《塑料模具设计2》备课笔记40本科Word格式.docx
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7）成型工艺性能优良，加工成本低，经济性好；
8）性能可改良性好，通过改性技术改善塑料的性能和用途成为主要发展方向。
缺点：
1）耐高温性差，一般塑料的使用温度范围为60～300℃；
2）机械性能欠缺，如机械强度、刚性、表面硬度、耐疲劳性等较低；
3）尺寸稳定性差，如热膨胀系数、收缩率、抗蠕变性等性能均不理想；
4）耐候性差，如易老化、变色、发脆等；
5）塑料是非绿色材料，对人体、环境等不良影响成为阻碍其发展的重要因素。
1．1．2．2塑料的用途
塑料的用途是由它的性能及价格等因素决定的。
塑料材料被广泛应用于机械、建筑、电气、电子、家电、农业、医药、日用品等各行各业，更在现代的航空、航天、军事技术等尖端科学领域得到了大力的开拓和应用。
1．1．3塑料的发展简史及在国民经济中的地位
1．1．3．1塑料的发展简史
1）初创阶段
1820年英国人ThomasHancock发现经过塑炼的橡胶具有可塑性，并能流动，出现了塑性一词Plastic；
1839年美国人CharlasCoodyear发现橡胶与硫磺一起加热会使橡胶更富有弹性，并能定型，出现了硫化一词Vulcanization；
1851年出现了有弹性的硬质橡胶，并产生了橡胶工业。
这不仅是橡胶工业的里程碑，而且也是塑料发展史上的重要一页；
1856年英国人AlexanderParkes发现在感光的火棉中，熔剂蒸发后留下的固体残渣是一种硬而有弹性的角质物质，并能防水。
又于1862年展出了硝化纤维素塑料，为此而被授勋；
1865年美国人JohnWesleyHyatt用硝化纤维素制成了代替象牙的桌球；
1872年正式命名硝化纤维素加樟脑的合成材料为“赛璐珞”。
这是通过有机物聚合反应生成的第一种塑料材料，是现代塑料工业的里程碑。
2）理论和技术发展阶段
1872年AdolfBayer用甲醛反应得到树脂状物质；
1899年AithurSmith获得了关于酚醛树脂的第一个英国专利（16874号）；
1909年LeeHendrikBaekeland控制和改进反应使得酚醛树脂成为第一个进入工业化生产的合成树脂；
1925～1935年间，建立了有关高分子化合物特征和生成的基本理论，从而在有机化学和物理化学的基础上产生了高分子化学和物理这一新兴学科，有力地促进了塑料工业的发展。
这期间，低密度聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺等热塑性塑料相继工业化，奠定了塑料工业的基础。
3）飞跃发展阶段
1954年，发现用TiCl3的络合物作催化剂（齐格勒—纳塔催化剂），通过定向聚合可得到优良性能的聚合物。
这一定向催化聚合工艺的创立、高分子学科的进一步发展及聚合技术的开拓，使得高密度聚乙烯、聚丙烯进入了工业化生产。
50年代中期～60年代末，石油化工的高速发展为塑料工业提供了丰富而廉价的原料，这一阶段，塑料的产量和品种不断增加，成型加工技术更趋完善。
4）稳定增长阶段
70年代以来，由于石油危机和资本主义周期性的经济危机，原材料价格猛涨，塑料增长速度显著下降。
这一阶段塑料工业的特点是通过各种改性技术来改进塑料的性能，提高产品的质量，扩大应用领域，生产技术更趋合理。
进入90年代以来，塑料工业向着生产工艺自动化、连续化，产品系列化，以及不断开拓功能性塑料的新领域发展。
1．1．3．2塑料材料在国民经济中的地位
