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一、镉的法规要求:
⒈ 欧盟: ROHS,91/338/EEC,94/62/EC,76/769/EEC Limit=100ppm
瑞典:Limit=75ppm(mg/Kg)
丹麦:Limit=75ppm(mg/Kg)
瑞士:Limit=100ppm(mg/Kg)
荷兰:Limit=100ppm(mg/Kg)
⒉ ROHS豁免项:除了91/338/EEC禁止使用的产品除外,生产设备、机器等产品的电镀镉可以豁免。
二.铅的法规要求:
⒈ 欧盟: 76/769/EEC,89/677/EEC:禁止使用
94/62/EC:<100ppm
ROHS:<1000ppm
⒉ ROHS豁免项:玻璃:如荧光管etc.
合金:钢合金中铅含量<0.35%(3500ppm);
玻璃:如荧光管etc.
合金:钢合金中铅含量<0.35%(3500ppm);
铝中铅含量<0.4%(4000ppm);
铜合金中铅含量<4%(40000ppm)
焊锡:高温融化的焊料中的铅(即锡铅焊料合金中铅含量超过85%);
用于服务器、存储器和存储系统的焊料中的铅(豁免准予至2010年);
用于交换、信号和传输,以及电信网络管理的网络基础设施设备中焊料中的铅;
电子陶瓷产品中的铅如压电陶瓷。
⒊ ROHS豁免听证项: 光学玻璃及护目镜可以使用铅及镉;
两个以上焊接口之微处理器封装跟其针头,可使用铅占85%比重的锡铅焊料,唯其期限到2010年;
溶解度较高的含铅焊料(如锡铅焊合金有85%的铅)及任何需要低温焊接以完成电力接驳的焊料。
三、汞的法规要求:
⒈ 欧盟: 76/769/EEC,89/677/EEC:禁止使用;
94/62/EC:<100ppm;
ROHS:<1000ppm。
⒉ ROHS豁免项: 荧光灯及灯具。
四、六价铬的法规要求:
⒈ 欧盟: 76/769/EEC:禁止使用;
94/62/EC:<100ppm;
ROHS:<1000ppm。
1999/179/EEC,2002/EEC:<10ppm
⒉ ROHS豁免项:碳钢中的防腐剂,电冰箱制冷剂中的防腐剂。
⒊ 六价铬的注意点:对金属件及其电镀件样品,测试的是样品表面的六价铬,因此其浓度计算方法有两种。 按照JIS H8625标准,计算单位面积含量。取约100cm2样品测试;该方法要求>10ug/100cm2 按照某些公司标准,计算电镀层中含量.
五、溴化阻燃剂的法规要求:
⒈ 溴化阻燃剂包括:多溴联苯(PBBS) ;多溴联苯醚(PBDES,PBBES,PBDOS。)
⒉ 应用范围:印刷电路板,塑料及涂层中耐燃剂,电线电缆,树脂类电子元件。
⒊ 欧盟国家:
ROHS:<1000ppm;
76/769/EEC,83/264/ EEC:禁止使用;
2003/11/EEC:禁止使用。
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2007年4月26日 星期四
SS-00259新版標準重金屬及有機物限制含量www.tool-tool.com
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SS-00259新版標準重金屬及有機物限制含量
有毒物質項目
所在物質
鉛含量允許程度
01.鉛與其鉛化合物(Pb)
Lead and compounds
塑膠類/電鍍層/塗料/墨水
<90ppm
合
金
類
鋼材
<3,500ppm
鋁合金
<4,000ppm
銅合金
<40,000ppm
焊鍚
<1,000ppm
02.鎘與其鎘化合物(Cd)
Cadmium and compounds
塑膠、塗料、墨水、包材
<5ppm
金屬類物料
<100ppm
03.汞與其汞化合物(Hg)
Mercury and compounds
所有物質
禁止使用
04.六價鉻與其化合物(Cr+6)
Chromium(Hexavalent)and compounds
所有物質
禁止使用
05.聚溴聯苯/溴聯苯醚(PBBs)
Polybrominated biphenyls
有機類物質
禁止使用
06.溴聯苯醚(PBDEs)
Polybrominated biphenyl ethers
有機類物質
禁止使用
07.多氯聯苯(PCBs)
Polychlorinated biphenyls
有機類物質
禁止使用
08.多氯奈(PCN)
Polychlorinated naphthalene
有機類物質
禁止使用
09.聚氯三聯苯(PCT)
Polychlorinated terphenyls
有機類物質
禁止使用
10.氯化石蠟、氯代烷烴(CP)(C10~C13 )
Chlorinated paraffins
有機類物質
禁止使用
11.甲醛
Formaldehyde
有機類物質
禁止使用
12.石棉
Asbestos
有機類物質
禁止使用
13.特定偶氮化合物(22項)
AZO compounds
有機類物質
禁止使用
14.三丁基鍚化合物、三苯基鍚化合物
Tributyltin compounds and triphenyltin compounds
有機類物質
禁止使用
15.聚氯乙烯(PVC)以及聚氯乙烯混合物
有機類物質
禁止使用
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SS-00259新版標準重金屬及有機物限制含量
有毒物質項目
所在物質
鉛含量允許程度
01.鉛與其鉛化合物(Pb)
Lead and compounds
塑膠類/電鍍層/塗料/墨水
<90ppm
合
金
類
鋼材
<3,500ppm
鋁合金
<4,000ppm
銅合金
<40,000ppm
焊鍚
<1,000ppm
02.鎘與其鎘化合物(Cd)
Cadmium and compounds
塑膠、塗料、墨水、包材
<5ppm
金屬類物料
<100ppm
03.汞與其汞化合物(Hg)
Mercury and compounds
所有物質
禁止使用
04.六價鉻與其化合物(Cr+6)
Chromium(Hexavalent)and compounds
所有物質
禁止使用
05.聚溴聯苯/溴聯苯醚(PBBs)
Polybrominated biphenyls
有機類物質
禁止使用
06.溴聯苯醚(PBDEs)
Polybrominated biphenyl ethers
有機類物質
禁止使用
07.多氯聯苯(PCBs)
Polychlorinated biphenyls
有機類物質
禁止使用
08.多氯奈(PCN)
Polychlorinated naphthalene
有機類物質
禁止使用
09.聚氯三聯苯(PCT)
Polychlorinated terphenyls
有機類物質
禁止使用
10.氯化石蠟、氯代烷烴(CP)(C10~C13 )
Chlorinated paraffins
有機類物質
禁止使用
11.甲醛
Formaldehyde
有機類物質
禁止使用
12.石棉
Asbestos
有機類物質
禁止使用
13.特定偶氮化合物(22項)
AZO compounds
有機類物質
禁止使用
14.三丁基鍚化合物、三苯基鍚化合物
Tributyltin compounds and triphenyltin compounds
有機類物質
禁止使用
15.聚氯乙烯(PVC)以及聚氯乙烯混合物
有機類物質
禁止使用
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ROHS標準要求重金屬及有機物限制含量www.tool-tool.com
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ROHS標準要求重金屬及有機物限制含量
有毒物質項目
所在物質
鉛含量允許程度
01.鉛與其鉛化合物(Pb)
Lead and compounds
塑膠類/電鍍層/塗料/墨水等
<1000ppm
合
金
類
鋼材
<3,500ppm
鋁合金
<4,000ppm
銅合金
<40,000ppm
焊鍚
<1,000ppm
02.鎘與其鎘化合物(Cd)
Cadmium and compounds
所有物質
<100ppm
03.汞與其汞化合物(Hg)
Mercury and compounds
所有物質
<1,000ppm
04.六價鉻與其化合物(Cr+6)
Chromium(Hexavalent)and compounds
所有物質
<1,000ppm
05.聚溴聯苯/溴聯苯醚(PBBs)
Polybrominated biphenyls
有機類物質
<1,000ppm
06.溴聯苯醚(PBDEs)
Polybrominated biphenyl ethers
有機類物質
<1,000ppm
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ROHS標準要求重金屬及有機物限制含量
有毒物質項目
所在物質
鉛含量允許程度
01.鉛與其鉛化合物(Pb)
Lead and compounds
塑膠類/電鍍層/塗料/墨水等
<1000ppm
合
金
類
鋼材
<3,500ppm
鋁合金
<4,000ppm
銅合金
<40,000ppm
焊鍚
<1,000ppm
02.鎘與其鎘化合物(Cd)
Cadmium and compounds
所有物質
<100ppm
03.汞與其汞化合物(Hg)
Mercury and compounds
所有物質
<1,000ppm
04.六價鉻與其化合物(Cr+6)
Chromium(Hexavalent)and compounds
所有物質
<1,000ppm
05.聚溴聯苯/溴聯苯醚(PBBs)
Polybrominated biphenyls
有機類物質
<1,000ppm
06.溴聯苯醚(PBDEs)
Polybrominated biphenyl ethers
有機類物質
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各种材料的重金属及有机物含量标准(SONY)www.tool-tool.com
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SONY标准
A. A.塑胶类要求如下:
物质名称
含 量
测试方式
重金属
镉及镉化合物(Cd)
<5PPM
EN1122
铅及铅化合物(Pb)
<90PPM
EPA3050B
汞及汞化合物(Hg)
<2PPM禁用
EPA3052
六价铬及铬化合物(Cr VI)
<2PPM禁用
EPA3060A
有机氯化合物
多氯联苯(PCB)
禁 用
EPA8082
多氯化萘(PCN)
禁 用
EPA3540
氯代烷烃(CP)
禁 用
EPA8082
其他有机氯化合物
禁 用
3093/96/EEC
甲 醛
禁 用
石 棉
禁 用
DIN38407
破坏臭氧
层物质
CFC
禁 用
3093/94/EEC
HCFC
禁 用
3093/96/EEC
CHC
禁 用
3093/96/EEC
有机溴素系化合物
多溴联苯(PBB)
<5PPM禁用
EPA8081
多溴二苯醚(PBDE)
<5PPM禁用
EPA8081
其他有机溴化合物
禁 用
有机锡化合物
(三丁基锡化合物/三苯基锡化合物)
禁 用
聚氯乙烯(PVC)以及聚氯乙烯混合物
禁 用
偶氮化合物
禁 用
35LMBG8202-2
B.五金类要求如下:
物质名称
含 量
测试方法
镉及镉化合物(Cd)
<5PPM
EN1122
铅及铅化合物(Pb)钢材
<3500PPM
EPA3050B
铅及铅化合物(Pb)铝合金
<40000PPM
EPA3050B
铅及铅化合物(Pb)铜合金
<40000PPM
EPA3050B
汞及汞化合物(Hg)
<2PPM禁用
EPA3052
六价铬化合物(Cr+6)
<2PPM禁用
EPA3060A
C. 包装材料类要求如下:
物质名称
含 量
测试方法
重 金 属
镉/铅/汞/六价铬
<100PPM
镉:EN1122
铅:EPA3050B
汞:EPA3052
六价铬:EPA3060
塑胶(橡胶)涂料、墨水
镉和镉化合物(Cd)
<5PPM
EN1122
铅和铅化合物(Pb)
<90PPM
EPA3050B
D.电镀类要求如下:
物质名称
含 量
测试方法
镉及镉化合物(Cd)
<5PPM
EN1122
铅及铅化合物(Pb)
<90PPM
EPA3050B
汞及汞化合物(Hg)
<2PPM禁用
EPA3052
六价铬化合物(Cr+6)
<2PPM禁用
EPA3060A
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含 量
测试方式
重金属
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<5PPM
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铅及铅化合物(Pb)
<90PPM
EPA3050B
汞及汞化合物(Hg)
<2PPM禁用
EPA3052
六价铬及铬化合物(Cr VI)
<2PPM禁用
EPA3060A
有机氯化合物
多氯联苯(PCB)
禁 用
EPA8082
多氯化萘(PCN)
禁 用
EPA3540
氯代烷烃(CP)
禁 用
EPA8082
其他有机氯化合物
禁 用
3093/96/EEC
甲 醛
禁 用
石 棉
禁 用
DIN38407
破坏臭氧
层物质
CFC
禁 用
3093/94/EEC
HCFC
禁 用
3093/96/EEC
CHC
禁 用
3093/96/EEC
有机溴素系化合物
多溴联苯(PBB)
<5PPM禁用
EPA8081
多溴二苯醚(PBDE)
<5PPM禁用
EPA8081
其他有机溴化合物
禁 用
有机锡化合物
(三丁基锡化合物/三苯基锡化合物)
禁 用
聚氯乙烯(PVC)以及聚氯乙烯混合物
禁 用
偶氮化合物
禁 用
35LMBG8202-2
B.五金类要求如下:
物质名称
含 量
测试方法
镉及镉化合物(Cd)
<5PPM
EN1122
铅及铅化合物(Pb)钢材
<3500PPM
EPA3050B
铅及铅化合物(Pb)铝合金
<40000PPM
EPA3050B
铅及铅化合物(Pb)铜合金
<40000PPM
EPA3050B
汞及汞化合物(Hg)
<2PPM禁用
EPA3052
六价铬化合物(Cr+6)
<2PPM禁用
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C. 包装材料类要求如下:
物质名称
含 量
测试方法
重 金 属
镉/铅/汞/六价铬
<100PPM
镉:EN1122
铅:EPA3050B
汞:EPA3052
六价铬:EPA3060
塑胶(橡胶)涂料、墨水
镉和镉化合物(Cd)
<5PPM
EN1122
铅和铅化合物(Pb)
<90PPM
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物质名称
含 量
测试方法
镉及镉化合物(Cd)
<5PPM
EN1122
铅及铅化合物(Pb)
<90PPM
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汞及汞化合物(Hg)
<2PPM禁用
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六价铬化合物(Cr+6)
<2PPM禁用
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铜的基本知识介绍www.tool-tool.com
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铜是人类最早使用的金属。早在史前时代,人们就开始采掘露天铜矿,并用获取的铜制造武器、式具和其他器皿,铜的使用对早期人类文明的进步影响深远。铜是一种存在于地壳和海洋中的金属。铜在地壳中的含量约为0.01%,在个别铜矿床中,铜的含量可以达到3-5%。自然界中的铜,多数以化合物即铜矿物存在。铜矿物与其他矿物聚合成铜矿石,开采出来的铜矿石,经过选矿而成为含铜品位较高的铜精矿.
