【正文】 備 課 講 義課 程 名 稱 塑料模具設(shè)計(jì) 課 程 編 號(hào) 1111610 學(xué) 時(shí) 學(xué) 分 40（4）學(xué)時(shí) 專 業(yè) 層 次 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)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(jí) 機(jī)自107 授 課 日 期 201136年9～12月 授 課 教 師 卓 榮 明 歸 口 系 部 機(jī)械工程系 版 次 03 27 / 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(shè)備等；塑化成形——加熱→流動(dòng)→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(diǎn)：1）塑料材料重量輕，～179。；2）具有某些優(yōu)良的機(jī)械性能，如比強(qiáng)度高、摩擦系數(shù)小、自潤(rùn)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(xué)穩(wěn)定性高，能耐酸、堿和許多化學(xué)藥品的腐蝕；5）光學(xué)性能優(yōu)良，如光學(xué)塑料的折射率、透光范圍等指標(biāo)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(jì)性好；8）性能可改良性好，通過改性技術(shù)改善塑料的性能和用途成為主要發(fā)展方向。缺點(diǎn)：1）耐高溫性差，一般塑料的使用溫度范圍為60～300℃；2）機(jī)械性能欠缺，如機(jī)械強(qiáng)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(duì)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(jià)格等因素決定的。塑料材料被廣泛應(yīng)用于機(jī)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(shù)等尖端科學(xué)領(lǐng)域得到了大力的開拓和應(yīng)用。1．1．3 塑料的發(fā)展簡(jiǎn)史及在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位1．1．3．1 塑料的發(fā)展簡(jiǎn)史1）初創(chuàng)階段1820年英國(guó)人Thomas Hancock發(fā)現(xiàn)經(jīng)過塑煉的橡膠具有可塑性，并能流動(dòng)，出現(xiàn)了塑性一詞Plastic；1839年美國(guó)人Charlas Coodyear發(fā)現(xiàn)橡膠與硫磺一起加熱會(huì)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(zhì)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(yè)；1856年英國(guó)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?jiān)且环N硬而有彈性的角質(zhì)物質(zhì)，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(guó)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(jī)物聚合反應(yīng)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(shù)發(fā)展階段1872年Adolf Bayer用甲醛反應(yīng)得到樹脂狀物質(zhì)；1899年Aithur Smith獲得了關(guān)于酚醛樹脂的第一個(gè)英國(guó)專利（16874號(hào)）；1909年Lee Hendrik Baekeland控制和改進(jìn)反應(yīng)使得酚醛樹脂成為第一個(gè)進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)的合成樹脂；1925～1935年間，建立了有關(guān)高分子化合物特征和生成的基本理論，從而在有機(jī)化學(xué)和物理化學(xué)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了高分子化學(xué)和物理這一新興學(xué)科，有力地促進(jìn)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(chǔ)。3）飛躍發(fā)展階段1954年，發(fā)現(xiàn)用TiCl3的絡(luò)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(xué)科的進(jìn)一步發(fā)展及聚合技術(shù)的開拓，使得高密度聚乙烯、聚丙烯進(jìn)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(jià)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(shù)更趨完善。4）穩(wěn)定增長(zhǎng)階段70年代以來，由于石油危機(jī)和資本主義周期性的經(jīng)濟(jì)危機(jī)，原材料價(jià)格猛漲，塑料增長(zhǎng)速度顯著下降。這一階段塑料工業(yè)的特點(diǎn)是通過各種改性技術(shù)來改進(jìn)塑料的性能，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，生產(chǎn)技術(shù)更趨合理。進(jìn)入90年代以來，塑料工業(yè)向著生產(chǎn)工藝自動(dòng)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(lǐng)域發(fā)展。1．1．3．2 塑料材料在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位高分子學(xué)科的創(chuàng)立、石油化工工業(yè)的發(fā)展、成型加工技術(shù)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(guó)民經(jīng)濟(jì)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(shù)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(jī)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(jié)其 它壓制燒結(jié)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(shù)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(yīng)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(jiǎn)單結(jié)構(gòu)示意圖）其中 模具基本結(jié)構(gòu)——?jiǎng)幽?、定模、型腔、流道、推出機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、溫度調(diào)節(jié)基本工作過程——合?！⑸洹骸鋮s→開?！瞥鲋破贰⑸淝皽?zhǔn)備1．3．2 塑料模具的基本要求1）保證塑料制品的質(zhì)量要求，如形狀及尺寸精度、外觀質(zhì)量；2）模具的制造技術(shù)要求，如結(jié)構(gòu)合理、制造容易、成本低廉；3）模具的使用要求，如操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、高效率、自動(dòng)化；4）模具的經(jīng)濟(jì)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(jìn)行分類。1）注射模2）壓縮模3）壓注模4）擠出模5）氣動(dòng)成型模 1．5 練習(xí)思考題1）什么是塑料材料？舉實(shí)例說明塑料材料在實(shí)際使用中的特點(diǎn)？