《材料成型工藝基礎(chǔ)》課件第6章

第6章高分子材料及其成型6.1工程塑料

6.2工程塑料成型工藝

6.3塑料制品的結(jié)構(gòu)工藝性高分子化合物在自然界中是普遍存在的，如天然橡膠、纖維素、蛋白質(zhì)等。高分子化合物的最主要應(yīng)用是高分子材料。當(dāng)前，高分子材料、無機(jī)材料和金屬材料并列為三大材料。高分子材料由于其品種多、功能齊全、能適應(yīng)多種需要、易于加工、適宜于自動(dòng)化生產(chǎn)、原料來源豐富、價(jià)格便宜等原因，已成為我們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚闹匾牧稀?jù)統(tǒng)計(jì)，高分子材料占材料需求量的60%。塑料、橡膠和纖維被稱為現(xiàn)代高分子三大合成材料，其中塑料占合成材料總產(chǎn)量的70%。

塑料是以天然或人工合成樹脂為基本成分加入各種添加劑而組成的高分子材料。在塑料中凡能用來制作機(jī)械零件或工程結(jié)構(gòu)的塑料稱為工程塑料。塑料由于具有原料廣泛、易于加工成型、價(jià)廉物美和優(yōu)良的物理、化學(xué)及力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，不僅廣泛地應(yīng)用于人們的生活之中，還應(yīng)用于電子、儀器儀表、家用電器、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、化工和國防等領(lǐng)域。6.1工程塑料6.1.1高分子化合物

1.高分子化合物的基本概念

高分子化合物(簡(jiǎn)稱高分子，又稱高聚物或聚合物)是由一種或多種簡(jiǎn)單低分子化合物聚合而成的分子量特別大的有機(jī)化合物的總稱。其分子比低分子化合物的分子要大很多，通常低分子有機(jī)化合物的相對(duì)分子質(zhì)量在1000以下，而高分子化合物的相對(duì)分子質(zhì)量在10000以上，有的高達(dá)上千萬。例如，聚氯乙烯的平均相對(duì)分子質(zhì)量為5×104~1.5×105，天然橡膠的相對(duì)分子質(zhì)量為4×105~1×107。高分子化合物分為天然化合物和人工合成化合物(合成材料)兩種。天然化合物包括天然橡膠、松香、纖維素、蛋白質(zhì)等；人工合成化合物包括塑料、合成橡膠、合成纖維等。

高分子化合物的相對(duì)分子質(zhì)量雖然很大，但其化學(xué)組成一般卻比較簡(jiǎn)單，它們的分子往往都是由特定的結(jié)構(gòu)單元通過共價(jià)鍵多次重復(fù)結(jié)合形成高分子鏈。例如聚氯乙烯的分子是由許多聚乙烯結(jié)合而成的，即像聚乙烯這樣能聚合成高分子化合物的低分子化合物，

稱為單體，組成高分子鏈的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元(如 )

稱為鏈節(jié)，n為高分子鏈所含鏈節(jié)的數(shù)目，稱為聚合度。因此，高分子化合物的相對(duì)分子質(zhì)量＝聚合度×鏈節(jié)數(shù)量。表6-1幾種常見高分子化合物的單體和鏈節(jié)2.高分子化合物的結(jié)構(gòu)

高分子化合物能夠作為材料使用并表現(xiàn)出各種優(yōu)異的性能，是因?yàn)樗哂胁煌诘头肿踊衔锏慕Y(jié)構(gòu)。因此，了解高聚物的結(jié)構(gòu)特征以及認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)與性能的內(nèi)在聯(lián)系，都具有重要的指導(dǎo)意義。

高分子化合物的結(jié)構(gòu)可分為兩種基本類型，即均聚物和共聚物。均聚物只含有一種單體鏈節(jié)，若干個(gè)鏈節(jié)用共價(jià)鍵按一定方式重復(fù)連接起來形成均聚物；共聚物是由兩種以上不同的單體鏈節(jié)聚合而成的高聚物。均聚物的結(jié)構(gòu)有四種形式：線型(伸直)、線型(蜷曲)、支鏈型和網(wǎng)型，如圖6-1所示。

線型均聚物的特點(diǎn)是可溶、可熔，即它可以溶解于一些有機(jī)溶劑，加熱可以熔化?；谶@一特點(diǎn)，線型均聚物易于加工，可反復(fù)使用，如聚氯乙烯、聚苯乙烯等。

支鏈型均聚物的性能與線型基本相同。

圖6-1均聚物結(jié)構(gòu)示意圖(a)線型(伸直)；(b)線型(蜷曲)；(c)支鏈型；(d)網(wǎng)型網(wǎng)型均聚物是在兩根長(zhǎng)鏈之間由若干個(gè)支鏈把它們交聯(lián)起來，構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)似的形狀。如果這種網(wǎng)狀的支鏈向空間發(fā)展的話，便得到體型高聚物結(jié)構(gòu)。這種高聚物的特點(diǎn)是在任何情況下都不熔化，也不溶解。成型加工只能在形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之前進(jìn)行，一經(jīng)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，就不能再改變其形狀。這種高聚物具有形狀穩(wěn)定、耐熱和耐溶劑作用的優(yōu)點(diǎn)，如熱固性塑料酚醛、脲醛等。

圖6-2共聚物結(jié)構(gòu)示意圖共聚物的高分子排列形式可分為無規(guī)則型、交替型、嵌段型和接枝型，如圖6-2所示(圖中將兩種不同結(jié)構(gòu)的單體分別以有斜線和空白的圓圈表示)。共聚物能把兩種或多種不同特性的單體綜合到一種聚合物中來，使共聚物在實(shí)際應(yīng)用上具有十分重要的意義。人們常把共聚物稱為非金屬的合金，例如汽車用的有機(jī)玻璃——聚甲苯丙烯酸甲脂，使用溫度為100℃左右，同10%~15%的甲基丙酸共聚后，使用溫度可提高到160℃。又如ABS塑料是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三元共聚物，它具有強(qiáng)度高、耐熱、耐沖擊、耐油、耐腐蝕及易加工的綜合性能。

3.高分子化合物的聚集態(tài)

高分子化合物的性能不僅與高分子的相對(duì)分子質(zhì)量和分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，也和分子鏈在空間的堆砌狀態(tài)即聚集態(tài)有關(guān)。高分子化合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)是指高分子材料本身內(nèi)部高分子鏈之間的幾何排列和堆砌結(jié)構(gòu)，也稱為超分子結(jié)構(gòu)。按照大分子排列是否有序，高分子化合物的聚集態(tài)分為結(jié)晶態(tài)和非結(jié)晶態(tài)兩類。結(jié)晶態(tài)聚合物分子排列規(guī)則有序，非結(jié)晶態(tài)聚合物分子排列雜亂不規(guī)則。

4.高分子化合物的力學(xué)性能

1)線型非結(jié)晶態(tài)高分子化合物的力學(xué)性能

線型非結(jié)晶態(tài)高分子化合物沒有一定的熔點(diǎn)，隨溫度的變化，會(huì)呈現(xiàn)出三種物理形態(tài)：玻璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài)，如圖6-3所示。

圖6-3線性非結(jié)晶態(tài)高分子化合物的溫度-形變關(guān)系曲線

(1)玻璃態(tài)。當(dāng)溫度較低時(shí)，由于分子熱運(yùn)動(dòng)的能量很低，尚不足以使分子鏈節(jié)或整個(gè)分子鏈產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，此時(shí)高聚物呈現(xiàn)如玻璃體狀的固態(tài)，稱為玻璃態(tài)。常溫下的塑料一般處于玻璃態(tài)。在這一區(qū)段，由于溫度低，受到外力時(shí)只能使高分子的鏈段和鏈節(jié)作輕微的伸縮與震動(dòng)，導(dǎo)致了較小變形的產(chǎn)生。這種變形是可逆的，當(dāng)外力去除后，變形即可消失而恢復(fù)原狀。這種可逆變形稱為普彈性變形。一般將常溫下處于玻璃態(tài)的高分子材料稱為塑料。

