塑料的性能与应用强力推荐1.docx
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塑料的性能与应用强力推荐1
塑料的性能与应用
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一、塑料的定义
塑料概述
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塑料是一种具有可塑性的人造高分子有机化合物(树脂).
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塑料是指以有机合成树脂为主要成分,加入或不加入其他配合材料(助剂)而构成的人造材料.它通常在加热、加压条件下可塑制成具有一定形状的器件.
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所谓可塑性,是指象黏土那样,加力就变形,而撤除外力之后不恢复原状的性质.所谓弹性(弹力),是指施加一定程度的力就变形,但撤去所施加的力则恢复原状,这种性质叫弹性(例如:
橡胶),具有弹性的物体叫做弹性体(如:
松紧带);塑料就是利用这种加热时所产生的可塑性,加工成各种形状的.
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二、塑料的来源
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塑料是由低分子有机化合物(如:
乙烯、丙烯、苯乙烯、氯乙烯、乙烯醇等)在一定条件下聚合而成的高分子有机化合物(聚合物).构成塑料的分子,由于分子量都有在10000以上的高分子,所以说塑料是高分子化合物(高聚物).一般塑料分子中都含有碳(C)原子和氢(H)原子,有的塑料分子结构中含有少量氧(O)、硫(S)原子.塑料的基本原料是低分子碳、氢化合物,它是从石油、天然气或煤裂解物中提炼和合成出来的人造树脂.
三、塑料的发展过程
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不同塑料的开发生产时间:
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1920-1933:
聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)、聚丙烯(PP)
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1935:
丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)
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1939:
聚对苯二甲酸乙烯共聚物(ABS)
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1949:
聚酰胺(Nylon)
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1950:
聚甲基丙烯酸甲酯(Acrylic)
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1956:
聚甲醛(POM)
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1958:
聚碳酸酯(PC)
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1964:
聚氧化二甲亚苯(PPO)
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1965:
聚砜(PSF)
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1975:
聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)
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1985:
液晶塑料(LCP)
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1994:
改性为注塑级的PET(PETG)
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1995:
超弹性聚甲醛(TPOM)
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1996:
透明硬质聚氯乙烯
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自欺欺人1960后以后,塑料的应用和加工技术得到了突飞猛进的发展.
四、塑料的分类
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目前,塑料已发展到300多种,最常用的塑料有十几种.
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1、按塑料的应用领域分类
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一般分为通用塑料和工程塑料:
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通用塑料只可作为一般非结构性材料使用,其产量大、价格相对低廉、性能一
般,多用于制做日用品.(如:
PE、PP、PVC、PS、PMMA、EVA等)
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工程塑料是指具有较高力学性能及耐高温、耐腐蚀,可以作为结构性材料,具有优异的综合性能(包括:
机械性能、电性能、耐热性能、耐化学性能等),可在较宽阔的温度范围内和较长的时间内能良好地保持这种性能,并能在承受机械应力和较为苛刻的化学、物理环境中长期使用.被公认的七大工程塑料为:
ABS、PC、POM、PA、PET、PBT、PPO等,工程塑料的产量相对较少,价格较贵.另外,还有功能塑料(如:
LCP、人造器官等)、纳米塑料、降解塑料等.
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2、按塑料的结晶形态分类
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一般分为结晶性塑料和无定形塑料
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结晶性塑料是指在适当的条件下,分子能产生某种几何结构的塑料(如:
PE、PP、PA、POM、PET、PBT等),大多数的属于部分结晶态.无定形塑料是指分子形状和分子相互排列不呈晶体结构而呈无序状态的塑料(如:
ABS、PC、PVC、PS、PMMA、EVA、AS等),非结晶性塑料在各个方向上表现的的力学特性是相同的(各向同性).
3、按其受热时所呈现的基本行为分类
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一般分为热塑性塑料和热固性塑料
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热塑性塑料是指在特定的温度范围内,能反复加热软化和冷却变硬的塑料(如:
ABS、PP、POM、PC、PS、PVC、PA、PMMA等),它可以再回收利用.热固性塑料是指受热后成为不熔的物质,再次受热不再具有可塑性且不能再回收利用的塑料(如:
酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂、聚胺酯、发泡聚苯乙烯等).
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4、按塑料的透光性分类
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一般分为透明塑料半透明塑料和不透明塑料.
