工業(yè)設計材料與工藝-塑料

1、第三章 工程塑料及其加工技術塑料,本章主要內容,第一節(jié) 常用工程塑料及其性質第二節(jié) 工程塑料的成型技術與工藝第三節(jié) 表面處理與裝飾技術,第一節(jié) 常用工程塑料及其性質,高分子材料,塑料屬高分子材料，高分子材料又稱高分子化合物或高分子聚合物（高聚物），是以高分子化合物為主要成份的有機材料。高分子材料分兩類：天然高分子材料蠶絲、羊毛、纖維素、油脂、天然橡膠、淀粉、蛋白質等人工合成高分子材料塑料、合成橡膠、合成纖維、膠粘劑、涂料等

2、工程上使用的主要是人工合成的高分子材料。,高分子化合物——是指相對分子質量很大的化合物（5000以上乃至幾百萬）低分子化合物——相對分子質量在500以下。 在這個數量之間的根據其性能來確定。,高分子材料,一般性能： 高分子化合物一般有較好的彈性、塑性和強度，低分子化合物這些性能較低。所以，高分子化合物是相對分子量大到使其機械性能具有工程意義的化合物。,高分子材料,幾個概念：單體高分子化合物由低分子化合物體通過聚核

3、反應獲得，組成高分子化合物的低分子化合物稱作單體。鏈節(jié)大分子鏈由許多結構相同的基本單元重復連接構成，組成大分子鏈的這種結構單元稱作鏈節(jié)。,高分子材料,高分子材料,高分子材料,一種或幾種單體相互加成而鏈結成聚合物的反應。（應用80%以上）例：聚乙烯的反應方程式,聚合反應：加（成）聚合反應,一種或幾種單體相互混合而連結成聚合物，同時析出（縮去）某種低分子物質（如：水、氨、醇、鹵化氫等）的反應。反應生成物成份與單體不同，反應較復雜。少用

4、。,縮（合）聚（合）反應,化學組成組成大分子鏈的化學元素主要是碳、氫、氧，另外還有氮、氯、氟、硼、硅、硫等元素，其中碳是形成大分子鏈的主要元素。大分子鏈的原子以共價鍵結合，其組成元素不同，原子間共價鍵力就不同，高分子材料的性能亦不同。,大分子鏈的化學組成、形態(tài)和聚合態(tài),形態(tài)：分子鏈的形態(tài)對聚合物性能有顯著影響。大分子鏈可呈現不同的幾何形狀，主要有線型、支化型、和體型（或網型）三類。,大分子鏈的化學組成、形態(tài)和聚集態(tài),高分子材料的

5、聚合態(tài)：晶態(tài)部分結晶態(tài)非晶態(tài)（玻璃態(tài)）,大分子鏈的化學組成、形態(tài)和聚合態(tài),高分子材料的性能,機械性能：高聚物的物理、力學狀態(tài)線性非晶態(tài)高聚物的三種力學狀態(tài)： 線性非晶態(tài)高聚物在不同溫度下表現出三種物理狀態(tài)，即玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)。,塑料概念以天然樹脂或合成樹脂（也稱合成高分子化合物，因外觀似天然樹脂如琥珀、松香、蟲膠等而得名）為原料，在一定溫度和壓力條件下，可以用模具使其成型為具有一定形狀和尺寸的塑料制件，當外力解除

6、后，在常溫下其形狀保持不變。多數以合成樹脂為基本成分，一般含有添加劑如：填料、穩(wěn)定劑，增塑劑、色料或潤化劑等。,塑料的特點比重小，比強度大；耐腐蝕，耐磨，絕緣，減磨，消聲，減震；易成型，易復合等優(yōu)良的綜合性能。,易老化耐熱性差剛性差尺寸穩(wěn)定性差,塑料生產（樹脂或半制品生產）塑料制品的生產（塑料成型工業(yè) or 加工工業(yè)）,塑料工業(yè),,塑料制品的簡單生產流程,塑料制品生產系統(tǒng)組成成型、機械加工、修飾三個過程組成。,原料,

