1.3 塑料注射制品的應(yīng)用和試制

塑料注塑件的產(chǎn)量多，制品的應(yīng)用面廣。這是因?yàn)樗芰现萍c金屬零件相比，一些優(yōu)點(diǎn)有實(shí)用價(jià)值。塑料材料的密度低，一般為0.9～1.4g/cm³；按單位質(zhì)量計(jì)算的比強(qiáng)度高；又具有耐腐蝕和絕緣性能。在較多品種中，有的減摩或耐磨性能良好，有的防振抗沖擊性能優(yōu)異，有的耐疲勞性能突出。塑料制品被大量用做工程結(jié)構(gòu)件，例如電子儀表、家用電器和通信設(shè)備等的機(jī)殼、機(jī)架和機(jī)座。在許多特殊的應(yīng)用場合非塑料件莫屬，例如輸送腐蝕性介質(zhì)的泵和閥；植入人體的人工器官，要有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和生理相容性能；短期與人體接觸，又被反復(fù)使用的醫(yī)療器械，必須承受蒸汽熱和輻射消毒；音響和辦公設(shè)備中的無噪音的塑料齒輪，無法用油潤滑的軸承和滾輪，只能采用減摩和耐磨的自潤滑的塑料。近年來，透明塑料制品，從鏡片、光盤到照明燈具又拓展了新的應(yīng)用領(lǐng)域。

塑料制品能得到廣泛使用還由于它的可加工性。多數(shù)塑料的熔化溫度為170～300℃。各種塑料熔體的黏度在很大的范圍內(nèi)，都適合注射加工成型。它可經(jīng)纖維增強(qiáng)或用添加劑改性，一定程度地改善制品所需的某些性能。另外，塑料制品著色容易，又可進(jìn)行多樣修飾，使它能經(jīng)過“濃裝淡抹”后走進(jìn)千家萬戶。

本節(jié)主要介紹塑料注射制品在電子電器、汽車工業(yè)和建筑家具領(lǐng)域的應(yīng)用，塑料制品的試制過程和塑料材料的選擇，以及各種注塑件設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、質(zhì)量和應(yīng)用的要求。

1.3.1 塑料注射制品的應(yīng)用

塑料注射制品在各個(gè)行業(yè)都有廣泛應(yīng)用。全面介紹所有的注射制品應(yīng)用是困難的，這里以大家熟識(shí)的家用電子電器、汽車工業(yè)和建筑家具三個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，討論注塑件的生產(chǎn)和材料選用。

1.電子電器工程的注塑件

儀表、通信、信息技術(shù)的電子電器產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快。塑料有優(yōu)異的電絕緣性能，又是隔熱、抗振和密封性能，能替代金屬被廣泛應(yīng)用于電子電器產(chǎn)品的機(jī)殼、機(jī)架和結(jié)構(gòu)件。有的塑料注射制品作為機(jī)殼外飾件，有的作為支承結(jié)構(gòu)件，有的產(chǎn)品中有塑料注射成型的齒輪、帶輪和棘輪等傳動(dòng)件。電子電器大量使用標(biāo)準(zhǔn)的電子元件和接插件，大都是注射成型制品。注塑件既能設(shè)計(jì)成實(shí)用和美觀制件，又能大批量低成本注射成型。

（1）家用電器的塑料注射制品 常用的家用大電器有電冰箱、洗衣機(jī)、電視機(jī)和空調(diào)器等；小家電產(chǎn)品有電風(fēng)扇、音響、吸塵器、照相機(jī)和攝像機(jī)等；廚房用品有微波爐、電飯煲、洗碗機(jī)等；電子信息產(chǎn)品有手機(jī)、計(jì)算機(jī)、掃描儀等；電子辦公用品有傳真機(jī)、電話機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)和繪圖儀等。

1）電冰箱。它的塑料用量占全重的40%～50%。內(nèi)膽、門內(nèi)襯和密封條等是擠出成型生產(chǎn)的制品。冰箱的箱體用PVC復(fù)合鋼板制造，用聚酯與環(huán)氧樹脂粉劑噴涂。冰箱周圍的隔熱層，用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料注射成型。果菜盒和肉盤等與食品接觸的透明或半透明容器，通常用AS塑料注射成型。冰箱頂框、冰塊盤和門把手等，用ABS或HIPS注射成型。冰箱頂框扁平面大，易出現(xiàn)翹曲變形。

2）洗衣機(jī)。它的塑料用量占全重的1/3以上。大型薄壁的內(nèi)桶應(yīng)能夠耐熱，注水溫度最高要有100℃；要求耐洗滌劑、潤滑油和各種油膩，還要耐沖擊和振動(dòng)。波輪式洗衣機(jī)的內(nèi)桶常用改性聚丙烯與橡膠共混塑料注射成型，也有用玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯生產(chǎn)，要求注射熔料的流動(dòng)速率在15～30g/10min。內(nèi)蓋板和底板等用改性PP，外蓋板和底座等用ABS。攪拌葉輪用玻璃纖維增強(qiáng)的PA或PP。其他機(jī)械傳動(dòng)零件，卡爪、齒輪和杠桿等用POM。滾筒式洗衣機(jī)存儲(chǔ)洗衣粉的盒或蓋、噴淋蓋和過濾器零件，對(duì)改性PP塑料的耐熱和耐洗滌劑的要求更高。有專門配制的PP注塑料，用超細(xì)碳酸鈣、乙烯-丙烯-二烯烴三元共聚物EPDM和HDPE改性。

3）電視機(jī)。電視機(jī)的機(jī)殼包括前框和后蓋兩個(gè)注塑件。大多采用綜合力學(xué)性能好、表面光澤的ABS注射成型，也用高光澤的HIPS和改性PP塑料注射成型。電視機(jī)機(jī)殼有UL94V-0級(jí)的阻燃性能的要求。這些ABS、HIPS和改性PP用料都是阻燃級(jí)，因此也用ABS/PVC和PPO/PS混合塑料注射機(jī)殼。電視機(jī)機(jī)殼外表面都經(jīng)噴涂裝飾，大多用各種丙烯酸類涂料加入鋁粉，涂層有金屬感。為保證涂層質(zhì)量，機(jī)殼注塑件對(duì)殘余應(yīng)力的狀況，對(duì)表面凹陷與流動(dòng)痕等質(zhì)量問題有較嚴(yán)格要求。電視機(jī)屏幕尺寸越來越大，多采用熱流道技術(shù)和氣體輔助注射成型技術(shù)。

4）空調(diào)器。對(duì)空氣調(diào)器上的風(fēng)機(jī)、空氣過濾器、進(jìn)氣窗、前面板和后殼體等注塑件，有強(qiáng)度及剛性、耐熱、抗蠕變和抗振等要求。風(fēng)機(jī)零件在溫?zé)犸L(fēng)流中要保持剛性，用添加20%～30%玻璃纖維充填的ABS或AS制造。進(jìn)氣窗和前面板用HIPS注射成型，有抗靜電防積灰的要求。后殼體等一些注塑件會(huì)附著油煙，要用耐化學(xué)藥品的ABS。空調(diào)的室外機(jī)歷來用噴塑鋼板制造箱體，有耐候和耐老化要求，現(xiàn)在研制改用耐候性強(qiáng)的塑料注射加工，正在試制的物料有：丙烯腈/二元或三元乙丙橡膠/苯乙烯共聚物AES、丙烯腈/苯乙烯/丙烯酸酯共聚物ASA、耐候改性PP。

5）照相機(jī)。現(xiàn)代照相機(jī)中精密工程塑料注塑件的數(shù)量，占全部零件的1/3，已處于主導(dǎo)地位。機(jī)殼用玻璃纖維增強(qiáng)ABS，使照相機(jī)的重量減輕。一些支架、扳手和滑塊等，用玻璃纖維增強(qiáng)PA66。制動(dòng)片和轉(zhuǎn)軸等幾個(gè)傳動(dòng)零件，用碳纖維增強(qiáng)PA66。一些換向輪和開啟環(huán)等用玻璃纖維增強(qiáng)PBT。一些調(diào)焦圈和鏡頭底座等用玻璃纖維增強(qiáng)PC。按鈕、開關(guān)和止動(dòng)桿等用POM注塑。

