塑料成型综述【文献综述】

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毕业论文文献综述电气工程及自动化塑料成型综述摘要：本文介绍了塑料材料的发展以及几种常用塑料的特性，阐述了几种常见成型技术的应用关键词：塑料；成型技术塑料成型的选择主要决定于塑料的类型(热塑性还是热固性)、起始形态以及制品的外形和尺寸[1]。加工热塑性塑料常用的方法有挤出、注射成型、压延、吹塑和热成型等，加工热固性塑料一般采用模压、传递模塑，也用注射成型。塑料成型是将各种形态(粉料、粒料、溶液和分散体）的塑料制成所需形状的制品或坯件的过程[2]。成型的方法多达三十几种。它的选择主要决定于塑料的类型(热塑性还是热固性)、起始形态以及制品的外形和尺寸。加工热塑性塑料常用的方法有挤出、注射成型、压延、吹塑和吸塑成型等，加工热固性塑料一般采用模压、传递模塑，也用注射成型。层压、模压和热成型是使塑料在平面上成型。上述塑料加工的方法，均可用于橡胶加工。此外，还有以液态单体或聚合物为原料的浇铸等[3]。在这些方法中，以挤出和注射成型用得最多，也是最基本的成型方法1塑料材料的发展塑料是以树脂为主要成分，适当加入添加剂可在加工中塑化成型的一类高分子材料。塑料与树脂的主要区分为树脂为纯聚合物，而塑料为以树脂为主的聚合物制品，当塑料由纯树脂制成时两个概念通用[4]。最早的改性塑料为用硝酸处理的纤维素，成为硝酸纤维素，由美国的AlbangDentalPlate公司于1870年开发。最早的合成塑料味酚醛树脂，由美国Bakelite公司于1909年实现工业化生产。自20实际初到20世纪70年代，塑料品种的增长速度很快，每年都有几十个品种诞生。而到20世纪70年代以后，塑料新品种的开发速度放慢，几年才有一个新品种诞生。特别是近年来，人们的着重点已从着力开发树脂新品种向对原有树脂的改性方向转。因为，大部分容易开发的树脂品种都已开发，剩下一些难开发的品种成本都比较高，即使开发成功，推广应用也比较难；而对原有树脂的改性，可获得全新的性能，并且改性成本较低；因此，近年来树脂的改性很活跃，新的改性品种不断出现，应用领域越来越广泛。2塑料材料的分类 2.1按树脂的受热变化分类（1）热固性塑料热固性塑料材料指成型后不能再加热软化而重复加工的一类塑料。其树脂在加工前为线性预聚体，加工中发生化学交联反应使制品内部成为三维网状结构，具有不溶、不熔的特点。常用的有酚醛树脂、氨基树脂、环氧树脂及不饱和树脂四种[5]。（2）热塑性塑料热塑性塑料材料指成型后再加热可重新软化加工而化学组成不变的一类塑料。其树脂在加工前后都为线性结构，加工中不发生化学变化，具有可熔、可溶的特点。具体如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺类、聚碳酸酯、聚甲醛、聚酯类、聚苯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、氟塑料类、聚苯硫醚、聚砜及聚酰亚胺等。2.2按树脂的应用分类（1）通用塑料通用塑料材料指产量大、应用范围广、成型加工好、成本低的一类树脂，其产量可占整个树脂的90%以上。具体品种包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛树脂、氨基树脂、不饱和聚酯及环氧树脂等。通用塑料主要用于包装、建筑、农业及日用等领域。（2）工程塑料工程塑料材料指力学性能较好、尺寸稳定性高、在较高温度下可使用的一类塑料，其用量只占整个树脂的5%左右。它具有接近金属的性能，可用于结构制品如机械、电子、汽车及航空等领域。（3）一般塑料一般塑料材料指用量不大、应用范围不广、性能一般的一类塑料。