注塑、挤出基本知识

注塑、挤出成型基础知识

前言

基础耗材事业部是集模具设计与开发、介入导丝、医用管材、介入配件为一体的事业部。耗材事业部自2012年5月23日成立至今，严格按照公司方针及耗材事业部总经理王建华总经理的要求，对生产过程进行规范和生产。

塑料作为一种新兴材料，发展十分迅速，已成为钢铁、木材、水泥和塑料四大工业材料中发展速度最快的一种材料。

塑料，如何熟悉、了解、认识、应用它，用好它，除及时跟进新兴原料，最重要的还是实际应用体验。如对品种众多、性能各异的塑料原料如何从不同的需要开发进行合理选择；怎样利用简单实用的方法对塑料制品进行绿色设计；在塑件成型加工时需掌握哪些工艺知识；怎样合理把握工艺参数，保证产品质量等。

结合以往从事塑料加工十余年的工作体会，对常用塑料物性进行整理。整理内容主要包含以下几点：

（1）塑料应用。

（2）塑料的组成和分类。

（3）一般注塑和挤出成型。

受个人水平及能力，书中有不足之处敬请批评指正。

董海军

第一章概述

第一节塑料特性

塑料是以人工合成高分子化合物（又称树脂）为主要成分，添加了各种不同功能的辅助材料（又称助剂，添加剂）后经混炼而成的一种高分子聚合物。它与树脂是有区别的，但人们习惯上常将两者混淆称呼，，称塑料为合成树脂、合成材料等是不对的。

塑料可用各种性能的树脂和添加剂，通过各种合成和成型加工方法制成各种不同性能的塑料制品，其综合性能与金属、木材、玻璃等传统材料相比，更胜一筹。在当今结构材料系统中是综合性能优良的一支材料体系。

1塑料的性能优点

1.1质轻

塑料一般都较轻，其密度在0.83~2.2g/cm³内，多数制品密度0.9~1.5g/cm³，因其密度低可以减轻产品

质量，实现小型化及轻量化，提高运行能力，改善操作性和安全性，便于运输携带，提升美观效果，降

低能耗及运行成本，减轻料劳动强度。

1.2比强度（比模量）高

比强度（比模量）是指塑料的强度（或模量）与密度的比值。塑料的密度及机械强度、刚性、硬度和弹

性可采用填充不同填料、改变结晶取向，改进分子结构等方法在一定范围内进行调节，因此同一种塑料，

可获得不同的刚性和强度。虽然塑料的强度（模量）不算高，但塑料的密度较低，因此其比强度（比模

量）较高，尤其增强塑料比强度，可与铝、铜等金属材料媲美。这意味着当塑料制品在承受适当的负载

时，如果在强度（或模量）允许范围内，制作同一零件的制品，其自重比金属制品轻。比强度越高，自

重越轻；比模量越高，则制品刚性越大，对产品轻量化的效果好。

1.3耐蚀性优良

多数塑料都具有一定程度的耐酸、耐碱、耐盐类溶液和有机液腐蚀的能力，耐蚀性能优于钢铁、木材，次于玻璃、陶瓷，但有些耐蚀塑料，如聚四氟乙烯具有极强的耐蚀性，可耐硫酸、硝酸、王水等强氧化

剂。

1.4优异的电性能大多数塑料均为绝缘介质。

1.5成型加工性能优良

塑料的成型特性较好，大多数塑料具有可熔，可溶特性，在加热或溶剂作用下呈粘流体状态，还有优良的可塑性，可以较方便采用一些设备和模具，从原料到成品一次成型加工即可完成。

塑料制品加工方法很多、如注射、模压、挤出、吹塑、吸塑、滚塑、层压、流延、涂覆等。制品还可以进行焊接、粘接、机械加工、印刷、电镀等二次加工。

1.6具有隔热、防震、消声功能

1.7耐磨损、摩擦性能优良

1.8优良的综合光学性能

1.9多功能性

1.10可设计和配制性

1.11塑料之所以至今有如此多的品种和广泛的各种食用性能，要归功于它有简便的可设计和配置型。与其传

统材料相比，塑料可按使用性能和加工性能的要求较自由地设计各种原料配方。选用不同性能的树脂或

不同合成工艺的树脂，采用不同性能的填料或不同工艺处理的填料，采用不同品种的塑料或添加剂，按

不同比例进行共聚、共混等改性混炼，采用内嵌金属嵌件，采用不同成型方法和成型工艺条件等各种措

施，便可较方便地配制新的塑料品种。

2塑料的性能缺点

2.1耐热性低

与金属、玻璃、陶瓷等材料相比，塑料的耐热性一般较低，多数塑料使用温度温度为100~260℃，长期

使用温度超过400℃时，几乎没有塑料材料可供选用，但短期使用温度，在无较大符合条件下，部分塑

料可达500℃以上，如用碳纤维、石墨或玻璃纤维增强的酚醛塑料，瞬间温度达3000℃。

2.2力学性能低

大多数未增强的塑料的强度、模量值比钢材低很多。在长期静负载和交变负载作用下抗蠕变和疲劳差，不同品种塑料的力学性能差别很大，而且其力学性能对温度，湿度等许多因素很敏感，所以在选用塑料

时必须考虑使用条件，只适用于中低档次的负载场合。其拉伸强度一般在100MPa以下，通用塑料的拉

伸强度为20-50MPa,工程塑料的拉伸强度为50MPa以上，增强塑料的拉伸强度在100MPa以上。表1-1

所列为几种材料的性能比较。

表1-1 不同品种材料性能比较

2.3易产生内应力

塑料制品在许多因素作用下容易产生内应力，如腐蚀性介质侵蚀会发生应力开裂，成型加工会造成残余应力等。制品的尺寸形状、壁厚、质量分布不均时，制品上有缺口及尖角和金属嵌件，造成收缩不

匀、各向异性时，发生蠕变及疲劳变形或使用环境条件变化时，也都可使制品内部发生分子结构变化，引发内应力，甚至导致应力集中。

2.4性能波动性敏感

塑料的力学性能、热性能、电性能、耐化学药品性能对温度、湿度等各项因素的变化较敏感，且互相影响较大。在各种资料中所提供的性能指标都是在一定条件下测定的，当使用条件与测试条件不同时，指标值即发生变化。例如，当温度升高时拉伸强度及耐蚀性会下降，当制品受负载变大时，耐热性及耐

