【正文】 涂蓋金屬 其他 粘合 其它 ┈┈ 焊接 機(jī)械連接 其他 圖 1－ 1 塑料制品的生產(chǎn)流程 在這四個(gè)過(guò)程中，塑料的成型最為重要，是一切塑料制品或型材生產(chǎn)的必不可少的過(guò)程。其它三個(gè)過(guò)程取決于塑料制品的要求而定，也就是說(shuō)，不是每種塑料制品都須完整地經(jīng)過(guò)這些過(guò)程。修飾主要是為美化塑料制品的表面或外觀。后三種過(guò)程有時(shí)統(tǒng)稱為二次加工或后加工。 塑料成型的方法很多，按成型過(guò)程中物理狀態(tài)不同，塑料成型加工的方法可分為熔體成型與固相成型兩大類。屬于此類成型加工方法的主要有注射成型、壓縮成型、壓注成型、擠出成型、旋轉(zhuǎn)成型、離心澆鑄成型、粉末成型等。共同特點(diǎn)是塑料在熔融狀態(tài)下利用模具來(lái)成型具有一定形狀和尺寸的塑料制品(簡(jiǎn)稱塑件或制品 )。固相成型是泛指在室溫條件下對(duì)尚處于固態(tài)的熱塑性坯材（至少低于熔點(diǎn) 10— 20℃）施加機(jī)械壓力作用，使其成為塑件的一種方法，其中對(duì)非結(jié)晶類的塑料在玻璃化溫度以上，熔點(diǎn)以下的高彈區(qū)域加成型加工 塑料制品生產(chǎn) 修飾加工 機(jī)械加工 裝配加工 工的常稱為熱成型，如真空成型、壓縮空氣成型、壓力成型等，而在玻璃化溫度以下加工的則稱作冷成型或室溫成型，也常稱作塑料的冷加工方法或常溫塑性加工。 第三節(jié) 本課程內(nèi)容、目標(biāo)和學(xué)習(xí)要求 《塑料成型工藝與模 具設(shè)計(jì)》 課程是高職高專模具專業(yè)學(xué)生的主要專業(yè)課之一，它是以高分子材料、流體力學(xué)、熱處理、材料成型理論等為理論基礎(chǔ)， 是一門 實(shí)踐環(huán)節(jié)強(qiáng)的 綜合性應(yīng)用課程 。目的是學(xué)生能夠較快地適應(yīng)生產(chǎn)實(shí)際的要求，獲得塑料成型工藝、模具設(shè)計(jì)和設(shè)備技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)和綜合應(yīng)用能力 。 在模具設(shè)計(jì)方面，要求學(xué)生掌握各種成型模具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)計(jì)算方法，在全面掌握塑料的特性與成型工藝性能、成型特點(diǎn)，模具零件的加工工藝性，標(biāo)準(zhǔn)件的選用等的基礎(chǔ)上 .初步具備分析、解決生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題的能力。 在模具制造方面，了解塑料模具的制造特點(diǎn)，根據(jù)不同情況選用模具型腔加 工新工藝。 三、 本課程 學(xué)習(xí)要求 在密切結(jié)合工藝過(guò)程的前提下盡可能地結(jié)每種工藝所依據(jù)的原理、生產(chǎn)控制因素以及在工藝過(guò)程中塑料所發(fā)生的物理與化學(xué)變化和它們對(duì)制品性能的影響具有清晰的概念，并進(jìn)一步理解各種成型工藝所能適應(yīng)的塑料品種及其優(yōu)缺點(diǎn)。 《塑料成型工藝及模具設(shè)計(jì)》是一門課程實(shí)踐性和綜合性很強(qiáng)的課程，需不斷地 理論聯(lián)系實(shí)際。加強(qiáng)自身的自學(xué)能力，主動(dòng)參考有關(guān)資料。 第 二章 塑料成型基礎(chǔ) 第一節(jié) 高聚物分子結(jié)構(gòu)與特性 一、樹脂、高聚物、塑料 （一）樹脂 樹脂是一種高分子有機(jī)化合物，簡(jiǎn)稱高聚物，其特點(diǎn)是無(wú)明顯的熔點(diǎn)，受熱后逐漸軟化，可溶解于有機(jī)溶劑，而不溶解于水等。 天然樹脂是指從樹木中分泌出的脂物，如松香，從熱帶昆蟲的分泌物中提取的樹脂，如蟲膠；還有部分樹 脂從石油中得到，如瀝青，這些都屬于天然樹脂。 合成樹脂是由簡(jiǎn)單有機(jī)物經(jīng)化學(xué)合成或某些天然產(chǎn)物經(jīng)化學(xué)反應(yīng)而得到的一種高分子化合物，又稱聚合物。因此，目前我們所使用的塑料一般都是用合成樹脂制成的，很少采用天然樹脂。 （二）高聚物 高聚物（高分子化合物），指那些由眾多原子或原子團(tuán)主要以共價(jià)鍵結(jié)合而成的相對(duì)分子質(zhì)量在一萬(wàn)以上的化合物。 高聚物一般經(jīng)聚合反應(yīng)制得，主要組成元 素以 C、 H、 O、 N 為主，在一 些高聚物中也存在 S、 P、 Si、 F 等元素， 由此可見，一般合成高分子主要由非金屬元素組成。 （三） 塑料 高聚物的分類有很多種，按照高分子的的用途，可分為塑料、橡膠、纖維、涂料、膠粘劑和功能高分子等六大類。由于塑料的品種多，性能各異，使用廣泛，且生產(chǎn)塑料的能耗低，因此到目前為止，塑料材料仍保持著強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。并注明彈性材料也可成型流動(dòng)，但不認(rèn)為是塑料。 二、高聚物的高分子結(jié)構(gòu) （一）高聚物的高分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1．高分子含有的原子數(shù)很多。高聚物則不同，一個(gè)高分子中含有幾千個(gè)、幾萬(wàn)個(gè)、甚至幾百萬(wàn)個(gè)原子。 ２．平均相對(duì)分子質(zhì)量很大。如水的相對(duì)分子質(zhì)量為 18；石灰石為 100，酒精為 46，蔗糖為 324。如尼龍分子的分子量為 萬(wàn)左右，天然橡膠的分子量為 40 萬(wàn)。因此，只能采用平均相對(duì)分子質(zhì)量來(lái)表述。 ３．分子長(zhǎng)度很長(zhǎng)。 由此可見，高分子和低分子存在著如此懸殊的差異，使得高聚物具有許多與低分子化合物不同的特性。 （二） 高聚物 的 分子 結(jié)構(gòu) 1．高聚物 的 分子 結(jié)構(gòu) 高聚物 一 般都是由一種 或兩種及以上 的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜的“基本單元”按照一定的排列方式，通過(guò)化學(xué)鏈重復(fù)連接而成，猶如珍珠串鏈一樣。 n 值越大，相對(duì)分子質(zhì)量越大。其鏈狀結(jié)構(gòu)如一根細(xì)絲，易彎曲。高分子聚合物在受熱時(shí)不像一般低分子物質(zhì)那樣有明 顯的熔點(diǎn)，因從長(zhǎng)鏈的一端加熱到另一端需要時(shí)間，即需要經(jīng)歷一段軟化的過(guò)程，使聚合物具有了可塑性。例如，低密度聚乙烯的平均相對(duì)分子質(zhì)量為 25 萬(wàn)－ 15 萬(wàn)，而高密度聚乙烯的平均相對(duì)分子質(zhì)量是 7 萬(wàn)－ 5 萬(wàn)，高分子聚合物的分子量不同，其材料的性能也存在著很大的差異。如果聚合物的分子鏈呈不規(guī)則的線狀（或者團(tuán)狀），聚合物是一根根的分子鏈組成 的，則稱為線型聚合物，如圖 2－ 1a 所示。如果在大分子的鏈之間還有一些短鏈把它們連接起來(lái)，成為立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，則稱為體型聚合物，如圖 2－ 1c 所示 。1212 a) 線型 b) 帶有支鏈的線型 c) 體型 圖 2－ 1 聚合物分子鏈結(jié)構(gòu)示意圖 2． 高聚物的性質(zhì) 高聚物的分子結(jié)構(gòu)不同，其性質(zhì)也不同。 （２）體型聚合物的物理特性是脆性大、彈性較高和塑性很低，成型前是可溶和可熔的，而一經(jīng)硬化成型（化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)）后，就成為不溶不熔的固體，即便在更高的溫度下（甚至被燒焦碳化）也不會(huì)軟化，因此又稱這種材料具有熱固性。 （ 2） 有些是取其原料的名稱（簡(jiǎn)名）后附“樹脂”二字，如苯酚和甲醛合成，成為酚醛樹脂。 （ 4）習(xí)慣命名 如尼龍－ 66 為聚己二酰己二胺，尼龍后的第一個(gè)數(shù)字表示二元胺的碳原子數(shù)，第二個(gè)數(shù)字表示二元酸的碳原子數(shù)?！熬]”字常作為纖維商品的后綴。 （ 5） 國(guó)際純化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合 會(huì) (IUPAC)的系 統(tǒng)命名法 A、確 定重復(fù)單元的結(jié)構(gòu)； B、排好重復(fù)單元中的次級(jí)單元的次序； C、給重復(fù)單元命名； D、在重復(fù)單元名稱前面加一個(gè)“聚”字。高聚物在常溫常壓下，大多數(shù)為固態(tài)，沒(méi)有氣態(tài)，固體聚合物分子的排列有兩種形式，分子有規(guī)則緊密排列的區(qū)域，稱之為結(jié)晶區(qū)。按照分子排列的幾何特征，固態(tài)聚合物可分為結(jié)晶型和無(wú)定型（或非結(jié)晶型）兩種。一 般而言， 聚合物 大分子鏈的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性好 ，主鏈上帶有的側(cè)基體積小、分子間作用力大，則有利于結(jié)晶；反之，則對(duì)結(jié)晶不利或不能形成結(jié)晶區(qū)。 圖 2－ 2 結(jié)晶型聚合物結(jié)構(gòu)示意圖 1－晶區(qū) 2－ 非晶區(qū) 結(jié)晶對(duì)聚合物的性能有較大影響。 對(duì)于無(wú)定型聚合物的結(jié)構(gòu)，大距離范圍內(nèi)其分子排列是雜亂無(wú)章的、相互穿插交纏的。體型聚合物由于分子鏈間存在大量交聯(lián)，分子鏈難以作有序排列，所以絕大部分是無(wú)定型聚合物。聚合物聚集態(tài)轉(zhuǎn)變?nèi)Q于聚合物的分子結(jié)構(gòu)、體系的組成以及所受應(yīng)力和環(huán)境溫度。 溫度變化時(shí)，塑料的受力行為發(fā)生變化，呈現(xiàn)出不同的物理狀態(tài)和力學(xué)性能特點(diǎn)。 aαR壓縮空氣AAA放大aA 圖 2— 3聚 合物的物理狀態(tài)與溫度及加工的關(guān)系 1－線型無(wú)定型聚合物 2－完全線型結(jié)晶型聚合物 Tb 稱為 聚合物的脆化溫度，是 聚合物 保持高分子力學(xué)特性的最低溫度。 Tf稱 為粘流溫度，是無(wú)定型 聚合物 從高彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)（或相反）的臨界溫度。 Td 稱 為熱分解溫度，是聚合物在加熱到一定溫度時(shí) 高分子主鏈發(fā)生斷裂 開始分解的臨界溫度。 （ 1）玻璃態(tài) 聚合物處于溫度 Tg 以下的狀態(tài)，曲線基本是水平的，變形程度小，并且是可逆的，彈性模量較高，聚合物 呈現(xiàn)剛性固體狀， 聚合物受力變形符合虎克定律，應(yīng)力和應(yīng)變成正比。一般多數(shù)聚合物的溫度都高于室溫，只有極少數(shù)聚合物溫度低于室溫，如高密度聚乙烯玻璃化溫度為800C，玻璃態(tài)是大多數(shù)聚合物的使用狀態(tài)。 Tb 是聚合物使用的下限溫度。從聚合物的使用角度來(lái)看， Tb 和 Tg 之間的范圍顯然越寬越好。 （ 2）高彈態(tài) 當(dāng) 聚合物 受熱溫度超 過(guò) Tg 時(shí)（ Tg 至 Tf間） ，曲線開始急劇變化， 聚合物 進(jìn)入柔軟而富有彈性的高彈 狀 。 在高彈態(tài)狀態(tài)下，可進(jìn)行彎曲、吹塑、真空成型、引伸、沖壓等成型，成型后會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi) 應(yīng)力。 常溫下，高彈態(tài)的典型材料是橡膠。在這種狀態(tài)下聚合物的變形不具有可逆性，一經(jīng)成型和冷卻后，其形狀就能永久保持下來(lái)。 增高溫度將使塑料的粘度大大降低，流動(dòng)性增大，有利于塑料熔體充型，但不適當(dāng)?shù)脑龃罅鲃?dòng)容易導(dǎo)致諸如注射成型過(guò)程中的溢料、擠出成型塑件形狀的扭曲、收縮和紡絲過(guò)程中纖維的毛細(xì)斷裂等現(xiàn)象。因此， Tf和 Td 可用來(lái)衡量聚合物的成型性能，溫度區(qū)間大時(shí)，聚合物熔體的熱穩(wěn)定性好，可在較寬的溫度范圍內(nèi)受形和流動(dòng)，不易發(fā)生熱分解。 常溫下，粘流態(tài)的典型材料是熔融樹脂（如膠粘劑）。因此，對(duì)線型結(jié)晶型聚合物，可在玻璃化溫度至熔點(diǎn)的溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行薄膜吹塑和纖維拉伸。