各种聚合物收缩性比较

热塑性塑料的分类及相关基本概念a. 热塑性塑料热塑性塑料可分为两大类:结晶形塑料和无定形塑料。结晶形材料具有比较明显的熔点，当加工温度进入熔点后即出现粘流态，聚合物粘度迅速下降，发生不可逆的塑性形变。而无定形塑料，由常温下的固态加温直至软化最后到粘流态，中间没有明显的熔点。作为判别结晶形塑料和无定形塑料方法，一般来说，不透明的或半透明的是结晶形塑料，例如聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛、聚酰胺、聚酯等。透明的是无定形塑料，例如聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）、聚砜等。当然，也有例外情况，比如ABS属于无定形塑料，却不透明流动性一般来说，对于结晶形塑料，当加工温度高于其熔点时，其流动性较好，能很快的充满型腔，它所需要的注射压力也可以较小。而无定形塑料的流动性较差，因此，注入型腔的速度较慢，它所需要的注射压力也要较大。所以在模具设计时，可以根据塑料的流动性来设计合理的流道系统尺寸，一方面可避免流道系统尺寸太大而浪费材料，同时也延长注塑成型周期，另一方面避免流道系统尺寸太小而导致充填、保压困难。当然，也有例外，比如，聚苯乙烯虽然是无定形塑料，但它的流动性却很好。反映流动性的指标通常有熔融指数（MFR）和表观粘度。对于高分子聚合物来讲，在通常的注塑成型条件下，它们的流动行为大都不服从牛顿流动定律，属于非牛顿流体，它们流动剪切应力与剪切速率的比值称为表观粘度。表观粘度在一定温度下并不是一个常数，可随剪切应力、剪切速率而变化，甚至有些还随时间而变化。收缩性热塑性塑料由熔融态到凝固态，都要发生不同程度的体积收缩。而结晶形塑料一般比无定形塑料表现出更大的收缩率和收缩范围，且更容易受成型工艺的影响。结晶形塑料的收缩率一般在1.0%3.0%，而无定形塑料的收缩率在0.4%0.8%。对于结晶形塑料，还应考虑其后收缩，因为它们脱模以后在室温下还可以后结晶而继续收缩，后收缩量随制品厚度和环境温度而定，越厚后收缩越大。附表2-1:常见塑料的成型收缩率塑料名称收缩率（%）塑料名称收缩率（%）HDPE1.53.5(2.0)*POM1.82.6(2.0)*LDPE1.53.0(1.5)*PA60.71.5PP1.03.0(1.5)*PA661.02.5GPPS0.40.8(0.5)*SPVC1.52.5(2.0)*HIPS0.40.6(0.5)*TPU1.22.0(1.6)*ABS0.40.7(0.5)*PMMA0.50.7(0.5)*PC0.50.7(0.5)*PBT1.32.2(1.6)*注：带“*”的参数为本公司推荐值。b. 流变性高聚物的流变性是指加工过程中，应力、形变、形变速率与粘度之间的关系。这就涉及到温度、压力、时间及分子结构、分子量大小及其分布对这些要素的影响。根据塑料的流变性，塑料又可分为剪敏性材料和热敏性材料。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，这种塑料属于剪敏性塑料。常见的剪敏性塑料有ABS、PS、PE、PP、POM等等。如果熔体粘度对温度的依赖性越强，粘度随温度的上升而下降得越快，这种塑料属于热敏性塑料。常见的热敏性塑料PC、PA、PMMA等等。对于高分子聚合物来讲，剪切速率对以上两种材料的粘度都有影响，剪切速率的提高都可以在不同程度上降低熔体的粘度，可以使熔体产生“剪切变稀”现象。所以，在设计流道系统时，并不是流道尺寸越大，压力降就越小，适当小的流道尺寸可以提高熔体的剪切速率来降低粘度，进一步减少压力降，这种效果对剪敏性材料来得明显些。较小的浇口尺寸可以使增加熔体的剪切速率，产生大量的摩擦热，熔体温度明显上升，熔体粘度跟着下降，增加流动性。