(2)高彈態(tài)。當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，鏈節(jié)可以較自由地旋轉(zhuǎn)，但高聚物的整個(gè)分子鏈還是不能移動(dòng)。此時(shí)在不大的外力作用下，可產(chǎn)生相當(dāng)大的可逆性形變，當(dāng)外力除去后，通過鏈節(jié)的旋轉(zhuǎn)又恢復(fù)原狀。這種受力能產(chǎn)生很大的形變，除去外力后能恢復(fù)原狀的性能稱為高彈性。這種高聚物的形態(tài)稱為高彈態(tài)。常溫下的橡膠就處于高彈態(tài)。與玻璃態(tài)相比，在相同外力作用下，高彈態(tài)的形變比較大，且高彈性變形的產(chǎn)生和恢復(fù)要比普彈性變形慢得多，這時(shí)物體的性質(zhì)類似橡膠，柔軟且有彈性。

(3)黏流態(tài)。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，高聚物得到的能量足夠使整個(gè)分子鏈都可以自由運(yùn)動(dòng)，從而成為能流動(dòng)的黏液，其黏度比液態(tài)低分子化合物的黏度要大得多，因而稱為黏流態(tài)。此時(shí)外力作用下的形變?cè)诔ネ饬蟛荒茉倩謴?fù)原狀。塑料等制品的加工成型，即利用了此階段軟化而具有可塑性的特性。室溫或略高于室溫時(shí)處于黏流態(tài)的高聚物通常用作膠黏劑或涂料。由高彈態(tài)向玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度Tg稱為玻璃化溫度，它是高分子材料的最高使用溫度，它的高低不僅可確定該高聚物是適合做橡膠還是適合做塑料，而且能顯示材料的耐熱、耐寒性能。

由高彈態(tài)向黏流態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度Tf稱為黏流化溫度，它決定高分子材料加工成型的難易程度，通常成型溫度選擇在黏流化溫度以上。表6-2列舉了幾種非晶態(tài)高分子化合物的Tg和Tf值。表6-2幾種非晶態(tài)高分子化合物的Tg和Tf值2)線型結(jié)晶態(tài)高分子化合物的力學(xué)性能

如圖6-4是線型結(jié)晶態(tài)高分子化合物的溫度-形變關(guān)系曲線。圖6-4中曲線1代表一般分子量的結(jié)晶態(tài)高分子材料，曲線2代表分子量很大的結(jié)晶態(tài)高分子材料?？梢?，一般高分子化合物只有兩種態(tài)，在Tm以下處于晶態(tài)，這與非結(jié)晶態(tài)高分子化合物的玻璃態(tài)相似，可以作為纖維使用；當(dāng)溫度高于Tm時(shí)，高分子化合物處于黏流態(tài)，可以進(jìn)行成型加工。而分子量很大的結(jié)晶態(tài)高分子化合物則不同，它有三態(tài)，在溫度Tm以下處于晶態(tài)，在Tm~Tf之間處于高彈態(tài)，當(dāng)溫度達(dá)到Tf進(jìn)入黏流態(tài)。Tm表示結(jié)晶態(tài)高分子化合物結(jié)晶熔化的溫度，通常稱為熔點(diǎn)。由于高彈態(tài)不便于成型加工，而溫度高了又容易分解，使成型產(chǎn)品質(zhì)量降低，因此結(jié)晶態(tài)高分子化合物的分子量不宜太高。

圖6-4線型結(jié)晶態(tài)高分子化合物的溫度-形變關(guān)系曲線

3)體型高分子化合物的力學(xué)性能

體型高分子化合物由于交聯(lián)束縛著大分子鏈，使大分子鏈不能產(chǎn)生相互滑動(dòng)，因此沒有黏流態(tài)，只有玻璃態(tài)和高彈態(tài)。體型高分子化合物受熱后仍保持堅(jiān)硬狀態(tài)，當(dāng)加熱到很高溫度時(shí)才發(fā)生分解而導(dǎo)致高分子化合物的破壞。這種高分子化合物呈現(xiàn)不溶不熔的特性，機(jī)械強(qiáng)度較線型高分子化合物為高，且耐熱性很好。工業(yè)上常用作結(jié)構(gòu)材料使用，如酚醛塑料。

5.高分子化合物的主要特點(diǎn)

相對(duì)分子質(zhì)量大是高分子化合物的基本特性之一，也是同低分子化合物的根本區(qū)別。正是由于高分子化合物的相對(duì)分子質(zhì)量大，就可以表現(xiàn)出某些特殊性能，如較好的強(qiáng)度和彈性、密度小、比重輕、耐腐蝕、絕緣性好、易于加工成型等特性，但也存在不耐高溫、易燃燒和易老化等弱點(diǎn)。

1)彈性和塑性

從表6-2可以看出，高分子化合物的玻璃化溫度Tg低于室溫而黏流化溫度Tf高于室溫時(shí)，它處于高彈態(tài)，用作材料時(shí)可以有彈性；當(dāng)Tg高于室溫時(shí)，高分子化合物處于玻璃態(tài)，用作材料時(shí)可做塑料。

2)機(jī)械性能

高分子化合物的機(jī)械性能指標(biāo)主要有機(jī)械強(qiáng)度、剛性以及沖擊強(qiáng)度等。高分子化合物的平均相對(duì)分子質(zhì)量的增大，有利于增加分子鏈間的作用力，可使拉伸強(qiáng)度與沖擊強(qiáng)度等有所提高。當(dāng)相對(duì)分子質(zhì)量超過一定值后，不但拉伸強(qiáng)度變化不大，而且會(huì)使Tf升高而不利于加工，但其沖擊強(qiáng)度有時(shí)會(huì)繼續(xù)增大。

3)電絕緣性和抗靜電性

組成高分子化合物的化學(xué)鍵絕大多數(shù)是共價(jià)鍵，高分子一般不存在自由電子和離子，因此高分子材料通常是很好的絕緣體，可用作絕緣材料。

兩種電性不同的物體相互接觸或摩擦?xí)r，會(huì)產(chǎn)生靜電現(xiàn)象。對(duì)于高分子材料，一般是不導(dǎo)電的絕緣體，電荷不易漏導(dǎo)，靜電現(xiàn)象極普遍，可被應(yīng)用于靜電印刷、油漆噴涂和靜電分離等。當(dāng)靜電妨礙了人們的生產(chǎn)和生活時(shí)，常用抗靜電劑來消除靜電。6.1.2工程塑料的組成

塑料是以合成樹脂為主要成分的有機(jī)高分子材料。一般塑料可分為簡(jiǎn)單組分和多組分兩類。簡(jiǎn)單組分的塑料是由一種樹脂組成，如聚四氟乙烯等；也可加入少量著色劑、潤滑劑等，如聚苯乙烯、有機(jī)玻璃等。多組分的塑料是由多種組分組成，除樹脂外，還要加入其他添加劑，如酚醛塑料、環(huán)氧塑料等。

1.工程塑料的定義

(1)廣義：凡可作為工程材料即結(jié)構(gòu)材料的塑料，稱為工程塑料。

(2)狹義：具有某些金屬性能，能承受一定的外力作用，并有良好的機(jī)械性能、電性能和尺寸穩(wěn)定性，在高、低溫下仍能保持其優(yōu)良性能的塑料，稱為工程塑料。

2.工程塑料的組成及主要作用

1)合成樹脂

合成樹脂即人工合成線型高聚物，是塑料的主要成分(約40%～100%)，主要起黏結(jié)作用，能將其他組分膠結(jié)在一起組成一個(gè)整體，使塑料具有成型性能。合成樹脂對(duì)塑料的類型、性能和應(yīng)用起決定作用。

