常用塑料的性能

在注塑模具的設(shè)計(jì)過(guò)程中，模具材料的選擇、流道系統(tǒng)的布置、冷卻方案和頂出方案的設(shè)計(jì)，都和塑料本身的性質(zhì)密切相關(guān)。盡管塑料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，系統(tǒng)地掌握其性能也比較困難，然而，對(duì)于一般的模具設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，對(duì)塑料特性作一些基本的了解和認(rèn)識(shí)，比如：流動(dòng)性、機(jī)械性能、物理性能、化學(xué)性能及成型工藝等等，將有很大的幫助。

一、塑料的分類

我們常說(shuō)的塑料，是對(duì)所有塑料品種的統(tǒng)稱，它的應(yīng)用很廣泛，因此，分類方法也各有不同。按用途大體可以分為通用塑料和工程塑料兩大類。通用塑料如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、改性聚苯乙烯(例如：SAN、HIPS)、聚氯乙烯(PVC)等，這些是日常使用最廣泛的材料，性能要求不高，成本低。工程塑料指一些具有機(jī)械零件或工程結(jié)構(gòu)材料等工業(yè)品質(zhì)的塑料。其機(jī)械性能、電氣性能、對(duì)化學(xué)環(huán)境的耐受性、對(duì)高溫、低溫的耐受性等方面都具有較優(yōu)越的特點(diǎn)，在工程技術(shù)上甚至能取代某些金屬或其它材料。常見的有ABS、聚酰胺(簡(jiǎn)稱PA，俗稱尼龍)、聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、有機(jī)玻璃(PMMA)、聚酯樹脂(如PET、PBT)等等，前四種發(fā)展最快，為國(guó)際上公認(rèn)的四大工程塑料。

按加熱時(shí)的工藝性能，塑料又可以分為熱固性塑料和熱塑性塑料兩大類。熱固性塑料在受熱后分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成網(wǎng)狀或體型而固化成型，變硬后即使加熱也不能使它再軟化。這種材料的特點(diǎn)是質(zhì)地堅(jiān)硬，耐熱性好，尺寸比較穩(wěn)定，不溶于溶劑。常見的有酚醛樹脂(PF)、環(huán)氧樹脂(EP)、不飽和聚酯(UP)等等。熱塑性塑料在受熱條件下軟化熔融，冷卻后定型，并可多次反復(fù)而始終具有可塑性，加工時(shí)所起的是物理變化。常見的有聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)及其改性品種、ABS、尼龍(PA)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、有機(jī)玻璃(PMMA)等等。這類塑料在一定塑化溫度及適當(dāng)壓力下成型過(guò)程比較簡(jiǎn)單，其塑料制品具有不同的物理性能和機(jī)械性能。

二、熱塑性塑料的分類及相關(guān)基本概念1.熱塑性材料的分類

我們現(xiàn)在接觸的都是熱塑性塑料，熱塑性塑料可分為兩大類：結(jié)晶形塑料和無(wú)定形塑料。所謂結(jié)晶，就是聚合物由熔融態(tài)分子的無(wú)次序狀態(tài)到凝固態(tài)有規(guī)則地進(jìn)行重排的性質(zhì)。具有這種性質(zhì)的塑料就叫結(jié)晶形塑料。反之，就叫無(wú)定形塑料，或叫非結(jié)晶形塑料。結(jié)晶形材料具有比較明顯的熔點(diǎn)，當(dāng)加工溫度進(jìn)入熔點(diǎn)后即出現(xiàn)粘流態(tài)，聚合物粘度迅速下降，發(fā)生不可逆的塑性形變。而無(wú)定形塑料，由常溫下的固態(tài)加溫直至軟化最后到粘流態(tài)，中間沒(méi)有明顯的熔點(diǎn)。作為判別結(jié)晶形塑料和無(wú)定形塑料方法，一般來(lái)說(shuō)，不透明的或半透明的是結(jié)晶形塑料，例如聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛、聚酰胺、聚酯等，透明的是無(wú)定形塑料，例如聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(有機(jī)玻璃)、聚砜等。當(dāng)然，也有例外情況，比如ABS屬于無(wú)定形塑料，卻不透明。2

相關(guān)的基本概念a.

