第十五章塑料成型的理论基础课件.ppt

1、第一节第一节 塑料的基本性质塑料的基本性质一、高分子材料的基本概念一、高分子材料的基本概念 高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。常称常称聚合物聚合物或或高聚物高聚物。 高分子化合物的分子量一般高分子化合物的分子量一般104 。 高分子化合物有天然的，也有人工合成的。工业高分子化合物有天然的，也有人工合成的。工业用高分子材料主要是人工合成的。用高分子材料主要是人工合成的。 （一）、高分子化合物的组成（一）、高分子化合物的组成 由简单的结构单元重复连接而成。由简单的结构单元重复连接而成。如由乙烯合成聚乙如由乙烯合成聚乙烯烯: CH2=CH2+CH

2、2=CH2+ -CH2-CH2-CH2-CH2- , CH2CH2 nl可简写成可简写成 n CH2=CH2 。 l组成聚合物的低分子化合物称为组成聚合物的低分子化合物称为单体单体。l聚合物的分子为很长的链条，称为聚合物的分子为很长的链条，称为大分子链大分子链。 CH2CH2 nl大分子链中重复结构单元大分子链中重复结构单元( (如聚乙烯中如聚乙烯中 ) )称为称为链节链节。 聚乙烯分子链聚乙烯分子链（二）高分子化合物的聚合（二）高分子化合物的聚合 1 加聚反应 由一种或多种单体相互加成，或由环状 化合物开环相互结合成聚合物的反应。 2 缩聚反应 由一种或多种单体互相缩合生成聚合物，同时析出其

3、他低分子化合物(如水、氨、醇、卤化氢等)的反应。（三）高分子化合物的分类及命名（三）高分子化合物的分类及命名1、高分子材料的分类、高分子材料的分类 按用途分塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料等。按用途分塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料等。 按聚合物反应类型分为加聚物和缩聚物。按聚合物反应类型分为加聚物和缩聚物。 按聚合物的热行为分为按聚合物的热行为分为热塑性聚合物和热固性热塑性聚合物和热固性聚合物聚合物 按主链上的化学组成分为碳链聚合物、杂链聚按主链上的化学组成分为碳链聚合物、杂链聚合物和元素有机聚合物合物和元素有机聚合物 2. 高分子化合物的命名 大多数采用习惯命名法，在单体大多数采用习惯命名法，

4、在单体前面加前面加“聚聚”字；或在原料名称后字；或在原料名称后加加“树脂树脂”二字，如酚醛树脂等。二字，如酚醛树脂等。二、塑料的结构二、塑料的结构（一）、高分子链的结构（一）、高分子链的结构 (分子内结构分子内结构)1. 高分子链结构单元的化学组成高分子链结构单元的化学组成 在元素周期表中只有在元素周期表中只有AA、AA、AA、AA中部分非金属、亚金属元素才能形成高分子中部分非金属、亚金属元素才能形成高分子链。链。2. 高分子链的形状高分子链的形状 按照大分子链的几何形状，可将塑料结构按照大分子链的几何形状，可将塑料结构分为线型结构、支链型结构和体型结构。分为线型结构、支链型结构和体型结构。

5、线型结构高聚物的弹性、塑性好，硬度低，是线型结构高聚物的弹性、塑性好，硬度低，是热塑性材料。支链型结构近于线型结构热塑性材料。支链型结构近于线型结构 。体型。体型结构高聚物硬度高，脆性大，无弹性和塑性，结构高聚物硬度高，脆性大，无弹性和塑性，是热固性材料。是热固性材料。（二）高分子的聚集态结构（二）高分子的聚集态结构 (分子间结构分子间结构) 固态高聚物分为晶态和非晶态两大类，晶态为分子固态高聚物分为晶态和非晶态两大类，晶态为分子链排列规则的部分，而排列不规则的部分为非晶态。链排列规则的部分，而排列不规则的部分为非晶态。l一个大分子链可以穿一个大分子链可以穿过几个晶区和非晶区。过几个晶区和非晶

6、区。晶区熔点、密度、强度、晶区熔点、密度、强度、硬度、刚性、耐热性、硬度、刚性、耐热性、化学稳定性高，而弹性、化学稳定性高，而弹性、塑性、冲击强度下降。塑性、冲击强度下降。 三、塑料的加工性能三、塑料的加工性能 （一）热塑性塑料的加工性能（一）热塑性塑料的加工性能 1 玻璃态：玻璃态：低温下，链段不能运动。在外力作用下，低温下，链段不能运动。在外力作用下，只发生大分子原子的微量位移，产生少量弹性变形。只发生大分子原子的微量位移，产生少量弹性变形。l高聚物呈玻璃态的高聚物呈玻璃态的最高温度称玻璃化温最高温度称玻璃化温度，用度，用g表示。表示。用于用于这种状态的材料有塑这种状态的材料有塑料和纤维。