2)添加劑

添加劑是為了改善塑料的使用性能或成型工藝性能而加入的其他輔助成分，各種添加劑使塑料的應(yīng)用更廣泛。

(1)填充劑(填料)。填充劑主要起增強(qiáng)作用，可以提高塑料的力學(xué)性能、熱學(xué)性能、電學(xué)性能和降低成本。如加入鋁粉可提高對(duì)光的反射能力和防老化，加入二硫化鉬可提高自潤滑性，加入云母粉可提高電絕緣性，加入石棉粉可提高耐熱性能等。加入塑料的填充劑應(yīng)易被樹脂潤濕，與樹脂形成良好的黏附，性能穩(wěn)定，來源廣泛，價(jià)格低廉。常用填充劑有無機(jī)填料(如滑石粉、石墨粉、云母、玻璃纖維、玻璃布等)和有機(jī)填料(如木粉、木片、棉布、棉花、紙等)。

(2)增塑劑。增塑劑用于提高塑料的可塑性和柔軟性，主要是液態(tài)或低熔點(diǎn)固體有機(jī)化合物，如甲酸酯類、磷酸酯類、氧化石蠟等。

(3)固化劑。固化劑的作用是與樹脂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在聚合物中生成橫跨鏈，形成不溶的三維交叉聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使樹脂在成型時(shí)，由線型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu)，形成堅(jiān)硬的塑料。固化劑及其用量的選用要根據(jù)塑料的品種和加工條件來選擇，如環(huán)氧樹脂常用乙二胺，酚醛樹脂常用六次甲基四胺等胺類化合物。

(4)穩(wěn)定劑。穩(wěn)定劑是為了防止塑料制品老化，提高樹脂在受熱、光、氧化等作用時(shí)的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)其壽命而加入的少量物質(zhì)。穩(wěn)定劑應(yīng)具有耐油、耐水、耐化學(xué)藥品、能與樹脂相溶、成型時(shí)不分離等特性。包裝食品的塑料制品還應(yīng)注意選擇無毒無味的穩(wěn)定劑。

(5)著色劑。著色劑使塑料制品具有各種美麗的色澤以滿足使用要求。一般要求著色劑應(yīng)具有色澤鮮明、著色力強(qiáng)、不易變色、性能穩(wěn)定、耐溫及耐光性強(qiáng)的性能。著色劑包括有機(jī)染料和無機(jī)顏料。

(6)潤滑劑。潤滑劑是使塑料在加工成型時(shí)易于脫模和表面光亮美觀而加入的少量物質(zhì)。常用的潤滑劑有硬脂酸及其鹽類、硬脂酸鈣等。

(7)抗靜電劑。塑料在加工和使用過程中由于摩擦而容易帶靜電，尤其在高速加工時(shí)，這種靜電嚴(yán)重時(shí)會(huì)妨礙正常的生產(chǎn)和安全，有時(shí)會(huì)因靜電集塵而導(dǎo)致塑料中混入塵埃而降低塑料制品的性能和價(jià)值。因此，加入抗靜電劑可以提高塑料表面的電導(dǎo)率，使塑料能迅速放電，防止靜電積聚。

(8)其他添加劑。為了保證塑料的使用性能和良好的加工性能，往往加入一些其他成分，如防老化劑、發(fā)泡劑、阻燃劑等。6.1.3塑料的分類和性能

1.塑料的分類

塑料的種類很多，分類方法也很多，主要的分類方法如下：

(1)按塑料的應(yīng)用范圍來分，可以分為通用塑料、工程塑料和功能塑料。

①通用塑料。通用塑料主要指產(chǎn)量大、用途廣、價(jià)格低的聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料等幾大品種，它們約占塑料總產(chǎn)量的75%以上，主要用于制作一般普通的機(jī)械零件和日常用品。

②工程塑料。工程塑料指在工程技術(shù)中用作機(jī)械構(gòu)件或結(jié)構(gòu)材料的塑料。這種塑料具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，或具有耐高溫、耐腐蝕、耐輻射等特殊性能。常用的工程塑料有聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、ABS塑料等。

工程塑料又可分為通用工程塑料和特種工程塑料。

通用工程塑料包括聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚苯醚(PPO)、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBTP)及其改性產(chǎn)品。特種工程塑料(高性能工程塑料)為耐高溫、結(jié)構(gòu)材料，包括聚砜(PSF)、聚酰亞胺(PI)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚砜(PES)、聚芳酯(PAR)、聚酰胺酰亞胺(PAI)、聚苯酯、聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚酮類、離子交換樹脂、耐熱環(huán)氧樹脂。

③功能塑料。功能塑料指具有耐輻射、超導(dǎo)電、導(dǎo)磁和感光等特殊功能，能滿足特殊使用要求的塑料，如醫(yī)用塑料、導(dǎo)電塑料、氟塑料、有機(jī)硅塑料等。

(2)按塑料的受熱行為來分，可以分為熱塑性塑料和熱固性塑料。

①熱塑性塑料。這類塑料的合成樹脂為線型結(jié)構(gòu)分子鏈，是聚合反應(yīng)的結(jié)果。塑料加熱會(huì)軟化并熔融，成為可流動(dòng)的黏稠液體，冷卻后會(huì)凝固、變硬并保持即得形狀，此過程可以反復(fù)進(jìn)行。因此這種樹脂可多次熔融，化學(xué)結(jié)構(gòu)保持不變，性能也基本保持不變，是一種可再生、再加工的材料。這類塑料有聚乙烯、聚酰胺(尼龍)、聚甲基丙烯酸甲酯(有機(jī)玻璃)、聚四氟乙烯(塑料王)、聚砜、聚氯醚、聚碳酸酯等。

②熱固性塑料。這類塑料的合成樹脂為密網(wǎng)型結(jié)構(gòu)分子鏈，是縮聚反應(yīng)的結(jié)果。固化前這類塑料在常溫或受熱后軟化，樹脂分子呈線型結(jié)構(gòu)，繼續(xù)加熱時(shí)樹脂變成既不熔化也不溶解的體型結(jié)構(gòu)，形狀固定不變。溫度過高時(shí)，分子鏈斷裂，制品分解破壞。這類塑料具有較高的耐熱性與剛性，但脆性大，不能反復(fù)成型與再生利用。這類塑料有酚醛塑料、氨基塑料、環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅塑料等。

(3)按塑料的化學(xué)成分分類，可分為聚氯乙烯類塑料，如聚乙烯、聚苯乙烯、ABS樹脂等；乙烯基塑料，如聚氯乙烯樹脂、聚乙酸乙烯酯等；氟塑料，如聚四氟乙烯樹脂、聚全氟代異丙烯等；有機(jī)硅；酚醛樹脂；環(huán)氧樹脂；聚氨脂等。

2.工程塑料的性能

工程塑料的基本性能主要包括物理、化學(xué)、力學(xué)性能和熱電性能等。下面就工程塑料的性能作一介紹。

1) 密度

工程塑料的密度比鋼鐵材料要小得多，一般只有鋼鐵的1/8~1/4。有的塑料比水還輕，如聚丙烯的密度為(0.9~0.91)g/cm3，低密度聚乙烯的密度為(0.91~0.92591)g/cm3，高密度聚乙烯的密度為0.942g/cm3。塑料的密度都在(0.83~2.3)g/cm3范圍內(nèi)。利用塑料輕的特性，對(duì)于要求自身重量輕的設(shè)備、裝備具有重大的意義。

2) 耐腐蝕性能

塑料對(duì)酸堿等化學(xué)藥品均具有良好的抗腐蝕性能。因此，塑料廣泛地應(yīng)用于化工行業(yè)、制藥行業(yè)、家電行業(yè)、機(jī)械工業(yè)等領(lǐng)域。如聚四氟乙烯塑料能承受各種酸堿的侵蝕，甚至在“王水”中煮沸，也不會(huì)受到侵蝕。