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透光率在88%以上的塑料称为透明塑料(如:
PMMA、PS、PC、Z-聚酯等),常用的半透明塑料有:
PP、PVC、PE、AS、PET、MBS、PSF等,不透明的塑料主要有POM、PA、ABS、HIPS、PPO等.
5、按塑料的硬度分类
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一般分为硬质塑料、半硬质塑料、和软质塑料
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常见硬质塑料有:
ABS、POM、PS、PMMA、PC、PET、
PBT、PPO等;
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半硬质塑料有:
PP、PE、PA、PVC等;
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软质塑料有:
软PVC、K胶(BS)、TPE、TPR、EVA、TPU
等.
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6、按塑料的化学结构分类
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A、聚烯烃类(如:
LDPE、MDPE、HDPE、LLDPE、
UHMWPE、PP等)
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B、聚苯乙烯类(如:
PS、AS、BS、ABS、MBS、HIPS等)
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C、聚酰胺类(如:
PA6、PA66、PA610、PA1010等)
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D、聚醚类(如:
PC、POM、PSF、PPO等)
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E、聚酯类(如:
PBT、PET等)
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F、丙烯酸酯类(如:
PMMA)
五、塑料的物理性能
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1.比重(密度)★
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塑料的比重是在一定的温度下,秤量试样的重量与同体积水的重量之比值,单位为g/cm3,常用液体浮力法作测定方法.
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2.吸水性★
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塑料的吸水性是指规定尺寸的试样浸入一定温度(25±2)℃的蒸馏水中,经过24小时后所吸收的水份量;吸收水份后影响其尺寸及形状,吸水率用重量表达时,常以%表示.
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3.透气性
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透气性是指一定厚度的塑料薄膜在一个大气压力下,一平方米的面积中,在24小时内所透过气体的体积(cm3)值,但透气量与薄腊厚度、面积、时间、温度、气压差值等有关.
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4.透湿性
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透湿性是指水蒸气对塑料薄膜的透过情况,基本原理及定义与透气性相
同.
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5.透明度
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透过物体的光通量和射到物体上的光通量之比称为透光度;在入射光方向上的散射光对所有透射光之比,称雾度或混浊度.雾度通常是半透明的,并对射入光有漫透的性质.
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6.拉伸强度
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拉伸强度是指在规定的试验温度、湿度和拉伸速度下,沿试样的纵轴
方向施加拉伸载荷,测定试样破坏时的最大载荷.
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7.压缩强度
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压缩强度是指在试样上施加压缩载荷至破裂(对脆性材料而言)或产生
屈服的强度(对非脆性材料而言).
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8.弯曲强度
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弯曲强度是指试样在两个支点上,施加集中载荷,使试样变形或直至破
裂时的强度.
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9.冲击强度
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冲击强度是指试样受冲击破断时,单位面积上所消耗的焦耳,对于某些冲击强度高的塑料,常在试样中间开有规定尺寸之缺口,这样可以降低它在破断时所需要的焦耳.
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不同的试件可用不同的试验方法:
落球式冲击试验、高速拉伸冲击试验.
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10.摩擦系数
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摩擦系数是指摩擦力与正压力之比值.在试样上加一个正压力,测定试
样刚性运动时的动和静比值.
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11.磨耗
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磨耗是指塑料在摩擦过程中,微粒从摩擦表面不断分离,引起摩擦件尺寸不断地改变的机械性破坏过程,也有称为磨损或磨蚀.
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12.硬度
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塑料硬度是指塑料抵抗其他硬物体压入的性能,通用的有洛氏硬度和肖氏硬度两种.
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肖氏硬度是指在规定的压力、时间下计算压痕器的压针所压入的深度.
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肖氏压痕器可分为两类,即:
A、D型.施加负荷重量为、公斤,压下时间为15秒,A型适用于软质塑料,D型适用于半硬质塑料;当用A型,测出超过95%量程时,应改用D型,当D型测出超过95%量程时,则需要改用洛氏压痕.
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13.疲劳强度
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疲劳强度是指在一个静态破坏力而有小量交变循环的环境下,使塑料破坏的强度;疲劳载荷来源有拉压、弯曲、扭转、冲击等。
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14.蠕变★
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蠕变是指在一定的温度、湿度条件下,塑料在固定的外力持续作用下,随时间变化所表现出的特征,这种变形的特征随增加载荷而增加,随减少载荷而减少,其变形亦逐渐恢复.蠕变的来源有拉伸蠕变、压缩蠕变、弯曲蠕变等.
