塑料颗粒如图2-1所示。塑料的特点:塑料的东西比较轻,放到水里会浮起来,当点着塑料糖纸或塑料包装纸后,它会燃烧并且熔化滴落,不大一会儿又会凝固,有时也会冒黑烟,并且发出刺鼻的气味……
图2-1 塑料颗粒
在日常生活中塑料确实给我们留下这些印象,但从模具设计的角度来讲,还需要更多地了解塑料本身的特点及其成型特性。例如,我们还需要明白塑料的类型、缩水特性、流动性等。只有了解这些才能够更好地指导模具设计。
塑料是指以树脂为主要成分,以增塑剂、填充剂、润滑剂、着色剂等添加剂为辅助成分,在加工过程中能流动成型的材料。
树脂通常是指受热后有软化或熔融范围,软化时在外力作用下有流动倾向,常温下是固态、半固态,有时也可以是液态的有机聚合物。
树脂有天然树脂和合成树脂之分。天然树脂是指由自然界中动植物分泌物所得的无定形有机物质,如松香、琥珀、虫胶等。合成树脂是指由简单有机物经化学合成或由某些天然产物经化学反应得到的树脂产物。
添加剂是指分散在塑料分子结构中,不会严重影响塑料的分子结构,而能改善其性质或降低成本的化学物质。添加剂的加入,能改进基材的加工性、物理性、化学性等性能,并能增加基材的物理、化学特性。只有极少一部分塑料含100%的树脂,绝大多数除主要组成成分为树脂以外都需要加入添加剂。常用的添加剂有填充剂、增塑剂、稳定剂、着色剂、润滑剂和抗氧剂等。
填充剂也被称为填料,可以提高塑料的强度和耐热性能,并且可以降低成本。填料可分为有机填料和无机填料两类,前者有木粉、碎布、纸张和各种织物纤维等,后者有玻璃纤维、硅藻土、石棉、炭黑等。
增塑剂可增加塑料的可塑性和柔软性,降低其脆性,使塑料易于加工成型。增塑剂一般是指能与树脂混溶,无毒、无臭,对光、热稳定的高沸点有机化合物,最常用的是邻苯二甲酸酯类增塑剂。例如,在生产聚氯乙烯塑料时,若加入较多的增塑剂,则可得到软质聚氯乙烯塑料,若不加或少加增塑剂(用量<10%),则可得到硬质聚氯乙烯塑料。
为了防止合成树脂在加工和使用过程中受光和热的作用发生分解或被破坏,延长塑料的使用寿命,要在塑料中加入稳定剂。常用的稳定剂有硬脂酸盐、环氧树脂等。
着色剂可使塑料具有各种鲜艳、美观的颜色。常用有机染料和无机颜料作为着色剂。
润滑剂的作用是防止塑料在成型时黏在金属模具上,同时可使塑料的表面光滑、美观。常用的润滑剂有硬脂酸及其钙镁盐等。
抗氧剂的作用是防止塑料在加热成型或在高温使用过程中受热氧化,从而使塑料变黄、发裂等。
除上述添加剂以外,塑料中还可加入阻燃剂、发泡剂、抗静电剂等,以满足不同的使用要求。
塑料是较轻的材料,相对密度为0.9~2.2g/cm 3 。特别是泡沫塑料,因为内部有微孔,所以更轻,相对密度可以达到0.1g/cm 3 。这种特性使得塑料可用于制造要求减轻自重的产品。
绝大多数的塑料对酸、碱等化学物质都具有良好的抗腐蚀能力。特别是俗称塑料王的聚四氟乙烯(F4),它的化学稳定性甚至胜过黄金,放在“王水”中煮十几个小时也不会变质。聚四氟乙烯由于具有优异的化学稳定性,因此是理想的耐腐蚀材料,可以作为输送腐蚀性和黏性液体的管道材料。
普通塑料都是电的不良导体,其表面电阻、体积电阻很大,为109~1018 Ω ,击穿电压大,介质损耗角正切值很小。因此,塑料在电子工业和机械工业中有着广泛的应用。
一般来讲,塑料的导热性是比较低的,相当于钢的1/225~1/75,如聚氯乙烯(PVC)的导热系数仅为钢材的1/357。铝材的1/1250。泡沫塑料内部的微孔中含有气体,因此其具有隔热、隔音、防振性好等优点。在隔热能力上,单玻塑窗比单玻铝窗高40%。将塑料窗体与中空玻璃结合起来,在住宅、写字楼、病房、宾馆中使用,冬天保暖、夏天隔热,好处十分明显。
有的塑料坚硬如石头、钢材,有的塑料柔软如纸张、皮革。从塑料的硬度、抗张强度、延伸率和抗冲击强度等力学性能上来看,其机械强度分布范围广、强度比高,有很大的选择余地。
与其他材料相比,塑料也存在着明显的缺点。
(1)在回收利用废弃塑料时,分类十分困难,而且经济性差。
(2)塑料容易燃烧,燃烧时会产生有毒气体。例如,聚苯乙烯燃烧时会产生甲苯,这种物质少量就会导致失明,吸入会导致呕吐等症状;PVC燃烧会产生氯化氢有毒气体。除燃烧外,高温环境也会导致塑料分解出有毒成分,如苯环等。
(3)塑料是由石油炼制的产品制成的,石油资源是有限的。
(4)塑料无法自然降解。塑料因为无法自然降解,所以会对环境造成严重污染。塑料垃圾充斥在人们生活的环境中,令人触目惊心。例如,人们为了生活方便,大量使用购物塑料袋,结果导致塑料袋到处飘飞,这些塑料袋由于无法自然降解,即使埋藏在地底下,几百年、几千年甚至几万年也不会腐烂,严重污染土壤。焚烧所产生的有害烟尘和有毒气体同样会对大气环境造成污染。
(5)塑料的耐热性能较差,易于老化。
塑料的分类方法比较多,本节仅介绍其中两种。