7、,,,樹脂,塑料生產,塑料制品,塑料,塑料制品生產,,,,,1 合成樹脂（高聚物）是由低分子化合物通過縮聚或加聚反應合成的高分子化合物,如酚醛樹脂、聚乙烯等,是塑料的主要組成,也起粘接劑作用。合成樹脂在塑料中的含量約占40%~100%，對塑料的性能起決定性作用。,塑料的組成,2．添加劑 為改善性能而加入的其他組分,主要有以下幾種：(1)填料或增強材料填料在塑料中主要起增強作用。有時也可改善或提高塑料的某些特殊性能,以擴大

8、其應用范圍。填料的用量可達20%~50%, 是塑料改性最重要的組成。例如：加入石墨、石棉纖維或玻璃纖維等,可以改善塑料的機械性能；加人石棉粉可提高塑料的耐熱性；加入云母粉可提高塑料的電絕緣性；加入二硫化鉬等可提高塑料的自潤滑性；加入鋁粉可提高塑料對光的反射能力等。,塑料的組成,2．添加劑(2)固化劑它的作用在于通過交聯(lián)使樹脂具有體型網狀結構,成為較堅硬和穩(wěn)定的塑料制品。例如：在酚醛樹脂中加入六亞甲基四胺；在環(huán)氧樹脂

9、中加入乙二氨、順丁烯二酸酐等。,塑料的組成,2．添加劑(3) 增塑劑用以提高樹脂可塑性和柔性的添加劑。常用的為液態(tài)或低熔點的固體有機化合物。例如：聚氯乙烯樹脂中加入鄰苯二甲酸二丁酯,可變?yōu)橄鹉z一樣的軟塑料。,塑料的組成,2．添加劑(4)穩(wěn)定劑為了防止受熱、光等的作用使塑料過早老化,加入少量能起穩(wěn)定化作用的物質。例如：能抗氧的物質有酚類和胺類等有機物;炭黑則可作紫外線吸收劑。其他一些添加劑,如潤滑劑、著色劑、阻燃劑、抗靜

10、電劑和發(fā)泡劑等。,塑料的組成,塑料的特性,塑料能自由成型并易加工。雖然塑料制品的性能,根據其種類、成型條件及使用環(huán)境等變化較大,但與其它材料相比較,塑料具有良好的綜合特性。1 多數塑料制品有透明性,并富有光澤,能著鮮艷色彩。,2 質輕,耐振動與沖擊,比強度高（按單位質量計算的強度）塑料比金屬輕,一般塑料比重在0.9~2.3之間(各種泡沫塑料的比重在0.01~0.5之間)；強度較高，有些增強塑料的比強度接近甚至超過鋼材。例如合金鋼

11、材，其單位質量的拉伸強度為160兆帕，而用玻璃纖維增強的塑料可達到170 ~ 400兆帕。大多數塑料具有優(yōu)良的減摩、耐磨和自潤滑特性。如工程塑料制造的耐摩擦零件；在耐磨塑料中加入某些固體潤滑劑和填料時，可降低其摩擦系數或進一步提高其耐磨性能。 減震消音，具有柔韌性和彈性,塑料的特性,3 塑料電絕緣性、熱物理性能好。幾乎所有塑料都具有優(yōu)異的電絕緣性能，如極小的介電損耗和優(yōu)良的耐電弧特性，可與陶瓷媲美導熱率極小,只有金屬的1/60

12、0~1/200,泡沫塑料的導熱率與靜態(tài)空氣相當,因此被廣泛用作絕熱保溫材料或建筑節(jié)能、冷藏等絕熱裝置材料。,塑料的特性,4 優(yōu)良的化學穩(wěn)定性能一般塑料對酸堿等化學藥品均有良好的耐腐蝕能力特別的如，聚四氟乙烯的耐化學腐蝕性能比黃金還要好，甚至能耐"王水"等強腐蝕性電解質的腐蝕，被稱為"塑料王"。,塑料的特性,5 塑料成型容易、加工方便,能大批量生產容易進行切削、焊接、表面處理等二次加工,精加工