流動(dòng)性

不同形態(tài)的熱塑性塑料具有不同的工藝性能、收縮性能及物理、機(jī)械性能等。

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于結(jié)晶形塑料，當(dāng)加工溫度高于其熔點(diǎn)時(shí)，其流動(dòng)性較好，能很快的充滿型腔，它所需要的注射壓力也可以較小。而無(wú)定形塑料的流動(dòng)性較差，因此，注入型腔的速度較慢，它所需要的注射壓力也要較大。所以，在模具設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)塑料的流動(dòng)性來(lái)設(shè)計(jì)合理的流道系統(tǒng)尺寸，一方面可避免流道系統(tǒng)尺寸太大而浪費(fèi)材料，同時(shí)也延長(zhǎng)注塑成型周期，另一方面避免流道系統(tǒng)尺寸太小而導(dǎo)致充填、保壓困難。當(dāng)然，也有例外，比如，聚苯乙烯雖然是無(wú)定形塑料，但它的流動(dòng)性卻很好。反映流動(dòng)性的指標(biāo)通常有熔融指數(shù)(MFR)和表觀粘度。MFR是指在熔體流動(dòng)速率儀中，在一定的溫度和負(fù)載下，熔體每10min從標(biāo)準(zhǔn)毛細(xì)管中流出的質(zhì)量，它的單位是g/10min。對(duì)于高分子聚合物來(lái)講，在通常的注塑成型條件下，它們的流動(dòng)行為大都不服從牛頓流動(dòng)定律，屬于非牛頓流體，它們流動(dòng)剪切應(yīng)力與剪切速率的比值稱為表觀粘度。表觀粘度在一定溫度下并不是一個(gè)常數(shù)，可隨剪切應(yīng)力、剪切速率而變化，甚至有些還隨時(shí)間而變化。b.

收縮性

熱塑性塑料由熔融態(tài)到凝固態(tài)，都要發(fā)生不同程度的體積收縮。而結(jié)晶形塑料一般比無(wú)定形塑料表現(xiàn)出更大的收縮率和收縮范圍，且更容易受成型工藝的影響。結(jié)晶形塑料的收縮率一般在1.0%~3.0%，而無(wú)定形塑料的收縮率在0.4%~0.8%。對(duì)于結(jié)晶形塑料，還應(yīng)考慮其后收縮，因?yàn)樗鼈兠撃Ｒ院笤谑覝叵逻€可以后結(jié)晶而繼續(xù)收縮，后收縮量隨制品厚度和環(huán)境溫度而定，越厚后收縮越大。附表

2-1:常見塑料的成型收縮率塑料名稱收縮率(%)塑料名稱收縮率(%)HDPE1.5~3.5(2.0)*POM1.8~2.6(2.0)*LDPE1.5~3.0(1.5)*PA60.7~1.5PP1.0~3.0(1.5)*PA661.0~2.5GPPS0.4~0.8(0.5)*SPVC1.5~2.5(2.0)*HIPS0.4~0.6(0.5)*TPU1.2~2.0(1.6)*ABS0.4~0.7(0.5)*PMMA0.5~0.7(0.5)*PC0.5~0.7(0.5)*PBT1.3~2.2(1.6)*注：帶

“

*

”

的參數(shù)為本公司推薦值。c.

流變性

高聚物的流變性是指加工過(guò)程中，應(yīng)力、形變、形變速率與粘度之間的關(guān)系。這就涉及到溫度、壓力、時(shí)間及分子結(jié)構(gòu)、分子量大小及其分布對(duì)這些要素的影響。根據(jù)塑料的流變性，塑料又可分為剪敏性材料和熱敏性材料。粘度對(duì)剪切速率的依賴性越強(qiáng)，粘度隨剪切速率的提高而迅速降低，這種塑料屬于剪敏性塑料。常見的剪敏性塑料有ABS、PS、PE、PP、POM等等。如果熔體粘度對(duì)溫度的依賴性越強(qiáng)，粘度隨溫度的上升而下降得越快，這種塑料屬于熱敏性塑料。常見的熱敏性塑料PC、PA、PMMA等等。對(duì)于高分子聚合物來(lái)講，剪切速率對(duì)以上兩種材料的粘度都有影響，剪切速率的提高都可以在不同程度上降低熔體的粘度，可以使熔體產(chǎn)生“剪切變稀”現(xiàn)象。所以，在設(shè)計(jì)流道系統(tǒng)時(shí)，并不是流道尺寸越大，壓力降就越小，適當(dāng)小的流道尺寸可以提高熔體的剪切速率來(lái)降低粘度，進(jìn)一步減少壓力降，這種效果對(duì)剪敏性材料來(lái)得明顯些。較小的澆口尺寸可以使增加熔體的剪切速率，產(chǎn)生大量的摩擦熱，熔體溫度明顯上升，熔體粘度跟著下降，增加流動(dòng)性。所以，小澆口的采用對(duì)于剪敏性塑料往往是成功的。但制品的壁厚較厚時(shí)，應(yīng)該考慮到保壓而適當(dāng)加大澆口尺寸以延長(zhǎng)澆口的凝固時(shí)間。d.

