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塑料的组成与分类

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1. 塑料的组成与分类

塑料是以高分子量合成树脂为主要成分，在一定条件下（如温度、压力等）可塑制成一定形状且在常温下保持形状不变的材料。塑料都以合成树脂为基本原料，并加入填料、增塑剂、染料、稳定剂等各种辅助料而组成。因此，不同品种牌号的塑料，由于选用树脂及辅助料的性能、成分、配比及塑料生产工艺不同，则其使用及工艺特性也各不相同。为此模具设计时必须了解所用塑料的工艺特性。
一、按受热时的行为分：
1、热塑性塑料
     加热时变软以至流动，冷却变硬，这种过程是可塑的，可以反复进行。聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛，聚碳酸酯，聚酰胺、丙烯酸类塑料、其它聚烯烃及其共聚物、聚砜、聚苯醚，氯化聚醚等都是热塑性塑料。热塑性塑料中树脂分子链都是线型或带支链的结构，分子链之间无化学键产生，加热时软化流动，冷却变硬的过程是物理变化。
2、热固性塑料
     第一次加热时可以软化流动，加热到一定温度，产生化学反应一交链固化而变硬，这种变化是不可逆的，此后，再次加热时，已不能再变软流动了。正是借助这种特性进行成型加工，利用第一次加热时的塑化流动，在压力下充满型腔，进而固化成为确定形状和尺寸的制品。这种材料称为固性塑料。 热固性塑较的树脂固化前是线型或带支链的，固化后分子链之间形成化学键，成为三度的网状结构，不仅不能再熔融，在溶剂中也不能溶解。酚醛、脲醛、三聚氰胺甲醛、环氧、不饱和聚酯、有机硅等塑料，都是热固性塑料。
二、按树脂合成时的反应类型分 ：
    按塑料中树脂合成时的反应类型，可将树脂分为聚合型树脂和缩聚型树脂，相应的塑料分别称为聚合型塑料和缩聚型塑料。
1、聚合型塑料
     树脂是由聚合反应制得。这种树脂一般是由含有不饱和键，主要是双键的单体，借双键打开生成的： 反应过程中无低分子产物释出。聚烯烃、聚卤代烯烃、聚苯乙烯、聚甲醛、丙烯酸类塑料都属于聚合型塑料。聚合型塑料都是热塑性塑料。
2、缩聚型塑料
     树脂是由缩聚反应制得。这种树脂一般是由含有某种官能团（一般最少含有两个官能团）的单体，借官能团之间的反应使单体连接起来而形成的。
三、按塑料中树脂大分子的有序状态分:
1、无定形塑料
     树脂大分子的排列是无序的。这种塑料，由于树脂分子链的结构特点，或因热力学原因，或成型过程工艺条件范围的限制，分子链不会产生有序的整齐堆砌形成结晶结构，而呈现无规则的随机排列。在纯树脂状态，这种塑料是透明的。

2、结晶型塑料
    树脂大分子排列呈现出三向远程有序。从熔融状态冷却变为制品过程中，树脂的分子链能够有序地紧密堆砌产生结晶结构的。一般所谓的结晶型塑料，实际上都是半结晶的，不像低分子晶体（例如NaCl）那样能产生100%的结晶度。树脂大分子链排列呈现出无定形相与结晶相共存的状态。成型条件对结晶度和晶态结构有明显影响，从而对制品性能有明显影响。结晶结构只存在于热塑性塑料中。

四、按性能和应用范围分:
1、通用塑料
    通用塑料是指生产最大、货源广，价格低，适于大量应用的塑料。通用塑料一般皆具有良好的成型工艺性，可采用多种工艺成型出多种用途制品。一般说，通用塑料不具有突出的综合力学性能和耐热性，不宜用于承载要求较高的结构件和在较高温度下工作的耐热件。但通用塑料的各品种，都有各自的某些优异性能，使它具有广泛用途。聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛塑料合称五大通用塑料。其它聚烯烃、乙烯基塑料及其共聚物与改性材料、丙烯酸塑料氨基塑料等也都属于通用塑料。
2、工程塑料
     工程塑料是指那些具有突出力学性能、耐热性，或优异耐化学试剂、耐溶剂性，或在变化的环境条件下可保持良好绝缘介电性能的塑料。工程塑料一般可以作为承载结构件，升温环境下的耐热件和承载件，升温条件、潮湿条件、大范围的变频条件下的介电制品和绝缘用品。工程塑料的生产批量小，价格也较昂贵，用途范围相对狭窄，一般都是按某些特殊用途生产一定批量的材料。现有的工程塑料主要品种有聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚苯醚、ABS、PET、PBT、聚砜、聚苯硫醚、氯化聚醚、聚酰亚胺、聚醚醚酮、氟塑料、超高分子量聚乙烯、环氧塑料和不饱和聚酯等。

