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跟畅销书作者学:产品设计必不可少的塑料材料知识

时间:2023-05-16 点击:32次

CAD畅销书作者和你说说结构设计中常需参考的塑料。以下内容,我将其作为我的著作《Pro/ 野火版4.0中文版工业设计手册》(很多年前出版)的附录内容。可以关注我,有关、UG NX、Pro/、Creo、等系列设计及加工软件应用,我都有涉及高质量作品。如有需要具体而系统的学习资料,可以选择我的图书。阅读完,如果觉得有用,那么点击“关注”是对作者的一种尊重和鼓励。谢谢。

应该是10年前编著的图书了

对于每一种塑料,一般都有成分和分子结构、制备方法、使用性能、工艺特性等几方面的考虑。对于塑料制备工程师来说,考虑较多的是塑料的成分和分子结构及其制备方法;对于塑料件结构设计工程师来说,考虑较多的是塑料的使用性能和用途;对于模具工程师来说,考虑较多的是塑料的工艺性能,如下内容可供在实际应用中参考。

F1 塑料的结构和成分

塑料的主要成分是树脂,树脂有天然树脂和合成树脂两种。它们都属于高分子化合物,简称高聚物。高聚物分线型高聚物、体型高聚物和网型高聚物。高聚物的分子结构不同,其性质也不同。线型高聚物成型前具有可溶性和可熔性,成型后仍然具有这种特性,可以多次成型;体型高聚物成型前是可溶与可熔的,而一经成型硬化后,就变成既不融解又不熔融的固体,不能再次成型。

塑料的成分包括树脂、填充剂(又称填料)、增塑剂、着色剂、稳定剂、润滑剂等。

F2 热塑性塑料

这类塑料的合成树脂都是线型或支链型高聚物,受热变软,甚至成为可流动的稳定粘稠液体,在此状态时具有可塑性,可塑制成一定形状的塑件,冷却后保持既得的形状,如再加热又可变软塑制成另一形状,如此可以反复进行多次。在这一过程中一般只有物理变化,而无化学变化,其变化过程是可逆的。

热塑性塑料是由可以多次反复加热而仍然具有可塑性的合成树脂制得的塑料。常见的热塑性塑料有聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、尼龙(PA)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、ABS塑料、聚砜(PSU)、聚苯醚(PPO)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、聚全氟乙丙烯(PEP)、有机玻璃(PMMA)等。

F3 热固性塑料

这类塑料的合成树脂是体型高聚物,在加热之初,因为分子呈线型结构,具有可熔性和可塑性,可塑制成一定形状的塑件;当继续加热时,分子呈现网状结构;但温度达到一定程度后,树脂变成不溶和不熔的体型结构,使形状固定下来不再变化。倘若再加热,也不软化,即不再具有可塑性。在一定变化过程中既有物理变化也有化学变化。

热固性塑料是由加热硬化,且只能一次性使用的合成树脂制得的塑料。常见的热固性塑料有酚醛塑料(PF)、氨基塑料(如UF、MF等)、环氧树脂(EP)等。

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F4 常用塑料

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F4.1 聚氯乙烯(PVC)

聚氯乙烯树脂为白色粉末,造粒后为透明块状,类似明矾,坚如角质,纯的聚氯乙烯不能直接用作塑料,一般都要加入增塑剂、填充剂、稳定剂、润滑剂等辅助材料。

硬聚氯乙烯不含或少含增塑剂,它的机械强度高、坚韧,介电性能好,对酸碱的抵抗能力极强,化学稳定性好,有优异的户外稳定性和自熄性。硬聚氯乙烯主要用来制造板、片、管、棒以及各种型材等产品,例如电线槽板、旋塞、弯头、三通阀、泵零件、泡沫塑料零件。

软聚氯乙烯含有较多的增塑剂,柔软且富有弹性,类似橡胶但比橡胶更耐光、更持久。在常温下其弹性不及橡胶,但耐蚀性优于橡胶,能耐寒冷,成型性好。不足的是耐热性稍低,机械强度、耐磨性、耐溶剂性及介电性能等都不及硬聚氯乙烯,且容易老化。软聚氯乙烯可制成压延薄膜和吹塑薄膜,用于农业和工业包装,但要谨慎使用,尤其在食品包装上。还可用来制作文具、家庭用品、工具手柄等产品。

收缩率:硬质的为1%~1.5%,软质的为2%~2.3%。

本色:灰色。

F4.2 聚苯乙烯(PS)

聚苯乙烯是目前理想的高频绝缘材料,可以与熔融的石英相媲美。聚苯乙烯的化学稳定性优良,吸水性很小,透明性很好,透光率很高,着色能力很好,不过光学性能比有机玻璃稍差,耐热性不高,耐磨性较差、质地较脆,容易开裂。

主要用来制造高频插座、骨架、电容器、微波元件的介质材料、指示灯罩以及包装用的泡沫塑料等。经过添加改性材料的聚苯乙烯还常用来制造收音机、仪表外壳、电视机和显示器的结构零件等。

