塑料成型及模具设计-1

塑料成型及模具设计中国矿业大学材料科学与工程学院2013年8月问题：1.什么是模具？什么是塑料模具？2.塑件成型加工的三要素是什么？一、树脂和塑料1.1塑料概论略二、塑料的成分塑料——树脂＋添加剂1.树脂作用：塑料的主要成分决定塑料的类型和基本性能胶粘其它成分材料赋予塑料可塑性和流动性1.1塑料概论二、塑料的成分2.添加剂⑴填充剂（填料）重要的但非必不可少的成分作用：减少树脂用量，降低塑料成本；改善塑料某些性能，扩大塑料的应用范围。1.1塑料概论二、塑料的成分2.添加剂⑴填充剂（填料）分类：按化学性能可分为有机填料无机填料按形状可分为：粉状纤维状层状（片状）1.1塑料概论二、塑料的成分2.添加剂⑵增塑剂能够增加塑料的可加工性、延展性和膨胀性的物质；它是能与树脂相溶的、不易挥发的高沸点有机化合物。常用的增塑剂是液态或低熔点固体有机物。主要有甲酸脂类、磷酸酯类和氯化石蜡等。1.1塑料概论作用：二、塑料的成分2.添加剂⑵增塑剂提高塑性、流动性和柔软性；降低刚性和脆性；改善塑料的工艺性能和使用性能。1.1塑料概论二、塑料的成分2.添加剂⑶稳定剂凡能阻缓材料变质的物质称为稳定剂。可分为以下三种：它的主要作用就是抑制或防止树脂在加工或使用过程中受热而降解。它的主要作用是阻止树脂在光的作用下降解（塑料变色、力学性能下降等等）。延缓或抑制塑料氧化速度。热稳定剂：光稳定剂：抗氧化剂：1.1塑料概论二、塑料的成分2.添加剂⑷润滑剂为防止塑料在成型过程中粘模，减少塑料对模具的摩擦，改善塑料的流动性，提高塑件表面的光泽度而加入的添加剂。1.1塑料概论二、塑料的成分2.添加剂⑸着色剂起装饰美观的作用，某些着色剂还能提高塑料的光稳定性、热稳定性和耐候性。分类颜料染料有机颜料无机颜料1.1塑料概论二、塑料的成分2.添加剂⑸着色剂特点：无机颜料：着色能力、透明性、鲜艳性较差，但耐光性、耐热性、化学稳定性较好，不易褪色。染料：色彩鲜艳、颜色齐全，着色能力、透明性好。性能与无机颜料相反。1.1塑料概论二、塑料的成分2.添加剂⑸着色剂有机颜料的特性介于无机颜料和染料之间。还有阻燃剂、抗静电剂、发泡剂、防腐剂和加工助剂等等并非每种塑料都要加入全部的添加剂，根据塑料品种和需求有选择性的加入某些添加剂在塑料工业中着色剂多采用颜料1.1塑料概论添加剂作用常用的各种添加剂含量填充剂（填料）调整塑料的物理化学性能提高材料强度减少合成树脂的用量降低塑料成本木粉、纸、棉屑、硅石、硅藻土、云母、石棉、石金属粉、玻璃纤维、和碳纤维等20%~50%增塑剂提高塑件的可塑性和柔软性但会降低塑件的稳定性、介电性和机械强度不易挥发的高沸点的液体有机化合物或低熔点的固体有机化合物稳定剂抑制和防止塑料在加工和使用过程中因受热、光及氧等作用而分解变质硬脂酸盐、铅的化合物及环氧化合物0.3%~0.5%润滑剂防止塑料在成型加工过程中粘附在模具上提高塑件的流动性硬脂酸及其盐类1%着色剂有机颜料、无机盐料、染料0.01%~0.02%固化剂促使合成树脂进行交联反应或加快交联反应速度添加剂的性能1.1塑料概论三、塑料的分类1．按塑料的物理化学性能分：——指在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料，其分子结构是线型或支链型结构。(变化过程可逆)热塑性塑料线型、支链型结构1.1塑料概论——在受热或其它条件下能固化成不熔不溶性物质的塑料，其分子结构最终为体型结构。（变化过程不可逆）三、塑料的分类1．按塑料的物理化学性能分：热固性塑料体型结构1.1塑料概论成型前,塑料中树脂分子结构使制品固化定型模具温度条件成型后,塑料中树脂分子结构成型过程中树脂所发生的变化制品的熔化,溶解性能塑料的使用性常采用的成型方法热塑性塑料线型或支链状线型聚合物分子冷却基本与成型前的相同物理变化（可能有少量分解或交链现象发生）可熔化可溶解反复多次使用（可回收废料）注射、挤出、吹塑等热固性塑料线型聚合物分子加热（提供交联反应温度转变为体型分子既有物理变化，又有化学变化。