根据受热后的性质不同,塑料可以分为热塑性塑料和热固性塑料。
热塑性塑料是加热后软化流动,冷却后硬化,再加热后又会软化流动的塑料,即通过加热及冷却可以不断地在固态和液态之间发生可逆的物理变化的塑料。
人们日常生活中使用的大部分塑料都属于热塑性塑料。因为此种塑料可以回收再次利用,所以注塑模具多用此种塑料成型产品。
热塑性塑料主要包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA,俗称有机玻璃)、聚氯乙烯(PVC)、尼龙(Nylon)、聚碳酸酯(PC)、聚氨酯(PU)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚酰胺(PA)等。
热固性塑料在第一次加热时可以软化流动,加热到一定温度后发生化学反应——交联固化,从而变硬,这种变化是不可逆的,此后再次加热,不能再软化流动。热固性塑料正是借助这种特性进行成型加工的,利用第一次加热时发生的软化流动,使熔体在压力下充满型腔,进而固化成特定形状和尺寸的制品。热固性塑料多用于对隔热、耐磨、绝缘、耐高压电等特性要求较高的场合,如炒锅把手和高低压电器等。
热固性塑料主要包括酚醛树脂(PF)、脲醛树脂(UF)、三聚氰胺树脂(MF)、不饱和聚酯树脂(UF)、环氧树脂(EP)、有机硅树脂(SI)、聚氨酯(PU)等。
根据用途不同,塑料可以分为通用塑料、工程塑料、特种塑料。
通用塑料是指产量大、价格低、应用范围广的塑料,主要包括聚烯烃、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料和氨基塑料五大品种。人们日常生活中使用的许多产品都是由通用塑料制成的。
工程塑料是指可作为工程结构材料和代替金属制造机器零部件等的塑料,主要包括聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、ABS树脂、聚酰亚胺等。工程塑料具有密度小、化学稳定性高、机械性能良好、电绝缘性优越、加工成型容易等特点,广泛应用于汽车、电器、化工、机械等领域。
特种塑料是指具有特种功能,可用于航空、航天等特殊应用领域的塑料。例如,氟塑料和有机硅塑料具有突出的耐高温、自润滑等特殊性能,增强塑料和泡沫塑料具有高强度、高缓冲性等特殊性能,这些塑料都属于特种塑料的范畴。
随着塑料技术的发展,一些新型塑料不断涌现,下面介绍几种新型塑料。
英国南安普顿大学和德国达姆施塔特塑料研究所共同开发出一种可变色塑料薄膜。这种可变色塑料薄膜把天然光学效果和人造光学效果结合在一起,可以让物体精确改变颜色。这种可变色塑料薄膜为塑料蛋白石薄膜,是由在三维空间中叠起来的塑料小球组成的,在塑料小球中间还有微小的碳纳米粒子,因此光不仅在塑料小球和周围物质之间的边缘区反射,还在填在这些塑料小球之间的碳纳米粒子表面反射,这就大大加深了薄膜的颜色。只要控制塑料小球的体积,就能产生只散射某些光谱频率的光的物质。
英国谢菲尔德大学的研究人员开发出一种人造塑料血液,其外形就像浓稠的糨糊,只要溶于水就可用于给病人输血,可作为急救过程中的血液替代品。这种塑料血液由塑料分子构成,一块塑料血液中有数百万个塑料分子,这些分子的大小和形状都与血红蛋白分子类似,还可携带铁原子,像血红蛋白那样把氧输送到全身。由于制造原料是塑料,因此这种塑料血液轻便易带,不需要冷藏保存,使用有效期长,工作效率比真正的人造血还高,而且造价较低。
墨西哥的一个科研小组研制出一种防弹塑料,可用来制作防弹玻璃和防弹服,其质量只有传统材料的1/7~1/5。这是一种经过特殊加工的塑料,与正常结构的塑料相比,具有超强的防弹性。试验表明,这种防弹塑料可以抵御直径为22mm的子弹。通常的防弹材料在被子弹击中后会发生受损变形,无法继续使用,而这种材料受到子弹冲击后虽然暂时也会变形,但很快就会恢复原状并可继续使用。此外,这种材料可以将子弹的冲击力平均分配,从而减少对人体的伤害。
美国聚合物集团(PGI)公司采用可再生的聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯开发出一种新型基础材料,应用于可模塑汽车零部件,可降低汽车噪声。这种材料主要应用于车身和轮舱衬垫,通过产生一个屏障层,吸收汽车车厢内的声音,降低噪声,噪声降低幅度为25%~30%。同时PGI公司还开发出一种特殊的一步法生产工艺,将再生材料和没有经过处理的材料有机结合在一起,通过层叠法和针刺法使得两种材料成为一个整体。
在饮料瓶底部或其他塑料器皿底部都有一个标识(一个带箭头的三角形,三角形里面有一个数字),不同的标识代表不同的意义。塑料广泛用于饮品包装及食品包装,有很多人对其毒性认识不够或根本不清楚,现归类如下以供学习,如表2-1所示。
表2-1 常见的塑料标识
续表