项目一 认识塑料及塑料成型

一、任务引入

人们在日常生活中，经常使用各式各样的塑料制件，如图1-1所示。这些塑料制品各有哪些性能？是采用什么加工方法生产的？生产这些塑料制品需要什么样的工具或模具？这些工具或模具是如何工作的？这些都是本课程所要学习的，也是本项目将要讲解的内容。

二、相关知识

（一）认识塑料

1. 塑料的组成

塑料是以树脂为主要成分，加入各种能改善其加工性能和使用性能的添加剂，在一定温度、压力或溶剂等条件下，利用模具成型为具有一定几何形状和尺寸制件的原材料。塑料制件的原料种类繁多、性能各异，其原料形状主要呈粉状、粒状、纤维状、溶液和分散体等，如图1-2所示。

（1）树脂

树脂实质上是高分子聚合物，简称为高聚物或聚合物，树脂对塑料的物理、化学性能起着决定作用。树脂可分为天然树脂和合成树脂。松香、虫胶、沥青等属于天然树脂，而用人工方法合成的树脂称为合成树脂，如聚乙烯、聚氯乙烯等。生产中一般采用合成树脂，单纯的树脂一般不能直接用来生产塑件，通过一定的加工工艺将其转化为塑料后才能使用。我们将塑料原料加工为塑料制品的过程简称为模塑成型。

（2）塑料添加剂

①填充剂，又称填料。填料具有增加容量，降低塑料成本，提高塑料的物理性能、加工性能和塑件质量的功能。例如，把木粉加入酚醛树脂中，既能起到降低成本的作用，又能改善它的脆性；把玻璃纤维加入到塑料中，可以大幅度提高塑料的机械强度；在聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）中加入钙质填料后，可得到具有足够刚性和耐热性的钙塑料。此外，有的填料还可使塑料具有树脂没有的性能，如导电性、导磁性、导热性等。塑料中的填充剂含量一般在40%以下。

②增塑剂。增塑剂可增加聚合物的塑性、柔韧性、流动性。增塑剂可以削弱聚合物分子间的作用力，增加分子间的移动性，从而使塑料在较低的温度下具有良好的可塑性和柔韧性。例如，软质聚氯乙烯树脂中加入邻苯二甲酸丁二酯可变为像橡胶一样柔软的塑料。

③稳定剂。为了提高树脂在热、光和霉菌等外界因素作用下的稳定性，常在树脂中加入一些阻碍塑料变质的物质称为稳定剂，包括热稳定剂、光稳定剂和抗氧化剂等。

④润滑剂。润滑剂的作用是防止塑料在成型时粘在金属模具上，同时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。

⑤着色剂。着色剂可使塑料具有各种鲜艳、美观的颜色。常用塑料着色剂习惯上可分为无机颜料、有机颜料和特殊颜料。

除了上述添加剂外，塑料中还可加入固化剂、抗氧剂、阻燃剂、发泡剂、抗静电剂等以满足不同的使用要求。

2. 塑料的性能和用途

（1）塑料的优良性能

①密度小，重量轻，比强度（σ/ρ）和比刚度（E/ρ）高。塑料的密度只有铝的一半，铜的1/5，铅的1/8。泡沫塑料密度更小，只有水密度的1/50～1/30。这种优点使塑料制品轻便好用，常用于制造车、船、飞机等交通工具以及漂浮物品等。

②多种优良的机械性能。通常硬质塑料都有较高的强度和硬度，特别是用碳纤维、玻璃纤维增强的制品，具有钢铁般的坚韧性能。有时用特定的塑料代替钢铁制成的机械零件（如轧钢机轴承）比钢铁零件的使用寿命更长。高分子材料的性能还可用不同的方法加以改进，以满足不同制品性能的需求。

③耐化学性能好。普通金属因易腐蚀生锈而造成很大的经济损失，而塑料一般都具有较好的抵抗弱酸或弱碱侵蚀的作用。聚四氟乙烯甚至不被王水腐蚀。实际上大多数塑料在常温下，对水和一般有机溶剂都很稳定。因此，常用塑料制成一般容器或容器的内衬或内、外表面的涂层。

④电绝缘、绝热、隔声性能好。塑料大量用作电线包皮等绝缘材料。泡沫塑料广泛用作隔热、保温及隔声材料。

⑤着色能力好。许多塑料都容易着色，可制成五颜六色的产品，以满足人们不同的需要。

⑥成型加工性能好。塑料材料具有优异的加工性能，易加工成复杂形状的制品。塑料可采用各类加工方法，如注射、挤出、压延、中空吹塑、真空吸塑、流延、粉末滚塑等。

⑦自润滑性好。很多塑料品种都具有优异的自润滑性。在食品、纺织、日用及医药机械的摩擦接触结构制品、运动型结构件中禁止使用润滑剂，此时选用自润滑性塑料材料，可以满足这些设备的需要，而且可避免污染。日常生活中广泛使用的拉链，常选用具有自润滑性的PA和POM制造。

（2）塑料的不良性能

①机械强度低。与传统的工程材料相比，塑料的机械强度较低，即使用超强纤维增强的工程塑料，虽然强度会大幅度提高，但在大载荷应用场合，如拉伸强度超过300MPa时，塑料材料就不能满足要求，此时只能使用高强度金属材料或超级陶瓷材料。

②尺寸精度低。由于塑料材料的成型收缩率大且不稳定，塑料制品受外力作用时产生的变形（蠕变）大，热膨胀系数比金属大几倍，因此，塑料制品的尺寸精度不高，很难生产高精度产品。对于精度要求高的制品，建议尽可能不要选用塑料作为原料，可选用金属或陶瓷材料。

