4材料工艺学(第四章)

材料工艺学第四章2第四章合成高分子材料与工艺•4－1塑料概述•4－2产品设计中常用的塑料•4－3塑料的成型•4－4塑料制件的工艺设计3第四章合成高分子材料与工艺•4－1塑料概述•所谓[塑料]、其实是[合成树脂]中的一种，形状跟天然树脂中的[松树脂]相似，但因经过化学的方法合成，而被称之为[塑料]。•根据美国材料试验协会所下的定义，[塑料]是一种以高分子量有机物质为主要成分的材料，它在加工完成时呈现固态形状，在制造以及加工过程中，可以通过[流动]来造型。•一、它是高分子有机化合物•二、它可以多种形态存在，例如液体、固体、胶体溶液等•三、种类繁多，由不同的单体可组成不同的塑料•四、用途广泛产品呈多样化•五、具有不同的性质•六、可以用不同的加工方法4第四章合成高分子材料与工艺•4.1.1塑料的组成及分类•塑料是由许多较小而结构简单的小分子，由共价键组合而成。•1.塑料的组成•根据塑料的组成不同，可分简单组分和复杂组分两类。•简单组分塑料基本上由一种物质（树脂）组成，如聚四氟乙烯等。也有仅加入少量色料，润滑剂等辅助物质，如聚苯乙烯，有机玻璃等；•复杂组分的塑料则由多种组分组成，除树脂外，还加入各种添加剂。属于此类的有酚醛塑料，环氧塑料等。•塑料由树脂、填充剂、增塑剂、润滑剂、着色剂、固化剂、稳定剂、阻燃剂等组成。5第四章合成高分子材料与工艺l）树脂树脂是塑料的主要成分，一般约占塑料全部组成的40％－100％。它是塑料中能起粘结作用的部分，也叫粘料，并使其具有成型性能。树脂的种类、性质以及它在塑料中占有的比例大小，对于塑料的性能起着决定性的作用。树脂有天然树脂和合成树脂两大类。天然树脂就是在自然界中存在着的一类由动植物分泌的有机物质，如松香、虫胶等。这些天然产物的共同点是没有固定的熔点，受热后可逐渐软化，不溶于水，但能溶于某些有机溶剂（如醇、醚）之中。合成树脂就是用人工合成的方法，将低分子的有机化合物（一般从石油、天然气、煤或农副产品中提炼出的物质）作原料，经过化学合成而制造出与天然树脂某些性能相似的树脂状产物。如聚乙烯，聚碳酸酯、酚醛树脂等。合成树脂是现代塑料的基本原料。6第四章合成高分子材料与工艺•2）填充剂填充剂又称填料，在许多塑料中约占20％－60％。加入填料的主要目的是弥补树脂某些性能的不足，以改善塑料的性能，降低塑料的成本。正确选用填料，可以使塑料具有树脂所没有的新性能，从而扩大它的使用范围。例如：加入铝粉可提高光反射能力及防止老化；加入石棉粉可提高耐热性；加入云母粉可改善电性能；加人二硫化钼可提高自润滑性。•对填料的要求：易被树脂润湿，与树脂有很好的粘附性，本身性质稳定，价格便宜，来源丰富等。•填料的种类很多，按其形状可分为：•粉状填料，如木粉、云母粉、石英粉、石墨粉、炭黑、各种金属粉（铁粉、钢粉、铝粉）及金属氧化粉（氧化铝、氧化钛、二氧化硅）等；•纤维状填料，如棉纤维、合成纤维、石棉纤维、玻璃纤维、碳纤维等；•片状填料，如木片、麻布、玻璃布等。7第四章合成高分子材料与工艺•3）增塑剂增塑剂是用来提高树脂可塑性与柔软性的一种添加剂。增塑剂的作用主要是有利于塑料产品的成型。因此，增塑剂的加入，能降低塑料的软化温度和硬度，提高塑料的韧性。•增塑剂的要求：•与树脂有较好的相溶性；•挥发性小；•无毒、无味、无色；•对光和热比较稳定。•常用的增塑剂是液态或低熔点固体有机化合物，其中主要有邻苯二甲酸酯类、癸二酸酯类和氧化石腊等。增塑剂的用量一般不超过20％。•4）润滑剂它是塑料在成型加工过程中为防止粘模而采用的一种添加剂。润滑剂可使塑料制品的表面美观光亮。常用的润滑剂有硬脂酸及其盐类，一般用量较少，常为0.5％－1.5％。8第四章合成高分子材料与工艺•5）着色剂在塑料中有时可以用有机染料或无机颜料着色，使塑料制品具有美丽的色彩，以适应使用上的要求。•一般要求染料性质稳定、不易变色、着色力强、色泽鲜艳、耐温、耐光性好、不与其他成分（如增塑剂、稳定剂等）起化学反应、与树脂有很好的相溶性。•6）固化剂一般热固性树脂成型时，由线型结构转变为体型结构的过程中，所加入的某种物质，叫固化剂。