6）打印機(jī)。傳送紙張的注塑件應(yīng)該耐磨，要求阻燃并耐熱90℃。打印機(jī)在工作時(shí)有周期性振動(dòng)。機(jī)殼和框架用玻璃纖維增強(qiáng)ABS。傳動(dòng)齒輪用POM，透明注塑件用PC。運(yùn)動(dòng)件用PC/PS混合塑料。

7）復(fù)印機(jī)。底盤和框架等多用玻璃纖維增強(qiáng)PBT塑料。光電發(fā)熱使復(fù)印機(jī)的某些部位有100℃甚至200℃的高溫。棘輪等傳動(dòng)件要用剛硬耐磨耐熱的PPS和PEEK塑料。

8）光盤。光盤的基片是注壓成型的塑料制品，上面鍍有極薄一層金屬，成為光記錄元件。用信號(hào)調(diào)制的激光照射到圓盤上，金屬被熔化成一串橢圓形凹痕，記錄了信息。刻錄光盤用激光束讀取，為非硬的物體接觸。與磁記錄制品相比，光盤保真性好，容量大又可隨意讀取。光盤分為音頻光盤CD和視頻光盤VCD及DVD，并有只讀型、讀寫型和可抹型三種。適用于制造光盤的材料有PC和PMMA。其流動(dòng)性得到了改善，熔體的流動(dòng)速率為70～90g/10min。光盤制品的雙折射率被降低，視頻光盤常選用PM_- MA，但兩者的吸濕都較大。新的光盤材料，例如聚環(huán)已基乙烯（PCHE）、新型的熱塑性聚酯、改性雙酚A環(huán)氧樹脂和茂金屬聚乙烯（mPE）等，正在開發(fā)中。

（2）電工接插件 由于注塑件能與導(dǎo)電金屬相互連接，電子電器上的接插件被大量應(yīng)用。接插件是導(dǎo)體連接器和開關(guān)的總稱。接插件主要由金屬導(dǎo)體和塑料絕緣體組成。其功能是實(shí)現(xiàn)電路之間、導(dǎo)線之間、電器設(shè)備之間、電源與電器設(shè)備間的連接或斷開。它本身既是保證電路暢通或斷開的剛體，又是能配對(duì)使用的組裝件。

接插件已不只是家用電器的插頭和插座。電子設(shè)備的接插件，朝小型化和密集化方向發(fā)展。使接插件間距從2.5mm向1.2mm縮小，并將繼續(xù)朝間距僅為0.6mm發(fā)展。電子裝備的接插件上連接導(dǎo)線線數(shù)，從幾十線向幾百線發(fā)展。因此，對(duì)接插件的精度和尺寸穩(wěn)定性要求也很高：孔距一般為公差與配合的6級(jí)精度，甚至更高；還要求接插件相應(yīng)提高表面精度，外形的平整度限制在0.13mm以下。

接插件在各種使用場合會(huì)有不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。轎車上電線線束所用的接插件，插座連接已捆扎的線束。插頭裝配到轎車上與另一股線束相聯(lián)。各自的排孔中裝配導(dǎo)電良好的金屬插頭銷和插座片，以使接插件在轎車顛簸中電接觸穩(wěn)定可靠。此種接插件的互換性要求很高。為適應(yīng)轎車的流水線快裝要求，采用彈性卡夾和鉸鏈的聯(lián)接方法。此類接插件常用PA66、PA6、PBT和PP精密注射成型。

1）接插件的主要技術(shù)性能。接插件的技術(shù)性能因使用的電性能要求、工作場合不同而有差異，在工業(yè)和商業(yè)上有詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)。

①絕緣介電性能。要有合適的相對(duì)介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)和耐電壓性，對(duì)于高頻接插件要求更為嚴(yán)格。導(dǎo)電接插件之間塑料絕緣層厚度需足夠，以避免高頻對(duì)注塑件造成損傷，或引起電路中信號(hào)的損失。在高濕度（95%RH）和高溫（40℃）下，絕緣電阻大于20～100mΩ；在正常條件下，絕緣電阻大于500～1000mΩ。

②良好的表面電阻。以阻止塑料絕緣層表面產(chǎn)生交叉漏電流。如在潮濕環(huán)境下，電場使金屬銀向酚醛塑料上遷移后，形成漏電流。在一般情況下，可能的漏電流應(yīng)限制在導(dǎo)體電流的0.1%以下。塑料中某些阻燃劑的滲出，也可能引起漏電流。還有在高電壓下，塑料表面形成的碳化通路，也會(huì)產(chǎn)生漏泄電流。為此，必須限制塑料的相比漏電起痕指數(shù)（CTI）。

③良好的耐電弧性。在小型接插件中，塑料絕緣層離金屬電觸頭的電弧區(qū)很近，只有幾分之一到幾毫米，為此，應(yīng)防止電弧給予注塑件表面以永久性損傷。例如電視機(jī)電源開關(guān)上塑料耐弧性要求在180s以上，在試驗(yàn)電壓500V下，不產(chǎn)生電弧和擊穿現(xiàn)象。

④力學(xué)性能。主要是塑料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度。在沖擊振動(dòng)條件下，插拔的插頭與插座要達(dá)到一定壽命次數(shù)，無變形或開裂損傷。高的抗蠕變性能要保證在使用期間，接插件不至于性能變劣。此外，接插件中塑件的最小壁厚，也應(yīng)從力學(xué)性能考慮；塑料件的形狀和位置精度，若關(guān)系到導(dǎo)體插合方向的平行度和直線性，則必須從嚴(yán)控制。

⑤耐熱性。接插件的接線端大都要承受焊接時(shí)的熱作用，在常規(guī)產(chǎn)品中，按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定焊槽法亦即波峰焊，是260℃溫度下（5±1）s或（10±1）s，或在350℃溫度下（3.5±0.5）s；紅外再流焊10s內(nèi)達(dá)220～250℃，而烙鐵法為350℃溫度下（10±1）s。在電子設(shè)備組裝中，接插件要經(jīng)受215～277℃高溫。另一方面，接插件在接通與斷開等工作中會(huì)產(chǎn)生熱量，在40～85℃的工作溫度下能維持功能正常。

2）接插件用塑料。接插件中的塑料件多為注射成型。其體積小、壁厚薄、幾何公差和尺寸精度要求高。注射模大都采用眾多細(xì)長型芯，以及薄片鑲拼結(jié)構(gòu)。模腔最薄可達(dá)0.2mm。要求塑料熔體黏度低，流動(dòng)性好。塑料的成型收縮率要小，收縮率波動(dòng)范圍要窄，且方向性不明顯。注塑件殘余應(yīng)力小。一些多線連接器，形狀細(xì)長，易于取向和產(chǎn)生殘余應(yīng)力，注塑件因此易發(fā)生翹曲變形，甚至開裂，應(yīng)于特別關(guān)注。

酚醛樹脂是最早用于制造接插件的熱固性塑料，因有殘留氨，且易吸水，只能用于絕緣性要求不高的場合。氨基塑料中的三聚氰胺甲醛樹脂，由于不易炭化，有比酚醛塑料強(qiáng)的耐電弧性、耐漏電性，但吸水率仍較大。熱固性塑料由于成型的生產(chǎn)率低，廢料不能利用，大都已被熱塑性塑料替代。

聚酰胺最早用于制造接插件，以PA6用量最多，但由于吸水后，有尺寸變化和絕緣性變差，不適合高頻下絕緣性能要求高的場合使用。PA46（聚己二酰丁二胺）是丁二胺與己二酸縮聚而成。30%玻璃纖維增強(qiáng)后熱變形溫度為285℃，尺寸穩(wěn)定性好，也被用于接插件的注射成型。

玻璃纖維增強(qiáng)聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯（PBT）已成為接插件的主流材料。其耐熱性高，電絕緣性好，耐溶劑且尺寸穩(wěn)定。同時(shí)，聚碳酸酯、聚砜、改性聚苯醚和聚甲醛等也有廣泛應(yīng)用。

