绪论-塑料的发展

绪论

塑料是一种用途广泛的合成高分子材料，在我们的日常生活中塑料制品比比皆是。从我们起床后使用的洗漱用品、早餐时用的餐具，到工作学习时用的文具、休息时用的座垫、床垫，以及电视机、洗衣机、计算机的外壳，还有夜晚给我们带来光明的各种造型的灯具……塑料以它优异的性能逐步地代替了许多已经使用了几十年、几百年的材料和器皿，成为人们生活中不可缺少的助手。塑料集金属的坚硬性、木材的轻便性、玻璃的透明性、陶瓷的耐腐蚀性，橡胶的弹性和韧性于一身，因此除了日常用品外，塑料更广泛地应用于航空航天、医疗器械、石油化工、机械制造、国防、建筑等各行各业。

一、塑料的发展历史

塑料的产生很偶然，一个摄影师在暗房里的实验导致了最初的塑料的产生。亚历山大·帕克斯有许多爱好，摄影是其中之一。19世纪时，人们还不能够像今天这样购买现成的照相胶片和化学药品，必须经常自己制作需要的东西。摄影中使用的材料之一是“胶棉”，它是一种“硝棉”溶液，亦即在酒精和醚中的硝酸盐纤维素溶液。当时它被用于把光敏的化学药品粘在玻璃上，来制作类似于今天照相胶片的同等物。

在19世纪50年代，帕克斯查看了处理胶棉的不同方法。一天，他试着把胶棉与樟脑混合。使他惊奇的是，混合后产生了一种可弯曲的硬材料。帕克斯称该物质为“帕克辛”，那便是最早的塑料。

继续发展帕克斯的成果并从中获利的是约翰·韦斯利·海亚特，这个来自纽约的印刷工在1868年看到了这个机会，当时一家制造台球的公司抱怨象牙短缺。海亚特改进了制造工序，研制出一种用硝化纤维素、樟脑、酒精等化工原料混合制成的台球，并且给了“帕克辛”一个新名称—“赛璐珞”（假象牙—译注）。他从台球制造商那里得到了一个现成的市场，并且不久后就用塑料制作出各种各样的产品。早期的塑料容易着火，这就限制了用它制造产品的范围。

[最初台球是用木料制成的，以后出现了象牙制造的。据说，一颗象牙只能制5个球，英国仅制作台球每年就需要上万头大象，制造好的象牙台球还要经过严格挑选，重量必须相同，因此价格非常昂贵！所以象牙台球仅适合宫廷贵族们玩乐！后来，被称为美国塑料工业之父的海亚特，研制出一种用硝化纤维素、樟脑、酒精等化工原料混合制成的台球，它大大降低了台球的成本；随后在1920年又出现了一种石碳酸脂铸成的台球。再一次使台球的制造费用降低。此后，台球在娱乐行业中，真正成为了大众娱乐。台球从最早的两个球开始，逐渐演变成现在的英式台球、法式台球等等。比较流行的英式斯诺克台球，起源于1885年，这种打法已延续了一百多年。]

第一种完全合成的塑料出自美籍比利时人列奥·亨德里克·贝克兰，102年前的1907年7月14日，他注册了酚醛塑料的专利。

[贝克兰是鞋匠和女仆的儿子，1863年生于比利时根特。1884年，21岁的贝克兰获得根特大学博士学位，24岁时就成为比利时布鲁日高等师范学院的物理和化学教授。1889年，刚刚娶了大学导师的女儿，贝克兰又获得一笔旅行奖学金，到美国从事化学研究。

在哥伦比亚大学的查尔斯〃钱德勒教授鼓励下，贝克兰留在美国，为纽约一家摄影供应商工作。这使他几年后发明了Velox照相纸，这种相纸可以在灯光下而不是必须在阳光下才能显影。1893年，贝克兰辞职创办了Nepera化学公司。