3) 比強(qiáng)度

單位質(zhì)量計(jì)算的強(qiáng)度稱為比強(qiáng)度。塑料的密度比金屬小得多，而比強(qiáng)度要比金屬高。如鋁的比強(qiáng)度為232，銅的比強(qiáng)度為502，鑄鐵為134；而聚苯乙烯的比強(qiáng)度為394，尼龍66的比強(qiáng)度為640。

4) 彎曲強(qiáng)度

彎曲強(qiáng)度是指材料抗彎曲斷裂的能力。如ABS塑料彎曲強(qiáng)度為52MPa，玻璃纖維布層壓塑料可高達(dá)350MPa。

5) 沖擊強(qiáng)度

對(duì)塑料施加沖擊載荷使之破壞的應(yīng)力，以單位斷裂面積所消耗的能量大小來表示，單位為J/cm2。如ABS塑料在25℃的缺口沖擊強(qiáng)度為8J/cm2，而木粉填料的酚醛塑料僅為(0.4～0.6)J/cm2。

6) 剪切強(qiáng)度

剪切強(qiáng)度是指材料抵抗剪切應(yīng)力的能力或被剪斷時(shí)的應(yīng)力。玻璃纖維布增強(qiáng)塑料層壓板的剪切強(qiáng)度可達(dá)80～170MPa。

7)電絕緣性能

在常溫及一定溫度范圍內(nèi)塑料具有良好的絕緣性能。不僅在低頻低壓下，而且在高頻高壓下，有些塑料仍能作為絕緣材料和電容器介質(zhì)材料，介電損耗小，耐電弧性能優(yōu)良。

8)擊穿強(qiáng)度

任何介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，當(dāng)電場(chǎng)電壓超過某一臨界值時(shí)，通過介質(zhì)的電流會(huì)急劇增大，即介質(zhì)由絕緣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電態(tài)而失去絕緣性能，這種現(xiàn)象稱為介質(zhì)的擊穿。該臨界電壓值稱為擊穿電壓。單位厚度介質(zhì)發(fā)生擊穿時(shí)的電壓稱為擊穿強(qiáng)度。塑料的擊穿強(qiáng)度都較高，如熱塑性塑料的擊穿強(qiáng)度在(15～40)kV/mm。

9)耐熱性

塑料的耐熱性常用馬丁耐熱溫度表示。馬丁耐熱溫度是指將標(biāo)準(zhǔn)試樣(120mm×15mm×10mm)按水平方向放置，夾持一端，在另一端加靜彎曲力矩，在5MPa彎曲應(yīng)力作用下慢慢升溫，當(dāng)試樣末端彎曲到規(guī)定的變形量時(shí)的溫度，以攝氏溫度(℃)表示。

熱塑性塑料的馬丁溫度一般在100℃以下，玻璃增強(qiáng)塑料的熱塑料的馬丁溫度可提高到100℃以上，少數(shù)可達(dá)150℃以上(聚砜)。熱固性塑料的馬丁溫度一般比熱塑性塑料高；有機(jī)硅塑料的馬丁溫度高達(dá)300℃。

10)導(dǎo)熱性

塑料的導(dǎo)熱性很差，導(dǎo)熱系數(shù)只有(0.23～0.70)W/(m·K)，而鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為52W/(m·K)，可見差別很大。

11)耐磨性

塑料的摩擦系數(shù)小，有的塑料可以在完全無潤滑的條件下工作。如聚四氟乙烯、尼龍等自身就有潤滑性能。

12)線膨脹系數(shù)

塑料的線膨脹系數(shù)較大，一般為金屬的3～10倍。如高密度聚乙烯的線膨脹系數(shù)為11～13×10－5/K，而低密度聚乙烯為(16～18)×10－5/K。塑料具有很多優(yōu)良性能，但塑料也存在缺點(diǎn)和不足。如機(jī)械強(qiáng)度、剛度、硬度不如金屬材料，導(dǎo)熱性能差，高溫性能差，還易燃和易熔，在受到紫外線長(zhǎng)期照射會(huì)發(fā)生變色和老化現(xiàn)象，有的塑料不耐某些有機(jī)溶劑等。因此，在塑料的選用中，要充分考慮塑料的特性，做到合理選材。6.1.4常用的工程塑料

工程塑料相對(duì)于金屬來說，具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、電絕緣性能好、透光、隔熱、消音、吸震等優(yōu)點(diǎn)，也有強(qiáng)度低、耐熱性差、容易蠕變和老化等缺點(diǎn)。不同類型的工程塑料有著各自不同的性能特點(diǎn)。表6-3列出了工業(yè)上常用的工程塑料的性能、特點(diǎn)和用途。表6-3常用工程塑料的性能、特點(diǎn)和用途續(xù)表

續(xù)表

塑料成型是將樹脂和各種添加劑的混合物作為原料，制成具有一定形狀和尺寸的制品的工藝過程。由于工程塑料的品種繁多，性能差異較大，因而塑料的成型方法很多。常用的成型方法主要有注射成型、擠壓成型、壓制成型、壓延成型、吹塑成型、發(fā)泡成型、澆注成型和纏繞成型等。絕大多數(shù)塑料成型是將塑料通過加熱使其處于黏流態(tài)或高彈態(tài)成型，并隨后冷卻硬化，獲得各種形狀的塑料制品。6.2工程塑料成型工藝塑料制品性能的優(yōu)劣，既與選用的塑料品種、組成、結(jié)構(gòu)和性能有關(guān)，也與成型方法和具體工藝條件等因素有關(guān)。在選擇塑料的成型方法時(shí)，首先應(yīng)考慮塑料的成型工藝性能以及各種塑料對(duì)成型方法的適應(yīng)性(表6-4列出了常用工程塑料對(duì)成型方法的適應(yīng)性)；同時(shí)也應(yīng)考慮各種成型方法的特點(diǎn)和工藝條件，以生產(chǎn)出使用性能優(yōu)良的塑料制品。表6-4常用工程塑料對(duì)成型方法的適應(yīng)性6.2.1塑料成型的工藝性能

塑料成型過程中塑料所表現(xiàn)出的性能稱為塑料成型的工藝性能。塑料成型的工藝性能的好壞直接影響塑料成型加工的難易程度和塑料制品的質(zhì)量?jī)?yōu)劣，同時(shí)還影響生產(chǎn)效率和能量的消耗大小等。

1.流動(dòng)性及影響因素

塑料在一定的溫度與壓力下填充模腔的能力稱為流動(dòng)性，它與鑄造合金流動(dòng)性的概念相似。塑料的流動(dòng)性是影響塑料填充模具型腔獲得完整制品的主要因素。在塑料成型過程中，塑料應(yīng)具有適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性。如流動(dòng)性最大的具有線型分子結(jié)構(gòu)且很少或沒有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的樹脂，由于流動(dòng)性太好，注射成型時(shí)容易形成“溢邊”缺陷。這時(shí)應(yīng)在樹脂中加入某些填料，以降低樹脂的流動(dòng)性，消除“溢邊”現(xiàn)象。有的塑料流動(dòng)性較差，成型過程比較困難，可以通過加入潤滑劑和增塑劑提高和增加塑料的流動(dòng)性。影響塑料流動(dòng)性的主要因素包括塑料的性質(zhì)、聚合物分子量的大小和結(jié)構(gòu)、塑料中的各種添加劑、溫度和壓力等。

1)聚合物分子量和結(jié)構(gòu)的影響

聚合物的分子量作為塑料的固有特性而影響流動(dòng)性。聚合物的分子量越大，纏結(jié)程度越嚴(yán)重，流動(dòng)時(shí)所受的阻力越大，則聚合物的黏度大、流動(dòng)性越差。不同的成型方法對(duì)聚合物的流動(dòng)性要求不同，因此對(duì)聚合物的分子量要求也會(huì)不同。注射成型要求塑料的流動(dòng)性好，可采用分子量低的聚合物；擠壓成型塑料流動(dòng)性較差，可采用分子量較高的聚合物；中空吹塑成型可采用中等分子量的聚合物。聚合物的分子結(jié)構(gòu)在成型過程中一般都處于黏流態(tài)和高彈態(tài)，由于黏流態(tài)分子的動(dòng)能增加，分子的移動(dòng)更加容易，聚合物的流動(dòng)性增加，有利于成型過程進(jìn)行。高彈態(tài)聚合物對(duì)塑料的吹塑成型具有重要的意義。

