第2章 常用塑料材料

第2章常用塑料材料主讲：叶东1本章学习的内容：一、塑料的组成二、塑料的分类三、塑料成型的工艺特性四、常用塑料简介五、复合材料22.1塑料的组成与工艺特性一、塑料的组成二、塑料的分类三、塑料成型的工艺特性（一）热塑性塑料的成型工艺特性（二）热固性塑料的成型工艺特性3一.塑料的组成（一）塑料的组成塑料的组成：以合成树脂为主要成分，加入适量的添加剂组成的。(1)合成树脂合成树脂是由低分子化合物经聚合反应所获得的高分子化合物。作用：树脂受热软化后，可将塑料的其他组分加以粘合，并决定塑料的主要性能，如物理性能、化学性能、力学性能及电性能等。塑料中树脂含量为40％-100％。(2)添加剂填充剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、着色剂和固化剂等。4（二）塑料的添加剂添加剂的作用：塑料助剂又叫塑料添加剂，是聚合物（合成树脂）进行成型加工时为改善其加工性能或为改善树脂本身性能所不足而必须添加的一些化合物。添加剂的种类5添加剂种类6选择助剂时应考虑的问题1）助剂与制品的配伍性（助剂应与聚合物匹配性）2）助剂的耐久性3、助剂对加工条件的适应性4、助剂对制品用途的适应性5、助剂配合中的协同作用与对抗作用7（1）填充剂(填料)填充剂的作用：调整塑料的物理化学性能，提高材料强度，扩大使用范围，减少合成树脂的用量，降低塑料的成本。常用的填充剂：粉状填料、纤维状填料、层状填料。1）粉状填料：碳酸钙、硅石、硅藻土、云母、石棉、石墨、木粉、金属粉；2）纤维状填料：棉花、亚麻、石棉纤维、玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、金属短须。3）层状填料：纸张及棉布屑、玻璃布。塑料中的填充剂含量一般为20％～50％，它是塑料制件品种多、性能各异的主要原因之一。8附表—常用填料及作用9（2）增塑剂增塑剂的作用：提高塑料的可塑性和柔软性，降低熔融温度，改善熔体的流动性。原因：加入它可加大分子间的距离，削弱大分子间的作用力。缺点：增塑剂会降低塑料的稳定性、介电性能和机械强度，因此在塑料中应尽可能地减少增塑剂的含量。10（3）稳定剂作用：抑制和防止塑料在加工(提高热分解温度)和使用过程中因受热、光及氧等作用而分解变质，使加工顺利进行，保证塑件具有一定的使用寿命。种类：热稳定剂、光稳定剂、抗氧剂、紫外线抗御剂等。对稳定剂的要求是，除对聚合物的稳定效果好外，还应能耐水、耐油、耐化学药品，并能与树脂相溶，在成型过程中不分解、挥发小、无色。常用的稳定剂有硬脂酸盐、铅的化合物及环氧化合物等。稳定剂用量一般为塑料的0.3％～0.5％。11（4）润滑剂作用：对塑料表面起润滑作用，防止塑料在成型加工过程中粘附在模具上。同时，添加润滑剂还可以提高塑料的流动性，便于成型加工，并使塑料表面更加光滑。常用的润滑剂：硬脂酸及其盐类、合成蜡及某些有机硅化合物，其加入量通常小于1％。需加入润滑剂的常用塑料：聚烯烃、PS、醋酸纤维素、PA、ABS、PVC，硬质PVC更突出。12（5）着色剂作用：为满足塑件使用上的美观要求，给予塑料以色彩及特殊的光学性能，有时还能改善塑料制品的耐候性，常加入着色剂。种类：1.给予塑料色彩的色料：有机颜料、无机颜料和染料作着色剂。2.给予塑料特殊的光学性能的有光学絮片：（铝、铜、铜合金等）①珠光色料：使塑料呈珠光；②磷光色料：经光线照射后，能在黑暗中发光；③荧光色料：能放出与吸收不同波长的光线，因而形成闪烁的辉光，但不能在黑暗中发光。着色剂应具有的性能：着色力强、色泽鲜艳、分散性好，不易与其他组分起化学变化，且耐热、耐光等性能。着色剂的用量一般为塑料的0.01％—0.02％。13塑料中加入着色剂的方法1.用挤出造粒机，混色后挤出—切断造粒，得到已混色好的树脂原料，用于大批量生产同色的产品。2.用色母加入到原色的树脂中混合均匀，加入中注射机塑化；用于小批量、多品种生产。缺点：混色不够均匀，不同批次的产品存在色差。3.将粉状染料加入到原色的树脂中混合均匀，加入中注射机塑化；用于小批量、多品种生产。缺点：混色不够均匀，不同批次的产品存在色差。