在新产品冲击下，摄影器材商伊士曼〃柯达吃不消了。1898年，经过两次谈判，柯达

方以75万美元（相当于现在1500万美元）的价格购得Velox照相纸的专利权。不过柯达很快发现配方不灵，贝克兰的回答是:这很正常，发明家在专利文件里都会省略一两步，以防被侵权使用。柯达被告知:他们买的是专利，但不是全部知识。又付了10万美元，柯达方知秘密在一种溶液里。

掘得第一桶金，贝克兰买下了纽约附近扬克斯的一座俯瞰哈德逊河的豪宅，将一个谷仓改成设备齐全的私人实验室，还与人合作在布鲁克林建起试验工厂。当时刚刚萌芽的电力工业蕴藏着绝缘材料的巨大市场。贝克兰嗅到的第一个诱惑是天然的绝缘材料虫胶价格的飞涨，几个世纪以来，这种材料一直依靠南亚的家庭手工业生产。经过考察，贝克兰把寻找虫胶的替代品作为第一个商业目标。当时，化学家已经开始认识到很多可用作涂料、黏合剂和织物的天然树脂和纤维都是聚合物，即结构重复的大分子，开始寻找能合成聚合物的成分和方法。]

[紫胶虫（Laccifer lacca）吸取寄主树树液后分泌出的紫色天然树脂。又称紫胶、赤胶、紫草茸等。主要含有紫胶树脂、紫胶蜡和紫胶色素。紫胶树脂粘着力强，坚韧,光泽好,对紫外线稳定，电绝缘性能良好，耐高压电弧，兼有热塑性和热固性，能溶于醇和碱，耐油、耐酸、对人无毒性和刺激性，可用作清漆、抛光剂、胶粘剂、绝缘材料和模铸材料等，广泛用于国防、电气、涂料、橡胶、塑料、医药、制革、造纸、印刷、食品等工业部门。紫胶蜡又称虫胶蜡,是一种黄色硬质天然蜡,硬度大，光泽好，对溶剂保持力强。可作为巴西棕榈蜡的代用品，用于电器工业、抛光剂和鞋油等。紫胶色素是一种鲜红色无毒粉末，可作为良好的食用红色素。]

早在1872年，德国化学家阿道夫·冯·拜尔就发现:苯酚和甲醛反应后，玻璃管底部有些顽固的残留物。不过拜尔的眼光在合成染料上，而不是绝缘材料上，对他来说，这种黏糊糊的不溶解物质是条死胡同。对贝克兰等人来说，这种东西却是光明的路标。从1904年开始，贝克兰开始研究这种反应。最初得到的是一种液体――苯酚－甲醛虫胶，称为Novolak，但市场并不成功。3年后，他得到一种糊状的黏性物，模压后成为半透明的硬塑料――酚醛塑料。

不同的是，赛璐珞来自化学处理过的棉以及其他含纤维素的植物材料，而酚醛塑料是世界第一种完全合成的塑料。贝克兰将它用自己的名字命名为“贝克莱特”（Bakelite）。他很幸运，英国同行詹姆斯·斯温伯恩爵士只比他晚一天提交专利申请，否则英文里酚醛塑料可能要叫“斯温伯莱特”。1909年2月8日，贝克兰在美国化学协会纽约分会的一次会议上公开了这种塑料。

酚醛塑料绝缘、稳定、耐热、耐腐蚀、不可燃，贝克兰自称为“千用材料”。特别是在迅速发展的汽车、无线电和电力工业中，它被制成插头、插座、收音机和电话外壳、螺旋桨、阀门、齿轮、管道。在家庭中，它出现在台球、把手、按钮、刀柄、桌面、烟斗、保温瓶、电热水瓶、钢笔和人造珠宝上。这是20世纪的炼金术，从煤焦油那样的廉价产物中，得到用途如此广泛的材料。1924年《时代》周刊的一则封面故事称:那些熟悉酚醛塑料潜力的人表示，数年后它将出现在现代文明的每一种机械设备里。1940年5月20日的《时代》周刊则将贝克兰称为“塑料之父”。当然，酚醛塑料也有缺点，它受热会变暗，只有深褐、黑或暗绿3种颜色，而且容易摔碎。