一、性能
铜具有良好的导电性、导热性、耐腐蚀性和延展性等物理化学特性。导电性能和导热性能仅次于银,纯铜可拉成很细的铜丝,制成很薄的铜箔。纯铜的新鲜断面是玫瑰红色的,但表面形成氧化铜膜后,外观呈紫红色,故常称紫铜.
铜除了纯铜外,铜可以与锡、锌、镍等金属化合成具有不同特点的合金,即青铜、黄铜和白铜。在纯铜(99.99%)中加入锌,则称黄铜,如含铜量80%,含锌量20%的普通黄铜管用于发电厂的冷凝器和汽车散热器上;加入镍称为白铜,剩下的都称为青铜,除了锌和镍以外,加入其它金属元素的所有铜合金均称做青铜,加入什么元素就称为什么元素,最主要的青铜是锡磷青铜和铍青铜。如锡青铜在我国应用的历史非常悠久,用于铸造钟、鼎、乐器和祭器等。锡青铜也可用作轴承、轴套和耐磨零件等。
与纯铜的导电性有所不同,借助于合金化,可大大改善铜的强度和耐锈蚀性。这些合金有的耐磨,铸造性能好,有的具有较好的机械性能和耐腐蚀性能。
二、用途
由于铜具有上述优良性能,所以在工业上有着广泛的用途。包括电气行业、机械制造、交通、建筑等方面。目前,铜在电气和电子行业这一领域中主要用于制造电线、通讯电缆和其他成品如电动机、发电机转子及电子仪器、仪表等,这部分用量约占工业总需求量的一半左右。铜及铜合金在计算机芯片、集成电路、晶体管、印刷电路版等器材器件中都占有重要地位。例如,晶体管引线用高导电、高导热的铬锆铜合金。最近,国际知名计算机公司IBM已采用铜代替硅芯片中的铝,这标志着人类最古老的金属在半导体技术应用方面的最新突破.
80年代中期,美国、日本和西欧国家的精铜消费中,电气工业所占比重最大,中国也不例外。而进入90年代以后,国外在建筑行业中管道用铜增幅巨大,成为国外消费铜的大头.据位于纽约的铜发展协会(CDA)发表的报告说:1997 年,建筑业仍是美国铜产品的最大的最终用途市场,建筑业常利用铜的耐腐蚀性用于制造水管、屋顶及其他给排水设施,此外,还因其美观的外表而被用于建筑装修,建筑业用铜占美国铜产品总消费量的第一位。
据中国有色集团内部统计,1997年我国铜的消费构成中电气行业(包括电线电缆)占77.7%,成为用铜的最大市场
具体情况如下:单位:%
行业 80年代中期 1997
美国、日本、西欧 中国 美国 中国
电气工业 47.8 55.2 24.8 77.7
机械制造业 19.5 23.8 11.5 5.3
建筑业 15.8 3.3 41.8 6.9
交通运输业 8.8 3.3 12.8 4.4
其它 8.1 14.4 9.1 5.7
合计 100 100 100 100
数据来源: 《期货交易大辞典》 *铜发展协会(CDA)
附注: 1997年的中国铜消费结构数据来源于Simon Hunt的"1990-1997年中国铜消费调查报告"一文,为了避免重复计算,1997 年中国的电线电缆包括在电气行业中,而以前都计算在机械制造行业里.
随着科学技术的日新跃益,铜的应用范围在拓宽,铜在医学、生物、超导及环境方面开始发挥作用。如,当聚氨酯塑料泡沫含有铜或氧化铜时,能大大减少这种塑料燃烧时所释放出致命的有毒气体――氢氰化物(HCN)。大量研究资料证明,铜的杀菌作用可以有效地降低肺炎病菌的传播,能抑制细菌生长,保持饮用水清洁卫生,所以,未来国内建筑业铜管的发展前景将十分广阔。
三、铜的储量:
世界铜矿资源比较丰富。据 1995年美国矿业局统计,世界铜金属储量为3.1亿吨,储量基础为5.9亿吨,铜储量最多的国家是智利和美国,分别占世界储量基础的23.7%和 15.3%,其次是波兰15%、赞比亚6%、俄罗斯5%、扎伊尔5%、秘鲁4%、加拿大4%、澳大利亚4%。
世界铜矿的工业类型分为斑岩型、砂页岩型、铜镍硫化物型、黄铁矿型、铜-铀-金型、自然铜型等、脉型、碳酸岩型、矽卡岩型共九类。最重要的是前四类,占世界铜总储量的 96%,其中斑岩型和砂页岩型矿各占55%和29%。世界铜储量超过500万吨的巨型铜矿约有60个,斑岩矿占38个,砂页矿占15个合计占巨型铜矿的 88%。
中国可供开采的铜精矿资源很少。目前大的铜矿主要有江西德兴铜矿、西藏裕龙铜矿、玉龙铜矿和新近探明的新疆阿舍勒铜矿。
四、铜的冶炼工艺
从铜矿中开采出来的铜矿石,经过选矿成为含铜品位较高的铜精矿或者说是铜矿砂,铜精矿需要经过冶炼提成,才能成为精铜及铜制品.
目前,世界上铜的冶炼方式主要有两种:即火法冶炼与湿法冶炼(SX-EX)
1.火法:
通过熔融冶炼和电解精火炼生产出阴极铜,也即电解铜,一般适于高品位的硫化铜矿。
生产过程大致如图:
除了铜精矿之外,废铜做为精炼铜的主要原料之一,包括旧废铜和新废铜,旧废铜来自旧设备和旧机器,废弃的楼房和地下管道;新废铜来自加工厂弃掉的铜屑(铜材的产出比为50%左右),一般废铜供应较稳定,废铜可以分为:裸杂铜:品位在90%以上;黄杂铜(电线):含铜物料(旧马达、电路板);由废铜和其他类似材料生产出的铜,也称为再生铜。
2.湿法:
一船适于低品位的氧化铜,生产出的精铜称为电积铜。
湿法冶炼过程为:
3. 火法和湿法两种工艺的特点
比较火法和湿法两种铜的生产工艺,有如下特点:
(1)后者的冶炼设备更简单,但杂质含量较高,是前者的有益补充。
(2)后者有局限性,受制于矿石的品位及类型。
(3)前者的成本约在70-80美分/磅(约合1540-1760美元/吨),后者仅为30-40美分/磅(约合660-880美元/吨)。
可见,湿法冶炼技术具有相当大的优越性,但其适用范围却有局限性,并不是所有铜矿的冶炼都可采用该种工艺。不过通过技术改良,这几年已经有越来越多的国家,包括美国、智利、加拿大、澳大利亚、墨西哥及秘鲁等,将该工艺应用于更多的铜矿冶炼上。湿法冶炼技术的提高及应用的推广,降低了铜的生产成本,提高了铜矿产能,短期内增加了社会资源供给,造成社会总供给的相对过剩,对价格有拉动作用。1997年铜的期价由1996年的2600美元/吨高位跌至目前 1998年11月的1600美元/吨左右,与湿法冶炼工艺比重的大大提高导致大量低成本铜上市有着直接的关系。
目前由于铜的平均生产成本在1400-1600美元/吨(64-73美分/磅),期价下跌是价格向价值的合理回归,随着冶炼工艺中其比重的不断增加,铜的价格走向将会受到越来越深远的影响。据报道,目前湿法炼铜最低成本只有20美分/磅(合450美元/吨),最高77美分/磅(合1697.5美元/吨),平均约低于 50美分/磅(合1100美元/吨)。需要指出的是,在1995年湿法炼铜的平均生产成本还只有39美分/磅,近来湿法炼铜平均生产成本有所上升,主要是由于湿法炼铜工艺推广到了处理铜的硫化矿物的缘故。湿法炼铜工艺较适合处理铜的氧化矿物和贫矿,而处理硫化矿物及较富矿石时,或当矿山地处寒冷地区,采用湿法炼铜工艺,其生产成本亦较高,多在50美分/磅以上。
中国自70年代开始研究从低品位铜矿中提取铜技术,1983年建立了第一座湿法冶炼铜的工厂,年产120吨,近来由于引进了国外优良的铜莘取剂,加上地方铜工业的发展,现在已建成了几十座小型的湿法冶炼厂,规模从几百到 2000吨不等,但年产铜仅1.5万吨,这与我国年产精炼铜100万吨的规模相比远远不够。目前我国铜的生产成本大约在18500元左右,远远高于世界平均水平1477美元(67美分)。"95"期间国家计委和中国有色金属工业总公司把湿法冶炼项目列为重点攻关项目,在德兴铜矿、玉龙铜矿、大冶铜录山铜矿等地建几个示范工厂,经过几年努力,估计至本世纪末我国的湿法技术会有较大发展,届时年产能估计可达5万吨以上。
据统计,1980年湿法炼铜的精铜产量占世界精铜产量的2.5%,1994年该比重提高到10%,1997估计提高到18%,预计最终湿法产铜的比例将提高到25-35%之间。
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铜是人类最早使用的金属。早在史前时代,人们就开始采掘露天铜矿,并用获取的铜制造武器、式具和其他器皿,铜的使用对早期人类文明的进步影响深远。铜是一种存在于地壳和海洋中的金属。铜在地壳中的含量约为0.01%,在个别铜矿床中,铜的含量可以达到3-5%。自然界中的铜,多数以化合物即铜矿物存在。铜矿物与其他矿物聚合成铜矿石,开采出来的铜矿石,经过选矿而成为含铜品位较高的铜精矿.
一、性能
铜具有良好的导电性、导热性、耐腐蚀性和延展性等物理化学特性。导电性能和导热性能仅次于银,纯铜可拉成很细的铜丝,制成很薄的铜箔。纯铜的新鲜断面是玫瑰红色的,但表面形成氧化铜膜后,外观呈紫红色,故常称紫铜.
铜除了纯铜外,铜可以与锡、锌、镍等金属化合成具有不同特点的合金,即青铜、黄铜和白铜。在纯铜(99.99%)中加入锌,则称黄铜,如含铜量80%,含锌量20%的普通黄铜管用于发电厂的冷凝器和汽车散热器上;加入镍称为白铜,剩下的都称为青铜,除了锌和镍以外,加入其它金属元素的所有铜合金均称做青铜,加入什么元素就称为什么元素,最主要的青铜是锡磷青铜和铍青铜。如锡青铜在我国应用的历史非常悠久,用于铸造钟、鼎、乐器和祭器等。锡青铜也可用作轴承、轴套和耐磨零件等。
与纯铜的导电性有所不同,借助于合金化,可大大改善铜的强度和耐锈蚀性。这些合金有的耐磨,铸造性能好,有的具有较好的机械性能和耐腐蚀性能。
二、用途
由于铜具有上述优良性能,所以在工业上有着广泛的用途。包括电气行业、机械制造、交通、建筑等方面。目前,铜在电气和电子行业这一领域中主要用于制造电线、通讯电缆和其他成品如电动机、发电机转子及电子仪器、仪表等,这部分用量约占工业总需求量的一半左右。铜及铜合金在计算机芯片、集成电路、晶体管、印刷电路版等器材器件中都占有重要地位。例如,晶体管引线用高导电、高导热的铬锆铜合金。最近,国际知名计算机公司IBM已采用铜代替硅芯片中的铝,这标志着人类最古老的金属在半导体技术应用方面的最新突破.
80年代中期,美国、日本和西欧国家的精铜消费中,电气工业所占比重最大,中国也不例外。而进入90年代以后,国外在建筑行业中管道用铜增幅巨大,成为国外消费铜的大头.据位于纽约的铜发展协会(CDA)发表的报告说:1997 年,建筑业仍是美国铜产品的最大的最终用途市场,建筑业常利用铜的耐腐蚀性用于制造水管、屋顶及其他给排水设施,此外,还因其美观的外表而被用于建筑装修,建筑业用铜占美国铜产品总消费量的第一位。
据中国有色集团内部统计,1997年我国铜的消费构成中电气行业(包括电线电缆)占77.7%,成为用铜的最大市场
具体情况如下:单位:%
行业 80年代中期 1997
美国、日本、西欧 中国 美国 中国
电气工业 47.8 55.2 24.8 77.7
机械制造业 19.5 23.8 11.5 5.3
建筑业 15.8 3.3 41.8 6.9
交通运输业 8.8 3.3 12.8 4.4
其它 8.1 14.4 9.1 5.7
合计 100 100 100 100
数据来源: 《期货交易大辞典》 *铜发展协会(CDA)
附注: 1997年的中国铜消费结构数据来源于Simon Hunt的"1990-1997年中国铜消费调查报告"一文,为了避免重复计算,1997 年中国的电线电缆包括在电气行业中,而以前都计算在机械制造行业里.
随着科学技术的日新跃益,铜的应用范围在拓宽,铜在医学、生物、超导及环境方面开始发挥作用。如,当聚氨酯塑料泡沫含有铜或氧化铜时,能大大减少这种塑料燃烧时所释放出致命的有毒气体――氢氰化物(HCN)。大量研究资料证明,铜的杀菌作用可以有效地降低肺炎病菌的传播,能抑制细菌生长,保持饮用水清洁卫生,所以,未来国内建筑业铜管的发展前景将十分广阔。
三、铜的储量:
世界铜矿资源比较丰富。据 1995年美国矿业局统计,世界铜金属储量为3.1亿吨,储量基础为5.9亿吨,铜储量最多的国家是智利和美国,分别占世界储量基础的23.7%和 15.3%,其次是波兰15%、赞比亚6%、俄罗斯5%、扎伊尔5%、秘鲁4%、加拿大4%、澳大利亚4%。
世界铜矿的工业类型分为斑岩型、砂页岩型、铜镍硫化物型、黄铁矿型、铜-铀-金型、自然铜型等、脉型、碳酸岩型、矽卡岩型共九类。最重要的是前四类,占世界铜总储量的 96%,其中斑岩型和砂页岩型矿各占55%和29%。世界铜储量超过500万吨的巨型铜矿约有60个,斑岩矿占38个,砂页矿占15个合计占巨型铜矿的 88%。
中国可供开采的铜精矿资源很少。目前大的铜矿主要有江西德兴铜矿、西藏裕龙铜矿、玉龙铜矿和新近探明的新疆阿舍勒铜矿。
四、铜的冶炼工艺
从铜矿中开采出来的铜矿石,经过选矿成为含铜品位较高的铜精矿或者说是铜矿砂,铜精矿需要经过冶炼提成,才能成为精铜及铜制品.
