料的基本性能 2.1 質(zhì)輕，比強(qiáng)度高 塑料質(zhì)輕，一般塑料的密度都在 0.9 ~ 2.3 g/cm³ 之間，只有鋼鐵的1/8，鋁的1/2左右，而各種泡沫塑料的密度更低，約在 0.1 ~ O.5 g/cm³之間。比強(qiáng)度是按單位質(zhì)量計算的強(qiáng)度，有些增強(qiáng)塑料的比強(qiáng)度接近甚至超過鋼材。例如合金鋼材，其單位質(zhì)量的拉伸強(qiáng)度為 160 兆帕，而用玻璃纖維增強(qiáng)的塑料可達(dá)到 170 ~ 400 兆帕。一般而言，多數(shù)塑料的比強(qiáng)度與金屬在同一數(shù)量級，比剛度低于金屬數(shù)倍至一個數(shù)量級，但某些結(jié)構(gòu)泡沫塑料，比剛度可與金屬媲美。用高模量增強(qiáng)劑增強(qiáng)后，某些塑料的比剛度可以超過金屬。 2.2優(yōu)異的電絕緣性能 幾乎所有的塑料都具有優(yōu)異的電絕緣性能，如極小的介電損耗和優(yōu)良的耐電弧特性，這些性能可與陶瓷媲美。 2.3優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性能 一般塑料對酸堿等化學(xué)藥品均有良好的耐腐蝕能力，特別是聚四氟乙烯的耐化學(xué)腐蝕性能比黃金還要好，甚至能耐 " 王水 " 等強(qiáng)腐蝕性電解質(zhì)的腐蝕，被稱為“塑料王”。 2.4 減摩、耐磨性能好 大多數(shù)塑料具有優(yōu)良的減摩、耐磨和自潤滑特性。許多工程塑料制造的耐摩擦零件就是利用塑料的這些特性，在耐磨塑料中加入某些固體潤滑劑和填料時，可降低其摩擦系數(shù)或進(jìn)一步提高其耐磨性能。 2.5透光及防護(hù)性能 多數(shù)塑料都可以作為透明或半透明制品，其中聚苯乙烯和丙烯酸酯類塑料象玻璃一樣透明。有機(jī)玻璃化學(xué)名稱為聚甲基丙烯酸甲酯，可用作航空玻璃材料。聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等塑料薄膜具有良好的透光和保暖性能，大量用作農(nóng)用薄膜。塑料具有多種防護(hù)性能，因此常用作防護(hù)保裝用品，如塑料薄膜、箱、桶、瓶等。 2.6減震、消音性能優(yōu)良 某些塑料柔韌而富于彈性，當(dāng)它受到外界頻繁的機(jī)械沖擊和振動時，內(nèi)部產(chǎn)生粘性內(nèi)耗，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成熱能，因此，工程上用作減震消音材料。例如，用工程塑料制作的軸承和齒可減小噪音，各種泡沫塑料更是廣泛使用的優(yōu)良減震消音材料。 上述塑料的優(yōu)良性能，使它在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中具有廣泛用途；它已從過去作為金屬、玻璃、陶瓷、木材和纖維等材料的代用品，而一躍成為現(xiàn)代生活和尖端工業(yè)不可缺少的材料。然而，塑料也有不足之處。例如，耐熱性比金屬等材料差，一般塑料僅能在 100℃ 以下溫度使用，少數(shù) 200℃ 左右使用；塑料的熱膨脹系數(shù)要比金屬大 3 ~ 10 倍，容易受溫度變化而影響尺寸的穩(wěn)定性；在載荷作用下，塑料會緩慢地產(chǎn)生粘性流動或變形，即蠕變現(xiàn)象；此外，塑料在大氣、陽光、長期的壓力或某些質(zhì)作用下會發(fā)生老化，使性能變壞等。 塑料的這些缺點或多或少地影響或限制了它的應(yīng)用。但是，隨著塑料工業(yè)的發(fā)展和塑料材料研究工作的深入，這些缺點正被逐漸克服，性能優(yōu)異的新穎塑料和各種塑料復(fù)合材料正不斷涌現(xiàn)。3.塑料成型的相關(guān)名詞 3.1 密度/比重密度是指物質(zhì)單位體積的重量。比重是指物質(zhì)密度與水密度的比值。3.2比容及壓縮率 比容為每一克塑料所占有的體積（cm³/g），壓縮率為塑粉與塑件兩者體積或比容之比值（其值恒大于1）。它們都可被用來確定壓模裝料室的大小，其數(shù)值大即要求裝料室體積要大，同時又說明塑粉內(nèi)充氣多，排氣困難，成形周期長，生產(chǎn)率低。比容小則反之，而且有利于壓錠，壓制。3.3 吸水率吸水率是指塑膠吸收水分的程度，測法是先將樣品烘干后稱重，浸入水中24或48小時后，取出再稱重，計算重量增加的百分比，即為吸水率。3.4流動性塑料在一定溫度與壓力下填充型腔的能力稱為流動性。這是注塑件模具設(shè)計時必須考慮的一個重要工藝參數(shù)。流動性大易造成溢料過多，填充型腔不密實，塑件組織疏松，樹脂、填料分頭聚積，易粘模、脫模及清理困難，硬化過早等弊病。但流動性小則填充不足，不易成形，成形壓力大。所以選用塑料的流動性必須與塑件要求、成型工藝及成形條件相適應(yīng)。