隨著接插件高精度和小型化要求的提高，已開始采用改性聚苯硫醚（PPS）和液晶聚合物TLCP。它們的耐熱性高、尺寸穩(wěn)定、剛性好，是頗有前途的接插件材料。接插件常用熱塑性塑料材料的電性能見表1-15。

2.汽車工業(yè)的注塑件

現(xiàn)代汽車工業(yè)用塑料替代鋼、有色金屬和玻璃等制造零件，不僅使汽車減輕質(zhì)量，降低能耗，也使汽車造型更美觀，還節(jié)約制造成本。現(xiàn)代的每輛轎車平均使用塑料占總質(zhì)量的10%～12%，達(dá)150kg左右。

現(xiàn)代轎車生產(chǎn)中，塑料材料替代金屬的進(jìn)程發(fā)展很快。汽車上塑料使用量最多是聚丙烯PP，其次是聚氨酯PU，第三位是聚氯乙烯PVC。按汽車上注塑件的作用，可分為內(nèi)飾件、外裝件、功能件和附屬配件。內(nèi)飾件有儀表板、車門內(nèi)板、門主柱蓋板和雜物箱等。外裝件有保險(xiǎn)杠、散熱器柵格板和擋泥板等。汽車中許多高強(qiáng)度的功能件，例如風(fēng)扇葉片、進(jìn)氣與排氣的歧管、空濾器罩、散熱器水室、蓄電池箱、氣缸蓋罩等，都用工程塑料注射成型。附屬配件有車燈照明件、空氣過濾器、音響和儀表等。

在汽車工業(yè)的發(fā)展中，PP的應(yīng)用和改性成果顯著。汽車保險(xiǎn)桿的專用改性PP，已是合成樹脂廠大批量生產(chǎn)品種。汽車轉(zhuǎn)向盤和儀表板多用聚氨酯反應(yīng)注射工藝。進(jìn)氣與排氣的歧管用玻璃纖維增強(qiáng)的聚酰胺PA注射時(shí)，采用了型芯熔化的新技術(shù)。團(tuán)塊不飽和聚酯BMC的注射成型新技術(shù)，被用于車燈反射鏡的生產(chǎn)。

汽車上外掛的覆蓋件有保險(xiǎn)杠、散熱器柵格板和車輪的擋泥罩板。前后的保險(xiǎn)杠是轎車的主要注塑件之一。散熱器柵格板位于車頭，冷卻散熱發(fā)動(dòng)機(jī)，一般用ABS或PC/ABC混合塑料注射成型。車輪的擋泥罩板主要用硬質(zhì)泡沫聚氨酯，進(jìn)行反應(yīng)注射成型，也用增韌改性的PP注射成型。

汽車?yán)锏膬?nèi)飾件有車門內(nèi)板、儀表板、箱蓋、座椅和各種護(hù)板等，要求安全、無環(huán)境污染和舒適。座椅坐墊等用聚氨酯反應(yīng)注射成低密度泡沫塑料。

車門內(nèi)板由骨架、泡沫塑料和表皮構(gòu)成。骨架由ABS注射成型。表皮是植絨化纖織物布料。將織物布包覆在注射模的型芯上，與PP或PU的發(fā)泡塑料粘合在一起，最終用真空熱成型方法與骨架連成一體。剛性的裝飾板，用玻璃纖維增強(qiáng)PP，注射到已有化纖織布的模具中，用熱流道注射的針閥式噴嘴，按順序控制多個(gè)噴嘴注射，可避免熔合縫。

1）汽車保險(xiǎn)杠。在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，保險(xiǎn)杠用自身的變形吸收能量，有安全保險(xiǎn)功能；其次是裝飾作用，以便與車身統(tǒng)一著色。汽車上有前后兩個(gè)保險(xiǎn)杠，輕碰撞時(shí)能恢復(fù)變形；嚴(yán)重碰撞時(shí)能將沖擊力傳導(dǎo)分散給車身。軟質(zhì)保險(xiǎn)杠用反應(yīng)注射的聚氨酯發(fā)泡成型。制品作為橫杠的面罩，背部要有剛硬的骨架，襯有鋼板。普通轎車的保險(xiǎn)杠是用硬質(zhì)的改性PP注射成型，就不用骨架支撐了。保險(xiǎn)杠壁厚多為3.6mm左右，并有加強(qiáng)肋的設(shè)計(jì)。國內(nèi)常用汽車保險(xiǎn)杠的專用PP料，在PP物料中加入氧化物調(diào)節(jié)相對(duì)分子質(zhì)量，再與乙烯-丙烯-二烯烴三元共聚物EPDM共混造粒。加入紫外線吸收劑和抗氧劑，加入滑石粉和碳酸鈣等無機(jī)填料。常溫和-30℃下，有缺口試樣的沖擊強(qiáng)度>600J/m。其熔體的黏度較高，流動(dòng)速率2～6g/10min。要求保險(xiǎn)杠表層在涂裝時(shí)能耐烘烤和干燥。注射成型保險(xiǎn)杠多在大型注射機(jī)上并用熱流道技術(shù)注射成型。成型溫度為190～230℃，注射成型收縮率為1.2%。

保險(xiǎn)杠是汽車上重要的外裝件，各汽車公司都在試制新材料和新工藝：用聚烯烴類熱塑性塑料彈性體TPO替代聚氨酯PU；也有用PC/PBT聚碳酸酯與聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯混合物制造；采用吹塑成型工藝生產(chǎn)改性PP的保險(xiǎn)杠有許多長處。這種改性PP塑料的熔體黏度很高，用相對(duì)平均分子質(zhì)量3.5×10⁴以上的PP改性，吹塑成雙壁中空的保險(xiǎn)杠，低溫韌性、剛性和彎曲強(qiáng)度有很大提高。

2）儀表板。儀表板可分成軟質(zhì)和硬質(zhì)兩種，要求耐熱，表觀質(zhì)量好，且不能反射強(qiáng)的光線。用于載重汽車和客車的硬質(zhì)儀表板是單層無表皮，用改性PP、ABS或改性PPO等注射成型。用于轎車的裝飾型軟質(zhì)儀表板由表層、緩沖層和骨架三部分構(gòu)成。表層的常用材料有PU、PP或ABS/PVC塑料的片材。片材經(jīng)裁剪后加熱，用真空熱成型表面有皮紋的儀表板。骨架用ABS注射成型，也有用高填料的PP模壓成型；也有用鋼板沖壓成型。兩者之間用半硬質(zhì)發(fā)泡PU澆注成型。

儀表板是汽車重要的內(nèi)飾件，應(yīng)有足夠的剛度和抗沖擊能力，能牢固裝配各種儀表，承受行駛過程中的顛簸。在擋風(fēng)玻璃透入的太陽光輻射下，在發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱下，儀表板上半部的熱變形溫度為100～120℃，下半部的熱變形溫度為85～90℃，要求尺寸穩(wěn)定，有防眩和舒適的裝飾，使用壽命10年以上。

3）擋泥板。卡車用擋泥板用薄鋼板制作，再接裝橡膠板。轎車用塑料擋泥板作為甩泥水的功能件，也是外飾件。擋泥板的工作環(huán)境很差，有較高的低溫沖擊強(qiáng)度和硬度等要求，主要用硬質(zhì)泡沫聚氨酯，進(jìn)行反應(yīng)注射成型。與一般非發(fā)泡注塑件不同，聚氨酯擋泥板厚度為6～12mm，局部厚度為3mm，用加強(qiáng)肋提高擋泥板剛性和強(qiáng)度。其內(nèi)部圓角半徑大于3mm，外部圓角半徑大于1.5mm，以便于低黏度物料流動(dòng)充模。凸臺(tái)必須有角筋支撐，制品和凸臺(tái)應(yīng)有脫模斜度2°為好。國外有用改性PP、PPO/PA和PA/PP混合熱塑性塑料注射擋泥板。

4）轉(zhuǎn)向盤。轉(zhuǎn)向盤作為結(jié)構(gòu)功能件，用塑料層包覆了金屬骨架。骨架的鋼條直徑9～11mm，將輪緣和輪輻放在夾具中定位焊接，再精密鑄造鋁質(zhì)輪殼。中央的輪殼要切削加工花鍵孔。