主要包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、氟塑料类及氯化聚醚等。（4）特种塑料特种塑料材料指具有独特性能、价格高、产量少、应用范围窄的一类塑料。主要包括耐热塑料、阻隔塑料及导电塑料等，具体品种有聚苯硫醚、聚砜、聚酰亚胺、聚苯胺及乙烯/乙烯醇共聚物等。2.3按树脂的结构分类此种分类方法是按树脂大分子链上官能团特性而分类，一般可分成如下几类。(1)聚烯烃类，指大分子主、侧链上都为烃类结构的一类树脂及其共聚物，包括聚乙烯、聚丙烯、苯乙烯、苯乙烯/丁二烯/丙烯腈共聚物、丁二烯、聚甲基-1-戊烯、乙烯/乙烯醇共聚物及乙烯/乙酸乙烯共聚物等。 (2)乙烯基类，指大分子主链为烃类结构、而侧链为非烷烃取代基的一类树脂及其共聚物，包括聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚三氟乙烯及聚全氟乙烯等。(3)聚酰胺类，指大分子链中含有酰胺基团的一类树脂，包括PA6、PA66、PA610、PA46、PA1010、PA11、PA12及PI等。(4)聚酯类，指大分子链中含有酯基结构的一类树脂，包括的种类很多，具体有PET、PBT、UP、PMMA、PC、POM、PAR、PSF、PES、PPO及PPS等。(5)其他种类还有纤维素类、聚氨酯类、酚醛类、氨基树脂类及环氧树脂类等。1常用塑料材料的特性简介(1)聚苯硫醚聚苯硫醚英文简写为PPS，是一种新型高性能热塑性树脂，具有机械强度高、耐高温、耐化学药品性、难燃、热稳定性好、电性能优良等优点。在电子、汽车、机械及化工领域均有广泛应用缺点为脆性大、韧性差，耐冲击强度低，经过改良以后，可以获得十分优异的综合性能，市场出售的产品均为其改良的产品。(2)聚砜聚砜是分子主链中含有链节的热塑性树脂，英文名Polysulfone（简称PSF或PSU）有普通双酚A型PSF（即通常所说的PSF），聚芳砜和聚醚砜二种。PSF是略带琥珀色非晶型透明或半透明聚合物，力学性能优异，刚性大，耐磨、高强度，即使在高温下也保持优良的机械性能是其突出的优点，其范围为-100~150℃,长期使用温度为160℃,短期使用温度为190℃,热稳定性高,耐水解,尺寸稳定性好,成型收缩率小,无毒,耐辐射,耐燃,有熄性。在宽广的温度和频率范围内有优良的电性能。化学稳定性好，除浓硝酸、浓硫酸、卤代烃外，能耐一般酸、碱、盐、在酮，酯中溶胀。耐紫外线和耐候性较差。耐疲劳强度差是主要缺点。PSF成型前要预干燥至水份含量小于0.05%。PSF可进行注塑、模压、挤出、热成型、吹塑等成型加工，熔体粘度高，控制粘度是加工关键，加工后宜进行热处理，消除内应力。可做成精密尺寸制品。(3)聚酰亚胺聚酰亚胺是综合性能最佳的有机高分子材料之一，耐高温达400℃以上，长期使用温度范围－200～300℃，无明显熔点，高绝缘性能，103赫下介电常数4.0，介电损耗仅0.004～0.007，属F至H级绝缘材。(4)聚乙烯聚乙烯英文名称：polyethylene，简称PE，是乙烯经聚合制得的一种热塑性树脂。在工业上，也包括乙烯与少量 α－烯烃的共聚物。聚乙烯无臭，无毒,手感似蜡,具有优良的耐低温性能(最低使用温度可达-70～-100℃),化学稳定性好,能耐大多数酸碱的侵蚀(不耐具有氧化性质的酸),常温下不溶于一般溶剂,吸水性小,电绝缘性能优。(5)聚氯乙烯聚氯乙烯(简称PVC)本色为微黄色半透明状，有光泽。透明度胜于聚乙烯、聚丙烯，差于聚苯乙烯，随助剂用量不同，分为软、硬聚氯乙烯，软制品柔而韧，手感粘，硬制品的硬度高于低密度聚乙烯，而低于聚丙烯，在屈折处会出现白化现象。常见制品：板材、管材、鞋底、玩具、门窗、电线外皮、文具等。是一种使用一个氯原子取代聚乙烯中的一个氢原子的高分子材料。