7、料和纤维。 聚合物的玻璃化温度是指聚合物的玻璃化温度是指线型非结晶聚合物由线型非结晶聚合物由玻璃态玻璃态(硬脆状态硬脆状态)向高弹态向高弹态(橡胶弹性态橡胶弹性态)、或由后、或由后者向前者转变的温度。者向前者转变的温度。当温度低于玻璃化温度时，当温度低于玻璃化温度时，聚合物中的大分子链段凝固成坚硬的固态。当温聚合物中的大分子链段凝固成坚硬的固态。当温度高于玻璃化温度时，大分子链段就拥有了足够度高于玻璃化温度时，大分子链段就拥有了足够的自由活动能量，但此时还不是整个大分子链段的自由活动能量，但此时还不是整个大分子链段在运动，故表现出来的还是在运动，故表现出来的还是高弹性橡胶高弹性橡胶的性质，的性

8、质，此时，聚合物中的自由容积会突然增加。玻璃化此时，聚合物中的自由容积会突然增加。玻璃化温度主要与聚合物中温度主要与聚合物中大分子键的柔性大分子键的柔性有关。另外，有关。另外，大分子的交联、结晶取向大分子的交联、结晶取向等都会使升高。等都会使升高。 2 高弹态：高弹态：温度高于温度高于g，分子活动能力增加，受力时，分子活动能力增加，受力时产生很大弹性变形。用于这种状态高聚物是橡胶。产生很大弹性变形。用于这种状态高聚物是橡胶。 3 粘流态：粘流态：由于温度高，分子活动能力很大，在外力由于温度高，分子活动能力很大，在外力作用下，大分子链可以相对滑动。粘流态是高分作用下，大分子链可以相对滑动。粘流态

9、是高分子材料的加工子材料的加工态，大分子链开态，大分子链开始发生粘性流动始发生粘性流动的温度称粘流温的温度称粘流温度，用度，用f表示。表示。 玻璃态是聚合物的使用状态玻璃态是聚合物的使用状态,g称为玻璃化温度称为玻璃化温度,为衡量制品使用范围的标致之一为衡量制品使用范围的标致之一,g越高，制品对环越高，制品对环境温度适应性越强；境温度适应性越强； f为粘流温度，是聚合物从高弹态转为粘流态的为粘流温度，是聚合物从高弹态转为粘流态的温度；温度； m为熔点，是聚合物的熔融温度；为熔点，是聚合物的熔融温度； d为热分解温度，是聚合物高温下开始分解的温为热分解温度，是聚合物高温下开始分解的温度；度；f(

10、m) d温度区间大时，塑料熔体的热稳定性好，温度区间大时，塑料熔体的热稳定性好，可在较宽温度范围内变形和流动。可在较宽温度范围内变形和流动。（二）热固性塑料的加工性能（二）热固性塑料的加工性能 常用热固性塑料有酚醛、氨基（三聚氰胺、脲醛）聚酯、常用热固性塑料有酚醛、氨基（三聚氰胺、脲醛）聚酯、聚邻苯二甲酸二丙烯酯等。主要用于压塑、挤塑、注射成形。聚邻苯二甲酸二丙烯酯等。主要用于压塑、挤塑、注射成形。硅酮、环氧树脂等塑料，目前主要作为低压挤塑封装电子元硅酮、环氧树脂等塑料，目前主要作为低压挤塑封装电子元件及浇注成形等用。件及浇注成形等用。 热塑性塑料热塑性塑料：在加工过程中，一般只起物理变化。即

11、在：在加工过程中，一般只起物理变化。即在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料。特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料。 热固性塑料热固性塑料：在加工过程中起化学变化，受热时，开始：在加工过程中起化学变化，受热时，开始被软化而具有一定的可塑性，但随着进一步加热，树脂就硬被软化而具有一定的可塑性，但随着进一步加热，树脂就硬化定型，若再加热也不会变软或改变其形状，不熔不溶性物化定型，若再加热也不会变软或改变其形状，不熔不溶性物料的树脂，一般称热固性塑料。热固性塑料通常耐高温，一料的树脂，一般称热固性塑料。热固性塑料通常耐高温，一般不能重复再塑制，仅能粉碎后用作填料。般不能重复再塑制，仅