高分子学科的创立、石油化工工业的发展、成型加工技术的开拓，已使塑料材料跻身于金属、纤维和硅酸盐三大传统材料之列，成为新型的重要材料之一，更成为国民经济中各行各业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塑料制品的生产工业体系
从塑料的原材料到塑料制品，所经过的生产流程如下图所示。
成型加工
添加剂
单体
塑料制品
塑料
树脂
原料
图1-1塑料制品的生产工业体系
Ⅲ塑料制品生产
Ⅱ塑料材料生产
Ⅰ塑料原料生产
1．2．2塑料制品的成型加工技术过程
塑料一般经过以下的生产工序制成产品。
后处理
前处理
修饰
装配
机械加工
锯冲剪
车铣刨
钻铰攻
其它
螺接
嵌接
焊接
粘接
粉料
粒料
溶液等
镀饰
印喷烫
滚浸涂
锉磨抛
挤出成型
挤压烧结
压制烧结
二次成型
热成型
发泡成型
涂层成型
层压成型
离心成型
铸塑成型
滚塑成型
吹塑成型
压缩成型
注射成型
图1-2塑料制品的生产技术过程
以上过程中，成型加工是最主要的。
一般来说，各种塑料都需经过多种成型工艺方法的加工才能成为产品，且各种塑料都有其比较适应的成型工艺方法及过程。
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状去成型具有一定形状和尺寸的塑料制品的工艺装备。
（以注射模具为例，利用简单结构示意图）
其中模具基本结构——动模、定模、型腔、流道、推出机构、导向机构、温度调节
基本工作过程——合模→注射→保压→冷却→开模→推出制品→注射前准备
1．3．2塑料模具的基本要求
1）保证塑料制品的质量要求，如形状及尺寸精度、外观质量；
2）模具的制造技术要求，如结构合理、制造容易、成本低廉；
3）模具的使用要求，如操作简单、维护方便、高效率、自动化；
4）模具的经济性要求，如生产批量、材料成本、制造成本。
1．3．3塑料模具的分类
塑料模具的分类方法很多，一般按照制品的成型工艺方法进行分类。
1）注射模
2）压缩模
3）压注模
4）挤出模
5）气动成型模
1．5练习思考题
1）什么是塑料材料？
举实例说明塑料材料在实际使用中的特点？
2）谈一谈对塑料制品成型加工技术在国民经济和现代制造业中地位的认识？
第2章塑料成型技术基础
2．1聚合物的概念及塑料的组成
2．1．1高分子的概念
2．1．1．1高分子的定义
20世纪20年代，德国化学家斯陶丁格提出高分子化合物分子结构模型，从而确立了大分子学说。
他认为，高分子是分子量特别大的一类化合物，是由很多化学结构比较简单的结构单元重复连接成链状或网状的大分子，对于人工合成的则称为高分子聚合物或聚合物。
2．1．1．2分子结构式和分子量
以聚丙烯（PP）为例，其分子结构为：
[CH2—CH]n
CH3
其中：
1）n为高分子的聚合度，应具有足够大的数值，否则不属于高分子化合物。
用于塑料材料的聚合物一般n值为100～200以上，分子量为104以上，分子链长度大于104埃；
2）对于同一种聚合物，不同的生产批次或同一批次的不同分子之间，聚合度n值是不相同的。
在同一批次的聚合物中，n值具有平均的意义，其分子量也是统计平均值；
3）分子量的分布是聚合物的一个重要性能参数，有些特殊塑料制品对原料树脂的分子量分布有严格要求，分子量的分布体现出原料树脂生产的工艺水平。
2．1．1．3分子链形状和空间构型
1）分子链形状是指结构单元在空间上的连接形式及构造形状，具有线形、支化形和网形等三种形状。
2）分子链空间构型是指支化形高分子或一些结构单元具有取代基（官能团）的聚合物分子其小支链或取代基（官能团）在分子链上的排列状况及构造形式，具有无规立构、等规立构和间规立构等三种构型。