改性的聚苯乙烯(如PSGP)透明度高达88%~92%,折光率为1.59~1.60,染色性强,无毒无味、不致菌类上涨,具有较高的冲击强度,耐酸碱性能好,电气性能优良。常用来制作各类装饰品、照明指示牌、灯罩、文具、日用品、仪表镜片、透明玩具等。PSGP的收缩率为0.4%~0.6%。

如果加入橡胶等成分,则形成高冲击聚苯乙烯(PSHI)。此时可适合的塑料产品包括各类家电外壳、玩具、电子零件、文具等。PSHI的收缩率为0.4%~0.7%。

F4.3 聚乙烯(PE)

聚乙烯树脂为白色或淡白色、柔软、半透明的大理石状粒料,手触似蜡。聚乙烯的吸水性极小,且介电性能与频率、温度及湿度无关,其化学稳定性较高,使用温度可达80℃~100℃,不过机械强度不高可燃气体探测器分线,质软,成型收缩大。

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低压聚乙烯可用注射成型法制造收音机磁性天线支架、电讯、电话中的 绝缘零件、高频插座、微波元件、卡箍等。

高压聚乙烯主要用来制造电气绝缘零件,尤其是无线电传真、通讯、探测及雷达等设备中涌动高频绝缘电线、电缆等。

聚乙烯的收缩率一般为1.5%~4%。

F4.4 聚丙烯(PP)

聚丙烯是线型碳氢高聚物,它不含有或几乎不含有不饱和结构,因此具有聚乙烯所有的优良性能,如卓越的介电性能、耐水性、化学稳定性,易于成型加工等;还具有聚乙烯所没有的许多性能,如比水轻(比重为0.9左右),机械强度较高,软化点较高,表面硬度及耐热性较好。但耐磨性稍差,成型收缩率较大,低温呈脆性,易受紫外线影响而加速老化。

聚丙烯常用来制造继电器的小型骨架、高频插座、电容器、微波元件、天线及外壳、外框、外罩、盒、箱的铰链等。此外,还可以用来制造法兰、齿轮、接头、泵的叶轮等机械零件以及化工管道和容器等。它的薄膜主要用作包装材料和包扎材料。

聚丙烯的收缩率为0.7%~3.5%。

F4.5 尼龙(PA)

尼龙,即为聚酰胺,在我国的商品名称为绵纶。尼龙具有很高的结晶性,经过拉伸定向处理的尼龙,其抗拉强度很高,接近于钢的水平。尼龙表面硬度大,摩擦系数小,具有十分突出的耐磨性和自润滑性。尼龙的吸水性大,介电性能不高,耐热性较低、成型收缩率不稳定。

粒状尼龙可制成无线电仪器、仪表零件、机械零件(如轴承、齿轮、凸轮、滑轮、管件等),还可用作电线、电缆的绝缘层。粉状尼龙可热喷到金属零件表面上,以提高耐磨性或作为修复磨损零件之用。

值得注意的是,加入玻纤后,尼龙的抗拉强度可提高2倍左右,耐温能力也相应得到提高。

尼龙的收缩率为1%~2%。

F4.6 聚甲醛(POM)

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聚甲醛在固态时具有一种高度的晶体结构,它具有优异的机械性能,尤其是弹性模量很高,表现出它的刚性和表面硬度都很高。聚甲醛的回弹性很好,冲击强度及耐疲劳强度都十分突出,同时它具有卓越的耐磨性和自润滑性(仅次于尼龙,但比尼龙便宜)。聚甲醛的尺寸稳定性好,可制造精密零件,其吸湿性小,在热水中几乎保持原来的物理性能。它具有较好的介电性能,温度和湿度对其介电性能几乎没有明显的影响。

聚甲醛是一种较好的工程塑料,它广泛用来制造齿轮、齿条、轴承、凸轮、滚轮、弹簧、螺帽、垫圈、阀件、管件、把手、电器外壳、仪表板、泵叶轮、机床等。

聚甲醛的收缩率为2%~3.5%,48小时内还会收缩1%。

F4.7 聚碳酸酯(PC)

具有特殊的坚韧和硬度,冲击强度突出,抗蠕变性能十分优异,耐热性(120℃)及耐寒性(-100℃)较好,化学稳定性较高,吸水性较小,介电性能较好。聚碳酸酯是透明材料,本身无毒无味无臭,虽然具有可燃性,但离火后能够自熄。它的缺点是疲劳强度低,成型后塑料件的内应力较大,容易开裂,且耐磨性较差。

聚碳酸酯是一种较为理想的工程塑料,在电子工业中得到广泛的应用。可用来制造具有较高强度、抗冲击、不变形的结构件如接线板、支架、插头、开关、壳体等,也可以用来制造高强度、高刚性、尺寸稳定、耐磨的传动件如轴承、齿轮、滑轮、凸轮等。

