第三章塑料、模具材料与管理

第三章塑料、模具材料与管理3.1塑料3.1.1注射成型条件由于聚合物的大分子结构和分子热运动特点，决定了聚合物存在玻璃态、高弹态和黏流态等聚集态。聚集态的转变受化学组成，分子结构，所受应力和环境温度的影响，聚合物的组成一定时，主要与温度有关。图3-1聚合物状态与塑料成型的关系如图3-1所示，当温度在玻璃化温度（gT）以下时，聚合物处于玻璃态，是坚硬的固体。分子热运动能量较小，弹性模量较大，且形变是可逆的。在这一聚集态不宜进行较大变形的成型。在玻璃化温度（gT）以上，塑料要变软，所以玻璃化温度（gT）塑料使用的最高温度。塑料使用的下限温度称为脆化温度，低于脆化温度时，塑料受力容易发生断裂破坏。当温度在玻璃化温度和黏流温度（fT）之间时，聚合物处于高弹态，分子热运动的能量增加，弹性模量大大降低，对于无定型聚合物，可对某些材料进行加压、弯曲、中空或真空成型。对结晶聚合物，可在玻璃化温度至熔点（mfTT~）区间进行薄膜和纤维的拉伸。当温度升高到黏流温度（或熔点）以上时，聚合物在外力作用下会发生黏性流动，在黏流温度以上不高的温度范围内，常用来进行压延成型、某些挤出和吹塑成型。在比黏流温度更高的温度下，在不大的外力下就能引起熔体的流动变形，且此时的形变主要是不可逆的黏性变形，熔体冷却后即能将变形永久保持下来，因此，这一温度范围常用于进行注射等成型。但温度过高会使聚合物黏度大大降低给成型带来困难并使产品质量变劣。温度高到分解温度（dT）时，还会引起聚合物的分解变质。可模塑性是指塑料在温度和压力作用下产生变形并在模具型腔中模制成型的能力。具有可模塑性的塑料可通过注射、模压和挤出等成型方法制成各种形状的模塑制品。可模塑性主要取决于材料的流变性、热性能、物理力学性能以及热固性塑料的化学性能等，成型时的工艺因素（温度、压力和成型周期等）以及模具的结构尺寸。如图3-2所示，为可模塑性与温度、压力之间的关系。温度过高流动性好，但制品的收缩率大，甚至会引起分解；温度过低，熔体流动性差，成型性差，且制品性能会降低；压力过高会引起溢料，增加制品的内应力；压力过低则会充模不足造成缺料。图中四条曲线所构成的面积是最佳的模塑区域。A－成形区域；a－表面不良线；b－溢料线；c－分解线；d－缺料线图3-2模塑压力－温度曲线3.1.2塑料的定义及分类塑料在化学构造的性质上大致分为热固性塑料(thermosetsplastics)和热塑性塑料(thermoplasticsplastics)两种。1.热塑性塑料1)聚氯乙烯树脂。2)聚苯乙烯树脂(PS）。3)ABS树脂，AS树脂。4)丙烯酸树脂(PMMA)。5)聚乙烯(PE)。6)聚丙烯(PP)。7)氟塑料。8)聚酰胺树脂(PA)。9)聚甲醛树脂(POM)。10)聚碳酸酯树脂(PC)。11)纤维素塑料。2.热固性塑料1)酚醛树脂。2)脲醛树脂。3)三聚氰胺树脂。4)不饱和聚醋树脂(FRP)。5)环氧树脂。6)聚氨酯树脂。3.1.3热塑性塑料的特性1.聚氯乙烯树脂(PVC)PVC的单体是由乙炔与盐酸反应而成，将此单体以种种方法，聚合成PVC。PVC对热与光缺乏稳定性，所以需加稳定剂，以防止加工成为制品后变色或分解。稳定剂种类很多，包括金属皂、有机锡化物，可分透明、不透明及软硬质等。软质PVC的加工温度是70℃-100℃，硬质PVC加工时间短，不过须升温到150℃左右，硬质PVC熔融时，流动性不好，所以注射成型不像聚苯乙烯PS那么容易。硬质PVC即使不用增强剂，其力学强度也相当大，电气绝缘性佳、耐酸、耐碱性、耐水性等也非常好，且透明可以自由着色，加工性也好。软质PVC因具有可塑性，所以上述性质较低，不过却可自由制得柔软的薄膜或薄板。软化温度约80℃，分解温度约273℃。PVC的缺点是耐热性差，在65℃~80℃即软化，在高温时容易分解。PVC可用于制作桌巾、包装膜、汽车窗帘、公事包、手提包、化学鞋，胶膜能通过紫外线，保温性能很好。