第一节 基础知识
一、基本概念
树脂(resin),受热时通常有软化或熔融范围,软化时,在外力作用下有流动倾向,常温下是固态、半固态或假固态等的有机聚合物。有时也可以是液态聚合物。在塑料工业中,广义地讲,作为塑料基材的任何聚合物都可称为树脂。
自然界存在一些来自植物或动物分泌而得的无定形有机物质,如松香、琥珀、虫胶等,这类物质统称为天然树脂。
简单有机化合物经化学合成或某些天然产物经化学反应后所得到的树脂类产物,称为合成树脂。
塑料(plastics),以树脂(有时用单体在加工过程中直接聚合)为主要成分(如聚乙烯、有机玻璃、聚四氟乙烯等),大部分含有添加剂(增塑剂、填充剂、润滑剂、颜料等),而且在加工过程中能流动成型的材料。一般不包括弹性体、纤维、涂料、胶黏剂。
二、主要品种与分类
塑料分类方法较多,可按其化学组成、结晶程度、耐热性、受热后性能变化特点和功能或用途等方法加以分类,但不管哪一种方法,都难以全面概括,只是根据需要或便于形成一种明确概念,从某一侧面加以归纳分类表述的一种方式。
l.按用途或功能分类
(l)通用塑料 聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、丙烯酸类塑料和ABS等。
(2)通用工程塑料 聚酰胺(PA)(俗称尼龙)、聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、热塑性聚酯[聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)]和改性聚苯醚。
(3)特种工程塑料 氟塑料、聚酰亚胺(PI)、聚苯硫醚(PPS)、聚砜类(PSU)、聚酮类(如聚醚醚酮PEEK)、聚芳酯(PAR)、聚苯酯(PHB)、液晶聚合物(LCP)和发展中的特种工程塑料。
(4)热固性工程塑料 酚醛、环氧、不饱和聚酯、有机硅、聚氨酯、氨基塑料、氰酸酯、烯丙基塑料和呋喃塑料等。
(5)高性能增强塑料 碳纤维增强塑料、芳纶纤维增强塑料、超拉伸聚乙烯纤维增强塑料、陶瓷纤维增强塑料、金属纤维增强塑料及超混杂纤维增强塑料、PBO纤维增强塑料和填充塑料。
(6)功能塑料 导电塑料、压电塑料、磁性塑料、塑料光纤、隐身塑料、光学塑料等。
(7)纳米改性塑料 纳米改性通用塑料、纳米改性工程塑料、纳米改性热固性塑料、纳米改性功能塑料等。
(8)工程泡沫塑料 通用结构泡沫塑料、通用工程泡沫塑料、耐高温泡沫塑料、热固性工程泡沫塑料等。
2.按化学组成分类
可分为聚酰胺类、聚酯类、聚醚类、聚烯烃类、芳杂环类和含氟类聚合物。
3.按结晶程度分类
按照聚合物的物理状态,可分为结晶型和无定型两类。聚合物的结晶能力与分子结构规整性、分子间力、分子链柔顺性能等因素相关,结晶程度还会受拉力、温度等外界因素的影响。利用聚合物的物理状态也可部分地表征聚合物的结构和共同特性,是常用的一种分类方法。
4.按耐热性分类
通常以长期连续使用温度划分,可分为两类:使用温度在l00~l50℃的塑料(如通用工程塑料和改性工程塑料等);使用温度在l50℃以上的塑料(特种工程塑料等)。
5.按受热后的性能变化特征分类
可分为热塑性塑料和热固性塑料两种。
三、聚合方法
l.连锁聚合反应
连锁聚合反应的特征是整个反应过程可以划分成相继的三基元反应,即链引发、链增长、链终止。各步的反应速率和活化能差别很大。根据链增长活性中心的不同,可将连锁聚合反应分成自由基聚合、离子聚合和配位聚合。含有不饱和键的单体,如单烯类、共轭双烯类、炔烃、羰基化合物,容易按连锁反应的机理进行反应。
(l)自由基聚合反应 在适当条件下,化合物的价键有两种断裂形式,其中一种是构成共价键的一对电子拆成两个带一个电子的基团,这种带独电子的基团称做自由基或游离基,自由基的活性足够高,就有可能打开烯类单体的π键,使链引发、链增长,成为自由基聚合。