3）通常化学键的键能为30～200千卡/摩尔，而分子间力（小分子）一般小于10千卡/摩尔，分子间力（范德华力）对物质的熔点、沸点、溶解度等都有影响。
对于聚合物分子，其强度是由化学键和分子间力（范德华力）共同决定的，聚合物分子链的形状和空间构型对分子间力有重要影响。
例1无规聚丙烯（PP）的软化温度约为80℃，使用价值很低；
等规聚丙烯（PP）的熔点温度约为165℃，具有较好的使用价值。
例2用于等规聚丙烯的催化剂为有名的齐格勒（德国）—纳塔（意大利）催化剂，具有定向聚合作用，其对于高分子聚合物的发展作出了划时代的贡献。
1955年意大利首先合成出等规聚丙烯。
齐格勒和纳塔于1963年获得诺贝尔化学奖。
2．1．1．4分子链的空间构象和柔顺性
1）由于聚合物分子链的长径比很大、分子链上单键的内旋、分子的热运动等因素的影响，可见高分子链的空间构象是千变万化的，通常将构象无规则变化的柔性高分子链称为无规线团。
2）无规线团在受到外力作用的时候，会沿着外力作用的方向伸展或压缩；
外力解除后，经过一定的时间，其分子链的空间构象将恢复自由，发生形态和尺寸的改变，通常将高分子的这种特性称为柔顺性。
高分子链的柔顺性取决于高分子的主链结构、取代基、氢键、交联度等因素的影响，通常根据其柔顺性的高低分为柔性分子链和刚性分子链。
2．1．2塑料的组成及分类
2．1．2．1塑料的组成
1）塑料材料的性能主要取决于聚合物的结构及性能，同时决定了塑料的类型。
2）塑料中添加填料和助剂的目的在于改善材料的内在性质和加工性质，并达到提高制品使用性能。
3）塑料不仅可通过物理改性（填料、助剂等）来改善性能，而且可以经过共混、共聚、接枝、、交联、定向催化等化学改性技术来进一步增加材料的品种和扩大制品的用途。
2．1．2．2按聚合物结构及特性分类
1）热塑性塑料是指聚合物分子呈线型或支型结构，受热流动且能够成型，冷却后能保持既得的形状。
加热和冷却可以反复进行多次，在此过程中一般只发生聚集态改变等物理变化。
2）热固性塑料是指聚合物经过加热流动且成型后，其分子结构发生化学变化，分子链由线型交联成体型结构，且这样的过程具有不可逆性。
2．1．2．3按塑料的应用范围分类
1）通用塑料是指产量很大、用途广、价格低的塑料，构成了塑料工业的主体。
2）工程塑料是指常在工程技术中用作结构材料的塑料，具有较好的机械性能及使用性能。
3）特殊塑料是指具有某些特殊性能及用途的塑料。
2．2聚合物的加工性质及塑料的成型工艺性
2．2．1聚合物的加工性质
2．2．1．1聚合物的聚集态
聚合物是由众多的高分子聚集在一起的，其在加工过程中所表现出的许多性质和行为都与高分子的聚集态有关，包括高分子的长链结构、缠结状态和力学状态等。
图2—1聚合物的热力学曲线
根据聚合物在加热过程中所表现出的力学性质和分子热运动特征，将聚合物分为玻璃态（或结晶态）、高弹态和粘流态，通称聚集态，如图2—1所示。
图中Tb——脆化温度
Tg——玻璃化温度
Tf（Tm）——粘流温度（熔点温度）
Td——热分解温度
影响聚集态转变的因素有：
高分子链结构、聚合物体系组成、受力状态、环境温度等，当聚合物及组成一定时，聚集态的转变主要与温度有关。
2．2．1．2聚合物的加工性质
聚合物在加工过程中一般要经历由固态→液态的聚集态转变。
了解这些转变的本质和规律就能选择适当的加工方法和确定合理的加工工艺参数，在保持原有性能的条件下，以最少的能量消耗，高效率地生产好的塑料制品。
1）玻璃态分子杂乱排列的过冷液体，对于结晶聚合物则为玻璃态与晶态的两相混合。
该聚集态不宜进行引起大变形的加工，但可以进行机械加工。