2）談一談對(duì)塑料制品成型加工技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代制造業(yè)中地位的認(rèn)識(shí)？第2章 塑料成型技術(shù)基礎(chǔ) 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(jì)20年代，德國(guó)化學(xué)家斯陶丁格提出高分子化合物分子結(jié)構(gòu)模型，從而確立了大分子學(xué)說。他認(rèn)為，高分子是分子量特別大的一類化合物，是由很多化學(xué)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)單元重復(fù)連接成鏈狀或網(wǎng)狀的大分子，對(duì)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(jié)構(gòu)式和分子量以聚丙烯（PP）為例，其分子結(jié)構(gòu)為：[ CH2—CH ]nCH3其中：1）n為高分子的聚合度，應(yīng)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(zhǎng)度大于104埃；2）對(duì)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(jì)平均值；3）分子量的分布是聚合物的一個(gè)重要性能參數(shù)，有些特殊塑料制品對(duì)原料樹脂的分子量分布有嚴(yán)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(gòu)型1）分子鏈形狀是指結(jié)構(gòu)單元在空間上的連接形式及構(gòu)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(gòu)型是指支化形高分子或一些結(jié)構(gòu)單元具有取代基（官能團(tuán)）的聚合物分子其小支鏈或取代基（官能團(tuán)）在分子鏈上的排列狀況及構(gòu)造形式，具有無規(guī)立構(gòu)、等規(guī)立構(gòu)和間規(guī)立構(gòu)等三種構(gòu)型。3）通常化學(xué)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(duì)物質(zhì)的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、溶解度等都有影響。對(duì)于聚合物分子，其強(qiáng)度是由化學(xué)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(gòu)型對(duì)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(jià)值很低；等規(guī)聚丙烯（PP）的熔點(diǎn)溫度約為165℃，具有較好的使用價(jià)值。例2 用于等規(guī)聚丙烯的催化劑為有名的齊格勒（德國(guó)）—納塔（意大利）催化劑，具有定向聚合作用，其對(duì)于高分子聚合物的發(fā)展作出了劃時(shí)代的貢獻(xiàn)。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(xué)獎(jiǎng)。2．1．1．4 分子鏈的空間構(gòu)象和柔順性1）由于聚合物分子鏈的長(zhǎng)徑比很大、分子鏈上單鍵的內(nèi)旋、分子的熱運(yùn)動(dòng)等因素的影響，可見高分子鏈的空間構(gòu)象是千變?nèi)f化的，通常將構(gòu)象無規(guī)則變化的柔性高分子鏈稱為無規(guī)線團(tuán)。2）無規(guī)線團(tuán)在受到外力作用的時(shí)候，會(huì)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(shí)間，其分子鏈的空間構(gòu)象將恢復(fù)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(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)及性能，同時(shí)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(zhì)和加工性質(zhì)，并達(dá)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(xué)改性技術(shù)來進(jìn)一步增加材料的品種和擴(kuò)大制品的用途。2．1．2．2 按聚合物結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，受熱流動(dòng)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(fù)進(jìn)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(dòng)且成型后，其分子結(jié)構(gòu)發(fā)生化學(xué)變化，分子鏈由線型交聯(lián)成體型結(jié)構(gòu)，且這樣的過程具有不可逆性。2．1．2．3 按塑料的應(yīng)用范圍分類1）通用塑料是指產(chǎn)量很大、用途廣、價(jià)格低的塑料，構(gòu)成了塑料工業(yè)的主體。2）工程塑料是指常在工程技術(shù)中用作結(jié)構(gòu)材料的塑料，具有較好的機(jī)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(zhì)及塑料的成型工藝性2．2．1 聚合物的加工性質(zhì)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(zhì)和行為都與高分子的聚集態(tài)有關(guān)，包括高分子的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)、纏結(jié)狀態(tài)和力學(xué)狀態(tài)等。圖2—1 聚合物的熱力學(xué)曲線根據(jù)聚合物在加熱過程中所表現(xiàn)出的力學(xué)性質(zhì)和分子熱運(yùn)動(dòng)特征，將聚合物分為玻璃態(tài)（或結(jié)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(diǎn)溫度）Td——熱分解溫度影響聚集態(tài)轉(zhuǎn)變的因素有：高分子鏈結(jié)構(gòu)、聚合物體系組成、受力狀態(tài)、環(huán)境溫度等，當(dāng)聚合物及組成一定時(shí)，聚集態(tài)的轉(zhuǎn)變主要與溫度有關(guān)。2．2．1．2 聚合物的加工性質(zhì)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(zhuǎn)變。了解這些轉(zhuǎn)變的本質(zhì)和規(guī)律就能選擇適當(dāng)?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(duì)于結(jié)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(jìn)行引起大變形的加工，但可以進(jìn)行機(jī)械加工。2）高彈態(tài) 分子的熱運(yùn)動(dòng)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(fù)都與時(shí)間有關(guān)，又稱為橡膠態(tài)。該聚集態(tài)可進(jìn)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(shí)現(xiàn)這類加工的關(guān)鍵。3）粘流態(tài) 分子的熱運(yùn)動(dòng)能量很高，聚合物不再保持固體形狀，受力能產(chǎn)生流動(dòng)，但粘性很大。溫度偏低時(shí)表現(xiàn)出類橡膠流動(dòng)行為；溫度偏高時(shí)不大的外力就能引起宏觀流動(dòng)，表現(xiàn)為不可逆的粘性形變。該聚集態(tài)溫度偏低時(shí)可進(jìn)行壓延成型、擠出成型、吹塑成型等加工；溫度偏高時(shí)可進(jìn)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(shí)現(xiàn)這類加工。綜合以上，可以得知：1）對(duì)于大多數(shù)塑