在聚合物生产方法中,自由基聚合占了很大的比例,如高压聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚乙酸乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、丁苯橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶、ABS树脂等聚合物都通过自由基聚合来生产。
目前工业上自由基聚合多用引发剂来引发。引发剂是容易分解成自由基的化合物,可分为热分解型引发剂(过氧化物和偶氮双腈类)、氧化还原型引发剂(如过硫酸钾+硫酸亚铁)和低温游离基型引发剂(由有机过氧化物与烷基金属化合物组成)。
苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯等单体,在除净阻聚剂等杂质后,在热的作用下,也能引发聚合,叫做热引发聚合,其中,苯乙烯的热聚合已实现工业化。
许多烯类单体在光的激发下,能够形成自由基而聚合,这称为光引发聚合,如高相对分子质量聚丙烯酰胺的带式连续辐照聚合。光引发聚合在感光树脂方面应用广泛。
目前辐射、电子束引发的聚合主要应用于乳液聚合产品、部分光学玻璃及水凝胶接触镜等产品。预计辐射聚合在植被塑料光纤、生物医用材料、固定化酶以及高分子纳米材料等方面将有较好的发展前景。
此外,微波聚合、等离子聚合、电化学聚合也正在成为研究热点。
(2)离子聚合反应 在适当条件下,化合物的价键的另一种断裂形式为异裂,一对电子全部归属于某一基团,成为阴离子或负离子,另一基团缺电子,就成为阳离子或正离子,由阴离子或阳离子引发的连锁聚合反应称为离子聚合反应。
阴离子聚合的高聚物品种主要有等规以及间规聚甲基丙烯酸甲酯、低顺式聚丁二烯橡胶、聚丁苯橡胶、乙烯基聚丁二烯橡胶、丁苯嵌段共聚物等。
阳离子聚合的高聚物品种主要有聚异丁烯、丁基橡胶、氯化聚醚和聚甲醛等。
(3)配位聚合反应 配位聚合反应的活性中心是催化剂中含有烷基的过渡元素的空的d轨道。单体能在空的d轨道上配位而被活化,随后烷基及双键上的π电子对发生移位,得以实现链增长。
采用配位聚合法生产的聚合物主要包括低压聚乙烯、聚丙烯、(高)顺式l,4-聚丁二烯,合成天然橡胶等。
2.逐步聚合反应
逐步聚合反应的特征是在低分子转变成高分子的过程中,反应是逐步进行的,即每一步的反应速率和活化能大致相同。与连锁聚合相比,这类反应没有特定的反应活性中心,每个单体分子的官能团都有相同的反应能力。逐步聚合反应包括逐步缩聚反应和逐步加聚反应。
(l)逐步缩聚反应 单体分子间经多次重复的缩合反应,脱掉水或其他简单分子键合成聚合物的化学反应,称为逐步缩聚反应。
缩聚反应在高分子合成工业中占有重要地位,如酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、氨基树脂、尼龙、涤纶、聚碳酸酯、聚砜、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚苯并咪唑等均可利用该反应合成。
(2)逐步加聚反应 在逐步加聚反应中,大分子链的增长是一个逐步的过程,但无小分子生成。单体分子通过反复加成,使分子间形成共价键以生成聚合物的反应称为逐步加聚反应,如聚氨酯和环氧树脂的合成。
3.聚合物化学反应
聚合物化学反应是聚合物分子链上或分子链间官能团相互转化的化学反应。如硝化纤维素、N-氯代聚酰胺、氯化聚乙烯、聚乙烯醇等,均是利用聚合物化学反应方法合成的。近年来,关于聚合物化学反应的研究得到迅速发展,特别是具有特殊功能的聚合物相继出现,如高分子催化剂、感光性高分子、导电性高分子、伸缩性高分子等,其中有些已获得工业生产。