12、能粉碎后用作填料。 rvtdddd四、塑料的流变性四、塑料的流变性()nndKKdra 1naKa n1时，称为膨胀性液体；时，称为膨胀性液体； n=1时，且只有切应力达到或超过一定值后才能时，且只有切应力达到或超过一定值后才能流动的，称为宾号体。流动的，称为宾号体。不同类型流体的流变 曲线a五、塑料的基本力学性质五、塑料的基本力学性质固态塑料的第一个力学特性是蠕变特性。 如果把一个由热塑性树脂制成的细长板的一如果把一个由热塑性树脂制成的细长板的一端挂上重物端挂上重物,在放置了一个较长的时间后在放置了一个较长的时间后,就就会发现板的长度在随着时间一点一点地增大会发现板的长度在随着时间一点一点地

13、增大,而且即使把重物取下来而且即使把重物取下来,板的长度也不会再恢板的长度也不会再恢复复,我们把这种现象称为蠕变我们把这种现象称为蠕变. 固态塑料的第二个力学特性是应力松弛。 如果在板的两端加上拉应力或者压应力并使之保持在一定的长度,同样在放置了一个较长的时间后,就会发现所加的应力在逐渐变小甚至变为零,我们把这种现象叫做应力松弛. 固态塑料的第三个力学特性是应变速率保持为常数时的拉伸特性。 六、六、 塑料成形过程的物理和化学变化塑料成形过程的物理和化学变化2 2）聚合物取向）聚合物取向 聚合物的大分子及其链段或结晶聚合物的微晶粒子在应力聚合物的大分子及其链段或结晶聚合物的微晶粒子在应力作用下形

14、成的有序排列叫做取向。作用下形成的有序排列叫做取向。 塑料在成形过程中会发生不同类型的取向。一种是流动取塑料在成形过程中会发生不同类型的取向。一种是流动取向，另一种是拉伸取向。向，另一种是拉伸取向。 取向会使制品产生明显的各向异性取向会使制品产生明显的各向异性: : 其不利之处为增加了制品翘曲的可能性；有利之处为制品受其不利之处为增加了制品翘曲的可能性；有利之处为制品受力方向与取向方向一致可改善制品质量。同时使结晶提前，使力方向与取向方向一致可改善制品质量。同时使结晶提前，使制品密度和强度都相应提高。另外，取向程度的提高会使线收制品密度和强度都相应提高。另外，取向程度的提高会使线收缩率增加，线

15、膨胀系数也随之变化。缩率增加，线膨胀系数也随之变化。塑料的成型方法塑料的成型方法n注射（塑）成型注射（塑）成型n挤出成型挤出成型n压缩成型压缩成型n压铸成型压铸成型n吹塑成型等。吹塑成型等。 据统计，目前注射制品约占所有塑料制品总产量的据统计，目前注射制品约占所有塑料制品总产量的30%30%，占工程塑料制品的，占工程塑料制品的80%80%，故注射成形是一种最主要的成，故注射成形是一种最主要的成型方法型方法。 下图是注射成型过程示意图。成型时，先将粉状或粒状下图是注射成型过程示意图。成型时，先将粉状或粒状物料从料斗送入高温机筒内加热熔融塑化使之成为粘流态熔物料从料斗送入高温机筒内加热熔融塑化使之

16、成为粘流态熔体，然后在柱塞或螺杆的高压推动下以很大的流速通过喷嘴体，然后在柱塞或螺杆的高压推动下以很大的流速通过喷嘴注射进入温度较低的闭合模具中。熔体在压力作用下充满型注射进入温度较低的闭合模具中。熔体在压力作用下充满型腔并被压实，经过一段保压后柱塞或螺杆回程。此时，熔体腔并被压实，经过一段保压后柱塞或螺杆回程。此时，熔体可能从型腔向浇注系统倒流。冷却定型后开启模具，制品便可能从型腔向浇注系统倒流。冷却定型后开启模具，制品便可从模腔中脱出。可从模腔中脱出。注塑成型过程注塑成型过程a)加热熔融塑化加热熔融塑化 b)充模、压实、保压、充模、压实、保压、倒流倒流 c)冷却定型、脱模冷却定型、脱模1料