③耐热温度低。塑料的最高使用温度一般不超过400℃，而且大多数塑料的使用温度低于100℃～260℃。不过以碳纤维、石墨或玻璃纤维增强的酚醛等热固性塑料具有特殊性，可瞬时耐上千摄氏度的高温，可用做耐烧蚀材料，用于导弹外壳及宇宙飞船面层材料。

另外，塑料在高温下容易降解和老化；导热性能较差；吸湿性大，容易发生水解老化；使用寿命短。

3. 高聚物的分子结构

（1）高聚物的分子结构特点

高聚物（简称聚合物）是由一种或两种以上低分子单体通过加聚或聚缩反应化合而形成的高分子有机物质。聚合物的分子结构是由众多原子或原子集团（结构单元），按照一定方式重复排列而形成的链结构。一个高分子中含有的原子数很多，原子量很大且不固定。例如，尼龙分子中有4 000个原子、相对分子量为23 000左右，天然橡胶分子中有5万～6万个原子、分子量在40万左右。而低分子所含原子数都很少、分子量也很小，如水的分子量为18，蔗糖为324；另外高分子呈链状结构，分子链很长。例如，低分子乙烯的长度约为0.000 5µm，而高分子聚乙烯的长度则为6.8µm，后者是前者的13 600倍。

聚合物分子链的结构形状可分为3种类型，即线形、支链形和体形，如图1-3所示。

①线形。如图1-3（a）所示，聚合物是由一根根线状的分子链所组成的。其特点是分子密度大，流动性好，具有弹性、塑性以及可溶性和可熔性。线形聚合物在适当的溶剂中可溶解或溶胀，在温度升高时则可软化至熔融状态而流动，且这种特性在成型前后都存在，因此可反复成型。线形聚合物树脂组成的塑料通常为热塑性塑料，例如，高密度聚乙烯（HDPE）、聚甲醛（POM）、聚酰胺（PA）等。

②支链形。如图1-3（b）所示，支链形属于线形的一种，只是在线形分子链的主链上，带有一些或长或短的小支链，整个分子链呈支链状，因此称为带有支链的线形聚合物。其特点是分子密度较线形低，结晶度低，其力学性能与成型性能与线形类似。低密度聚乙烯（LDPE）即为该类塑料。

③体形。如图1-3（c）所示，体形聚合物成型前是线型带支键的低分子量聚合物，其分子键上存在有可反应的活性基因，成型时带活性基因的短链相互交联起来，成为立体结构，则称为体形聚合物。其物理特性是脆性大，弹性较高，塑性很低，成型前可溶且可熔，但一经成型硬化后，就成为既不能溶解也不熔融的固体，不能再次成型（即成型是不可逆的）。体形聚合物树脂组成的塑料通常为热固性塑料，例如酚醛树脂（PF）、环氧树脂（EP）、脲醛（UF）、三聚氰胺（MF）等。

（2）聚合物分子链的聚集状态

由于聚合物分子特别大，分子间作用力较大，故容易聚集为固态或液态，不易形成气态。按分子排列的集合特点，固体聚合物分为无定形型和结晶型两种。无定形聚合物的分子排列在大距离范围内是杂乱无章、无规则地相互穿插交缠的。

通常，分子结构简单、对称性高的聚合物以及分子间作用力较大的聚合物从高温向低温转变时，由无规则排列逐渐转化为有规则紧密排列，这种过程称为结晶。由于聚合物分子结构的复杂性，结晶过程不可能完全进行。结晶态高聚物中实际上仍包含着无规则排列的非晶区，如图1-4所示，其结晶的程度可用结晶度来衡量。结晶度是指聚合物中的结晶区在整个聚合物中所占的重量百分数。

1—晶区　2—非晶区

聚合物一旦发生结晶，其性能也将随之产生相应变化。结晶造成分子的紧密聚集状态，增强了分子间的作用力，使聚合物的抗拉强度、硬度、熔点、耐热性和耐化学性提高；弹性模量、伸长率和冲击强度则降低，表面粗糙度值增大，而且还会导致塑件的透明度降低甚至丧失。

在工业上为了改善具有结晶倾向聚合物塑件的性能，除了严格控制塑件的冷却速度外，常采用热处理方法使其非晶相转变为晶相，或将不太稳定的晶形结构转为稳定的晶形结构，或微小的晶粒转为较大的晶粒等。当晶粒过分粗大时，聚合物变脆，性能反而下降。

4. 塑料的分类

（1）按塑料的成型性能分类

①热塑性塑料。热塑性塑料分子结构为线形或支链形，受热后可变软或熔化，形成可流动的稳定黏性液体，在此状态具有可塑性，可制成一定形状的塑件；冷却后塑料变硬，保持一定既有的形状；重新加热后可变软并重新塑形。该过程一般只有物理变化，其变化过程可逆。

②热固性塑料。热固性塑料原料固化成型前是线型或带支链的，分子具有可溶性和可塑性，可塑制成一定形状的塑件；固化后分子链之间形成化学键，成为三维的体形结构，不仅不能再融化，也不能溶解，不再具有可塑性。在加热变化过程中既有物理变化，又有化学变化，因而其变化过程是不可逆的。其主要在隔热、耐磨、绝缘、耐高压电等恶劣环境中使用，如炒锅把手和高低压电器等。

塑料品种繁多，而每一品种又有不同的牌号，常用塑料名称及英文代号见表1-1。

（2）按塑料的应用范围分类

①通用塑料。通用塑料是指产量最大、用途最广、价格最低廉的一类塑料。目前公认的通用塑料为聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）、酚醛塑料（PF）、氨基塑料6大类。通用塑料的产量占塑料总产量的80%以上，构成了塑料工业的主体。