4.超分子组装
超分子高分子是依靠分子自组装形成的类似于经典高分子长链结构的超分子。单体间并不发生化学反应,而是靠强大的分子间相互作用或分子识别连接在一起。如“自聚合”的4-(4'-乙烯基吡啶)苯甲酸超分子、聚苯代喹啉-聚苯乙烯两亲性嵌段聚合物、静电层状组装而成的聚乙烯胺-聚苯乙烯磺酸钠等。可以预言,超分子高分子化学的发展将会提供一系列新型材料。
四、改性方法
塑料的改性方法分为掺混改性法、填充改性法、增强改性法和纳米改性法等。
l.掺混改性法
(l)机械共混改性法。将两种或两种以上的聚合物,以粉末状、溶液状、乳液状或熔体状,在通用塑料混合设备中加以混合,形成各组分均匀分散的聚合物合金的方法称为机械共混法。
(2)接枝共聚法。接枝共聚是将聚合物单体B与聚合物A分子主链发生聚合反应的过程,通常生成的典型结构为
其接枝操作程序为,先制备聚合物A,再将其溶于聚合物单体B中,形成均匀溶液后,再利用引发剂或热能引发,使聚合物单体B向聚合物A主链上发生转移,便制得接枝共聚物。
(3)嵌段共聚法。聚合物A与聚合物B在黏弹状态或熔融状态下,受强力剪切力、超声波或高压电场作用,而发生解聚,破裂产生端基活性大分子自由基,这种不同类型的大分子自由基相互结合而形成嵌段共聚物的过程,或者先制备一具有端基活性的聚合物,再用另一单体引发聚合而生成嵌段共聚物的过程称之为嵌段共聚法。
(4)多层乳液共聚法。先用一种聚合物单体进行乳液聚合,以生成的粒子为核,并在其表面聚合形成另一种聚合物单体,使之形成内层与外层组成不同的多层粒子结构的方法称为多层乳液共聚法。
(5)反应增容共混法。在两种聚合物热力学相容性不好或不相容的情况下,加入某种相容剂以降低两相之间界面能,促进共混过程中相的分散,阻止分散相的凝聚,强化相间黏结或使共混聚合物组分官能化,通过相互反应增容的一种改性方法。
(6)互穿网络改性法。先制备一适度交联的聚合物网络(聚合物A),并将其在含有活化剂和交联剂的第二种聚合物(聚合物B)单体中溶胀,然后引发聚合就生成交联聚合物网络与第一种聚合物网络相互贯穿的聚合物合金结构,将这一反应过程称之为互穿网络改性法。
(7)反应挤出改性法。利用双螺杆挤出机(又称反应挤出机),使相掺混的物料在增容反应或化学反应的同时完成共混的过程。
(8)动态硫化改性法。在硫化剂或交联剂存在的情况下,在熔融混炼过程使物料均匀分散的同时进行交联反应生成聚合物合金的过程。
(9)分子复合改性法。以刚性棒状聚合物为分散相,柔性聚合物为连续相,采用熔融共混或原位聚合技术,使少量的分散相均匀地分散于连续相中生成聚合物合金的过程。
(l0)综合改性法。这是在聚合物改性过程采用了共聚、多重乳液聚合、反应挤出等技术使合金化一体完成的改性方法。典型的产品有商品牌号为catalloy和EXL3386的聚合物合金。这种聚合物合金具有微观相分离形态,热变形温度达250℃,且冲击强度优越。
2.填充改性法
填充改性法是运用在组成和结构上与聚合物基体不同的填料(常为无机填料),以机械掺混的方式,将其添加到聚合物中去,形成分散均匀的复合体系的过程。
常用的填料有以下三类。
①惰性填料,以增加体积,降低成本为目的;
②活性填料,以改善聚合物某些力学和物理性能为目的;
③功能填料,以赋予或改进聚合物某些功能特性为目的。
3.增强改性法
增强改性法是以聚合物为基体或连续相,以纤维(如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、超拉伸聚乙烯纤维、陶瓷纤维、金属纤维等)为增强材料或分散相,采用浸渍或机械混合法制成分散均匀复合材料体系的一种改性方法。
增强改性的目的如下。
①提高塑料的硬度、密度、刚性(弹性模量)和强度;