2)各種添加劑的影響

塑料中的各種添加劑對(duì)流動(dòng)性的影響有著不同的作用。有的添加劑的加入會(huì)使流動(dòng)性增加，而有的添加劑會(huì)使流動(dòng)性降低。因此根據(jù)不同成型方法對(duì)流動(dòng)性的要求不同，可以通過加入不同的添加劑來調(diào)整流動(dòng)性。

3)溫度的影響

升高溫度可使塑料的樹脂的黏度降低，流動(dòng)性增加。但是在塑料成型中不能僅靠提高溫度來提高其流動(dòng)性，必須將塑料加熱到合適的溫度范圍來成型。這是因?yàn)椴煌芰系牧鲃?dòng)性對(duì)溫度有不同的敏感性。有的塑料對(duì)溫度不敏感，大幅度提高溫度對(duì)塑料的流動(dòng)性提高有限，反而會(huì)因溫度過高引起樹脂的降解和分解，從而引起塑料制品的質(zhì)量降低；有的塑料對(duì)溫度非常敏感(如聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯和聚酰胺66等)，在成型過程中可以通過升溫來降低黏度，提高其流動(dòng)性，但是對(duì)這種塑料在成型過程中要嚴(yán)格控制成型溫度，因?yàn)槲⑿〉臏囟炔▌?dòng)會(huì)引起流動(dòng)性的較大變化，使生產(chǎn)過程不穩(wěn)定，塑料制品的質(zhì)量難以保證。

熱塑性塑料的流動(dòng)性用熔融指數(shù)(也稱熔融流動(dòng)率)表示，熔融指數(shù)越大，流動(dòng)性就越好。熔融指數(shù)與塑料的黏度有關(guān)，黏度愈小，熔融指數(shù)愈大，塑料的流動(dòng)性也愈好。常用塑料的流動(dòng)性大致可分為以下三類：

(1)流動(dòng)性好：尼龍、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、醋酸纖維素等。

(2)流動(dòng)性中：改性聚苯乙烯、ABS、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲醛、氯化聚醚等。

(3)流動(dòng)性差：聚碳酸酯、硬聚氯乙烯、聚苯醚、聚砜、聚芳砜、氟塑料等。

4)剪切速率及壓力的影響

剪切速率對(duì)聚合物的黏度有較大影響，一般聚合物的黏度隨著剪切應(yīng)力的增加而降低，從而提高其流動(dòng)性。但不同的聚合物熔體對(duì)剪切作用的敏感程度不同。壓力對(duì)聚合物熔體的黏度也有明顯的影響，隨著壓力的增大，聚合物熔體的黏度升高，有時(shí)黏度竟能增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，因而在塑料的成型過程中不能單純靠提高壓力來提高塑料的流量。因此，在使用螺桿式注塑機(jī)成型塑料時(shí)，通過選擇一定螺距的螺桿并控制螺桿的轉(zhuǎn)速來達(dá)到控制剪切速率和壓力，使塑料具有合適的流動(dòng)性。2.收縮性

塑料在成型和冷卻過程中發(fā)生體積縮小的特性(發(fā)泡制品除外)稱為收縮性。這種收縮性可用收縮率k來表示：

式中：k表示塑料收縮率；Lm表示模具在室溫時(shí)的尺寸，單位為mm；L1表示塑件在室溫時(shí)的尺寸，單位為mm。不同塑料的收縮率不同，如PVC塑料的收縮率在0.1%～0.5%，POM塑料的收縮率在0.9%～1.2%。但塑料的收縮率還與成型方法、制品的幾何尺寸和成型的工藝條件有關(guān)。由于影響收縮性的因素較多，要精確確定成型時(shí)的收縮率較困難。在設(shè)計(jì)成型模時(shí)，通常是先初步估計(jì)塑料的收縮率，以此進(jìn)行模具設(shè)計(jì)、制造，再試模，對(duì)收縮率加以調(diào)整，對(duì)模具尺寸加以修正，最后得出符合塑料制品尺寸要求的模具型腔尺寸。

3.吸濕性

有的塑料樹脂因含有極性基團(tuán)，極易吸濕或黏附水分，如ABS、有機(jī)玻璃、聚酰胺、尼龍等；有的塑料樹脂是非極性基團(tuán)，幾乎不吸水也不黏附水分，如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。我們把塑料樹脂及其添加劑對(duì)水分的敏感程度稱為吸濕性。吸濕性大的塑料在成型過程中往往會(huì)產(chǎn)生如外觀水跡、表面粗糙、制品內(nèi)有水泡、強(qiáng)度下降和黏度下降等缺陷。因此，在塑料成型前，必須對(duì)塑料樹脂及其添加劑進(jìn)行干燥處理。

4.結(jié)晶性

對(duì)于結(jié)晶塑料在成型過程中發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象的性質(zhì)稱為結(jié)晶性。成型工藝條件對(duì)結(jié)晶塑料制品的性能具有很大的影響。如成型時(shí)料筒、模具的溫度高且熔融物料的冷卻速度慢，則結(jié)晶條件好，制品的結(jié)晶度大，其密度、硬度和剛度高，拉伸、彎曲、耐腐蝕性、耐磨性和導(dǎo)電性能好；反之，結(jié)晶度小，其柔軟性、透明性、耐折性好，沖擊強(qiáng)度提高，伸長(zhǎng)率提高。因此，控制塑料的結(jié)晶度，可以獲得不同性能的塑料。

5.熱敏性和水敏性

熱敏性是指塑料對(duì)熱較為敏感，在高溫下受熱時(shí)間較長(zhǎng)或進(jìn)料口截面過小，剪切作用大時(shí)，料溫增高而易發(fā)生變色、解聚、分解的傾向，具有這種特性的塑料稱之為熱敏性塑料。如聚甲醛、聚氯乙烯塑料的熱敏性突出。因此，對(duì)這類塑料在成型加工時(shí)，必須嚴(yán)格控制成型溫度和周期，在塑料中加入穩(wěn)定劑以保證成型加工條件，使制品具有要求的特性。

水敏性是指塑料對(duì)水降解的敏感性，也稱吸濕性。水敏性高的塑料，在成型過程中由于高溫高壓，使塑料產(chǎn)生水解或使塑件產(chǎn)生氣泡、銀絲等缺陷。因此塑料在成型前要干燥除濕，并嚴(yán)格控制水分。

6．毒性、刺激性和腐蝕性

有些塑料在加工時(shí)會(huì)分解出有毒性、刺激性和腐蝕性的氣體。例如，聚甲醛會(huì)分解產(chǎn)生刺激性氣體甲醛，聚氯乙烯及其衍生物或共聚物分解出既有刺激性又有腐蝕性的氯化氫氣體。成型加工上述塑料時(shí)，必須嚴(yán)格掌握工藝規(guī)程，防止有害氣體危害人體和腐蝕模具及加工設(shè)備。6.2.2注射成型及其工藝條件

1.注射成型的原理和特點(diǎn)

注射成型又稱注塑成型，是塑料成型的主要方法之一，主要適用于熱塑性塑料和部分流動(dòng)性好的熱固性塑料。注射成型周期短，一次成型僅需30s～260ｓ，生產(chǎn)率高，模具的利用率高，能成型幾何形狀復(fù)雜、尺寸精度高和帶有各種鑲嵌件的塑料制品，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，制品的一致性好，幾乎不需要加工，適應(yīng)性強(qiáng)；但成型設(shè)備昂貴。注射成型原理如圖6-5所示。注射成型所采用的設(shè)備為注射機(jī)，它主要由料斗、料筒、加熱器、螺桿(或柱塞)、噴嘴和注塑模具構(gòu)成。塑料成型時(shí)，將顆粒狀或粉狀塑料原料倒入料斗內(nèi)，在重力和螺桿旋轉(zhuǎn)(或柱塞)推送下，原料進(jìn)入料筒內(nèi)，在料筒內(nèi)物料被加熱至黏流態(tài)，然后使熔融物料以高壓高速經(jīng)噴嘴注射到塑料成型模具內(nèi)，經(jīng)一定的時(shí)間，完全冷卻、定型、固化成型，開啟模具，制品脫模。