取向效應(yīng)

影響制品性能的因素還有塑料熔體在流動(dòng)過(guò)程中的取向效應(yīng)。塑料熔體的大分子在外力的作用下被拉伸而順著流動(dòng)方向互相平行排列，這種排列在塑料冷卻凝固之前來(lái)不及消除而凍結(jié)在固態(tài)制品中，便形成了取向效應(yīng)。取向效應(yīng)會(huì)使制品的整體性受到削弱，表現(xiàn)為各個(gè)的方向的物理機(jī)械性能的不一致，也可能導(dǎo)致各個(gè)方向收縮不均勻，從而可能導(dǎo)致制品翹曲變形。按熔體中大分子受力的形式和作用的性質(zhì)可分為剪切應(yīng)力作用下的“流動(dòng)取向”和受拉伸作用下的“拉伸取向”下?？刂迫∠虻臈l件有以下因素：(1)

熔體溫度和模具溫度的下降會(huì)加強(qiáng)取向效應(yīng)；(2)注射壓力增加可提高剪切速率和剪切應(yīng)力而加強(qiáng)取向效應(yīng)；(3)制品厚度越薄，取向效應(yīng)越強(qiáng)；(4)較大的澆口尺寸將加強(qiáng)取向效應(yīng)。

有時(shí)采取某些特別的措施增強(qiáng)取向效應(yīng)，使取向方向的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度得到提高。如拉伸薄膜、鉸鏈等。

聚乙烯

聚乙烯(Polyethylene,簡(jiǎn)稱PE)是塑料中產(chǎn)量最大的、日常生活中使用最普通的一種，特點(diǎn)是質(zhì)軟、無(wú)毒、價(jià)廉、加工方便。注射用料為乳白色顆粒。分子式為：

由于主鏈為C-C鍵結(jié)構(gòu)，無(wú)側(cè)基，柔順性好，分子呈規(guī)整的對(duì)稱性排列，所以是一種典型的結(jié)晶高聚物。

聚乙烯比較容易燃燒，燃燒時(shí)散發(fā)出石蠟燃燒味道，火焰上端黃色、下端藍(lán)色，熔融滴落，離火后能繼續(xù)燃燒。

目前大量使用的PE料主要有兩種，即HDPE和LDPE。

HDPE和LDPE的基本性能

HDPE(低壓高密度聚乙烯，俗稱硬性軟膠)分子結(jié)構(gòu)中支鏈較少，相對(duì)密度0.94g/cm3~0.965g/cm3，結(jié)晶度80%~90%。其最突出的性能是電絕緣性優(yōu)良，耐磨性、不透水性、抗化學(xué)藥品性都較好，在60℃

下幾乎不溶于任何溶劑；耐低溫性良好，在-70℃時(shí)仍有柔軟性。缺點(diǎn)主要有：耐驟冷驟熱性較差，機(jī)械強(qiáng)度不高，熱變形溫度低。

HDPE主要用來(lái)制作吹塑瓶子等中空制品，其次用作注塑成型，制作周轉(zhuǎn)箱、旋塞、小載荷齒輪、軸承、電氣元件支架等。

LDPE(高壓低密度聚乙烯，俗稱軟膠)分子結(jié)構(gòu)之間有較多的支鏈，密度0.910g/cm3~0.925g/cm3,結(jié)晶度55%~65%。易于透氣透濕，有優(yōu)良的電絕緣性能和耐化學(xué)性能，柔軟性、伸長(zhǎng)率、耐沖擊性、透光率比HDPE好，機(jī)械強(qiáng)度稍差，耐熱性能較差，不耐光和熱老化。