硬质PVC可用于水道配管、化学工厂配管、建材、招牌、电话机、电气零件、耐药品器具等。2.聚苯乙烯树脂(PS)由苯（取自煤焦油或石油）和乙烯气制成的乙烯混合气，通过加热到600℃的金属氧化物催化而脱氢，得到苯乙烯单体，再以无机或有机的过氧化物等催化剂催化聚合而成聚苯乙烯树脂。市面上的聚苯乙烯树脂，平均分子量约为7万~10万，无色透明，硬而稍脆，耐水性、电气绝缘性非常优越，不受强酸或强碱侵蚀，但对有机溶剂和油缺乏耐力，耐热性也不是很好。聚苯乙烯树脂的另一大特征是熔融树脂的热稳定性和流动性很高，成型性非常好，PS可自由着色，但稍脆。耐冲击性苯乙烯（HIPS）树脂是在苯乙烯树脂中添加丁二烯和苯乙烯共聚合橡胶而得，但两者又各分好几级，此外也有添加紫外线吸收剂或抗氧化剂以改善耐光性，也有把玻璃纤维加人基材中，以加大强度的。PS迎合现代视觉的美观透明性和色调，使它可广泛用于面包盒、牛油罐等餐桌用品、商品容器、玩具等，水果盘、牙刷，或毛刷的柄、肥皂盒、调味料容器等。3.ABS树脂及AS树脂苯乙烯单体若与丙烯睛单体和丁二烯橡胶聚合，则可得由丙烯睛（A）、丁二烯橡胶（B）、苯乙烯（S）三成分各种比例组合而成的共聚合体（ABS）。其特性由于三成分的巧妙配合，而显示出耐冲击性极大，拉伸强度和刚性都高的特点，且这些性质在低温中也不会改变。此外也有相当的耐热性，耐化学药品和油，具有苯乙烯（PS）和耐冲击性苯乙烯（HIPS）所没有的卓越性质。AS树脂是ABS树脂中无丁二烯的树脂，仍保有苯乙烯树脂的透明性，且耐热性、耐药品性、耐油性、机械强度等均有较大改善。ABS树脂具备冲击强度、机械强度、耐药品性、耐热性、尺寸稳定、加工容易等性质，也是较廉价的工业材料。主要用途是制造收音机、电视机外壳、冷暖气机、果汁机、吹风机、刮胡机的外壳、电扇的本体、汽车的仪表外壳、前护格框、车厢冷气机外壳。AS树脂可用于需要机械强度、耐药品性、透明性的用途，电池箱、仪表盒、电扇的风叶、牛油盒等。4.丙烯酸树脂(PMMA)PMMA由丙酮和氰酸制成氰化丙醇加浓硫酸脱水，再以醇类酯化合成甲基丙烯酸酯，由催化剂聚合制得聚甲基丙烯酸甲酯。聚甲基丙烯酸甲酯与聚苯乙烯（PS）同是塑料中透明度最佳者，且比聚苯乙烯树脂更难割伤，可为板状的有机玻璃，可加热弯曲成曲面，相对密度也轻。可着色成华丽的色调，在建筑材料或家具方面也使用很多。PMMA可用于制造汽车零件。因其具有耐光性、透光性，其最适于制作招牌、照明罩、亮光天花板。PMMA机械加工性良好，易于粘接，可制造精巧透明模型、光学透镜、假牙、隐形眼镜及电机零件。5.聚乙烯(PE)日常生活中最常看到的塑料就是聚乙烯（PE）。聚乙烯是由乙烯聚合而制成，乙烯工业上取自石油的分馏。低密度聚乙烯加少量的氧在2000大气压左右的高压下，加热到200℃可得白蜡般的聚乙烯，称为高压法聚乙烯。若用特殊的有机金属催化剂，可在常温下将乙烯聚合，而得高密度聚乙烯，称为低压法聚乙烯。聚乙烯的一般性质是乳白色半透明或不透明，比水轻，燃烧时像石蜡一滴滴落下，耐水性、电气绝缘性、耐酸性、耐碱性都非常好。可溶于热甲苯，但对大多数药品都稳定，所以易成型。热熔指数（meltindex）表示聚乙烯的熔融黏度大小，此值愈小则分子量愈大，机械强度也愈好，不过流动性较差。耐热性低，化学性不活泼，导致印刷和粘接不良。可用于制造各种瓶子、鱼网、粗绳、电线缆、电话架线、切菜板、垃圾箱等。6.聚丙烯(PP)聚丙烯的原料、制造技术和性质与聚乙烯有非常密切的关系。即原料的丙烯和乙烯同时大量含于石油的分解气体中。并且聚丙烯的工业制造方法与聚乙烯相同，即是用催化剂在低压下聚合而成。聚丙烯的分子结构规则，排列整齐，为均衡性聚合体，结晶度很高，耐热性和强度都很优越。其相对密度只有0.90~0.92，是最轻的塑料，点火后，像聚乙烯一样燃烧，其烟有特殊臭味，可与聚乙烯区别。聚丙烯的软化点远高于高密度聚乙烯，可达170℃。透明性佳，抗拉强度、表面硬度大。低温时不耐冲击，食品容器在进出冷藏库时若掉下易裂。不耐紫外线。