塑料材料与加工工艺(习题+答案)

《塑料成型工艺及模具设计》1

学习与复习思考题

绪论

1．塑料的概念

塑料是一种以合成或天然的高分子化合物为主要成分，加入或不加入填料和添加剂等辅助成分，经加工而形成塑性的材料，或固化交联形成刚性的材料。

2．现代工业生产中的四大工业材料是什么。

钢铁、木材、高分子材料、无机盐材料

3．现代工业生产中的三大高分子材料是什么？

橡胶、塑料、化学纤维

塑料成型基础

聚合物的分子结构与热力学性能

1．树脂与塑料有什么区别

塑料的主要成分是树脂（高分子聚合物）。

2．高分子的化学结构组成。

高分子聚合物：由成千上万的原子，主要以共价键相连接起来的大分子组成的化合物。

3．聚合物分子链结构分为哪两大类，它们的性质有何不同。

线型聚合物——热塑性塑料

体型聚合物——热固性塑料

1.线型聚合物的物理特性：具有弹性和塑性，在适当的溶剂中可以溶解，当温度升高时则软化至熔化状态而流动，且这种特性在聚合物成型前、成型后都存在，因而可以反复成型。

2.体型聚合物的物理特性：脆性大、弹性较高和塑性很低，成型前是可溶和可熔的，而一经硬化(化学交联反应)，就成为不溶不熔的固体，即使在再高的温度下(甚至被烧焦碳化)也不会软化。

4．聚合物的聚集态结构分为哪两大类，它们的性质有何不同。

1无定形聚合物的结构：其分子排列是杂乱无章的、相互穿插交缠的。但在电子显微镜下观察，发现无定形聚合物的质点排列不是完全无序的，而是大距离围无序，小距离围有序，即“远程无序，近程有序”。

2体型聚合物：由于分子链间存在大量交联，分子链难以作有序排列，所以绝大部分是无定形聚合物。5．无定性聚合物的三种物理状态，以及四个对应的温度，对我们在使用和成型塑料制品时有何指导意义。

三种物理状态

1.玻璃态：温度较低(低于θg温度)时，曲线基本上是水平的，变形程度小而且是可逆流的，但弹性模量较高，聚合物处于一种刚性状态，表现为玻璃态。物体受力变形符合虎克定律，应变与应力成正比。

2.高弹态：当温度上升(在θg至θf之间)时，曲线开始急剧变化，但又很快趋于水平，聚合物的体积膨胀，表现为柔软而富有弹性的高弹态。聚合物变形量很大，而弹性模量显著降低，如去除外力，变形量可以回复，弹性是可逆的。

3.粘流态：如果温度继续上升(高于θf）聚合物即产生粘性流动，成为粘流态。聚合物的变形是不可逆的。四个对应的温度

θb——脆化温度：当温度低于θb时，物理性能将发生变化，在很小的外力作用下就会发生断裂，使塑料失去其使用价值，它是塑料制件使用的下限温度。

θg——玻璃化温度：当温度高于θg时，塑料不能保持其尺寸的稳定性和使用性能，是塑料制件使用的上限温度。

从塑料制件的使用角度看，θb和θg间的围越宽越好。

θf——粘流化温度：聚合物在温度高于θf时处于粘流态，粘流态也称熔融状态或熔体。

θf和θd这一温度围用来进行注射、压缩、压注和挤出成型加工等。

θd——热分解温度：当温度升高到θd时，聚合物便开始分解，θd称为热分解温度。

6．常见的成型方式分别是在什么温度围进行的。（掌握热塑性塑料的：注射、挤出、气动）θg—θf：气动成形工艺（中空吹塑、真空吸塑、压缩气体成形）；

θf和θd：注射、压缩、压注和挤出等成型工艺。

聚合物流变方程与分析

1、什么是层流，什么是湍流。层流和湍流的区分通常以什么参数为准。

1)层流：液体的流动是按许多彼此平行的流层进行的，同一层之间的各点的速度彼此相同。如果增大流动速度，使其超过一定的临界值，则流动即转为紊流（湍流）。

2)紊流(湍流)：液体各点速度的大小和方向都随时间而变化。

层流和紊流以液体的雷诺数Re区分，通常凡Re在2100-4000时均为层流，大于4000则为紊流（湍流）。由于注射成型时聚合物熔体的雷诺数一般都远远小于2100，故可将它们的流动形式视为液体层流。