17、斗料斗 2机筒机筒 3喷嘴喷嘴 4分流锥分流锥 5柱塞柱塞注塑周期中塑料熔体和模具温度随时间的变化曲线注塑周期中塑料熔体和模具温度随时间的变化曲线 1熔体熔体 2模具温度模具温度 当塑料熔体流入型腔时熔体温度稍有升高。当型腔压力迅速上升时熔体温度也上升到最高值。随着保压阶段的开始，熔体逐渐冷却，温度下降。型腔充填过程可以分为三个阶段，但为了避免和程序注塑型腔充填过程可以分为三个阶段，但为了避免和程序注塑中采用的阶段相混淆，习惯上不叫阶段，而称为相。中采用的阶段相混淆，习惯上不叫阶段，而称为相。（）充填相（）充填相 在充填相中，注塑机的柱塞以稳定的速度向前运动，将塑在充填相中，注塑机的柱塞以稳定

18、的速度向前运动，将塑料熔体注入型腔。充填相一直继续到型腔恰好充满为止。料熔体注入型腔。充填相一直继续到型腔恰好充满为止。（）增压相（）增压相( (或称压缩相或称压缩相) ) 在增压相，注塑机柱塞仍继续向前运动。塑料熔体仍不断在增压相，注塑机柱塞仍继续向前运动。塑料熔体仍不断注入型腔，一直到模具承受到一定压力为止。注入型腔，一直到模具承受到一定压力为止。 在增压相开始时，塑料熔体己将型腔充满，柱塞向前运动在增压相开始时，塑料熔体己将型腔充满，柱塞向前运动的速度也已下降，但仍要向前移动一段距离，这是因为塑的速度也已下降，但仍要向前移动一段距离，这是因为塑料熔体有很大的可压缩性，在此相中约有料熔体有

19、很大的可压缩性，在此相中约有1515的额外材料的额外材料在压力作用下进入型腔。在压力作用下进入型腔。（）补偿相（）补偿相塑料由熔态冷却至固态时体积变化约有塑料由熔态冷却至固态时体积变化约有2525，而在增压相最多，而在增压相最多只补充了约只补充了约1515的材料，故补偿相总是必须的。的材料，故补偿相总是必须的。充填相的流动前沿充填相的流动前沿 前沿区流速分布示意图前沿区流速分布示意图 充填时的取向和残余应力 补偿相流动简图 在补偿相中，熔体的流动是不稳定的，流动形态与河流三角洲的流道很相似 形成这种流动图像的原因有以下几个方面。形成这种流动图像的原因有以下几个方面。（）温度的变化（）温度的变化

20、来自注塑机料筒的熔体其本身温度就不均匀，可以测出，在特来自注塑机料筒的熔体其本身温度就不均匀，可以测出，在特殊情况下，此温差可以达到约殊情况下，此温差可以达到约4040。温度高的熔体粘度低，流速快，。温度高的熔体粘度低，流速快，使得更多的熔体流入此高温区，造成此区熔体温度进一步升高，进使得更多的熔体流入此高温区，造成此区熔体温度进一步升高，进一步促进了该区域的流动，最后形成了类似河流三角洲的图像。一步促进了该区域的流动，最后形成了类似河流三角洲的图像。（）熔体内部温度的不稳定性（）熔体内部温度的不稳定性若熔体中某一部分较其余部分温度稍高，则该部分就会因粘度若熔体中某一部分较其余部分温度稍高，则

21、该部分就会因粘度低而流速高，这样就会将更多的熔体带入该区，使该区得以维持较低而流速高，这样就会将更多的熔体带入该区，使该区得以维持较高的温度、较低的粘度和较快的流速。因为河道外熔体大块的温度高的温度、较低的粘度和较快的流速。因为河道外熔体大块的温度较河道中熔体的温度低，因而会先于流道中熔体而凝固并收缩。而较河道中熔体的温度低，因而会先于流道中熔体而凝固并收缩。而河道内熔体不但温度稍高，取向和收缩率亦大，冷却凝固时受到已河道内熔体不但温度稍高，取向和收缩率亦大，冷却凝固时受到已凝固的河道外材料的限制而形成拉伸残余应力，而河道外材料则形凝固的河道外材料的限制而形成拉伸残余应力，而河道外材料则形成压

