常州工程职院高分子物理教案16三种不同要求的高精度高分子材料的分析、选择、改性

项目 16 教学中的必要准备内容项目 16《三种不同要求的高精度型塑料材料的分析、选择、改性》具体任务第一组：从收缩度的解度为高精度塑料制品的生产选择合适的高分子材料；第二组：从蠕变的解度为高精度塑料制品的生产选择合适的高分子材料；第三组：从热膨胀系数解度为高精度塑料制品的生产选择合适的高分子材料。高精度类型塑料的选用一、简介塑料制品的精度是指塑料制品的实际尺寸或形状与设计者设计的尺寸或形状之间的差异，两者差异越小，说明其制品精度越高。塑料制品的精度可分为加工精度和使用精度两种。 (1)塑料制品的加工精度塑料制品的加工精度是指由于加工过程的原因而产生的尺寸公差或形变，这是决定塑料制品精度高低的最主要因素。习惯上可将塑料制品的加工精度分为八个不同等级，不同等级要求的公差大小不同，其相应的尺寸公差如表 16­1 所示的塑料制品件等级的选用，其中 1、2 级精度为精密级，塑料材料很难达到，一般不能采用。塑料只能用于 3级以下的精度。表 16­1 塑料制品件等级的选用(SJ1372­78) 建议采用的精度等级类别塑料名称高精度一般精度低精度 1 聚苯乙烯（PS） ABS 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚碳酸酯（PC）聚砜聚苯醚酚醛树脂粉氨基树脂 30%玻璃纤维增强塑料 3 4 5 2 聚酰胺 6,66,610,1010 氯化聚醚 PVC（硬） 4 5 6 3 POM PPHDPE 5 6 7 4 PVC（软） LDPE 6 7 8 (2)塑料制品的使用精度塑料制品的使用精度是指其制品在加工以后所产生的尺寸公差或形变。塑料制品的使用精度高低与原料本身因素，如二次结晶、吸水、热膨胀及蠕变等因素有关；此外，还与使用环境的关系很大，在高温、潮湿及外力等环境因素作用下，会便其使用精度下降。二、影晌塑料精度的因素影响塑料制品精度的因素包括收缩率、吸水率、热膨胀系数及蠕变四个因素。1、塑料的收缩性塑料的收缩性对塑料制品的尺寸精度影响最大。不同塑料原料之间的收缩率大不相同，其中热塑性树脂的收缩率可参见 16­2，而热固性树脂的收缩率可参见表 16­3。从表 16­2 表 16­3 中可以看出，塑料的收缩率最大可达到 5%左右，而最小仅为 0.006%。表 16­2 热塑性塑料的收缩率、吸水率及热膨胀系数类别塑料品种收缩率 /% 吸水率 /% 热膨胀系数 /(×10-5K-1 ) 结晶类塑料 LDPE LLDPE HDPE PP30%GFPP PA6 30%GFPA6 PA66 30%GFPA66 PA610 30%GFPA610 PA1010 30%GFPA1010 POM 20%GFPOM PBT 25%GFPBT PSF 30%GFPSF LCP 1.5～5.0 1.5～5.0 2.0～5.0 1.0～2.5 0.4～0.8 0.6～1.4 0.3～0.7 1.5 0.2～0.8 1.0～2.0 0.2～0.6 1.3～2.3 0.3～0.6 2.0～2.5 1.3～2.8 0.44 0.20 0.5～0.6 0.3～0.4 0～0.006 0.03 0.03 0.03 0.01～0.03 0.05 3.0 0.9～1.3 0.9～1.6 0.5～1.3 0.4～0.5 0.17～0.28 0.2～0.4 0.4～1.0 0.4～0.45 ­ 0.035 0.032 0.12～0.22 0.1­ 10.0～20.0 14.0～16.0 11.0～13.0 5.8～10.0 2.9～5.2 8.3 1.2～3.2 9.8 ­ ­ ­1.28­9.9­­ ­ ­ 5.5～5.9 ­ ­ 非结晶类塑料 PSHIPS 20%～30%GFPS AS 20%～30%GFPS ABS 20%40%GFABS PMMA PC 10%40%GFPC PET 25%GFPET 氯化聚醚 PES PPO PI HPVC SPVC 