2、什么是牛顿流动定律。牛顿流体具有什么性质。

理想的层流可看成是一层层相邻的薄层液体沿外力作用方向进行的滑移，各液层都具有平直的平面，彼此完全平行互不干扰

每层中各点的滑移速度相等，但由于受管壁摩擦的影响，各层之间的滑移速度不同。

中心处速度最大，管壁为零。

牛顿流动定律的意义

应变随应力作用的时间线性地增加，且粘度保持不变(定温情况下)，应变具有不可逆性质，应力解除后应变以永久变形保持下来。

即：温度不变的情况下，剪切速率的变化不影响流体的粘度。

3、假塑性聚合物熔体的流变行为具有什么性质。

变形和流动所需要的切应力随剪切速率变化，并呈指数规律增大；

变形和流动所受到的粘滞阻力，即液体的表观粘度随剪切速率变化，并呈指数规律减小。这种现象称为假塑性液体的“剪切稀化”。

总结：提高剪切速率，对大多数塑料熔体（非牛顿型）而言，可以降低其表观粘度，提高成型流动性。4、Ostwald—De Waele 指数定律方程的意义。

在指数流动规律中， n值可以用来反映非牛顿流体偏离牛顿流体性质的程度。

1）其中n=1时（ηa=K=η）, 为牛顿流体。

2）n≠1时，绝对值|1—n|越大，流体的非牛顿性越强，剪切速率对表观粘度的影响越强。

n

n>1时，称为膨胀性液体。主要是一些固体含量较高的聚合物悬浮液以及带有凝胶结构的聚合物溶液或悬浮液，处于较高剪切速率下的聚氯乙烯糊的流动行为就近似这类液体。

5、不同类型流体的粘度与剪切速率的关系如何，对指导生产有何意义。

1）粘度对剪切速率不太敏感或其熔体近似牛顿型聚合物：提高温度降低熔体粘度，以改善流动性。

如聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰胺—66等，它们的粘度对温度较敏感。

2）对于大多数非牛顿型聚合物，要降低熔体粘度，主要靠增加成型时的剪切速率。

6、温度和压力对聚合物熔体的表现粘度有何影响，为什么。

聚合物大分子的热运动与温度有关。

温度升高，聚合物体积膨胀，分子运动剧烈，大分子间的自由空间随之增大，彼此间的德华力减小，从而有利于大分子变形和流动，即粘度下降。

不同结构的塑料对温度的敏感程度不一样：

对表观粘度随温度变化不大的聚合物，如果靠增加温度来增加其流动性使其能成型是不合适的。

因为：温度幅度增加很大，而它的表观粘度却降低有限(如聚丙烯、聚乙烯、聚甲醛等)，大幅度地提高温度很可能使聚合物发生降解。

聚合物大分子长链，在自由状态下堆砌密度很低，相互之间具有较大的自由空间。

在空间三维等值的静压力作用下，大分子之间的自由空间会被压缩减小，大分子链相互接近，彼此间的作用加强，宏观上将表现出体积收缩或比容减小，变形流动阻力也会随之增大。

实验证明，聚合物熔体在成型压力增大时，熔体所受静压力也会随之提高，且伴随熔体的体积收缩，粘度也有所提高。

粘度对压力的敏感性会因聚合物不同而不同。聚合物熔体的压缩率越大，其粘度对压力的敏感性越强。

在注射成型时，单依靠增大注射压力来提高熔体流量或充模能力并不十分恰当。对需要增大粘度而又不宜采用降温措施的场合，可考虑采用提高压力的方法解决。

在制定成型工艺参数时，应综合考虑生产的经济性，设备和模具的可靠性以及塑件质量等因素，将成型工艺控制在最佳的注射压力和注射温度。

聚合物在成型过程中的物理化学变化。

1、结晶过程是在什么温度区间发生的，晶体的生长速率在什么温度最快。

聚合物的结晶过程只能发生在从熔点温度θm开始冷却下来到玻璃化温度θg以上的这一温度区间。

晶坯在高于熔点时，时结时散，处于动态平衡。接近θm乃至刚冷至θm以下时，晶坯依然有时结时散的情况，但某些晶坯会长大，当达到临界稳定尺寸时，即变成晶核。

随着?θ的增大，晶核生成速率很快上升，达到最大值。这时没有达到临界尺寸的晶坯结多散少，最有利于形成晶核。

?θ继续增大，链段运动阻力增加，晶核生成速率进一步降低，接近于玻璃化温度θg时又降为零。此时，分子主链的运动停止，晶坯的生长、晶核的生成及晶体的生长都会随之停止。