②提高塑料的热变形温度,减小其力学和物理性能对温度的依赖性;
③降低制品收缩率;
④改进塑料的蠕变行为和表观模量,降低载荷黏弹屈服特性,局部改进耐冲击强度等;
⑤降低成本等。
4.纳米改性法
纳米改性是采用机械共混、原位聚合、插层、溶胶-凝胶和分子组装等技术,将纳米级无机粒子、陶瓷粒子、金属粒子、半导体粒子、纳米碳管、纳米线等均匀地分散于树脂基体中形成新型的塑料体系。纳米物质在体系中通过其小尺寸效应、体积效应、表面或界面效应和宏观量子隧道效应的发挥可显著改进和提高塑料的力学性能和热性能,并可赋予塑料新的功能特性。是目前乃至将来塑料材料改性所追求的高新技术,代表了塑料材料乃至材料科学发展的重要方向之一。
五、塑料成型工艺与加工方法
塑料成型加工是一门工程技术,它涉及将树脂及其添加剂转变为塑料制品的各种工艺,以及树脂的流变行为和物理与化学性能所发生的各种变化。塑料的成型和加工方法很多,现仅简单介绍如下。
(一)模压成型
模压又称压缩模塑,是模塑料在闭合模腔内借助加压(一般尚需加热)的成型方法。
通常,模压适用于热固性工程塑料,如酚醛塑料、氨基工程塑料、不饱和聚酯等。
模压或模塑由预压、预热和模压三个过程组成。
(l)预压。为改善制品质量和提高模塑效率等,将粉料或纤维状模塑料预先压成一定形状的操作。
(2)预热。为改善模塑料的加工性能和缩短成型周期等,把模塑料在成型前先行加热的操作。
(3)模压。在模具内加入所需量的塑料,闭模、排气,在模塑温度和压力下保持一段时间,然后是脱模,清模的操作。
模压模塑用的主要设备是压机和塑模。压机用得最多的是自给式液压机,吨位从几十吨至几百吨不等。有下压式压机和上压式压机。用于模压的模具称为压制模具,分为三类:溢料式模具,半溢料式模具,不溢式模具。
模压的主要优点是可模压较大平面的制品和能大量生产,其缺点是生产周期长,效率低。
(二)层压成型
可使用或不用胶黏剂,通过加热、加压把相同或不相同材料的两层或多层结合为整体的方法。
层压成型常用层压机操作,这种压机的动压板和定压板之间装有多层可浮动热压板。
层压成型常用的增强材料有棉布、玻璃布、纸张、石棉布等,树脂有酚醛、环氧、不饱和聚酯以及某些热塑性工程树脂。
(三)冷压模塑
冷压模塑又叫冷压烧结成型,和普通压制模塑不同点是在常温下使物料加压模塑。脱模后的模塑品可再行加热或借助化学作用使其固化。
该法多用于聚四氟乙烯的成型,此法也用于某些耐高温塑料(如聚酰亚胺等)。一般工艺过程为制坯-烧结-冷却三个步骤。
(四)传递模塑
传递模塑又称挤塑,是热固性塑料的一种成型方法。模塑时先将模塑料在加热室加热软化,然后压入已被加热的模腔内固化成型。
传递模塑按设备不同有三种形式:活板式;罐式;柱塞式。
传递模塑对塑料的要求是,在未达到固化温度前,塑料应具有较大的流动性,达到固化温度后,又需具有较快的固化速率。能符合这种要求的有酚醛、三聚氰胺甲醛和环氧树脂等。
传递模塑具有以下优点:①制品废边少,可减少后加工量;②能模塑带有精细或易碎嵌件和穿孔的制品,并且能保持嵌件和孔眼位置的正确;③制品性能均匀,尺寸准确,质量高;④模具的磨损较小。缺点是:①模具的制造成本较压制模高;②塑料损耗大;③纤维增强塑料因纤维定向而产生各向异性;④围绕在嵌件四周的塑料,有时会因熔接不牢而使制品的强度降低。
(五)低压成型
使用成型压力等于或低于l.4MPa的模压或层压方法。
低压成型方法用于制造增强塑料制品。增强材料如玻璃纤维、纺织物、石棉、纸、碳纤维等。常用的树脂绝大多数是热固性的,如酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯、有机硅等树脂。
低压成型包括袋压法和喷射法。