絕大多數(shù)轎車轉(zhuǎn)向盤包覆半硬質(zhì)的整皮聚氨酯塑料。整皮泡沫聚氨酯塑料反應(yīng)注射時(shí)，對(duì)原料、工藝和模具有專門要求。在聚氨酯泡沫反應(yīng)注射機(jī)上，將骨架作為內(nèi)嵌件注射成型。轉(zhuǎn)向盤整體結(jié)構(gòu)剛硬堅(jiān)固。整皮泡沫的包覆有致密的紋飾表皮，使手感舒適。其外韌而內(nèi)軟，有一定的緩沖作用，而且色調(diào)要與內(nèi)飾件協(xié)調(diào)。過去曾用泡沫塑料包裹后，再加復(fù)PVC表皮，但工藝過程復(fù)雜。

5）汽車照明燈具。汽車照明燈具品種很多：前部有前照燈、霧天用燈、示寬燈、轉(zhuǎn)彎的曲線燈和方向燈；汽車后部有剎車燈、方向指示燈、夜顯尾燈、倒車燈和車牌照明燈等。它們不僅是照明和安全駕駛的功能件，也是汽車的外飾件。塑料汽車照明燈具比玻璃與金屬燈具的重量輕又耐沖擊振動(dòng)，而且設(shè)計(jì)和制造方便。汽車燈具主要有透光罩殼、反射鏡和透鏡三方面的注塑件。

①照明透光罩殼。聚碳酸酯PC是透光罩殼的首選材料。夾固的底座用ABS或改性PP，它們可以設(shè)計(jì)在一起。

②反射鏡。反射鏡結(jié)構(gòu)復(fù)雜，曲面和尺寸精度要求高，并要求注射鏡片的穩(wěn)定性好；用PC、PBT或PA注射成型后再表面處理；經(jīng)底面涂漆，表面真空鋁蒸鍍，外加防鋁氧化的涂層；用不飽和聚酯UP的玻璃纖增強(qiáng)的團(tuán)狀模塑料BMC注射成型反射鏡，由于生產(chǎn)自動(dòng)化程度高，制品質(zhì)量穩(wěn)定，現(xiàn)今發(fā)展很快。它要用熱固性塑料注射成型機(jī)或?qū)Ｓ玫腂MC注射機(jī)成型。

③透鏡。用PMMA或PC注射成型。透鏡表面要加硬質(zhì)涂層，來提高耐擦傷性能。常用改性丙烯酸涂料。

3.建筑業(yè)用塑料制品材料

現(xiàn)代建筑行業(yè)的塑料用量很大，但大部分是擠出成型的板、條、管材和型材。大批量注射成型的有：塑鋼門窗的滑輪和手柄等配件；進(jìn)水和排污等管道的連接件；室內(nèi)掛鉤和托架等；還有衛(wèi)生潔具用品。

作為建筑制品除應(yīng)考慮力學(xué)等性能外，應(yīng)考慮阻燃性、耐候性、健康型和穩(wěn)定性。

建筑行業(yè)應(yīng)用的塑料制品有阻燃性要求。建筑物室內(nèi)的塑料吊頂、隔墻、地板及它們附件，規(guī)定不能燃燒或者產(chǎn)生的煙量很低。對(duì)塑料門窗和廣告牌等用于戶外的制品，有耐候性規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)，要求在日光、冷熱和風(fēng)雨等氣候條件下材料性能穩(wěn)定，在壽命期內(nèi)保持制品功能。

家具材料里含有一些揮發(fā)性的有機(jī)化合物（Volatile organic compounds，VOC），如甲醛、苯、二甲苯和氯化氫等。這些揮發(fā)物污染室內(nèi)空氣，對(duì)建筑物中的居住人會(huì)造成潛在和慢性的疾病，出現(xiàn)頭痛、疲倦和皮膚過敏等癥狀。這是建筑用塑料制品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中需注意的問題。

環(huán)境因素對(duì)建筑用塑料材料的危害，是建筑制品設(shè)計(jì)所必須考慮的重要方面。建筑制品受到熱、光、氧、水和霉菌作用，塑料材料發(fā)生高分子鏈降解、增塑劑遷移和穩(wěn)定劑喪失等一系列物理化學(xué)變化、以致制品性能不斷惡化、變軟、發(fā)脆、龜裂和變色等，最后完全破壞或喪失使用價(jià)值。此過程通常稱為塑料制品老化。塑料對(duì)老化的抵抗能力就是材料的穩(wěn)定性。

各種建筑塑料制品的使用環(huán)境不同，老化失效的特征不同。玻璃鋼等屋面被長期曝曬于大氣中。而室內(nèi)聚氯乙烯地板被濕氣和霉菌作用。各種塑料的穩(wěn)定性也有差異。在表1-24中列舉了各種塑料和橡膠，對(duì)熱氧化、光氧化、濕氣、臭氧氧化和燃燒的穩(wěn)定性比較。有關(guān)塑料制品的阻燃，前面已經(jīng)有所介紹。下面介紹熱氧化、光氧化、濕氣、臭氧氧化的穩(wěn)定性。

表1-24 常用塑料與橡膠對(duì)各種環(huán)境因素的穩(wěn)定性比較

（續(xù)）

1）熱氧化。在無氧的高溫下，塑料的大分子鏈會(huì)裂解成單體，或者在大分子鏈上斷開和生成一些低分子物質(zhì)，如自由基、離子、H₂和CO。聚氯乙烯熱降解釋放出氯化氫。聚甲醛在熱環(huán)境中放出單體甲醛。即使使用環(huán)境遠(yuǎn)低于理論裂解溫度，某些聚合物已開始熱降解。小部分化學(xué)鍵處于高能態(tài)時(shí)會(huì)使分子鏈斷裂。

建筑制品都在有氧環(huán)境中使用。氧在一定溫度條件下，劇烈地攻擊大分子鏈中的弱鍵，引起材料的熱氧老化。聚乙烯在無氧條件下，290℃時(shí)仍很穩(wěn)定，但在有氧條件下，溫度低于200℃，也會(huì)發(fā)生熱氧老化。熱氧攻擊破壞塑料制品的基本原因是氧化反應(yīng)。在塑料材料的聚合生產(chǎn)過程中，在塑料加工塑化的剪切加熱時(shí)，氧的攻擊和熱能產(chǎn)生了起始的自由基和過氧化物。制品在常溫下使用時(shí)，熱氧化繼續(xù)進(jìn)行，不斷生成弱鍵和形成自由基，使得塑料的分子鏈斷裂，分子結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生變化，材料性能喪失。

對(duì)于大多數(shù)塑料制品，添加抗氧劑能提高其熱氧穩(wěn)定性。

2）光氧化。大多數(shù)塑料制品，特別是無色透明制品，長期受陽光、水銀燈或熒光燈照射，會(huì)發(fā)生明顯的老化。制品失去光澤、泛黃、變脆、龜裂，性能下降直至喪失使用價(jià)值。戶外的廣告箱、路燈罩和雷達(dá)天線罩，這些制品的光穩(wěn)定性是首要問題。

光線中的紫外線與聚合物分子鏈的有些鍵能大致相當(dāng)，能破壞塑料制品內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)形態(tài)。大多數(shù)塑料分子結(jié)構(gòu)，并無吸收陽光能力，但是它們?cè)诤铣珊图庸み^程中，生成了多種羰基、過氧化物和雙鍵型物質(zhì)，它們能吸收紫外線，使塑料材料處于被激發(fā)的不穩(wěn)定狀態(tài)。許多縮聚反應(yīng)合成的塑料，如聚酯、聚酰胺和聚碳酸酯分子結(jié)構(gòu)含有羰基基團(tuán)。光活化的分子能量的一部分，在熱振動(dòng)中消耗；另一部分進(jìn)行了光化學(xué)反應(yīng)。羰基吸收了光量子后，長分子鏈發(fā)生斷裂，并生成自由基。所引發(fā)的自由基催化氧化，再引發(fā)氧化降解反應(yīng)，形成一個(gè)愈演愈烈的惡性老化過程。