所以，小浇口的采用对于剪敏性塑料往往是成功的。但制品的壁厚较厚时，应该考虑到保压而适当加大浇口尺寸以延长浇口的凝固时间。c. 取向效应影响制品性能的因素还有塑料熔体在流动过程中的取向效应。塑料熔体的大分子在外力的作用下被拉伸而顺着流动方向互相平行排列，这种排列在塑料冷却凝固之前来不及消除而冻结在固态制品中，便形成了取向效应。取向效应会使制品的整体性受到削弱，表现为各个的方向的物理机械性能的不一致，也可能导致各个方向收缩不均匀，从而可能导致制品翘曲变形。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”下。控制取向的条件有以下因素：(1) 熔体温度和模具温度的下降会加强取向效应；注射压力增加可提高剪切速率和剪切应力而加强取向效应；制品厚度越薄，取向效应越强；较大的浇口尺寸将加强取向效应。有时采取某些特别的措施增强取向效应，使取向方向的拉伸强度和弯曲强度得到提高。如拉伸薄膜、铰链等。2.3聚乙烯聚乙烯(Polyethylene,简称PE)是塑料中产量最大的、日常生活中使用最普通的一种，特点是质软、无毒、价廉、加工方便。注射用料为乳白色颗粒。分子式为：CHCH22n由于主链为C-C键结构，无侧基，柔顺性好，分子呈规整的对称性排列，所以是一种典型的结晶高聚物。聚乙烯比较容易燃烧，燃烧时散发出石蜡燃烧味道，火焰上端黄色、下端蓝色，熔融滴落，离火后能继续燃烧。目前大量使用的PE料主要有两种，即HDPE和LDPE。HDPE和LDPE的基本性能HDPE（低压高密度聚乙烯,俗称硬性软胶）分子结构中支链较少，相对密度0.94g/cm30.965g/cm3,结晶度80%90%。其最突出的性能是电绝缘性优良，耐磨性、不透水性、抗化学药品性都较好，在60C下几乎不溶于任何溶剂；耐低温性良好，在-70C时仍有柔软性。缺点主要有：耐骤冷骤热性较差，机械强度不高，热变形温度低。HDPE主要用来制作吹塑瓶子等中空制品，其次用作注塑成型，制作周转箱、旋塞、小载荷齿轮、轴承、电气元件支架等。LDPE（高压低密度聚乙烯，俗称软胶）分子结构之间有较多的支链，密度0.910g/cm30.925g/cm3,结晶度55%65%。易于透气透湿，有优良的电绝缘性能和耐化学性能，柔软性、伸长率、耐冲击性、透光率比HDPE好，机械强度稍差，耐热性能较差，不耐光和热老化。大量用作挤塑包装薄膜、薄片、包装容器、电线电缆包皮和软性注塑、挤塑件。HDPE、LDPE在性能上的相同点：1. 吸水率较低，成型加工前可以不进行干燥处理。2. 聚乙烯为剪敏性材料，粘度受剪切速率的影响更明显。3. 收缩率较大且方向性明显，制品容易翘曲变形。由於聚乙烯是結晶型聚合物,它的結晶均勻程度直接影響到製品密度的分布。所以，要求模具的冷卻水佈置儘可能均勻，使密度均勻，保證製品尺寸和形狀精度。2.3.1 模具设计时应注意：1）聚乙烯分子有取向现象，这将导致取向方向的收缩率大于垂直方向的收缩率而引起的翘曲、扭曲变形，以及对制品性能产生的影响。为了避免这种现象，模具设计时应注意浇口位置的确定和收缩率的选择。2）.聚乙烯质地柔软光滑，易脱模，对于侧壁带浅凹槽的制品，可采取强行脱模的方式进行脱模。3）.由于聚乙烯流动性较好，排气槽的深度应控制在0.03mm以下。CHCH2nCH3聚丙烯聚丙烯（Polypropylene,简称PP,俗称百折软胶）由丙烯聚合而成，分子式为：属于结晶形高聚物，有着质轻、无毒、无味的特点，而且还具有耐腐蚀、耐高温、机械强度高的特点。注射用的聚丙烯树脂为白色、有蜡状感的颗粒。聚丙烯容易燃烧，火焰上端呈黄色，下端蓝色，冒少量黑烟并熔融滴落，离火后能继续燃烧，散发出石油味。聚丙烯大致分为单一的聚丙烯均聚体和改进冲击性能的乙烯丙烯共聚体两种。共聚的聚丙烯制品其耐冲击性比均聚聚丙烯有所改善。