(l)袋压成型。借助弹性袋(或其他弹性隔膜)接受流体压力而使介于刚性模和弹性袋之间的增强塑料均匀受压而成为制件的一种方法。按造成流体压力的方法不同,一般可分为加压袋成型、真空袋压成型和热压釜成型等。
(2)喷射成型。成型增强塑料制品时,用喷枪将短切纤维和树脂等同时喷在模具上积层并固化为制品的方法。
(六)挤出成型
挤出成型也称挤压模塑或挤塑,它是在挤出机中通过加热、加压而使物料以流动状态连续通过口模成型的方法。
挤出法主要用于热塑性塑料的成型,也可用于某些热固性塑料。挤出的制品都是连续的型材,如管、棒、丝、板、薄膜、电线电缆包覆层等。此外,还可用于塑料的混合,塑化造粒、着色、掺和等。
挤出成型机由挤出装置、传动机构和加热、冷却系统等主要部分组成。挤出机有螺杆式(单螺杆和多螺杆)和柱塞式两种类型。前者的挤出工艺是连续式,后者是间歇式。
单螺杆挤出机的基本结构主要包括:传动装置、加料装置、料筒、螺杆、机头和口模五个部分。
挤出机的辅助设备有物料的前处理设备(如物料输送与干燥)、挤出物处理设备(定型、冷却、牵引、切料或辊捲)和生产条件控制设备三大类。
(七)挤拉成型
挤拉成型是热固性纤维增强塑料的成型方法之一。用于生产断面形状固定不变,长度不受限制的型材。成型工艺是将浸渍树脂胶液的连续纤维经加热模拉出,然后再通过加热室使树脂进一步固化而制备具有单向高强度连续增强塑料型材。
通常用于挤拉成型的树脂有不饱和聚酯、环氧和有机硅三种。其中不饱和聚酯树脂用得最多。
挤拉成型机通常由纤维排布装置、树脂槽、预成型装置、口模及加热装置、牵引装置和切割设备等组成。
(八)注射成型
注射成型(注塑)是使热塑性或热固性模塑料先在加热料筒中均匀塑化,而后由柱塞或移动螺杆推挤到闭合模具的模腔中成型的一种方法。
注射成型几乎适用于所有的热塑性塑料。近年来,注射成型也成功地用于成型某些热固性塑料。注射成型具有成型周期短(几秒到几分钟),成型制品质量可由几克到几十千克。能一次成型外形复杂、尺寸精确、带有金属或非金属嵌件的模塑品。因此,该方法适应性强,生产效率高。
注射成型用的注塑机分为两大类:柱塞式注塑机和螺杆式注塑机。是由注射系统、锁模系统和塑模三大部分组成。其成型方法可分为以下几种。
(l)排气式注射成型。排气式注射成型应用的排气式注塑机,在料筒中部设有排气口.亦与真空系统相连接,当塑料塑化时,真空泵可将塑料中含有的水汽、单体、挥发性物质及空气经排气门抽走,原料不必预干燥,从而提高生产效率,提高产品质量。特别适用于聚碳酸酯、尼龙、有机玻璃、纤维素等易吸湿的材料成型。
(2)流动注射成型。流动注射成型可用普通移动螺杆式注塑机。即塑料经不断塑化并挤入有一定温度的模具型腔内,塑料充满型腔后,螺杆停止转动,借螺杆的推力使模内物料在压力下保持适当时间,然后冷却定型。流动注射成型克服了生产大型制品的设备限制问题,制件质量可超过注塑机的最大注射量。其特点是塑化的物件不是贮存在料筒内,而是不断挤入模具中,因此它是挤出和注塑相结合的一种方法。
(3)共注射成型。共注射成型是采用具有两个或两个以上注射单元的注塑机,将不同品种或不同色泽的塑料,同时或先后注入模具内的方法。用这种方法能生产多种色彩和(或)多种塑料的复合制品,有代表性的共注射成型是双色注塑和多色注塑。
(4)无流道注射成型。模具中不设置分流道,而由注塑机的延伸式喷嘴直接将熔融料分注到各个模腔中的成型方法。在注射过程中,流道内的塑料保持为熔融流动状态,在脱模时不与制品一同脱出,因此制件没有流道残留物。这种成型方法不仅节省原料,降低成本,而且减少工序,可以达到全自动生产。
(5)反应注射成型。反应注射成型的原理是将反应原材料经计量装置计量后泵入混合头,在混合头中碰撞混合,然后高速注射到密闭的模具中,快速固化,脱模,取出制品。它适于加工聚氨酯、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂、醇酸树脂等一些热固性塑料和弹性体。
