【正文】 備 課 講 義課 程 名 稱 塑料模具設計 課 程 編 號 1111610 學 時 學 分 40（4）學時 專 業(yè) 層 次 機械設計制造及其自動化 備 課 教 材 《塑料成型加工與模具》 黃 虹 主編 化工版 2003 授 課 班 級 機自107 授 課 日 期 201136年9～12月 授 課 教 師 卓 榮 明 歸 口 系 部 機械工程系 版 次 03 28 / 29第1章 塑料成型概述1．1 塑料的概念1．1．1 塑料定義塑料是以樹脂為基本成份，在一定條件下可以塑化成形的合成材料。其中 樹脂——高分子化合物，主要由人工合成，又稱為高分子聚合物；一定條件——溫度、壓力、模具、設備等；塑化成形——加熱→流動→成型→定形；合成材料——樹脂、添加劑等。1．1．2 塑料的特性及其用途1．1．2．1 塑料的特性優(yōu)點：1）塑料材料重量輕，～179。；2）具有某些優(yōu)良的機械性能，如比強度高、摩擦系數(shù)小、自潤滑性好、吸震性好等；3）電性能優(yōu)良，如絕緣性能好、介電損耗低等；4）化學穩(wěn)定性高，能耐酸、堿和許多化學藥品的腐蝕；5）光學性能優(yōu)良，如光學塑料的折射率、透光范圍等指標均較好；6）表面裝飾性好，如著色、噴漆、電鍍等性能優(yōu)良；7）成型工藝性能優(yōu)良，加工成本低，經(jīng)濟性好；8）性能可改良性好，通過改性技術改善塑料的性能和用途成為主要發(fā)展方向。缺點：1）耐高溫性差，一般塑料的使用溫度范圍為60～300℃；2）機械性能欠缺，如機械強度、剛性、表面硬度、耐疲勞性等較低；3）尺寸穩(wěn)定性差，如熱膨脹系數(shù)、收縮率、抗蠕變性等性能均不理想；4）耐候性差，如易老化、變色、發(fā)脆等；5）塑料是非綠色材料，對人體、環(huán)境等不良影響成為阻礙其發(fā)展的重要因素。1．1．2．2 塑料的用途塑料的用途是由它的性能及價格等因素決定的。塑料材料被廣泛應用于機械、建筑、電氣、電子、家電、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、日用品等各行各業(yè)，更在現(xiàn)代的航空、航天、軍事技術等尖端科學領域得到了大力的開拓和應用。1．1．3 塑料的發(fā)展簡史及在國民經(jīng)濟中的地位1．1．3．1 塑料的發(fā)展簡史1）初創(chuàng)階段1820年英國人Thomas Hancock發(fā)現(xiàn)經(jīng)過塑煉的橡膠具有可塑性，并能流動，出現(xiàn)了塑性一詞Plastic；1839年美國人Charlas Coodyear發(fā)現(xiàn)橡膠與硫磺一起加熱會使橡膠更富有彈性，并能定型，出現(xiàn)了硫化一詞Vulcanization；1851年出現(xiàn)了有彈性的硬質橡膠，并產(chǎn)生了橡膠工業(yè)。這不僅是橡膠工業(yè)的里程碑，而且也是塑料發(fā)展史上的重要一頁；1856年英國人Alexander Parkes發(fā)現(xiàn)在感光的火棉中，熔劑蒸發(fā)后留下的固體殘渣是一種硬而有彈性的角質物質，并能防水。又于1862年展出了硝化纖維素塑料，為此而被授勛；1865年美國人John Wesley Hyatt用硝化纖維素制成了代替象牙的桌球；1872年正式命名硝化纖維素加樟腦的合成材料為“賽璐珞”。這是通過有機物聚合反應生成的第一種塑料材料，是現(xiàn)代塑料工業(yè)的里程碑。 