蚀性也会下降。由于存在这种波动性，因此在选料时不仅要明确材料的品种规格，而且要明确指标值的

来由，并结合使用条件考虑安全系数。不同情况所得的数据并无可比性。

2.5易燃性

2.6降解性

多数聚合物在热、力、氧、水和辐射等因素作用下，或在成型过程中往往会发生不同程度的化学反

应使分子链断裂，降低相对分子质量或化学结构发生有害变化，致使材料性能降低或分解出有害物质其过程称为降解。降解的形式很多，如热降解、力降解、氧降解、水降解、光降解、化学腐蚀降解等，其中热降解最为常见。

2.7线胀系数大，热导率低。

2.8取向性及收缩不均

塑料在加工过程中聚合物的一些分子熔体流动方向互相平行的方向排列，因此呈现出取向性，平行方向与垂直方向上的许多性能有很大的差别，如强度、线胀系数、收缩率等都会有所不同。这种现象对结晶型及增强热塑性塑料在注射成型过程中表现得更为显著，会导致制品性能不一致。

2.9绝大多数塑料，从熔融状态转变呈固体状态时都会发生体积收缩，从而导致尺寸减小。各种塑料收缩率

大小不等，而且可在一定范围内波动，并有方向性，给制品及模具设计带来了不少麻烦。

第二节塑料制品及应用

塑料已和钢铁、木材、水泥并列为国民经济的四大支柱材料。在各产业领域中成为不可缺少的重要材料。在机械、化工、纺织、建材、基础设施、电子电气、包装材料、医药卫生、文体用品、交通运输、农业水利、环保产品行业、以及在原子能等各行业广泛应用。

塑料品种很多，采用塑料盒改性塑料制作的制品品种大致分为三大类。

1.0型材

采用挤出、压延、层压、流延、吹塑等工艺加工的型材有：薄膜、片材、板材、管材、棒材、异形材、层压板、复合板、块料、塑料网、纤维、单丝、绳索、织物、塑料板、人造革等。

2.0橡塑制品

多数由产品生产厂或制品加工场采用模压、注射、吹塑、热成型、浇注、发泡等各种工艺及模具制造，包括结构件、装饰件、功能制品、中空制品、泡沫制品等各种模塑成型的制品。

3.0涂料及粘接材料

4.0这类制品通常采用相对分子质量较低的高分子聚合物与各种添加剂配制成的液体或粉料多相分散体，具

有较好的浸润性和吸附性，可采用刷涂、喷涂、浸涂等工艺用于装饰制品表面及粘接制品。如涂料、油墨及各种粘接剂均属于此类产品。

第二章塑料的组成、分类

第一节塑料的组成

塑料是由树脂（聚合物）和各类助剂配制而成的材料，单用单一的均聚合物配制塑料时，因均聚物性能单一往往不能满足塑料制品使用性能的要求，因此常用塑料还加入了各种改性剂，配制成改性塑料、增强或填充塑料等，因而有了高性能、多功能等各类使用性能的制品。

一、树脂

树脂是高分子化合物（聚合物）聚集合成的聚合物，是配制塑料的主要组分，是决定塑料基本特性的材料。配制塑料用的树脂可分为两大类。

1.0热固性塑料用树脂

该类树脂中含有基本单体成分外，还包含固化剂、引发剂（交联剂）、释放剂、阻凝剂等不同用途的助剂。

其中，树脂在塑料中约占20%-80%（质量分数），树脂在上述助剂的帮助下，经济型加工（熔融或溶化）固化后，可制成有体型结构的塑料制品。常用的热固性塑料常用树脂有：酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚碳树脂、氨基树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂、聚酰亚树脂、呋喃树脂、炳丙脂树脂等。不同的树脂可配成相应的各种热固性塑料、粘胶剂、浸渍剂及涂料等。

2.0热塑性塑料常用树脂

热塑性塑料常用树脂，多数为线型或交链型结构聚合物，可配制成无定型或结晶型塑料，含有交链剂的塑料也可加工制成具有交链结构的塑料制品，但交联度通常低于热固性塑料。

在未填充或未增强的塑料中，树脂含量较高，可达80%以上，填充或增强塑料中的树脂含量达到60-80%。

用于配制热塑性塑料的树脂品种很多，同一品种的树脂也有多种不同用途的规格，不同品种及规格的树脂可适用于不同的成型方法加工不同性能的塑料制品。常用于配制热塑性塑料常用的树脂品种，见表2

表2 热塑性塑料常用树脂

二、助剂

助剂（又称添加剂）是配制塑料时加入配料中与树脂一起混炼物质的总称，可按其在配制塑料中所起的作用进行分类。

1.0助剂的分类

助剂类按其在配制的塑料中所起的作用可分为反应剂类、功能材料类、增强材料类、调节加工性能雷和着色料类五种。

1.1反应剂类

1.2功能材料类

1.3增强材料类

1.4调节加工性能类

1.5着色料类

2.0对助剂的要求

3.0热固性塑料和热塑性塑料采用的助剂品种有所不同，但对助剂的基本要求相似。主要的要求包括以

下几个方面。

3.1相容性助剂与树脂的化学结构应相近，彼此充分稳定相容，可均匀分散在树脂中。相容不好，

制品的表面呈霜状（对固体助剂）或“出汗”（对液体助剂）或表面浮着色（手摸即掉色），会

影响制品的性能、外观及手感。

3.2制约性助剂的性能应在制品要求制约的范围内。

3.3增效与相抗性塑料中各种助剂的性能应相互适应，应尽量降低相互对抗性，且提高相互增效

作用。

3.4耐久性助剂在塑料制品使用条件下不发生挥发、渗出、迁移反应、使其逸出塑料、失去功能，

故应具有长期保留在制品中的耐久性。

3.5工艺适应性助剂应适应制品的加工方法及工艺条件，在加工过程中不分解、不发挥、不升

华。

表3 常见的助剂性能

由于塑料的用途越来越广泛，对塑料制品的性能要求也越来越高，单一体聚集的树脂性能已不能满足高性能的要求，因此衍生了许多改性塑料，如共聚塑料、共挤（共注）复合材料及共聚塑料等。在这类塑料组分中除了单一的树脂外，还应包括共混物、共聚物等多种成分，其性能与单一树脂组成的塑料性能有较大的区别。