(6)热固性塑料的注射成型。粒状或团状热固性塑料,在严格控制温度的料筒内,通过螺杆的作用,塑化成黏塑状态,在较高的注射压力下,物料进入一定温度范围的模具内交联固化。热固性工程塑料注射成型除有物理状态变化外,还有化学变化。因此与热塑性工程塑料注射成型相比,在成型设备及加工工艺上存在着很大的差别。
(九)吹塑成型
借气体压力使闭合在模具中的热型坯吹胀成为中空制品,或管型坯无模吹胀成管膜的一种方法。该方法主要用于各种包装容器和管式膜的制造。凡是熔体流动速率为0.04~l.l2的都是比较优良的中空吹塑材料,如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、热塑性聚酯、聚碳酸酯、聚酰胺、乙酸纤维素和聚缩醛树脂等,其中以聚乙烯应用得最多。
(l)注射吹塑。系用注射成型法先将塑料制成有底型坯,接着再将型坯移到吹塑模中吹制成中空制品。
(2)挤出吹塑。系用挤出法先将塑料制成有底型坯,接着再将型坯移到吹塑模中吹制成中空制品。
注射吹塑和挤出吹塑两者不同是指制造型坯的方法不同,吹塑过程基本上是相同的。
吹塑设备除注塑机和挤出机外,主要是吹塑用的模具。吹塑模具通常由两瓣合成,其中设有冷却剂通道,分型面上小孔可插入充压气吹管。
(3)拉伸吹塑。拉伸吹塑是双定向拉伸的一种吹塑,其方法是先将型坯进行纵向拉伸,然后用压缩空气进行吹胀达到横向拉伸。拉伸吹塑可使制品的透明性、冲击强度、表面硬度和刚性有很大的提高,适用于聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的吹塑成型。
拉伸吹塑包括:注射型坯定向拉伸吹塑,挤出型坯定向拉伸吹塑,多层定向拉伸吹塑,压缩成型定向拉伸吹塑等。
(4)吹塑薄膜法。成型热塑性薄膜的一种方法。系用挤出法先将塑料挤成管,而后借助向管内吹入的空气使其连续膨胀到一定尺寸的管式膜,冷却后折叠卷绕成双层平膜。
塑料薄膜可用许多方法制造,如吹塑、挤出、流延、压延、浇注等,但以吹塑法应用最广泛。
该方法适宜于聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺等薄膜的制造。
(十)浇注成型
在不加压或稍加压的情况下,将液态单体、树脂或其混合物注入模内并使其成为固态制品的方法。
浇注法分为静态浇注、嵌注、离心浇注、搪塑、旋转注塑、滚塑和流延注塑等。
(l)静态浇注。静态浇注是浇注成型中较为简便和使用较为广泛的一种方法。这种方法常用液状单体、部分聚合或缩聚的浆状物、聚合物与单体的溶液,配入助剂(如引发剂、固化剂、促进剂等)或热塑性树脂熔体注入模腔而成型。
(2)嵌注。嵌注又称封入成型,它是将各种样品、零件等包封到塑料中间的一种成型技术。即将被嵌物件置于模具中,注入单体、预聚物或聚合物等液体,然后使其聚合或固化(或硬化),脱模。这种技术已广泛用于电子工业。
用于这类成型工艺的塑料品种有脲甲醛、不饱和聚酯、有机玻璃和环氧树脂等。
(3)离心浇注。离心浇注是利用离心力成型管状或空心筒状制品的方法。通过挤出机或专用漏斗将定量的液态树脂或树脂分散体注入旋转并加热的容器(即模具)中,使其绕单轴高速旋转(每分钟几十转到两千转),此时放入的物料即被离心力迫使分布在模具的近壁部位。在旋转的同时,放入的物料发生固化,随后视需要经过冷却或后处理即能取得制品。在成型增强塑料制品时还可同时加入增强性的填料。
离心浇注通常用的都是熔体黏度较小、热稳定性较好的热塑性塑料,如聚酰胺、聚乙烯等。
(4)搪塑。搪塑是模塑中空制品的一种方法。模塑时将塑料糊倒入开口的中空模内,直至达到规定的容量。模具在装料前或装料后应进行加热,以便使物料在模具内壁变成凝胶,当凝胶达到预定厚度时,倒出过量的液体物料,并再行加热使之熔融,冷却后即可自模具内剥出制品。