圖6-5注射成型原理(a)加料；(b)熔融塑化；(c)施壓注射；(d)制品脫模注射成型過程可分為加料、熔融塑化、施壓注射、沖模冷卻、制品脫模等五個(gè)步驟。

注射設(shè)備有螺桿式和柱塞式兩種形式。它們的共同特點(diǎn)為：①加熱塑料至黏流狀態(tài)；②對(duì)黏流態(tài)的塑料熔體施加壓力，使其射出并充滿模具型腔。螺桿式注塑機(jī)具有加熱均勻、原料混合和塑化均勻、溫度和壓力易控制、注射量大等優(yōu)點(diǎn)。因此，螺桿式注塑機(jī)是注射成型的首選設(shè)備。而柱塞式注塑機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，注射量小，適用于小型塑料制品的生產(chǎn)。注射成型過程所需的成型工具就叫注射模，注塑模的設(shè)計(jì)與制造是保證塑料制品形狀、尺寸及塑料制品質(zhì)量的關(guān)鍵。由于塑料制品的形狀和尺寸、適用場(chǎng)合千差萬別，使注塑模的大小、結(jié)構(gòu)和復(fù)雜程度差別很大。但典型的注塑模由澆注系統(tǒng)、成型零件、導(dǎo)向零件、脫模頂出機(jī)構(gòu)、抽芯機(jī)構(gòu)、加熱冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和其他結(jié)構(gòu)零件等幾部分組成。圖6-6為注塑模的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其澆注系統(tǒng)由主流道、分流道、澆口等組成；導(dǎo)向零件由導(dǎo)合釘和承壓柱組成；脫模頂出機(jī)構(gòu)由脫模板、脫模桿和回頂桿等組成；冷卻系統(tǒng)由冷卻劑通道組成。

圖6-6注塑模的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.注射成型的工藝條件

注射成型過程中，主要控制的工藝參數(shù)有溫度、壓力和時(shí)間等。正確地控制工藝參數(shù)是成型過程順利進(jìn)行的條件。對(duì)于易吸濕的塑料，在注射成型前必須進(jìn)行干燥處理，以防止塑料制品發(fā)生氣泡、霧濁、透明度差等缺陷。

1)溫度的控制

在注射成型過程中，溫度的控制是非常重要的，主要是控制料筒、噴嘴和模具三個(gè)部分的溫度。

(1)料筒溫度。應(yīng)使物料從室溫加熱到黏流態(tài)，使物料充分塑化，獲得一定的流動(dòng)性，且物料不分解。一般料筒溫度是分布不均勻的，遵循“前高后低”的原則。料筒的最高溫度必須嚴(yán)格控制在塑料所要求的范圍內(nèi)。

(2)噴嘴溫度。噴嘴溫度一般比料筒溫度稍低，但不能過低。這樣既可減少熔融物料在噴嘴處流散，又可防止冷凝料進(jìn)入模腔或堵塞噴嘴。

(3)模具溫度。對(duì)于結(jié)晶性塑料，必須嚴(yán)格控制模具溫度。為了使結(jié)晶塑料在成型過程中得到充分的結(jié)晶，提高其結(jié)晶度，較高的模具溫度使物料成型后冷卻速度變慢，有利于充分結(jié)晶，可獲得結(jié)晶度高、表面光澤好、力學(xué)性能優(yōu)良的制品。同時(shí)，為了使塑料熔體易定型和制品脫模，模具溫度應(yīng)保持恒溫。因?yàn)榻Y(jié)晶性塑料在熔點(diǎn)前后比容變化很大，收縮率比非結(jié)晶塑料大，所以成型制品易變形，壁厚制品易產(chǎn)生凹陷。因此，模具溫度和模具設(shè)計(jì)都必須考慮使制品各個(gè)部位均勻的結(jié)晶化。對(duì)于非結(jié)晶性塑料模具溫度控制不嚴(yán)格，只要使制品各部位均勻地冷卻固化即可。

2)壓力的控制

注射成型的壓力分為塑化壓力和注射壓力，它們是對(duì)物料的塑化和充模成型質(zhì)量影響非常大的因素之一。

塑化壓力是指注射機(jī)工作時(shí)物料塑化過程中所需要的壓力。單螺桿往復(fù)式注射機(jī)主要通過控制螺桿的轉(zhuǎn)速，使螺桿對(duì)物料的旋轉(zhuǎn)作用獲得塑化壓力。選擇合適的螺桿轉(zhuǎn)速，能使物料達(dá)到較高的塑化效率。

注射壓力是指在注射成型時(shí)，螺桿或柱塞的頭部對(duì)物料所施加的壓力。注射壓力的大小和保壓時(shí)間直接影響熔融物料充模和制品的性能。選擇合適的注射壓力及保壓時(shí)間，使熔融物料克服流動(dòng)阻力充滿模腔，并在保壓的過程中使模腔內(nèi)物料冷卻的收縮量得到補(bǔ)充，最后獲得幾何形狀完整的制品。

3) 成型周期

成型周期是指完成一次注射成型過程所需要的時(shí)間。它包括注射時(shí)間、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間和起模時(shí)間等。

一般注射充模時(shí)間為3s～10s，保壓時(shí)間為20s～120s，當(dāng)制品很厚時(shí)，這個(gè)時(shí)間延長(zhǎng)到數(shù)分鐘或更長(zhǎng)，視制品的厚度而定。

冷卻時(shí)間指注射完成到開啟模具的時(shí)間，一般約30s～120s。這應(yīng)根據(jù)制品厚度、冷卻速度和模具溫度而定，并以制品脫模不變形、制品性能不受影響等經(jīng)驗(yàn)來確定。制品成型過程中，在保證質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡量縮短成型周期，以降低生產(chǎn)成本，提高設(shè)備的利用率和生產(chǎn)率。

常用塑料的注射成型工藝條件列于表6-5中。表6-5常用塑料的注射成型工藝條件6.2.3擠出成型及其工藝條件

1.擠出成型的原理及特點(diǎn)

擠出成型是塑料制品加工中最常用的成型方法之一，它具有生產(chǎn)效率高、可加工的產(chǎn)品范圍廣等特點(diǎn)。它可將大多數(shù)熱塑性塑料加工成各種斷面形狀的連續(xù)狀制品，如塑料管、棒、板材、薄膜、單絲、異型材以及金屬涂層、電纜包層、中空制品、半成品加工——造粒等。用于擠出成型的設(shè)備叫作擠出機(jī)，如圖6-7所示。

圖6-7擠出機(jī)的結(jié)構(gòu)擠出成型工藝原理是，物料由加料斗進(jìn)入擠出機(jī)料筒被熔融，由擠出螺桿在一定壓力作用下將熔融物料擠入機(jī)頭口模，利用機(jī)頭口模使塑料成型為一定形狀，再經(jīng)冷卻、固化，制成同一截面的連續(xù)型材。改變機(jī)頭口模的截面形狀，可獲得不同截面的型材。擠出成型過程大致可分為三個(gè)階段：

第一階段是原料的塑化，即通過擠出機(jī)的加熱和混煉，使固態(tài)原料變成均勻的黏性流體。

第二階段是成型，即在擠出機(jī)擠壓部件(機(jī)筒和螺桿)的作用下，使熔融的物料以一定的壓力和速度連續(xù)地通過成型機(jī)頭，從而獲得一定斷面形狀。