三、塑料的配制

1.0 混合形式各组分主要通过扩散、对流、剪切进行混合。

2.0 配制工艺可分为初混合、捏合、塑炼三种。不同的塑料应选用适当的配制工艺及设备。

第三节塑料品种的分类

塑料品种的分类

从上表可知，可从不同的角度对塑料进行各种形式的分类。主要按受热行为将塑料分为热固性塑料和热塑性塑料两类。

一，热固性塑料

热固性塑料的品种不多，共计约有十几种。具有优良的机电性能。耐热及耐磨性、收缩小、尺寸精度稳定性好及价格便宜。

几种常用的热固性塑料的性能及用途

二、热塑性塑料

热塑性塑料分类方法相比热固性塑料种类繁多。

其余热塑性塑料可参见机械工业出版社塑料应用手册。

第三章通用热塑性塑料

通用热塑性塑料通常是指材料强度，耐热性能较低，易成型，用量较大，价格便宜，产量较大的一类塑料。它们常用于不承受或承受负载较小，工作温度不高的场合，制作一般用途的结构件或日用品类制品。通常热塑性塑料的主要品种包括聚乙烯、聚丙烯，聚苯乙烯，聚氯乙烯等。

(1)聚乙烯

聚乙烯属于聚烯烃类聚合物，大分子主链。属于无极性、高洁净度、低密度、非牛顿流体类线性聚合物（HDPE）或支链型聚合物。密度为0.94-0.96g/cm³,洁净度为80-90%，高压合成LDPE密度为0.91-0.94g/cm³洁净度为65%。PE塑料拉伸强度、抗蠕变性、刚性及硬度较低。HDPE拉伸强度为30MPa，弹性模量为1500MPa，硬度低于PP及HPVC. PE的抗疲劳性能较好，尤其耐弯曲疲劳。

PE塑料可用于注塑、挤出、吹塑、压制、压延、辊塑、涂覆等成型工艺加工各类产品，不同成型方法需选用适当熔融指数的品种，用于相应的制品。

PE加工特性：流动性好，成型工艺性好，加工温度低，注射压力低，熔点在108-146℃，其中密度高、结晶点大得熔点高，LLDPE＞HDPE＞MDPE＞LDPE的熔点。注塑成型温度为180-250℃，注射压力为80-100MPa,挤出温度为150-218℃，（按不同制品选择，管材较低，电线电缆包覆较高），挤出压力为35-140MPa，但LLDPE的成型温度及成型压力稍高。

PE 塑料容易结晶，加工时需控制模温，以控制结晶度使之具有不同性能。吸水性小。PE成型收缩率及取向性大一般为1.5%-2.5%，平行方向的成型收缩率为2.8-3.2%，垂直方向收缩率为1.8-2.2%，制品加工精度低。

(2)聚氯乙烯

聚氯乙烯（简称PVC）,具有强度高，硬度大、耐蚀性好、电绝缘性好、印刷和焊接性好、可阻燃、价格便宜、软硬度可调节等优点常用于代替木材和金属材料。但PVC热稳定性差，加工性不好，耐冲击性、耐老化性及耐寒性较差。

PVC 塑料可用于注射、挤出、压延、吹塑、压制、搪塑、滚塑、涂覆、发泡等成型方法加工各种类型制品。其加工型体现在：

（1）流动性差。

（2）易分解。

（3）对金属有站附及腐蚀性。

（4）加工前需干燥处理（110±10）℃，1-1.5h，）并注意不得混入金属颗粒。

（5）制品精度不高，按GB/T 14486-2008<<塑料橡塑塑料尺寸公差》标准。

（6）成型工艺条件多变。

(3)聚丙烯

聚丙烯

．PP（enelypo聚丙烯是世界上增长最快的通用热塑性树脂，总量仅仅次于聚乙烯和聚氯乙烯。

PP是结晶型塑料，一般为呈不规则圆形表面有蜡质光泽白色或半透明颗粒。密度0.9-0.91/cm³,是塑料中最轻的一种。有较明显的熔点，根据结晶度和分子量的不同，熔点在170℃左右，而其分解温度在290℃以上，因而有着很宽的成型温度范围，成型收缩率为1.0-2.5%。PP的试用温度可达100℃，无毒具有良好的电性能和高频绝缘性能，且不受温度影响，有突出的耐疲劳性能。但低温下易脆，不耐磨、易老化。适用于一般机械零件，耐腐蚀零件，绝缘零件日用品和一些普通的医疗品。

PP的吸湿性很小，成型前无需干燥，如果存贮不当，可在70℃左右干燥2-3小时。成型流动性好，但成型收缩率大，易发生缩孔，凹痕，变形。冷却速率快，浇注系统及冷却系统应缓慢散热。PP成型温度通常在190-270℃之间，在成型时要特别注意控制原料的熔化时间，PP长期与热金属接触易分解，易发生熔体破裂，料温低时取向不明显，低温高压时尤其明显。模具温度方面，在低于50℃时，塑件不光滑易产生熔接不良，流痕，在90℃以上易发生翘曲变形。塑件壁厚须均匀，避免缺胶，尖角，以防应力集中。

（4）PA(Polyamide 聚酰胺)

PA通称尼龙（Nylon）,是一种应用广泛的工程塑料，PA常用的有PA6，PA66，PA1010，PA46，PA12，PA11s 等。密度也各不相同。PA具有优秀的耐磨性，自润滑性，耐油性，耐化学性，气体透过性，耐水性和抗酶菌，

无毒和容易着色等性能，但吸水大，适用于制作一般机械零件，减磨耐磨条件，传动零件，以及化工，电器，仪表等零件。

除透明尼龙外，其他尼龙都属于结晶塑料，有较高的熔点，熔融温度范围较窄，热稳定性不好。PA较易吸湿，潮湿的尼龙在成型过程中，表现为粘度急剧下降并混有气泡制品表面出现银丝，所得机械制品强度下降，所以加工前材料必须干燥处理，可在70-80℃干燥8小时，成型时允许含水量；尼龙6和尼龙66为0.1%，尼龙11为0.15%，尼龙610为0.1-0.15%，最高不超过0.2%。

注意：PA类料在80℃以上干燥易引起变色。

PA流动性好，易溢料，宜用自锁式喷嘴，并应加热。同时由于熔体冷却速率快，应防止物料阻塞喷嘴、流道、浇口等引起制品不足现象。而且熔体粘度对温度和剪切变化都比较敏感，但对湿度更加敏感，降低熔体粘度先从料筒温度入手。成型收缩范围及收缩率大用量应控制在25%以下，过多会引起工艺条件的波动，再生料与新料混合必须进行干燥。