2、什么是取向作用，各向异性和各向同性对塑件的性能有何影响，举例说明。

在聚合物成型过程中，由于受剪切力和拉伸力的作用，聚合物分子或填料中的长纤维会发生取向作用，即：分子链或长纤维会顺着流动（或受力）方向排列，这种现象叫取向作用。

1）各向异性：塑件在某些方向上机械强度得到提高，而在另外一些方向上反而降低。如：单向拉伸的绳索，铰链；

2）各向同性：塑件在各方向上机械强度、力学强度相同。

例如：塑料袋、双向拉伸薄膜，手机、电器。

各向异性优点：制造取向薄膜与单丝等，能使塑件沿拉伸方向的抗拉强度与光泽程度有所增加；

各向异性缺点：会使塑件在某些方向上机械强度得到提高，而在加外一些方向上反而降低，甚至会发生翘曲或裂纹。

3、什么是降解，降解的实质是什么。降解有哪些主要因素产生。

聚合物在高温和应力作用下进行成型时，由于聚合物大分子受热和应力的作用，或由于在高温下受微量水分、酸、碱等杂质及空气中氧的作用，聚合物会发生相对分子量降低或大分子结构改变等化学变化，通常把相对分子质量降低的这种现象称为降解或裂解。

聚合物降解过程的实质是大分子链发生了结构变化，如断链、交联和侧基的变化等。在成型过程中，聚合物降解一般是难于完全避免的。

引起降解的主要因素

降解在成型过程中，热降解是主要的，而由应力、氧、水和其他酸碱等杂质引起的降解是次要的。

塑料的组成及工艺特性

1、塑料常用的添加剂有那些。稳定剂、增塑剂、填充剂、润滑剂和固化剂的作用是什么。

填充剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、着色剂和固化剂等。

增塑剂的作用：提高塑料的可塑性和柔软性，降低熔融温度，改善熔体的流动性。

稳定剂的作用：抑制和防止塑料在加工(提高热分解温度)和使用过程中因受热、光及氧等作用而分解变质，使加工顺利进行，保证塑件具有一定的使用寿命。

润滑剂的作用：对塑料表面起润滑作用，防止塑料在成型加工过程中粘附在模具上。同时，添加润滑剂还可以提高塑料的流动性，便于成型加工，并使塑料表面更加光滑。

固化剂的作用：促使合成树脂进行交联反应而形成体型网状结构，或加快交联反应速度。固化剂一般多用在热固性塑料中。

填充剂的作用：调整塑料的物理化学性能，提高材料强度，扩大使用围，减少合成树脂的用量，降低塑料的成本。

2、塑料的分类，六大通用塑料有那些。

(1)按树脂的分子结构及其特性分类：1)热塑性塑料 2)热固性塑料

(2)按塑料的用途分类：

1)通用塑料聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料和氨基塑料六大类。

2)工程塑料

3)特殊塑料

3、什么是收缩性，影响塑料制品成型收缩率的主要因素有哪些方面。

概念：塑件从温度较高的模具中取出冷却到室温后，其尺寸或体积会发生收缩变化，这种性质称为收缩性。影响塑件收缩的原因：

1)塑料品种：

塑料品种不同，其收缩率也各不相同。例如，树脂的相对分子质量高，填料为有机填料，树脂含量较多，则该类塑料的收缩率就大。

2)塑件结构：

塑件的形状复杂、尺寸较小、壁薄、有嵌件、嵌件数量多且对称分布，其收缩率较小。

3)模具结构：

采用直接浇口或大截面的浇口，可减少收缩，但各向异性大；

沿料流方向收缩小，沿垂直料流方向收缩大；

当浇口的厚度较小时，浇口部分会过早凝结硬化，型腔的塑料收缩后得不到及时补充，收缩较大。

4、什么是流动性，影响流动性的主要因素有哪些方面。

概念：塑料在一定的温度、压力作用下充填模具型腔的能力，称为塑料的流动性。

影响流动性的主要因素

1)温度：料温高，则流动性大，但不同塑料也各有差异。

聚苯乙烯、聚丙烯、聚酰胺、有机玻璃、ABS、AS、聚碳酸酯、醋酸纤维素等塑料的流动性随温度变化的影响较大；

聚乙烯、聚甲醛的流动性受温度变化的影响较小。

2)压力：注射压力增大，则熔料受剪切作用大，流动性也增大，尤其是聚乙烯和聚甲醛较为敏感。

3)模具结构：浇注系统的形式、尺寸、结构(如型腔表面粗糙度、浇道截面厚度、型腔形式、排气系统)、冷却系统的设计和熔料的流动阻力等因素都会直接影响熔料的流动性。

凡促使料温降低、流动阻力增加的因素，都会使流动性降低。

5、热塑性和热固性熔体流动性的好坏通常用什么实验方法来测定。

热塑性塑料的流动性的表示方法：熔融指数法螺旋线长度法

将被测塑料装入加热料筒中并进行加热，在—定的温度和压力下，测定塑料熔体在10min从出料孔挤出的重量（g），该值称为熔融指数，简写为MI。熔融指数越大，流动性越好。

