塑料與塑料成型工藝

1、第2章塑料與塑料成型工藝知識(shí)目標(biāo)掌握塑料的組成、分類(lèi)及其熱力學(xué)性能。掌握常用塑料的名稱(chēng)、牌號(hào)、性能及其典型用途。掌握常用塑料的成型方法，熟悉各種成型方法的優(yōu)缺點(diǎn)和使用范圍。掌握常見(jiàn)塑料模具的種類(lèi)及名稱(chēng)。掌握塑料制品設(shè)計(jì)的原則與要點(diǎn)。技能目標(biāo)具備為塑料制品選擇合理牌號(hào)塑料的能力。 具備為常見(jiàn)塑料制品選擇合理成型方法的能力。針對(duì)注射成型工藝，具備為其選擇合理工藝參數(shù)的能力。 針對(duì)已有的塑料件，具備分析其結(jié)構(gòu)合理與否的能力 具備設(shè)計(jì)中等復(fù)雜程度塑料制品的能力。主要理論及工程應(yīng)用導(dǎo)航：手機(jī)底蓋與自來(lái)水管的比較圖2-1的塑料制品，分別是某款式手機(jī)底蓋和某規(guī)格自來(lái)水水管，它們功能和用 途各不相同，您知道這

2、兩類(lèi)塑料產(chǎn)品是用什么牌號(hào)的塑料生產(chǎn)出來(lái)的嗎？它們的成型 方法是相同的嗎？答案是，這兩種塑料產(chǎn)品所使用的塑料是不相同的，手機(jī)底蓋使用的是一種稱(chēng)為ABS的塑料，而自來(lái)水管使用的是一種稱(chēng)為PVC的塑料。它們的成型方法也相差很大，前者采用的是一種稱(chēng)為注射成型的方法，后者采用的是一種稱(chēng)為擠出成型的方法。事實(shí)上，除了上述兩種塑料外，在工業(yè)上，還有很多種性能千差萬(wàn)別的其它牌號(hào) 的塑料；成型方法也不僅僅局限于注射成型和擠出成型。下面，就讓我們從開(kāi)始從塑 料及其成型的相關(guān)知識(shí)講起吧。(a)手機(jī)底蓋(b)自來(lái)水水管圖2- 1塑料制品2.1 塑料的基礎(chǔ)知識(shí)2.1.1 塑料的由來(lái)塑料的歷史可以追溯到 1832 年，當(dāng)

3、時(shí)法國(guó)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，把硝酸均勻而集中地 倒在棉花或木質(zhì)纖維上，就會(huì)得到一層很硬的防水薄膜，這層薄膜有著與傳統(tǒng)材料， 如木材、石材金屬等不一樣的性能，但限于當(dāng)時(shí)的科技手段，人們無(wú)法進(jìn)一步研究其 機(jī)理，也沒(méi)有將其作進(jìn)一步的利用。歷史上第一種完全由人工合成的塑料是酚醛塑料，它的發(fā)明與 19 世紀(jì)后期一種 天然的絕緣材料蟲(chóng)膠有關(guān)。當(dāng)時(shí)剛剛萌芽的電力工業(yè)蘊(yùn)藏著絕緣材料的巨大市 場(chǎng)，但產(chǎn)自于東南亞的蟲(chóng)膠由于供不應(yīng)求而價(jià)格飛漲，當(dāng)時(shí)化學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始認(rèn)識(shí)到很 多可用作涂料、黏合劑和織物的天然樹(shù)脂和纖維都是聚合物，即結(jié)構(gòu)重復(fù)的大分子， 從而開(kāi)始有意識(shí)地尋找能合成聚合物的成分和方法。如果誰(shuí)能發(fā)明一種能代替蟲(chóng)膠的 廉