②工程塑料。工程塑料用做工程领域中的结构材料。它具有较高的机械强度、良好的耐磨性、耐腐蚀性、自润滑性及尺寸稳定性等，因而可以代替金属做某些机械构件。常用的工程塑料主要有聚酰胺（PA）、聚甲醛（POM）、聚碳酸酯（PC）、丙烯腈——丁二烯——苯乙烯（ABS）、聚砜（PSF）、聚苯醚（PPO）、聚四氟乙烯（PTFE）以及各种增强塑料。

③特殊塑料。特殊塑料是指具有某些特殊性能的塑料。这些特殊性能包括较高的耐热性、较高的电绝缘性、较高的耐腐蚀性等。常见的特殊塑料包括氟塑料、聚酰亚胺塑料、有机硅树脂、环氧树脂以及为某些专门用途而改性制得的塑料，如导磁塑料、导热塑料、医用塑料、光敏塑料、珠光塑料、导磁塑料、等离子塑料等。

5. 聚合物的热力学性能及加工适应性

犹如低分子物质在不同温度下具有三态（固态、液态和气态）一样，聚合物在不同温度下性能、状态同样会发生变化。室温下的聚合物通常呈坚硬固体（玻璃态），温度升高则变为类似橡胶的弹性体（高弹态），当温度达到一定程度后，逐渐软化、可以流动，即成为黏性流体（黏流态）。聚合物随温度变化呈现3种不同的物理状态，即玻璃态，高弹态和黏流态，如图1-5所示。当聚合物处于不同的温度时，其力学性能的差别较大，主要表现在材料的变形能力显著不同。材料的变形能力不同，成型加工方法也随之不同。图1-5中曲线1为线形无定形聚合物的温度与力学状态及加工适应性的关系；图1-5中曲线2为结晶型聚合物的温度与力学状态及加工适应性的关系；体型聚合物一旦固化成型不再软化，如图1-5中曲线3所示。下面以线形无定形聚合物为例讨论在3种状态下的塑料的变形特点及适合的加工方法。

1—线形无定形　2—结晶型　3—体型

（1）玻璃态

Tg称为玻璃态温度，是聚合物从玻璃态转变为高弹态的临界温度，处于玻璃态（T＜Tg）聚合物的特点是弹性模量高，聚合物处于刚性状态。在外力作用下，变形量很小，断裂伸长率一般在0.01%～0.1%范围内，物体受力的变形符合胡克定律，应变与应力成正比，并在瞬时达到平衡，在极限应力范围内形变具有可逆性。常温下玻璃态的典型材料为有机玻璃。

因此，在玻璃态下聚合物不能进行大变形的成型，只适于进行车削、锉削、钻孔、切螺纹等机械加工。如果将温度降到材料的脆化温度Tb以下，材料的韧性会显著降低，在受到外力作用时极易脆断，因此，Tb是塑料加工使用的最低温度，而Tg是塑料使用的上限温度。从使用角度看Tb和Tg间的距离越宽越好。

（2）高弹态

Tf称为黏流化温度，是聚合物从高弹态转变为黏流态的临界温度。处于高弹态（Tg＜T＜Tf）下，聚合物的弹性模量与玻璃态相比显著降低。在外力作用下，变形能力大大提高，断裂伸长率为100%～1 000%，所以发生形变可以恢复，即外力去除后，高弹形变会随时间逐渐减小，直至为零。常温下处于高弹态的典型材料为橡胶。

聚合物在高弹态下可进行较大变形的成型加工，如压延成型、中空吹塑成型、热成型等。但是，由于高弹态下聚合物发生的变形是可恢复的弹性变形，因此将变形后的制品迅速冷却至玻璃态温度以下是确保制品形状及尺寸稳定的关键。

（3）黏流态

当聚合物熔体温度高于黏流化温度Tf时，塑料将逐渐软化，在外力的作用下具有形变（即流动）性能。而温度过高，聚合物就会发生降解，这一温度称为降解温度Td。降解使制品的外观质量和力学性能显著降低。聚合物加工温度应低于降解温度Td。

黏流态（Tf＜T＜Td）塑料的形变主要是不可逆的黏流形变，因此，在黏流态下可进行注射成型、压缩成型、压注成型、挤出成型等变形大、形状复杂的成型加工。当制品温度从成型温度Tf迅速降至室温时不易产生热内应力，制品的质量易于保证。常温下黏流态的典型材料为环氧树脂。

而完全线形结晶型聚合物，其热力学曲线通常不存在高弹态（如图1-5中曲线2所示），只有在相对分子质量较高时才有可能出现高弹态。晶体有固定的熔点，与Tf对应的温度叫作线形结晶型聚合物熔点Tm，即是线形结晶型聚合物熔融或凝固的临界温度。当熔点Tm很高时，采用一般的成型加工方法难以成型。如聚四氟乙烯塑件通常采用冷压后高温烧结法成型。线形结晶型聚合物与线形无定形聚合物相比较，在低于熔点时，线形结晶型聚合物的形变量很小，耐热性较好。由于线形结晶型聚合物在Tg～Tm之间基本上不存在高弹态，故可在脆化温度至熔点之间应用，其使用温度范围也较宽。

成型后高度交联的体形聚合物（热固性塑料）由于分子链间有大量交联，分子运动阻力很大，一般随温度发生的力学状态变化较小，所以通常只有一种状态——玻璃态，不存在黏流态甚至高弹态，即遇热不熔化，高温时则分解。

6. 聚合物的黏性流动

大多数塑料的成型都是在易于流动、变形的黏性状态下进行的。在外力的作用下聚合物依靠自身的变形和流动实现制品的成型。聚合物黏性流动与外力作用下的力学现象（如应力、应变及应变速率等）、聚合物流动时自身黏度、内部结构、成型工艺条件等有关。了解聚合物黏性流动行为，可以帮助人们正确地选择和确定合理的成型工艺条件，设计合理的注射成型浇注系统和模具结构。