将被测塑料在一定的温度与压力下注入如图2.2所示标准的阿基米德螺旋线模具，用其所能达到的流动长度(图中所示数字单位为cm)来表示该塑料的流动性。流动长度越长，流动性就越好。

热固性塑料的流动性通常以拉西格流动值表示。

将一定重量的欲测塑料预压成圆锭，将圆锭放入压模中，在一定的温度和压力下测定它从模孔中挤出的长度(毛糙部分不计在)，此即为拉西格流动值，以mm表示。数值大，则表明流动性好。

6、什么是吸湿性，塑料原料中水分过高，在成型中和成型后会对制品产生什么影响。

概念：吸湿性是指塑料对水分的亲疏程度。

吸湿性对塑料制品的影响：在注射成型过程中比较容易发生水降解，成型后塑件上出现气泡、银丝与斑纹等缺陷。

7、什么是热敏性。热敏性塑料成型时要注意哪些方面的问题。

概念：热敏性是指塑料的化学性质对热量作用的敏感程度，热敏性很强的塑料称为热敏性塑料。

防止热敏性塑料在成型中出现降解现象应采取的措施：

1）选用螺杆式注射机；

2）流道截面取大一些(避免过大的摩擦热)；

3）注射机筒壁、流道和模腔表壁镀铬；

4）熔体在模流动时不得有死角和滞料现象；

5）生产时严格控制成型工艺条件等。

6）必要时还可在塑料中添加热稳定剂。

8、比容和压缩比的概念。

比容——是指单位重量的松散塑料所占的体积，单位为cm3 /g；

压缩率——是指塑料原料的体积与塑料制品的体积之比，其值恒大于1。

常用塑料材料

热塑性材料

1、与其它材料相比，塑料的性能有什么特点。

1)塑料密度小、质量轻

大多数塑料的密度在1.0—1.4g/cm3之间，相当于钢材密度的11％和铝材密度的50％左右；发泡成型塑料制件的密度，可以小到0.01-0.5g/cm3。

2)塑料的比强度高

按单位质量计算的强度称为比强度。由于塑料的密度小，所以其比强度比较高。钢的拉伸比强度为160MPa，而玻璃钢的拉伸比强度可高达170—400MPa。

3)塑料的绝缘性能好，介电损耗低。

塑料原子部一般都没有自由电子和离子，所以大多数塑料都具有良好的绝缘性能以及很低的介电损耗，是电工和电器行业中不可缺少的原材料。

4)塑料的化学稳定性高——耐腐蚀

5)减磨、减振、耐磨性能好，自润滑性好

塑料的摩擦系数小、耐磨性好、有很好的自润滑性；传动噪声小，它可以制成轴承、齿轮、凸轮和滑轮等机器零件，可粘贴或喷涂机床金属导轨、制造刹车块等。

6)粘结性能好。

塑料一般都具有一定的粘结性能，可以与大多数的金属或非金属材料牢固粘结而制成复合材料和结构零件。

7)成型和着色性能好

塑料在一定条件下具有良好的塑性，它可以采用多种成型方法高效率地制造产品。

塑料的着色比较容易，可染成各种颜色。

8)多种防护性能

隔音、绝热、防水防潮、防透气、防辐射等性能。

缺点

1)耐热性较差，高温下物理性能明显下降，热膨胀率大，易燃烧。

2)在施加较大力时易变形，塑料有一定的蠕变性，某些塑料常温下使用也会变形，尺寸稳定性较差。

3)低温时会变脆。

4)易老化—光照、紫外线

5)与金属相比，强度刚度较小。

2、常用的热塑性材料有哪些。记住它们的英文缩写符号。

(1)聚乙烯(PE) (2)聚丙烯(PP)

(3)聚氯乙烯(PVC) (4)聚苯乙烯(PS)

(5)丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物(ABS) (6)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)

(7)聚碳酸酯(PC) (8)聚砜(PSF)（或PSU）

(9)聚酰胺(PA) (10)聚甲醛(POM)

(11)聚苯醚(PPO) (12)氯化聚醚(CPT)

(13)氟塑料 (14) 聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)(聚酯)

(15) 聚氨酯塑料(简称PU)

3、俗称“塑料王”的是哪种塑料，它有哪些其他塑料不能比拟的性能。

聚四氟乙烯(PTFE)

聚四氟乙烯树脂为白色粉末，外观呈蜡状、光滑不粘，其平均密度为2.2g／cm3，是最重要的一种塑料。聚四氟乙烯具有卓越的性能，非一般热塑性塑料所能比拟，故有“塑料王”之称。