聚碳酸酯的收缩率为0.5%~0.7%。

F4.8 ABS塑料

ABS塑料是丙烯腈、丁二烯和丙乙烯3种单体的三元共聚物,具有综合性的优良性能(坚固、坚韧、坚硬),尺寸稳定性好,具有一定的化学稳定性和良好的介电性能,表面可以电镀,缺点是耐热性不高,耐低温性不好,而且不耐燃,不透明,耐气候性不好,特别是耐紫外线性能不好。

ABS是微黄色或白色不透明粒料可燃气体探测器分线,无毒无味。

常用来制造电视机、收录机、电机的外壳、旋钮、电话机壳、把手等。

收缩率为0.4%~0.7%。

F4.9 聚砜(PSU)

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聚砜树脂是具有特殊结构的高聚物,它具有突出的耐热性能、耐氧化性和耐蠕变性,不仅能够耐高温也能够耐低温。在高温和低温下它均能保持其在常温下所具有的各种机械性能和硬度,这是一般工程塑料说不能相比的。聚砜的表面也可以电镀,但它的主要缺点是塑件容易开裂,在温度较高时容易引起水解。

聚砜适合于制造需要在较高温度下工作的塑件,尤其是要求尺寸准确且需要较高的机械强度和介电性能的电子元件,如骨架、管座、插座、齿轮、滑轮、凸轮、轴承、支架、相机壳、微波炉的内配件、汽车零件、投影机等。

收缩率为0.5%~0.7%。

F4.10 聚苯醚(PPO)

聚苯醚是一种新型的热塑性塑料,它的某些性能(如热变性温度)接近于热固性塑料的水平,但成型加工性能又与热塑性塑料相同。聚苯醚具有较高的耐热性、耐寒性、化学稳定性、介电性能,蠕变值小;缺点是成型比较困难、价格高、疲劳强度较低,在光和热的作用下容易老化,塑件容易开裂。

主要用途是制造在高温下工作的齿轮、凸轮、轴承、水泵零件、紧固件、高频印刷线路板、接线板、支架、插头、插座、管件、壳体等。

F4.11 聚四氟乙烯(PTFE)

聚四氟乙烯最突出的特点是卓越的耐热性和耐寒性,它的使用温度范围特别宽广,长期使用温度范围为-195℃~250℃,且性能变化微小。聚四氟乙烯具有十分优异的化学稳定性,是一种很好的防蚀材料,同时也是一种理想的高频绝缘材料。聚四氟乙烯具有良好的耐气候性、不透气性及自熄性。缺点是热膨胀大,耐磨性低,机械强度低、刚性差,成型困难。

广泛用作高频或超高频绝缘材料,用来制作耐腐蚀的容器或密封件。

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F4.12 聚三氟氯乙烯(PCTFE)

塑件为乳白色琥珀半透明体,与聚四氟乙烯相比,其耐热性、化学稳定性等有所降低,但机械强度、表面硬度等有所提高,成型工艺性能也大大改善,

主要用于化工设备的透明视镜、阀、管、泵、垫圈等,可作金属的防腐蚀涂层。

F4.13 聚全氟乙丙烯(PEP)

成型性优于聚四氟乙烯,通常可用来代替聚四氟乙烯,主要应用于化工、石油、电子、机械工业以及各种尖端科学技术装备的元件或涂层等。

F4.14 有机玻璃(PMMA)

俗称压克力,具有高度的透明洁净和优异的透光性,具有非常好的耐气候性,能够耐碱、水和大多数无机盐溶液的腐蚀,吸湿性低,成型收缩率小,尺寸稳定性高,刚性和耐冲性能好。表面硬度不够,可打磨。

有机玻璃主要用来制造塑料铭牌、度盘、度盘罩、指标盘、油标、油杯、装饰品、广告牌、透明模型等。

F4.15 酚醛塑料(PF)

酚醛塑料表面硬度较高,具有一定的抗腐蚀能力,具有很高的粘结能力,但介电性能不高。

酚醛压塑粉俗称电木粉或胶木粉,主要用来成型骨架、接插件、管座、开关、壳罩等电气元件。

加入棉纤维的酚醛塑料主要用来制造手轮、滚轮、外壳等机械零件;石棉纤维酚醛塑料主要用于制造绝缘零件和制动零件(制动块、摩擦垫片、离合器等);玻璃酚醛塑料的机械强度较大,可用来制造支架、绝缘柱、开关、齿轮、凸轮、天线外罩等。

层状酚醛塑料可以制成板、棒、管以及一些异形制品。

F4.16 环氧树脂(EP)

环氧树脂品种很多,产量大,应用比较广泛的是双酚A型环氧树脂,它为糖浆色或青铜色粘稠液体或低熔点脆性固体。低分子量环氧树脂主要用于各种材料的粘结,用于无线电元件的密封、绝缘,用于浇铸、浸渍玻璃钢及防腐蚀涂层;高分子量环氧树脂主要用于油漆涂料。

(续)

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