3、特种塑料
    具有某种特殊功能，适于某种特殊用途的塑料，例如用于导电、压电、热电、导磁、感光、防辐射、光导纤维、液晶、高分子分离膜、专用于摩擦磨损用途等塑料。 特种塑料又称功能塑料。特种塑料的主要成分是树脂，有些是专门合成的特种树脂，但也有一些是采用上述通用塑料或工程塑料用树脂经特殊处理或改性后获得特殊性能的。     

塑料的基本性能        

（一）.质轻、比强度高。
塑料质轻，一般塑料的密度都在 0.9 ~ 2.3 克／厘米3 之间，
只有钢铁的 1 ／ 8 ~1 ／ 4 、铝的 1 ／ 2 左右，而各种泡沫塑料的密度更低，
约在 0.01 ~ O.5 克／厘米 3 之间。按单位质量计算的强度称为比强度，
有些增强塑料的比强度接近甚至超过钢材。例如合金钢材，其单位质量的拉伸强度为 160 兆帕，
而用玻璃纤维增强的塑料可达到 170 ~ 400 兆帕。      

（二）.优异的电绝缘性能。
几乎所有的塑料都具有优异的电绝缘性能，
如极小的介电损耗和优良的耐电弧特性，这些性能可与陶瓷媲美。    

（三）优良的化学稳定性能。
一般塑料对酸碱等化学药品均有良好的耐腐蚀能力，
特别是聚四氟乙烯的耐化学腐蚀性能比黄金还要好，甚至能耐 " 王水 " 等强腐蚀性电解质的腐蚀，
被称为 " 塑料王 " 。        

（四）.减摩、耐磨性能好。
大多数塑料具有优良的减摩、耐磨和自润滑特性。
许多工程塑料制造的耐摩擦零件就是利用塑料的这些特性，在耐磨塑料中加入某些固体润滑剂和填料时，
可降低其摩擦系数或进一步提高其耐磨性能。      

（五）.透光及防护性能。
多数塑料都可以作为透明或半透明制品，
其中聚苯乙烯和丙烯酸酯类塑料象玻璃一样透明。有机玻璃化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯，
可用作航空玻璃材料。聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等塑料薄膜具有良好的透光和保暖性能，
大量用作农用薄膜。塑料具有多种防护性能，因此常用作防护保装用品，
如塑料薄膜、箱、桶、瓶等。        

（六）.减震、消音性能优良。
某些塑料柔韧而富于弹性，当它受到外界频繁的机械冲击和振动时，
内部产生粘性内耗，将机械能转变成热能，因此，工程上用作减震消音材料。
例如，用工程塑料制作的轴承和齿可减小噪音，各种泡沫塑料更是广泛使用的优良减震消音材料。 