22、缩残余应力，这种不均匀收缩而造成的残余应力也是造成制品成压缩残余应力，这种不均匀收缩而造成的残余应力也是造成制品翘曲的重要原因之一。翘曲的重要原因之一。注塑件厚度取向变化情况注塑件厚度取向变化情况 等温条件下剪应力沿厚向的变化 非等温条件下厚向取向分布 松弛前后取向沿厚向的分布注塑件流动前沿为零级黑，表示流动前沿无取向；从流动前沿出发逆流而上，取向级别逐渐升高，至浇口前一定距离处达列最大，之后，取向级别又逐渐降低。 残余应力(Residual stress)可以定义为无外力作用下存在于物体内部任意点的局部应力。残余应力所产生的合力或力矩必须为零。 流动残余应力流动残余应力 流动应力主要出现于型

23、腔充填阶段，保压对流动应力只起到补充作用。注塑时，熔体中的高应变速率引起了剪应力和第一、第二正应力差。 残余应力残余应力 残余应力是塑料熔体在模内流动和冷却过程产生的。在注射和保压阶段，塑料受到不均衡的高剪切应力和正应力作用，导致塑件内产生残余应力，称残余流动应力。由于注射模温度不均匀，更因模内塑件很快冷却固化，在温差作用下造成塑件的热应力，称为温度残余应力。 高等学校应用型特色规划教材 热残余应力 图15-16 厚度为0.3cm的PMMA板从170（曲线1）和130（曲线2）淬火至0，以及厚度为0.26cm的PS板从150（曲线3）和130（曲线4）淬火至23时厚向热应力分布图15-17 厚

24、度为0.3cm的PMMA板从170淬火至22（曲线1）和0（曲线2）时厚向热应力分布一、翘 曲 翘曲(Warp)是塑料制品的一个主要缺陷，大型薄壁精密注塑件的翘曲问题更加突出，造成注塑制品翘曲的原因很多，主要有收缩不均匀，结晶度不均匀，冷却不均匀，过度充填等四个方面。矩形注塑板的翘曲 注塑制品厚度不同引起的不均匀收缩冷却不均引起的翘曲过度充填过度充填(Over filling)(Over filling)是引起制品翘曲的最常是引起制品翘曲的最常见的原因之一。过度充填是由于流动不平衡所引起的。见的原因之一。过度充填是由于流动不平衡所引起的。在型腔充填过程中，熔体总是首先流向最容易流动的在型腔充填

25、过程中，熔体总是首先流向最容易流动的部位，因此，当型腔中的某一区域较其余区域更容易部位，因此，当型腔中的某一区域较其余区域更容易流入时，熔体将首先充满此区域。由于塑料熔体是高流入时，熔体将首先充满此区域。由于塑料熔体是高度可压缩的，故在熔体充填其余区域的同时，将以逐度可压缩的，故在熔体充填其余区域的同时，将以逐渐降低的流速继续充填易流入区，使此区域密度加大，渐降低的流速继续充填易流入区，使此区域密度加大，取向水平提高，这种情况称为过度充填。遭受过度充取向水平提高，这种情况称为过度充填。遭受过度充填的区域收缩率升高，使整个制品中各区域收缩率不填的区域收缩率升高，使整个制品中各区域收缩率不同而引起

26、翘曲。同而引起翘曲。 过度充填实例 快车道效应实例 截面厚度不同时注射速度对充填性的影响 当制品壁厚有明显差异时，熔体将首先充填厚壁，同时到达薄壁，并可能在薄壁处滞留、损失热量并凝固。厚壁充满后，全部压力作用于充填薄壁。然而，由于薄壁处已经凝固，故仍有充填不满的危险。改变注射速度或提高熔体和模具温度可以改善这种情况。 采用多浇口充填型腔时，来自不同浇口的熔体相互汇合，可能造成流动的停滞和转向。注塑充填时，理想的流动情况是简单流动，即具有平直前沿、流动方向和流动速度不变的流动。复杂流动往往会降低制品质量，故浇口数量的选择和布置以及确定浇注系统截面尺小等，目的都是希望得到简单流动图像。潜流效应 （a）熔接线； （b）融合线流动前沿相遇时形成的熔接线和融合线 熔合线与熔接线类似，只是相互熔合的流动前沿是平行运动，而不是迎头相遇 图15-26 凹陷痕迹图15-27 热引起的不稳定流动当两个相同型腔温度相同时，造成不稳定流动的原因可简述如下，若型腔B后充满，则因热量来不及从型腔B表面散失，故温度稍高于先被充满的型腔A，下次注塑时熔体就会首先充满型腔B，后充满型腔A，这样又会使得型腔A的温度稍高于型腔B，再下一次注塑时就首先充满型腔A，这样就形成了始终如一的不稳定流动。