目前,世界上铜的冶炼方式主要有两种:即火法冶炼与湿法冶炼(SX-EX)
1.火法:
通过熔融冶炼和电解精火炼生产出阴极铜,也即电解铜,一般适于高品位的硫化铜矿。
生产过程大致如图:
除了铜精矿之外,废铜做为精炼铜的主要原料之一,包括旧废铜和新废铜,旧废铜来自旧设备和旧机器,废弃的楼房和地下管道;新废铜来自加工厂弃掉的铜屑(铜材的产出比为50%左右),一般废铜供应较稳定,废铜可以分为:裸杂铜:品位在90%以上;黄杂铜(电线):含铜物料(旧马达、电路板);由废铜和其他类似材料生产出的铜,也称为再生铜。
2.湿法:
一船适于低品位的氧化铜,生产出的精铜称为电积铜。
湿法冶炼过程为:
3. 火法和湿法两种工艺的特点
比较火法和湿法两种铜的生产工艺,有如下特点:
(1)后者的冶炼设备更简单,但杂质含量较高,是前者的有益补充。
(2)后者有局限性,受制于矿石的品位及类型。
(3)前者的成本约在70-80美分/磅(约合1540-1760美元/吨),后者仅为30-40美分/磅(约合660-880美元/吨)。
可见,湿法冶炼技术具有相当大的优越性,但其适用范围却有局限性,并不是所有铜矿的冶炼都可采用该种工艺。不过通过技术改良,这几年已经有越来越多的国家,包括美国、智利、加拿大、澳大利亚、墨西哥及秘鲁等,将该工艺应用于更多的铜矿冶炼上。湿法冶炼技术的提高及应用的推广,降低了铜的生产成本,提高了铜矿产能,短期内增加了社会资源供给,造成社会总供给的相对过剩,对价格有拉动作用。1997年铜的期价由1996年的2600美元/吨高位跌至目前 1998年11月的1600美元/吨左右,与湿法冶炼工艺比重的大大提高导致大量低成本铜上市有着直接的关系。
目前由于铜的平均生产成本在1400-1600美元/吨(64-73美分/磅),期价下跌是价格向价值的合理回归,随着冶炼工艺中其比重的不断增加,铜的价格走向将会受到越来越深远的影响。据报道,目前湿法炼铜最低成本只有20美分/磅(合450美元/吨),最高77美分/磅(合1697.5美元/吨),平均约低于 50美分/磅(合1100美元/吨)。需要指出的是,在1995年湿法炼铜的平均生产成本还只有39美分/磅,近来湿法炼铜平均生产成本有所上升,主要是由于湿法炼铜工艺推广到了处理铜的硫化矿物的缘故。湿法炼铜工艺较适合处理铜的氧化矿物和贫矿,而处理硫化矿物及较富矿石时,或当矿山地处寒冷地区,采用湿法炼铜工艺,其生产成本亦较高,多在50美分/磅以上。
中国自70年代开始研究从低品位铜矿中提取铜技术,1983年建立了第一座湿法冶炼铜的工厂,年产120吨,近来由于引进了国外优良的铜莘取剂,加上地方铜工业的发展,现在已建成了几十座小型的湿法冶炼厂,规模从几百到 2000吨不等,但年产铜仅1.5万吨,这与我国年产精炼铜100万吨的规模相比远远不够。目前我国铜的生产成本大约在18500元左右,远远高于世界平均水平1477美元(67美分)。"95"期间国家计委和中国有色金属工业总公司把湿法冶炼项目列为重点攻关项目,在德兴铜矿、玉龙铜矿、大冶铜录山铜矿等地建几个示范工厂,经过几年努力,估计至本世纪末我国的湿法技术会有较大发展,届时年产能估计可达5万吨以上。
据统计,1980年湿法炼铜的精铜产量占世界精铜产量的2.5%,1994年该比重提高到10%,1997估计提高到18%,预计最终湿法产铜的比例将提高到25-35%之间。
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塑料的基本知识www.tool-tool.com
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一、塑料的定义
塑料是以树脂为主要成分,在一定温度和压力下塑造成一定形状,并在常温下能保持既定形状的高分子有机材料。
树脂是指受热时通常有转化或熔融范围,转化时受外力作用具有流动性,常温下呈固态或半固态或液态的有机聚合物,它是塑料最基本的,也是最重要的成分。广义地讲,在塑料工业中作为塑料基本材料的任何聚合物都可称为树脂。
二、塑料的分类
塑料目前尚无确切的分类,一般分类如下:
1.按塑料的物理化学性能分
热塑性塑料: 在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料。如聚乙烯塑料、聚氯乙烯塑料。
热固性塑料: 因受热或其它条件能固化成不熔不溶性物料的塑料。如酚醛塑料、环氧塑料等。
2.按塑料用选分
通用塑料: -般指产量大、用途广、成型性好、价廉的塑料。如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。
工程塑料: -般指能承受一定的外力作用,并有良好的机械性能和尺寸稳定性,在高、低温下仍能保持其优良性能,可以作为工程结构件的塑料。如ABS、尼龙、聚矾等。
特种塑料: -般指具有特种功能(如耐热、自润滑等),应用于特殊要求的塑料。如氟塑料、有机硅等。
3.按塑料成型方法分
模压塑料: 供模压用的树脂混合料。如一般热固性塑料。
层压塑料: 指浸有树脂的纤维织物,可经叠合、热压结合而成为整体材料。
注射、挤出和吹塑塑料: -般指能在料筒温度下熔融、流动,在模具中迅速硬化的树脂混合科。如一般热塑性塑料。
浇铸塑料: 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。
反应注射模塑料: 一般指液态原材料,加压注入模腔内,使其反应固化制得成品。如聚氨脂类。
4.按塑料半制品和制品分
模塑粉: 又称塑料粉,主要由热固性树脂(如酚醛)和填料等经充分混合、按压、粉碎而得。如酚醛塑料粉。
增强塑料: 加有增强材料而某些力学性能比原树脂有较大提高的一类塑料。
泡沫塑料: 整体内合有无数微孔的塑料。
薄膜: 一般指厚度在O.25毫米以下的平整而柔软的塑料制品。
此外,工程塑料、增强塑料和泡沫塑料又有其不同的类别,见下表:
工程塑料的分类
类 别 聚 合 物
通用工程塑料 尼龙、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 非交联型 聚矾、聚醚矾、聚苯硫醚、聚芳酯、聚酰亚胺、聚醚醚酮、氟树脂等
交联型 聚氨基双马来酰胺、聚三嗪、交联聚酰亚胺、耐热环氧树脂等
增强塑料的分类
按增强材料
的外形分类 粒状增强塑料 如钙塑塑料
纤维增强塑料 如玻璃纤维或玻璃布增强塑料
片状增强塑料 如云母增强塑料
按增强材料
的材质分类 布基、石棉增强塑料 如碎布增强塑料
无机矿物填充塑料 如石英、云母填充塑料
玻纤增强塑料 如预浸渍料,SMC、BMC等
特种纤维增强塑料 如碳纤维、凯芙拉纤维增强塑料
金属纤维增强塑料 如钢丝增强塑料
泡沫塑料的分类
类 别 定 义
硬质泡沫塑料 无柔韧性,压缩硬度大,应力达到一定值方产生变形,解除应力后本能恢复原状的泡沫塑料
半硬质泡沫塑料 柔韧性介于硬质和软质泡沫塑料之间的泡沫塑料
软质泡沫塑料 富有柔韧性,压缩硬度很小,应力解除后能恢复原状,残余变形较小的泡抹塑料
三、塑料的基本性能
1.质轻、比强度高。塑料质轻,一般塑料的密度都在0.9 ~ 2.3克/厘米3之间,只有钢铁的1/8 ~1/4、铝的1/2左右,而各种泡沫塑料的密度更低,约在0.01 ~ O.5克/厘米3之间。按单位质量计算的强度称为比强度,有些增强塑料的比强度接近甚至超过钢材。例如合金钢材,其单位质量的拉伸强度为160兆帕,而用玻璃纤维增强的塑料可达到170 ~ 400兆帕。
2.优异的电绝缘性能。几乎所有的塑料都具有优异的电绝缘性能,如极小的介电损耗和优良的耐电弧特性,这些性能可与陶瓷媲美。
3.优良的化学稳定性能。一般塑料对酸碱等化学药品均有良好的耐腐蚀能力,特别是聚四氟乙烯的耐化学腐蚀性能比黄金还要好,甚至能耐"王水"等强腐蚀性电解质的腐蚀,被称为"塑料王"。
4.减摩、耐磨性能好。大多数塑料具有优良的减摩、耐磨和自润滑特性。许多工程塑料制造的耐摩擦零件就是利用塑料的这些特性,在耐磨塑料中加入某些固体润滑剂和填料时,可降低其摩擦系数或进一步提高其耐磨性能。
5.透光及防护性能。多数塑料都可以作为透明或半透明制品,其中聚苯乙烯和丙烯酸酯类塑料象玻璃一样透明。有机玻璃化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯,可用作航空玻璃材料。聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等塑料薄膜具有良好的透光和保暖性能,大量用作农用薄膜。塑料具有多种防护性能,因此常用作防护保装用品,如塑料薄膜、箱、桶、瓶等。
6.减震、消音性能优良。某些塑料柔韧而富于弹性,当它受到外界频繁的机械冲击和振动时,内部产生粘性内耗,将机械能转变成热能,因此,工程上用作减震消音材料。例如,用工程塑料制作的轴承和齿可减小噪音,各种泡沫塑料更是广泛使用的优良减震消音材料。
上述塑料的优良性能,使它在工农业生产和人们的日常生活中具有广泛用途;它已从过去作为金属、玻璃、陶瓷、木材和纤维等材料的代用品,而一跃成为现代生活和尖端工业不可缺少的材料。
然而,塑料也有不足之处。例如,耐热性比金属等材料差,一般塑料仅能在100℃以下温度使用,少数200℃左右使用;塑料的热膨胀系数要比金属大 3 ~ 10倍,容易受温度变化而影响尺寸的稳定性;在载荷作用下,塑料会缓慢地产生粘性流动或变形,即蠕变现象;此外,塑料在大气、阳光、长期的压力或某些质作用下会发生老化,使性能变坏等。塑料的这些缺点或多或少地影响或限制了它的应用。但是,随着塑料工业的发展和塑料材料研究工作的深入,这些缺点正被逐渐克服,性能优异的新颖塑料和各种塑料复合材料正不断涌现。
四、塑料的制造和树脂的合成方法
(一) 塑料的制造
塑料的基础原料,最初是以农副产品为主,从本世纪20年代起转向以煤和煤焦油产品为主,从50年代起逐渐转向以石油和天然气为主。
塑料工业包括三个生产系统:塑料原料(树脂或半成品及助剂)的生产,塑料制品的生产,塑料成型机械(包括模具)的制造。前两者的关系可示意如下:
从示意图中可看出三个生产系统就是塑料工业的三个组成部分,三者互相依存,缺一不可。
(二) 树脂的合成方法
1.缩聚反应。单体分子间脱掉水或其它简单分子键合成聚合物的化学反应。可分为均缩聚反应和共缩聚反应。
(1) 均缩聚反应: 带有两个官能团的一种单体进行的缩聚反应。
(2) 共缩聚反应: 两种或两种以上的双官能团单体进行的缩聚反应。
2.加聚反应。由不饱和或环状单体分子加成聚合生成聚合物的一种化学反应。反应中没有水或其它低分子副产物的释出,而且所生成的聚合物元素成分与原用单体的成分相同。按参加反应的单体种类和聚合物本身的构型,可分为均聚合反应、共聚合反应和定向聚合反应。
(1) 均聚合反应: 一种不饱和或环状单体分子间进行的聚合反应。如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。
(2) 共聚合反应: 两种或两种以上不饱和或环状的单体键合的聚合反应。如丙烯脂一丁二烯一苯乙烯共聚物(ABS)。由两种单体制得的共聚物,在聚合物链中可以有以下四种排列方式:
交替共聚物 …… -A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A一……
无规共聚物 …… -A-A-B-A-B-B-B-A-A-B-A一……
嵌段共聚物 …… -A-A-A-B-B-B-B-B-A-A-A一……
接枝共聚物 …… -A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A一……
└-B-B-B └-B-B-B
(3) 定向聚合反应: 在聚合过程中,控制反应条件,使单体聚合成具有定向有规则结构产物的反应,即全同立构型或间同立构型的聚合反应。其聚合产物叫做定向聚合物。
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五、塑料的成型和加工方法
塑料成型加工是一门工程技术,所涉及的内容是将塑料转变为塑料制品的各种工艺。在转变过程中常会发生以下一种或几种情况,如聚合物的流变以及物理、化学性能的变化等。塑料成型的方法很多,详细见表