0.2～0.6 0.2～0.6 0.1～0.2 0.2～0.7 0.1～0.2 0.3～0.8 0.1～0.2 0.2～0.8 0.5～0.7 0.1～0.3 0.13 0.10 0.4～0.8 0.5～0.8 0.4～0.7 0.3 0.6～1.0 1.5～2.5 0.05 0.10.3 0.05～0.07 ­ ­0.35­ 0.3～0.37 0.18 0.09～0.15 ­ ­ 0.01 1.8 0.06 0.11 0.07～0.4 0.15～0.75 6.0～8.0 3.4～21.0 1.8～4.5 3.6～3.8 2.7～3.8 9.5～13.0 2.9～3.6 5.0～9.0 6.6 1.7～4.0 ­ ­ ­ 5.5 5 3～5 5 1 表 16­3 热固性塑料的收缩率及热膨胀系数成型材料树脂增强材料收缩率 /% 热膨胀系数 /(×10-5K-1 ) 酚醛酚醛木粉玻璃纤维 0.4～0.9 0.01～0.4 3.0～4.5 0.8～1.6脲醛蜜胺环氧聚酯 DAP 纤维素纤维素玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维 0.6～1.4 0.5～1.5 0.1～0.5 0.1～0.2 0.1～0.5 2.2～3.6 4.0 1.1～3.5 2.～3.3 1.0～3.6 塑料的收缩分为成型加工收缩和加工后收缩两类。 (1)加工后收缩为制品脱模后一段时间内的收缩，与成型收缩相比，后收缩一般比较小。后收缩产生的第一个原因为制品内部应力的松弛作用。对于分子链呈刚性的聚合物，制品的后收缩比较大;这主要是因为刚性分子链运动速度慢，其分子链从一种状态转变为另一种状态，需要一个较长时间的重新排列过程，因而后收缩时间比较长，而且后收缩率比较大。另一方面，刚性分子链易产生内应力，成型后会进行慢慢地应力松弛。例如以 PS 为例，其注塑制品脱模三个月后，还会发生 0.005%的后收缩。引起后收缩的第二个原因为继续结晶。对结晶聚合物而言，制品出模时，并未达到完全结晶，在常温下仍可继续结晶，从而引起制品的微量收缩。另外，出模后塑料制品如进行退火处理，制品的应力松弛和后结晶会进一步加大，从而引起后收缩增加。后收缩率一般可用下式估算：() w P t a t t L L-×=Da式中 a LD――后收缩量，cm； t L ――制品脱模 30min后沿收缩方向的长度，cm；a――塑料热膨胀系数，cm/(cm∙℃)； P t ――脱模时温度，℃； w t 工作环境温度，℃。一般情况下，制品的后收缩在脱模 30min后基本完成。 (2)平均收缩率由于塑料的收缩大小受成型条件影响比较大，因而其收缩率不是一个固定值，而是一个范围，具体可参见表 16­2 和表16­3。从表中可以看出，有时收缩率的变化范围很大，最大可相差 2­4 倍。所以说收缩率具有不准确性，因不同加工条件变化很大，很难测出准确的固定值。对于一个模具设计者而言，在具体设计时，一般可选取平均收缩率，即将表 16­2 和 16­3 所给的收缩率范围值进行平均。从而得到平均收缩率。当然，如果对具体成型方法十分清楚，也可以从表 16­2 和表 16­3 中所给的收缩率范围内取一个比较接近值。例如，以 HDPE 为例，其收缩率范围从表 16­2 中查出为 2%­5%之间，其平均收缩率为 3∙5%；如果具体成型过程中，各种成型条件可使成型收缩率增大，则可选取 4%为具体收缩率；如果具体成型条件有利于成型收缩率的减小，则可选取2.5%为具体收缩率。当然，后一种选取方法难度比较大。2、塑料的吸水性塑料的吸水性可参见表 16­2。塑料的吸水性大小与其分子结构有关，分子中含有酯基或酰胺基结构的聚合物吸水率偏大，具体如 PA类、PC、POM、PMMA、PES 及 PPO 等。塑料的吸水性影响塑料的使用精度，即制品在潮湿环境中使用，由于吸水而引起尺寸增大。塑料吸水性对尺寸精度的影响量不如收缩影响大。但有些吸水率大的品种，如 PA也比较显著。如 PA66 的吸水率最大为 1.6%，而每 1%的吸水率就会引起1/3～1/4 的尺寸公差。