•作用是使树脂具有体型网状结构，成为较坚硬和稳定的塑料制品。•例如在酚醛树脂中加入六亚甲基四胺，在环氧树脂中加入已二胺、顺丁酸酐等。固化剂的种类很多，采用哪一种固化剂，视塑料品种及加工条件而定。9第四章合成高分子材料与工艺•7）稳定剂为防止某些塑料在光、热或其他条件下过早老化，延长制品的使用寿命所加入的少量物质称为稳定剂。一般稳定剂的用量为千分之几。•稳定剂的要求：能耐水、耐油、耐化学药品，并与树脂相溶，在成型过程中不分解。•稳定剂有抗氧化剂和紫外线吸收剂等。一般抗氧剂为酚类及胺类等有机物，常用的炭黑为紫外线吸收剂。•8）阻燃剂阻燃剂的作用是遏止燃烧或造成自熄。比较成熟的阻燃剂有氧化锑等无机物或磷酸酯类和含溴化合物等有机物。•塑料的添加剂除上述几种外，还有抗静电剂、发泡剂、溶剂和稀释剂等。加入银、铜等粉末则得到导电塑料；加入磁粉可制成导磁塑料等。10第四章合成高分子材料与工艺•2.塑料的分类•常用的塑料分类方法主要有如下两种：•按树脂受热时的行为分类，分为热塑性塑料和热固性塑料两种。•1）热塑性塑料为线型分子结构，受热软化，冷却变硬，再受热又可软化，即可运用加热及冷却，使其产生[可逆变化](液态←→固态)，是所谓的物理变化。•典型的有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、ABS、聚酰胺、聚碳酸酯、聚砜等。优点是加工成型简便，具有较高的机械性能。•2）热固性塑料指的是加热后，使分子构造结合成网状型态，一旦结合成网状聚合体，即使再加热也不会软化，显示出所谓的[非可逆变化]，是分子构造发生变化(化学变化)所致。•常用的热固性塑料有酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料、不饱和聚酯树脂和有机硅树脂等。11第四章合成高分子材料与工艺•根据塑料的使用范围可分为工程塑料和通用塑料两类。•l）通用塑料主要指产量大、用途广、成本低的一类塑料，常用的通用塑料有聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚醛塑料等。•2）工程塑料常指在工程技术中作结构、外观材料的塑料。聚碳酸酯、聚酰胺、聚甲醛、聚砜、ABS、聚四氯乙烯等。•工程用途的塑料，能适用于结构及机器零件，能代替金属材料。•一般而言，一般工程塑料耐热大于100℃，高性能工程塑料耐热大于150℃1213第四章合成高分子材料与工艺•4.1.2塑料的一般特性•塑料的品种规格繁多，不同品种规格的塑料具有不同的物理、化学、机械性能。•l.质轻和强度高•一般塑料的密度在0.9－2.3g／cm3范围，最轻的比水还轻，它的密度约为钢的1／6，铝的1／2。•例如聚乙烯的密度为0.29－0.97g／cm3，聚丙烯的密度为0.9－0.91g／cm3，都比水轻。质轻对于减轻机械设备的重量是非常有利的。•由于质轻，按材料单位重量计算的强度即比强度（强度／比重）较高。14第四章合成高分子材料与工艺•2.化学稳定性好•塑料有较好的化学稳定性，对酸碱等化学药物具有良好的抗腐蚀性能。例如，聚四氟乙烯能耐各种酸碱的侵蚀，甚至在能溶解黄金的“王水”中煮沸，它也不受影响。•塑料的化学稳定性是指塑料受化学介质腐蚀的程度和快慢。这除了与介质种类有关外，还与介质的温度、压力、制品内残存的内应力、孔隙等因素有关。•3．优异的电气绝缘性能•几乎所有的塑料都具有优越的电绝缘、极小的介质损耗以及优良的耐电弧特性，它可以与陶瓷、橡胶等绝缘材料相媲美，它在电器、电机、无线电和电子工业上具有独特的意义。15第四章合成高分子材料与工艺•4．优良的耐磨性、减磨性和自润滑性•塑料的硬度比金属低，但是塑料的磨擦、磨损性能却远远优于金属。塑料的磨擦系数是比较低的，同时有许多塑料，如聚四氟乙烯、尼龙等本身就具有润滑性。因此，它是制造轴承、凸轮、活塞环和密封圈等在腐蚀性介质中，或者在少油、无油润滑条件下有效地运转工作等零件的材料。•5．