2）理論和技術發(fā)展階段1872年Adolf Bayer用甲醛反應得到樹脂狀物質；1899年Aithur Smith獲得了關于酚醛樹脂的第一個英國專利（16874號）；1909年Lee Hendrik Baekeland控制和改進反應使得酚醛樹脂成為第一個進入工業(yè)化生產(chǎn)的合成樹脂；1925～1935年間，建立了有關高分子化合物特征和生成的基本理論，從而在有機化學和物理化學的基礎上產(chǎn)生了高分子化學和物理這一新興學科，有力地促進了塑料工業(yè)的發(fā)展。這期間，低密度聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺等熱塑性塑料相繼工業(yè)化，奠定了塑料工業(yè)的基礎。3）飛躍發(fā)展階段1954年，發(fā)現(xiàn)用TiCl3的絡合物作催化劑（齊格勒—納塔催化劑），通過定向聚合可得到優(yōu)良性能的聚合物。這一定向催化聚合工藝的創(chuàng)立、高分子學科的進一步發(fā)展及聚合技術的開拓，使得高密度聚乙烯、聚丙烯進入了工業(yè)化生產(chǎn)。50年代中期～60年代末，石油化工的高速發(fā)展為塑料工業(yè)提供了豐富而廉價的原料，這一階段，塑料的產(chǎn)量和品種不斷增加，成型加工技術更趨完善。4）穩(wěn)定增長階段70年代以來，由于石油危機和資本主義周期性的經(jīng)濟危機，原材料價格猛漲，塑料增長速度顯著下降。這一階段塑料工業(yè)的特點是通過各種改性技術來改進塑料的性能，提高產(chǎn)品的質量，擴大應用領域，生產(chǎn)技術更趨合理。進入90年代以來，塑料工業(yè)向著生產(chǎn)工藝自動化、連續(xù)化，產(chǎn)品系列化，以及不斷開拓功能性塑料的新領域發(fā)展。1．1．3．2 塑料材料在國民經(jīng)濟中的地位高分子學科的創(chuàng)立、石油化工工業(yè)的發(fā)展、成型加工技術的開拓，已使塑料材料躋身于金屬、纖維和硅酸鹽三大傳統(tǒng)材料之列，成為新型的重要材料之一，更成為國民經(jīng)濟中各行各業(yè)不可缺少的重要材料。1．2 塑料制品成型加工的概念1．2．1 塑料制品的生產(chǎn)工業(yè)體系從塑料的原材料到塑料制品，所經(jīng)過的生產(chǎn)流程如下圖所示。成型加工添加劑單體塑料制品塑料樹脂原料圖11 塑料制品的生產(chǎn)工業(yè)體系Ⅲ 塑料制品生產(chǎn)Ⅱ 塑料材料生產(chǎn)Ⅰ 塑料原料生產(chǎn)1．2．2 塑料制品的成型加工技術過程塑料一般經(jīng)過以下的生產(chǎn)工序制成產(chǎn)品。后處理前處理修飾塑料制品裝配機械加工成型加工塑料鋸沖剪車銑刨鉆鉸攻其 它其 它螺 接嵌 接焊 接粘 接粉 料粒 料溶液等鍍 飾印噴燙滾浸涂銼磨拋其 它擠出成型擠壓燒結其 它壓制燒結二次成型熱成型發(fā)泡成型涂層成型層壓成型離心成型鑄塑成型滾塑成型吹塑成型壓縮成型注射成型圖12 塑料制品的生產(chǎn)技術過程以上過程中，成型加工是最主要的。一般來說，各種塑料都需經(jīng)過多種成型工藝方法的加工才能成為產(chǎn)品，且各種塑料都有其比較適應的成型工藝方法及過程。 1．3 塑料成型模具的概念1．3．1 塑料模具的概念塑料模具是利用其特定形狀去成型具有一定形狀和尺寸的塑料制品的工藝裝備。（以注射模具為例，利用簡單結構示意圖）其中 模具基本結構——動模、定模、型腔、流道、推出機構、導向機構、溫度調節(jié)基本工作過程——合?！⑸洹骸鋮s→開模→推出制品→注射前準備1．3．