(6)聚碳酸酯聚碳酸酯(简称PC)是分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物，根据酯基的结构可分为脂肪族、芳香族、脂肪族-芳香族等多种类型。其中由于脂肪族和脂肪族-芳香族聚碳酸酯的机械性能较低，从而限制了其在工程塑料方面的应用。目前仅有芳香族聚碳酸酯获的了工业化生产。由于聚碳酸酯结构上的特殊性，现已成为五大工程塑料中增长速度最快的通用工程塑料。(7)聚酰胺聚酰胺(PA，俗称尼龙)是美国DuPont公司最先开发用于纤维的树脂，于1939年实现工业化。20世纪50年代开始开发和生产注塑制品，以取代金属满足下游工业制品轻量化、降低成本的要求。PA具有良好的综合性能，包括力学性能、耐热性、耐磨损性、耐化学药品性和自润滑性，且摩擦系数低，有一定的阻燃性，易于加工，适于用玻璃纤维和其它填料填充增强改性，提高性能和扩大应用范围。PA的品种繁多，有PA6、PA66、PAll、PAl2、PA46、PA610、PA612、PAl010等，以及近几年开发的半芳香族尼龙PA6T和特种尼龙等很多新品种。1几种常见的塑料成型技术4.1挤出成型挤出成型在塑料加工中又称为挤塑，在非橡胶挤出机加工中利用液压机压力于模具本身的挤出称压出。是指物料通过挤出机料筒和螺杆间的作用，边受热塑化，边被杆向前推送，连续通过机头而制成各种截面制品或半制品的一种加工方法[6]。挤出成型工艺：一般根据所加工聚合物的类型和制品或半成品的形状，选定挤出机、机头和口模，以及定型和牵引等相应的辅助装置，然后确定挤出工艺条件如螺杆转速、机头压力、物料温度，以及定型温度、牵引速度等。在挤出过程中，物料一般都要经过塑炼，但定型方法则有所不同。例如，挤出的塑料常需冷却定型，使其固化，而挤出橡胶的半成品，则尚需进一步硫化。采用不同的挤出设备和工艺，可得到不同的制品。塑料 聚合物与各种添加剂混合后，送入挤出机中熔化，并进一步混合均匀。通过多孔口模，形成多根条料，再切断成粒料[7]。切断有热切粒和冷切粒之分。前者条料离口模后，一边用空气或水冷却，一边立即用旋转刀切断。后者是将条料全部冷却后，再送入切粒机切粒。片材和薄膜凡厚度在0.25mm以上，长度比宽度大很多的扁平制品称片材；厚度小于0.25mm者称薄膜。如将扁平口模出来的膜状物，通过一表面十分光洁的冷却转鼓冷却定型,即可制得平膜,此法也称挤出流延法。这是制造聚丙烯薄膜常用方法。如果将所得平膜送入拉幅机，在纵向及横向同时拉伸4～10倍（也可先纵向拉伸，再横向拉伸）,则可制得双轴定向薄膜。由于拉伸时,大分子取向，因此薄膜强度很高，但透水、透气性有所降低。常用于制造聚丙烯和聚酯薄膜。如物料内加发泡剂，并采用特殊螺杆和口模，也可制得低发泡沫塑料板材。包覆线当金属裸线通过一个T形口模时，熔融塑料即围绕裸线而形成包覆层，包覆线被冷却卷绕后，即得各种电线电缆制品。挤出成型工艺应用：采用几台挤出机,同时供应几种塑料,再通过共用机头挤出，形成一个整体的复合制品。例如用A、B、C三种塑料共挤出，可生产各种复合薄膜、复合片材、板材、型材和管材。胶料过滤在制造薄壁橡胶制品时，为了防止制品发生漏气、漏水，胶料不能含有杂质，一般在加入硫化剂前用挤出机过滤胶料，即在机头处放置一层或多层滤网，以滤去塑化物料中杂质。轮胎胎面和内胎制造胎面分整体挤出和分层挤出。整体挤出可用一台挤出机将一种胶料经扁平口模挤出；也可用两种胶料（胎冠料和胎侧料）两台挤出机共挤出，在共挤出机头内结合成一个整体胎面。分层挤出则用两台挤出机分别将两种胶料挤成胎冠和胎侧，再在运输带上进行热贴合，并经多圆盘活络辊压为整体。内胎挤出和管子挤出相似，胎筒挤成后，经切断，再接头成型。熔体纺丝一些粘度大的树脂在熔体纺丝时，常用挤出机来熔融物料。熔好的物料直接经过过滤器进入喷丝头，或用喷丝泵打入喷丝头。