可用于制造电器外壳、水桶、食器、管类、滤布、鱼网、粗绳等。7.氟塑料氟塑料是性能优越的工程塑料，其耐化学药品性及电气绝缘性是塑料中最佳的。且在高温和低温中都不改变其性质，但价格贵。氟塑料的聚合体种类很多，不过工业上大致有四种：四氟化树脂、三氟化树脂、二氟化树脂及FEP树脂。但大致是由二氯二氟甲烷的单体聚合而制得。氟塑料优于其他塑料的特点是不受药品的侵蚀，耐高温，耐高频等电气特性良好，四氟化树脂在-200℃~250℃，三氟化树脂在-200℃~250℃，二氟化树脂在-60℃~150℃范围内性能稳定。由于不吸水，用作电气绝缘材料或防腐蚀的理想材料，在电子设备、雷达、电视、微波中继设备等无线通信设备方面，可提高性能，并可小型化。二氟化树脂很耐紫外线，长年累月其性能不变，可用作建筑物材料。8.聚酰胺树脂(nylon)尼龙一般都很强韧，耐油性、耐药品性好，从高温到低温都可稳定使用，具备作为工程塑料的良好条件。摩擦系数小、耐磨性好，对钢的摩擦系数0.15。聚酰胺对聚酰胺则在0.1以下，故专用于制造录音机、复印机、计算机等较小的齿轮、凸轮、轴承等机械零件、滑轮。尼龙一般都易吸湿，尺寸和强度会因吸湿而发生变化。所以精度高时要特别注意，成型时，务必充分干燥材料。可用于制造齿轮、电器接头、灯壳、引擎风扇叶、镜子、外壳、电子零件、轴承、计算机、电视组件、溜冰鞋底、球箱、拉链、钓鱼线、刷子毛、梳子、高压软管、枪托等。9.聚甲醛树脂(POM)POM是耐热性和耐溶剂性良好的强韧材料。聚甲醛的特性类似尼龙和PC，非常强韧，而且热变形温度很高，耐磨性优越，长时间负载也不易变形，而且反复弯曲后，其性质几乎不变，所以也称为塑料弹簧。对钢的摩擦系数之低并不亚于尼龙，吸水所导致的尺寸变化，也远比尼龙小。可用于制造汽车零件、齿轮、电子零件、水龙头、凸轮、照相机零件、钟表内部零件、拉链、电脑零件等。10.聚碳酸酯树脂(PC)PC为无色或淡黄色的材料，抗拉强度、弯曲强度、弹性、耐冲击性都大，这些物理性质可与金属材料匹敌。且这些性质不会因温度而有太大变化，在140℃仍可保持强度。脆化温度低到-100℃~140℃，耐冲击性很大，高居塑料的首位，可制成胶盔、安全帽。对紫外线的抵抗性很强，曝露屋外十年间的耐候性试验，力学性能仍毫无变化。电气性质也优良。耐药品性是耐酸而不耐碱。PC到220℃~230℃才开始软化熔融，黏度也大，故成型加工时，需用大于聚苯乙烯或丙烯树脂的高温、高压。可制成安全帽及各种机械零件，外壳及需电气绝缘性、强度、耐热性、透明性、尺寸稳定性、耐振动的电气机械器具的零件。11.纤维素塑料透明性、可挠性、加工性良好、流动性、成型性良好、表面光亮、有良好的尺寸精度。可制成难燃的眼镜框、工具、电气零件、透明包装盒。3.1.4热固性塑料的特性1.酚醛树脂酚醛树脂是酚（phenol）和甲醛制成的，大都含有木粉、石棉、牛皮纸、布等填充料。加木粉后，成型较容易；加入石棉可提高耐热性；加入云母可增加电气绝缘性；加人长纤维可增大机械强度；加入合成纤维布，可增加电气绝缘性与强度。机械强度高、电气绝缘性良好、耐热性相当好、耐硫酸等强酸、不易燃、成型容易、精度也高。机械加工也容易、廉价耐用。易受碱性溶剂侵蚀。原色为黄褐色，易变色。可制成电气绝缘材料、电机制品、通信零件、配线器具、连接器、开闭装置、插座、水壶、熨斗的握柄、搅拌器。2.脲醛树脂用酸或盐基为催化剂，使尿素（氨）和福尔马林反应，可制得脲醛树脂。其成型是用硬质铬镀模型，用压缩成型法，温度控制在130℃~150℃左右。耐热性比酚醛树脂差，但在100℃以下可连续使用，对有机溶剂、油类的抵抗力强。树脂本身可自由着色、光泽性好、外观好。电气性质中的耐电弧性优于酚醛树脂。性质优良，但成型收缩率比酚醛树脂大，且耐水性、耐老化性、耐煮沸稍差些，故不适于室外或工业用途。可用于化妆品用、医药品用、各种容器用的帽盖，筷、盆、碗、茶盘、水果盘等不需耐热性、耐水性的食品器皿，钮扣、烟灰缸、玩具、文具等杂货日用