（1）黏度与剪切稀化效应

牛顿（Newton）在研究低分子液体流体行为时发现切应力与剪切速率间存在线性关系

式中：τ——切应力，Pa；

η——比例常数（黏度），也称为牛顿黏度，表征牛顿流体在外力的作用下抵抗流动变形的能力，Pa·s；

——单位时间内流体产生的切应变，一般称为剪切速率，s-1。

由于大分子的长链结构的复杂性，聚合物熔体的流动行为远比低分子液体复杂。熔体流动时切应力和剪切速率不再成正比关系，熔体的黏度也不再是一个常数，因而聚合物熔体的黏性流变行为不服从牛顿流动规律。通常把不服从牛顿流动规律的流体称为非牛顿流体。在注射成型中，只有少数聚合物熔体的黏度对剪切速率不敏感，如聚酰胺（PA）、聚碳酸酯（PC）等，绝大多数的聚合物熔体都表现为非牛顿流体。这些聚合物熔体都近似地服从Qstwald-De Waele提出的指数流动规律，其表达式为

式中：K——与聚合物和温度有关的常数，可以反映聚合物熔体的黏稠性，称为黏度系数；

n——与聚合物和温度有关的常数，可以反映聚合物熔体偏离牛顿流体性质的程度，称为非牛顿指数。

上式也可改写为

式中：ηa——非牛顿流体的表观黏度。

就表观黏度的力学性质而言，它与牛顿黏度相同。但表观黏度表征的是服从指数流动规律的非牛顿流体在外力的作用下抵抗剪切变形的能力。由于非牛顿流体的流动规律比较复杂，表观黏度除与流体本身以及温度有关以外，还受到剪切速率的影响，这就意味着外力的大小及其作用时间也能够改变流体的黏稠性。

式中当n=1时，ηa=K=η，这时非牛顿流体就转变为牛顿流体；n＞1时，这种非牛顿流体称为膨胀性流体；n＜1时，这种非牛顿流体称为假塑性流体。图1-6为表观黏度ηa与剪切速率的关系。大多数注射成型用的聚合物熔体都具有近似假塑性流体的流变学性质，如高聚物有聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚丙烯（PP）、ABS、聚苯乙烯（PS）、线性聚酯和热塑性弹性体等。假塑性流体的表观黏度随剪切速率呈指数规律减小，这种的现象称为假塑性液体的“剪切稀化”。注射成型中，聚合物熔体发生剪切稀化效应是一个普遍现象，这也是点浇口（小水口）模具广泛应用的原因之一。大多数聚合物的表观黏度对熔体内部的剪切速率具有敏感性，对于这些聚合物，可以通过调整剪切速率来控制聚合物的熔体黏度。

1—牛顿流体　2—假塑性流体　3—膨胀性流体

（2）影响黏度的主要因素

①聚合物本身的影响。聚合物的相对分子质量及其分布对聚合物熔体黏度有很大影响。聚合物的相对分子质量越大，大分子链就越长，链的缠结点增多，解缠、伸长和滑移变得困难，因而宏观上表现为熔体的表观黏度加大。聚合物中的分子质量分布越宽，由于小分子链的影响，聚合物的熔体黏度变小，熔体流动性就越好。但此时大分子链可能未完全熔化，成型的塑件性能并不理想。因而，为了提高塑件性能，通常要尽量使用分子质量分布较窄的材料。

②聚合物中添加剂的影响。注射成型用的聚合物中一般都要加入少量的添加剂以提高其实用性能。虽然添加剂在聚合物中所占的比例不大，但当聚合物中加入这些添加剂后，聚合物大分子间的作用力会发生很大变化，熔体的黏度也会随之改变。例如，增塑剂的加入会使熔体黏度降低，从而提高熔体的流动性，而纤维填料的影响则相反。

③温度及压力对聚合物熔体黏度的影响。在聚合物注射成型过程中，温度、压力对熔体黏度的影响与剪切速率同等重要。一般而言，温度升高或压力降低，大分子间的自由空间随之增大，分子间作用力减小，分子运动变得容易，从而有利于大分子的流动与变形，宏观上表现为聚合物熔体的表观黏度下降。相反，降低温度或增加压力，聚合物熔体的表观黏度上升。这种通过改变温度和压力使表观黏度达到相同变化效果的现象称之为压力——温度等效应。但不同聚合物的黏度对温度、压力及对剪切速率的敏感程度不同，生产过程中要针对不同塑料的成型工艺特性区别对待。如CA、PS对温度敏感，PMMA、PP等则对压力敏感。

以上的黏性流动主要是针对注射成型生产中的热塑性塑料而言的，对热固性塑料来说，注射成型加工过程中黏度的变化与热塑性塑料存在着本质的区别。热固性塑料成型过程中熔融的塑料在压力下产生流动、变形并获得所需的形状等，并使充入模腔中的聚合物熔体在一定条件下发生交联反应，使原有的大分子线形结构转变为体形结构，体形结构的聚合物大分子结构很难再发生变化，所以黏度变得无限大，宏观上表现为热固性塑料一旦成型固化，便无法再回收利用。

（3）聚合物熔体在模内的流动现象

①端末效应。聚合物熔体在模具中流动时通常要通过截面大小不同的流道，当熔体经过流道截面变化时，熔体流速、压力、流量发生变化，这种现象统称为端末效应。如图1-7所示，端末效应对产品的质量、性能和产量有重大的影响，引起塑件变形扭曲、尺寸不稳定、内应力过大和力学性能降低等问题。端末效应分为入口效应和离模膨胀效应两种。

a. 入口效应。入口效应是聚合物熔体在管道入口端因出现收敛流动，使压力降突然增大的现象。在管道中心部分的熔体流速增大，所消耗能量突增，从而在入口端的一定区域内具有较大的压力降。