2）高弹态分子的热运动能量较高，分子链表现出很好的柔顺性，能产生较大的弹性变形，但变形与回复都与时间有关，又称为橡胶态。
该聚集态可进行真空成型（热成型）、压力成型、压延成型等加工。
在加工过程中将制品温度迅速冷却到Tg温度以下是实现这类加工的关键。
3）粘流态分子的热运动能量很高，聚合物不再保持固体形状，受力能产生流动，但粘性很大。
温度偏低时表现出类橡胶流动行为；
温度偏高时不大的外力就能引起宏观流动，表现为不可逆的粘性形变。
该聚集态温度偏低时可进行压延成型、挤出成型、吹塑成型等加工；
温度偏高时可进行吹塑成型、注射成型、熔融纺丝等加工。
在加工后只要将制品温度冷却下来就可以实现这类加工。
综合以上，可以得知：
1）对于大多数塑料而言，玻璃态是制品的使用状态，Tb温度和Tg温度是衡量制品使用范围的重要标志，Tb～Tg温度范围越宽，制品对环境的适应性越强。
可以通过增塑、共混、改变分子量及其分布、交联和填充无机填料等技术来调整使用温度范围。
2）Tf（Tm）温度和Td温度是衡量制品成型性能的重要指标，Tf（Tm）温度低，有利于熔融，生产时热能消耗少；
Tf（Tm）～Td温度范围越宽，塑料熔体的热稳定性越好，可在较宽的温度范围内流动和成型，不易发生热分解等质量问题。
2．2．1．3聚合物加工过程中的粘弹行为
1）聚合物粘弹性由于聚合物在加工过程中处于不同的条件下会表现出固体和液体的性质，即表现出弹性和粘性。
但由于聚合物分子的长链结构和大分子运动的逐步性质，聚合物的形变和流动不可能是纯弹性或纯粘性的，而应是弹性和粘性的综合，即为粘弹性的。
2）经典的粘弹性理论如下式所示：
式中γ——聚合物的总形变
γE——普通弹性形变
γH——高弹形变
γV——粘性形变
σ——作用外力
t——外力作用时间
E1、E2——普通弹性形变模量、高弹形变模量
η2、η3——高弹形变粘度、粘性形变粘度
3）三种形变的性质如图2—2所示，概述如下：
普通弹性形变γE——形变值很小，且不依赖于时间，是由外力使聚合物大分子键长和键角或聚合物晶体中处于平衡状态的粒子间发生形变和位移所引起。
图2—2聚合物在外力作用下的形变—时间曲线
γE
γV
γH
高弹形变γH——形变值很大，且依赖于时间，具有可逆性，是由处于无规则热运动的大分子链段的形变和位移即空间构象的改变所引起。
粘性形变γV——形变值很大，表现为宏观流动，具有不可逆性，是聚合物在外力作用下沿力作用方向发生的大分子之间的解缠和相对滑移所引起。
4）在加工过程中，聚合物的粘弹性行为概述如下：
温度变化时——如温度升高时，由粘弹性公式可知，η2、η3降低，γH、γV增加，但γV增加得更快，而γH增加趋势减小。
温度高于Tf（Tm）时——聚合物处于粘流态，形变以粘性形变为主。
此时聚合物粘度低流动性大，易于成型，制品的因次稳定性（形状和几何尺寸稳定性）较好。
另一方面由于弹性效应的存在，制品会产生内应力和后变形等质量问题。
温度处于Tg～Tf范围内时——聚合物处于高弹态，形变以高弹形变为主。
此时聚合物粘度高不易流动，且由于高弹形变的可逆性，因此通常较少在此温度范围内成型制品。
另一方面由粘弹性公式可知，当外力σ加大和外力作用时间t增加时，γV比γH能更快地迅速增加，粘性形变成分增大，使制品能够产生有效的成型变形，如果此时将温度迅速地冷却到Tg温度以下，则可使制品达到成型的目的，但制品的因次稳定性低，遇热极易变形。
5）聚合物塑性形变是指聚合物在Tg～Tf温度范围内以较大的外力和较长时间作用下产生的不可逆形变，其实质是高弹态条件下大分子的强制性解缠和流动。
是一种重要的聚合物加工技术，可有效地降低在此温度范围内成型制品的内应力，并能提高制品的因次稳定性。