目前注射塑料的着色已广泛使用色母粒着色的方法，只要在注射成型之前，在本色塑料粒子中，拌入一定比例的浓缩色母粒（简称色母粒）即可。14（6）固化剂固化剂又称硬化剂、交联反应剂。固化剂的作用：促使合成树脂进行交联反应而形成体型网状结构，或加快交联反应速度。固化剂一般多用在热固性塑料中。15（7）其他添加剂1）驱避剂：塑料在贮存、使用的过程中，可能遭受老鼠、昆虫、细菌、霉菌等的危害，用以抵御、避免和消灭这类情况发生的物质，统称驱避剂。2）防静电剂：使塑件具有适量的导电性，以消除带静电的影响，可加入防静电剂。这类物质具有微弱的电离性，又有适当的吸水性，致使塑件表面具有导电的分子层。3）阻燃剂：阻止或减缓塑料燃烧而加入的一些物质。4）发泡剂：为生产泡沫塑料用。5）开口剂：防止聚烯烃和PVC薄膜自身之间的粘黏。6）表面活化剂：避免农用薄膜因水汽凝结而出现雾层，而加入的非离子性表面活化剂。7）导电及导磁剂：是塑料具有一定的导电及导磁性能。16二、塑料的分类(1)按合成树脂的分子结构及其特性分类(2)按塑料的用途分类17(1)按树脂的分子结构及其特性分类1)热塑性塑料常用的热塑性塑料：聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、有机玻璃、聚酰胺、ABS、聚碳酸酯、聚酯、聚甲醛、聚苯醚、聚氨酯、聚砜、聚四氟乙烯等。2)热固性塑料常用的热固性塑料：酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂、脲醛塑料、三聚氰胺甲醛和不饱和聚酯、有机硅等。18(2)按塑料的用途分类1)通用塑料：约占塑料总产量的80％。聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料六大类。2)工程塑料：在汽车、机械、化工等行业用来制造机械零件和工程结构零部件。例如：聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯、聚苯醚、ABS、聚砜、聚四氟乙烯、有机玻璃和环氧树脂等。3)特殊塑料：具有某些特殊性能的塑料。如：氟塑料、导磁和导电塑料、纳米塑料、光学塑料、降解塑料、高吸水率塑料等。19三、塑料成型的工艺特性（一）热塑性塑料的工艺特性（二）热固性塑料的成型工艺特性20（一）热塑性塑料的成型工艺特性(1)收缩性(2)流动性(3)相容性(4)吸湿性(5)热敏性21(1)收缩性概念：塑件从温度较高的模具中取出冷却到室温后，其尺寸或体积会发生收缩变化，这种性质称为收缩性。22收缩率的计算Sα——实际收缩率；Sj——计算收缩率；a——模具或塑件在成型温度时的尺寸；b——塑件在室温时的尺寸；C——模具在室温时的尺寸。1）实际收缩率表示塑件实际所发生的收缩。因成型温度下的塑件尺寸不便测量，以及实际收缩率和计算收缩率相差很小，所以生产中常采用计算收缩率。2）在大型、精密模具成型零件尺寸计算时则应采用实际收缩率。常用各种热塑性塑料的收缩率见附录B。23影响塑件收缩的原因：1)塑料品种：塑料品种不同，其收缩率也各不相同。例如，树脂的相对分子质量高，填料为有机填料，树脂含量较多，则该类塑料的收缩率就大。2)塑件结构：塑件的形状复杂、尺寸较小、壁薄、有嵌件、嵌件数量多且对称分布，其收缩率较小。3)模具结构：采用直接浇口或大截面的浇口，可减少收缩，但各向异性大；沿料流方向收缩小，沿垂直料流方向收缩大；当浇口的厚度较小时，浇口部分会过早凝结硬化，型腔内的塑料收缩后得不到及时补充，收缩较大。244)成型工艺条件对收缩率的影响1）模具温度：模温高，熔料冷却慢，则密度高，收缩大。对于结晶型塑料，因其结晶度高，体积变化大，故收缩更大。。2）成型压力及保压时间：注射压力高、时间长的收缩小，但方向性大。3）料温：料温高的，则收缩大，但方向性小。因此在成型时调整模温、压力、注射速度及冷却时间等因素也可适当地改变塑件收缩情况。25(2)流动性概念：塑料在一定的温度、压力作用下充填模具型腔的能力，称为塑料的流动性。塑料的流动性差，就不容易充满型腔，易产生缺料或熔接痕等缺陷，因此需要较大的成型压力才能成型。