3.5 硬化特性熱固性塑料在成型過程中在加熱受壓下轉(zhuǎn)變成可塑性粘流狀態(tài)，隨之流動性增大填充型腔，與此同時發(fā)生縮合反應(yīng)，交聯(lián)密度不斷增加，流動性迅速下降，融料逐漸固化。注塑件模具設(shè)計時對硬化速度快，保持流動狀態(tài)短的料則應(yīng)注意便于裝料，裝卸嵌件及選擇合理的成型條件和操作等以免過早硬經(jīng)或硬化不足，導(dǎo)致塑件成形不良。 3.6水分及揮發(fā)物含量各種塑料中含有不同程度的水分，揮發(fā)物含量，過多時流動性增大、易溢料、保持時間長、收縮增大，易發(fā)生波紋、翹曲等弊病，影響塑件機(jī)電性能。但當(dāng)塑料過于干燥時也會導(dǎo)致流動性不良成型困難，所以不同塑料應(yīng)按要求進(jìn)行預(yù)熱干燥，對吸濕性強(qiáng)的料，尤其在潮濕季節(jié)即使對預(yù)熱后的料也應(yīng)防止再吸濕 3.7熱敏性熱敏性塑料系指某些塑料對熱較為敏感，在高溫下受熱時間較長或進(jìn)料口截面過小，剪切作用大時，料溫增高易發(fā)生變色、降聚，分解的傾向，具有這種特性的塑料稱為熱敏性塑料。3.8水敏性有的塑料（如聚碳酸酯）即使含有少量水分，但在高溫、高壓下也會發(fā)生分解，這種性能稱為水敏性，對此必須預(yù)先加熱干燥。3.9 吸濕性 塑料中因有各種添加劑，使其對水分各有不同的親疏程度，所以塑料大致可分為吸濕，粘附水分及不吸水也不易粘附水分的兩種，料中含水量必須控制在允許范圍內(nèi)，不然在高溫、高壓下水分變成氣體或發(fā)生水解作用，使樹脂起泡、流動性下降、外觀及機(jī)電性能不良。所以吸濕性塑料必須按要求采用適當(dāng)?shù)募訜岱椒耙?guī)范進(jìn)行預(yù)熱，在使用時還需用紅外線照射以防止再吸濕。 3.10 透氣性透氣性是指塑料膜或塑料板的氣體穿透性能3.11 熔體指數(shù)熔體指數(shù)（MI），是一種表示塑膠材料加工時流動性的數(shù)值。3.12 拉伸強(qiáng)度/斷裂伸長率拉伸強(qiáng)度是指將塑膠材料拉伸到某一程度(如屈服點或斷裂點)所需力的大小，通常以每單位面積多少力來表示。而其拉伸后的長度與原長度的百分比即為斷裂伸長率。3.13 彎曲強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度為塑膠抗彎曲的能力。3.14 沖擊強(qiáng)度沖擊強(qiáng)度是指塑膠受外力沖擊時所能承受的最大能量。3.15 硬度一般塑膠的硬度最常用洛氏硬度及紹氏硬度兩種測試方法來表示。其中紹氏A常用來測定較軟塑料，如 TPE 等彈性體或橡膠等；紹氏 D用來測定較硬塑料，如一般之泛用塑膠及部份工程塑膠，而多數(shù)之高性能工程塑膠或較硬之工程塑膠，則需用洛氏來測定。3.16 熱變形溫度熱變形溫度是指使塑膠試片在一定壓力及一定溫度下，彎曲到一定程度時的溫度。3.17 長期耐熱溫度長期耐熱溫度是指塑膠材料在長時間使用之耐熱性。 3.18 耐化學(xué)藥品性耐化學(xué)藥品性的是指將塑膠材料在一定溫度下浸漬于溶劑中一段時間后，測定其重量，體積，拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長率的變化，變異小的即表示具有優(yōu)良的抗溶劑性變。3.19 耐候性耐候性是指塑膠材料對戶外環(huán)境下，受光，熱，大氣，風(fēng)雨的影響，而引起質(zhì)變，劣化的抵抗性。3.20 透明度 透明度是指塑膠在可視光域的光透率，塑膠依光透過程度，可分為透明性、半透明性及不透明性。3.21 光澤度光澤度是表于物質(zhì)近似可完全反射光的完美鏡面程度，光澤度好，就表于物質(zhì)具有光亮的外表。3.22 絕緣破壞電壓絕緣破壞電壓是將高電位差施加于試片，達(dá)到絕緣性破壞的最小電壓，除以兩極間距離（試樣的厚度）的值（Kv/mm）。3.23 熔化熱熔化熱又稱熔化潛熱，是結(jié)晶型聚合物在形成或熔化晶體時所需要的能量。這部分能量是用來熔化高分子結(jié)晶結(jié)構(gòu)的，所以注塑件結(jié)晶型聚合物時要比注塑件非結(jié)晶型料達(dá)到指定熔化溫度下所需的能量要多，對于非結(jié)晶型聚合物無需熔化潛熱。3.24 比熱容比熱容是單位重量的物料溫度上升1度時所需熱量[J/kg.k]。3.25 熱擴(kuò)散系數(shù) 熱擴(kuò)散系數(shù)是指溫度在加熱物料中傳遞的速度，又稱導(dǎo)熱系數(shù)其值是由單位質(zhì)量的物料溫度升高1度時所需的熱量（比熱容）和材料吸收熱量的速度（導(dǎo)熱系數(shù)）來決定。壓力對熱擴(kuò)散系數(shù)影響小，溫度對其影響較大。來自:中國注塑件論壇(http://bbs.yxx.com.cn/ShowPost.asp?ThreadID=22835)