工程实践中考虑入口效应的目的有两个，其一是为保证制品的成型质量，在必要时避免或减小入口效应；其二是在确定注射压力时，在考虑所有流道（包括浇口）总长引起的压力损耗的同时，还要考虑由入口效应引起的压力损失。

b. 离模膨胀效应。如图1-7所示，当聚合物熔体流出流道或浇口时，熔流发生体积膨胀，这种现象叫离模膨胀效应。其实质是一种由弹性膨胀而引起的失稳流动。当聚合物熔体从流道中流出后，周围压力及流动阻力将大大减小甚至完全消失，表层流速急剧增加，熔体出口直径反而减小。随后聚合物分子内存储的弹性变形能将会释放出来，致使在流动变形中已经伸展开的大分子链重新恢复蜷曲，各分子链的间距随之增大，熔体在流道中形成的取向结构也将重新恢复到无序的平衡状态，这必然导致聚合物内自由空间增大，于是体积相应发生膨胀。

②失稳流动和熔体破裂。聚合物熔体在极高的剪切速率作用下，大分子链被完全拉直，继续变形就会呈现很大的弹性性质，熔体将陷入一种弹性紊乱状态，各点的流速将会互相干扰，这种现象称为失稳流动。聚合物熔体在失稳状态下通过模内的流道后，将会变得粗细不均，没有光泽，表面呈现粗糙的鲨鱼皮状。此时，如果继续增大切应力或剪切速率，熔体将呈现波浪形、竹节形或周期螺旋形，更严重时将互相断裂成不规则的碎块或小圆柱块，这种现象称为熔体破裂（如图1-8所示）。

失稳流动和熔体破裂与聚合物分子结构、熔体温度和流道结构有关。在大截面流道向小截面流道的过渡处，减小流道的收敛角，使过渡的表壁呈现流线状时，可以减少失稳流动现象。在注射模中，从喷嘴到模腔之间有很多类似图1-9的结构，选择恰当的收敛角及其过渡长度或光滑曲线，将会对稳定熔体流动和提高注射速率起到重要作用。

③聚合物熔体的充模流动。高温聚合物熔体在注射压力作用下，通过流道和浇口之后，在低温模腔内流动并充满型腔的过程称为充模。聚合物熔体的充模流动与各种注射工艺参数、模具结构、浇口截面尺寸、型腔厚度等有关。充模流动是否连续平稳，直接影响塑件的取向、结晶等物理变化及形状尺寸精度、表面质量和力学性能等。

a. 当聚合物熔体经过较小的浇口截面流入深型腔时，聚合物熔体通过浇口流入模腔时，容易产生喷射（或射流）现象，如图1-10（a）所示。高速充模时的熔体通常很不稳定，熔体表面粗糙，先喷射出的熔体也会因速度减慢而阻碍后面的熔体流动，将在模腔形成蛇形流，甚至会因熔体流速高产生破裂。

b. 当聚合物熔体经过较大的浇口截面流入深型腔时，熔体通过浇口后将以中速充模，喷射流动的可能性减小，如图1-10（b）所示。

c. 当聚合物熔体经过的浇口截面高度与模腔深度接近时，熔体一般都不发生喷射。在浇口条件适当时，熔体能以低速平稳的扩展流动充模，如图1-10（c）所示。

d. 注射成型过程中，由于模腔形状的影响，正在低速充模的熔体很有可能突然转变为高速，形成类似蛇形流的不平稳流动，如图1-10（d）所示。

另外，在熔体充模过程中如碰到型芯和嵌件时，熔体将被分裂成两股流动，则在两股料流的结合处产生熔接痕，如图1-11所示。两股熔体流绕过障碍物汇合，形成一个由两股熔体流的前缘与障碍物之间所围成的封闭三角区，影响了两股熔体流的熔合，空气在受到熔体流的强烈压缩而急剧放热时，周围的塑料焦化变黑。矩形障碍物的三角区最明显，圆柱形较弱，而菱形时几乎看不出来。

两股熔料汇合处，熔体温度越低，互相对接处的强度越小，制品强度越低，影响外观。熔接痕区域力学性能低于塑件的其他区域，是整个塑件中的薄弱环节。

总之，在设计浇口尺寸和选择浇注位置时应综合考虑模腔内型芯结构、嵌件安放等，避免形成使熔体分流、熔体喷射和蛇形流引起的熔合缝。

（二）了解塑料成型原理

1. 注射成型原理

注射成型是热塑性塑料成型的主要方法。卧式螺杆式注射机应用范围较广，因此以螺杆式注射机为例学习注射成型原理。如图1-12所示为卧式螺杆式注射机外形图。其结构如图1-13所示，将粒状或粉状的塑料加入到注射机的料斗10，注射机螺杆13旋转将塑料逐渐推到料筒9内靠喷嘴6一侧，与此同时塑料吸收加热器8放出的热量及熔体流动所产生的剪切热而逐渐熔融，成为黏性流体。然后在注射液压缸12提供的注射压力作用下，熔融的塑料经喷嘴6注入闭合模具5的型腔中，充满后经过保压、冷却定型后，动模和定模分离，注射机推出液压缸3工作，推动模具5的推出机构将塑件从模具中取出，完成一个注射周期。

1—合模液压缸　2—锁模机构　3—推出液压缸　4—移动模板　5—模具　6—喷嘴　7—前固定模板　8—加热器　9—料筒　10—料斗　11—电机　12—注射缸　13—螺杆　14—后固定模板