有低分子析出既不可熔化，也不可溶解一次性使用，因成型过程不可逆压缩或压注。有的品种可以采用注射三、塑料的分类1.1塑料概论热塑性塑料与热固性塑料有关成型方面的区别——一般指具有特种功能（如耐热、自润滑等）应用于特殊要求的塑料。——一般指能承受一定的外力作用，并有良好的机械性能和尺寸稳定性，在高、低温下仍能保持其优良性能，可以作为工程结构件的塑料。——一般指产量大、用途广、成型性好、价廉的塑料。三、塑料的分类2．按塑料的用途分：特种塑料工程塑料通用塑料1.1塑料概论三、塑料的分类1.1塑料概论PE,PP,PS,通用塑料PBT,PETPAPOM結晶性PVCABSPC非晶性通用工程塑料PEEKPSULCP特种工程塑料工程塑料熱塑性塑料酚醛樹脂,尿素塑膠等熱固性塑料塑料四、塑料的特性1.质轻、比强度高。2.优异的电绝缘性能。3.优良的化学稳定性能。4.减摩、耐磨性能好。5.透光及防护性能。6.减震、消音性能优良。1.1塑料概论五、常用塑料的性能与用途（自学）塑料的性能使用性能工艺性能体现塑料的使用价值体现塑料的成型性能1.1塑料概论思考与练习：1.塑料与树脂的关系？2.塑料的成分有哪些，各自作用如何？3.塑料按物理化学性质可分为几种？4.热塑性塑料和热固性塑料的主要区别？5.合成树脂与天然树脂的区别？6.塑料按性能及用途分可分为？1.1塑料概论一、聚合物分子的结构特点固态聚合物按照分子排列的几何特征分为：结晶型无定形1.2注射成型理论基础一、聚合物分子的结构特点固态聚合物结晶型结晶度：如果聚合物分子结构简单，主链上带有的侧基体积小、对称性高，分子间作用力大，则有利于结晶，否则；仅是线型和含交联不多的体型聚合物；1.2注射成型理论基础一、聚合物分子的结构特点固态聚合物结晶型性能：使聚合物的强度、硬度、刚度及熔点、耐热性和耐化学性等提高，但有关链运动的弹性、伸长率和冲击强度下降；无定形：远程无序，近程有序；1.2注射成型理论基础二、聚合物的热力学性能1.聚合物的物理状态定义－聚合物在不同温度下所表现出来的分子热运动特征；分类：玻璃态高弹态粘流态1.2注射成型理论基础二、聚合物的热力学性能1.聚合物的物理状态图θg－玻璃化温度θb－脆化温度θf－θd－热分解温度1.2注射成型理论基础完全线性无定形二、聚合物的热力学性能1.聚合物的物理状态（热塑性聚合物）θf－θd(熔点）θb～θd之间不呈高弹态区别－θb～θd之间使用，扩大使用范围，但成型较困难。思考：体型聚合物如何？1.2注射成型理论基础二、聚合物的热力学性能1.聚合物的物理状态（线性无定形）常用聚合物的热分解温度聚合物θd/℃聚合物θd/℃聚乙烯PE335～450聚酰胺PA-6310～380聚丙烯PP328～410聚酰胺PA-66310～380聚氯乙稀PVC200～300聚甲基丙烯酸甲酯PMMA170～300聚苯乙烯PS300～400聚甲醛POM2221.2注射成型理论基础二、聚合物的热力学性能1.聚合物的物理状态（线性无定形）1.2注射成型理论基础热塑性塑料在不同状态下的物理性能及加工工艺性能状态玻璃态高弹态粘流态温度＜TgTg～TfTf～Td分子状态分子纠缠为无规则线团或卷曲状分子链展开、链段运动高分子链运动，彼此滑移工艺状态坚硬的固态高弹性固态塑性状态或高粘滞状态加工可能性机械加工（挫、锯、车、铣）弯曲、吹塑、拉伸、真空成形、冲压等注射、挤出、压延、模压等三、聚合物的流变学性质1.牛顿流动规律雷诺系数Re：层流（2100）紊流公式：τ＝ηγ牛顿粘度切应力剪切速率1.2注射成型理论基础三、聚合物的流变学性质1.牛顿流动规律公式：τ＝ηγ牛顿流动规律液体自身固有的属性，反映液体的粘度，表征液体抵抗外力引起变形的能力，与分子结构和温度有关；1.2注射成型理论基础三、聚合物的流变学性质1.牛顿流动规律公式：τ＝ηγ牛顿流体：应变随应力作用的时间线性增加，且粘度保持不变（定温），应变具有不可逆性质，应力解除后应变以永久变形保持下来。