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15.持久强度
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持久强度是指塑料长时间经受静载荷的能力由高而降低的时间函数.例如:
未经载荷前的塑料强度是1000小时,而载荷后可能只有其50%至
70%之间.
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16.线膨胀系数
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线膨胀系数是指温度升高1摄氏度时,每一厘米的塑料伸长的厘米数.塑料的线膨胀系数一般是钢材的十倍左右.
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17.比热
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比热是指1克塑料升高难1摄氏度时,所需要的热量单位.
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18.导热系数
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导热系数是指某一单位面积和厚度之塑料所能通过的热量单位.塑料的
导热系数很小,仅为钢材的百分之一左右,所以是良好的绝热材料.
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19.耐热性
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塑料耐热性是反映塑件温度与变形量之间关系的特性,耐热性对温度有
关的塑件更为重要.
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20.玻璃化温度★
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塑料由熔融可流动温度降低至固态时的温度称为玻璃化温度,此时分子链段基本上不能运动,链节内部旋转扣紧也很困难,只有原子之间的少许移动拉伸及有普通的弹性变形,所以此时的塑料会有很大的脆性.
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21.脆化温度
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当对于一定低温下的塑料施加压力时,在很小变形下它就会破坏,此温
度就是脆化温度.
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22.分解温度★
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分解温度是指塑料在受热时大分子链断裂时的温度,同时是鉴定塑料耐热性的指标之一;当熔料温度超过分解温度时,大部分熔料会呈现发黄的颜色,且制品的强度会大大降低.
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23.熔融指数★
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熔融指数(MFI)MI是指热塑性塑料在一定温度和压力下,熔体在10分钟
时间内通过测试器的小孔所流出的熔料重量,单位是以克/10分钟表示.
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24.耐燃烧性
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塑料的耐燃烧性是用燃烧速率(燃烧时间内试样的燃烧长度)和燃烧失重率(燃烧前后重量之差的百分率)之比来表示的,由起火时间燃烧至自燃时间及熄灭时间,亦可作为耐燃烧性能的参考数.
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25.耐电压
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迅速将电压升高到某一极限值,停留一段时间,塑料试样被击穿,称此时
的电压值为试样能经受的耐电压.
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26.耐老化性
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塑料的耐老化性是指在使用、贮存和加工过程中,由于受到光、热、氧、水、生物、应力等外来因素的作用,引起化学结构破坏而使原有的优良性能有所下降的现象.研究塑料的老化性是为了提高它的稳定性,延长其使用寿命.
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27.耐化学性
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塑料的耐化学性是指塑料在化学介质中是否受到腐蚀,评定的依据通常是塑料在介质中一定时间后的重量、体积、强度、色泽等的变化程度.
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28.成型收缩率★
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成型收缩是指热塑性塑料在模具中成型时,冷却后脱模出的成型品,必
有收缩现象,即成型品小于模腔尺寸.
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六、塑料的几种常见加工方法:
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A、注塑成型
B、吹塑成型
C、吸塑成型
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D、挤出成型
E、压延成型
F、层积成型
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G、吹薄成型
H、拉丝成型
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七、塑料的特性
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1.塑料的优点:
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(1)易于加工、易于制造(易于成型)
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即使制品的几何形状相当复杂,只要能从模具中脱模,都比较容易制作.因而其效率远胜于金属加工,特别是注塑成型制品,经过一道工序,即可制造出很复杂的成品.
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(2)可根据需要随意着色,或制成透明制品
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利用塑料可制作五光十色、透明美丽的制品,尚可任意着
色的特性,可提高其商品价值,并给人一种明快的感觉.
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(3)可制做轻质高强度的产品
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与金属、陶瓷制品相比,质量轻、机械性能好,比强度(强度与密度的比值)高,故可制做轻质高强度制品.特别是填充玻璃纤维后,更可提高其强度.
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另外,由于塑料质量轻,可节约能源,故其制品亦日趋轻量化.
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(4)不生锈、不易腐蚀
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塑料一般耐各种化学药品的腐蚀,不会象金属那样易生锈或受到腐蚀.
使用时不必担心酸、碱、盐、油类、药品、潮湿及霉菌等的侵蚀.
