基礎(chǔ)知識:了解不同的塑料
魔猴君 知識堂 250天前
在 1967年的美國電影《畢業(yè)生》中,達(dá)斯汀·霍夫曼飾演的男主被告知塑料是一個很有前途的行業(yè)。 男主是否認(rèn)同這個看法我們無從得知,但五十多年過去了,我們現(xiàn)在已經(jīng)知道制造行業(yè)肯定是認(rèn)同了此看法,現(xiàn)在塑料在制造業(yè)被廣泛使用,包括多種類型的塑料及類塑料,覆蓋了幾乎所有的工業(yè)類別,而且已經(jīng)變?yōu)槲覀兊纳钪胁豢煞指畹囊徊糠帧?/span>
對于新手外行來說,塑料有很多不同類型,到底不同塑料之間有什么區(qū)別和聯(lián)系呢?這種困惑通常是因?yàn)橐韵聨讉€原因:
? 對材料結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系沒有概念。
? 產(chǎn)品材料的性能通常沒有被足夠的重視,沒有被分配足夠的時間和精力。
? 即使克服了上述兩個障礙,也很難找到準(zhǔn)確的材料屬性數(shù)據(jù)。
為您的產(chǎn)品選擇合適的材料會涉及到將各種來源的數(shù)據(jù),每個來源的數(shù)據(jù)有可能不完整,有重疊有沖突,您需要把這些各不完整,甚至相互毛肚的材料性能數(shù)據(jù)整合在一起。 對一種材料,最主要應(yīng)該看它的材料數(shù)據(jù)表(MDS,Material Data Sheet),一個中肯的建議是您應(yīng)該盡可能從該表中獲取盡可能多的信息。 有時也可以從各個材料供應(yīng)商發(fā)布的設(shè)計(jì)手冊和應(yīng)用說明中獲得更詳細(xì)的信息,用來可以填補(bǔ)材料數(shù)據(jù)表中的空白。 完整詳盡的材料信息一般是高性能工程和特種材料才會有(為顯示性能的優(yōu)越性),而常見的一些商品材料可能會有信息缺失。 如果您真的需要了解一個材料,你除了查找資料之外,可能還需要做一些試驗(yàn)和測試工作。
熱塑性塑料
熱塑性塑料是一種在一定溫度以上變軟,變得可模塑,然后在冷卻時固化,并且這一過程往返重復(fù),所以熱塑性塑料通常用于注塑成型,也一般都可以再次回收利用。
熱塑性塑料在加熱時發(fā)生的情況用專業(yè)術(shù)語講就是是相變。 材料經(jīng)歷相變的一個非常常見的例子是水在零度以下會變成冰,冰在零度以上會變?yōu)樗?nbsp;低于這個相變溫度,材料是固態(tài),高于這個溫度,材料是液態(tài)。
一些常見的熱塑性塑料
?乙縮醛 Acetal,也稱為 Delrin
? 亞克力(Acrylic,PMMA,Polymethyl methacrylate)
? 丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS,Acrylonitrile butadiene styrene)
? 尼龍 Nylon (PA,Polyamide)
? 聚碳酸酯 (PC Polycarbonate )
? 聚乙烯 (PE Polyethylene )
? 聚乳酸 (PLA, Polylactic acid )
? 聚丙烯 (PP, Polypropylene )
? 聚苯乙烯 (PS,Polystyrene )
? 聚四氟乙烯 (PTE,Polytetrafluoroethylene),也稱為 Teflon
? 聚氯乙烯 (PVC,Polyvinyl chloride )
熱固性塑料
熱固性這個名稱可能看起來有點(diǎn)令人困惑,尤其是與熱塑性塑料相比(參見上一節(jié))。 熱固性材料是一種不可逆固化的材料,而不是加熱可以重新軟化的材料。 記住這兩種塑料區(qū)別最簡單方法可能是,熱塑性塑料加熱可逆,而熱固性塑料則是永久變形。
熱固性材料根據(jù)材料的成分不同,可以通過化學(xué)反應(yīng)固化或輻射固化。 液態(tài)硅膠是一種常見得可模塑的熱固性材料。
熱固性材料通常比熱塑性材料更強(qiáng)固,也可以用于各種成型工藝。
常見的熱固性塑料有:
?電木
? 環(huán)氧樹脂
? 三聚氰胺
? 聚氨酯(也存在于熱塑性塑料中,但較少見)
? RTV 硅膠
? 硅橡膠
光敏聚合物