塑料成型方法
成 型 方 法 成 型 方 法
压制成型 压缩模塑
层压
冷压模塑
传递模塑
低压成型 浇 铸 静态浇铸
嵌 铸
离心浇铸
搪 塑
旋转铸塑
滚 塑
流延铸塑
挤出成型 手糊成型
挤拉成型 纤维缠绕成型
注射成型 排气式注射成型
流动式注射成型
共注射注射成型
无流道注射成型
反应注射成型
热固注射成型 压延成型
吹塑成型 注射吹塑成型
挤出吹塑成型
拉伸吹塑薄膜 涂 覆 热熔敷
流化喷涂
火焰喷涂
静电喷涂
等离子喷涂
发泡成型 化学发泡
物理发泡
机械发泡 二次成型 热成型
双轴拉伸
固相成型
1.压缩模塑。压缩模塑又称模压,是模塑料在闭合模腔内借助加压(一般尚须加热)的成型方法。通常,压缩模塑适用于热固性塑料,如酚醛塑料、氨基塑料、不饱和聚酯塑料等。
压缩模塑由预压、预热和模压三个过程组成:
预压 为改善制品质量和提高模塑效率等,将粉料或纤维状模塑料预先压成一定形状的操作。
预热 为改善模塑料的加工性能和缩短成型周期等,把模塑料在成型前先行加热的操作。
模压 在模具内加入所需量的塑料,闭模、排气,在模塑温度和压力下保持一段时间,然后脱模清模的操作。
压缩模塑用的主要设备是压机和塑模。压机用得最多的是自给式液压机,吨位从几十吨至几百吨不等。有下压式压机和上压式压机。用于压缩模塑的模具称为压制模具,分为三类;溢料式模具、半溢料式模具不溢式模具。
压缩模塑的主要优点是可模压较大平面的制品和能大量生产,其缺点是生产周期长,效率低。
2. 层压成型。用或不用粘结剂,借加热、加压把相同或不相同材料的两层或多层结合为整体的方法。
层压成型常用层压机操作,这种压机的动压板和定压板之间装有多层可浮动热压板。
层压成型常用的增强材料有棉布、玻璃布、纸张、石棉布等,树脂有酚醛、环氧、不饱和聚酯以及某些热塑性树脂。
3. 冷压模塑。冷压模塑又叫冷压烧结成型,和普通压缩模塑的不同点是在常温下使物料加压模塑。脱模后的模塑品可再行加热或借助化学作用使其固化。该法多用于聚四氟乙烯的成型,也用于某些耐高温塑料(如聚酰亚胺等)。一般工艺过程为制坯-烧结-冷却三个步骤。
4. 传递模塑。传递模塑是热固性塑料的一种成型方式,模塑时先将模塑料在加热室加热软化,然后压入巳被加热的模腔内固化成型。传递模塑按设备不同有工种形式:① 活板式;② 罐式;③ 柱塞式。
传递模塑对塑料的要求是:在未达到固化温度前,塑料应具有较大的流动性,达到固化温度后,又须具有较快的固化速率。能符合这种要求的有酚醛、三聚氰胺甲醛和环氧树脂等。
传递模塑具有以下优点:① 制品废边少,可减少后加工量;② 能模塑带有精细或易碎嵌件和穿孔的制品,并且能保持嵌件和孔眼位置的正确;③ 制品性能均匀,尺寸准确,质量高;④ 模具的磨损较小。缺点是:⑤ 模具的制造成本较压缩模高;⑥ 塑料损耗大;⑦ 纤维增强塑料因纤维定向而产生各向异性;⑧ 围绕在嵌件四周的塑料,有时会因熔按不牢而使制品的强度降低。
5. 低压成型。使用成型压力等于或低于1.4兆帕的摸压或层压方法。
低压成型方法用于制造增强塑料制品。增强材料如玻璃纤维、纺织物、石棉、纸、碳纤维等。常用的树脂绝大多数是热固性的,如酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯、有机硅等树脂。
低压成型包括袋压法、喷射法。
(1) 袋压成型。借助弹性袋(或其它弹性隔膜)接受流体压力而使介于刚性模和弹性袋之间的增强塑料均匀受压而成为制件的一种方法。按造成流体压力的方法不同,一般可分为加压袋成型、真空袋压成型和热压釜成型等。
(2) 喷射成型。成型增强塑料制品时,用喷枪将短切纤维和树脂等同时喷在模具上积层并固化为制品的方法。
6.挤出成型。挤出成型也称挤压模塑或挤塑,它是在挤出机中通过加热、加压而使物料以流动状态连续通过口模成型的方法。
挤出法主要用于热塑性塑料的成型,也可用于某些热固性塑料。挤出的制品都是连续的型材,如管、棒、丝、板、薄膜、电线电缆包覆层等。此外,还可用于塑料的混合、塑化造粒、着色、掺合等。
挤出成型机由挤出装置、传动机构和加热、冷却系统等主要部分组成。挤出机有螺杆式(单螺杆和多螺杆)和柱塞式两种类型。前者的挤出工艺是连续式,后者是间歇式。
单螺杆挤出机的基本结构主要包括传动装置、加料装置、料筒、螺杆、机头和口模等部分。
挤出机的辅助设备有物料的前处理设备(如物料输送与干燥)、挤出物处理设备(定型、冷却、牵引、切料或辊卷)和生产条件控制设备等三大类。
7.挤拉成型。挤拉成型是热固性纤维增强塑料的成型方法之一。用于生产断面形状固定不变,长度不受限制的型材。成型工艺是将浸渍树脂胶液的连续纤维经加热模拉出,然后再通过加热室使树脂进一步固化而制备具有单向高强度连续增强塑料型材。
通常用于挤拉成型的树脂有不饱和聚酯、环氧和有机硅三种。其中不饱和聚酯树脂用得最多。
挤拉成型机通常由纤维排布装置、树脂槽、预成型装置、口模及加热装置、牵引装置和切割设备等组成.
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8.注射成型。注射成型(注塑)是使热塑性或热固性模塑料先在加热料筒中均匀塑化,而后由柱塞或移动螺杆推挤到闭合模具的模腔中成型的一种方法。
注射成型几乎适用于所有的热塑性塑料。近年来,注射成型也成功地用于成型某些热固性塑料。注射成型的成型周期短(几秒到几分钟),成型制品质量可由几克到几十千克,能一次成型外形复杂、尺寸精确、带有金属或非金属嵌件的模塑品。因此,该方法适应性强,生产效率高。
注射成型用的注射机分为柱塞式注射机和螺杆式注射机两大类,由注射系统、锁模系统和塑模三大部分组成;其成型方法可分为:
(1) 排气式注射成型。排气式注射成型应用的排气式注射机,在料筒中部设有排气口,亦与真空系统相连接,当塑料塑化时,真空泵可将塑料中合有的水汽、单体、挥发性物质及空气经排气口抽走;原料不必预干燥,从而提高生产效率,提高产品质量。特别适用于聚碳酸酯、尼龙、有机玻璃、纤维素等易吸湿的材料成型。
(2) 流动注射成型。流动注射成型可用普通移动螺杆式注射机。即塑料经不断塑化并挤入有一定温度的模具型腔内,塑料充满型腔后,螺杆停止转动,借螺杆的推力使模内物料在压力下保持适当时间,然后冷却定型。流动注射成型克服了生产大型制品的设备限制,制件质量可超过注射机的最大注射量。其特点是塑化的物件不是贮存在料筒内,而是不断挤入模具中,因此它是挤出和注射相结合的一种方法。
(3) 共注射成型。共注射成型是采用具有两个或两个以上注射单元的注射机,将不同品种或不同色泽的塑料,同时或先后注入模具内的方法。用这种方法能生产多种色彩和(或)多种塑料的复合制品,有代表性的共注射成型是双色注射和多色注射。
(4) 无流道注射成型。模具中不设置分流道,而由注射机的延伸式喷嘴直接将熔融料分注到各个模腔中的成型方法。在注射过程中,流道内的塑料保持熔融流动状态,在脱模时不与制品一同脱出,因此制件没有流道残留物。这种成型方法不仅节省原料,降低成本,而且减少工序,可以达到全自动生产。
(5) 反应注射成型。反应注射成型的原理是将反应原材料经计量装置计量后泵入混合头,在混合头中碰撞混合,然后高速注射到密闭的模具中,快速固化,脱模,取出制品。它适于加工聚氨酯、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂、醇酸树脂等一些热固性塑料和弹性体。目前主要用于聚氨酯的加工。
(6) 热固性塑料的注射成型。粒状或团状热固性塑料,在严格控制温度的料筒内,通过螺杆的作用,塑化成粘塑状态,在较高的注射压力下,物料进入一定温度范围的模具内交联固化。热固性塑料注射成型除有物理状态变化外,还有化学变化。因此与热塑性塑料注射成型比,在成型设备及加工工艺上存在着很大的差别。下表比较了热固性与热塑性塑料注射成型的差别。
热固性与热塑性塑料注射成型条件的比较
工艺条件 热固性塑料 热塑性塑料
料筒温度 塑化温度低,料筒温度在95℃以下,温度控制要求严格 塑化温度高,料筒温度在150℃以上,温度控制不严格
在料筒中的时间 短 较 长
料筒加热方式 液体介质(水、油) 电加热
模具温度 150一200℃ 100℃以下
注射压力 100-200MPa 35-140MPa
注射量 注射量较小,料筒前部余料很小 注射量较大,料筒前部余料较多
热固性塑料的注射成型应用最多的是酚醛塑料。
9.吹塑成型。借气体压力使闭合在模具中的热型坯吹胀成为中空制品,或管型坯无模吹胀成管膜的一种方法。该方法主要用于各种包装容器和管式膜的制造。凡是熔体指数为0.04 ~ 1.12的都是比较优良的中空吹塑材料,如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、热塑性聚酯、聚碳酸酯、聚酰胺、醋酸纤维素和聚缩醛树脂等,其中以聚乙烯应用得最多。
(1) 注射吹塑成型。系用注射成型法先将塑料制成有底型坯,接着再将型坯移到吹塑模中吹制成中空制品。
(2) 挤出吹塑成型。系用挤出法先将塑料制成有底型坯,接着再将型坯移到吹塑模中吹制成中空制品。
注射吹塑成型和挤出吹塑成型的不同之处是制造型坯的方法不同,吹塑过程基本上是相同的。
吹塑设备除注射机和挤出机外,主要是吹塑用的模具。吹塑模具通常由两瓣合成,其中设有冷却剂通道,分型面上小孔可插入充压气吹管。
(3) 拉伸吹塑成型。拉伸吹塑成型是双轴定向拉伸的一种吹塑成型,其方法是先将型还进行纵向拉伸,然后用压缩空气进行吹胀达到横向拉伸。拉伸吹塑成型可使制品的透明性、冲击强度、表面硬度和刚性有很大的提高,适用于聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETP)的吹塑成型。
拉伸吹塑成型包括:注射型坯定向拉伸吹塑,挤出型坯定向拉伸吹塑,多层定向拉伸吹塑,压缩成型定向拉伸吹塑等。
(4) 吹塑薄膜法。成型热塑性薄膜的一种方法。系用挤出法先将塑料挤成管,而后借助向管内吹入的空气使其连续膨胀到一定尺寸的管式膜,冷却后折叠卷绕成双层平膜。
塑料薄膜可用许多方法制造,如吹塑、挤出、流延、压延、浇铸等,但以吹塑法应用最广泛。
该方法适宜于聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺等薄膜的制造。
10.浇铸。在不加压或稍加压的情况下,将液态单体、树脂或其混合物注入模内并使其成为固态制品的方法。浇铸法分为静态浇铸、嵌铸、离心浇铸、搪塑、旋转铸塑、滚塑和流延铸塑等。
(1) 静态浇铸。静态浇铸是浇铸成型中较为简便和使用较为广泛的二种方法。这种方法常用液状单体,部分聚合或缩聚的浆状物、聚合物与单体的溶液,配入助剂(如引发剂、固化剂、促进剂等),或热塑性树脂熔体铸入模腔而成型。
(2) 嵌铸。嵌铸又称封入成型,是将各种样品、零件等包封到塑料中间的一种成型技术。即将被嵌物件置于模具中,注入单体、预聚物或聚合物等液体,然后使其聚合或固化(或硬化),脱模。这种技术已广泛用于电子工业。用于这类成型工艺的塑料品种有腮甲醛、不饱和聚酯、有机玻璃和环氧树脂等。
(3) 离心浇铸。离心浇铸是利用离心力成型管状或空心筒状制品的方法。通过挤出机或专用漏斗将定量的液态树脂或树脂分散体注入旋转并加热的容器(即模具)中,使其绕单轴高速旋转(每分钟几十转到两千转),此时放入的物料即被离心力迫使分布在模具的近壁部位。在旋转的同时,放入的物料发生固化,随后视需要经过冷却或后处理即能取得制品。在成型增强塑料制品时还可同时加入增强性的填料。
离心浇铸通常用的都是熔体粘度较小、热稳定性较好的热塑性塑料,如聚酰胺、聚乙烯等。
(4) 搪塑。搪塑是模塑中空制品的一种方法。模塑时将塑料糊倒人开口的中空模内,直至达到规定的容量。模具在装料前或装料后应进行加热,以便使物料在模具内壁变成凝胶。当凝胶达到预定厚度时,倒出过量的液体物料,并再行加热使之熔融,冷却后即可自模具内剥出制品。搪塑用的塑料主要是聚氯乙烯。
(5) 旋转铸塑。该法是将液态物料装入密闭的模具中而使它以较低速度(每分钟几转到几十转)绕单轴或多轴旋转,这样,物料即能借重力而分布在模具的内壁上,再通过加热或冷却达到固化或硬化后,即可从模具中取得制品。绕单轴旋转的用于生产圆筒形制品,绕双轴或靠振动运动的则用于生产密闭制品。