1.4.1 PP性能上的主要优点：1）.由于在熔融温度下流动性好，成型工艺较宽，且各向异性比PE小，故特别适于制作各种形状简单的制品，制品的表面光泽、染色效果、外伤痕留等方面优于PE料.2) .通用塑料中，PP的耐热性最好。其制品可在100C下煮沸消毒，适于制成餐具、水壶等及需要进行高温灭菌处理的医疗器械。热变形溫度为100C105C，可在100C以上長期使用。.屈服强度高，有很高的弯曲疲劳寿命。用PP制作的活动铰链，在厚度适当的情况下(如0.250.5mm),能承受7000万次的折叠弯曲而未有大的损坏。3) .密度较小，为目前已知的塑料中密度最小的品种之一。常见塑料的密度范围见附表2-2。表2-2:常见塑料密度范围塑料名称密度范围塑料名称密度范围HDPE0.9410.965POM1.411.43LDPE0.910.925PA61.121.15PP0.900.91PA661.15GPPS1.041.06SPVC1.161.35HIPS1.041.05TPU1.2ABS1.041.06PMMA1.171.20PC1.2PBT1.261.301.4.2 PP性能的主要缺点：1. 由于是结晶聚合物，成型收缩率比无定形聚合物如PS、ABS、PC等大。成型时尺寸又易受温度、压力、冷却速度的影响，会出现不同程度的翘曲、变形，厚薄转折处易产生凸陷，因而不适于制造尺寸精度要求高或易出现变形缺陷的产品。2. 刚性不足，不宜作受力机械构件。特别是制品上的缺口对应力十分敏感，因而设计时要避免尖角缺口的存在。3. 耐候性较差。在阳光下易受紫外线辐射而加速塑料老化，使制品变硬开裂、染色消退或发生迁移。1.4.3 模具设计:1) .成型收缩率大，选择浇口位置时应满足熔体以较平衡的流动秩序充填型腔，确保制品各个方向的收缩一致。2) .带铰链的制品应注意浇口位置的选择，要求熔体的流动方向垂直于铰链的轴心线。3) .由于PP的流动性较好，排气槽深度不可超过0.03mm。聚苯乙烯CHCH2n聚苯乙烯(Polystyrene，简称PS、GPS,俗称通用级PS或硬胶)是一种无定形透明的热塑性塑料先由苯与乙烯加成得乙苯，再由乙苯制得苯乙烯，最后由苯乙烯加聚反应得聚苯乙烯。化学结构式为:聚苯乙烯容易燃烧，火焰为橙黄色，浓黑烟炭束，软化、起泡，散发出苯乙烯单体味。1.4.4 PS性能的主要优点：1) .光学性能好。其透光率达88%92%,可用作一般透明或滤光材料器件，如仪表、收录机上的刻度盘、电盘指示灯、自行车尾灯的透光外罩等。2) .易于成型加工。因其比热低、熔融粘度低、塑化能力强、加热成型快，故模塑周期短。而且成型温度和分解温度相距较远，可供选择范围广，加之结晶度低、尺寸稳定性好，被认为是一种标准的工艺塑料。3) .着色性能好。PS表面容易上色、印刷和金属化处理，染色范围广，注射成型温度可以调低，能适应多种耐温性差的有机颜料的着色，制出色彩鲜艳明快的制品。1.4.5 PS性能的主要缺点：1. 其最大的缺点是性脆易裂。因其抗冲击强度低，在外力作用下易于产生银纹屈服而使材料表现为性脆易裂，制件仅能在较低的负载使用；耐磨性也较差，在稍大的磨擦碰刮作用下很易拉毛。2耐热温度较低。其制品的最高连续使用温度仅为6080C，不宜制作盛载开水和高热食品的容器。1. 此外，PS的热胀系数大，热承载力较差，嵌入螺母、螺钉、导柱、垫块之类金属元件的塑料制品，往往在嵌接处出现裂纹。4. 成型加工工艺要求较高。虽然PS透明、易于成型，但如果加工工艺不善，将带来不少问题，例如：a) .PS制品老化现象较明显，长时间光照或存放后，会出现混浊和发黄。b) .PS对热的敏感性很大，很易在不良的受热受压加工环境中发生降解。PS的改性为了改善PS强度较低、不耐热、性脆易裂的缺点，以PS为基质，与不同单体共聚或与共聚体、均聚体共混，可制得多种改性体。