13、成本低,用塑料制品代替金屬制品,可以節(jié)約大量金屬材料。,塑料的特性,塑料與金屬及其它工業(yè)材料相比較有如下缺點：1 塑料不耐高溫,低溫容易發(fā)脆多數塑料雖不易燃燒,但在300℃以上發(fā)生變形,燃燒時放出有毒氣體。由于耐熱性較差,使塑料的用途受到限制,塑料的缺點,2 塑料制品易變形溫度變化時尺寸穩(wěn)定性較差,成型收縮較大,即使在常溫負荷下也容易變形。3 塑料有“老化”現象塑料在長時間使用或貯藏過程中,質量會逐漸下降。這是由于受周圍環(huán)境如

14、氧氣、光、熱、輻射、它是塑料制品性能的一個嚴重缺陷。,塑料的缺點,塑料的分類,塑料的分類體系比較復雜，各種分類方法也有所交叉，按常規(guī)分類主要有以下三種：一是按使用特性分類；二是按理化特性分類；三是按加工方法分類。,通常分通用塑料、工程塑料和特種塑料三種。,1）通用塑料 一般是指原料來源豐富、產量大、應用面廣、成型性好、價格便宜的塑料,如聚乙烯、聚丙烯、酚醛等,塑料的分類——1、按使用特性分類,2) 工程塑料 　　一般指能承受

15、一定外力作用，具有良好的機械性能和耐高、低溫性能，尺寸穩(wěn)定性較好，可以用作工程結構的塑料，如聚酰胺、聚砜等。 分為以下兩大類。通用工程塑料：聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、改性聚苯醚、熱塑性聚酯、超高分子量聚乙烯、甲基戊烯聚合物、乙烯醇共聚物等特種工程塑料：交聯(lián)型：聚氨基雙馬來酰胺、聚三嗪、交聯(lián)聚酰亞胺、耐熱環(huán)氧樹指等。非交聯(lián)型：聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚酰亞胺、聚醚醚酮（PEEK）等 具有較高物理機械性能，應用于工程技術領域,塑料的分

16、類——1、按使用特性分類,3) 特種塑料 一般是指具有特種功能，可用于航空、航天等特殊應用領域的塑料。如氟塑料和有機硅具有突出的耐高溫、自潤滑等特殊功用增強塑料和泡沫塑料具有高強度、高緩沖性等特殊性能,塑料的分類——1、按使用特性分類,4) 增強塑料在外形上可分為粒狀（如鈣塑增強塑料）纖維狀（如玻璃纖維或玻璃布增強塑料）片狀（如云母增強塑料）按材質可分為布基增強塑料（如碎布增強或石棉增強塑料）無機礦物填充塑料（如石英

17、或云母填充塑料）纖維增強塑料（如碳纖維增強塑料）,塑料的分類——1、按使用特性分類,5) 泡沫塑料可分為硬質、半硬質和軟質泡沫塑料三種。硬質泡沫塑料沒有柔韌性，壓縮硬度很大，只有達到一定應力值才產生變形，應力解除后不能恢復原狀；軟質泡沫塑料富有柔韌性，壓縮硬度很小，很容易變形，應力解除后能恢復原狀，殘余變形較?。话胗操|泡沫塑料的柔韌性和其他性能介于硬質他軟質泡沫塑料之間,塑料的分類——1、按使用特性分類,1) 熱固性塑料

18、 指在受熱或其他條件下能固化或具有不溶（熔）特性的塑料，如酚醛塑料、環(huán)氧塑料等。又分兩種： 甲醛交聯(lián)型：包括酚醛塑料、氨基塑料（如脲－甲醛－三聚氰胺－甲醛）其他交聯(lián)型：包括不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂、鄰苯二甲二烯丙酯樹脂等 2) 熱塑料性塑料指在特定溫度范圍內能反復加熱軟化和冷卻硬化的塑料，如聚乙烯、聚四氟乙烯等又分烴類、含極性基因的乙烯基類、工程類、纖維素類等多種類型,塑料的分類——2、按按理化特性分類,熱固性塑料和熱塑