   上述塑料的优良性能，使它在工农业生产和人们的日常生活中具有广泛用途；
它已从过去作为金属、玻璃、陶瓷、木材和纤维等材料的代用品，
而一跃成为现代生活和尖端工业不可缺少的材料。然而，塑料也有不足之处。
例如，耐热性比金属等材料差，一般塑料仅能在 100℃ 以下温度使用，少数 200℃ 左右使用；
塑料的热膨胀系数要比金属大 3 ~ 10 倍，容易受温度变化而影响尺寸的稳定性；
在载荷作用下塑料会缓慢地产生粘性流动或变形，即蠕变现象；此外，塑料在大气、阳光、
长期的压力或某些质作用下会发生老化，使性能变坏等。
塑料的这些缺点或多或少地影响或限制了它的应用。
但是，随着塑料工业的发展和塑料材料研究工作的深入，
这些缺点正被逐渐克服，性能优异的新颖塑料和各种塑料复合材料正不断涌现   
塑料的成型性能
（一）收缩率
     塑件自模具中取出冷却到室温后，发生尺寸收缩这种性能称为收缩性。由于收缩不仅是树脂本身的热胀冷缩，而且还与各成型因素有关，所以成形后塑件的收缩应称为成型收缩。
（二）流动性
    塑料在一定温度与压力下填充型腔的能力称为流动性。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过多，填充型腔不密实，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。
（三）比容及压缩率
    比容为每一克塑料所占有的体积（以厘米3/克计）。压缩率为塑粉与塑件两者体积或比容之比值（其值恒大于1）。它们都可被用来确定压模装料室的大小。其数值大即要求装料室体积要大，同时又说明塑粉内充气多，排气困难，成形周期长，生产率低。比容小则反之，而且有利于压锭，压制。
（四）硬化特性
    热固性塑料在成型过程中在加热受压下转变成可塑性粘流状态，随之流动性增大填充型腔，与此同时发生缩合反应，交联密度不断增加，流动性迅速下降，融料逐渐固化。模具设计时对硬化速度快，保持流动状态短的料则应注意便于装料，装卸嵌件及选择合理的成型条件和操作等以免过早硬经或硬化不足，导致塑件成形不良。
（五）水分及挥发物含量
    各种塑料中含有不同程度的水分、挥发物含量，过多时流动性增大、易溢料、保持时间长、收缩增大，易发生波纹、翘曲等弊病，影响塑件机电性能。但当塑料过于干燥时也会导致流动性不良成型困难，所以不同塑料应按要求进行预热干燥，对吸湿性强的料，尤其在潮湿季节即使对预热后的料也应防止再吸湿
（六）热敏性及水敏性
    热敏性塑料系指某些塑料对热较为敏感，在高温下受热时间较长或进料口截面过小，剪切作用大时，料温增高易发生变色、降聚，分解的倾向，具有这种特性的塑料称为热敏性塑料。
    有的塑料（如聚碳酸酯）即使含有少量水分，但在高温、高压下也会发生分解，这种性能称为水敏性，对此必须预先加热干燥。
（七）吸湿性
     塑料中因有各种添加剂，使其对水分各有不同的亲疏程度，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的两种，料中含水量必须控制在允许范围内，不然在高温、高压下水分变成气体或发生水解作用，使树脂起泡、流动性下降、外观及机电性能不良。所以吸湿性塑料必须按要求采用适当的加热方法及规范进行预热，在使用时还需用红外线照射以防止再吸湿。
    一般而言，多数塑料的比强度与金属在同一数量级，比刚度低于金属数倍至一个数量级，但某些结构泡沫塑料，比刚度可与金属媲美。用高模量增强剂增强后，某些塑料的比刚度可以超过金属。
一. 焊接的定义和特点
采用加热和加压或其他方法,使热塑性塑料制品的两个或多个表面融合成一个整体的方法,称为塑料焊接.不言而喻,凡加热能熔融冷却后又能保持一定强度的塑料,即热塑性塑料都可以进行焊接.在高温下很不稳定的热塑性塑料当属例外.
焊接时可以使用焊条,也可以不用焊条.热塑性塑料的性能随温度的变化而迅速变化,在不同温度下,不同塑料材料状态的具体变化并不一致,但总的趋势是一样的.
焊接是在粘流状态下进行的,而且其可焊接性往往处于熔融的最高点.但是这种状态的温度范围关不大,仅限于在分解刚开始之前,因而应严格掌握焊接温度并尽快完成焊接作业.
二.焊接工艺的三个要素:温度、压力、时间.
1.温度:聚合物的自贴力与其所处的物理状态有关,其物理状态首先取决于温度.当结晶型聚合物在玻璃态时,即使相互接触保持很长时间,两个接触表面之间也不会粘合,而当聚合物转化为粘流状态时,其集合强度便接近聚合物的内聚力.此时所得到的焊接接头就不会有明显的分界线.
2.压力:升高温度可使分子之间相互作用,但实践证明仅仅是温度得到要求而不会给压力,仍然不能形成高强度的接头,不管是热气焊接还是热板接触焊接,除温度以外形成接头的另