1.2注射成型理论基础三、聚合物的流变学性质2.指数流动规律非牛顿流体公式：τ＝Kγn粘度系数非牛顿指数或τ＝ηaγ表观粘度非牛顿液体在外力作用下抵抗剪切变形的能力ηa＝Kγn－1流动方程流变方程1.2注射成型理论基础三、聚合物的流变学性质2.指数流动规律公式：τ＝Kγnn=1,K=ηn＜1n＞1牛顿流体假塑性液体膨胀性液体1.2注射成型理论基础ηa＝Kγn－1三、聚合物的流变学性质2.指数流动规律不同类型流体的流变曲线：反映不同类型流体的表观粘度ηa与剪切速率γ的关系；1.2注射成型理论基础ηa＝Kγn－1三、聚合物的流变学性质3.假塑性液体的流变学性质n为0.25～0.67图1.7变形和流动所需的切应力随剪切速率变化，并呈指数规律增大；变形和流动所受到的粘滞阻力随剪切速率变化，并呈指数规律减小；“剪切稀化”1.2注射成型理论基础三、聚合物的流变学性质4.影响聚合物流变学性质的因素聚合物结构对粘度的影响分子结构相对分子质量分布相对分子质量1.2注射成型理论基础三、聚合物的流变学性质4.影响聚合物流变学性质的因素聚合物结构对粘度的影响分子结构：大分子链柔顺性较大的聚合物，非牛顿性强；而链的刚硬性和分子间吸引力较大聚合物则非牛顿性减弱；大分子中存在支链且支链长度越大，支化程度越高，粘度增大，流动性降低；1.2注射成型理论基础三、聚合物的流变学性质4.影响聚合物流变学性质的因素聚合物结构对粘度的影响相对分子质量：相对分子质量大，大分子链段会有所加长，大分子链重心移动减慢，链的柔顺性加大，缠结点增多，解缠、伸长和滑移困难，需要较大的切变速率和作用时间，熔体粘度和粘度对切变敏感性都增大。增塑剂？1.2注射成型理论基础三、聚合物的流变学性质4.影响聚合物流变学性质的因素聚合物结构对粘度的影响相对分子质量分布：定义：聚合物内大分子之间相对分子质量的差异；差异越大分布越宽；一般如果平均相对分子质量相同，则相对分子质量分布较宽时，聚合物熔体粘度较小，非牛顿性较强；实际应用？1.2注射成型理论基础三、聚合物的流变学性质4.影响聚合物流变学性质的因素聚合物结构对粘度的影响助剂：一般聚合物中添加助剂后，大分子之间的相互作用力会发生变化，熔体粘度也将发生改变；在各种添加剂中，增塑剂和润滑剂最能明显地降低熔体粘度，而多数填充剂则提高粘度；1.2注射成型理论基础三、聚合物的流变学性质4.影响聚合物流变学性质的因素温度对粘度的影响图1.8温度升高，体积膨胀，大分子之间的自由空间随之增大，彼此间范德华力减小，有利于大分子变形和流动，粘度下降。1.2注射成型理论基础三、聚合物的流变学性质4.影响聚合物流变学性质的因素温度对粘度的影响任何聚合物在成型温度下长期受热时，都会产生不同程度的降解，导致粘度下降；制定成型工艺时，必须考虑聚合物在机筒内的塑化时间以及注射时间长短。一般聚合物粘度对温度的敏感性比对切变速率强烈，但这并不意味着任何情况下都能通过升温来降低粘度或提高流动性。1.2注射成型理论基础三、聚合物的流变学性质4.影响聚合物流变学性质的因素压力对粘度的影响•聚合物熔体在成型压力增大时，熔体所受的静压力也会随之提高，而且伴随熔体的体积收缩，其粘度也有所提高；1.2注射成型理论基础三、聚合物的流变学性质4.影响聚合物流变学性质的因素•如何综合考虑生产的的经济性、设备和模具的可靠性以及制品的质量等因素，以确保成型工艺能有最佳的注射压力和注射温度。21345切变速率粘度各种因素对聚合物熔体粘度的影响1－温度；2－压力；3－相对分子质量；4－填充剂；5－增塑剂或溶剂1.2注射成型理论基础三、聚合物的流变学性质5.热塑性聚合物流变曲线的应用1）根据流变曲线确定合理的工艺参数大多数熔体虽然具有一定的假塑性性质，但在较低和较高的切变速率范围内，粘度的变化梯度不同；1.2注射成型理论基础三、聚合物的流变学性质5.热塑性聚合物流变曲线的应用2）根据流变曲线采用低温充模工艺提高制品质量和缩短成型周期降低熔体温度、提高切变速率