(6) 滚塑(旋转成型)。类似于旋转铸塑的一种成型方法,不同的是其所用的物料不是液体,而是烧结性干粉料。其过程是把粉料装入模具中而使它绕两个互相垂直的轴旋转、受热并均匀地在模具内壁上熔结为一体,而后再经冷却就能从模具中取得空心制品。
滚塑使用的有聚乙烯、改性聚苯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯和纤维素塑料等。
(7) 流延铸塑。制取薄膜的一种方法。制造时,先将液态树脂或树脂分散体流布在运行的载体(一般为金属带)上,随后用适当方法将其固化(或硬化),最后即可从载体上剥取薄膜。
用于生产流延薄膜的塑料有:三乙酸纤维素、聚乙烯醇、氯乙烯和乙酸乙烯的共聚物等,此外某些工程塑料如聚碳酸酯等也可用来生产流延薄膜。
11.手糊成型。手糊成型又称手工裱糊成型、接触成型,是制造增强塑料制品的方法之一。该法是在涂好脱模剂的模具上,用手工一边铺设增强材料一边涂刷树脂直到所需厚度为止,然后通过固化和脱模而取得制品。手糊成型中采用的合成树脂主要是环氧树脂和不饱和聚酯树脂。增强材料有玻璃布、无捻粗纱方格布、玻璃毡等。
12.纤维缠绕成型。在控制张力和预定线型的条件下,以浸有树脂胶液的连续丝缠绕到芯模或模具上来成型增强塑料制品。这种方法只适于制造圆柱形和球形等回转体。常用的树脂有酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂等。玻璃纤维是缠绕成型常用的增强材料,它有两种:有捻纤维和无捻纤维。
13.压延。将热塑性塑料通过一系列加热的压辊,而使其在挤压和展延作用下连结成为薄膜或片材的一种成型方法。压廷产品有薄膜、片材、人造革和其它涂层制品等。压延成型所采用的原材料主要是聚氯乙烯、纤维素、改性聚苯乙烯等。
压延设备包括压延机和其它辅机。压延机通常以辊筒数目及其排列方式分类。根据辊筒数目不同,压延机有双辊、三辊、四辊、五辊、甚至六辊,以三辊或四辊压延机用得最多。
14.涂覆。为了防腐、绝缘、装饰等目的,以液体或粉末形式在织物、纸张、金属箔或板等物体表面上涂盖塑料薄层(例如.0.3毫米以下)的方法。
涂覆法最常用的塑料一般是热塑性塑料,如聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚乙烯醇、聚三氟氯乙烯等。
涂覆工艺有热熔敷、流化喷涂、火焰喷涂、静电喷涂和等离子喷涂。
(1) 热熔敷。用压缩空气将塑料粉末经过喷枪、喷射到预热过的工件表面,塑料熔化、冷却形成覆盖层。
(2) 流化喷涂。预热的工件浸入悬浮有树脂粉末的容器中树脂粉末熔化而粘附在表面上。
(3) 火焰喷涂。将流态化树脂通过喷枪口的锥形火焰区使之熔化而实现喷涂的一种方法。
(4) 静电喷涂。利用高压静电造成静电场,即工件接地成正级,塑料粉末喷出时带有负电荷,则塑料静电喷涂到工件上。
(5) 等离子喷涂。用等离子喷枪使流经等离子发生区的惰性气体(如氩气、氮气、氦气的混合气体)成为5500 ~ 6300℃的高速高能等离子流,卷引粉状树脂以高速喷射至工件表面熔结成涂层。
15.发泡成型。发泡成型是使塑料产生微孔结构的过程。几乎所有的热固性和热塑性塑料都能制成泡沫塑料,常用的树脂有聚苯乙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯、脲甲醛、酚醛等。
按照泡孔结构可将泡沫塑料分为两类,若绝大多数气孔是互相连通的,则称为开孔泡沫塑料;如果绝大多数气孔是互相分隔的,则称为闭孔泡沫塑料。开孔或闭孔的泡沫结构是由制造方法所决定的。
(1) 化学发泡。由特意加入的化学发泡剂,受热分解或原料组分间发生化学反应而产生的气体,使塑料熔体充满泡孔。化学发泡剂在加热时释放出的气体有二氧化碳、氮气、氨气等。化学发泡常用于聚氨脂泡沫塑料的生产。
(2) 物理发泡。物理发泡是在塑料中溶入气体或液体,而后使其膨胀或气化发泡的方法。物理发泡适应的塑料品种较多。
(3) 机械发泡。借机械搅拌方法使气体混入液体混合料中,然后经定型过程形成泡孔的泡沫塑料。此法常用于脲眠甲醛树脂,其它如聚乙烯醇缩甲醛、聚乙酸乙烯、聚氯乙烯溶胶等也适用。
16.二次成型。二次成型是塑料成型加工的方法之一。以塑料型材或型坯为原料,使其通过加热和外力作用成为所需形状的制品的一种方法。
(1) 热成型。热成型是将热塑性塑料片材加热至软化,在气体压力、液体压力或机械压力下,采用适当的模具或夹具而使其成为制品的一种成型方法。塑料热成型的方法很多,一般可分为:
模压成型 采用单模(阳模或阴模)或对模,利用外加机械压力或自重,将片材制成各种制品的成型方法,它不同于一次加工的模压成型。此法适用于所有热塑性塑料。
差压成型 采用单模(阳模或阴模)或对模,也可以不用模具,在气体差压的作用下,使加热至软的塑料片材紧贴模面,冷却后制成各种制品的成型方法。差压成型又可分为真空成型和气压成型。
热成型特别适用于壁薄、表面积大的制品的制造。常用的塑料品种有各种类型的聚苯乙烯、有机玻璃、聚氯乙烯、ABS、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯等。
热成型设备包括夹持系统、加热系统、真空和压缩空气系统及成型模具等。
(2) 双轴拉伸。为使热塑性薄膜或板材等的分子重新定向,特在玻璃化温度以上所作的双向拉伸过程。拉伸定向要在聚合物的玻璃化温度和熔点之间进行,经过定向拉伸并迅速冷到室温后的薄膜或单丝,在拉伸方向上的机械性能有很大提高。
适合于定向拉伸的聚合物有:聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚偏二氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯以及某些苯乙烯共聚物。
(3) 固相成型。固相成型是热塑性塑料型材或坯料在压力下用模具使其成型为制品的方法。成型过程在塑料的熔融(成软化)温度以下(至少低于熔点10- 20℃)。均属固相成型。其中对非结晶类的塑料在玻璃化温度以上,熔点以下的高弹区域加工的常称为热成型,而在玻璃化温度以下加工的则称作冷成型或室温成型,也常称作塑料的冷加工方法或常温塑性加工。
该法有如下优点:生产周期短;提高制品的韧性和强度;设备简单,可生产大型及超大型制品;成本降低。缺点是:难以生产形状复杂、精密的制品;生产工艺难以控制,制品易变形、开裂。
固相成型包括:片材辊轧、深度拉伸或片材冲压、液压成型、挤出、冷冲压、辊筒成型等。
17.二次加工。成型后的塑料制品或型材,按需要进行的再加工,例如机械加工、连接、修饰等。下表列出了塑料二次加工的方法。
塑料二次加工方法
分 类 加 工 方 法
机械加工 锯、剪、冲、车、刨、刮、铣、钻、磨、抛光、喷砂、揉面、螺纹加工等
激光加工 裁断、打孔、刻花等
连 接 焊接 热风、加热工具、激光、旋转摩擦、振动摩擦、高频、超声、感应等
粘结 溶剂、溶液、热熔等
机械 螺钉、弹簧夹、弹簧插销、铆接、铰链等
表面装饰 涂料涂饰、溶剂增亮、涂覆、印刷、彩绘、烫印、真空镀膜、喷镀、电镀等
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六、塑料的用途
塑料巳被广泛用于农业、工业、建筑、包装、国防尖端工业以及人们日常生活等各个领域。
农业方面:大量塑料被用于制造地膜、育秧薄膜、大棚膜和排灌管道、鱼网、养殖浮漂等。
工业方面:电气和电于工业广泛使用塑料制作绝缘材料和封装材料;在机械工业中用塑料制成传动齿轮、轴承、轴瓦及许多零部件代替金属制品;在化学工业中用塑料作管道、各种容器及其它防腐材料;在建筑工业中作门窗、楼梯扶手、地板砖、天花板、隔热隔音板、壁纸、落水管件及坑管、装饰板和卫生洁具等。
在国防工业和尖端技术中,无论是常规武器、飞机、舰艇,还是火箭、导弹、人造卫星、宇宙飞船和原子能工业等,塑料都是不可缺少的材料。
在人们的日常生活中,塑料的应用更广泛,如市场上销售的塑料凉鞋、拖鞋、雨衣、手提包、儿童玩具、牙刷、肥皂盒、热水瓶壳等等。目前在各种家用电器,如电视机、收录机、电风扇、洗衣机、电冰箱等方面也获得了广泛的应用。
塑料作为一种新型包装材料,在包装领域中已获得广泛应用,例如各种中空容器、注塑容器(周转箱、集装箱、桶等),包装薄膜,编织袋、瓦楞箱、泡沫塑料、捆扎绳和打包带等。
七、塑料工业的发展历史及现状
早在19世纪以前,人们就已经利用沥青、松香、琥珀、虫胶等天然树脂。1868年将天然纤维素硝化,用樟脑作增塑剂制成了世界上第一个塑料品种,称为赛璐珞,从此开始了人类使用塑料的历史。1909年出现了第一种用人工合成的塑料-酚醛塑料。1920年又一种人工合成塑料-氨基塑料(苯胺甲醛塑料)诞生了。这两种塑料当时为推动电气工业和仪器制造工业的发展起了积极作用。
到20世纪20、30年代,相继出现了醇酸树脂、聚氯乙烯、丙烯酸酯类、聚苯乙烯和聚酰胺等塑料。从40年代至今,随着科学技术和工业的发展,石油资源的广泛开发利用,塑料工业获得迅速发展。品种上又出现了聚乙烯、聚丙烯、不饱和聚酯、氟塑料、环氧树脂、聚甲醛、聚碳酸酯、聚酰亚胺等等。下表表示各种塑料的发现及工业化年份。
主要塑料品种的工业化历史
工业化年份 热 塑 性 塑 料 热 固 性 塑 料
1868 硝酸纤维素(1833)
1909 酚醛树脂(1872)
1919 酪素塑料(1897)
1926 苯胺甲醛树脂(1892)
1927 醋酸纤维(1865) 醇酸树脂(1901)
1929 聚醋酸乙烯(1912) B8醛树脂(1918)
1931 聚丙烯酸甲酯(1880)
1935 乙基纤维素(1913)
1936 聚氯乙烯(1872)
1936 聚甲基丙烯酸甲酯(1932)
1936 聚乙烯醇缩醛(1928)
1938 聚苯乙烯(1839)
1938 聚酰胺66(1935)
1939 高压聚乙烯(1933) 三聚氰胺树脂(1935)
1939 聚偏氯乙烯(1933)
1941 不饱和聚酯树脂(1937)
1943 聚四氟乙烯 (1938) 聚硅氧烷(1931)
1947 环氧树脂(1934)
1948 聚丙烯腈(1893)
1948 腊丁苯(ABS)树脂
1948 聚三氟氯乙烯(1934)
1953 聚对苯二甲酸乙二(1941) 聚氨酯泡沫塑料(1947)
1954 低压聚乙烯(1952)
1957 聚丙烯(1954)
1958 聚环氧乙烷(1859)
1958 聚碳酸酯(1956)
1958 氯化聚醚(1950)
1959 聚甲醛(1926)
1960 聚邻(间)苯二甲酸二丙烯酯(1946)
1962 乙丙塑料
1963 聚酰亚胺(1959)
1965 聚苯并咪唑(1959)
1965 聚苯醚(PPO)(1964)
1965 聚矾
1965 聚甲基戊烯(TPX)
1969 聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)
1973 聚丁烯
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一、塑料的定义
塑料是以树脂为主要成分,在一定温度和压力下塑造成一定形状,并在常温下能保持既定形状的高分子有机材料。
树脂是指受热时通常有转化或熔融范围,转化时受外力作用具有流动性,常温下呈固态或半固态或液态的有机聚合物,它是塑料最基本的,也是最重要的成分。广义地讲,在塑料工业中作为塑料基本材料的任何聚合物都可称为树脂。
二、塑料的分类
塑料目前尚无确切的分类,一般分类如下:
1.按塑料的物理化学性能分
热塑性塑料: 在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料。如聚乙烯塑料、聚氯乙烯塑料。
热固性塑料: 因受热或其它条件能固化成不熔不溶性物料的塑料。如酚醛塑料、环氧塑料等。
2.按塑料用选分
通用塑料: -般指产量大、用途广、成型性好、价廉的塑料。如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。
工程塑料: -般指能承受一定的外力作用,并有良好的机械性能和尺寸稳定性,在高、低温下仍能保持其优良性能,可以作为工程结构件的塑料。如ABS、尼龙、聚矾等。