2. 压缩成型原理

压缩成型又称压制成型、压塑成型或模压成型。压缩模具的上、下模（或凹、凸模）通常安放在压力机上、下工作台之间。如图1-14所示为机械下压式塑料成型机外形图。压缩成型原理如图1-15所示。将粉状、粒状、碎屑状或纤维状的热固性塑料原料直接加入敞开的模具加料室内，如图1-15（a）所示；然后合模加热，当塑料成为熔融状态时，在合模压力的作用下，熔融塑料充满整个型腔，如图1-15（b）所示；型腔中的塑料在高温高压下发生交联反应使其逐步转变为不熔的硬化定型塑料制件，最后打开模具将塑件从模具中取出，完成一个成型周期。

1—上工作台　2—下工作台　3—液压缸　4—控制面板

1—上模座　2—上凸模　3—凹模　4—下凸模　5—下模板　6—下模座

3. 压注成型原理

压注成型又称传递成型，压注模具同压缩模具一样安放在压力机上、下工作台之间，这也是热固性塑料的主要成型方法之一。压注成型时，首先闭合模具，将热固性塑料原料（塑料原料为粉料或预压成锭的坯料）装入模具的加料室内，然后对合模加热，使塑料呈熔融状态，如图1-16（a）所示；在压柱压力的作用下，通过加料室底部的浇注系统进入闭合的型腔，如图1-16（b）所示；塑料在型腔内继续受热、受压，产生交联反应而固化成型，最后打开模具取出塑件，如图1-16（c）所示。

1—压柱　2—加料腔　3—上模座　4—凹模　5—凸模　6—凸模固定板7—下模座　8—浇注系统凝料　9—制件

4. 挤出成型原理

挤出成型是生产塑件常见的一种工艺，这里仅以管材挤出成型为例介绍。图1-17（a）为管材挤出成型机外形图，图1-17（b）为管材挤出成型原理图。塑料从料斗加入挤出机后，螺杆转动将原料向前输送，在向前移动的过程中，受到料筒的外部加热、螺杆的剪切和压缩以及塑料之间的相互摩擦作用，使塑料塑化。在压力的作用下，使处于黏流态的塑料通过具有一定形状的挤出机头（挤出模）及冷却定型装置而成为截面与挤出机头出口处模腔形状（环形）相仿的型材，经过牵引装置的牵引，最后被切割装置切断为所需的塑料管材。

（三）认识塑料模具结构

1. 注射模具的分类

注射模具的分类方法有很多。按其所用注射机的类型可分为：卧式注射机用注射模、立式注射机用注射模、角式注射机用注射模；按注射模的总体结构特征可分为：单分型面注射模、双分型面注射模、带侧向分型与抽芯机构的注射模、单型腔注射模、多型腔注射模、自动卸螺纹注射模、无流道注射模等；按浇注系统结构形式可分普通浇注系统注射模、热流道浇注系统注射模；按塑料性质可分为热塑性塑料注射模具、热固性塑料注射模具；按成型技术可分为低发泡注射模、精密注射模、气辅成型注射模、双色注射模、多色注射模。

2. 注射模具的组成

注射模具的种类很多，注射模具类型不同，其结构和复杂程度各不相同，但其基本结构都由定模和动模两部分组成。其中定模安装在注射机的前固定模板7（如图1-13所示）上，动模安装在注射机的移动模板4（如图1-13所示）上，由注射机的合模系统带动动模运动，完成动、定模的开合及塑件的推出。

按模具上各个部分的功能和作用来分，注射模具一般由以下几个部分组成，如图1-18所示。

1—动模板　2—定模板　3—冷却水道　4—定模座板　5—定位圈　6—浇口套　7—型芯　8—导柱　9—导套　10—动模座板　11—支承板　12—限位钉（垃圾钉）　13—推板　14—推杆固定板　15—拉料杆　16—推板导柱　17—推板导套　18—推杆　19—复位杆　20—垫块　21—注射机顶杆

①成型部分。成型零部件是指直接形成塑件接触并决定塑件的形状、尺寸和表面质量的零件。型芯（凸模）形成塑件的内表面形状，型腔（凹模）形成塑件的外表面形状。合模后型芯和型腔便构成了模具的模腔。如图1-18所示的模具中，模腔是由动模板1、定模板2、型芯7等组成的。

②浇注系统。从注射机喷嘴到模具型腔的一段熔料流经的通道称为浇注系统。通常由主流道、分流道、浇口及冷料穴等组成，它直接影响塑件能否成型及塑件质量的好坏。

③导向机构。合模导向机构是指保证动、定模合模时准确对合和推出机构运动平稳性的机构。为了确保动、定模之间的正确导向与定位，需要在动、定模部分采用导柱、导套（如图1-18所示的8、9）或在动、定模部分设置互相吻合的内外锥面导向。推出机构的导向通常由推板导柱和推板导套（如图1-18所示的16、17）所组成。

④侧向分型与抽芯机构。塑件上的内外侧面有孔或凸凹结构时，必须先用侧向分型与抽芯机构拔出侧向型芯或成型块，然后才能顺利推出塑件。带动侧向凸模或侧向成型块移动的机构称为侧向分型与抽芯机构。

⑤推出机构。推出机构是指将塑件从模具中推出的装置。一般情况下，推出机构由推杆、推杆固定板、推板、复位杆、主流道拉料杆及推板导柱和推板导套等组成。图1-18中的推出机构由推板13、推杆固定板14、拉料杆15、推板导柱16、推板导套17、推杆18和复位杆19等组成。

⑥温度调节系统。为了满足注射工艺对模具的温度要求，必须对模具的温度进行控制，所以模具常常设有冷却或加热的温度调节系统。冷却系统一般在模具上开设冷却水道（如图1-18所示3），加热系统则在模具内部或四周安装加热元件。

