7第七章、塑料及加工工艺

塑料及加工工艺7.1高分子聚合物基本知识7.2塑料的基本特性7.3塑料的工艺特性7.4常用的塑料材料7.5塑料在设计中的应用第七章塑料及加工工艺自从1868年第一种塑料问世以来，塑料的发展迅猛，现在的塑料多达80多种，从原来利用天然纤维素添加樟脑做增塑剂制成的赛璐珞塑料，到今天研制而成的工程塑料、通用塑料和增强塑料等。无论是家电外壳还是办公用品，衣服纽扣，无论是家具拉手，数码产品还是还是机床，照明灯罩，汽车仪表盘等，都由各种塑料加工而成，塑料成为当今产品中利用率最高的材料。据有关资料统计，到2010年世界塑料的产量与钢铁产量相等，“以塑代钢”，“以塑代木”，使塑料迅速成为与钢铁、有色金属、无机非金属材料同步发展的基础材料。赛璐珞高分子聚合物又叫做高聚物，是由千万个原子彼此以共价键连接的大分子化合物。是各种塑料、橡胶、纤维等有机非金属材料的总称。1、高分子聚合物的特点高分子具有和低分子截然不同的结构特性。归纳比较如下：(1)具有可分割性低分子物质的分子不能用一般的机械方法把它分开，如果把它分开，其性质就发生了变化，成为另外的物质。而高分子则不然，因为它的分子很大，当用外力把分子拉断或切开变成两个分子后，高分子聚合物的性质一般没有明显的改变。高分子结构的这种特征称为可分割性。塑料是一种高分子聚合物，在了解塑料之前必须先了解高分子聚合物的基本知识7．1高分子聚合物的基本知识(2)具有弹性所谓弹性是指材料形变的可恢复性。高分子聚合物在外力作用下发生形变，当外力解除，这种形变就可以恢复到原状。弹性是高分子聚合物重要的特性之一。(3)具有可塑性高分子聚合物受热达到一定温度后，先是经过一个较长的软化过程，而后才能变为粘流状态。这是由于高分子聚合物是由很长的大分子链所构成，当链的某一部分受热时，须经过一定的时间和温度间隔，整个大分子链才会变软，这时高分子聚合物具有可塑性。这一特点对聚合物的加工成型十分重要。(4)具有绝缘性高分子聚合物对电、热、声具有良好的绝缘性能。从结构上看这是因为高分子化合物大部是有机化合物，分子中的化学键都是共价键，不能电离，因此不能传递电子；又因为大分子链呈蜷曲状态，互相纠缠在一起，在受热、受声作用之后，分子不易振动起来，因而它对热、声也具有绝缘性。(1)高分子聚合物的组成高分子聚合物虽然分子量很大，但化学组成比较简单，都是由简单的结构单元以重复的方式连接而成。例如，聚乙烯是由乙烯单体聚合而成，可以写作（CH2－CH2）n，它是由许多结构单元（CH2－CH2）重复连接的，这种重复结构单元称为“链节”，重复的次数称为“聚合度”。聚合度和高分子的分子量有如下关系：M＝n×mM——高分子的分子量n——高分子的聚合度m——链节的分子量2、高分子聚合物的组成和结构高分子聚合物的结构包括分子链结构和聚集态结构。分子链结构通常分为线型结构、枝链型结构和网型结构。线型结构的高分子在拉长或低温下易呈直线形状，而在较高温度下或稀溶液中，则易成蛆曲形状。这种长链形状分子的特点是可溶和可熔。它可以溶解在一定的溶剂中，而加热时又可以熔化。基于这一特点，线型分子易于加工，可以反复使用；枝链型结构的高分子好象一根“节上生枝”的树干一样。它的性质和线型结构基本相同；网型结构的高分子是在长链大分子之间有若干支链把它们交联起来，构成一种网状的形状。如果这种支链向空间伸展的话，便得到体型大分子结构。这种聚合物在任何状况下部不熔化，也不溶解。聚集态结构根据分子的排列状态分为晶态聚合物和非晶态聚合物。(2)高分子聚合物的结构3.高分子聚合物的分类分类类别举例与特性按聚合物的来源天然聚合物天然橡胶、纤维素、蛋白质等人造聚合物硝酸纤维、醋酸纤维（人造丝）等（改性）合成聚合物由低分子合成。聚氯乙烯、聚酰胺等按聚合反应类型加聚物加成聚合反应得到。聚烯烃等缩聚物缩合聚合反应得到。酚醛树脂等按聚合物的性质塑料固定形状、热稳定、机械强度。如工程塑料橡胶高弹性。做弹性材料与密封材料纤维单丝强度高。