良好的消声性和吸震性•采用塑料制成的传动磨擦零件，可以减少噪音，降低振动，提高运转速度。例如用塑料齿轮可平稳无声地运转就是一个很显著的例子。16第四章合成高分子材料与工艺•6．独特的造型工艺性•工程塑料成型方便，易制作形状复杂的零件，因而产品的造型设计不受形状和线型的约束，可以比较自由地表达工业设计师构思，产品的造型可尽量做到整体化，使其更简洁。•7．优美舒适的质感•工程塑料硬而有舒适感，具有适当的弹性和柔度，给人以柔和、亲切、安全的触觉质感，工程塑料表面美观、光滑、纯净，容易整体着色，色彩艳丽，外观保持性好，还可以模拟出其他材料的天然质地美，它大量地用作外观装饰材料。17第四章合成高分子材料与工艺•塑料材料的缺点和不足：•强度和硬度不及金属材料高•耐热、导热性差•蠕变性和涨缩变形大•易老化18第四章合成高分子材料与工艺•在使用塑料时，必须注意考虑以下几个问题：•（1）塑料的力学性质随外部条件而改变•塑料的力学性质随外部条件（如温度、应力状态、时间、形状等）而变化的特点，注意安全和合理选用。•抗拉强度一般是指在室温和短时间内拉伸的测定值，即使在很低的负荷下，只要长时间保持负荷，塑料制品也会慢慢地产生变形、伸长，以致逐渐破坏，这种现象称为“蠕变”。使用温度越高越需注意。一般情况下只使用其抗拉强度值1/3。在连续承受交变负荷的使用场合，即使材料处于低应力状态，也容易发热。在受冲击时，塑料外表上有缺口的部件比无缺口的部件更容易折断，而且随缺口程度的增加该性质越显著。19第四章合成高分子材料与工艺•另外，在高温具有氧化分解倾向的塑料中，含有较多的耐热、耐氧化稳定剂。•一般高融点、高粘度以及结晶化程度高的塑料，在注意高温分解的同时，还必须注意随塑料在金属模具内的成型而引起的内部变形。还有一些别的因素。如温度、分子的排列状态，晶体排列的各向异性以及晶粒大小等，这些均会引起各向异性收缩。所有这些现象都是塑料制品产生龟裂的原因。20第四章合成高分子材料与工艺•（2）塑料的老化问题•塑料制品在使用过程中，由于受到氧、热、紫外光线、机械力、水蒸气以及微生物等因素的作用，逐渐失去弹性，出现龟裂、变硬变脆或发粘软化、失去光泽或变色，物理、机械性能变差等现象，这种现象称为塑料的老化。21第四章合成高分子材料与工艺•塑料的老化过程是一个复杂的化学变化过程，分子结构的变化是引起老化的根本原因，即塑料在上述种种因素作用下，逐渐产生大分子裂解或交联，因而引起老化。•裂解是大分子发生断链或裂解过程，使分子量降低，碎断为许多小分子，或分解成单体，但不改其变化学组成，是聚合反应的逆过程又称降解。•裂解使工程塑料的机械强度、弹性、熔点、溶解度、粘度等降低。•交联反应，使分子链之间生成化学键而形成网状结构，使塑料失去弹性、变硬、变脆、出现龟裂而导致老化。•改进塑料的抗老化能力：•表面防护、改进塑料结构、加入防老化剂等三方面采取措施。22第四章合成高分子材料与工艺•（3）塑料的耐腐蚀问题•塑料在自然界中放置时，与金属不同，它不生锈，无外观变化。但完全抗强酸，强碱，无机化学药品、有机化学药品、溶剂类腐蚀的塑料仍然很少。从被腐蚀的特点看，工程塑料一般重量增加，体积膨胀、强度下降。•（4）塑料的带电问题•塑料有摩擦带电的现象，特别在干燥的环境，更是如此。塑料制品易吸附尘埃，在工业中所使用的塑料管道，在高速输送油类及粉体时，由于带电造成火灾。如在塑料中加入各种带电防止剂，则塑料在成型时热稳定性下降，透明度和表面耐磨性也能下降。23第四章合成高分子材料与工艺•4．1．3塑料在产品设计中的应用•目前，塑料已在工业产品材料中占据重要地位，在产品设计中工程塑料的应用越来越广泛。K4999类型：可堆积的儿童椅子设计师：马可•扎奴索，里查德•萨帕制造：Kartell设计：1959聚丙烯的技术工艺启发了设计方案，由此诞生了一把可以拆卸、堆积和容易使用的椅子：它仿佛一个模块，可以在空间中组合和重叠，K999因而也变成了一种游戏以及孩子们造房子的一个元件。BLOW类型：充气扶手椅设计师：J.德•帕斯，D.杜尔比诺，P.罗马兹制造：Zanotta设计：