开机时应首先开启喷嘴温度，然后再给料筒加温，当喷嘴阻塞时，切忌面对喷孔，以防料筒内的溶体因压力聚集而突然释放，发生危险。在停机时要清空螺杆，防止下次生产时，扭断螺杆。

使用少量的脱模剂有时对气泡等缺陷有改善和消除的作用。尼龙制品的脱模剂可选用硬脂酸锌和白油等，也可以混合成糊状使用，使用时必须量少而均匀，以免造成制品表面缺陷。

尼龙制品的后处理是为了防止和消除制品中的残留应力或因吸湿作用所引起的尺寸变化。后处理方法有热处理法和调湿法两种。

1. 热处理常用方法在矿物油、甘油、液体石蜡等高沸点液体中，热处理温度应高于使用温度10-20℃，处理时间视制品壁厚而异，厚度在3mm以下为20-25分钟，厚度为3-6mm时间为35-40分钟，经热处理的制品应注意缓慢冷却至室温，以防止骤冷引起制品中应力重新生成。

2. 调湿处理调湿处理主要是对使用环境湿度较大的制品而进行的，其办法有两种：一沸水调湿法，二醋酸钾水溶液调湿法（醋酸钾与水的比例为1.25:1,沸点121℃）,沸水调湿法简便,只要将制品放置在湿度为65%的环

境下,使其达到平衡吸湿量即可,但时间较长,而醋酸钾水溶液调湿法的处理温度为80-100℃醋酸钾水溶液调湿法,处理时间主要取决制品壁厚,当壁厚为1.5mm时约2小时,3mm为8小时,6mm为16-18小时.

下面介绍几种常用的PA性能：

PA12的特性和PA11相似，但晶体结构不同，导致PA11熔点比PA12稍高。PA11约为187℃，PA12约为178℃。PA12是很好的电气绝缘体，并且和其它聚酰胺一样不会因潮湿影响绝缘性能。它有很好的抗冲击性能和化学稳定性。PA12有许多在塑化特性和增强特性方面的改良品种。和PA6及PA66相比，这些材料有较低的熔点和密度，具有非常高的回潮率。PA12对强氧化性酸无抵抗能力。常用于水量表和其他商业设备，电缆套，机械凸轮，滑动机构及轴承等。

PA12的粘性主要取决于湿度、温度和储藏时间。它的流动性很好，收缩率在0.5%到2%之间，这主要取决于材料品种、壁厚及其它工艺条件。PA12加工之前应保证吸湿量在0.1%以下。如果材料是暴露在空气中储存，建议要在80℃热空气中干燥6-8小时。如果材料是在密闭容器中储存，那么经过3小时温度平衡即可直接使用。成型温度约为220-280℃之间，对于普通特性材料不要超过290℃，对于有阻燃特性材料不要超过270℃。模具温度对于未增强型材料为30-40℃，对于薄壁或大面积元件为80-90℃，对于增强型材料为90-100℃。注塑时建议使用低保压压力和高熔化温度，高速注射。

PA66在聚酰胺材料中有较高的熔点，在较高温度也能保持较强的强度和刚度。PA66对许多溶剂具有抗溶性，但对酸和其它一些氯化剂的抵抗力较弱。PA66广泛应用于汽车工业、仪器壳体以及其它需要有抗冲击性和高强度要求的产品。

PA66成型前如果加工前材料是密封的，可以不要干燥。如果储存容器被打开，建议在90℃干燥10小时。PA66的流动性很好，它的粘度对温度变化很敏感。PA66的收缩率在1%-2%之间，加入玻璃纤维-可以将收缩率降低到

0.2%-1% 。收缩率在流动方向和垂直流动方向上的相差是较大的。PA66熔化温度约260-290℃，对玻纤增强的产品为275-280℃，熔化温度应避免高于300C。模具温度约80℃。

PA6的化学物理特性和PA66很相似，然而，它的熔点较低，而且工艺温度范围很宽。它的抗冲击性和耐溶剂性比PA66要好，但吸湿性也更强。PA6的收缩率在1%到1.5%之间。加入玻纤可以使收缩率降低到0.3%~0.5%（但垂直流动方向上还要稍高一些）。PA6由于有很好的机械强度，刚度和耐磨损特性，被广泛用于结构部件和制造轴承。

PA6很容易吸收水分，因此加工前的干燥特别要注意。建议在90℃干燥12小时。熔化温度为230-280℃，对于增强品种为250-280℃。模具温度：80-90℃。如果壁厚大于3mm，建议使用20-40℃的低温模具。对于玻纤增强材料模具温度应大于80℃。

PEBA是聚醚尼龙的英文缩写，在尼龙分子链中引进嵌入柔软的醚单元，可以看作是一种尼龙的弹性体。具备了尼龙材料其本特性，但机械性能：如拉伸强度，弯曲模量，抗冲击性能不及尼龙，PEBA同时还具备了优异的生物相容性、形状记忆性能，常被用来制做医用产品和高级运动装备。

和PA相比，PEBA的吸水率较低。但在高温下容易水解，成型前最好在70-80℃干燥4-6小时，成型时水份含量最好控制在0.1%以下。PEBA的成型温度约为180-240℃。

(4)PC(Polycarbonate 聚碳酸酯)

PC是分子毛链中含有—[O-R-O-CO]—链节的热塑性树脂，按分子结构中所带酯基不同可分为脂肪旋、脂环族、脂肪一芳香族型，其中具有实用价值的是芳香族聚碳酸酯，并以双酚 A型聚碳酸酯为最重要，分子量通常为3-10万。PC是一种无味、无毒、高度透明的无色或微黄色热塑性工程塑料，具有优良的物理机械性能，冲击强度、拉伸强度、弯曲强度和压缩强度。具有良好的耐热性和耐低温性，在较宽的温度范围内具有稳定的力学性能，可在-60~120℃下长期使用。

PC属自熄性材料，薄膜透气性小。对光稳定，但不耐紫外光。耐候性好，耐油、耐酸、不耐强碱、氧化性酸及胺、酮类，溶于氯化烃类和芳香族溶剂。长期在水中易引起水解和开裂，抗疲劳强度差，容易产生应力开裂，抗溶剂性差，耐磨性欠佳。