例如：高抗冲聚苯乙烯(HIPS)、苯烯腈-苯乙烯共聚体(SAN)等等。HIPS它除了具有聚苯乙烯易于着色、易于加工的优点外，还具有较强的韧性和冲击强度、较大的弹性。SAN具有较高的耐应力开裂性以及耐油性、耐热性和耐化学腐蚀性。1.4.6 模具设计：1. PS的热胀系数与金属相差较大，在PS制品中不宜有金属嵌件，否则当环境温度变化时，制品极易出现应力开裂现象。2因PS性脆易裂，故制品的壁厚应尽可能均匀，不允许有缺口、尖角存在，厚薄相连处要用较大的圆弧过渡，以避免应力集中。3. 为防止制品因脱模不良而开裂或增加内应力，除了选择合理的脱模斜度外，还要有较大的有效顶出面积、有良好的顶出同步性。4. PS对浇口形式无特殊要求，仅要求在浇口和制品连接处用较大的圆弧过度，以免在去浇口时损伤制品。ABS(CHCH)(CHCH)(CHCH)2x2323y2znCNABS(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene)俗称超不碎胶，是一种高强度改性PS,由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种组元以一定的比例共聚而成，化学结构式为：三元结构的ABS兼具各组分的多种固有特性：丙烯腈能使制品有较高的强度和表面硬度，提高耐化学腐蚀性和耐热性；丁二烯使聚合物有一定的柔顺性，使制件在低温下具有一定的韧性和弹性、较高的冲击强度而不易脆折；苯乙烯使分子链保持刚性，使材质坚硬、带光泽，保留了良好的电性能和热流动性，易于加工成型和染色。ABS本色为浅象牙色，不透明，无毒无味，属于无定形塑料。粘度适中，它的熔体流动性和温度、压力都有关系，其中压力的影响要大一些。ABS树脂是一种缓慢燃烧的材料，燃烧时火焰呈黄色，冒黑烟，气味特殊，在继续燃烧时不会熔融滴落。1.4.7 主要优点：1. 综合性能比较好：机械强度高；抗冲击能力强，低温时也不会迅速下降；缺口敏感性较好；抗蠕变性好，温度升高时也不会迅速下降；有一定的表面硬度，抗抓伤；耐磨性好，摩擦系数低；2. 电气性能好，受温度、湿度、频率变化影响小；3. 耐低温达-40C；4. 耐酸、碱、盐、油、水；5. 可以用涂漆、印刷、电镀等方法对制品进行表面装饰；6. 较小的收缩率，较宽的成型工艺范围。1.4.8 主要缺点：1. 不耐有机溶剂，会被溶胀，也会被极性溶剂所溶解;2. 耐候性较差，特别是耐紫外线性能不好；3. 耐热性不够好。普通ABS的热变形温度仅为95C98C。1.4.9 ABS的改性ABS能与其他许多热塑性或热塑性塑料共混，改进这些塑料的加工和使用性能。如将ABS加入PVC中，可提高其冲击韧性、耐燃性、抗老化和抗寒能力，并改善其加工性能；将ABS与PC共混，可提高抗冲击强度和耐热性；以甲基丙烯酸甲酯替代ABS中丙烯腈组分，可制得MBS塑料，即通常所说的透明ABS。综上所述，ABS是一类较理想的工程塑料，为各行业所广为采用。航空、造船、机械、电气、纺织、汽车、建筑等制造业都将ABS作为首选非金属材料。模具设计1.排气为防止在充模过程中出现排气不良、灼伤、熔接缝等缺陷，要求开设深度不大于0.04mm的排气槽。聚碳酸酯CH3CnnCH3聚碳酸酯（Polycarbonate,简称PC,俗称防弹玻璃胶）常指双酚A型聚碳酸酯，它性能优越，不仅透明度高，冲击韧性极好，而且耐蠕变，使用温度范围宽，电绝缘性、耐候性优良，无毒。是一种有优异工程性能的较理想的塑料，外观透明微黄，刚硬而带韧性。其分子式为：聚碳酸酯的结晶倾向较小，没有准确的熔点，一般认为属于无定形塑料。流动性较差，冷却速度较快，制品易产生应力集中。它的流变性很接近牛顿型流体，它的粘度主要受温度影响。聚碳酸酯可缓慢燃烧，火焰呈黄色，黑烟炭束，熔融起泡，散发出特殊花果臭，离火后慢慢熄灭。PC优良的综合性能主要表现在以下几个方面：2. 