做防治材料按聚合物的热行为热塑性聚合物线型结构加热后仍不变热固性聚合物线型结构加热后变体型按聚合物分子的结构碳链聚合物一般为加聚物杂链聚合物一般为缩聚物元素有机聚合物一般为缩聚物随着温度的变化，聚合物可以呈现不同的力学状态。在应用上，材料的耐热性(变形或变质温度)，耐寒性(变硬或易脆裂的温度)有着重要意义，而热性能取决于大分子的分子结构及聚集态结构。由于温度和聚合物形变的关系能比较全面的反映高分子运动的状态，因此通过形变一温度曲线和特征温度的讨论，可了解热性能与结构的关系。在线型聚合物中，由于链段热运动程度不同，一般可出现三种不同的力学状态：玻璃态、高弹态和粘流态。4、高分子聚合物的力学状态玻璃态高弹态粘流态形变温度TgTf(1)玻璃态玻璃态相当于小分子物质的固态。在玻璃态时由于温度较低，大分子链和链段部不能产生运动。在外力的作用下，只能使大分子中的原子作轻微的振动，从而产生较小的可逆形变。(2)高弹态随着温度继续增加，到达玻璃化温度时，聚合物进入高弹态。分子链段获得足够的能量而发生运动产生较大的形变——高弹形变，这种形变具有可逆性，在常温下处于高弹恋的聚合物，可作为弹性材料使用。当温度继续增加达到软化温度时，聚合物进入粘流态，整个大分子链开始运动，产生相对滑移，形成很大的形变，这种形变具有不可逆性。聚合物的粘流态不同于玻璃态和高弹态，它不是一种使用状态，而是工艺状态。聚合物从玻璃态向高弹态转变时的温度称为玻璃化温度，用Tg表示。其转变过程称为玻璃化转变。是高分子材料使用的最高温度，如使用温度高于Tg，则要产生较大的形变或断裂。聚合物的玻璃化温度很有实际意义，聚合物的玻璃化温度越高、它的耐热性也就越好。(3)粘流态聚合物从高弹态向粘流态转变时的温度称为粘流温度，用Tf表示。Tf是聚合物大分子链开始滑动时的温度，Tf主要和聚合物的分子量有关，而结构的影响较小。分子量越大Tf亦越高。Tf的高低决定聚合物加工成型的难易。若聚合物在常温下呈玻璃态，则可以用来做塑料。若在常温下呈高弹态，那么可作为弹性材料使用，如橡胶。塑料是以合成树脂为主要成分，适当加入填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料等添加剂，在一定温度和压力下塑制成型的一类高分子材料；塑料各组分在塑料中所起的作用：(1)合成树脂人工合成的高分子化合物，是塑料的基本原料，起胶粘剂的作用，能将其它组分胶结成一个整体。并决定塑料的基本性能。(2)添加剂添加剂的加入，可改善塑料的某些性能、以获得满足使用要求的塑料制品。填料——提高塑料的机械性能、耐热性能和电性能。同时降低成本，通常填料的加入量为40％—70％。主要是一些在塑料配方中相对呈惰性的粉状材料或纤维材料。7、2塑料的基本特性1.塑料的组成增塑剂——改进塑料的可塑性、柔软性。降低其刚性和脆性，并使塑料易于加工成型。稳定剂——防度塑料在加工和使用过程中，因受热、氧气和光线作用而变质、分解，以延长塑料的使用寿命。稳定剂在塑料成型过程中应不分解，应耐水、耐油、耐化学腐蚀，并易与树脂混溶。润渭剂——提高塑料在加工成形中的流动性和脱模性。润渭剂还可以使塑料制品的表面光亮美观。着色剂——使塑料具有一定的色彩，以满足使用要求。固化剂——与树脂起化学作用，形成不溶不熔的交联网状结构。为得到热固性塑料，则须加入固化剂。其它添加剂——有的塑料制品使用中因摩擦产生静电，这种静电积蓄不散会影响制品的使用安全性、同时也易吸尘、沾污，并影响外观，对此类塑料须加入抗静电剂。其他如发泡剂、阻燃剂、荧光剂等，则根据塑料制品的需要而添加。塑料种类繁多，常用的分类方法有按热行为分类和按应用分类两种。塑料按热行为可分为热塑性塑料和热固性塑料。A、热塑性塑料：在特定温度范围内受热软化(或熔化)，冷却后硬化、并且能多次反复，其性能也不发生显著变化的塑料。其特点是：热塑性塑料在加热软化时，具有可塑性，可以采用多种方法加工成型，成型后的机械性能较好，但耐热性和刚性较差。常见的热塑性塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、ABS、聚酰胺、聚碳酸酯、聚砜等。