特种塑料: -般指具有特种功能(如耐热、自润滑等),应用于特殊要求的塑料。如氟塑料、有机硅等。
3.按塑料成型方法分
模压塑料: 供模压用的树脂混合料。如一般热固性塑料。
层压塑料: 指浸有树脂的纤维织物,可经叠合、热压结合而成为整体材料。
注射、挤出和吹塑塑料: -般指能在料筒温度下熔融、流动,在模具中迅速硬化的树脂混合科。如一般热塑性塑料。
浇铸塑料: 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。
反应注射模塑料: 一般指液态原材料,加压注入模腔内,使其反应固化制得成品。如聚氨脂类。
4.按塑料半制品和制品分
模塑粉: 又称塑料粉,主要由热固性树脂(如酚醛)和填料等经充分混合、按压、粉碎而得。如酚醛塑料粉。
增强塑料: 加有增强材料而某些力学性能比原树脂有较大提高的一类塑料。
泡沫塑料: 整体内合有无数微孔的塑料。
薄膜: 一般指厚度在O.25毫米以下的平整而柔软的塑料制品。
此外,工程塑料、增强塑料和泡沫塑料又有其不同的类别,见下表:
工程塑料的分类
类 别 聚 合 物
通用工程塑料 尼龙、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 非交联型 聚矾、聚醚矾、聚苯硫醚、聚芳酯、聚酰亚胺、聚醚醚酮、氟树脂等
交联型 聚氨基双马来酰胺、聚三嗪、交联聚酰亚胺、耐热环氧树脂等
增强塑料的分类
按增强材料
的外形分类 粒状增强塑料 如钙塑塑料
纤维增强塑料 如玻璃纤维或玻璃布增强塑料
片状增强塑料 如云母增强塑料
按增强材料
的材质分类 布基、石棉增强塑料 如碎布增强塑料
无机矿物填充塑料 如石英、云母填充塑料
玻纤增强塑料 如预浸渍料,SMC、BMC等
特种纤维增强塑料 如碳纤维、凯芙拉纤维增强塑料
金属纤维增强塑料 如钢丝增强塑料
泡沫塑料的分类
类 别 定 义
硬质泡沫塑料 无柔韧性,压缩硬度大,应力达到一定值方产生变形,解除应力后本能恢复原状的泡沫塑料
半硬质泡沫塑料 柔韧性介于硬质和软质泡沫塑料之间的泡沫塑料
软质泡沫塑料 富有柔韧性,压缩硬度很小,应力解除后能恢复原状,残余变形较小的泡抹塑料
三、塑料的基本性能
1.质轻、比强度高。塑料质轻,一般塑料的密度都在0.9 ~ 2.3克/厘米3之间,只有钢铁的1/8 ~1/4、铝的1/2左右,而各种泡沫塑料的密度更低,约在0.01 ~ O.5克/厘米3之间。按单位质量计算的强度称为比强度,有些增强塑料的比强度接近甚至超过钢材。例如合金钢材,其单位质量的拉伸强度为160兆帕,而用玻璃纤维增强的塑料可达到170 ~ 400兆帕。
2.优异的电绝缘性能。几乎所有的塑料都具有优异的电绝缘性能,如极小的介电损耗和优良的耐电弧特性,这些性能可与陶瓷媲美。
3.优良的化学稳定性能。一般塑料对酸碱等化学药品均有良好的耐腐蚀能力,特别是聚四氟乙烯的耐化学腐蚀性能比黄金还要好,甚至能耐"王水"等强腐蚀性电解质的腐蚀,被称为"塑料王"。
4.减摩、耐磨性能好。大多数塑料具有优良的减摩、耐磨和自润滑特性。许多工程塑料制造的耐摩擦零件就是利用塑料的这些特性,在耐磨塑料中加入某些固体润滑剂和填料时,可降低其摩擦系数或进一步提高其耐磨性能。
5.透光及防护性能。多数塑料都可以作为透明或半透明制品,其中聚苯乙烯和丙烯酸酯类塑料象玻璃一样透明。有机玻璃化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯,可用作航空玻璃材料。聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等塑料薄膜具有良好的透光和保暖性能,大量用作农用薄膜。塑料具有多种防护性能,因此常用作防护保装用品,如塑料薄膜、箱、桶、瓶等。
6.减震、消音性能优良。某些塑料柔韧而富于弹性,当它受到外界频繁的机械冲击和振动时,内部产生粘性内耗,将机械能转变成热能,因此,工程上用作减震消音材料。例如,用工程塑料制作的轴承和齿可减小噪音,各种泡沫塑料更是广泛使用的优良减震消音材料。
上述塑料的优良性能,使它在工农业生产和人们的日常生活中具有广泛用途;它已从过去作为金属、玻璃、陶瓷、木材和纤维等材料的代用品,而一跃成为现代生活和尖端工业不可缺少的材料。
然而,塑料也有不足之处。例如,耐热性比金属等材料差,一般塑料仅能在100℃以下温度使用,少数200℃左右使用;塑料的热膨胀系数要比金属大 3 ~ 10倍,容易受温度变化而影响尺寸的稳定性;在载荷作用下,塑料会缓慢地产生粘性流动或变形,即蠕变现象;此外,塑料在大气、阳光、长期的压力或某些质作用下会发生老化,使性能变坏等。塑料的这些缺点或多或少地影响或限制了它的应用。但是,随着塑料工业的发展和塑料材料研究工作的深入,这些缺点正被逐渐克服,性能优异的新颖塑料和各种塑料复合材料正不断涌现。
四、塑料的制造和树脂的合成方法
(一) 塑料的制造
塑料的基础原料,最初是以农副产品为主,从本世纪20年代起转向以煤和煤焦油产品为主,从50年代起逐渐转向以石油和天然气为主。
塑料工业包括三个生产系统:塑料原料(树脂或半成品及助剂)的生产,塑料制品的生产,塑料成型机械(包括模具)的制造。前两者的关系可示意如下:
从示意图中可看出三个生产系统就是塑料工业的三个组成部分,三者互相依存,缺一不可。
(二) 树脂的合成方法
1.缩聚反应。单体分子间脱掉水或其它简单分子键合成聚合物的化学反应。可分为均缩聚反应和共缩聚反应。
(1) 均缩聚反应: 带有两个官能团的一种单体进行的缩聚反应。
(2) 共缩聚反应: 两种或两种以上的双官能团单体进行的缩聚反应。
2.加聚反应。由不饱和或环状单体分子加成聚合生成聚合物的一种化学反应。反应中没有水或其它低分子副产物的释出,而且所生成的聚合物元素成分与原用单体的成分相同。按参加反应的单体种类和聚合物本身的构型,可分为均聚合反应、共聚合反应和定向聚合反应。
(1) 均聚合反应: 一种不饱和或环状单体分子间进行的聚合反应。如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。
(2) 共聚合反应: 两种或两种以上不饱和或环状的单体键合的聚合反应。如丙烯脂一丁二烯一苯乙烯共聚物(ABS)。由两种单体制得的共聚物,在聚合物链中可以有以下四种排列方式:
交替共聚物 …… -A-B-A-B-A-B-A-B-A-B-A一……
无规共聚物 …… -A-A-B-A-B-B-B-A-A-B-A一……
嵌段共聚物 …… -A-A-A-B-B-B-B-B-A-A-A一……
接枝共聚物 …… -A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A一……
└-B-B-B └-B-B-B
(3) 定向聚合反应: 在聚合过程中,控制反应条件,使单体聚合成具有定向有规则结构产物的反应,即全同立构型或间同立构型的聚合反应。其聚合产物叫做定向聚合物。
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五、塑料的成型和加工方法
塑料成型加工是一门工程技术,所涉及的内容是将塑料转变为塑料制品的各种工艺。在转变过程中常会发生以下一种或几种情况,如聚合物的流变以及物理、化学性能的变化等。塑料成型的方法很多,详细见表
塑料成型方法
成 型 方 法 成 型 方 法
压制成型 压缩模塑
层压
冷压模塑
传递模塑
低压成型 浇 铸 静态浇铸
嵌 铸
离心浇铸
搪 塑
旋转铸塑
滚 塑
流延铸塑
挤出成型 手糊成型
挤拉成型 纤维缠绕成型
注射成型 排气式注射成型
流动式注射成型
共注射注射成型
无流道注射成型
反应注射成型
热固注射成型 压延成型
吹塑成型 注射吹塑成型
挤出吹塑成型
拉伸吹塑薄膜 涂 覆 热熔敷
流化喷涂
火焰喷涂
静电喷涂
等离子喷涂
发泡成型 化学发泡
物理发泡
机械发泡 二次成型 热成型
双轴拉伸
固相成型
1.压缩模塑。压缩模塑又称模压,是模塑料在闭合模腔内借助加压(一般尚须加热)的成型方法。通常,压缩模塑适用于热固性塑料,如酚醛塑料、氨基塑料、不饱和聚酯塑料等。
压缩模塑由预压、预热和模压三个过程组成:
预压 为改善制品质量和提高模塑效率等,将粉料或纤维状模塑料预先压成一定形状的操作。
预热 为改善模塑料的加工性能和缩短成型周期等,把模塑料在成型前先行加热的操作。
模压 在模具内加入所需量的塑料,闭模、排气,在模塑温度和压力下保持一段时间,然后脱模清模的操作。
压缩模塑用的主要设备是压机和塑模。压机用得最多的是自给式液压机,吨位从几十吨至几百吨不等。有下压式压机和上压式压机。用于压缩模塑的模具称为压制模具,分为三类;溢料式模具、半溢料式模具不溢式模具。
压缩模塑的主要优点是可模压较大平面的制品和能大量生产,其缺点是生产周期长,效率低。
2. 层压成型。用或不用粘结剂,借加热、加压把相同或不相同材料的两层或多层结合为整体的方法。
层压成型常用层压机操作,这种压机的动压板和定压板之间装有多层可浮动热压板。
层压成型常用的增强材料有棉布、玻璃布、纸张、石棉布等,树脂有酚醛、环氧、不饱和聚酯以及某些热塑性树脂。
3. 冷压模塑。冷压模塑又叫冷压烧结成型,和普通压缩模塑的不同点是在常温下使物料加压模塑。脱模后的模塑品可再行加热或借助化学作用使其固化。该法多用于聚四氟乙烯的成型,也用于某些耐高温塑料(如聚酰亚胺等)。一般工艺过程为制坯-烧结-冷却三个步骤。
4. 传递模塑。传递模塑是热固性塑料的一种成型方式,模塑时先将模塑料在加热室加热软化,然后压入巳被加热的模腔内固化成型。传递模塑按设备不同有工种形式:① 活板式;② 罐式;③ 柱塞式。
传递模塑对塑料的要求是:在未达到固化温度前,塑料应具有较大的流动性,达到固化温度后,又须具有较快的固化速率。能符合这种要求的有酚醛、三聚氰胺甲醛和环氧树脂等。
传递模塑具有以下优点:① 制品废边少,可减少后加工量;② 能模塑带有精细或易碎嵌件和穿孔的制品,并且能保持嵌件和孔眼位置的正确;③ 制品性能均匀,尺寸准确,质量高;④ 模具的磨损较小。缺点是:⑤ 模具的制造成本较压缩模高;⑥ 塑料损耗大;⑦ 纤维增强塑料因纤维定向而产生各向异性;⑧ 围绕在嵌件四周的塑料,有时会因熔按不牢而使制品的强度降低。
5. 低压成型。使用成型压力等于或低于1.4兆帕的摸压或层压方法。
低压成型方法用于制造增强塑料制品。增强材料如玻璃纤维、纺织物、石棉、纸、碳纤维等。常用的树脂绝大多数是热固性的,如酚醛、环氧、氨基、不饱和聚酯、有机硅等树脂。
低压成型包括袋压法、喷射法。
(1) 袋压成型。借助弹性袋(或其它弹性隔膜)接受流体压力而使介于刚性模和弹性袋之间的增强塑料均匀受压而成为制件的一种方法。按造成流体压力的方法不同,一般可分为加压袋成型、真空袋压成型和热压釜成型等。
(2) 喷射成型。成型增强塑料制品时,用喷枪将短切纤维和树脂等同时喷在模具上积层并固化为制品的方法。
6.挤出成型。挤出成型也称挤压模塑或挤塑,它是在挤出机中通过加热、加压而使物料以流动状态连续通过口模成型的方法。
挤出法主要用于热塑性塑料的成型,也可用于某些热固性塑料。挤出的制品都是连续的型材,如管、棒、丝、板、薄膜、电线电缆包覆层等。此外,还可用于塑料的混合、塑化造粒、着色、掺合等。
挤出成型机由挤出装置、传动机构和加热、冷却系统等主要部分组成。挤出机有螺杆式(单螺杆和多螺杆)和柱塞式两种类型。前者的挤出工艺是连续式,后者是间歇式。
单螺杆挤出机的基本结构主要包括传动装置、加料装置、料筒、螺杆、机头和口模等部分。
挤出机的辅助设备有物料的前处理设备(如物料输送与干燥)、挤出物处理设备(定型、冷却、牵引、切料或辊卷)和生产条件控制设备等三大类。
7.挤拉成型。挤拉成型是热固性纤维增强塑料的成型方法之一。用于生产断面形状固定不变,长度不受限制的型材。成型工艺是将浸渍树脂胶液的连续纤维经加热模拉出,然后再通过加热室使树脂进一步固化而制备具有单向高强度连续增强塑料型材。
通常用于挤拉成型的树脂有不饱和聚酯、环氧和有机硅三种。其中不饱和聚酯树脂用得最多。
挤拉成型机通常由纤维排布装置、树脂槽、预成型装置、口模及加热装置、牵引装置和切割设备等组成.