二、塑料的定义和成分

塑料（Plastics）：具有塑性行为的材料，所谓塑性是指受外力作用时，发生形变，外力取消后，仍能保持受力时的状态。塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间，受力能发生一定形变。软塑料接近橡胶，硬塑料接近纤维。

我们通常所用的塑料并不是一种纯物质，它是由许多材料配制而成的。其中高分子聚合物(或称合成树脂)是塑料的主要成分，此外，为了改进塑料的性能，还要在聚合物中添加各种辅助材料，如填料、增塑剂、润滑剂、稳定剂、着色剂等，才能成为性能良好的塑料。

三、塑料的特性

1、塑料具有可塑性

顾名思义，塑料就是可以塑造的材料。所谓塑料的可塑性就是可以通过加热的方法使固体的塑料变软，然后再把变软了的塑料放在模具中，让它冷却后又重新凝固成一定形状的固体。塑料的这种性质也有一定的缺陷，即遇热时容易软化变形，有的塑料甚至用温度较高的水烫一下就会变形，所以塑料制品一般不宜接触开水。

2、塑料具有弹性

有些塑料也像合成纤维一样，具有一定的弹性。当它受到外力拉伸时，卷曲的分子就由柔韧性而被拉直，但一旦拉力取消后，它又会恢复原来的卷曲状态，这样就使得塑料具有弹性，例如聚乙烯和聚氯乙烯的薄膜制品。但是有些塑料是没有弹性的。

3、塑料具有较高的强度

塑料虽然没有金属那样坚硬，但与玻璃、陶瓷、木材等相比，还是具有比较高的强度及耐磨性。塑料可以制成机器上坚固的齿轮和轴承。

4、塑料具有耐腐蚀性

塑料既不像金属那样在潮湿的空气中会生锈，也不像木材那样在潮湿的环境中会腐烂或被微生物侵蚀，另外塑料耐酸碱的腐蚀。因此塑料常常被用作化工厂的输水和输液管道，建筑物的门窗等。

5、塑料具有绝缘性

塑料的分子链是原子以共价键结合起来的，分子既不能电离，也不能在结构中传递电子，所以塑料具有绝缘性。塑料可用来制造电线的包皮、电插座、电器的外壳等。

6..塑料的制造过程

绝大多数塑料制造的第一步是合成树脂的生产（由单体聚合而得），然后根据需要，将树脂（有时加入一定量的添加剂）进一步加工成塑料制品。有少数品种（如有机玻璃）其树脂的合成和塑料的成型是同时进行的。

塑料的优点：

1、大部分塑料的抗腐蚀能力强，不与酸、碱反应。

2、塑料制造成本低。

3、耐用、防水、质轻。

4、容易被塑制成不同形状。

5、是良好的绝缘体。

6、塑料可以用于制备燃料油和燃料气，这样可以降低原油消耗。

塑料的缺点：

1、回收利用废弃塑料时，分类十分困难，而且经济上不合算。

2、塑料容易燃烧，燃烧时产生有毒气体。

3、塑料是由石油炼制的产品制成的，石油资源是有限的。

四、塑料的分类

1、按使用特性分类

根据各种塑料不同的使用特性，通常将塑料分为通用塑料、工程塑料和特种塑料三种类型。

①通用塑料

一般是指产量大、用途广、成型性好、价格便宜的塑料。通用塑料有五大品种，即聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯及ABS。