一个必要条件,是让焊件的两个表面层接近到一定的距离这就必须施加压力,在压力作用下不仅可以使其距离达到要求,还可以使焊接区的聚合物得到流动、搅动,使不平坦之处得到补偿,排除防碍大分子相互作用的弱界石层（聚合物表面的氧化部分、污染物、空气等）,从而获得高强度的接头.
3.时间:随着焊接时间的增加,强度会逐渐提高最后达到一个限度,因此为了得到足够强度的接头必须保持足够的焊接时间.
规塑料焊接工艺
一件塑料成品可能由多种材料或部件制成，要将各部件结合起来，可使用机械固定件、粘合剂及焊接工艺加工。三种接合方式中，以焊接工艺的效果最佳，而且焊接形式多样，可根据不同材料、尺寸、用途而使用不同的焊接工艺。
机械固定件、粘合剂和焊接工艺均可将两种工程塑料接合。机械固定件可快速将两种部件连接，但接缝的防漏功能较差，局部应力也会使聚合物材料之间脱离。
粘合剂可提供良好的特性，形成防漏功能优良的接缝，可是，粘合剂处理难度较大，固化速度慢。同时，采用粘合剂粘合时，接缝准备和表面清洁度要求较高。
焊接可产生粘合稳固的接缝，其机械特性接近於母体材料。塑料焊接仅限於热塑性聚合物，原因在於热塑性材料可通过加热而软化。热固性聚合物在硬化之後，无法通过加热而软化。与金属相比，热塑性聚合物焊接所需的热量较少。
塑料焊接工艺可分为两类：
A）机械移动式焊接工艺：超声焊接、摩擦焊接和振动焊接。
B）外部加热式焊接工艺：热板焊接、热气焊接和植入焊接。

超声波焊接装置
超声焊接
超声焊接法通过机械高频振动而形成接缝。待装配的部件加压夹持於振荡焊头和固定焊头之间，然後与接触面呈直角，接受频率为20~40KHz的超声振动。交替式高频应力在接缝介面处产生热量，从而形成优质的焊接。用於这一工艺的工具十分昂贵，因此，适宜在生产量较大时采用。
这焊接法仅适用於焊接长度不超过数厘米的小型部件。应用领域包括在多头机上焊接医疗器材所用的阀门和筛检程式盒体、汽车部件、吸尘器外壳等。
摩擦焊接
热塑性塑料摩擦焊接（也称为“旋转焊接”）与金属焊接的原理相同。在这种焊接工艺中，将一片基材固定，另一片基材以受控的角速度旋转。当部件压合在一起时，摩擦热导致聚合物熔融，冷却後即形成焊接。主要焊接参数包括：旋转速度、摩擦压力、锻压压力、焊接时间和熔化长度。
摩擦焊接能产生优良的焊接质量，焊接工艺简单，重复性强。但也由於其工艺简单，所以仅适合於至少有一个部件是圆形且不需要角度对齐的应用领域。
振动焊接