塑料的流动性好，可以用较小的成型压力充满型腔。但流动性太好，会在成型时产生严重的溢边。塑料中加入填料，会降低树脂的流动性，而加入增塑剂或润滑剂，则可增加塑料的流动性。流动性的表示方法：熔融指数法螺旋线长度法26熔融指数将被测塑料装入加热料筒中并进行加热，在—定的温度和压力下，测定塑料熔体在10min内从出料孔挤出的重量（g），该值称为熔融指数，简写为MI。熔融指数越大，流动性越好。27螺旋线长度实验法将被测塑料在一定的温度与压力下注入如图2.2所示标准的阿基米德螺旋线模具内，用其所能达到的流动长度(图中所示数字单位为cm)来表示该塑料的流动性。流动长度越长，流动性就越好。28影响流动性的主要因素1)温度：料温高，则流动性大，但不同塑料也各有差异。聚苯乙烯、聚丙烯、聚酰胺、有机玻璃、ABS、AS、聚碳酸酯、醋酸纤维素等塑料的流动性随温度变化的影响较大；聚乙烯、聚甲醛的流动性受温度变化的影响较小。2)压力：注射压力增大，则熔料受剪切作用大，流动性也增大，尤其是聚乙烯和聚甲醛较为敏感。3)模具结构：浇注系统的形式、尺寸、结构(如型腔表面粗糙度、浇道截面厚度、型腔形式、排气系统)、冷却系统的设计和熔料的流动阻力等因素都会直接影响熔料的流动性。凡促使料温降低、流动阻力增加的因素，都会使流动性降低。29常用热塑性塑料的流动性流动性好的：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、尼龙和醋酸纤维素；流动性中等的：改性聚苯乙烯、ABS、AS、有机玻璃、聚甲醛和氯化聚醚；流动性差的：聚碳酸酯、硬聚氯乙烯、聚苯醚、聚砜和氟塑料。30(3)相容性概念：两种或两种以上不同品种的塑料，在熔融状态不产生相分离现象的能力。如果两种塑料不相容，则混熔后塑件会出现分层、脱皮等表面缺陷。分子结构相似者较易相容，如高压聚乙烯、低压聚乙烯、聚丙烯彼此之间的混熔等分子结构不同时较难相容，如聚乙烯和聚苯乙烯之间的混熔。塑料的相容性又称为共混性。通过塑料的这一性质，可得到类似共聚物的综合性能，这是改进塑料性能的重要途径之一。如聚碳酸酯和ABS塑料相容，就能改善聚碳酸酯的工艺性。31(4)吸湿性概念：吸湿性是指塑料对水分的亲疏程度。具有吸湿或粘附水分倾向的塑料：聚酰胺、ABS、聚碳酸酯、聚苯醚和聚砜等；吸湿或粘附水分极小塑料：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和氟塑料等。吸湿性对塑料制品的影响：在注射成型过程中比较容易发生水降解，成型后塑件上出现气泡、银丝与斑纹等缺陷。干燥措施：在成型前必须进行干燥处理，必要时还应在注射机料斗内设置红外线加热装置，以免干燥后的塑料进入机筒前在料斗中再次吸湿或粘水。32(5)热敏性概念：热敏性是指塑料的化学性质对热量作用的敏感程度，热敏性很强的塑料称为热敏性塑料。防止热敏性塑料在成型中出现降解现象应采取的措施：1）选用螺杆式注射机；2）流道截面取大一些(避免过大的摩擦热)；3）注射机筒内壁、流道和模腔表壁镀铬；4）熔体在模内流动时不得有死角和滞料现象；5）生产时严格控制成型工艺条件等。6）必要时还可在塑料中添加热稳定剂。常用的热敏性塑料硬聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、醋酸乙烯共聚物、聚甲醛、聚三氟氯乙烯。33挤出成型原理示意图34（二）热固性塑料的成型工艺特性（1）收缩率（2）流动性（3）比容和压缩率（4）硬化速度（5）水分及挥发物含量35（1）收缩率产生收缩的主要原因：1）热收缩热收缩是由于热胀冷缩而使塑件成型冷却后所产生的收缩。热收缩与模具的温度成正比。2）结构变化引起的收缩：交联反应后，分子由线型结构变为网状结构，由于分子链间距的缩小，结构变得紧密，故产生了体积收缩。3）弹性恢复：塑件从模具中取出后，作用在塑件上的压力消失，由于弹性恢复，会造成塑件体积的负收缩(膨胀)。在成型以玻璃纤维和布质为填料的热固性塑料时，这种情况尤为明显。4）塑性变形：塑件脱模时，成型压力迅速降低，但模壁紧压在塑件的周围，使其