②工程塑料

一般指能承受一定外力作用，具有良好的机械性能和耐高、低温性能，尺寸稳定性较好，可以用作工程结构的塑料，如聚酰胺、聚砜等。

[在工程塑料中又将其分为通用工程塑料和特种工程塑料两大类。

通用工程塑料包括：聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、改性聚苯醚、热塑性聚酯、超高分子量聚乙烯、甲基戊烯聚合物、乙烯醇共聚物等。

特种工程塑料又有交联型的非交联型之分。交联型的有：聚氨基双马来酰胺、聚三嗪、交联聚酰亚胺、耐热环氧树指等。非交联型的有：聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚醚酮（PEEK）等]

③特种塑料

一般是指具有特种功能，可用于航空、航天等特殊应用领域的塑料。如氟塑料和有机硅具有突出的耐高温、自润滑等特殊功用，增强塑料和泡沫塑料具有高强度、高缓冲性等特殊性能，这些塑料都属于特种塑料的范畴。

[a.强塑料:增强塑料原料在外形上可分为粒状（如钙塑增强塑料）、纤维状（如玻璃纤维或玻璃布增强塑料）、片状（如云母增强塑料）三种。按材质可分为布基增强塑料（如碎布增强或石棉增强塑料）、无机矿物填充塑料（如石英或云母填充塑料）、纤维增强塑料（如碳纤维增强塑料）三种。

b.泡沫塑料:泡沫塑料可以分为硬质、半硬质和软质泡沫塑料三种。硬质泡沫塑料没有柔韧性，压缩硬度很大，只有达到一定应力值才产生变形，应力解除后不能恢复原状；软质泡沫塑料富有柔韧性，压缩硬度很小，很容易变形，应力解除后能恢复原状，残余变形较小；半硬质泡沫塑料的柔韧性和其他性能介于硬质他软质泡沫塑料之间。]

2、按理化特性分类

根据各种塑料不同的理化特性，可以把塑料分为热固性塑料和热塑料性塑料两种类型。

①热固性塑料

热固性塑料的分子结构是体型结构，在受热时也发生软化，可以塑制成一定的形状，但受热到一定的程度或加入少量固化剂后，就硬化定型，再加热也不会变软和改变形状了。热固性塑料加工成型后，受热不再软化，因此不能回收再用，如酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂等都属于此类塑料。热固性塑料成型工艺过程比较复杂，所以连续化生产有一定的困难，但其耐热性好、不容易变形，而且价格比较低廉。

②热塑料性塑料

热塑性塑料分子结构都是线型结构，在受热时发生软化或熔化，可塑制成一定的形状，冷却后又变硬。在受热到一定程度又重新软化，冷却后又变硬，这种过程能够反复进行多次。如聚氯乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯等。热塑性塑料成型过程比较简单，能够连续化生产，并且具有相当高的机械强度，因此发展很快。

3、按加工方法分类

根据各种塑料不同的成型方法，可以分为膜压、层压、注射、挤出、吹塑、浇铸塑料和反应注射塑料等多种类型。

膜压塑料多为物性的加工性能与一般固性塑料相类似的塑料；层压塑料是指浸有树脂的纤维织物，经叠合、热压而结合成为整体的材料；注射、挤出和吹塑多为物性和加工性能与

一般热塑性塑料相类似的塑料；浇铸塑料是指能在无压或稍加压力的情况下，倾注于模具中能硬化成一定形状制品的液态树脂混合料，如MC尼龙等；反应注射塑料是用液态原材料，加压注入膜腔内，使其反应固化成一定形状制品的塑料，如聚氨酯等。

压塑

压塑也称模压成型或压制成型，压塑主要用于酚醛树脂、脲醛树脂、不饱和聚酯树脂等热固性塑料的成型。

挤塑

挤塑又称挤出成型，是使用挤塑机（挤出机）将加热的树脂连续通过模具，挤出所需形状的制品的方法。挤塑有时也有于热固性塑料的成型，并可用于泡沫塑料的成型。挤塑的优点是可挤出各种形状的制品，生产效率高，可自动化、连续化生产；缺点是热固性塑料不能广泛采用此法加工，制品尺寸容易产生偏差。