4、價(jià)商品，那無(wú)疑將獲得巨大成功。美國(guó)科學(xué)家列奧 ?貝克蘭（Leo Baekeland, 原籍比利時(shí)）經(jīng)過(guò)多年的努力終于成為這個(gè)幸運(yùn)者。貝克蘭于 1889 年開(kāi)始到美國(guó)從事化學(xué)研究，從 1904 年開(kāi)始，貝克蘭開(kāi)始研究苯 酚和甲醛的反應(yīng)。盡管早在 1872 年，德國(guó)化學(xué)家拜爾就發(fā)現(xiàn)了這個(gè)反應(yīng)能產(chǎn)生一些 粘糊糊的東西，但拜爾的興趣在合成染料上，對(duì)這種東西不感興趣。后來(lái)的科學(xué)家也 對(duì)這個(gè)反應(yīng)進(jìn)行過(guò)研究，但因?yàn)闊o(wú)法精確控制化學(xué)反應(yīng)沒(méi)找到它的利用價(jià)值。而貝克 蘭解決了這個(gè)問(wèn)題。他發(fā)明了一種實(shí)驗(yàn)裝置，可以精確調(diào)節(jié)加熱溫度和壓力，能有效 控制化學(xué)反應(yīng)。貝克蘭用這種裝置成功得到了酚醛樹(shù)脂，將其模壓后得到半透明的

5、硬 塑料，這種塑料不易燃燒，成型后不再熔化，也不能溶解到溶劑甚至是酸液中去，是 良好的絕緣材料。他用自己的名字給這種新材料命名為貝克利特（ Bakelite ，即現(xiàn)在 的酚醛塑料），并于 1907年7月14日申請(qǐng)了專(zhuān)利。從這一天起，世界上第一種人工 合成的塑料酚醛塑料誕生了。酚醛塑料是人類(lèi)所制造的第一種全合成材料，它的 誕生標(biāo)志著人類(lèi)社會(huì)正式進(jìn)入了塑料時(shí)代。它的發(fā)明被認(rèn)為是20 世紀(jì)的煉金術(shù)，貝克蘭也因此于1924年被選為美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)，并被1940年5月20日出版的時(shí)代周刊稱(chēng)為“塑料之父”。到了 20 世紀(jì) 30 年代，美國(guó)科學(xué)家又發(fā)明了一種被稱(chēng)為尼龍的塑料，這種塑料被 稱(chēng)為是“由煤炭、空

6、氣和水合成，比蜘蛛絲細(xì)，比鋼鐵堅(jiān)硬，優(yōu)于絲綢的纖維”。尼 龍的發(fā)明，是塑料發(fā)展歷史上的里程碑事件，它的出現(xiàn)，為此后各種塑料的發(fā)明和生 產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。緊接著，由于第二次世界大戰(zhàn)中石油化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，塑料的原料以 石油取代了煤炭，塑料制造業(yè)也得到飛速的發(fā)展。直至今天，塑料工業(yè)已經(jīng)成為現(xiàn)代 工業(yè)的重要組成部分。2.1.2 塑料的組成事實(shí)上，通常的塑料并不是一種純物質(zhì)，它是由許多材料配制而成的。其中的合 成樹(shù)脂是塑料的主要成分；此外，為了改進(jìn)塑料的性能，還要在合成樹(shù)脂中添加各種 的輔助材料，如填料、增塑劑、潤(rùn)滑劑、穩(wěn)定劑、著色劑等，才能滿(mǎn)足塑料的使用或 生產(chǎn)要求。1. 合成樹(shù)脂 合成樹(shù)脂是由一種或幾種

7、簡(jiǎn)單化合物通過(guò)聚合反應(yīng)而生成的一種高分子化合物， 也叫聚合物，合成樹(shù)脂是塑料的主要成分，它決定了塑料的類(lèi)型和基本性能（如熱性 能、物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能等），它聯(lián)系或膠黏著其它成分，并使塑料具有 可塑性和流動(dòng)性，從而具有成型性能。2. 填充劑填充劑又稱(chēng)填料，是塑料中的重要的但并非每種塑料必不可少的成分。填充劑與 塑料中的其它成分機(jī)械混合，它們之間不起化學(xué)作用，但與樹(shù)脂牢固地膠黏在一起。填充劑在塑料中的作用有兩個(gè)：一是減少樹(shù)脂用量，降低塑料成本；二是改善塑 料某些性能，擴(kuò)大塑料的應(yīng)用范圍。在許多情況下，填充劑所起的作用是很大的，例 如聚乙烯、聚氯乙烯等樹(shù)脂中加入木粉后，既克服了它的脆性，又