搪塑用的塑料主要是聚氯乙烯。
(5)旋转注塑。该法是将液态物料装入密闭的模具中而使它以较低速度(每分钟几转到几十转)绕单轴或多轴旋转,这样,物料即能借重力而分布在模具的内壁上,再通过加热或冷却达到固化或硬化后,即可从模具中取出制品。绕单轴旋转的用于生产圆筒形制品,绕双轴或靠振动运动的则用于生产密闭制品。
(6)滚塑(旋转成型)。类似于旋转注塑的一种成型方法,不同的是其所用的物料不是液体,而是烧结性干粉料。其过程是把粉料装入模具中而使它绕两个互相垂直的轴旋转,受热并均匀地在模具内壁上熔结为一体,而后再经冷却就能从模具中取得空心制品。
滚塑使用的有聚乙烯、改性聚苯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯和纤维素塑料等。
(7)流延注塑。制取薄膜的一种方法。制造时,先将液态树脂或树脂分散体流布在运行的载体(一般为金属带)上,随后用适当方法将其固化,最后即可从载体上剥取薄膜。
用于生产流延薄膜的塑料有:三醋酸纤维素、聚乙烯醇、氯乙烯和乙酸乙烯的共聚物等,此外某些工程塑料如聚碳酸酯等也可用来生产流延薄膜。
(十一)手糊成型
手糊成型又称手工裱糊成型、接触成型,是制造增强塑料制品的方法之一。该法是在涂好脱模剂的模具上,用手工一边铺设增强材料一边涂刷树脂直到所需厚度为止,然后通过固化和脱模而取得制品。
手糊成型中采用的合成树脂主要是环氧树脂和不饱和聚酯树脂。增强材料有玻璃布、无捻粗纱方格布、玻璃毡等。
(十二)纤维缠绕成型
在控制张力和预定线型的条件下,以浸有树脂胶液的连续丝缠绕到芯模或模具上来成型增强塑料制品。这种方法只适于制造圆柱形和球形等回转体。
常用的树脂有酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂等。玻璃纤维是缠绕成型常用的增强材料,它有两种,有捻纤维和无捻纤维。
(十三)压延成型
将热塑性塑料通过一系列加热的压辊,而使其在挤压和展延作用下连续成为薄膜或片材的一种成型方法。
压延产品有薄膜、片材、人造革和其他涂层制品等。压延成型所采用的原材料主要是聚氯乙烯、纤维素、改性聚苯乙烯等。
压延设备包括压延机和其他辅机。压延机通常以辊筒数目及其排列方式分类。根据辊筒数目不同,压延机有双辊、三辊、四辊、五辊甚至六辊,以三辊或四辊压延机用得最多。
(十四)涂布成型
为了防腐、绝缘、装饰等目的,以液体或粉末形式在织物、纸张、金属箔或板等物体表面上涂盖塑料薄层(例如0.3mm以下)的方法。
涂布法最常用的塑料一般是热塑性塑料,如聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚乙烯醇、聚三氟氯乙烯等。
涂布工艺有热熔覆、流化喷涂、火焰喷涂、静电喷涂和等离子喷涂。
(l)热熔覆。用压缩空气将塑料粉末经过喷枪,喷射到预热过的工件表面,塑料熔化,冷却形成覆盖层。
(2)流化喷涂。预热的工件浸入悬浮有树脂粉末的容器中,树脂粉末熔化而黏附在表面上。
(3)火焰喷涂。将流态化树脂通过喷枪口的锥形火焰区使之熔化而实现喷涂的一种方法。
(4)静电喷涂。利用高压静电造成静电场,即工件接地成正极,塑料粉末喷出时带有负电荷,则塑料静电喷涂到工件上。
(5)等离子喷涂。用等离子喷枪,使流经等离子发生区的惰性气体(如氩气、氮气、氦气的混合气体)成为5500~6300℃的高速高能等离子流,卷引粉状树脂以高速喷射至工件表面熔结成涂层。
(十五)树脂传递模塑(RTM)