PC广泛用于防护窗，飞机舱罩，照明设备，防弹玻璃、仪表盘。各种电器，光盘，容器，光学器件。可用于采血标本器具，手术器械，肾透析器等。

PC是无定型塑料，无明显熔点，在220-230℃呈熔融状态，有良好的热稳定性，成型温度范围较宽，可在260-320℃之间自由选择，但分子链钢性大，熔体流动性差。PC料虽然吸湿较小但由于对水分敏感，成型前须经110-120℃干燥5小时左右，水分含量应低于0.1%，微量水分在高温下加工会使产品产生白灼色泽，银丝和气泡。PC的成型收缩率小，大约0.5-0.8%之间，易发生熔体开裂和应力集中，故应严格控制成型条件，塑件最好经过退火处理。对于大于200g的塑件，宜用加热式的延伸喷嘴。PC冷却速度快，模具浇注系统以粗、短为原则，宜设冷料井，浇口宜取大，模具温度控制在80-120℃之间为

第四章成型中的重要理论知识

一．影向塑胶材料加工的关键性能

1．导热系数

导热系数反映了材料传播热量的速度。导热系数愈高，材料内热传递愈快。由于聚合物导热系数很低，所以无论在料筒中加热还是其熔体冷却，均需花一定时间。为了提高加热和冷却效率，需采取一些技术措施。如：加热料筒要求有一定的厚度，这不仅是考虑强度，同时也是为了增加热惯性，保证物料能良好稳定地传热，有时还利用聚合物的低导热特性，采用热流道模具等。聚合物导热系数随温度升高而增加。结晶型塑料的导热系数对温度的依赖性要比非结晶型的显著。

2．玻璃化温度

聚合物的玻璃化温度是指线型非结晶型聚合物由玻璃态向高弹态或者由后者向前者的较变温度。这是大分子链段开始变形的温度，当温度高于玻璃化温度时，大分子链开始自由活动，但还不是整个分子链的运动。这时表现出高弹性的橡胶性能；当低于玻璃化温度时，链段被冻结变成坚硬的固态或玻璃态。橡胶的玻璃化温度低于室温，以橡胶在常温下处于高弹态。而通常塑料在常温下是处于脆韧性的玻璃态。

高聚物的自由体积理论认为，高聚物分子结构所占有的整个体积分成两部分。一部分是分子链所占有的空间，而另一部分是分子链之间的自由空间。当温度降低时分子链动能减少，自由空间减少，当温度升高时，分子链段动能增加，自由空间也增加：当达到玻璃化温度时，急剧产生内聚力，聚合物膨胀，链段开始旋转，链段拥有的能量足以使链段活动起来所以自由空间的体积突然增加。

高聚物在玻璃化温度以上的总自由体积等于玻璃化温度下的自由体积与热膨胀系数乗以温升之和。在预塑化时，位于螺槽中的高分子固态物料，在升至玻璃化温度以后，随着温度的升高物料自由体积会增加，其比容也会加大，但由于螺槽容积的限制会使物料产生内压，并有加速固体床的作用。

当高聚物的物理形态发生变化时，许多物理性质如比热容，比容，密度，导热系数，膨胀系数，折光指数，介电常数等都跟着变化，因此利用这些关系可以测定聚合物相变温度和高聚物性质。

3．熔化温度（熔点）

熔化温度是指结晶型聚合物从高分子链结构的三维有序态转变为无序的粘流态时的温度。转变点（熔点）对于低分子材料来说，熔化过程是非常窄的，有较明显的熔点；而对于结晶型高聚物来说，从达到玻璃化温度就开始软化，但从高弹态转变为粘流态的液相时却没有明显的熔点，而是有一个向粘流态转变的温度范围。

对高聚物来说，玻璃化温度，熔化温度或温度范围都是变相点。有较明显的变化范围，从分子结构观点看，都是大分子运动的结果。

一般有增塑剂的聚合物熔点要比无增塑剂的要低，共聚物的熔点要比组成共聚物中较高均聚物的熔点要低些。4．分解温度及燃烧特性

热分解温度是指在氧气存在条件下，高聚物受热后开始分解的温度范围。依聚合物化学结构式不同而有显著的差异，此外还与物料的形态有关。聚合物只要局部温度达到分解温度，高分子物料就会讯速生成低分子量的可燃性物质。聚合物的热分解在氧气充足条件下是放热反应，产生的热会继续加热聚合物，加速分解。

5．降解和热稳定性

降解是指递解分解作用，在高分子化学中，通常是指在化学或物理作用下，聚合物分子的聚合度降低过程，聚合物在热，力，氧气，水及光辐射等作用下往往发生降解。降解过程实质量大分子链发生结构变化。如发生弹性消失，强度降低，粘度减少或增加等现象。

在高温时氧和水更能使聚合物分解。剪切力的作用会因高温时聚合物粘度的降低而减小。热降解是指某些聚合物在高温下时间过长，发黄变色，降解，分解等现象。

聚合物是否容易发生降解，依其分子内部和分子外部结构有关；是否有分解的杂质有关；能引起高聚物降解的杂质，一般都是热降解的崔化剂，如：PVC 分解的产物是氯化氢，POM分解产物是甲醛，它们有着加剧高聚物降解的作用。

热稳定性是指聚合物在高温下分子链抗化学分解能力及耐化学变化的温度。降解温度称为稳定性温度略高于分解温度。对于某些热稳定较差的聚合物，其温度范围只有5~15度。

聚合物的降解除受温度的高低和变化范围影响外，还有在温度场中所经历的反复加工次数有关。不同的聚合物在反复加工后热降解和熔体指数有着较大的差异。在正常温度下PS, PC, PP,经数次加工后融熔指数升高的倾向。而PE，抗冲击PS醋酸纤维素等有下降的现象。

实验证明：剪切应力.剪切速率越高，分子量降解速度越快，断裂的链越短；当提高加热温度或增塑剂含量时，力的降解作用会减小。

加工这类塑料时特别要注意控制温度、加热时间和剪切速率。PVC、POM等都属于热稳定性差的塑料。

6．熔体指数

熔体指数（MI），是一种表示塑胶材料加工时流动性的数值，单位为g/10min。MI的测试根据不同的材料有不同的标准，总的来说，用同一标准测试的一种材料，MI越高则流动性能越好。塑料在一定温度与压力下填充型腔的能力称为流动性，流动性越好充模越容易。这是模具设计时必须考虑的一个重要工艺参数。流动性大易造成溢料飞边，填充型腔不结实，塑件组织疏松，树脂、填料分头聚积，易粘模、脱模及清理困难，硬化过早等弊病。但流动性小则填充不足，不易成形，成形压力大。所以选用塑料的流动性必须与塑件要求、成型工艺及成形条件相适应。