第三階段是定型，通過冷卻等方法使熔體已獲得的形狀固定下來，并變成固體狀態(tài)。擠出成型的主要優(yōu)點(diǎn)：能連續(xù)生產(chǎn)等截面的長(zhǎng)件制品；容易與同類材料或異型材料復(fù)合成型(如塑料電線)；可進(jìn)行自動(dòng)化大批量生產(chǎn)；工藝過程容易控制；產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，致密；無澆口、澆道和毛邊等廢料；設(shè)備簡(jiǎn)單，投資小，占地面積??；口模簡(jiǎn)單等。

擠出成型的主要缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜的截面形狀難以成型生產(chǎn)。

擠出成型的設(shè)備有螺桿式和柱塞式兩種擠出機(jī)及其輔助設(shè)備。螺桿式擠出機(jī)的擠壓過程是連續(xù)進(jìn)行，而柱塞式擠出機(jī)的擠出過程是間歇進(jìn)行。一般螺桿式擠出機(jī)的擠出壓力小于柱塞式擠出機(jī)，當(dāng)塑料的黏度大、流動(dòng)性差時(shí)，成型需要較大的壓力，可選用柱塞式擠出機(jī)。對(duì)于大多數(shù)塑料型材的大批量生產(chǎn)過程多使用螺桿式擠出機(jī)。輔助設(shè)備主要由定型裝置、冷卻裝置、牽引裝置(機(jī))、自動(dòng)定位刀具和卷取機(jī)等組成。由于各種塑料的成型性能差別大，應(yīng)合理選擇擠出機(jī)和輔助設(shè)備。

2.擠出成型的工藝條件

1) 溫度控制

溫度控制是影響塑料塑化和產(chǎn)品特性的關(guān)鍵。擠出機(jī)從加料口到機(jī)頭口模的溫度是逐步升高的，從而保證塑料在料筒內(nèi)充分混合和熔融。生產(chǎn)中機(jī)頭口模的溫度應(yīng)控制在物料的流動(dòng)溫度和分解溫度之間的范圍內(nèi)。在保證物料不分解的前提下，提高溫度有利于生產(chǎn)率的提高。在成型過程中，根據(jù)不同的物料和具體的操作工藝來確定最佳的溫度。

2) 螺桿的轉(zhuǎn)速和機(jī)頭壓力

螺桿的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了擠出機(jī)的產(chǎn)量并影響熔融物料通過機(jī)頭口模的壓力和產(chǎn)品質(zhì)量，該速度取決于螺桿和擠出制品的幾何形狀及尺寸。增加螺桿轉(zhuǎn)速可提高擠出機(jī)的產(chǎn)量；同時(shí)，由于螺桿對(duì)物料的剪切作用增強(qiáng)，可提高物料的塑化效果，改善制品的質(zhì)量。但螺桿轉(zhuǎn)速不是越高越好，如果轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)不當(dāng)，會(huì)使制品表面粗糙，產(chǎn)生表面缺陷，影響外觀質(zhì)量。應(yīng)根據(jù)具體情況，調(diào)整螺桿的轉(zhuǎn)速，使螺桿的轉(zhuǎn)速和機(jī)頭口模壓力達(dá)到最佳值，既保證制品的質(zhì)量，又獲得較高的產(chǎn)量。3)牽引速度

牽引速度和擠出速度的配合是保證擠出過程連續(xù)進(jìn)行的必要條件。在擠出成型過程中，物料從機(jī)頭口模擠出時(shí)會(huì)發(fā)生出模膨脹現(xiàn)象，如圖6-8所示。因此，物料出模后常會(huì)被牽引到等于或小于口模的尺寸，這樣，型材的尺寸應(yīng)按比例縮小到與牽引斷面相同的程度。因?yàn)槲锪蠣恳潭扔兴顒e，所以牽引工藝就成為型材產(chǎn)生誤差的根源，為此需要通過改進(jìn)口模和增加定型裝置來予以糾正。牽引速度的確定，一般是通過牽引速度與擠出速度、口模和定型裝置的配合試驗(yàn)來確定的。合適的牽引速度會(huì)使制品尺寸穩(wěn)定、表面光潔、制品質(zhì)量高。

圖6-8物料出模膨脹示意圖6.2.4壓制成型及其工藝條件

1.壓制成型的原理及特點(diǎn)

壓制成型又稱壓塑成型、模壓成型，是塑料成型加工中較傳統(tǒng)的工藝方法，主要用于熱固性塑料的加工。壓制成型主要分為模壓法和層壓法兩種，如圖6-9所示。

模壓法是將樹脂和其他添加劑混合料放置于金屬模具中加熱加壓，塑料在熱和壓力的作用下熔融、流動(dòng)并充滿模膛，樹脂與固化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，經(jīng)一定時(shí)間固化成為一定形狀的制品。

圖6-9壓制成型原理示意圖(a)模壓法；(b)層壓法層壓法是將紙張、棉布、玻璃布等片狀材料在塑料樹脂中浸泡，涂掛樹脂后一張一張疊放成需要的厚度，放在層壓機(jī)上加熱加壓，經(jīng)一定時(shí)間后，樹脂固化，相互黏結(jié)成型的工藝。該方法主要適用于增強(qiáng)塑料板材、棒、管材等。

壓制成型的主要特點(diǎn)：設(shè)備和模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少，可生產(chǎn)大型制品，尤其是具有較大平面的平板類制品；工藝條件容易控制；制品收縮量小，變形小，性能均勻；但成型周期長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，較難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。壓塑成型模具如圖6-10所示，與注射模不同的是，壓塑模沒有澆注系統(tǒng)，只有一段加料室，這是型腔的延伸和擴(kuò)展。注射成型時(shí)模具處于閉合狀態(tài)成型，而壓塑模成型是靠凸模對(duì)凹模中的原料施加壓力，使塑料在型腔內(nèi)成型的。壓塑模成型零件的強(qiáng)度要比注射模高。

圖6-10壓塑模結(jié)構(gòu)

2.壓制成型的工藝條件

1)壓制溫度控制

壓制溫度是指壓制成型過程中模具的溫度。壓制溫度越高，物料在模具中的流動(dòng)性越好，易于物料充滿模型。同時(shí)有利于樹脂化學(xué)交聯(lián)固化成型，縮短壓制成型時(shí)間。但溫度不能過高，過高的溫度會(huì)使樹脂固化過快，力學(xué)性能下降，可能引起燒焦、起泡、裂縫等缺陷；過低的溫度則使物料的流動(dòng)性變差，難以充滿模腔，也難以使樹脂固化。

2)壓制壓力

由壓力機(jī)對(duì)塑料所施加的迫使物料充滿型腔并固化的壓力稱為壓制壓力。壓力的作用使物料加速在模腔中的流動(dòng)充型，同時(shí)排出物料化學(xué)反應(yīng)生成的水分及揮發(fā)物等，提高塑料的密實(shí)度，使制品不發(fā)生氣泡、膨脹和裂紋等缺陷。加壓過程使制品的形狀固定，可防止冷卻時(shí)制品的變形。壓力的大小、加壓速度與塑料的種類及其流動(dòng)性、成型溫度、制品的形狀、厚薄等有關(guān)，一般通過試驗(yàn)確定其數(shù)值范圍。

3) 壓制時(shí)間

壓制時(shí)間是指模具閉合、加熱加壓到開啟模具的時(shí)間。加壓時(shí)間的長(zhǎng)短與壓制溫度、壓制壓力、塑料的品種及其固化速度有關(guān)。壓制溫度一定，壓制壓力增加，壓制時(shí)間可縮短。壓力一定，溫度提高，壓制時(shí)間也可縮短。可根據(jù)實(shí)際情況經(jīng)試驗(yàn)確定保證質(zhì)量的最佳時(shí)間。表6-6給出了幾種常用的熱固性塑料的壓制工藝參數(shù)。表6-6常用熱固性塑料的壓塑成型溫度和壓力6.2.5真空成型及其工藝條件