天然橡膠和二烯烴類橡膠對(duì)光照敏感，部分降解、部分交聯(lián)，性能很快變劣老化。

光穩(wěn)定劑，除光屏蔽劑和紫外線吸收劑外，還有猝滅劑和自由基捕捉劑。使用光穩(wěn)定劑應(yīng)注意對(duì)各種塑料的適用性和與其他添加劑的協(xié)同應(yīng)用。

3）水解。塑料制品加工前，原料粒子必須以一定干燥溫度和時(shí)間烘干，使含水量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。否則，加工時(shí)水分會(huì)使塑料分子鏈斷裂，塑料制品的性能下降，這種現(xiàn)象稱為短時(shí)的老化。水能滲透幾乎所有的聚合物。制品在潮濕和高溫環(huán)境下吸水。塑料制品使用是長期的水解過程。聚酰胺有較大的吸水性，而PE、PP、PS和PTFE等有良好的耐水性。

建筑塑料制品在使用期內(nèi)，總會(huì)與空氣中水分接觸。塑料地板和墻腳受濕氣較多。塑料屋面和門窗更會(huì)受到霜降雨淋。塑料分子中含有容易被水解的化學(xué)基團(tuán)，例如CONH、COOR和CN等，在酸或堿的催化作用下被水解。倘若這些基團(tuán)是在主鏈上，嚴(yán)重水解會(huì)使材料性能受到較大影響；若這些基團(tuán)在支鏈上，影響就小得多。聚酰胺分子中的CONH酰氨基屬于親水基團(tuán)。PA6的飽和吸水率為10%以上，PA610的為3.4%～3.5%。聚酰胺制品吸水后發(fā)生膨脹。酰氨基的水解使相對(duì)分子質(zhì)量下降。

聚氨酯和聚酯也同樣會(huì)因水解反應(yīng)導(dǎo)致主鏈斷裂。常溫下聚碳酸酯有較好的水解穩(wěn)定性，但較高的溫度提高了水對(duì)PC的滲透，特別在酸性的環(huán)境中更容易水解。聚甲醛吸水性很小，但在酸或堿的環(huán)境中易發(fā)生水解。增塑的聚氯乙烯與未增塑PVC不同，前者易發(fā)生水解。酚醛樹脂和不飽和聚酯在堿性介質(zhì)中易水解，在酸性介質(zhì)中較為穩(wěn)定。

4）臭氧老化。臭氧是大氣中的組成部分，但含量極少。在雷電閃擊時(shí)和紫外線光源附近，臭氧的濃度才有增加。臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，橡膠的不飽和鍵的分子結(jié)構(gòu)，易于被臭氧作用。因此橡膠制品常被臭氧老化破壞。多數(shù)塑料的分子結(jié)構(gòu)飽和時(shí)，臭氧不能與之作用。但是，ABS具有丁二烯橡膠的不飽和成分，不少塑料品種也經(jīng)橡膠增韌改性，許多塑料品種，特別是聚烯烴，在合成和加工過程中，也會(huì)產(chǎn)生少量的不飽和分子結(jié)構(gòu)。臭氧與雙鍵的反應(yīng)會(huì)引起分子鏈斷裂，產(chǎn)生自由基后進(jìn)一步引發(fā)氧化反應(yīng)。

臭氧與氧不同，它只在塑料制品表面起反應(yīng)。因此，可添加0.5%左右石蠟，在制品表面形成保護(hù)薄膜。制品表面的涂層也能起到保護(hù)塑料制品的作用。胺類或含硫化物的抗臭氧劑能起化學(xué)穩(wěn)定作用，它們能快速與臭氧反應(yīng)形成保護(hù)膜。

1.3.2 塑料注射制品的試制

每件注射制品的生產(chǎn)過程是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。本節(jié)討論的注射制品的試制是這項(xiàng)工程的前期策劃階段。它包括制品的失效分析、設(shè)計(jì)和材料選擇。不容置疑，此階段工作優(yōu)劣將影響注射成型和模具設(shè)計(jì)，從而影響注射制品的質(zhì)量。

1.失效分析

塑料制品失效分析是在塑料材料學(xué)的基礎(chǔ)上，研究塑料及制品的失效形式和機(jī)理，從而預(yù)測塑料制品的安全使用期，指導(dǎo)和監(jiān)控塑料及其制品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用的全過程。完善的塑料制品設(shè)計(jì)還應(yīng)包括制品的失效分析、成本核算和制品的功能和性能測試。了解塑料制品的失效形式有助于深入了解注射成型工程的全過程，有助于全面并深入認(rèn)識(shí)塑料制品的質(zhì)量。

（1）失效分析方法 塑料和塑料制品的失效，有力學(xué)、機(jī)械、物理和化學(xué)等因素。在眾多因素中，對(duì)塑料材料的力學(xué)性能認(rèn)識(shí)是討論的基礎(chǔ)。

由于構(gòu)成的分子和結(jié)構(gòu)不同，塑料與金屬材料性能差異很大。相對(duì)而言，金屬件的設(shè)計(jì)較為容易，因?yàn)榻饘俨牧吓c其制品的性能相差較小。金屬零件的功能和性能可較準(zhǔn)確地計(jì)算和預(yù)測。塑料制品的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)測試必須考慮三個(gè)主要特點(diǎn)。

1）負(fù)載。作用于塑料件的負(fù)載有拉伸、壓縮、彎曲、剪切和扭轉(zhuǎn)五種基本類型和它們的組合。金屬件的力學(xué)計(jì)算以強(qiáng)度為主，在精密機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，才較多考慮剛度問題。塑料件的力學(xué)分析計(jì)算以剛度計(jì)算為主。普通塑料的彈性模量是鋼材的1/100～1/50。塑料結(jié)構(gòu)件在負(fù)載下容易產(chǎn)生塑性變形；在大多數(shù)場合因變形過大而喪失工作能力。另一方面，塑料的注射加工方法都要求注塑件壁厚不能過厚。塑料制品設(shè)計(jì)者追求薄壁組合的形體，以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來提高注塑件的剛性。

塑料的負(fù)載校核計(jì)算有短期和長期的區(qū)分。塑料件在恒定負(fù)載下蠕變和在恒定變形下的應(yīng)力松弛，在5年、10或15年的使用期限下有很明顯的發(fā)展。塑料件在周期性交變載荷下，不但有疲勞破壞、沖擊疲勞破壞，還有應(yīng)變滯后熱的生成。塑料件對(duì)負(fù)載施加的速率很敏感，有特殊的抗沖擊性能。

2）溫度。比起金屬件，塑料制品是對(duì)環(huán)境溫度很敏感的材料。塑料的熱變形溫度和低溫脆化溫度限制了塑料件的工作溫度。各種塑料件的工作溫度范圍較小。塑料件的屈服應(yīng)力和彈性模量等力學(xué)性能隨溫度升高而下降。塑料件的電絕緣性能和耐化學(xué)腐蝕性能等也會(huì)隨溫度提高而喪失。

3）時(shí)間。在長期的應(yīng)力與應(yīng)變作用下，塑料有蠕變和松弛行為。塑料的力學(xué)性能是時(shí)間的函數(shù)。塑料材料的彈性模量隨時(shí)間增長而降低。黏彈性在塑料制品的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中必須考慮。另一方面，塑料件在長期使用中，會(huì)逐漸衰老而失效。熱、光、氧、化學(xué)介質(zhì)，氣體和液體會(huì)使塑料件塑化、降解、脆化、滲透、溶脹、變色、脫黏和開裂，有隨時(shí)間增長而緩慢惡化的過程。

對(duì)于不同用途的塑料制品，各有其行業(yè)的實(shí)用性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)。實(shí)用性試驗(yàn)（Performance test）與塑料材料試驗(yàn)有相同的原理，但注重考察塑料結(jié)構(gòu)件對(duì)變形和破裂的阻抗能力，考察塑料件在工作環(huán)境下長時(shí)期的功能和性能變化。例如塑料管件的環(huán)境應(yīng)力裂縫試驗(yàn)，要從塑料管件中截取試樣，并采用模擬環(huán)境的“加速試驗(yàn)”方法。