RTM以预成型物(织物或多向编织物)为增强材料,成型时,先将预成型物放置于低成本模具(复合材料模具、木制模具或石膏模具)中,利用泵将液体树脂(如环氧、乙烯酯树脂等专用料)以较低的压力(0.69MPa)注入模腔,在室温下固化成型高性能增强塑料制品的一种先进成型工艺,该工艺压力小、温度低,模具成本低,工艺控制方便,是制备大型或特大型增强塑料制品的先进工艺,也是目前将不同材质集合在一起形成高性能制品的先进集成工艺技术。
(十六)发泡成型
发泡是使塑料产生微孔结构的过程。几乎所有的热固性和热塑性塑料都能制成泡沫塑料,常用的树脂有:聚苯乙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯、脲甲醛、酚醛等。
按照泡孔结构可将泡沫塑料分为两类,若绝大多数气孔是互相连通的,则称为开孔泡沫塑料;如果绝大多数气孔是互相分隔的,则称为闭孔泡沫塑料。开孔或闭孔的泡沫结构是由制造方法所决定的。
(l)化学发泡。由特意加入的化学发泡剂,受热分解或原料组分间发生化学反应而产生的气体,使塑料熔体充满泡孔。
化学发泡剂在加热时释放出的气体有二氧化碳、氮气、氨气等。
化学发泡常用于聚氨酯泡沫塑料的生产。
(2)物理发泡。物理发泡是在塑料中溶入气体或液体,而后使其膨胀或汽化发泡的方法。物理发泡适应的塑料品种较多。
(3)机械发泡。借机械搅拌方法使气体混入液体混合料中,然后经定形过程形成泡孔的泡沫塑料。此法常用于脲甲醛树脂,其他如聚乙烯醇缩甲醛、聚乙酸乙烯、聚氯乙烯溶胶等也适用。
(十七)二次成型
二次成型是塑料成型加工的方法之一。以塑料型材或型坯为原料,使其通过加热和外力作用成为所需形状的制品的一种方法。
(l)热成型。热成型是将热塑性塑料片材加热至软化,在气体压力、液体压力或机械压力下,采用适当的模具或夹具而使其成为制品的一种成型方法。
塑料热成型的方法很多,一般可分为以下几种。
①模压成型。采用单模(阳模或阴模)或对模,利用外加机械压力或自重,将片材制成各种制品的成型方法,它不同于一次加工的模压成型。此法适用于所有热塑性塑料。
②差压成型。采用单模(阳模或阴摸)或对模,也可以不用模具,在气体差压的作用下,使加热至软的塑料片材紧贴模面,冷却后制成各种制品的成型方法。差压成型又可分为真空成型和气压成型。
热成型特别适用于制造壁薄、表面积大的制品。常用的塑料品种有:各种类型的聚苯乙烯、有机玻璃、聚氯乙烯、ABS、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯等。
热成型设备包括夹持系统、加热系统、真空和压缩空气系统和成型模具等。
(2)双轴拉抻。为使热塑性薄膜或板材等的分子重新定向,特在玻璃化温度以上所作的双向拉伸过程。
拉伸定向要在聚合物的玻璃化温度和熔点之间进行,经过定向拉伸并迅速冷到室温后的薄膜或单丝,在拉伸方向上的力学性能有很大提高。
适合于定向拉伸的聚合物有:聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚偏二氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯以及某些苯乙烯共聚物。
(3)固相成型。固相成型是热塑性塑料型材或坯料在压力下用模具使其成型为制品的方法——成型过程在塑料的熔融(或软化温度以下(至少低于熔点l~20℃),均属固相成型。其中对非结晶类的塑料在玻璃化温度以上,熔点以下的高弹区域加工的常称为热成型,而在玻璃化温度以下加工的则称为冷成型或室温成型,也常称为塑料的冷加工方法或常温塑性加工。
该法有如下优点:生产周期短;提高制品的韧性和程度;设备简单,可生产大型及超大型制品;成本降低。缺点是:难以生产形状复杂、精密的制品;生产工艺难以控制,制品易变形、开裂。
固相成型包括:片材辊轧、深度拉伸或片材冲压、液压成型、挤出、冷冲压、辊筒成型等。