19、料性塑料的溫度依賴性,根據不同成型方法，分膜壓、層壓、注射、擠出、吹塑、澆鑄塑料和反應注射塑料等膜壓塑料 多為物性和加工性能與一般熱固性塑料相類似的塑料；層壓塑料 指浸有樹脂的纖維織物，經疊合、熱壓而結合成為整體的材料；注射、擠出和吹塑 多為物性和加工性能與一般熱塑性塑料相類似的塑料；澆鑄塑料 是指能在無壓或稍加壓力的情況下，傾注于模具中能硬化成一定形狀制品的液態(tài)樹脂混合料，如MC尼龍等；反應注射塑料 是用液態(tài)原材料，加壓注入

20、膜腔內，使其反應固化成一定形狀制品的塑料，如聚氨酯等,塑料的分類——3、按加工方法分類,塑料的分類——4、其他分類方法,常用塑料及其應用,熱塑性塑料五大品種：PE、PVC、PS、PP、ABS氟塑料高分子復合材料：玻璃鋼、碳纖維增強塑料,1．聚乙烯（PE塑料）,由乙烯聚合而成，分子式：（CH2—CH2）n其原料充足，產量一直是世界塑料產量的首位，在我國具第二位，僅次于PVC塑料，屬易加工塑料分類：第一類：PE-HD 對于密度

21、為0.91-0.925g/cm3，為第一類型PE-HD；對于密度為 0.926-0.94g/cm3，為第二類型PE-HD；對于密度為0.94-0.965g/cm3，為第三類型PE-HD。第二類：PE-LD特點：在所有塑料中密度較低,PE-HD是高結晶材料，高結晶度導致了它的高密度、抗張力強度、高扭曲溫度，粘性以及化學穩(wěn)定性PE-HD比PE-LD抗?jié)B透性強、但抗沖擊強度較低PH-HD的特性主要由密度和分子量分布所控制

22、PE-LD是半結晶材料，成型后收縮率較高，在1.5%到4%之間。分子量越高，PH-LD的流動特性越差，但是有更好的抗沖擊強度。,1．聚乙烯（PE塑料）,性能：由于其在密度、結晶度、分子量方面的差異其性能差異是較大的。一般，低密度聚乙烯的機械性能較高密度聚乙烯稍差，制品較高密度聚乙烯軟。無毒。電絕緣性能、耐化學腐蝕性能、耐低溫性能和流動性能優(yōu)良。柔順性、熱塑性、彈性、透氣性好；透水性差。,1．聚乙烯（PE塑料）,性狀：白色或淺

23、白色臘狀半透明固體。薄膜狀聚乙烯幾乎透明。常用方面： 薄膜 線型低密度聚乙烯地膜覆蓋用薄膜（應用最多）、農用大棚薄膜、包裝用薄膜、果品保鮮用薄膜、防化膜、其他吹塑超薄薄膜等,1．聚乙烯（PE塑料）,常用方面：管材 線性低密度聚乙烯軟管用于電線、電纜絕緣護管、套；管可用于煤氣管、自來水上下水管、農用暗管、60℃以下耐蝕性輸液管道等。塑料容器 高密度聚乙烯可制作中空容器如周轉箱、瓦楞箱、桶、瓶、大型儲槽等機械零件 超高分子

24、量聚乙烯具有良好的耐磨性，用于各種機械零部件做不粘、耐磨、低噪音的潤滑部件，如密封圈、軸承、低載的齒輪、人體關節(jié)等。用火焰法或靜電法噴覆于金屬表面，已提高耐磨性及耐腐蝕性，如家電外殼。,1．聚乙烯（PE塑料）,常用方面：日用品 皂合（常用著色劑：熒光黃、透明紅、熒光綠）塑料袋、藥品瓶、油桶、餐具、玩具、花、日用雜品等。 其他 板材（即出版材、片材）人造革單絲泡沫塑料及其制品,1．聚乙烯（PE塑料）,2．聚丙烯（PP）,屬