塑料制品的性能與其制造材料的性能有很大差距。這是由于材料性能測試試樣和環(huán)境條件的局限性，是由于塑料件對(duì)負(fù)載響應(yīng)的特殊性，對(duì)溫度、時(shí)間、形狀和尺寸的敏感性。又由于塑料件的加工經(jīng)歷，使材料損失了一些性能，因此在塑料件的設(shè)計(jì)過程中，必須進(jìn)行失效分析來預(yù)測失效形式和壽命，以保證使用期內(nèi)功能和性能滿足要求。

（2）塑料制品的失效類型 塑料制品的多樣性，工作條件和環(huán)境的復(fù)雜多變，以致塑料件的失效形式眾多，需要正確確定一個(gè)或幾個(gè)主要失效形式進(jìn)行理論計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)測。下面介紹幾種常見的失效形式，供分析時(shí)參考。

1）屈服失效。屈服點(diǎn)是塑性變形的起點(diǎn)。剪切屈服和銀紋屈服是塑料件破壞的先兆。短時(shí)靜態(tài)負(fù)載作用的塑料件，用屈服點(diǎn)以下的許用應(yīng)變或允許應(yīng)力，作為塑料件上危險(xiǎn)截面上的極限應(yīng)變或極限應(yīng)力。

2）蠕變和松弛失效。負(fù)載長期作用的塑料件產(chǎn)生過大的蠕變形變，最終會(huì)蠕變斷裂。蠕變塑料件的材料，其蠕變模量隨著時(shí)間增長而下降。用蠕變模量計(jì)算塑料件上最大的變形量，應(yīng)該小于塑料件工作壽命期的極限變形量。壓力裝配的連接件和有預(yù)應(yīng)力的密封件，其本身的應(yīng)力松弛會(huì)使連接松動(dòng)，密封失效。

3）沖擊失效。受沖擊的塑料件的形變和斷裂是常見的失效形式。沖擊負(fù)載的作用時(shí)間極短，塑料件的變形速率很高。材料、取向、缺口、溫度和沖擊速度都影響著塑料件的沖擊性能。脆性聚合物與彈塑性聚合物及其復(fù)合塑料，有不同的沖擊斷裂機(jī)理。聚合物在低溫和高速變形下有獨(dú)特的沖擊斷裂特征。理論預(yù)測各種塑料件被沖擊破壞是困難的。塑料件的破壞性沖擊性能測試是常用的。

4）疲勞失效。在長期的交變應(yīng)力作用下，疲勞裂紋的生成和擴(kuò)展導(dǎo)致塑料件最終斷裂。各種塑料的抗疲勞性能有較大差異。疲勞破壞是塑料齒輪和傳動(dòng)帶等傳動(dòng)零件的失效形式，也是交通工具上受振動(dòng)塑料件的失效形式。塑料件疲勞破壞的交變載荷的作用頻率在10Hz以下。過高的頻率會(huì)產(chǎn)生力學(xué)致熱的失效。

5）力學(xué)致熱。在振動(dòng)負(fù)載的激勵(lì)下，塑料響應(yīng)之后使一部分能量以熱的形式被耗散。單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量與振動(dòng)頻率、應(yīng)變幅和損耗角正切成正比。一旦塑料件的工作系統(tǒng)失去熱平衡，會(huì)軟化失效。

6）環(huán)境失效。氣體和液體對(duì)塑料制品的滲透、擴(kuò)散和溶解，會(huì)使整體力學(xué)性能劣化。并引發(fā)環(huán)境應(yīng)力裂縫。化學(xué)介質(zhì)、熱、光和氧的環(huán)境導(dǎo)致塑料件漸漸變質(zhì)老化，縮短了使用壽命。

7）慢性裂縫生成。慢性裂縫生成SCG（Slow crack growth）的特點(diǎn)是在靜載荷或靜應(yīng)力作用下，塑料及制品中裂紋的初始值，而后有緩慢成長過程，由小裂紋到大裂縫斷裂的過程。它有別于動(dòng)態(tài)載荷作用下生成的沖擊裂紋和疲勞裂紋。慢性裂縫生成過程中受到環(huán)境因素和活性介質(zhì)作用，會(huì)促進(jìn)裂紋擴(kuò)展和裂縫的生成。

塑料及制品長期在低應(yīng)力作用，并在非溶劑的液體中浸泡，產(chǎn)生裂紋和生成慢裂縫。在長期的測試過程中，塑料材料有從韌性到脆化的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。這種環(huán)境應(yīng)力裂紋ESC（Environmental stress crazing）最早應(yīng)用于塑料管的老化性能測試，可用顯微觀察測量裂紋隨時(shí)間的成長過程。環(huán)境應(yīng)力裂紋ESC可被視為低應(yīng)力和環(huán)境試劑作用下的蠕變開裂。蠕變開裂失效排除了環(huán)境因素作用。許多情況下，環(huán)境條件加速慢性裂縫生成。

大量存在水、溶液、油脂、燃油、清潔劑和各種活性介質(zhì)，與塑料材料及制品短時(shí)間接觸或長期浸泡，同時(shí)又在低應(yīng)力作用下，也有慢性裂縫生成。這種裂縫稱為應(yīng)力腐蝕裂紋SCC（Stress corrosion crazing）。盡管它也存在裂紋的初始化和緩慢成長過程，應(yīng)力腐蝕裂紋是由于化學(xué)反應(yīng)使分子鏈斷裂，又借助應(yīng)力作用加快了材料開裂的速率。但各種塑料制品形狀各異，各種制品的體積和表面積之比相差很大。塑料片和薄膜，比厚壁試樣更容易腐蝕。具有殘余應(yīng)力的注塑件，容易生成應(yīng)力腐蝕裂紋。加上熱降解和水解等因素，經(jīng)常微波加熱和蒸汽消毒的注塑件，開裂失效更為常見。

8）摩擦與磨損。摩擦使運(yùn)動(dòng)塑料件的工作能量有損失，導(dǎo)致塑料件表面材料的損耗和損傷。磨損破壞了塑料件摩擦表面的性能、形狀和尺寸精度。伴隨產(chǎn)生的塑性變形、熱軟化和熱熔化、裂紋和撕裂，使塑料件過早喪失表面接觸運(yùn)動(dòng)功能。

9）成型加工形成的損傷。熔合縫是塑料件的重要缺陷，造成了塑料件與原材料的力學(xué)性能的差距。塑料成型制品的取向、殘余應(yīng)力和收縮影響塑料件的內(nèi)部和表面質(zhì)量、形狀和尺寸精度。以上兩類損傷形成了塑料件材質(zhì)的弱點(diǎn)和缺陷，也是上述各種失效產(chǎn)生和加劇的內(nèi)在原因。

在許多情況下，由兩個(gè)或兩個(gè)以上相關(guān)因素，在同一時(shí)期和一定溫度下，對(duì)塑料制品的失效有增強(qiáng)作用。例如：氯+紫外線、電場+水、臭氧+應(yīng)力、射線輻射+氧、溶劑+應(yīng)力等，這些綜合失效形式已被關(guān)注和研究。

（3）塑料制品的失效原因 據(jù)對(duì)塑料制品失效事件的5千次統(tǒng)計(jì)，環(huán)境應(yīng)力裂紋，占25%。各種失效形式出現(xiàn)比例，由多到少排列；依次為缺口類的缺陷而被沖擊開裂、蠕變和松弛失效、動(dòng)態(tài)疲勞裂紋、化學(xué)侵蝕失效、紫外線攻擊失效、熱降解失效。

安全使用期塑料制品設(shè)計(jì)的目標(biāo)之一，是避免在使用期內(nèi)早期失效。塑料制品在使用期內(nèi)，存在塑料緩慢降解和性能衰減。確定塑料件的安全使用期，涉及整機(jī)產(chǎn)品的安全使用期和塑料件的更換期，決定了塑料制品的使用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

人為因素是塑料制品失效的重要因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，其中約1/2的原因是塑料選擇錯(cuò)誤；錯(cuò)誤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工質(zhì)量低劣，各占20%；其次是使用不當(dāng)或犯規(guī)使用，例如PET飲料瓶里裝熱水。