2 塑料模具的基本要求1）保證塑料制品的質量要求，如形狀及尺寸精度、外觀質量；2）模具的制造技術要求，如結構合理、制造容易、成本低廉；3）模具的使用要求，如操作簡單、維護方便、高效率、自動化；4）模具的經(jīng)濟性要求，如生產(chǎn)批量、材料成本、制造成本。1．3．3 塑料模具的分類塑料模具的分類方法很多，一般按照制品的成型工藝方法進行分類。1）注射模2）壓縮模3）壓注模4）擠出模5）氣動成型模 1．5 練習思考題1）什么是塑料材料？舉實例說明塑料材料在實際使用中的特點？2）談一談對塑料制品成型加工技術在國民經(jīng)濟和現(xiàn)代制造業(yè)中地位的認識？第2章 塑料成型技術基礎 2．1 聚合物的概念及塑料的組成2．1．1 高分子的概念2．1．1．1 高分子的定義20世紀20年代，德國化學家斯陶丁格提出高分子化合物分子結構模型，從而確立了大分子學說。他認為，高分子是分子量特別大的一類化合物，是由很多化學結構比較簡單的結構單元重復連接成鏈狀或網(wǎng)狀的大分子，對于人工合成的則稱為高分子聚合物或聚合物。2．1．1．2 分子結構式和分子量以聚丙烯（PP）為例，其分子結構為：[ CH2—CH ]nCH3其中：1）n為高分子的聚合度，應具有足夠大的數(shù)值，否則不屬于高分子化合物。用于塑料材料的聚合物一般n值為100～200以上，分子量為104以上，分子鏈長度大于104埃；2）對于同一種聚合物，不同的生產(chǎn)批次或同一批次的不同分子之間，聚合度n值是不相同的。在同一批次的聚合物中，n值具有平均的意義，其分子量也是統(tǒng)計平均值；3）分子量的分布是聚合物的一個重要性能參數(shù)，有些特殊塑料制品對原料樹脂的分子量分布有嚴格要求，分子量的分布體現(xiàn)出原料樹脂生產(chǎn)的工藝水平。2．1．1．3 分子鏈形狀和空間構型1）分子鏈形狀是指結構單元在空間上的連接形式及構造形狀，具有線形、支化形和網(wǎng)形等三種形狀。2）分子鏈空間構型是指支化形高分子或一些結構單元具有取代基（官能團）的聚合物分子其小支鏈或取代基（官能團）在分子鏈上的排列狀況及構造形式，具有無規(guī)立構、等規(guī)立構和間規(guī)立構等三種構型。3）通?；瘜W鍵的鍵能為30～200千卡/摩爾，而分子間力（小分子）一般小于10千卡/摩爾，分子間力（范德華力）對物質的熔點、沸點、溶解度等都有影響。對于聚合物分子，其強度是由化學鍵和分子間力（范德華力）共同決定的，聚合物分子鏈的形狀和空間構型對分子間力有重要影響。例1 無規(guī)聚丙烯（PP）的軟化溫度約為80℃，使用價值很低；等規(guī)聚丙烯（PP）的熔點溫度約為165℃，具有較好的使用價值。例2 用于等規(guī)聚丙烯的催化劑為有名的齊格勒（德國）—納塔（意大利）催化劑，具有定向聚合作用，其對于高分子聚合物的發(fā)展作出了劃時代的貢獻。1955年意大利首先合成出等規(guī)聚丙烯。齊格勒和納塔于1963年獲得諾貝爾化學獎。2．1．1．4 分子鏈的空間構象和柔順性1）由于聚合物分子鏈的長徑比很大、分子鏈上單鍵的內(nèi)旋、分子的熱運動等因素的影響，可見高分子鏈的空間構象是千變?nèi)f化的，通常將構象無規(guī)則變化的柔性高分子鏈稱為無規(guī)線團。2）無規(guī)線團在受到外力作用的時候，會沿著外力作用的方向伸展或壓縮；外力解除后，經(jīng)過一定的時間，其分子鏈的空間構象將恢復自由，發(fā)生形態(tài)和尺寸的改變，通常將高分子的這種特性稱為柔順性。高分子鏈的柔順性取決于高分子的主鏈結構、取代基、氫鍵、交聯(lián)度等因素的影響，通常根據(jù)其柔順性的高低分為柔性分子鏈和剛性分子鏈。