1机械强度高。其冲击强度是热塑性塑料中最高的一种，比铝、锌还高，号称“塑料金属”；弹性模量高，受温度影响极小；抗蠕变性能突出，即使在较高温度、较长时间下蠕变量也十分小，优于P0M；其他如韧性、抗弯强度、拉伸强度等亦优于PA及其他一般塑料。PC的低温机械强度是十分可贵的。所以在较宽的温度范围内，低温抗冲击能力较强，耐寒性好,脆化温度低达-iooc；热性耐气候性优良。PC的耐热性比一般塑料都高，热变形温度为135143C,长期工作温度达120130C，是一种耐热环境的常选塑料。其耐候性也很好，有人做过实验，将PC制件置于气温变化大的室外，任由日晒雨淋，三年后仅仅是色泽稍黄，性能仍保持不变；成型精度高，尺寸稳定好。成型收缩率基本固定在0.5%0.7%，流动方向与垂直方向的收缩基本一致。在很宽的使用温度范围内尺寸可靠性高。1.4.10 PC的主要缺点：2. 1.是自身流动性差，即使在较高的成型温度下，流动亦相对缓慢；是在成型温度下对水分极其敏感，微量的水分即会引起水解，使制件变色、起泡、破裂；抗疲劳性、耐磨性较差、缺口效应敏感。PC优良的综合性能使其在机械、仪器仪表、汽车、电器、纺织、化工、食品等领域都占据著重要地位。制成品有：食品包装、餐饮器具、安全帽、泵叶、外科手术器械、医疗器械、高级绝缘材料、齿轮、车灯灯罩、高温透镜、窥视孔镜、电器连接件和镭射唱片、镭射影碟等。模具设计PC制品与模具设计除了遵循一般塑料制品与模具的设计原则外,还需注意以下几点：1. 由于PC的流动性较差，所以，流道系统和浇口的尺寸都应较大，优先采用侧浇口、扇形浇口、护耳式浇口；由于熔体粘度较大，要求型腔的材料比较耐磨；熔体的凝固速度较快，流动的不平衡对充填过程影响明显。为了防止滞流，型腔应该获得较好的充填秩序；2. PC对缺口较为敏感，要求制品壁厚均匀一致，尽可能避免锐角、缺口的存在，转角处要用圆弧过渡，圆弧半径不小于1.5mm。3. 为防止在成型过程中出现排气不良现象，需开设深度小于0.04mm的排气孔槽.2.8聚甲醛聚甲醛（Polyoxymethylene,简称POM,俗名赛钢）是一种没有侧链、高密度、高结晶度的线型聚合物，聚有优异的综合性能。这种材料最突出的特性是具有高弹性模量，表现出很高的硬度和刚性。POM是一种结晶形塑料，熔融状态下具有良好的流动性，其表观粘度主要受剪切速率影响，是一种剪敏性材料，按分子链化学结构不同，聚甲醛可分为均聚和共聚两种。均聚物的密度、结晶度、机械强度等较高，共聚物的热稳定性、成型加工性、耐酸碱性较好。聚甲醛容易燃烧,火焰上端黄色、下端蓝色，并熔融滴落，散发出强烈的刺激性甲醛味，鱼腥臭，离火后能继续燃烧。2.8.1 主要优点：a. POM具有良好的耐疲劳性和抗冲击强度，适合制造受周期性循环载荷的齿轮类制品；耐蠕变性好。与其他塑料相比，POM在较宽的温度范围内蠕变量较小，可用来作密封零件；耐磨性能好。POM具有自润滑性和低摩擦系数，该性能使它可用来作轴承、转轴；耐热性较好。在较高温下长期使用力学性能变化不大，均聚POM的工作温度在100C，共聚POM可在114C。b. 吸水率低，成型加工时，对水分的存在不敏感。2.8.2 主要缺点:a. 凝固速度快，制品容易产生皱纹、熔接痕等表面缺陷；收缩率大，较难控制制品的尺寸精度；C.加工温度范围较窄，热稳定性差，即使在正常的加工温度范围内受热稍长，也会发生聚合物分解；模具设计在熔融态时，凝固速度快，结晶度高，体积收缩大，为满足正常的充填和保压，要求浇口尺寸大一些，且流动平衡性好一些；刚性好而韧性不足，弧形浇口不适合于POM,以防浇口断裂而无法正常脱模；为防止POM分解而腐蚀型腔，型腔材料应该选用耐腐蚀的材料POM熔体流动性较好，为防止排气不良、熔接痕、灼伤变色等缺陷，要求模具开设良好的排气槽，深度不超过0.02mm，宽度在3mm左右。