⑦排气系统。排气系统是指将型腔内的空气及塑件生产过程中产生的气体排出而开设气流通道。注射模具通常是在分型面处开设排气槽，也可利用活动零件的配合间隙排气。

⑧支承零部件。用来安装、连接、固定或支承前述各部分机构的零部件均称为支承零部件。它们与导向机构组装构成注射模具的基本骨架，即模架，目前注射模具模架已进入标准化生产。

此外，对于一些大型深壳塑料制品，脱模时制品内腔表面与型芯表面之间形成真空，制品难以脱模，需要设置引气装置。具体见项目三中排气、引气系统设计。

3. 典型注射模具结构

（1）单分型面注射模

单分型面注射模又称二板式注射模，这种模具在动模板和定模板之间有一个分型面，塑件及浇注系统凝料都从这个分型面取出。其典型结构如图1-18所示，其工作原理及过程如下。

合模时，在导柱8和导套9的引导下动模与定模正确对合，并在注射机提供的锁模力作用下，动、定模紧密贴合；注射时塑料熔体由模具浇注系统进入型腔，经过保压（补缩）和冷却（定型）等过程后开模；开模时，由注射机开合模系统带动动模后退，分型面被打开，塑件包紧在型芯7上并随动模一起后退，同时拉料杆15带动浇注系统离开主流道；当动模移动一定距离后注射机顶杆21推动推板13，推杆18和拉料杆15分别将塑件和浇注系统凝料从型芯7和冷料穴中推出，从而完成塑件与动模的分离，即塑件被推出，至此完成一次注射过程。合模时，推出机构由复位杆19复位，准备下一次注射。

单分型面的注射模是一种最基本的注射模结构，根据具体塑件的实际要求，单分型面的注射模也可增添其他的部件，如嵌件、螺纹型芯或活动型芯等，在这种基本形式的基础上可演变出其他各种复杂的结构。

（2）双分型面注射模

在单分型面模具的定模座板和定模板之间增设一个可以打开，使浇注系统凝料取出的面（分型面），就形成了有两个可以分开的模面，即双分型面注射模（俗称三板模）。如图1-19所示，其中定模座板11和定模板12增设了一个分型面用于点浇口浇注系统的凝料取出。

1—模脚　2—支承板　3—动模板（型芯固定板）　4—推件板　5—导柱　6—限位销　7—弹簧　8—定距拉板　9—型芯　10—浇口套　11—定模座板　12—定模板　13—导柱　14—复位杆　15—推杆固定板　16—推板

双分型面注射模工作原理和过程如下。合模及注射过程同单分型面模具一样。开模时，动模后移，受压的弹簧7迫使定模板12与动模一起后移，即A—A分型面先分型，主流道凝料随之拉出；当限位销6后移距离为s后与定距拉板8接触，定模板12停止移动，动模继续后移，B—B分型面分型，由于塑料包紧在型芯9上，浇注系统凝料就在浇口处与塑件分离，然后在A—A分型面人工取出或自然脱落；动模继续后移，当动模移动一定距离后，注射机的顶杆推动推板16时，复位杆14推动推件板4，推件板4将塑件从型芯9上推出，在B—B分型面取出塑件。

双分型面注射模至少有两个以上可以打开的面，塑料及浇注系统凝料各自从不同的面取出，多个分型面打开的先后顺序和距离通常都有要求，这就需要模具中设置顺序定距分型装置。图1-19所示的结构为弹簧分型拉板定距式，此外还有多种形式，其工作原理和过程基本相同，所不同的是定距方式和实现A—A先分型的措施不一样（具体见项目三相关内容）。如图1-19中，弹簧7迫使定模部分A—A分型面先分开一定距离以便点浇口凝料的取出。所以A—A分型面分型距离为

s=s′+（3～5）

式中：s—A分型面分型距离，mm；

s′—浇注系统凝料在合模方向上的长度，mm。

双分型面注射模的结构复杂、制造成本较高，适用于点浇口形式浇注系统的注射模。

（3）侧向分型与抽芯注射模

当塑件侧壁有孔、凹槽或凸台时，其成型零件必须制成可侧向移动的，否则塑件无法脱模。带动侧向成型零件进行侧向移动的机构称为侧向分型与抽芯机构。侧向分型与抽芯结构类型较多，斜导柱侧向分型与抽芯注射模是比较常用的结构之一，如图1-20所示。

1—动模座板　2—垫块　3—支承板　4—动模板　5—挡块6—螺母　7—弹簧　8—滑块拉杆　9—锁紧块　10—斜导柱　11—滑块　12—型芯　13—浇口套　14—定模板　15—导柱　16—动模板　17—推杆　18—拉料杆　19—推杆固定板　20—推板

开模时，在分型面分型的同时，由于斜导柱10的限制作用，滑块11随动模后退的同时在动模板4的导滑槽内向外侧移动，即实现侧抽芯，直至侧型芯与塑件完全脱开。抽芯动作完成时，滑块11则由定位装置限制在挡块5上，塑件则包紧型芯12随动模后移；当动模移动一定距离后，注射机的顶杆推动推板20，推出机构开始工作，推出塑件。合模时，斜导柱使滑块向内移动，合模结束，侧型芯则完全复位，最后锁紧块9将其锁紧。

斜导柱侧向分型与抽芯机构注射模的特点是结构紧凑，抽芯动作安全可靠，加工制造方便，因而广泛使用在需侧向抽芯的注射模中。

（4）带有活动镶块和嵌件的注射模

有时，由于塑件的某些特殊结构，要求注射模设置活动凸模、活动凹模、活动螺纹型芯或型环等可活动的成型零部件，这些成型零部件称为活动镶块。镶块是构成模具的零件。

如图1-21所示，塑件内侧的凸台，采用活动镶块4成型。开模时，塑件与流道凝料同时留在活动镶块4上，随动模一起运动，当动模和定模分开一定距离后，由推出机构的推杆11将活动镶块4随同塑件一起推出模外，然后由人工或其他装置使塑件与镶块分离。这种模具要求推杆11完成推出动作后，复位弹簧10迫使推出机构优先复位，以便合模前再将活动镶块重新装入动模，型芯座6上的锥孔保证镶块定位准确、可靠。这类模具的生产效率不高，劳动强度大，可用于小批量或试生产。