2．1．2 塑料的組成及分類2．1．2．1 塑料的組成1）塑料材料的性能主要取決于聚合物的結構及性能，同時決定了塑料的類型。2）塑料中添加填料和助劑的目的在于改善材料的內(nèi)在性質和加工性質，并達到提高制品使用性能。3）塑料不僅可通過物理改性（填料、助劑等）來改善性能，而且可以經(jīng)過共混、共聚、接枝、交聯(lián)、定向催化等化學改性技術來進一步增加材料的品種和擴大制品的用途。2．1．2．2 按聚合物結構及特性分類1）熱塑性塑料是指聚合物分子呈線型或支型結構，受熱流動且能夠成型，冷卻后能保持既得的形狀。加熱和冷卻可以反復進行多次，在此過程中一般只發(fā)生聚集態(tài)改變等物理變化。2）熱固性塑料是指聚合物經(jīng)過加熱流動且成型后，其分子結構發(fā)生化學變化，分子鏈由線型交聯(lián)成體型結構，且這樣的過程具有不可逆性。2．1．2．3 按塑料的應用范圍分類1）通用塑料是指產(chǎn)量很大、用途廣、價格低的塑料，構成了塑料工業(yè)的主體。2）工程塑料是指常在工程技術中用作結構材料的塑料，具有較好的機械性能及使用性能。3）特殊塑料是指具有某些特殊性能及用途的塑料。 2．2 聚合物的加工性質及塑料的成型工藝性2．2．1 聚合物的加工性質2．2．1．1 聚合物的聚集態(tài)聚合物是由眾多的高分子聚集在一起的，其在加工過程中所表現(xiàn)出的許多性質和行為都與高分子的聚集態(tài)有關，包括高分子的長鏈結構、纏結狀態(tài)和力學狀態(tài)等。圖2—1 聚合物的熱力學曲線根據(jù)聚合物在加熱過程中所表現(xiàn)出的力學性質和分子熱運動特征，將聚合物分為玻璃態(tài)（或結晶態(tài)）、高彈態(tài)和粘流態(tài)，通稱聚集態(tài)，如圖2—1所示。圖中 Tb——脆化溫度Tg——玻璃化溫度Tf（Tm）——粘流溫度（熔點溫度）Td——熱分解溫度影響聚集態(tài)轉變的因素有：高分子鏈結構、聚合物體系組成、受力狀態(tài)、環(huán)境溫度等，當聚合物及組成一定時，聚集態(tài)的轉變主要與溫度有關。2．2．1．2 聚合物的加工性質聚合物在加工過程中一般要經(jīng)歷由固態(tài)→液態(tài)的聚集態(tài)轉變。了解這些轉變的本質和規(guī)律就能選擇適當?shù)募庸し椒ê痛_定合理的加工工藝參數(shù)，在保持原有性能的條件下，以最少的能量消耗，高效率地生產(chǎn)好的塑料制品。1）玻璃態(tài) 分子雜亂排列的過冷液體，對于結晶聚合物則為玻璃態(tài)與晶態(tài)的兩相混合。該聚集態(tài)不宜進行引起大變形的加工，但可以進行機械加工。2）高彈態(tài) 分子的熱運動能量較高，分子鏈表現(xiàn)出很好的柔順性，能產(chǎn)生較大的彈性變形，但變形與回復都與時間有關，又稱為橡膠態(tài)。該聚集態(tài)可進行真空成型（熱成型）、壓力成型、壓延成型等加工。在加工過程中將制品溫度迅速冷卻到Tg溫度以下是實現(xiàn)這類加工的關鍵。3）粘流態(tài) 分子的熱運動能量很高，聚合物不再保持固體形狀，受力能產(chǎn)生流動，但粘性很大。溫度偏低時表現(xiàn)出類橡膠流動行為；溫度偏高時不大的外力就能引起宏觀流動，表現(xiàn)為不可逆的粘性形變。該聚集態(tài)溫度偏低時可進行壓延成型、擠出成型、吹塑成型等加工；溫度偏高時可進行吹塑成型、注射成型、熔融紡絲等加工。在加工后只要將制品溫度冷卻下來就可以實現(xiàn)這類加工。綜合以上，可以得知：