8、降低了成本。用玻 璃纖維作為塑料的填充劑，能使塑料的力學(xué)性能大幅度提高，而用石棉作填充劑則可 以提高塑料的耐熱性。有的填充劑還可以使塑料具有樹(shù)脂所沒(méi)有的性能，如導(dǎo)電性、 導(dǎo)磁性、導(dǎo)熱性等。常用的填充劑有木粉、紙漿、云母、石棉、玻璃纖維等。3. 增塑劑有些樹(shù)脂 （ 如硝酸纖維、醋酸纖維、聚氯乙烯等 ） 的可塑性很小，柔軟性也很差， 為了降低樹(shù)脂的熔融粘度和熔融溫度，改善其成型加工性能，改進(jìn)塑件的柔韌性、彈 性以及其它各種必要的性能，通常加入能與樹(shù)脂相溶的、不易揮發(fā)的高沸點(diǎn)有機(jī)化合 物，這類(lèi)物質(zhì)稱(chēng)為增塑劑。在樹(shù)脂中加入增塑劑后，增塑劑分子插入到樹(shù)脂高分子鏈之間，增大了高分子 鏈間的距離，因而削弱了

9、高分子間的作用力，使樹(shù)脂高分子容易產(chǎn)生相對(duì)滑移，從而 使塑料在較低的溫度下具有良好的可塑性和柔軟性。例如，聚氯乙烯樹(shù)脂中加入鄰苯 二甲酸二丁酯，可變?yōu)橄裣鹉z一樣的軟塑料。加入增塑劑在改善塑料成型加工性能的同時(shí)，有時(shí)也會(huì)降低樹(shù)脂的某些性能，如 硬度、抗拉強(qiáng)度等，因此添加增塑劑要適量。對(duì)增塑劑的要求： 與樹(shù)脂有良好的相溶性； 揮發(fā)性小， 不易從塑件中析出； 無(wú)毒、 無(wú)色、無(wú)臭味；對(duì)光和熱比較穩(wěn)定；不吸濕。4. 著色劑 為使塑件獲得各種所需顏色，常常在塑料組分中加入著色劑。著色劑品種很多， 但大體分為有機(jī)顏料、無(wú)機(jī)顏料和染料三大類(lèi)。有些著色劑兼有其他作用，如本色聚 甲醛塑料用碳黑著色后能在一定程度上

10、有助于防止光老化。對(duì)著色劑的一般要求是：著色力強(qiáng)；與樹(shù)脂有很好的相溶性；不與塑料中其它成 分起化學(xué)反應(yīng)；成型過(guò)程中不因溫度、壓力變化而分解變色，而且在塑件的長(zhǎng)期使用 過(guò)程中能夠保持穩(wěn)定。5. 穩(wěn)定劑 為了防止或抑制塑料在成型、儲(chǔ)存和使用過(guò)程中，因受外界因素（如熱、光、氧、 射線(xiàn)等）作用所引起的性能變化，即所謂“老化”，需要在聚合物中添加一些能穩(wěn)定 其化學(xué)性質(zhì)的物質(zhì)，這些物質(zhì)稱(chēng)為穩(wěn)定劑。對(duì)穩(wěn)定劑的要求是： 能耐水、 耐油、 耐化學(xué)藥品腐蝕， 并與樹(shù)脂有很好的相溶性， 在成型過(guò)程中不分解、揮發(fā)小、無(wú)色。穩(wěn)定劑可分為熱穩(wěn)定劑、光穩(wěn)定劑、抗氧化劑等。常用的穩(wěn)定劑有硬脂酸鹽類(lèi)、 鉛的化合物、環(huán)氧化合物等。6. 固化劑 固化劑又稱(chēng)硬化劑、交聯(lián)劑。成型熱固性塑料時(shí)，線(xiàn)型高分子結(jié)構(gòu)的合成樹(shù)脂需 發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)轉(zhuǎn)變成體型高分了結(jié)構(gòu)。添加固化劑的目的是促進(jìn)交