7．吸湿性

塑料大分子的组成和结构或因为各种添加物，使其对水分有不同的亲疏程度，这就是塑料的吸湿性能。所以塑料大致可分为吸湿，粘附水分及不吸水也不易粘附水分，吸湿性越大，表示塑料吸收水份的能力越强，塑料中的水份含量更高。塑料中含水量必须控制在允许范围内，不然在高温剪切作用下水分会变成气体或发生水解作用，使熔体流动性增大、容易产生气泡、溢料、收缩增大，易发生波纹、翘曲等弊病，造成外观不良，物理化学性能下降。所以加工吸湿性塑料前必须进行预先干燥，在使用时还需用注意保温密封防止再吸湿。但当塑料也不能过分干燥，那会导致材料流动性下降、成型困难，过分干燥还有可能破坏塑料分子的原有结构性能，至使产品性能下降或缺失。有的塑料即使含有很少量水分，但在高温、剪切作用下也会发生分解，产生气泡、溢料、收缩等，造成外观不良，物理化学性能下降。这种性能称为水敏性，这些塑胶材料称为水敏性塑料。在加工水敏性塑料时更要特别注意对塑料中水分含量的控制。PA、PC、PET、PBT、PU等都是吸湿性较强的塑料。PC、PU、PET等都属于水敏性塑料。

二. 聚合物的力学特性

反应材料基本力学性质的量主要有两类：一类是反应材料变形情况的量如模量或刚度，泊桑比；另一类是反应材料破坏过程的量，如比例极限，拉伸强度，屈服应力，断裂伸长率等。从力学观点看，材料破坏是一个过程而不是一个点。

聚合物材料在一定温度下承受恒定载荷时，将讯速地发生变形，然后在缓慢的速率下无限期地变形下去。若载荷足够高时变形会继续到断裂为止。这种在温度和载荷都是恒定的条件下，变形对时间依赖的性质，即称蠕变性质。

应力对其作用时间的依赖性是聚合物材料主要特征之一。聚合物在较高温度下，应力作用时间较短的应力松驰行为和在较低温度下应力作用时间较长的应力松驰行为是一致的。

通常聚合物材料加热到熔融状态下进行加工。这时可把熔体看成连续介质，在机器某些部位上，如螺杆，料筒，及模具中形成流场。在流场中熔体受到应力，时间，温度的联合作用发生形变或流动。这样聚合物熔体的流动就和机器某些几何参数和工艺参数发生密切的联系。

1．剪切速率对不稳定流动的影响

剪切速率有三个流变区：低剪切速率区，在低剪切速率下被破坏的高分子链缠结能来得及恢复，所以表现出粘度不变的牛顿特性。

中速剪切区，随着剪切速率的提高，高分子链段缠结被打开且来不及重新恢复，产生了剪切稀化作用。

在高剪切区，当剪切速率很高粘度可降至最小，并且难以维持恒定，大分子链段缠结在高剪切下已全部被拉直，表现出牛顿流体的性质。如果剪切速率再提高，出现不稳定流动，这种不稳定流动形成弹性湍流熔体出现波纹，破裂现象是熔体不稳定的重要标志。

当剪切速率达到弹性湍流时，熔体不仅不会继续变稀，反而会变稠。这是因为熔体发生破裂。

2．剪切速率，剪切应力对粘度的影响

通常，剪切应力随剪切速率提高而增加，而粘度却随剪切速率或剪切应力的增加而下降。

剪切粘度对剪切速率的依赖性越强，粘度随剪切速率的提高而迅速降低，这种聚合物称作剪性聚合物，这种剪切变稀的现象是聚合物固有的特征，但不同聚合物剪切变稀程度是不同的。

3．温度对粘度的影响

粘度依赖于温度的机理是分子链和“自由体积”与温度之间存在着关联。当在玻璃化温度以下时，自由体积保持恒定，当温度超过玻璃化温度时，大链段开始移动，链段之间的自由体积增加，链段与链段之间作用力减小，粘度下降。一般说温度越高熔体粘度越低。不同的聚合物粘度对温度的敏感性有所不同。

4．压力对粘度的影响

在压力作用下，分子链段间的自由体积要受到压缩。由于分子链间自由体积减小，大分子链段的靠近使分子间作用力加强，表现为粘度提高。

在加工温度一定时，聚合物熔体的压缩性比一般液体的压缩性要大，对粘度影响也较大。由于聚合物的压缩率不同，所以粘度对压力的敏感性也不同；压缩率大的敏感性大。

5．分子量对粘度的影响

一般情况下粘度随分子量增加而增加，由于分子量增加一般都会使分子链段加长，分子链重心移动越慢，链段间的相对位移越少，分子链的柔性加大缠结点增多，链的解脱和滑移困难。使流动过程助力增大，需要的时间和能量也增加。

6．离模膨胀效应

当聚合物熔体离开流道口时，熔体流的直径，大于流道出口的直径，这种现象称为离模膨胀效应。

这是由聚合物的粘弹效应所引起的膨胀效应，温度，剪切速率和流道几何形状等都能影响熔体的膨胀效应。所以膨胀效应是熔体流动过程中的弹性反映，这种行为与大分子沿流动方向的剪切应力作用和垂直于流动方向的法向应力作用有关。

如果流道很短，熔体料流会很快地出口，剪切应力的作用会突然消失，速度梯度也要消除，大分子发生蜷曲，产生弹性恢复，这会使离模膨胀效应加剧。如果流道足够长，则弹性应变能有足够的时间进行弹性松驰。这时影响离模膨胀效应的主要原因是稳定流动时的剪切弹性和法向效应的作用。