大量用作擠塑包裝薄膜、薄片、包裝容器、電線電纜包皮和軟性注塑、擠塑件。

HDPE、LDPE在性能上的相同點(diǎn)：1.吸水率較低，成型加工前可以不進(jìn)行干燥處理。2.聚乙烯為剪敏性材料，粘度受剪切速率的影響更明顯。3.收縮率較大且方向性明顯，制品容易翹曲變形。4.由於聚乙烯是結(jié)晶型聚合物，它的結(jié)晶均勻程度直接影響到製品密度的分布。所以，要求模具的冷卻水佈置儘可能均勻，使密度均勻，保證製品尺寸和形狀精度。

模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：1).聚乙烯分子有取向現(xiàn)象，這將導(dǎo)致取向方向的收縮率大于垂直方向的收縮率而引起的翹曲、扭曲變形，以及對(duì)制品性能產(chǎn)生的影響。為了避免這種現(xiàn)象，模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意澆口位置的確定和收縮率的選擇。2).聚乙烯質(zhì)地柔軟光滑，易脫模，對(duì)于側(cè)壁帶淺凹槽的制品，可采取強(qiáng)行脫模的方式進(jìn)行脫模。3).由于聚乙烯流動(dòng)性較好，排氣槽的深度應(yīng)控制在0.03mm以下。

聚丙烯

聚丙烯(Polypropylene,簡(jiǎn)稱PP，俗稱百折軟膠)由丙烯聚合而成，分子式為：

屬于結(jié)晶形高聚物，有著質(zhì)輕、無(wú)毒、無(wú)味的特點(diǎn)，而且還具有耐腐蝕、耐高溫、機(jī)械強(qiáng)度高的特點(diǎn)。注射用的聚丙烯樹脂為白色、有蠟狀感的顆粒。

聚丙烯容易燃燒，火焰上端呈黃色，下端藍(lán)色，冒少量黑煙并熔融滴落，離火后能繼續(xù)燃燒，散發(fā)出石油味。

聚丙烯大致分為單一的聚丙烯均聚體和改進(jìn)沖擊性能的乙烯—丙烯共聚體兩種。共聚的聚丙烯制品其耐沖擊性比均聚聚丙烯有所改善。

PP性能上的主要優(yōu)點(diǎn)：1).由于在熔融溫度下流動(dòng)性好，成型工藝較寬，且各向異性比PE小，故特別適于制作各種形狀簡(jiǎn)單的制品，制品的表面光澤、染色效果、外傷痕留等方面優(yōu)于PE料.2).通用塑料中，PP的耐熱性最好。其制品可在100℃下煮沸消毒，適于制成餐具、水壺等及需要進(jìn)行高溫滅菌處理的醫(yī)療器械。熱變形溫度為100℃~105℃,可在100℃以上長(zhǎng)期使用。3).屈服強(qiáng)度高，有很高的彎曲疲勞壽命。用PP制作的活動(dòng)鉸鏈，在厚度適當(dāng)?shù)那闆r下(如0.25~0.5mm),能承受7000萬(wàn)次的折疊彎曲而未有大的損壞。4).密度較小，為目前已知的塑料中密度最小的品種之一。常見塑料的密度范圍見附表2-2。

表2-2：常見塑料密度范圍塑料名稱密度范圍塑料名稱密度范圍HDPE0.941~0.965POM1.41~1.43LDPE0.91~0.925PA61.12~1.15PP0.90~0.91PA661.15GPPS1.04~1.06SPVC1.16~1.35HIPS1.04~1.05TPU1.2ABS1.04~1.06PMMA1.17~1.20PC1.2PBT1.26~1.30PP性能的主要缺點(diǎn)：1.由于是結(jié)晶聚合物，成型收縮率比無(wú)定形聚合物如PS、ABS、PC等大。成型時(shí)尺寸又易受溫度、壓力、冷卻速度的影響，會(huì)出現(xiàn)不同程度的翹曲、變形，厚薄轉(zhuǎn)折處易產(chǎn)