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(5)不易传热、保温性能好
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由于塑料比热大,热导率小,不易传热,故其保温及隔热效果良好.
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(6)既能制做导电部件,又能制作绝缘产品
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塑料本身是很好的绝缘物质,目前可以说没有哪一种电气制品不使用塑料的.但如果在塑料中填充金属粉末或碎屑加以成型,也可制成导电良好的产品.
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(7)减震、消音性能优良,透光性好
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塑料具有优良的减震、消音性能;透明塑料(如:
PMMA、PS、PC等)可制作透明的塑料制品(如:
镜片、标牌、罩板等).
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(8)产品制造成本低
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塑料原料本身虽然不那么便宜,但如
(1)项所述,由于塑料易于加工,设备费用比较低廉,所以能降低产品成本.
2.塑料的缺点
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(1)耐热性差、易于燃烧
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这是塑料最大的缺点,与金属和玻璃制品相比,其耐热性远为低劣,温度稍高,就会变形,而且易于燃烧.燃烧时多数塑料能产生大量的热、烟和有毒气体;即使是热固性树脂,超过200摄氏度也会冒烟,并产生剥落.
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(2)随着温度的变化,性质也会大大改变
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高温自不待言,即使遇到低温,各种性质也会大大改变.
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(3)机械强度较低
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与同样体积的金属相比,机械强度低得多,特别是薄型制品,这种差别尤
为明显.
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(4)易于受特殊溶剂及药品的腐蚀
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一般来说,塑料比较不容易受化学药品的腐蚀,但有些塑料(如:
PC、ABS、PS等)这方面的性质特别差;在一般情况下热固性树脂耐腐蚀性相当强.
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(5)耐久性差,易老化
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无论是强度、表面光泽或透明度,都不耐久,受负荷有蠕变现象.另外,所有的塑料均怕紫外线及太阳光照射,在光、氧、热、水及大气环境作用下会老化.
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(6)易受损伤、也容易沾染灰尘及污物
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塑料的表面硬度都比较低,容易受损伤;另外,由于
是绝缘体,故带有静电,因此容易沾染灰尘.
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(7)尺寸稳定性差
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与金属相比,塑料收缩率很高,故难于保证尺寸精度.在使用期间受潮、吸湿或温度发生变化时,尺寸易随时间发生变化.
八、塑料的着色
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着色剂的应用品种有:
干粉(色粉)、色种、色母粒、液态色浆等,分为有机颜料和无机颜料两大类.着色剂需要具有以下良好的性能:
着色力强、遮盖力强、分散性(相容性)好、耐热性好、耐光性好、耐迁移性好、耐溶剂性好、耐药品性好、收缩率低等.随着客户对塑件颜色的要求越来越苛刻,色母粒或拉粒的应用越来越广.
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九、水口料的回收利用
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一般热塑性的水口料均可回收利用,实验证明水口料的添加比例在25%以内,对其塑料的性能(强度)影响不明显(10%以下).水口料的控制及回收利用是塑料工业的研究课题,热流道模具的使用就是减少水口料的创举.水口料的回收利用次数及比例,对塑料制品的颜色强度等均有不同程度的影响,生产时要严格控制添加水口料量.
热塑性树脂的诸性质
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一、塑料的热力学三态
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在自然界中,我们把物质在常温中的聚集状态分成三种:
即
气态、液态、和固态.
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以非晶态线型高聚物为代表的高分子聚合物,由于分子结构的连续性,以及其巨大分子量,所以它们的聚集状态不同于一般低分子化合物,而是在不同的热力条件下,以其独特的三种形态存在:
即玻璃态、高弹态、和粘流态.
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高分子聚合物是不存在气态的,在受热而可能气化之前,分子结构已受到彻底的破坏,成为低分子的气化物质或碳化物.
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高分子聚合物的玻璃态实际上是固态的一种表现形式,特点是在一定的温度范围内,呈现出固态物质普遍具有的性质,在某些力学特性上类似于普通的玻璃.
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高分子聚合物的粘流态是一种独特的“液态”,在某个温度范围内,具有既可以流动又有别于普通低分子液体的力学性质.
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高分子聚合物的高弹态是介乎玻璃态和粘流态温度范围的独有的形态.