三．塑料制品的内部性能

1．结晶

聚合物的大分子结构对工艺条件及制品性能的影响非常明显。聚合物按其大分子结构可分为结晶型和非结晶型，结晶型聚合物的分子链呈有规则的排列，而非结晶聚合物的分子链呈不规则的无定型排列。不同形态表现出不同的工艺特性、物理—机械性质。一般结晶型聚合物具有较高的耐热性和机械强度，而非结晶型则相反。分子结构简单，对称性高的聚合物都能生成结晶，如PE等，分子链节虽然大，但分子间的作用力很强也能生成结晶，如POM,PA等。分子链刚性大的聚合物不易生成结晶，如PC,PSU,PPO等。

评定聚合物结晶形态的标准是晶体形状，大小及结晶度。

结晶度对制品性能的影响：

结晶度高说明多数分子链已排列成有序而紧密的结构，分子间作用力强，所以密度随结晶度提高而加大，如70%结晶度的PP，其密度为0.896,当结晶度增至95%时则密度增至o.903。

结晶度的增加会提高制品的拉伸强度，结晶度70%的聚丙烯其拉伸强度为27.5mpa，当结晶度增至95%时，则拉伸强度可提高到42mpa。

冲击强度随结晶度提高而减小，如70%结晶度的聚丙烯，其缺口冲击强15.2kgf-cm/cm2,当结晶度95%时，冲击强度减小到4.86kgf-cm/cm2。

结晶度增加有利于提高制品的软化温度和热变形温度。如结晶度为70%的聚丙烯，载荷下的热变形温度为125度，而结晶度95%时侧为151度。结晶度会给制品带来低温脆性，如结晶度分别为55%，85%，95%的等规聚丙烯其脆化温度分别为0度，10度，20度。

结晶度提高会使收缩加大，结晶型材料比非结晶型材料更易翘曲，这是因为制品在冷却时，由于温度上的差异引起结晶度的差异，使密度不均，收缩不等，导致产生较高的内应力而引起翘曲，并使耐应力龟裂能力降低。

结晶度提高会增加制品的致密性。使制品表面光泽度提高，但由于球晶的存在会引起光波的散射，而使透明度降低。

影响结晶度的因素：

结晶有一个热历程，必然与温度有关，当聚合物熔体温度高于熔融温度时大分子链的热运动显著增加，到大于分子的内聚力时，分子就难以形成有序排列而不易结晶；当温度过低时，分子链段动能很低，甚至处于冻结状态，也不易结晶。所以结晶的温度范围是在玻璃化温度和熔融温度之间。在高温区（接近熔融温度），晶核不稳定，单位时间成核数量少，而在低温区（接近玻璃化温度）自由能低，结晶时间长，结晶速度慢，不能为成核创造条件。这样在熔融温度和玻璃化温度之间存在一个最高的结晶速度和相应的结晶温度。

温度是聚合物结晶过程最敏感性因素，温度相差1度，则结晶速度可能相差很多倍。聚合物从熔点温度以上降到玻璃化温度以下，这一过程的速率称冷却速率，它是决定晶核存在或生长的条件。冷却速度决定于熔体温度和冷却温度之差，称过冷度。根据过冷度可分以下三区。

1) 等温冷却区:

当冷却温度接近于最大结晶速率温度时，这时过冷度小，冷却速度慢，结晶几乎在静态等温条件下进行，这时分子链自由能大，晶核不易生成，结晶缓慢，冷却周期加长，形成较大的球晶。

2) 快速冷却区:

当冷却温度低于结晶温度时过冷度增大，冷却速率很快，

结晶在非等温条件下进行，大分子链段来不及折叠形成晶片，这时高分子松驰过程滞后于温度变化的速度，于是分子链在骤冷下形成体积松散的来不及结晶的无定型区。例如：当冷却温度过低时，制品表层就会出现这种情况，而在制品心部由于温度梯度的关系，过冷度小，冷却速度慢就形成了具有微晶结构的结晶区。

3) 中速成冷却区:

如果把冷却温度控制在熔体最大结晶速度温度与玻璃化温度之间，这时接近表层的区域最早生成结晶，由于冷却温度较高，有利于制品内部晶核生成和球晶长大。结晶的也比较完整。在这一温度区来选择冷却温度对成型制品是有利的，因为这时结晶速率大。冷却温度控制在应能使结晶度尽可能达到最接近于平衡位置。过低过高都会使制品结构不稳定，在后期会发生结晶，引起制品结构的变化。

熔体压力的提高，剪切作用的加强都会加速结晶过程。这是由于应力作用会使链段沿受力方向而取向，形成有序区，容易诱导出许多晶胚，使晶核数量增加，生成结晶时间缩短，加速了结晶作用。

压力加大还会影响球晶的尺寸和形状，低压下容易生成大而完整的球晶，高压下容易生成小而不规则的球晶。球晶大小和形状除与大小有关还与力的形式有关。在均匀剪切作用下易生成均匀的微晶结构，在直接的压力作用下易生成直径小而不均匀的球晶。在高剪切速率下得到的PP制品冷却后具有高结晶度的结构，而且PP受剪切作用生成球晶的时间比无剪切作用在静态熔体中生成球晶的时间要减少一半。

对结晶型聚合物来说，结晶和取向作用密切相关，因此结晶和剪切应力也就发生联系；剪切作用将通过取向和结晶两方面的途径来影响熔体的粘度。根据聚合物取向作用可提前结晶的道理，可提高压力和熔体流动而降低熔体粘度的办法为结晶创造条件。当

2．取向

取向是塑料大分子链沿一定方向有规律的拉伸排列，塑料在加工过程中，在力的作用下，流动的大分子链一定会取向，取向的性质和程度根据取向条件有很大的区别。按熔体中大分子受力的形式和作用的性质可分为剪切应力作用下的“流动取向”和受拉伸作用下的“拉伸取向”。

按取向结构单元的取向方向，可分单轴和双轴或平面取向。按熔体温度的稳定性可分等温和非等温流动取向。也可分结晶和非结晶取向。

在注塑制充模时，聚合物高温熔体注入温度相对低的冷却模具，会在与模腔内壁接触的熔体最外层形成来不及取向的冻结层外壳。靠近冻结凝固层的分子链，一端被固定凝固层上，而另一端被下层的分子链沿着流动方向带动而取向。由于靠近凝固层阻力最大，速度最小；而中心处流动助力最小，速度最大，这样在垂直于流动方向上形成速度梯度；凝固层处的速度梯度最大，中心处的速度梯度最小，因此靠近凝固层的熔体流受剪切作用最强，取向程度最大，而在靠近中心层剪切作用最小，取向也最小，形成小取向层区。