1）材料選擇錯(cuò)誤。塑料制品供應(yīng)商和使用者，從審美觀念要求制品著色光亮和表面容易修飾，傾向于選用ABS等無定形塑料。塑料制品的加工者，愿選用成型收縮率較小的無定形塑料，例如ABS、PC、PS和PMMA等，便于達(dá)到塑料件的尺寸精度。從失效分析觀點(diǎn)，要考慮到無定形熱塑性塑料的動(dòng)態(tài)抗疲勞性能差，而且對(duì)于慢性裂縫SCG和應(yīng)力腐蝕裂紋SCC生成的阻抗能力，比結(jié)晶型塑料差，因此，塑料齒輪不能錯(cuò)誤用ABS和PC注射成型，應(yīng)該用結(jié)晶型的聚甲醛POM和聚酰胺PA模塑。

2）錯(cuò)誤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。塑料注塑件的轉(zhuǎn)角為銳邊和銳角，凹槽和缺口無圓角過渡，受到作用載荷時(shí)存在應(yīng)力集中，容易開裂和缺損。螺紋聯(lián)接的部位，瓶口螺紋和螺紋蓋帽容易受載開裂。螺栓或螺釘夾固的凸臺(tái)和柱孔必須正確設(shè)計(jì)，避免在聯(lián)接載荷下，應(yīng)力過多集中；注意塑料材料的抗沖擊性能對(duì)缺口的敏感性。制品上微小缺口或劃痕會(huì)影響慢性裂縫生成的速率。

3）加工質(zhì)量低劣。眾多塑料制品提早失效是由于在制品生產(chǎn)廠的加工過程中，已經(jīng)受到損傷。這類失效是可預(yù)見的。塑料制品生產(chǎn)過程有效的質(zhì)量控制和嚴(yán)格管理驗(yàn)收，可以避免或減少失效可能。

常見的生產(chǎn)過程對(duì)制品造成損傷的有：塑料改性混料的質(zhì)量差，材料復(fù)合加工低劣和在加熱加工過程中熱降解和水解；制品材料中存在氣囊和熔合縫；在后期加工的焊接、粘結(jié)和切割過程中遭受損傷。

注射成型固化后的塑料制品內(nèi)，存在殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力較高的部位，如澆口附近或金屬嵌件周圍，容易生成慢性裂縫。被焊接部位曾受到過短時(shí)高溫加熱，存在溫差殘余應(yīng)力；粘接部位曾受到活性膠黏劑和助劑侵蝕，這些也容易生成慢性裂縫。

2.注射制品設(shè)計(jì)

在塑料制品生產(chǎn)中，工程技術(shù)人員必須熟悉制品設(shè)計(jì)的有關(guān)理論、方法、結(jié)構(gòu)和造型。塑料制品設(shè)計(jì)又與注射成型模具設(shè)計(jì)的關(guān)系密切。對(duì)于仿制產(chǎn)品中的注塑件，塑料注射模的設(shè)計(jì)和制造比較順利。這是因?yàn)橛凶⑺芗?shí)樣作為模具設(shè)計(jì)的依據(jù)。而初次設(shè)計(jì)的注塑件試制品，理應(yīng)允許注射模具有較長的生產(chǎn)周期。

（1）設(shè)計(jì)要求 塑料材料的黏彈性，使其制品呈現(xiàn)對(duì)時(shí)間和溫度的依賴性。注塑件不但在強(qiáng)度和剛度等力學(xué)性能方面，在靜載荷下比鋼材差許多，而且在各種頻率的交變載荷下或在沖擊載荷下，在各種環(huán)境條件下有不少特殊的失效形式。對(duì)塑料制品的使用壽命和可靠性設(shè)計(jì)，還處于科研和探索階段。塑料制品設(shè)計(jì)的困難之處，在于聚合物材料的彈性模量低。因此，塑料制品設(shè)計(jì)更講究有效地利用材料，使注塑件具有適用的剛性。追求幾何形狀的完美性的剛性設(shè)計(jì)，對(duì)塑料制品設(shè)計(jì)很重要。

塑料制品不同于金屬零件，很少采用刀具進(jìn)行切削加工。絕大多數(shù)聚合物的加工成型都經(jīng)過熔體的流動(dòng)和形變，通過模具來加工成型制品。塑料熔體在壓力下充滿模具的型腔，或在模具表面邊界作用下成型，進(jìn)而冷卻固化。因此，塑料制品設(shè)計(jì)必須熟練掌握與之相應(yīng)的成型模具的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用。

生產(chǎn)中的塑料熔體經(jīng)模具的冷卻系統(tǒng)作用快速固化。因此，制品的收縮存在波動(dòng)和不均勻，使塑料制品的形狀和尺寸精度的控制較為困難。塑料制品的精度取決于塑料材料注射成型方法、模具精度和冷卻系統(tǒng)等因素。注射成型也決定了塑料制品必須厚度均勻。它由薄板構(gòu)成，其厚度必須以所承受力學(xué)載荷和絕緣等使用要求確定，并保證塑料熔體能順利充滿型腔。

設(shè)計(jì)塑料制品首先要確定制品的功能和性能指標(biāo)，然后選擇合適材料，決定成型加工工藝。注塑件設(shè)計(jì)有方案擬訂、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)準(zhǔn)備和定型三個(gè)階段。

（2）擬訂設(shè)計(jì)方案 在接受了設(shè)計(jì)任務(wù)后，需全面收集有關(guān)的資料和技術(shù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合分析后，必需做四步工作：

首先要科學(xué)地確定制品的功能和性能。注塑件所具有的功能包括使用功能和環(huán)境功能。在一定時(shí)間、空間和環(huán)境下，需要完成諸如包裝、抗振、絕熱、結(jié)構(gòu)支承、電氣絕緣和機(jī)械傳動(dòng)等功能。注塑件的性能有力學(xué)、熱力學(xué)、物理和化學(xué)等性能。要注意到塑料的性能不等于塑料制品的性能。大多數(shù)塑料經(jīng)加熱熔融和冷卻固化成型，原材料的性能會(huì)損失下降，會(huì)出現(xiàn)新的內(nèi)在缺陷，影響注塑件的性能。常用塑料制品一般都參照汽車、建筑、包裝和電氣各行業(yè)的指標(biāo)和測試標(biāo)準(zhǔn)。

第二步是選擇合適的塑料。不僅要保證實(shí)現(xiàn)制品的功能和性能，也要考慮可加工性和生產(chǎn)成本。經(jīng)常選擇幾種材料，用對(duì)比分析方法確定。

第三步是確定制品的加工方法。各種加工方法適用于一定形狀和尺寸，具有一定的加工精度和生產(chǎn)率，要有相應(yīng)成型模具和設(shè)備。同時(shí)確定注塑件的裝配方法和表面修飾要求。

第四步是對(duì)注塑件進(jìn)行失效分析。針對(duì)注塑件對(duì)時(shí)間、溫度和環(huán)境的敏感性，為保證在使用期限里注塑件有可靠的功能和性能，必須按主要失效形式進(jìn)行預(yù)測性的理論計(jì)算和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測試。軸與套的注塑件壓力裝配后，要計(jì)算溫度升高和應(yīng)力松弛后的傳遞力矩。塑料齒輪設(shè)計(jì)，必須進(jìn)行在彎曲疲勞、接觸點(diǎn)蝕和熱膨脹下的模數(shù)和中心距的理論計(jì)算。在重要的場合需對(duì)制品進(jìn)行沖擊或疲勞、耐候或滲透等測試。

擬訂方案時(shí)，要遵循多個(gè)方案分析比較和逐步優(yōu)化的常規(guī)方法。

（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 考慮注塑件的結(jié)構(gòu)，基本上有功能結(jié)構(gòu)、工藝結(jié)構(gòu)和造型結(jié)構(gòu)三方面。注塑件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主導(dǎo)了注射模的設(shè)計(jì)。它的每個(gè)細(xì)節(jié)都要與模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)。因此，注塑件的設(shè)計(jì)師與模具設(shè)計(jì)工程師之間交流合作意義重大。

功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心，主要是確定使用功能實(shí)現(xiàn)的制品形狀、尺寸和壁厚。注塑件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要做靜載荷下短時(shí)和長期的變形校核；有的要進(jìn)行動(dòng)載荷沖擊、疲勞、滯后熱和磨損等校核。