4.2注塑成型注射模塑（注射成型）是热塑性塑料成型制品的一种重要方法，除了极少数热塑性塑料外，大部分的热塑性塑料都可以用这种方法成型[8]。近几年来，注塑成型加工对模具安装及其后的 调模工序是否简便和易于操作提出了更高的要求。注塑成型新技术发展动向主要集中在：新型气辅注塑成型技术、多组分注塑成型新技术、微孔发泡注塑成型技术、微注塑成型技术等方面。注塑制品约占整个塑料制品的20~30%，特别是在塑料作为工程结构材料后，其用途已从民用扩大到各个领域，并逐步替代传统的金属和非金属材料；在发展尖端科技中也是不可缺少的。注塑成型的过程：先合上注塑模具，然后将塑胶原料从注塑机的料斗送进加热的料筒中，经过加热熔化成为流动状态后，靠柱塞或螺杆的推动，通过料筒前端的喷嘴，注射进闭合的塑料模具中。充满模具的熔融胶料在受压的情况下，经过冷却固化后，就可以保持模具型腔给予的形状。最后打开模具，取出制品。这在操作上就完成了一个模塑周期，后面就是不断重复上述周期的生产过程。注塑成型的一个周期从几秒钟到几分钟不等，时间的长短取决于制品的大小、形状、厚度、注塑机的类型以及塑料的品种和工艺条件等因素。注塑制品的重量可以从低于1克到几十千克。注塑成型具有以下优点：(1)成型周期短；(2)生产效率高，可以实现全自动化生产；(3)对成型不同塑料的适应性强；(4)能一次成型外形复杂、尺寸精确、带金属或非金属嵌件的模塑制品。综上所述，注射模塑是一种经济而先进的成型技术，发展迅速，并不断朝高速化和自动化方向发展。4.3吸塑成型真空吸塑成形是将PVC，PE，PP，PET和HIPS等热塑性塑料片材加热到一定温度后，通过真空泵产生的负压，将热塑化的塑料片材吸附到模型表面上，经过冷却定型而转变成塑料制品的过程[9]。吸塑成型是塑料二次加工工业技术中的一种。它不同于注塑，挤出等一次加工工艺，不是针对塑料树脂或颗粒进行加热模塑成型或同过口模同截面连续成型；也不是利用机床，刀具等机械进行加工手段，将一部分塑料材料切削下来，获得需要的形状，尺寸，而是针对塑料片（板）材，进行加热，利用模具，真空或压力使片（板）材变形，达到要求的形状和尺寸，辅以配套工序，实现应用目的[10]。真空成型产品在我们的日常生活中随处可见。真空成型工艺采用先进的气动，液压和热控制从而实现更高的生产速度和更复杂的真空成型应用。吸塑成型的过程：首先要把一张厚度均匀的塑料片固定在真空室中牢靠的框架上面。然后加热框架，使框架慢慢地移动直到接触到真空室的底部，这时候被加热软化的塑料就会滴落到模具里。 其次，把真空室里的空气抽掉，使塑料附着在模具上。如果模具的孔洞太深，有裂痕的塑料就容易发生爆裂，导致成型的过程必须重头再来。有爆裂口的塑料限制了它的成型形状。使用一些必要的场外真空机组和高强度的真空室，通过简单有效的工艺，在室内就能够形成真空环境。在塑料粘附到模具里以后，必须要让其冷却一段时间。一旦塑料冷却后，就可以把它垂直从模具里拿出来。除非模具静止在了真空室的底部，真空成型只在模具的一边形成形状，这种情况就不能用上述方法把塑料取出。如果塑料很难从模具里拿出来，那就可以使用小刀在模具的周边划一下，使塑料能够更容易的取出[11]。吸塑成型的具体应用：当前，世界汽车材料技术发展的主要方向是轻量化、环保化。减轻汽车自身的重量是降低汽车排放、提高燃烧效率的最有效措施之一。降低整车成本及其重量，增加汽车的有效载荷，增加塑料类材料在汽车中的使用量便成为关键。随着我国汽车业的飞速发展，塑料件占汽车自重的比例逐步增大，技术性能日益增强。汽车用塑料件其成型工艺有注塑、吸塑、吹塑、挤塑等。注塑成型生产效率高，成型的产品精度高，可成型复杂的零件；但模具投入费用大、产品更新慢、零件尺寸受到成型机的规格限制，因此，注塑成型在汽车上的应用主要是仪表板、空调出风口等复杂零件以及要求有精确配合的零件[12]。