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高分子聚合物和其他物质一样,在特定的温度压力条件下都有一个相对稳定的形态.比如,在普通使用条件下,可以将有机玻璃视为玻璃态的代表,而将液体树脂视为粘流态的代表.
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当外界温度、压力发生变化并达到某种水平时,高分子聚合物将改变原有的状态而转变成另外的状态.注塑加工厂的任务就是提供这些变化的条件,在加工过程中,塑料原料(以高分子聚合物为基体)受温度、压力、剪切作用时,其粘度、物理结构、形态等等都会出现变化,其中以温度影响最大,这是塑料热成型的理论依据.
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非晶态线型高聚物在一定的压力、不同温度条件下,上述三种聚集态及其转变条件如图A所示,这是以相对形变率来表达的三态区间的划分.图中标示的温度为聚苯乙烯试样的温度.
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高分子聚合物,包括有结晶倾向的高聚物,不管是热塑性的还是热固性的,都有这样类似的区间划分,只是曲线的形状各不相同.例如聚乙烯、聚丙烯等有结晶倾向的高聚物,其形变曲线如图B所示,这类高聚物在进入熔点后即出现粘流态,粘度迅速下降,不可逆形变在整体中发生.在图A、图B中形变曲线上有一个脆化温度Tx,低于这个温度,分子链段的自我振动被“冻结”下来,不可拉伸、扭转,亦无法吸收和分散外力.在外力作用下,链段很快断裂,塑料制品将显得象普通玻璃那样易于击碎.
二、塑料三态的微观结构和工艺特性
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1、玻璃态
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处于玻璃态下的塑料分子,链段运动基本上处于停止的状态,分子在自身的位置上振动,分子链缠绕成团状或卷曲状,相互交错,紊乱无序.在玻璃态时分子的聚集状态如下图所示:
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当受到外力作用时,分子链段将作瞬间微小伸缩和键角改变.整个塑料
形体具有一定的刚性和强度(抗张强度、抗弯强度等).在这种形态下,塑
胶件可以被使用或进行机械加工(如:
切削、钻孔、铣刨等).
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一般非结晶形塑料(如:
聚苯乙烯、有机玻璃、聚碳酸酯等),其玻璃化温度高于室温,我们可以将原料颗粒、定型了的制件视为玻璃态.至于聚乙烯、聚丙烯等“软”性塑料,事实上也存在着“硬”性的玻璃态.这类塑料中的非结晶部分,玻璃态温度比室温低很多(-123~85℃),在玻璃态度温度以上处于高弹态,表现为柔性,而结晶部分熔点又比室温为高(137℃),因晶格能的束缚,链段不能自由活动,表现为刚性,所以也能作为具有固定形状的塑料使用.
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2、高弹态
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处于高弹态下的塑料分子,动能增加,链段展开成网状,但分子的运动仍维持在小链段的旋转,链与链之间不发生位置移动.受外力作用时可产生缓慢形变,当外力除去后,又是慢慢恢复原状.在这种状态下,塑料具有一种类似橡胶的弹性,所以又称橡胶态.通常称为弹性或橡胶体的高聚物,便函是在室温下处于高弹态的高聚物.
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高弹态有两个特点:
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(1)在较小作用力下可产生较大变形,外力解除后能恢复原状.
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(2)高弹形变并非瞬间发生,而是随时间逐渐发展.与普通的弹性形变不同,在同样外力作用下,形变要延迟一段时间才能完成,而且形变量大,松弛性也较明显.
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塑料的高弹态其实只有在热加工过程中才出现.
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3、粘流性
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处于粘流态下的塑料分子,网状结构已经解体,大分子链与链之间,链段与链段之间都有能够自由移动.可以说,这是塑料的“液体”存在的形式,只是粘性大,物理构成不同,力学性质不同.当给予外力时,分子间很容易相互滑动,造成塑性体的变形,除去外力便不再恢复原状.
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塑料热成型过程可以这样描述:
通过热和力的作用,让塑料从室温的玻璃态,经历程高弹态转变为粘流态,注射入具有一定形状的封闭模腔,然后在模腔内逐渐冷却,从粘流态转回玻璃态,最后形成与模腔形状一致的制品.