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8.注射成型。注射成型(注塑)是使热塑性或热固性模塑料先在加热料筒中均匀塑化,而后由柱塞或移动螺杆推挤到闭合模具的模腔中成型的一种方法。
注射成型几乎适用于所有的热塑性塑料。近年来,注射成型也成功地用于成型某些热固性塑料。注射成型的成型周期短(几秒到几分钟),成型制品质量可由几克到几十千克,能一次成型外形复杂、尺寸精确、带有金属或非金属嵌件的模塑品。因此,该方法适应性强,生产效率高。
注射成型用的注射机分为柱塞式注射机和螺杆式注射机两大类,由注射系统、锁模系统和塑模三大部分组成;其成型方法可分为:
(1) 排气式注射成型。排气式注射成型应用的排气式注射机,在料筒中部设有排气口,亦与真空系统相连接,当塑料塑化时,真空泵可将塑料中合有的水汽、单体、挥发性物质及空气经排气口抽走;原料不必预干燥,从而提高生产效率,提高产品质量。特别适用于聚碳酸酯、尼龙、有机玻璃、纤维素等易吸湿的材料成型。
(2) 流动注射成型。流动注射成型可用普通移动螺杆式注射机。即塑料经不断塑化并挤入有一定温度的模具型腔内,塑料充满型腔后,螺杆停止转动,借螺杆的推力使模内物料在压力下保持适当时间,然后冷却定型。流动注射成型克服了生产大型制品的设备限制,制件质量可超过注射机的最大注射量。其特点是塑化的物件不是贮存在料筒内,而是不断挤入模具中,因此它是挤出和注射相结合的一种方法。
(3) 共注射成型。共注射成型是采用具有两个或两个以上注射单元的注射机,将不同品种或不同色泽的塑料,同时或先后注入模具内的方法。用这种方法能生产多种色彩和(或)多种塑料的复合制品,有代表性的共注射成型是双色注射和多色注射。
(4) 无流道注射成型。模具中不设置分流道,而由注射机的延伸式喷嘴直接将熔融料分注到各个模腔中的成型方法。在注射过程中,流道内的塑料保持熔融流动状态,在脱模时不与制品一同脱出,因此制件没有流道残留物。这种成型方法不仅节省原料,降低成本,而且减少工序,可以达到全自动生产。
(5) 反应注射成型。反应注射成型的原理是将反应原材料经计量装置计量后泵入混合头,在混合头中碰撞混合,然后高速注射到密闭的模具中,快速固化,脱模,取出制品。它适于加工聚氨酯、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、有机硅树脂、醇酸树脂等一些热固性塑料和弹性体。目前主要用于聚氨酯的加工。
(6) 热固性塑料的注射成型。粒状或团状热固性塑料,在严格控制温度的料筒内,通过螺杆的作用,塑化成粘塑状态,在较高的注射压力下,物料进入一定温度范围的模具内交联固化。热固性塑料注射成型除有物理状态变化外,还有化学变化。因此与热塑性塑料注射成型比,在成型设备及加工工艺上存在着很大的差别。下表比较了热固性与热塑性塑料注射成型的差别。
热固性与热塑性塑料注射成型条件的比较
工艺条件 热固性塑料 热塑性塑料
料筒温度 塑化温度低,料筒温度在95℃以下,温度控制要求严格 塑化温度高,料筒温度在150℃以上,温度控制不严格
在料筒中的时间 短 较 长
料筒加热方式 液体介质(水、油) 电加热
模具温度 150一200℃ 100℃以下
注射压力 100-200MPa 35-140MPa
注射量 注射量较小,料筒前部余料很小 注射量较大,料筒前部余料较多
热固性塑料的注射成型应用最多的是酚醛塑料。
9.吹塑成型。借气体压力使闭合在模具中的热型坯吹胀成为中空制品,或管型坯无模吹胀成管膜的一种方法。该方法主要用于各种包装容器和管式膜的制造。凡是熔体指数为0.04 ~ 1.12的都是比较优良的中空吹塑材料,如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、热塑性聚酯、聚碳酸酯、聚酰胺、醋酸纤维素和聚缩醛树脂等,其中以聚乙烯应用得最多。
(1) 注射吹塑成型。系用注射成型法先将塑料制成有底型坯,接着再将型坯移到吹塑模中吹制成中空制品。
(2) 挤出吹塑成型。系用挤出法先将塑料制成有底型坯,接着再将型坯移到吹塑模中吹制成中空制品。
注射吹塑成型和挤出吹塑成型的不同之处是制造型坯的方法不同,吹塑过程基本上是相同的。
吹塑设备除注射机和挤出机外,主要是吹塑用的模具。吹塑模具通常由两瓣合成,其中设有冷却剂通道,分型面上小孔可插入充压气吹管。
(3) 拉伸吹塑成型。拉伸吹塑成型是双轴定向拉伸的一种吹塑成型,其方法是先将型还进行纵向拉伸,然后用压缩空气进行吹胀达到横向拉伸。拉伸吹塑成型可使制品的透明性、冲击强度、表面硬度和刚性有很大的提高,适用于聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETP)的吹塑成型。
拉伸吹塑成型包括:注射型坯定向拉伸吹塑,挤出型坯定向拉伸吹塑,多层定向拉伸吹塑,压缩成型定向拉伸吹塑等。
(4) 吹塑薄膜法。成型热塑性薄膜的一种方法。系用挤出法先将塑料挤成管,而后借助向管内吹入的空气使其连续膨胀到一定尺寸的管式膜,冷却后折叠卷绕成双层平膜。
塑料薄膜可用许多方法制造,如吹塑、挤出、流延、压延、浇铸等,但以吹塑法应用最广泛。
该方法适宜于聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺等薄膜的制造。
10.浇铸。在不加压或稍加压的情况下,将液态单体、树脂或其混合物注入模内并使其成为固态制品的方法。浇铸法分为静态浇铸、嵌铸、离心浇铸、搪塑、旋转铸塑、滚塑和流延铸塑等。
(1) 静态浇铸。静态浇铸是浇铸成型中较为简便和使用较为广泛的二种方法。这种方法常用液状单体,部分聚合或缩聚的浆状物、聚合物与单体的溶液,配入助剂(如引发剂、固化剂、促进剂等),或热塑性树脂熔体铸入模腔而成型。
(2) 嵌铸。嵌铸又称封入成型,是将各种样品、零件等包封到塑料中间的一种成型技术。即将被嵌物件置于模具中,注入单体、预聚物或聚合物等液体,然后使其聚合或固化(或硬化),脱模。这种技术已广泛用于电子工业。用于这类成型工艺的塑料品种有腮甲醛、不饱和聚酯、有机玻璃和环氧树脂等。
(3) 离心浇铸。离心浇铸是利用离心力成型管状或空心筒状制品的方法。通过挤出机或专用漏斗将定量的液态树脂或树脂分散体注入旋转并加热的容器(即模具)中,使其绕单轴高速旋转(每分钟几十转到两千转),此时放入的物料即被离心力迫使分布在模具的近壁部位。在旋转的同时,放入的物料发生固化,随后视需要经过冷却或后处理即能取得制品。在成型增强塑料制品时还可同时加入增强性的填料。
离心浇铸通常用的都是熔体粘度较小、热稳定性较好的热塑性塑料,如聚酰胺、聚乙烯等。
(4) 搪塑。搪塑是模塑中空制品的一种方法。模塑时将塑料糊倒人开口的中空模内,直至达到规定的容量。模具在装料前或装料后应进行加热,以便使物料在模具内壁变成凝胶。当凝胶达到预定厚度时,倒出过量的液体物料,并再行加热使之熔融,冷却后即可自模具内剥出制品。搪塑用的塑料主要是聚氯乙烯。
(5) 旋转铸塑。该法是将液态物料装入密闭的模具中而使它以较低速度(每分钟几转到几十转)绕单轴或多轴旋转,这样,物料即能借重力而分布在模具的内壁上,再通过加热或冷却达到固化或硬化后,即可从模具中取得制品。绕单轴旋转的用于生产圆筒形制品,绕双轴或靠振动运动的则用于生产密闭制品。
(6) 滚塑(旋转成型)。类似于旋转铸塑的一种成型方法,不同的是其所用的物料不是液体,而是烧结性干粉料。其过程是把粉料装入模具中而使它绕两个互相垂直的轴旋转、受热并均匀地在模具内壁上熔结为一体,而后再经冷却就能从模具中取得空心制品。
滚塑使用的有聚乙烯、改性聚苯乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯和纤维素塑料等。
(7) 流延铸塑。制取薄膜的一种方法。制造时,先将液态树脂或树脂分散体流布在运行的载体(一般为金属带)上,随后用适当方法将其固化(或硬化),最后即可从载体上剥取薄膜。
用于生产流延薄膜的塑料有:三乙酸纤维素、聚乙烯醇、氯乙烯和乙酸乙烯的共聚物等,此外某些工程塑料如聚碳酸酯等也可用来生产流延薄膜。
11.手糊成型。手糊成型又称手工裱糊成型、接触成型,是制造增强塑料制品的方法之一。该法是在涂好脱模剂的模具上,用手工一边铺设增强材料一边涂刷树脂直到所需厚度为止,然后通过固化和脱模而取得制品。手糊成型中采用的合成树脂主要是环氧树脂和不饱和聚酯树脂。增强材料有玻璃布、无捻粗纱方格布、玻璃毡等。
12.纤维缠绕成型。在控制张力和预定线型的条件下,以浸有树脂胶液的连续丝缠绕到芯模或模具上来成型增强塑料制品。这种方法只适于制造圆柱形和球形等回转体。常用的树脂有酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯树脂等。玻璃纤维是缠绕成型常用的增强材料,它有两种:有捻纤维和无捻纤维。
13.压延。将热塑性塑料通过一系列加热的压辊,而使其在挤压和展延作用下连结成为薄膜或片材的一种成型方法。压廷产品有薄膜、片材、人造革和其它涂层制品等。压延成型所采用的原材料主要是聚氯乙烯、纤维素、改性聚苯乙烯等。
压延设备包括压延机和其它辅机。压延机通常以辊筒数目及其排列方式分类。根据辊筒数目不同,压延机有双辊、三辊、四辊、五辊、甚至六辊,以三辊或四辊压延机用得最多。
14.涂覆。为了防腐、绝缘、装饰等目的,以液体或粉末形式在织物、纸张、金属箔或板等物体表面上涂盖塑料薄层(例如.0.3毫米以下)的方法。
涂覆法最常用的塑料一般是热塑性塑料,如聚乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚乙烯醇、聚三氟氯乙烯等。
涂覆工艺有热熔敷、流化喷涂、火焰喷涂、静电喷涂和等离子喷涂。
(1) 热熔敷。用压缩空气将塑料粉末经过喷枪、喷射到预热过的工件表面,塑料熔化、冷却形成覆盖层。
(2) 流化喷涂。预热的工件浸入悬浮有树脂粉末的容器中树脂粉末熔化而粘附在表面上。
(3) 火焰喷涂。将流态化树脂通过喷枪口的锥形火焰区使之熔化而实现喷涂的一种方法。
(4) 静电喷涂。利用高压静电造成静电场,即工件接地成正级,塑料粉末喷出时带有负电荷,则塑料静电喷涂到工件上。
(5) 等离子喷涂。用等离子喷枪使流经等离子发生区的惰性气体(如氩气、氮气、氦气的混合气体)成为5500 ~ 6300℃的高速高能等离子流,卷引粉状树脂以高速喷射至工件表面熔结成涂层。
15.发泡成型。发泡成型是使塑料产生微孔结构的过程。几乎所有的热固性和热塑性塑料都能制成泡沫塑料,常用的树脂有聚苯乙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯、脲甲醛、酚醛等。
按照泡孔结构可将泡沫塑料分为两类,若绝大多数气孔是互相连通的,则称为开孔泡沫塑料;如果绝大多数气孔是互相分隔的,则称为闭孔泡沫塑料。开孔或闭孔的泡沫结构是由制造方法所决定的。
(1) 化学发泡。由特意加入的化学发泡剂,受热分解或原料组分间发生化学反应而产生的气体,使塑料熔体充满泡孔。化学发泡剂在加热时释放出的气体有二氧化碳、氮气、氨气等。化学发泡常用于聚氨脂泡沫塑料的生产。
(2) 物理发泡。物理发泡是在塑料中溶入气体或液体,而后使其膨胀或气化发泡的方法。物理发泡适应的塑料品种较多。
(3) 机械发泡。借机械搅拌方法使气体混入液体混合料中,然后经定型过程形成泡孔的泡沫塑料。此法常用于脲眠甲醛树脂,其它如聚乙烯醇缩甲醛、聚乙酸乙烯、聚氯乙烯溶胶等也适用。
16.二次成型。二次成型是塑料成型加工的方法之一。以塑料型材或型坯为原料,使其通过加热和外力作用成为所需形状的制品的一种方法。
(1) 热成型。热成型是将热塑性塑料片材加热至软化,在气体压力、液体压力或机械压力下,采用适当的模具或夹具而使其成为制品的一种成型方法。塑料热成型的方法很多,一般可分为:
模压成型 采用单模(阳模或阴模)或对模,利用外加机械压力或自重,将片材制成各种制品的成型方法,它不同于一次加工的模压成型。此法适用于所有热塑性塑料。
差压成型 采用单模(阳模或阴模)或对模,也可以不用模具,在气体差压的作用下,使加热至软的塑料片材紧贴模面,冷却后制成各种制品的成型方法。差压成型又可分为真空成型和气压成型。
热成型特别适用于壁薄、表面积大的制品的制造。常用的塑料品种有各种类型的聚苯乙烯、有机玻璃、聚氯乙烯、ABS、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯等。
热成型设备包括夹持系统、加热系统、真空和压缩空气系统及成型模具等。
(2) 双轴拉伸。为使热塑性薄膜或板材等的分子重新定向,特在玻璃化温度以上所作的双向拉伸过程。拉伸定向要在聚合物的玻璃化温度和熔点之间进行,经过定向拉伸并迅速冷到室温后的薄膜或单丝,在拉伸方向上的机械性能有很大提高。
适合于定向拉伸的聚合物有:聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚偏二氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯以及某些苯乙烯共聚物。
(3) 固相成型。固相成型是热塑性塑料型材或坯料在压力下用模具使其成型为制品的方法。成型过程在塑料的熔融(成软化)温度以下(至少低于熔点10- 20℃)。均属固相成型。其中对非结晶类的塑料在玻璃化温度以上,熔点以下的高弹区域加工的常称为热成型,而在玻璃化温度以下加工的则称作冷成型或室温成型,也常称作塑料的冷加工方法或常温塑性加工。
该法有如下优点:生产周期短;提高制品的韧性和强度;设备简单,可生产大型及超大型制品;成本降低。缺点是:难以生产形状复杂、精密的制品;生产工艺难以控制,制品易变形、开裂。
固相成型包括:片材辊轧、深度拉伸或片材冲压、液压成型、挤出、冷冲压、辊筒成型等。
17.二次加工。成型后的塑料制品或型材,按需要进行的再加工,例如机械加工、连接、修饰等。下表列出了塑料二次加工的方法。
塑料二次加工方法
分 类 加 工 方 法
机械加工 锯、剪、冲、车、刨、刮、铣、钻、磨、抛光、喷砂、揉面、螺纹加工等
激光加工 裁断、打孔、刻花等
连 接 焊接 热风、加热工具、激光、旋转摩擦、振动摩擦、高频、超声、感应等
粘结 溶剂、溶液、热熔等
机械 螺钉、弹簧夹、弹簧插销、铆接、铰链等