B、热固性塑料：在一定温度压力下或在固化剂、紫外光等条件作用下固化生成不溶或不熔性能的塑料。其特点是：热固性塑料在固化后不再具有可塑性，刚度大，硬度高，尺寸稳定，具有较高的耐热性。温度过高时，则会被分解破坏。常见的热固性塑料有：酚醛塑料、环氧塑料、氨基树脂、有机硅塑料等。2、塑料的分类塑料按其应用可分为通用塑料、工程塑料、特种塑料和增强塑料。①通用塑料：通用塑料一般是指使用广泛，产量大，用途多，价格低廉的塑料，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛树脂及氨基树脂等。②工程塑料：工程塑料通常是指性能优良，能承受一定外力作用并具有较高的机械强度，适用作工程材料或结构材料的塑料，如聚酰胺、聚碳酸脂、ABS、聚甲醛、聚砜、聚苯醚等。③特种塑料：特种塑料又称功能塑料，是指具有特殊功能、能满足特殊使用要求的塑料。其特点是：耐高温、具有自润滑性、强度高缓冲性能好。如医用塑料、导电塑料、氟塑料等。④增强塑料：由树脂和增强材料相结合而成，用来提高塑料机械强度的复合材料。其特点是：质地轻、坚硬和耐腐蚀，可用作电绝缘材料、装饰材料及机械部件的外壳。如玻璃钢、碳纤维增加塑料等。对造型材料要求其能够自由成型或易加工，并能够充分发挥材料的特性，作为人工合成开发的塑料恰好能满足这些要求。虽塑料制品的性能，根据其种类、成型条件及使用环境等变化较大，但与其它材料相比较，塑料具有良好的综合特性。(1)塑料质轻，比强度高(比强度是指强度与密度的比值)，有一定的强度：一般塑料密度在0.9－2.3g／cm3之间，聚乙烯、聚丙烯的密度最小，约为0.9g／cm3，最重的聚四氟乙烯密度不超过2.3g／cm3，是铝材质量的一半，是钢材质量的1/8—1/4，但比强度高，超过了金属材料；另外如玻璃纤维增强塑料的抗拉强度可达到170-400MPa，广泛的应用于汽车外壳、船体甚至是航天飞机上。3、塑料的一般特性材料名称比抗张强度/103cm材料名称比抗张强度/103cm钛2095玻璃纤维增强环氧树脂4627高级合金钢2018石棉酚醛塑料2032高级铝合金钢1581尼龙66640低碳钢527增强尼龙1340铜502有机玻璃415铝232聚苯乙烯394铸铁134低密度聚乙烯155(2)多数塑料制品有透明性，并具有光泽，能着鲜艳色彩大多数塑料可制成透明或半透明制品，其中聚苯乙烯和丙烯酸脂类塑料玻璃一样透明，可以任意着色，且着色坚固，不易变色。板厚(3mm)透光率/%板厚(3mm)透光率/%聚甲基丙烯酸甲酯93聚酯树脂65聚苯乙烯树脂90尿醛树脂65硬质聚氯乙烯80－88玻璃91(3)优良的电绝缘性大多数塑料在低频低压下具有良好的电绝缘性能，其性能几乎可以和陶瓷相当。有的即使在高频高压下也可以作电器绝缘材料或电容介质材料。塑料的导热率极小，只有金属的1／600一1／200，泡沫塑料的导热率与静态空气相当，被广泛用作绝热保温材料或建筑节能、冷藏等绝热装置材料。(4)耐磨、自润滑性能好大多数塑料具有优良的减磨、耐磨和自润滑特性，可以在无润滑条件下有效工作。产品中的很多耐磨零件就是利用工程塑料的这种特性制作的。(5)塑料有耐化学药品性多数塑料对一般浓度的酸、碱、盐等化学药品具有良好的耐腐蚀性能，其中最突出的是聚四氟乙烯，连“王水”也不能腐蚀，是一种优良的防腐蚀材料。塑料与金属及其他工业材料相比较有以下缺点。①耐热性差，低温容易发脆。一般塑料多在1000C以下使用，在3000C左右发生变形、燃烧时放出有毒气体。由于耐热性较差，使塑料的用途受到限制。②塑料制品易变形。热胀系数大，温度变化时尺寸稳定性较差，成型收缩较大，即使在常温负荷下也容易变形，有些塑料易溶于溶剂。③塑料有“老化”现象。塑料在长时间使用或贮藏过程中，质量会逐渐下降。这是由于受周围环境如氧气、光、热、辐射、湿气、雨雪、工业腐蚀气体、溶剂和微生物等的作用后，塑料的色泽改变、化学构造受到破坏，机械性能下降，变得硬脆或软粘而无法使用，这称为塑料的“老化”，它是塑料制品性能中的一个严重缺陷。