光敏聚合物是一種塑料,液態(tài)未固化前多稱為光敏樹脂,光敏樹脂在光照時會改變其特性,發(fā)生固化反應(yīng)。 這些塑料通常使用紫外線固化,并且固化速度非??臁?/span> 光敏樹脂通常用于3D 打印及類似工藝(如UV打印等)。光敏聚合物往往比其他類型的塑料更脆,并且在暴露于陽光或高濕度時通常不穩(wěn)定。與熱固性材料一樣,光敏聚合物也經(jīng)歷了一個不可逆的固化過程,一旦固化就不能再軟化。 當(dāng)用于3D打印等工藝時,光敏樹脂會逐層固化。 通常通過一個UV 激光頭在樹脂上繪制(和固化)一層零件,然后將工作臺下降一層的高度, 然后再繪制下一層并固化,該過程不斷進(jìn)行,直到整個零件形成。
光敏樹脂是數(shù)字制造中的重要的原材料之一,人們開發(fā)了很多光敏樹脂用來制作具有一定特性的光聚合物。
比較塑料和類塑料
從技術(shù)角度來看,并非所有看似塑料的東西就都是塑料。 熱固性塑料和光敏聚合物的性能行為與真正的“塑料”不同,雖然對普通人來說分不清楚很正常。但如果您想成為一個專家,又或者只是有興趣稍微多了解一些,比較塑料和類似塑料還是很有趣的。
立體光刻(一種常用的增材制造工藝,可以簡稱為 SLA)原材料是光敏樹脂而不是熱塑性塑料,因此在一些關(guān)鍵特性上是不同于普通的工程級樹脂。 盡管如此,這些類塑料對設(shè)計(jì)師和工程師來說仍然非常有用,只要它們在某些維度上與預(yù)期的最終生產(chǎn)材料相匹配,那么它們還是可以用于外觀、裝配和有限的功能測試。 通常,設(shè)計(jì)師和工程師最看重的屬性是剛度(技術(shù)術(shù)語拉伸模量), 因此,如果原材料是類 ABS 材料時,它通常指該材料與ABS的剛度類似,而其他材料屬性有可能會差別很大。
光敏材料與工程級熱塑性塑料最常見的性能不同是斷裂伸長率(斷裂前的拉伸程度,以百分比衡量)和耐溫能力(軟化前的溫度)。光敏聚合物的斷裂伸長率和耐溫能力都遠(yuǎn)不如對應(yīng)的工程塑料。
所有光敏聚合物都對氧氣具有長期敏感性,也就是長期暴露在氧氣環(huán)境各項(xiàng)性能會老化而退化,并且這種敏感性隨著溫度的增高會增加。 衡量老化的將能指標(biāo)為相對熱指數(shù) (Relative Thermal Index, RTI)。 這是目前測量老化對光敏聚合物機(jī)的械和電氣性能的長期影響的最佳方法。 RTI 從測量關(guān)鍵基線屬性開始, 然后測試樣品在多個溫度下的老化,監(jiān)測其基線屬性,直到它們下降到原始值的 50%。 達(dá)到 50% 性能所需的時間稱為失效時間。
選擇合適的塑料
如果不了解一個零件的完整的應(yīng)用性能要求,就不能做出完全準(zhǔn)確的材料選擇。但如果提前為選材料做太多的工程計(jì)算有時候又不太劃算,那么我們該如何為產(chǎn)品選一個合適的材料呢?下面我們提供一些快速選擇塑料的經(jīng)驗(yàn)法則:
? 試試 ABS。 ABS 適用于很多很多應(yīng)用。它價格合理,堅(jiān)固,相對堅(jiān)韌,外觀不錯,即使您不遵循塑料零件的所有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)規(guī)則,它也很寬容。不過它的熔點(diǎn)確實(shí)相對較低。
? 如果需要更便宜和更剛強(qiáng),并且外觀不是很重要,請嘗試聚丙烯 (PP)。
? 如果您需要比 ABS 更堅(jiān)固或能夠承受更高溫度的東西,請嘗試使用聚碳酸酯 (PC),PC不如ABS那么可以容錯設(shè)計(jì)規(guī)則,需要了解塑料零件的設(shè)計(jì)規(guī)則。。
? 如果需要美觀和透明,請嘗試亞克力(PMMA)。 PMMA 可能有點(diǎn)脆。
透明的 PC 會比 PMMA 更堅(jiān)固,但在美觀上會少一些。
? 如果這些規(guī)則沒有選出合適的材料,那么你需要做數(shù)學(xué)和工程分析。
如果您打算使用注塑成型來制作零件,您可以制作模具之前,先用不同的候選目標(biāo)材料機(jī)加工幾個零件,確定最終材料后再制作模具。這是模具在設(shè)計(jì)時是需要匹配了特定材料的屬性,樹脂在固化時會收縮,不同樹脂收縮率不一樣,因此可能無法在同一模具中使用多種樹脂,不同樹脂可能會對零件尺寸、公差和精度造成風(fēng)險。