3、塑料的热膨胀性热胀冷缩是物体的大致规律。衡量其热膨胀程度可用热膨胀系数表示，具体可参见表 16­2 和表 16­3 所示。同金属相比，塑料的热膨胀系数大得多。例如，钢的热膨胀系数为1.2×10 ­5 K ­1 ，而 LDPE 的热膨胀系数竟高达 10×10 ­5 K ­1 ，比金属高出近十倍。因此可以说，塑料的尺寸对温度十分敏感。例如某塑料制品在 20℃时，其尺寸变化为 0.1%；在 35℃时，尺寸变化增大到 0.15%；而在­5℃时，尺寸则减少 0.25%。塑料的热膨胀系数与熔体流动方向有关。与收缩不同的是其纵向的热膨胀系数要比横向的热膨胀系数小，一般要小一半左右。塑料的热膨胀只有在温度变化的环境中才会影响其尺寸的精度。而温度不变时，热膨胀对塑料的尺寸精度无影响。 4．塑料的蠕变性塑料的蠕变是指成型后的塑料制品在使用过程中，由于受到应力的作用，材料的形变随时间增加而逐渐增大的，从而产生永久形变的现象，进而引起塑料尺寸的变化，影响其尺寸精度。塑料的蠕变受应力、温度及时间三个因素影响；应力越大，温度越高，时间越长，其相应的蠕变增大。下面介绍儿种塑料的蠕变性。 PA PA的蠕变较大，不适于生产精密工业配件。在 70℃温度下，其蠕变值高达 5%左右，尤其以 PA1010 最大，而 PA66 最小；PA的蠕变受温度影响较大。 POM POM 的蠕变性适中，比 PA小，但比 PSF 及 PC 大。在 50℃时，其蠕变值为 1%左右。 PC PC 的蠕变是塑料中相当小的。在 70℃温度下，一般为 0.7%左右，并且超过 10d后，几乎不随时间延长而增加。 PSF PSF 是塑料中蠕变性最小的。在 50℃温度下，其蠕变值仅为 0.14%～0.2%。 ABS ABS 的蠕变比较小。在 50℃温度下，其蠕变值为 0.4%～0.5%，仅比 PSF 大一点。 PET PET 的蠕变对温度较敏感。在 23℃时，虽然纯 PET 的蠕变值小于 1%，而且 GFPET 的蠕变值几乎为零；但在 70℃，纯 PET 的蠕变值则高达 10%。PET 进行 GF 增强后的蠕变值大大下降，最低可下降到 2%左右。 PE。PE 是塑料中蠕变最大的品种。在 50℃温度下，其蠕变值可达：LDPE 为 4%～5%，HDPE 为4%。几种材料蠕变大小顺序：LDPE、HDPE、PA、PET、＞POM、PC＞PSF、ABS、PPO。三、高精度塑料的选用原则1、从塑料的收缩率方面考虑收缩率是影响塑料制品精度的最主要的因素，尤其对于结晶类塑料而言，更是如此。不同种类塑料的收缩率大不相同，从 LCP 的 0.005%PE 的 5%，相差 1000 倍之多。为此，在生产高精度塑料制品时，可遵循如下原则。 (1)尽可能选用①收缩率小的品种具体有 LCP、ABS、PMMA、PC、PET、PBT、PSF、PES、PPO、 PI、PAR 及 PPS 等。在具体选用时，可从以下几个方面考虑。①尽可能选用非结晶类塑料品种，它的结晶度比较小，制品精度高。②尽可能选用热固性塑料品种，它的收缩率比结晶塑料小许多，仅比非晶塑料大少许。③尽可能对所用材料进行填充或增强改性处理，以大幅度降低其收缩率。填充可使收缩率下降 40%～80%，增强可使收缩率下降 50%～90%。 (2)尽可能选用收缩率精确的品种大多数塑料的收缩率不仅大，而且不稳定，时而大、时而小，难以精确计算。对高精度制品而言，一定要选择收缩率稳定并可精确计算的塑料品种。 (3)尽可能选用无后收缩的品种塑料的后收缩持续时间很长，难以精确确定其数值;保证不了制品的精度。常见的后收缩大的塑料品种有 POM及 PS 等刚性聚合物。2、从塑料的蠕变方面上考虑对于在使用环境中受载荷作用的塑料制品，易产生较大的蠕变。塑料的蠕变值越大，在受力对其产生的变形越大，制品的精度越低。因此，对高精度塑料制品，应该选择②蠕变值小的塑料品种，具体有 PSF、 ABS、PPO、PI、PAR、聚苯酯及 PEEK 等，热固性塑料的耐蠕变性也比较小。尽可能少选