注塑

注塑又称注射成型。注塑是使用注塑机（或称注射机）将热塑性塑料熔体在高压下注入到模具内经冷却、固化获得产品的方法。注塑也能用于热固性塑料及泡沫塑料的成型。注塑的优点是生产速度快、效率高，操作可自动化，能成型形状复杂的零件，特别适合大量生产。缺点是设备及模具成本高，注塑机清理较困难等。

吹塑

吹塑又称中空吹塑或中空成型。吹塑是借助压缩空气的压力使闭合在模具中的热的树脂型坯吹胀为空心制品的一种方法，吹塑包括吹塑薄膜及吹塑中空制品两种方法。用吹塑法可生产薄膜制品、各种瓶、桶、壶类容器及儿童玩具等。

压延

压延是将树脂和各种添加剂经预期处理（捏合、过滤等）后通过压延机的两个或多个转向相反的压延辊的间隙加工成薄膜或片材，随后从压延机辊筒上剥离下来，再经冷却定型的一种成型方法。压延是主要用于聚氯乙烯树脂的成型方法，能制造薄膜、片材、板材、人造革、地板砖等制品。

五、新型塑料

塑料技术的发展日新月异，针对全新应用的新材料开发，针对已有材料市场的性能完善，以及针对特殊应用的性能提高可谓新材料开发与应用创新的几个重要方向。

1、新型高热传导率生物塑料

日本电气公司新开发出以植物为原料的生物塑料，其热传导率与不锈钢不相上下。该公司在以玉米为原料的聚乳酸树脂中混入长数毫米、直径0.01mm的碳纤维和特殊的粘合剂，制得新型高热传导率的生物塑料。如果混入10%的碳纤维，生物塑料的热传导率与不锈钢不相上下；加入30%的碳纤维时，生物塑料的热传导率为不锈钢的2倍，密度只有不锈钢的1/5。

这种生物塑料除导热性能好外，还具有质量轻、易成型、对环境污染小等优点，可用于生产轻薄型的电脑、手机等电子产品的外框。

2、可变色塑料薄膜

英国南安普照敦大学和德国达姆施塔特塑料研究所共同开发出一种可变色塑料薄膜。这种薄膜把天然光学效果和人造光学效果结合在一起，实际上是让物体精确改变颜色的一种新途径。这种可变色塑料薄膜为塑料蛋白石薄膜，是由在三维空间叠起来的塑料小球组成的，在塑料小球中间还包含微小的碳纳米粒子，从而光不只是在塑料小球和周围物质之间的边缘区反射，而且也在填在这些塑料小球之间的碳纳米粒子表面反射。这就大大加深了薄膜的颜色。只要控制塑料小球的体积，就能产生只散射某些光谱频率的光物质。

3、塑料血液

英国设菲尔德大学的研究人员开发出一种人造“塑料血”，外形就像浓稠的糨糊，只要将其溶于水后就可以给病人输血，可作为急救过程中的血液替代品。这种新型人造血由塑料分子构成，一块人造血中有数百万个塑料分子，这些分子的大小和形状都与血红蛋白分子类似，还可携带铁原子，像血红蛋白那样把氧输送到全身。由于制造原料是塑料，因此这种人造血轻便易带，不需要冷藏保存，使用有效期长、工作效率比真正的人造血还高，而且造价较低。

4、新型防弹塑料

墨西哥的一个科研小组最近研制出一种新型防弹塑料，它可用来制作防弹玻璃和防弹服，质量只有传统材料的1/5至1/7。这是一种经过特殊加工的塑料物质，与正常结构的塑料相比，具有超强的防弹性。试验表明，这种新型塑料可以抵御直径22mm的子弹。通常的防弹材料在被子弹击中后会出现受损变形，无法继续使用。这种新型材料受到子弹冲击后，虽然暂时也会变形，但很快就会恢复原状并可继续使用。此外，这种新材料可以将子弹的冲击力平均分配，从而减少对人体的伤害。