線型結(jié)晶型聚合物可在脆化溫度和熔點(diǎn)之間應(yīng)用，使用溫度范圍較寬，耐熱性能好。塑料在加工過(guò)程中常受到擠壓作用，例如塑料在擠出機(jī)和注射機(jī)料筒中以及在模具中都受到擠壓作用。熔體粘度過(guò)高，則物料通過(guò)形變而獲得形狀的能力差；反之，熔體粘度過(guò)低，雖然物料具有良好的流動(dòng)性，易獲得一定形狀，但保持形狀的能力較差。 聚合物的可擠壓性不僅與其分子組成、結(jié)構(gòu)和相對(duì)分子質(zhì)量有關(guān)，而且與溫度、壓力等成型 條件有關(guān)。通常簡(jiǎn)便實(shí)用的 測(cè)量 方法是測(cè)定聚合物的熔體流動(dòng)速率。 但 由于方法簡(jiǎn)便易行，對(duì)成型塑料的選 用 和適用性 具 有參考價(jià)值。聚合物的可模塑性是指在一定的溫度和壓力作用下聚合物在模具中模塑成型的能力。 可模塑性主要取決于塑料的流變性、熱性能、物理力學(xué)性能、工藝因素以及模具的結(jié)構(gòu)尺寸。 A4321成型困難充模不足缺料線溢料線分解線溢料變形粘彈性極限溫度 /℃壓力 /MPa 圖 2－ 4模塑壓力－溫度曲線 A－成型區(qū)域 1－表面不良線 2－溢料線 3－塑料分解線 4－缺料線 從圖中可見成型溫度過(guò)高，雖然有利于成型，但會(huì)引起塑料分解，塑件的收縮率也會(huì)增大；成型溫度過(guò)低則熔體粘度大，流動(dòng)性差 ，成型困難；適當(dāng)?shù)卦龃髩毫Γ芨纳迫垠w的流動(dòng)性，但過(guò)高的壓力會(huì)引起成型溢料，增加塑件的內(nèi)應(yīng)力；壓力過(guò)低又會(huì)造成充模不足，因此，圖中 4 四條線組成的區(qū)域 A 才是模塑的最佳區(qū)域。 （ 四 ） 聚合物的可延性 可延性 是 非晶形或半結(jié)晶聚合物在受到壓延或拉伸時(shí)變形的能力。利用聚合物的可延性，可通過(guò)壓延和拉伸工藝生產(chǎn)產(chǎn)片材、薄膜和纖維。 四、 聚合物的加熱與冷卻 在成型 過(guò)程 中，聚合物 需要加熱 由玻璃態(tài)受熱轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)，成型后又 需要冷卻 由粘流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａ?態(tài) ，因此，聚合物的加熱和冷卻對(duì) 塑件成型有著重要作用 。 表 2－ 1 列出了某些材料的熱性能（常 溫） 表 2－ 1 某些材料的熱性能（常溫） 材料 cp（ cal/g℃） k（ 104cal/cm2s℃） α（ 104cm/s） 聚酰胺 12 聚乙烯（高密度） 聚乙烯（低密度） 16 聚丙烯 8 聚苯乙烯 10 聚氯 乙烯（硬） 15 聚氯乙烯（軟） ABS 11 聚甲基丙烯酸甲酯 11 聚甲醛 11 聚碳酸酯 13 聚砜 16 聚甲醛（木粉填充） 11 酚甲醛塑料（礦物填充） 12 22 脲甲醛塑料 14 密胺塑料 8 醋酸纖維素 6 12 玻璃 20 37 鋼材 1100 950 銅 10000 1200 從表 2－ 1 中可見，各種聚合物的熱擴(kuò)散系數(shù)相差不是很大，但與銅和鋼相比，相差十分懸殊。 由于許多聚合物熔體的粘度都很大，因此，在成型過(guò)程中發(fā)生流動(dòng)時(shí)，會(huì)因內(nèi) 摩擦而產(chǎn)生顯著的熱量。 聚合物固體在受熱轉(zhuǎn)變?yōu)槿垠w時(shí)具有相態(tài)的轉(zhuǎn)變，相變時(shí)也需要吸收或放出熱量，結(jié)晶形聚合物的這種相變需吸收更多的熱量。因此，對(duì)結(jié)晶形聚合物成型時(shí)應(yīng)選擇塑化能力強(qiáng)的設(shè)備，而在冷卻結(jié)晶時(shí)，模具應(yīng)加強(qiáng)冷卻。流動(dòng)與形變是 聚合物 成型加工中最基本的工藝特征。也稱干法塑化，特點(diǎn)是利用加熱將高聚物固體變成熔體，定型時(shí)僅為簡(jiǎn)單的冷卻。另一種是加入溶劑使高聚物達(dá)到粘流態(tài)，即分散體。其優(yōu)點(diǎn)是塑化均勻，能避免高聚物過(guò)熱。這里主要介紹 高聚物熔體的形式。聚合物 成 型 時(shí)，在外力作用下