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塑料只能在粘流态下才能注射充填成型,即是说,塑料的加工温度范围只能是从粘流温度(或结晶型塑料的熔点)到分解温度之间.如果这个范围宽,加工将比较容易,如果这个范围窄,可选择的加工温度限制就大,加工就较为困难.前者以聚乙烯为代表,后者以聚氯乙烯为代表.经常应用的聚苯乙烯、ABS等亦属于范围宽的一类,所以在设定注塑机料筒温度时,能够比较随意;如果不需考虑色粉对高温的敏感性,温度调高些或调低些,对生产影响不大.
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塑料在加热料筒中经历的热力学变化如图C所示:
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从图中可以看出,在热的作用下,塑料是从玻璃态经历高弹态转化为粘
流态.正常的加工温度应保证这种转化顺利进行,从进料段往前到射嘴
段,温度逐渐递增,如若破坏了这种递增,将使操作不稳定.即使有时在实
际生产中,调校的射嘴温度比其前段料筒温度略低,但前段料筒位置内
的料事实上已完全进入粘流态,稍低温度的射嘴起着保温及出料均匀的
作用.
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塑料的粘流态温度范围有一定极限,超过了这种极限,即超过了分解温度,塑料产生分解,会破坏原来的化学结构,成为低分子化合物,甚至碳化.有时喷嘴对空注射发生爆鸣声,就是由于气态低分子生成物从料筒内的高压突然转变为低压进入大气,瞬间膨胀造成.这种现象的出现,说明料筒内部分塑料不堪高温或长时间受热而发生了分解.
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正常生产过程中的塑料,不般不会超过分解温度,但如果料筒内壁或螺杆损伤后有死角,造成长时间停滞或受到剧烈的挤压剪切,就有可能发生分解,注塑出来的制件,往往带有焰火状黄斑.
三、塑料分子的取向
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塑料成型加工过程中,有一个取向现象值得注意.我们先看一下塑料实际上是如何流入成型模具的,这将有助于了解塑胶表面和芯部方向性的产生原因.如下图所示:
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非晶态高聚物的玻璃态、高弹态和粘流态以及结晶型高聚物的非晶态部分,在一定
条件下,会存在分子取向.当液体状态下的塑料在注塑机中受力的作用下,高速通过
喷嘴及模具的流道时,长线形的高分子会顺着流动方向作相互平行的排列,一旦这
些排列在塑料冷却固化之前来不及消除而留在了固态塑料制件之中,分子的取向及
因此而形成的取向效应便保持下来.
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一般来说,取向作用会使制件的整体性遭受削弱,表现为塑件内部各处的物理机械性能不均衡.由于分子排列的结果,与分子链相垂直的方向,强度将差于平行方向.显然,当这种取向强烈时,制件很可能出现翘曲变形或开裂.
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下表列举了几种常用塑料分子取向后其横、直两个方向上的抗张强度及伸长率的
比较:
塑料
抗张强度(Mpa)
伸长率(%)
横向
直向
横向
直向
聚苯乙烯
高冲击聚苯乙烯
ABS
低压聚乙烯
聚碳酸酯
─
─
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塑料的取向作用在有些制品上是比较容易注意到的.如图D中的透明聚苯乙烯圆形面盖制品,粗的直浇口设在中央,由于注塑时起始射压不高,后来的塑料在较大的压力梯度下缓慢进入模腔,造成分子辐射状的取向排列,加上冷却过程太快,定向作用便被保留下来.结果,经过一段不长时间的使用或静置,机械强度的差异便以应力破坏的方式暴露出来,从中央开始沿辐射方向出现众多裂纹.
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图E是黑色的改性聚苯乙烯及聚苯乙烯共混料制件,在料流方向上出现一个弯曲位A,由于通道突然收缩变窄,塑料充盈时压力梯度大,分子取向作用大,当注射接近结束发生轻微胀模时,热熔料挤开基本冷固了的排列有序的分子链,于是出现了A位置应力发白的缺陷.
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1-注塑机料筒;2-树脂注入模具(实际上由主流道、浇口组成);
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3-模具(型腔内部);4-中心处流速较快的部分;
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5-沿模腔壁面而流速极慢的部分;6-取向而拉伸展开的树脂分子;
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7-缠绕在一起的树脂分子
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克服取向作用一个途径是采用较充分的注射条件(如:
加快注射速度,提高料温和模温),必要时让制件在接近塑料软化温度下进行“退火”,但效果并不太理想.
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备注:
退火是在低于Tm而高于Tg的温度下
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