例1塑料制品的应力松弛现象及温度和时间的等同效应？
例2塑料或橡胶制品的消音、减震现象？
2．2．2塑料的成型工艺性
塑料的成型工艺性是指塑料材料在成型过程中表现出的特有性能，决定着成型工艺方法、工艺参数的选择和塑件的质量，同时对模具设计及其质量要求影响很大。
2．2．2．1热塑性塑料的工艺性
热塑性塑料的成型工艺性能除了热力学性能（聚集态及加工性质）、结晶性和取向性外，还包括收缩性、流动性、相容性、吸湿性、热稳定性等。
1）收缩性是指一定量的塑料在熔融状态下的体积高于冷却成型后的体积。
收缩率是指收缩性的大小，以单位长度塑件收缩量的百分比来表示。
实际收缩率是指模具（或塑件）在成型温度时的尺寸与塑件在室温时的尺寸之间的差别，在大型、精密模具成型零件尺寸计算时经常采用。
计算收缩率是指室温时模具尺寸与塑件尺寸之间的差别，在普通中、小模具成型零件尺寸计算时经常采用。
收缩率范围是指影响塑料收缩率变化的因素较多，如塑料品种、塑件结构、模具结构、成型工艺条件等，因此塑料制品收缩率会有一定的波动范围。
2）流动性是指成型过程中塑料熔体在一定的温度与压力作用下充填模具型腔的能力。
流动性能通常用熔融指数（MI）测定法或螺旋线长度试验法来衡量，一般分为好、中、差三类。
其影响因素主要有塑料性质、温度、压力、模具结构等。
3）热稳定性是指某些塑料在高温下受热时间较长或因剪切作用过大时产生的料温升高而出现的变色、降解和分解的倾向，又称为塑料的热敏性。
塑料在分解时往往释放出对塑料材料、设备、模具及人体都有害的气体等产物，因此应从多方面采取措施防止塑料产生热分解。
4）吸湿性是指塑料对水分的亲疏程度，是由于其分子结构中含有亲水的极性基因（如酰胺基
）所导致，另外还与塑料的组成有关。
含水率较高的塑料在加工时会释放出气体，促使塑料产生高温水解，从而导致材料降解，制品出现变色、气泡、银丝与斑纹等质量问题。
因此塑料在成型加工前，一般要经过干燥，控制水分含量在0.2%～0.5%以下。
5）相容性是指两种或两种以上不同的塑料在熔融状态下不产生相分离现象的能力，又称为塑料的共混性。
一般分子结构相似者较易相容，可以得到类似共聚物的综合性能，是改进塑料性能的重要途径之一。
2．2．2．2热固性塑料的工艺性
热固性塑料在热力学性能上的表现明显不同于热塑性塑料，其主要工艺性能指标有收缩率、流动性、比容和压缩率、硬化速度、水分及挥发物含量等。
1）收缩率的意义同热塑性塑料类同，计算方法也与热塑性塑料相同。
影响热固性塑料收缩率的因素较多，一般可从模具结构设计、成型工艺条件控制等方面降低制品的收缩率。
2）流动性的意义同热塑性塑料类同。
热固性塑料的流动性能通常用拉西格流动值来衡量，一般分为好、中、差三类。
其影响因素主要有塑料性质、模具结构、成型工艺条件等。
3）比容是指单位重量的松散塑料所占的体积。
压缩率是指塑料的体积与塑料制品的体积之比。
比容和压缩率都可表示粉状或纤维状塑料的松散性，可用来确定模具加料室的大小。
4）硬化速度是指一定量的热固性塑料在成型过程中完成交联反应所需的时间，通常以塑料试样硬化1mm厚度所需的秒数来表示。
硬化速度的快慢与塑料品种、制品形状、壁厚、预热及预压、成型工艺条件控制等因素有关。
5）水分及挥发物含量主要来自塑料吸收的水分和在成型反应过程中释放出的副产物。
塑料中的水分及挥发物含量在很大程度上直接影响塑件的物理、力学和介电性能，还会影响组织疏松、收缩率大小、表面光泽、翘曲变形等质量问题。
另一方面水分及挥发物含量不足会导致流动性不良、成型困难、不利于压锭等问题。
2．3聚合物加工过程的物理化学变化