1.真空成型的原理及特點(diǎn)

真空成型也稱吸塑成型，它是將熱塑性塑料板材、片材固定在模具上，用輻射加熱器加熱到軟化溫度，用真空泵(或空壓機(jī))抽取板材與模具之間的空氣，借助大氣壓力使坯材吸附在模具表面，冷卻后再用壓縮空氣脫模，形成所需塑件的加工方法。

真空成型的特點(diǎn)是生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單，效率高，模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能加工大尺寸的薄壁塑件，生產(chǎn)成本低。

2.真空成型方法的種類及其工藝條件

真空成型包括凹模真空成型、凸模真空成型、凹凸模真空成型等。

凹模真空成型方法如圖6-11所示，一般用于要求外表精度較高、成型深度不高的塑件。真空成型產(chǎn)品類型有塑料包裝盒、餐具盒、罩殼類塑件、冰箱內(nèi)膽、浴室鏡盒等。其常用材料有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、ABS、聚碳酸酯等。

圖6-11凹模真空成型(a)開始抽真空；(b)板材變形；(c)成型并冷卻；(d)脫模6.2.6其他成型方法

1.吹塑成型

吹塑成型是先用注射法或擠壓法將處于高彈態(tài)或黏流態(tài)的塑料擠成管狀塑料，擠出的中空管狀塑料不經(jīng)冷卻，將熱塑料管坯移入中空吹塑模具中并向管內(nèi)吹入壓縮空氣，在壓縮空氣作用下，管坯膨脹并貼附在型腔壁上成型，經(jīng)過冷卻后即可獲得薄壁中空制品。圖6-12是吹塑成型的工藝過程。

圖612吹塑成型的工藝過程吹塑成型的工藝過程如下:

配制塑料→塑化塑料→注射(或擠壓)成管坯→從芯模中通入壓縮空氣→管坯吹脹→吹塑模內(nèi)成型→脫出制品

吹塑成型的特點(diǎn)：制品的壁厚均勻，尺寸精度高，成型速度快，生產(chǎn)率高。該方法主要適用于熱塑性塑料的中空型塑料制品的生產(chǎn)。

2.壓延成型

壓延成型是用熱軋輥將已加熱塑化的熱塑性塑料壓延成片材、薄膜等的工藝方法。該方法主要適用于聚氯乙烯塑料板材、薄膜制品的生產(chǎn)，也適用于人造革或塑料墻紙涂層的壓延成型。

壓延成型的工藝過程如下：

配制塑料→塑化塑料→向壓延機(jī)供料→壓延→牽引→冷卻→卷取→切割壓延成型的特點(diǎn)：具有加工能力大、生產(chǎn)速度快、產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)過程連續(xù)、可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)；其主要缺點(diǎn)是設(shè)備龐大，前期投資高，維修復(fù)雜，制品寬度受壓延機(jī)輥筒長(zhǎng)度的限制。

3.發(fā)泡成型

發(fā)泡成型是結(jié)構(gòu)泡沫塑料生產(chǎn)的主要方法。結(jié)構(gòu)泡沫是一種具有整體皮層和泡沫內(nèi)芯的泡沫塑料，由于具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，可以作為結(jié)構(gòu)材料使用，故稱為結(jié)構(gòu)泡沫。結(jié)構(gòu)泡沫產(chǎn)品在工業(yè)零件、汽車零件、包裝、無線電、精細(xì)家具、環(huán)衛(wèi)產(chǎn)品等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。一般結(jié)構(gòu)泡沫制品密度僅為同材質(zhì)實(shí)體塑料密度的70％～80%或更低，如聚苯乙烯結(jié)構(gòu)泡沫的密度為(0.95～1.09)g/cm3(實(shí)體塑料的密度為(1.05～1.07)g/cm3)，絕大多數(shù)工程結(jié)構(gòu)泡沫的密度在(0.65～0.80)g/cm3之間。

4.微發(fā)泡注塑成型

微發(fā)泡注塑成型工藝是一種革新的精密注塑技術(shù),是靠氣孔的膨脹來填充制品,并在較低且平均的壓力下完成制件的成型。首先將超臨界流體(二氧化碳或氮?dú)?溶解到熱融膠中形成單相溶體;然后通過開關(guān)式噴嘴射入溫度和壓力較低的模具型腔,由于溫度和壓力降低引發(fā)分子的不穩(wěn)定性,從而在制品中形成大量的氣泡核,這些氣泡核逐漸長(zhǎng)大生成微小的孔洞。

微發(fā)泡注塑成型的工藝特點(diǎn):突破了傳統(tǒng)注塑的諸多局限,顯著減輕了制件的重量,縮短了成型周期;極大地改善了制件的翹曲變形和尺寸穩(wěn)定性。該工藝主要應(yīng)用于汽車儀表盤、門板、空調(diào)風(fēng)管等。

5.納米注塑成型

納米注塑成型是金屬與塑膠以納米技術(shù)結(jié)合的工法,先將金屬表面經(jīng)過納米化處理后,塑膠直接射出成型在金屬表面,讓金屬與塑膠可以一體成型。該工藝所采用的金屬有鋁、鎂、銅、不銹鋼、鈦、鐵、鍍鋅板、黃銅等,樹脂材料有PPS、PBT、PA6、PA66、PPA等。該工藝主要應(yīng)用于手機(jī)外殼、筆記本電腦外殼等。

納米注塑成型的工藝特點(diǎn):制品具有金屬外觀質(zhì)感;制品機(jī)構(gòu)件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化,讓產(chǎn)品更輕、薄、短、小,且較CNC加工法更具成本效益;降低生產(chǎn)成本并且提高了結(jié)合強(qiáng)度,大幅降低相關(guān)耗材的使用率。

在塑料成型過程中，由于受到許多因素的影響，常會(huì)產(chǎn)生許多成型缺陷，如缺料、凹痕、空洞、氣泡、流痕、分層、翹曲、強(qiáng)度不足和毛刺等。這些缺陷的存在嚴(yán)重影響了塑料制品的質(zhì)量，甚至?xí)顾芰现破烦蔀閺U品。因此，在成型過程中防止各種缺陷的產(chǎn)生是控制塑料制品質(zhì)量的關(guān)鍵。通過分析各種成型缺陷產(chǎn)生的原因，成型缺陷的產(chǎn)生主要受以下幾個(gè)方面的影響：6.3塑料制品的結(jié)構(gòu)工藝性

(1)成型模具設(shè)計(jì)的合理性和制造質(zhì)量。

(2)成型過程中工藝條件的影響。

(3)塑料制品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性等。

本節(jié)主要討論塑料制品的結(jié)構(gòu)對(duì)制品質(zhì)量的影響。在塑料制品的設(shè)計(jì)過程中，合理設(shè)計(jì)塑料制品的結(jié)構(gòu)，不僅可以保證塑料制品的成型質(zhì)量，而且可以提高塑料制品的生產(chǎn)率，降低其生產(chǎn)成本。6.3.1塑料制品壁厚的設(shè)計(jì)

在塑料制品壁厚設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮熱塑性與熱固性塑料成型方法的差別，確定出各種塑料應(yīng)具有的合適的壁厚。

制品壁厚首先取決于使用要求，但是成型工藝對(duì)壁厚也有一定要求。過薄的壁厚使制品的強(qiáng)度低、剛性差，影響其使用，同時(shí)，過薄的壁厚，使充型時(shí)的流動(dòng)阻力加大，會(huì)出現(xiàn)缺料和冷隔等缺陷；壁厚太厚，塑件易產(chǎn)生空洞、氣泡、凹陷等缺陷，同時(shí)也會(huì)增加生產(chǎn)成本。塑件的壁厚應(yīng)盡量均勻一致，避免局部太厚或太薄，尤其是壁與壁連接處的厚薄不應(yīng)相差太大，并且應(yīng)盡量用