与之相比，真空吸塑成型工艺有着相当的优越性：(1)模具费用低(吸塑工艺使用单一模具)；(2)产品开发周期短，改进方便；(3)成型表面质量好，材料密度均匀；(4)成型工艺性好，成品废品率低；(5)设备投资小，生产工艺简单。。随着非金属材料的推广使用，大量的吸塑制品被广泛使用于汽车上。吸塑成型机使用的材料主要是ABS板材，有一部分采用有机玻璃板材。在车用塑料品种构成中，用量较大的是聚丙烯(PP)、聚氨酯(PUR)、ABS及尼龙(PA)等几种，而PP是汽车用塑料中用量最多、使用量增长最快的品种。近20年来，真空吸塑成型已发展成为加工包装材料的最重要的方法之一。这种技术迅速发展的原因是真空吸塑成型工艺及设备的不断创新，以及具有成型性能的新片材的开发；同时也是由包装工业的发展及真空吸塑成型包装本身的特点所决定的。研究吸塑成型的工艺对今后的社会发展有非常重要的意义。5结语 塑料是当今世界各国国民经济各个部门及人们生活领域中广泛使用的一种新型结构材料，世界各国政府特别是一些工业发达国家，如德国、美国、意大利、日本等国政府都非常重视和支持塑料机械的发展。但同时应该引起我们足够重视的是，国外许多知名的塑料机械生产企业，正看好我国这个唯一剩下的世界最大的塑料机械市场，纷纷在我国投资办厂。据不完全统计，[13]江浙地区已经投资落户的外国企业有日本东芝、加拿大HUSKY、日本法那克、日本宇部、三菱重工、日本住重机械、德国德马格等，其余的还有韩国LG、韩国的东升、日本日精、奥地利恩格尔也正在计划之中。国外企业纷纷登陆，虽然对我国塑料机械的发展将起到积极的作用，但同时也将会威胁缩小国产塑料机械市场的空间，将对国内塑料机械生产企业、对我国塑料机械行业是一个严峻的挑战。因此，设计出具有自主知识产权的的吸塑成型自动系统是十分必要和迫切的，在基于塑料片吸塑成型工艺及流程控制技术的学习和研究，本文力图设计出吸塑成型机控制系统，完成成型设备的电气控制系统的设计，使系统控制可靠稳定，工效高，成本低廉。使其可以实现以下功能：（1）动态检测各个加热器的温度，并通过A/D转换后，存储在PLC。（2）自动完成加热、成型、输送、监视等控制程序。（3）根据成型材料的性能，完成成型加工的高效低耗的程序控制算法。（4）利用触摸屏实现系统参数调整和显示，并设计完成控制菜单。参考文献[1]祁红志，彭以虎.自动真空吸塑成型机的研发[J].机械设计与制造，2009.[2]欧永杰.吸塑成型在客车上的应用[J].商用汽车，2006.[3]机械设计手册编委会．机械设计手册(第一卷)[M]．北京：机械工业出版社，2004.[4]裘为章.实用起重机电气技术手册[M]．北京：机械工业出版社，2005.[5]田景亮.桥式起重机结构与检修[M].北京：化学工业出版社，2008.[6]陈浩.案例解说PLC、触摸屏及变频器综合应用[M].北京：中国电力出版社，2007.[7]吴启红.变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术实操指导书[M].北京：机械工业出版社，2007.[8]周志敏等.变频调速系统·工程设计·参数设置·调试维护[M].北京：电子工业出版社，2008.[9]张伟林.电气控制与PLC综合应用技术[M].北京：人民邮电出版社，2009.[10]钟肇新、范建东.可编程控制器原理及应用(第三版)[M].广东：华南理工大学出版社，2005.[11]廖常初.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2005.[12]AviCohen.VacuumFormingApplicationsUsingRapidPrototypingTechnology[P].USA:August2008.