2．3．1聚合物加工过程中的结晶
2．3．1．1聚合物结晶的概念
1）一般，支化程度低、侧基较小、结构单元单一、分子链规整性较好的高分子比较容易结晶，表现为分子链在空间上的规整排列。
2）聚合物熔体冷却结晶时通常生成球晶，在高应力的作用下还能生成纤维状晶体。
球晶是由无数微晶聚集而成的多晶聚集体，微晶（单晶）的结晶形态为“折叠链”结构
3）结晶聚合物为晶区和非晶区两相混合结构，各个分子链贯穿多个晶区和非晶区，结晶度一般为10～60%，最大可达90%。
4）结晶速度慢，结晶具有不完全性，结晶聚合物没有清晰的熔点是大多数聚合物结晶的基本特点。
5）不同聚合物结晶速度差别很大，决定于聚合物分子结构、相组成及冷却速度，晶体生成最大速率在Tg～Tm之间。
6）聚合物中所含的低分子物（溶剂、增塑剂、水分子等）及固体杂质（或固体填料）会影响聚合物的结晶过程，一般能起促进作用。
7）二次结晶是在一次结晶后残留的非晶区域和晶体不完整部分继续进行结晶和进一步完整化结晶的过程。
8）后结晶是聚合物加工过程中一部分来不及结晶的区域在加工后发生的继续结晶现象，一般发生在球晶的界面上。
2．3．1．2聚合物结晶对制品性能的影响
1）聚合物结晶时分子链排列紧密，体积收缩，密度增加，造成分子间结合力增强，力学性能和热性能得到提高；
而与分子链运动有关的性能，如高弹性、伸长率、冲击韧性则降低；
另外收缩率增大还会使制品的透明度降低。
2）非晶区域的存在使聚合物具有韧性，而结晶区域则使聚合物具有刚硬性，聚合物的性能取决于两相的综合及分布状况。
3）二次结晶和后结晶都会使制品性能和尺寸在使用和存放中发生变化，影响制品的正常使用。
2．3．1．3聚合物成型加工对结晶的影响
1）冷却速度决定了晶核生成和晶体生长的条件，影响聚合物在加工过程中能否形成结晶、结晶的速度、晶体的形态和尺寸等，而冷却速度取决于熔体温度Tm与冷却介质温度Tc之间的温度差，即ΔT=Tm–Tc。
根据ΔT的大小，将制品的冷却分为缓冷、快冷、中等冷却等三种类型。
缓冷时，ΔT值小，结晶通常由均相成核作用开始，容易形成大的球晶，生产周期长，制品发脆，力学性能降低，冷却程度不够还易使制品扭曲变形，一般很少采用。
快冷时，ΔT值大，结晶程度降低，制品体积明显松散，但厚制品内部的结晶程度相对较大，这种内外的不均匀性会引起制品中出现内应力，同时未结晶的过冷液体结构不稳定，会产生后结晶等问题，影响制品的性能。
中等冷却时，即冷却介质温度Tc处于Tg附近温度时，此时制品的表面较快凝固，结晶的晶粒较细，而内部相对有利于晶核生成和晶体生长，但晶核生成数量与晶体生长速率之间的比例关系较好，生产周期较短，晶体生长好，结晶较完整，制品的因次稳定性较好，因此在制品成型加工中经常采用。
2）熔融温度和熔融时间较长时，会使结晶速度较慢，晶粒尺寸变大；
相反使则结晶速度变快，晶粒尺寸较细，有利于提高制品的力学强度、耐磨性和热畸变温度等性能指标。
3）成型加工中受到高应力的作用时，熔体取向产生的诱发成核作用使晶核生成数量和结晶速度趋向于有利。
4）成型加工后常采用适当的热处理改善结晶的状态，稳定制品的性能和尺寸。
2．3．2聚合物加工过程中的取向
2．3．2．1聚合物取向的概念
1）通常有两种情况，一种是聚合物熔体或浓溶液中大分子链段和其中固体纤维状填料在剪切流动时会顺着流动的方向作平行排列的流动取向；
另一种是聚合物在Tg～Tf温度范围内成型时大分子链段或微晶等结构组织沿着外力拉伸方向作平行排列的拉伸取向。
2）聚合物熔体流动时，一方面剪切应力的
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