振动焊接设备
振动焊接也称为线性摩擦焊接。两件热塑性部件在适当的压力、频率和振幅下相互摩擦，直到产生足够的热量使聚合 物熔融为止。振动停止後，部件彼此对齐，熔化的聚合物固化後形成焊接。振动焊接类似於旋转焊接，区别在於运动为直线运动而非旋转运动。这一焊接法十分快 速，振动频率一般为100~240Hz，振幅为1毫米~5毫米。
此焊接工艺的主要优点在於能高速焊接大型复杂线性部件。其他优点还包括：能同时焊接多个部件，焊接工具简单，几乎能焊接所有热塑性材料包括注塑部件、挤塑部件、吹塑部件、热成型部件、发泡部件和冲压部件，主要用於汽车和家用电器行业。
线性换能器可由控制器编程，确保升降台保持的精准高度、减速点、焊接开始时间及距离。设定快速，利用自动调校功能可自动找出焊接头的共振频率。其他标准特色还包括：距离焊接、时间焊接、可编程振幅多重设定及三级密码保护。
振动焊接尤其适合热塑性材料，包括无定形树脂如ABS/PC、PVC、PMMA及PES；半结晶树脂如HDPE、PA、PP、TPO。 Dukane的焊接机可接合汽车部件，例如进气歧管、仪表板、尾灯及保险杠等；航空用途如HVAC管、内饰灯及储存箱；家电则有洗碗机的泵及喷水臂、洗涤 剂的喷洒器及吸尘机外壳。
热板焊接
对於塑料接合来说，热板焊接是最简单的批量生产技术。高温热板夹於待接缝的表面之间，直到软化为止。此时，将热板抽出，两表面在受控压力之下贴 合，保持一段特定的时间後合在一起。然後，让熔融表面冷却，形成焊接。焊接工具或加热元件配有内置电热器，以避免塑料粘连於焊接工具上。
温度一般介於180℃~230℃之间，具体根据待焊接材料的厚度和类型而定。这焊接方法常用於焊接供气、供水、污水、排水塑料管及化工行业所用塑料管的端头；将加油管和接头焊接於汽车用吹塑油箱上。
多种日常用品都采用这一焊接工艺，例如：吸尘器外壳，洗衣机和洗碗机部件、制动液油箱、後灯、指示灯等汽车部件。热板焊接法的弊端在於焊接速度较慢。小型件焊接时间一般为10秒~20秒，大型管焊接时间长达30分钟。
热气焊接
热气焊接法与氧炔金属焊接法相似。唯一的区别在於：氧炔焊所用的明火由热气流代替。压缩空气、氮气、氢气、氧气或二氧化碳通过焊枪时由电热盘管加热。
热气焊接法是一种热塑性材料的组装制作工艺。这一焊接法源於20世纪中期，利用加热的气流（通常为空气）将热塑性塑料基材和热塑性塑料焊条加热和熔化。基材和焊条熔融後形成焊缝。为确保有效焊接，必须在焊条上施加适当的温度和压力，还应确保合适的焊接速度和焊枪位置。
主要用途包括化学品存储容器、通风管道和汽车保险杠等注塑件维修等。氮气用於氧气敏感的材料，如聚乙烯；氧气则形成更高的焊接强度。压缩空气能确保较好的效果，成本低廉，因此，在热气焊接中广泛常用。
可焊接的塑料包括PVC、聚乙烯、聚碳酸酯和尼龙。这一焊接方法的主要优点在於能焊接大型、复杂的部件，但是焊接速度慢，焊接质量完全依赖於焊工的技能。
植入焊接
在植入焊接中，首先将金属嵌件夹在待接缝的部件之间，然後通过感应或电阻方式加热。采用电阻焊接时，要求沿接缝放置电线将电流传导到植入件中；采 用感应焊接时则不需要这种方式。热塑性塑料沿植入件周围熔融，围绕其周边流动形成焊缝。植入焊接法已用於焊接大型部件等的复杂接缝，包括汽车保险杠、电动 汽车和游艇船壳。
激光焊接
激光焊接适合於将片材薄膜和成型热塑性塑料焊接。焊接时，激光光束将塑料熔融於接缝区。激光机发出强烈的辐射光束（通常位於电磁光谱的红外线区），集中於待接缝的材料表面。这样，就在分子中产生了共振频率，令周边材料温度升高。
激光焊接是一种大批量生产工艺，其优点在於不产生振动，可将弧光灼伤降低到最低限度。其他优势包括光束强度可控，可尽量避免部件变形或受损；激 光光束集中，便於接缝准确成型；这种工艺属非接触式工艺，既清洁又卫生。激光焊接适用於单次焊接及连续焊接，不过，待焊接材料必须夹紧。焊接速度根据聚合 物吸收率而定。
激光焊接是一种可行的解决方案，能代替传统型焊接方法。近年来，激光焊接技术甚至可焊接透明材料。随着喷墨和桌面喷洒系统等生产工艺的进步，激光焊接已成为小批量生产和大批量生产领域的备选方案。
在激光焊接过程中，部件会吸收电磁能，将其转化成热能，但塑料并不吸收近红外线（NIR）光，因此，NIR一般从塑料中直接通过。以前，聚合物激 光焊接最常用的方法是在整个底部基材上喷洒碳黑。碳黑能吸收靠近介面的光，生成足够的热量以形成焊缝。遗憾的是，这一方法会影响塑料的透明性。

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