挤出管材中的取向主要是牵引的拉伸取向。

取向对制品性能的影响：

由于非结晶型聚合物的取向是大分子链在应力作用方向上的取向，所以在取向方向的力学性能明显增加，而垂直于取向方向的力学性能却又明显地降低；在取向方向的拉伸强度，断裂伸长率，随取向度增加而提高。

塑料制品的玻璃化温度随取向度提高而上升。

由于大分子链的高弹性，一定温度下已取向的分子链要产生松驰作用，聚合物的分子链会重新蜷曲，结晶率与取向度成正比。所以收缩程度也可以是取向程度的反映。线膨胀系数也将随取向度而变化；在垂直于流动方向线膨胀系数比取向方向约大3倍。取向后的大分子被拉长，分子之间的作用力增加，发生“应力硬化”现象，表现出塑胶制品模量提高的现象。“冻结取向”越大，则越容易发生应力松驰，制品收缩也越大。所以制品收缩反映了取向的程度。

影响制品取向的因素：

对取向影响主要是熔体加工温度和拉伸速度。对结晶影响主要是冷却速率。

熔体温度和冷却温度增高都会使取向效应降低，如果熔体温度升高，熔体粘度会降低，和凝固温度之间的温度范围加宽，松驰时间加长，容易解取向。非结晶聚合物的松驰时间是从成型温度降至玻璃化温度的时间，而对结晶型聚合物是加工温度至熔化温度的时间，由于熔点温度高于玻璃化温度，显然非结晶型聚合物松驰时间要长于结晶型聚合物。因此加工结晶型聚合物冷却速度大，松驰过程短，容易产生冻结取向。而非结晶型聚合物冷却速度慢，松驰过程长容易解取向，取向效果将减小。

压力增加可提高熔体的剪切应力和剪切速率，有助于加速高分子的取向效应。压力的提高会使结晶与取向作用加强

浇口封闭时间会影响取向效应。如果熔体流动停止后，大分子的热运动仍较强烈，会使已取向的单元又发生松驰，产生解取向的效应。采用大的浇口由于冷却得慢，封闭时间延长，熔体流动时间延长增加了取向效果，尤其在浇口处的取向更为明显，所以直浇口比点浇口更容易维持取向效应。

关于充模速度对制品取向的影响。快速充模会引起表面部位的高度取向，但内部取向小，因为在一定温度条件下，快速充模会维持其制品心部在较高的温度下冷却，使冷却时间加长，高分子松驰时间延长使解取向能力加

强，所以心部取向程度反而比表层的小。就制品心部的结构形态而言，快速充模会引起较小的取向，而慢速充模反而会引起大的取向。

3．内应力

在注塑制品中，各处局部应力状态是不同的，制品变形程度将决定于应力分布。如果制品在冷却时。存在温度梯度，则这类应力会发展，所以这类应力又称为“成型应力”。

注塑制品的内应力包两种：一种是注塑制品成型应力，另一种是温度应力。当熔体进入温度较低的模具时，靠近模腔壁的熔体讯速的冷却而固化，于是分子链段被“冻结”。由于凝固的聚合物层，导热性很差，在制品厚度方向上产生较大的温度梯度。制品心部凝固相当缓慢，以致于当浇口封闭时，制品中心的熔体单元还未凝固，这时注塑机又无法对冷却收缩进行补料。这样制品内部收缩作用与硬皮层作用方向是相反的；心部处于静态拉伸而表层则处于静态压缩。

在熔体充模流动时，除了有体积收缩效应引起的应力外。还有因流道，浇口出口的膨胀效应而引起的应力；前一种效应引起的应力与熔体流动方向有关，后者由于出口膨胀效应将引起在垂直于流动方向应力作用。

由于冷却速率和熔体压力的关系，挤出产品的内部作用力存在差异，在挤出成型中也存在内应力。

内应力与制品质量的关系：

制品中内应力的存在会严重影响制品的力学性质和使用性能；由于制品内应力的存在和分布不均，制品在使用过程中会发生裂纹。在玻璃化温度以下使用时，常发生不规则的变形或翘曲，还会引起制品表面“泛白”，浑浊，光学性质变坏。同时其化学性能也降低，如耐溶济性，老化性能下降。

影响内应力的工艺因素：

熔体温度高，粘度低，剪切应力降低取向度减小；另一方面由于熔体温度高会使应力松驰加快，促使解取向能力加强,可是在不改变注塑机压力的情况下，模腔压力会增大，强剪切作用又导致取向应力的提高。在喷嘴封闭以前，延长保压时间，会导致取向应力增加。提高注射压力或保压压力，会增大取向应力，模具温度高可保证制品缓慢冷却，起到解取向作用。

增加制品厚度使取向应力降低，因为厚壁制品冷却时慢，粘度提高慢，应力松驰过程的时间长，所以取向应力小。

由于在充模时熔体和模具之间温度梯度很大，先凝固的外层熔体要阻止后凝固的内层熔体的收缩，结果在外层产生压应力（收缩应力），内层产生拉应力（取向应力）。

如果充模后又在保压压力的作用下持续较长时间，聚合物熔体又补入模腔中，使模腔压力提高，此压力会改变由于温度不均而产生的内应力。但在保压时间短，模腔压力又较低的情况下，制品内部仍会保持原来冷却时的应力状态。

如果在制品冷却初期模腔压力不足时，制品的外层会因凝固收缩而形成凹陷；如果在制品已形成冷硬层的后期模腔压力不足时，制品的内层会因收缩而分离，或形成空穴；如果在浇口封闭前维持模腔压力，有利于提高制品密度，消除冷却温度应力，但是在浇口附近会产生较大的应力集中

四．重要的试验经验：

在对充模压力的影响实验表明：高聚物的非牛顿特性越强，则需要的压力越低；结晶型比非结晶型高聚物制品有更大的收收缩，在相变中比容变化较大。

在对注塑过程中大分子取向的机理研究证明聚合物熔体受剪切变形时，大分子由无规卷曲状态解开，并向流动方向延伸和有规则的排列，如果熔体很快冷却到相变温度以下，则大分子没有足够的时间松和恢复到它原来的无规则卷曲的构象程度，这时的聚合物就要处于冻结取向状态，这种冻结取向使注塑制品在热传导以及力学性质方面显示出各向导性。制品的取向可能在一个方向形成单轴取向，也可能在两个方向上形成双轴取向。双轴取向