25、易加工塑料。分子式：,特點：由于分子鏈上掛有側基CH3,不利于分子排列的規(guī)整度和柔性，使剛性增大。相對密度在塑料里最小，僅為0.90—0.91/cm3。時塑料中最輕的塑料。性狀：制品表面低透明度、低光澤度，透明好于聚乙烯，易著色。,2．聚丙烯（PP）,性能：機械性能(強度、硬度、和彈性等)均高于聚乙烯。拉伸強度為32—40兆帕彎曲強度為40—55兆帕抗彎折能力強，抗沖擊強度高PP的強度隨著乙烯含量的增加而增大。由于結

26、晶度較高，這種材料的表面剛度和抗劃痕特性很好，不存在環(huán)境應力開裂問題。通常采用加入玻璃纖維、金屬添加劑或熱塑橡膠的方法對PP進行改性。耐高溫（100℃以下可長期工作），低溫性能稍差優(yōu)良的電絕緣性和耐腐蝕性能在常溫下耐酸、堿腐蝕沖擊韌性差，抗老化差，透氣性比PE大,2．聚丙烯（PP）,常用方面：工農業(yè) 噴灌管、化工管道、板材、電纜包覆和護套、打包帶、包裝袋、瓦楞板等 機械零件 法蘭、齒輪、手把、接頭、汽車水、油箱殼體、

27、電視機殼體等日用品 水杯、食具、玩具、飲料、藥品容器、包裝薄膜如玻璃紙透明。紡織品 丙綸纖維、無紡布等。另外 聚丙烯改性后，大大擴展了其用途，可做成仿木材。發(fā)泡制品可作包裝材料使用。,2．聚丙烯（PP）,用聚丙烯扁片和標準的照明設備設計可自行組裝的燈飾,聚丙烯板提供了多種顏色和印刷工藝,從而使這種材料在外形上為日常用品的生產提供了許多無盡的可能性.可用于家具,包裝,照明設備,文具,墊。,3．聚氯乙烯(PVC),由

28、乙炔氣體和氯化氫合成氯乙烯，再聚合而成,是熱塑性塑料。分子式：,特點：聚氯乙烯的分子鏈中存在極性氯原子,增大了分子間的作用力,阻礙了單鏈內旋,減小了分子鏈間距離,所以剛度、強度和硬度均比聚乙烯高。質硬、耐老化性好。優(yōu)點：具有輕質、防水、防潮隔熱、保溫、防潮、阻燃、施工簡便等。規(guī)格、色彩、圖案繁多，極富裝飾性，可應用于居室內墻和吊頂的裝飾，是塑料類材料中應用最為廣泛的裝飾材料之一。缺點：怕火，不耐高溫，在較熱的環(huán)境中工作容易變形。

29、,3．聚氯乙烯(PVC),性能：硬質聚氯乙烯（薄璃球樹脂）加人少量增塑劑、穩(wěn)定劑和填料獲得，具有較高的機械強度和較好的耐蝕性（酸、堿）。拉伸強度為40—50兆帕。軟質聚氯乙烯（棉花球樹脂） 增塑劑加入量達30%~40%時,制得軟質聚氯乙烯,其延伸率高,制品柔軟,具有良好的耐蝕性和電絕緣性。拉伸強度在10—20兆帕。,3．聚氯乙烯(PVC),性狀：白色粉末，密度1.4。常用方面：工農業(yè) 農用薄膜（透氣、透紫外線）、雨布耐

30、酸、堿管、絕緣層、電線管、醫(yī)藥衛(wèi)生器具國防 結構零件建材 墻板、天花板、目前大量用于飾條、室內門窗、塑鋼門窗等。,3．聚氯乙烯(PVC),聚乙烯薄膜與聚氯乙烯薄膜的鑒別聚乙烯薄膜 無毒，可盛放食物，強度差些，不能受80℃以上高溫，有一定透氣性，不宜長期盛裝茶葉、香料等聚氯乙烯薄膜 毒性，不宜與食品直接接觸。常用于做雨衣、鞋底、床罩、窗簾、桌布、手提包等鑒別方法：（1）觸摸法 手摸起來有潤滑感，蠟感，是聚乙烯膜袋