5、可降低汽车噪音的塑料

近日，美国聚合物集团公司(PGI)采用可再生的聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯制造成一种新型基础材料，应用于可模塑汽车零部件，可降低噪音。该种材料主要应用于车身和轮舱衬垫，产生一个屏障层，能吸收汽车车厢内的声音并且减少噪音，减少幅度为25%~30%，PGI公司开发了一种特殊的一步法生产工艺，将再生材料和没有经过处理的材料有机结合在一起，通过层叠法和针刺法使得两种材料成为一个整体。

六、塑料引起的危害

早在60年代中期，人们就发现聚氯乙烯塑料中残存的氯乙烯单体，能引起使前指骨溶化称为“肢端骨溶解症”的怪病。从事聚氯乙烯树脂制造的工人又常会出现手指麻木、刺痛等所谓白蜡症（雷诺氏综合症）。当人们接触氯乙烯单体后就会发生手指、手腕、颜面浮肿、皮肤变厚、变僵、失去弹性和不能用力握物的皮肤硬化症，同时还有人口现脾肿大、胃及食道静脉瘤、肝损伤，门静脉压亢进等症。70年代后又在一些聚氯乙烯生产厂中，发现有人患有一种极少见的肝癌—肝脏血管肉瘤。此后业昔虽然尽量控制聚氯乙烯树脂中单体含量，但并未彻底解决，故在1975年美国首先提出禁止用聚氯乙烯塑料包装食品和饮料。

由于塑料制品在动物体内无法被消化和分解，以致误食后即能引起胃部不适、行动异常、生育繁殖能力下降，甚至死亡。如我国的某些动物园就发生过动物误食游人丢弃的塑料食品袋致死的不幸事件。

1970年到1987年间，人们调查了太平洋海域的543头白额鹱等大型海鸟，由于它们分不清塑料与海草，竟在其中458头胃中找到了塑料类物品，海龟的胃中也有。

废弃塑料对海洋的污染已经成为国际性问题。海洋漂浮物中泡沫聚苯乙烯占22％，其它塑料占23％。这些废弃塑料不但会缠住船只的螺旋桨，损坏船身和机器引起事故和停驶，给航运造成重大损失，而每清除1吨海上垃圾要用去清除陆地垃圾10倍的花费。1995年香港为打捞4765.6吨海上垃圾，耗资1200万港元。

热固性塑料同样会严重污染环境。例如由玻璃纤维增强塑料（FRP）制成的中、小型船身，当它们一旦报废就很难处理。在日本每年约有3000只这类废船被丢弃在港岸，既影响观瞻，又影响渔业，成为日本沿海的一大公害。

塑料焚烧时会产生有毒气体二恶英,它包括210种化合物。它的毒性十分大，是氰化物的130倍、砒霜的900倍，有“世纪之毒”之称。

白色污染就是一次性难降解的塑料包装物，比如一次性泡沫快餐具还有我们常用的塑料袋等。它对环境污染很严重，埋在土壤中很难分解，会导致土壤能力下降，如果焚烧会导致大气污染，所以现在提倡不用或少用此物，购买东西时最好自备工具，减少它的利用。

七、塑料制品的生产方法

八、本课程学习要求

1、了解塑料的类型和主要性能，熟悉模塑成型的主要方法及其成型工艺基本知识。

2、掌握注射模设计计算方法及成型工艺原理，能设计中等复杂程度的塑料模具和制定相应成型工艺卡片，并对较复杂的塑料模具结构具有一定的独立的分析能力。

3、熟悉塑料成型设备注射机的技术规范，及设备与模具关系。

4、了解我国塑料模具的标准化、商品化情况，并能运用于模具设计中。

5、对国内外塑料模具的新结构、新工艺、新材料、新技术等有所了解。