合理的工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是制品生產(chǎn)的前提。關(guān)系到注塑件質(zhì)量、生產(chǎn)率和成本。聚合物流變學(xué)是工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，用以考慮注射成型的可行性。必須合理處理流動(dòng)性、收縮率、嵌件和脫模等技術(shù)問題。注塑件的合理聯(lián)接設(shè)計(jì)，采用螺紋聯(lián)接或彈性卡夾聯(lián)接，簡化了單個(gè)注塑件，還能實(shí)現(xiàn)與非塑料件的聯(lián)接，并保證了流水線上對(duì)注塑件的高效裝配。

對(duì)于機(jī)殼、面板、儀表板和日用塑料制品，要通過外部造型設(shè)計(jì)予以裝飾和美化。著色、噴涂、彩飾、被覆植絨織物、鍍覆金屬和模塑圖案等修飾與美術(shù)相結(jié)合，能給人以美感。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要用工程制圖進(jìn)行形體的空間思維。各種草圖、軸側(cè)圖、三視圖和三維造型是相互交流的工程語言。現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)三維造型保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量。例如：變形金剛玩具的造型設(shè)計(jì)，能保證各零件在多種裝配關(guān)系下，不產(chǎn)生干涉。三維造型也為下一步的計(jì)算機(jī)充模流動(dòng)數(shù)值模擬分析準(zhǔn)備了形體數(shù)據(jù)。制作一些模型可以幫助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。例如用透明的有機(jī)玻璃板粘結(jié)成機(jī)殼模型。設(shè)計(jì)中要跟各專業(yè)工程師和模具設(shè)計(jì)師一起工作。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)也為注塑件設(shè)計(jì)提供各種專業(yè)軟件與數(shù)據(jù)庫。例如彈性卡夾、塑料鉸鏈和塑料齒輪等輔助設(shè)計(jì)軟件。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最后階段，慎重確定注塑件的尺寸精度、幾何公差和表面質(zhì)量的要求是項(xiàng)重要的工作。最后要繪制塑料制品生產(chǎn)用工程圖。

（4）生產(chǎn)準(zhǔn)備和定型 完成了注塑件的圖樣設(shè)計(jì)后，還必須與工藝工程師和模具工程師合作，對(duì)制品成型進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬和生產(chǎn)驗(yàn)證，并進(jìn)行修改，直至定型。

注射成型制品有各種CAE/CAD數(shù)值分析軟件。注塑件三維造型后，計(jì)算機(jī)模擬注射工藝，可獲知塑料熔體的充模流動(dòng)、保壓冷卻、固化收縮和翹曲變形的分析結(jié)果。在此過程中，需對(duì)注塑件設(shè)計(jì)進(jìn)行修正和優(yōu)化。大型注射殼體壁厚相差0.1mm，就會(huì)明顯影響熔體充模流動(dòng)和制品材料成本。計(jì)算機(jī)分析軟件校驗(yàn)和預(yù)測，是塑料新產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化和制品優(yōu)質(zhì)的保證。

塑料制品與金屬零件一樣有規(guī)模效應(yīng)。由于成型模具成本很高，生產(chǎn)批量與每個(gè)注塑件制造成本成反比。注塑件試制周期，還包括金屬模具的機(jī)械加工周期。專門的注塑件生產(chǎn)，還需設(shè)計(jì)和制造專用的成型機(jī)。

此外，塑料制品的標(biāo)準(zhǔn)化和系列化程度反映了塑料工業(yè)的發(fā)展水平。對(duì)各種瓶蓋、塑料門窗附件、塑料管的接頭等產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化工作，今后必將有更大進(jìn)展。

3.塑料材料的選擇

塑料材料的選擇是塑料制品設(shè)計(jì)的重要組成部分。在制品注射成型后，考慮更換材料是困難和麻煩的，甚至是不可行的。材料的選擇不僅要保證塑料制品的功能和性能，還要考慮加工生產(chǎn)、成本和供應(yīng)。注射加工和模具設(shè)計(jì)的工程師了解和認(rèn)知加工材料的性能，是實(shí)施工程項(xiàng)目的前提。在熟悉塑料材料分類和品種的基礎(chǔ)上，要了解：塑料基體聚合物是熱塑性還是熱固性；結(jié)晶型還是無定形；聚合物混合物的比例；塑料中添加劑的配方；增強(qiáng)塑料的纖維分?jǐn)?shù)。

從材料手冊(cè)和材料制造商的說明書，以及塑料材料的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫，設(shè)計(jì)者可掌握全面和近期的材料信息。材料性能項(xiàng)目所列數(shù)值，一般是此種材料性能的平均值，應(yīng)該從材料供應(yīng)商處獲取詳細(xì)的材料性能清單。現(xiàn)代注射成型的CAE計(jì)算機(jī)輔助軟件中的材料數(shù)據(jù)庫，已經(jīng)成為了解材料性能的重要途徑。

（1）材料的性能 材料性能一般包括四方面：

1）加工性能：熔體流動(dòng)速率（g/10min）、熔化溫度（結(jié)晶型聚合物為熔點(diǎn)）、加工溫度范圍、料筒和噴嘴的加熱溫度、模具溫度、注射成型的壓力、固液態(tài)的壓縮比、注射成型收縮率，以及塑料流動(dòng)的流變曲線和冷卻固化的P-V-T狀態(tài)曲線。

2）力學(xué)性能：拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長率、拉伸屈服應(yīng)力、壓縮強(qiáng)度（斷裂或屈服）、拉伸模量、彎曲模量（分別在22℃、92℃、120℃和150℃）、帶缺口懸臂式?jīng)_擊強(qiáng)度、硬度。

3）熱性能：線脹系數(shù)、熱變形溫度（1.82 MPa和0.45 MPa）、熱導(dǎo)率、比熱容。

4）物理性能：固態(tài)和熔融態(tài)的密度、吸水率（24h）、介電強(qiáng)度（短時(shí)升壓）。

材料的性能測試是規(guī)定的試樣在標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)條件下進(jìn)行。試樣與塑料制品的形狀和尺寸有很大差異。材料經(jīng)加工后，絕大多數(shù)的注塑件的性能比原始材料低。因此，所選擇材料性能要比注塑件的性能高，應(yīng)該考慮安全系數(shù)。

（2）對(duì)照選用塑料材料品種乃至品級(jí)，材料的選擇大致有四個(gè)步驟：

1）提出注塑件所需性能項(xiàng)目。除了前述的加工性能、力學(xué)性能、熱性能和物理性能外，還有實(shí)現(xiàn)各種功能的專項(xiàng)性能。例如：包裝用制品，需提出透明性、抗化學(xué)腐蝕，對(duì)氣體和液體的滲透性；食品包裝還要有食用無害要求；室內(nèi)的日用注塑件應(yīng)有阻燃性能要求；室外用品必須有耐候性等各項(xiàng)抗老化性能；電工注塑件有各種絕緣性能要求。

2）提出對(duì)原材料性能項(xiàng)目的最低數(shù)值清單。設(shè)計(jì)一個(gè)剛性熱塑性塑料的注射成型結(jié)構(gòu)件，對(duì)原材料性能的最低數(shù)值要求。包括拉伸強(qiáng)度、彎曲模量、熱變形溫度、帶缺口懸臂沖擊強(qiáng)度和斷裂伸長率的對(duì)原材料性能數(shù)值要求。

3）初步選定一批候選材料。根據(jù)對(duì)原材料性能的要求，選定幾種初選材料。可憑生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，以對(duì)材料品種的性能先進(jìn)性和成本的了解，開列所考慮材料的清單，然后淘汰一批。

4）根據(jù)專門的性能和材料成本最終選定材料。對(duì)注塑件進(jìn)一步分析比較。蠕變模量、介電強(qiáng)度、成型收縮率和材料成本。對(duì)于有剛度和精度要求的注塑件，還要比較可注射成型塑料件較高尺寸精度。如果兩種材料收縮率相近，必要時(shí)可用成型模具試射注塑件進(jìn)行分析比較。適用的塑料品種沒有商品供應(yīng)時(shí)，可以專門配制復(fù)合材料。對(duì)聚合物添加填料、用兩種聚合物混合，有可能獲得所需的改性塑料，但需要時(shí)間和資金。