1—浇口套　2—定模座板　3—导柱　4—活动镶块　5—定模板　6—型芯座　7—动模板　8—支承板　9—模脚　10—弹簧　11—推杆 　12—推杆固定板　13—推板

在塑料制品内嵌入的其他零件，形成不可卸的连接，称为嵌件，其可附加给塑件一些特殊的功能。嵌件是塑件上的一部分，而活动镶块是构成模具的成型零件，二者在成型前都要装入模具，成型后连同塑件一起取出模具。脱模后镶块必须与塑件分离重新装入模具，嵌件是塑件的一部分，留在塑件中。二者模具结构基本相同，为了保证活动镶块和嵌件在注射成型过程中不发生位移，在设计这类模具时，应认真考虑活动镶块和嵌件的可靠、准确定位问题。

（5）角式注射机用注射模

角式注射机用注射模是一种特殊形式的注射模，又称直角式注射模。这类模具的结构特点是主流道、分流道开设在分型面上，而且主流道截面的形状一般为圆形或扁圆形，注射方向与合模方向垂直，特别适合于一模多腔、塑件尺寸较小的注射模具，模具结构如图1-22所示。开模时塑件包紧在型芯10上，与主流道凝料一起留在动模一侧，并向后移动，经过一定距离以后推出机构开始工作，推件板11将塑件从型芯10上推下。为防止注射机喷嘴与主流道端部的磨损和变形，主流道的端部一般镶有镶块7。

1—推板　2—模脚　3—椎杆　4—支承板　5—型芯固定板　6—定模座板　7—镶块　8—定模板　9—凹模　10—型芯　11—推件板　12—导柱

（6）自动卸螺纹的注射模

对带有内、外螺纹的制品，当采用自动卸螺纹时，在模具结构设计时，应设置可转动的螺纹型芯和螺纹型环，将注射机的往复运动或旋转运动转化为螺纹型芯或螺纹型环转动，使制品脱出。图1-23所示为直角式注射机上使用的自动卸螺纹注射模。注射机开合模丝杆8带动螺纹型芯7的旋转，使模具与制品分离。为了防止螺纹型芯与制品一起旋转，一般要求制品外形具有防转结构。图1-23所示是利用制品顶面的凸出图案来防止制品随螺纹型芯转动，以便制品与螺纹型芯分开。开模时，在分型面A—A分开的同时，注射机开合模丝杆8带动螺纹型芯7一边旋转一边后退，使B—B分型面分开，此时A—A分型面分开的速度比B—B分型面大，塑件留在凹模中不动。当定距螺钉4拉住支承板5时，继续开模，螺纹型芯一边转动，脱出剩下的几圈螺纹，一边跟随垫块6后退，将塑件从凹模中拉出。

1—定模板　2—衬套　3—动模板　4—定距螺钉　5—支承板　6—垫块　7—螺纹型芯　8—注射机开合模丝杆

（7）定模设置推出机构的注射模

有时因制品的特殊要求或受制品形状的限制，开模后制品将留在定模上（或有可能留在定模上），则应在定模一侧设置推出机构。开模时，由动模通过拉板或链条带动推出机构将制品推出。图1-24为塑料衣刷注射模，由于制品的特殊形状，开模后制品留在定模上。在定模一侧设置推件板7，开模时由设在动模一侧的拉板8带动推件板7，将制品从型芯11上强制脱下。

1—模脚　2—支承板　3—成型镶块　4、6—螺钉　5—动模板　7—推件板　8—拉板　9—定模板　10—定模座板　11—型芯　12—导柱

（8）热流道注射模

热流道注射模在每次注射成型后，只需取出制品，而流道的料不取出，让流道里的料始终处于一种熔融状态，实现了无废料加工，大大节约了塑料用量，并且有利于成型压力的传递，保证产品质量，缩短成型周期，提高了劳动生产率，同时容易实现自动化操作。图1-25为加热流道的注射模，塑料从注射机喷嘴21进入模具后，在流道中被加热保温，使其仍保持熔融状态，每一次注射完毕，在型腔内的塑件冷凝成型，取出塑件后又可继续注射。这种模具结构较复杂，造价高，模温控制要求严格，仅适用于大批量生产的场合。

1—动模座板　2、13—垫块　3—推板　4—推杆固定板　5—推杆　6—支承板7—导套　8—动模板　9—凸模　10—导柱　11—定模板　12—凹模　14—喷嘴　15—热流道板　16—加热器孔道　17—定模座板　18—绝热层　19—浇口套　20—定位圈　21—注射机喷嘴

三、任务实施

1. 体验教学：在老师的带领下到具有代表性的塑料制品生产企业、塑料成型车间，了解塑料原料的形态、塑料成型生产过程及参观模具库，增加感性认识，为学习好本课程打好基础。

2. 现场教学：教师讲解演示注射模具的安装、调试及成型生产过程，班级分组，15～20人一组。

习题与思考

1. 塑料有哪些主要使用性能？

2. 常用塑料如何分类？塑料的各组成成分各自有何功能？

3. 热塑性塑料和热固性塑料的主要区别是什么？

4. 聚合物在模内黏性流动会出现哪些现象，对成型和制品有何影响？

5. 塑料成型方式有哪几类？

6. 典型注射模具由哪些基本结构组成？绘制图1-18、图1-19模具结构图，并简述工作原理。

7. 在本校模具陈列室或拆装室选一副模具进行拆装，分析工作原理。