31、，而聚氯乙烯薄膜摸起來有些發(fā)粘（2）抖動法 用手抖動，聲音發(fā)脆，質輕易漂浮是聚乙烯薄膜袋；聲音低沉為聚氯乙烯薄膜袋（3）燃燒法 易燃，火焰呈黃色，燃燒時有石蠟狀油滴落，并有蠟燭燃燒時的氣體，是聚乙烯薄膜袋。不易燃燒，離火即滅，火焰呈綠色，為聚氯乙烯薄膜袋（4）浸水法 將塑料袋浸入水中，用手按壓入水后，能浮出水面的為聚乙烯，沉入水底的為聚氯乙烯（聚乙烯的密度小于水，聚氯乙烯的密度大于水；常溫時分別約為0.92g/cm3和1

32、.4g/cm3）,4．聚苯乙烯（PS）,聚苯乙烯由苯乙烯單體聚合而成分子結構式：由于側基上有苯環(huán),分子間移動的阻力增大,結晶度降低,因而具有較大的剛度，是熱塑性塑料。,特點： 無色、無味、無毒、無嗅，具有光澤的透明固體。相對密度為1.04—1.09。剛度和表面硬度較大，尺寸穩(wěn)定性好，著色容易。,4．聚苯乙烯（PS）,性能：電絕緣性好,是很好的高頻絕緣材料。耐輻射性好。幾乎不吸水，具有優(yōu)良的耐蝕性（酸、堿）但溶于芳

33、香烴、氯代烴、酮類和酯類。缺點是抗沖擊性差,易脆裂、耐熱性不高,不耐熱水，耐油性有限。,4．聚苯乙烯（PS）,應用方面：用于制作透明或色澤鮮艷的各類制品，如文具、燈具、燈飾、室內外裝飾、化妝品裝飾、果盤電子工業(yè)、儀表設備外殼、車燈罩、光學零件（三棱鏡、透鏡）另外用懸浮法制成不同密度的泡沫塑料可做隔音包裝、隔音、防震、救生材料等。,4．聚苯乙烯（PS）,5. ABS塑料,是丙烯腈、丁二烯、苯乙烯的共聚物樹脂，具有上三種組分的特

34、點屬熱塑性塑料黑色顏料的ABS制品的耐候性好，在室外暴露兩年經太陽和大氣侵蝕，其外觀和性能都基本不變,特點：改變三種組分的配比，可是塑酯的性能和特點發(fā)生很大的變化。以適應不同產品的需要。丙烯腈使聚合物耐油、耐熱、耐化學腐蝕；丁二烯使聚合物具有卓越的柔性、韌性的橡膠的特點；苯乙烯使聚合物具有良好的剛性和熔融的加工流動性；,5. ABS塑料,性能： ABS樹脂具有高的堅韌性、剛性和化學穩(wěn)定性，并具有耐熱性和耐油性。 具有

35、突出的力學性能和綜合性能（加工溫度范圍寬，不需額外加助劑等）使其成為極其主要的一類工程塑料。,5. ABS塑料,應用方面：電器部件 電器外殼、電話機外殼、電視機外殼、筆記本電腦外殼、顯示器外殼等；汽車部件 臺面等用品 旅行箱、安全帽等；板材 電冰箱內襯、建筑門窗、百葉窗管材 ABS管、管件等其它 該材料電鍍性能良好，可獲得金屬質感的電器零件外觀、獎牌、飾件等。,5. ABS塑料,6．氟塑料

36、,是化合物大分子鏈中含有氟原子的塑料的總稱。特點：耐熱性和抗化學性能極為優(yōu)異；自潤滑性能優(yōu)良，具有目前已知材料的最低摩擦系數；具有抗粘防污、耐老化等特性。,種類：聚四氟乙烯（PTFE） 被稱為塑料王，抗化學腐蝕性能此類種之最四氟乙烯-六氟丙烯共聚物（FEP）聚偏二氟乙烯（PVDF）乙烯-四氟乙烯共聚物（ETPE）聚氟乙烯（PVF）聚三氟乙烯（PCTFE）等,6．氟塑料,應用方面：薄膜、管材、棒料、軸承、墊圈、閥門、