表面装饰 涂料涂饰、溶剂增亮、涂覆、印刷、彩绘、烫印、真空镀膜、喷镀、电镀等
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六、塑料的用途
塑料巳被广泛用于农业、工业、建筑、包装、国防尖端工业以及人们日常生活等各个领域。
农业方面:大量塑料被用于制造地膜、育秧薄膜、大棚膜和排灌管道、鱼网、养殖浮漂等。
工业方面:电气和电于工业广泛使用塑料制作绝缘材料和封装材料;在机械工业中用塑料制成传动齿轮、轴承、轴瓦及许多零部件代替金属制品;在化学工业中用塑料作管道、各种容器及其它防腐材料;在建筑工业中作门窗、楼梯扶手、地板砖、天花板、隔热隔音板、壁纸、落水管件及坑管、装饰板和卫生洁具等。
在国防工业和尖端技术中,无论是常规武器、飞机、舰艇,还是火箭、导弹、人造卫星、宇宙飞船和原子能工业等,塑料都是不可缺少的材料。
在人们的日常生活中,塑料的应用更广泛,如市场上销售的塑料凉鞋、拖鞋、雨衣、手提包、儿童玩具、牙刷、肥皂盒、热水瓶壳等等。目前在各种家用电器,如电视机、收录机、电风扇、洗衣机、电冰箱等方面也获得了广泛的应用。
塑料作为一种新型包装材料,在包装领域中已获得广泛应用,例如各种中空容器、注塑容器(周转箱、集装箱、桶等),包装薄膜,编织袋、瓦楞箱、泡沫塑料、捆扎绳和打包带等。
七、塑料工业的发展历史及现状
早在19世纪以前,人们就已经利用沥青、松香、琥珀、虫胶等天然树脂。1868年将天然纤维素硝化,用樟脑作增塑剂制成了世界上第一个塑料品种,称为赛璐珞,从此开始了人类使用塑料的历史。1909年出现了第一种用人工合成的塑料-酚醛塑料。1920年又一种人工合成塑料-氨基塑料(苯胺甲醛塑料)诞生了。这两种塑料当时为推动电气工业和仪器制造工业的发展起了积极作用。
到20世纪20、30年代,相继出现了醇酸树脂、聚氯乙烯、丙烯酸酯类、聚苯乙烯和聚酰胺等塑料。从40年代至今,随着科学技术和工业的发展,石油资源的广泛开发利用,塑料工业获得迅速发展。品种上又出现了聚乙烯、聚丙烯、不饱和聚酯、氟塑料、环氧树脂、聚甲醛、聚碳酸酯、聚酰亚胺等等。下表表示各种塑料的发现及工业化年份。
主要塑料品种的工业化历史
工业化年份 热 塑 性 塑 料 热 固 性 塑 料
1868 硝酸纤维素(1833)
1909 酚醛树脂(1872)
1919 酪素塑料(1897)
1926 苯胺甲醛树脂(1892)
1927 醋酸纤维(1865) 醇酸树脂(1901)
1929 聚醋酸乙烯(1912) B8醛树脂(1918)
1931 聚丙烯酸甲酯(1880)
1935 乙基纤维素(1913)
1936 聚氯乙烯(1872)
1936 聚甲基丙烯酸甲酯(1932)
1936 聚乙烯醇缩醛(1928)
1938 聚苯乙烯(1839)
1938 聚酰胺66(1935)
1939 高压聚乙烯(1933) 三聚氰胺树脂(1935)
1939 聚偏氯乙烯(1933)
1941 不饱和聚酯树脂(1937)
1943 聚四氟乙烯 (1938) 聚硅氧烷(1931)
1947 环氧树脂(1934)
1948 聚丙烯腈(1893)
1948 腊丁苯(ABS)树脂
1948 聚三氟氯乙烯(1934)
1953 聚对苯二甲酸乙二(1941) 聚氨酯泡沫塑料(1947)
1954 低压聚乙烯(1952)
1957 聚丙烯(1954)
1958 聚环氧乙烷(1859)
1958 聚碳酸酯(1956)
1958 氯化聚醚(1950)
1959 聚甲醛(1926)
1960 聚邻(间)苯二甲酸二丙烯酯(1946)
1962 乙丙塑料
1963 聚酰亚胺(1959)
1965 聚苯并咪唑(1959)
1965 聚苯醚(PPO)(1964)
1965 聚矾
1965 聚甲基戊烯(TPX)
1969 聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)
1973 聚丁烯
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注塑级聚丙烯专用料ZK-1240D的开发与生产www.tool-tool.com
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注塑级中高抗冲PP专用料在我国是一直依靠大量进口(如用于铅酸蓄电池外壳、家电塑料、汽车塑料)。其中仅AY-564进口料1998年在国内市场消费量就在54-62kt/a。独山子乙烯厂的70kt/aPP装置是引进Himont的液相环管加气相流化床专利技术,能生产均聚、共聚多种牌号的PP基础或专用料,其各项指标性能与进口料AY-564媲美,完全能取代AY-564。PP注塑专用料需要较高的流动性(一般MFR在10-16g/10min),其冲击强度要尽可能高(常温≥70J/m,低温≥40J/m),屈服拉伸强度不小于25PMa,洛氏硬度≥65。目前国内十大PP装置均未能大规模成熟生产。本文介绍的ZK-1240D是综合物理共混和嵌段共聚的优点开发成功的。即选择合适的基础料EPF30R,在挤压造粒工段加入复合(成核)改性剂,适当调节装置工艺参数,这样达到提高基础树脂的常温、低温冲击性,并保持基础树脂的高流动性及刚性。 1 聚丙烯注塑专用料ZK-1240D的开发生产 1.1 基础树脂的选择 合适的基础料应该是具有高流动性能的共聚级PP,而且能平稳大量生产。综合以上几点选择MI为12-16g/min的共聚级 PP为基础料。基础料与AY-564对比见表1。 表1 基础料与AY-564的性能对比 EPF30R AY-564 方法 MFR/g. (10min)-1≥ 12 15 GB3682-88 屈服强度/Mpa≥ 25 23 GB1040-92 拉伸屈服伸长率,% ≥ 580 100 GB1040-92 弯曲模量Mpa≥ 1111 1000 GB9341-88 悬臂梁缺口冲击强度/J.m-1, 23℃ 46 70 GB9432-88 悬臂梁缺口冲击强度/J.m-1,-20℃ 22 28 GB9432-88 洛氏硬度 72 75 GB1634-79 1.2 基础树脂生产工艺及主要参数的确定 生产装置工艺是(海蒙特)液相环管+气相流化床组合工艺,采用三组份催化剂。可催化剂为FT-4S-MgCl2+邻苯二甲酸乙-丁酯--TiCl4;Teal给电子体 ;CMMS。生产流程如图1所示。 造粒单元的基本参数:挤压机转速242.4r/min;筒体冷却水温60℃;颗粒冷却水温(TICS8336)60℃。挤压机间隙(ZIC8302)19mm ;颗粒冷却水流量(FISL8307)≥120m3/h ;G/P入口压力(PICS8317)0.5-4.9MPa;换网器前压力:(PISH83-15)< 18.8MPa;齿轮泵转速600r/min;切粒机转速1100r/min;齿轮泵入口树脂温度(TI8319B)≥210℃;模头温度(TI8323A)200℃;筒体温度(TIC8307、TIC8308、TIC8309、TIC8310)190-285℃、170-285℃、170 -285℃、170-285℃。专用料生产过程中,工艺控制参数100多个,在此仅选择几个相关的重要工艺参数略述。 1.2.1 聚合单元 聚合压力和温度是影响产品收率和产量的两个主要控制点(DCS控制),控制条件如表2所示。 表2 工艺控制条件 条件 环管条件 气相釜 压力 /Mpa 3.3 1.2 温度/℃ 70 75 Teal/PR/g.kg-1 20 Teal/Donor,% 3 二甲苯不溶物,% >97 聚合物浓度/gPP.(LPR)-1 350-400 单体中H2浓度比/10-6 450 MFR/g.(10min)- 1 2.2 1.2-1.7 C2=/C2=+C3/mol 0.45 H2/C2=/mol 0.045 聚合物质量分数,% 86 14 最终MFR12-17g/min,接枝乙烯含量7%-8%,二甲苯不溶物质量分数13%-14%。 1.3 ZK-1240D专用料在聚合单元的性能控制 1.3.1 熔体流动速率(MI) MI的调节在聚合单元依靠氢气,要保持专用料的MI>10就必须对基础树脂的氢氯注入量适当增大,使环管反应单元出来的中间产品MI合格稳定。同时精确调节气相反应器中氢气和乙烯的摩尔比,使最终粉料(AC-25)MI在专用料需求范围内(15± 3g/min),还要严格控制聚合物的[η]值,在保证MI的前提下,适当提高[η],有利于提高树脂的冲击强度,也为下一步气相反应做好准备。 1.3.2 冲击 在保证MI的前提下,只有尽可能提高乙丙橡胶的含量,才能满足树脂有较高的耐冲击性(常温、低温)。据经验乙烯含量控制在7%- 8%,二甲苯可溶物控制在11%-12%,这样基本可以使丙烯在聚合过程中既有高度结晶的PE-PP,又嵌有非结晶的乙丙橡胶。这种嵌段结构可达到提高冲击强度的目的。 1.3.3 刚性 可参照基础树脂生产工艺,变化不大(略述)。 2 专用料ZK-1240D在造粒单元的性能控制 造粒单元对经闪蒸的 PP粉粒挤压成型,挤压机参数应随实际生产负荷而定,在此不多叙述,主要讨论有成核作用的复合添加剂对基础树脂的冲击性能、MI、屈服拉伸等物性的改进。 2.1 冲击强度、光泽、表面硬度 我们利用均匀设计法筛选了多种添加剂,并对添加剂和其他必需助剂的配伍做了详细的论证。最后选用自制的具有成核效果和脱氯作用的复合添加剂,并确定了经济添加量,同时进一步优化了基础树脂的助剂配比。经生产和测试表明:在造粒过程中,随着这种复合添加剂的加入,基础树脂的结晶度提高了,稳定了β型球晶含量大于60%。这些变化的综合作用--基础树脂的冲击强度明显提高,并保持基础树脂的高流动性,最终粒料的光泽和手感,表面硬度等方面明显好于基础树脂,且刚性损失很小。 2.2 材料性能 总之,在取样点(AC-26)取样做测试,外观上该专用料色泽乳白,手感光滑,与进口料AY-564完全一致。其相关性能对比见表3。 表3 ZK-1240D的性能 ZK-1240D AY-564 测试标准 MFR/g.(10min)-1≥ 12 15 GB3682-88 屈服强度/Mpa≥ 22.5 23 GB1040-92 拉伸屈服伸长率,% ≥ 490 100 GB1040-92 挠曲模量Mpa≥ 1001 1000 GB9341-88 悬臂梁缺口冲击强度/J.m-1, 23℃ 85 70 GB9432-88 -25℃ 45 22 GB9432-88 洛氏硬度≥ 70 75 GB1634-79 专用料ZK- 1240D经新疆一大型蓄电池厂使用,生产多种规格铅酸蓄电池(原来使用AY-564和某牌号国产料),反映该专用料综合性能优秀。现该专用料专用于生产军品和寒冷地区的产品,1999年已订购了200t。厂家反映23℃、-30℃落球冲击试验(JB3076-91)、气密试验(JB5008.1- 91)、熔接试验(JB6457.1-91)、尺寸稳定性(JB3076-91)和外观(JB3076-91)合格。制品生产情况见表4。 表4 制品生产情况 树脂牌号 注射机各区温度/℃ 注射压力/Mpa 主机电流/A 注射周期/s 1 2 3 4 国内某专用料 245 270 275 275 5.5-6.0 15 90 ZK-1240D 230 250 260 250 4.0-4.5 14 70 AY564 230 250 250 255 4.0-4.5 14 75
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PA12 聚酰胺12或尼龙12
化学和物理特性
PA12是从丁二烯线性,半结晶-结晶热塑性材料。它的特性和PA11相似,但晶体结构不同。
PA12 是很好的电气绝缘体并且和其它聚酰胺一样不会因潮湿影响绝缘性能。它有很好的抗冲击性机化学稳定性。PA12有许多在塑化特性和增强特性方面的改良品种。和PA6及PA66相比,这些材料有较低的熔点和密度,具有非常高的回潮率。PA12对强氧化性酸无抵抗能力。PA12的粘性主要取决于湿度、温度和储藏时间。它的流动性很好。收缩率在0.5%到2%之间,这主要取决于材料品种、壁厚及其它工艺条件。
注塑模工艺条件
干燥处理:加工之前应保证湿度在0.1%以下。如果材料是暴露在空气中储存,建议要在85C热空气中干燥4~5小时。如果材料是在密闭容器中储存,那么经过3小时温度平衡即可直接使用。
熔化温度:240~300C;对于普通特性材料不要超过310C,对于有阻燃特性材料不要超过270C。
模具温度:对于未增强型材料为30~40C,对于薄壁或大面积元件为80~90C,对于增强型材料为90~100C。增加温度将增加材料的结晶度。精确地控制模具温度对PA12来说是很重要的。
注射压力:最大可到1000bar(建议使用低保压压力和高熔化温度)。
注射速度:高速(对于有玻璃添加剂的材料更好些)。
流道和浇口:对于未加添加剂的材料,由于材料粘性较低,流道直径应在30mm左右。对于增强型材料要求5~8mm的大流道直径。流道形状应当全部为圆形。注入口应尽可能的短。可以使用多种形式的浇口。大型塑件不要使用小浇口,这是为了避免对塑件过高的压力或过大的收缩率。浇口厚度最好和塑件厚度相等。如果使用潜入式浇口,建议最小的直径为0.8mm。
热流道模具很有效,但是要求温度控制很精确以防止材料在喷嘴处渗漏或凝固。如果用热流道,浇口尺寸应当比冷流道要小一些。
典型用途
水量表和其他商业设备,电缆套,机械凸轮,滑动机构以及轴承等。
ABS 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物
化学和物理特性
ABS 是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种化学单体合成。每种单体都具有不同特性: 丙烯腈有高强度、热稳定性及化学稳定性;丁二烯具有坚韧性、抗冲击特性; 苯乙烯具有易加工、高光洁度及高强度。从形态上看,ABS是非结晶性材料。 三中单体的聚合产生了具有两相的三元共聚物,一个是苯乙烯-丙烯腈的连续相, 另一个是聚丁二烯橡胶分散相。ABS的特性主要取决于三种单体的比率以及两相 中的分子结构。这就可以在产品设计上具有很大的灵活性,并且由此产生了市场 上百种不同品质的ABS材料。这些不同品质的材料提供了不同的特性,例如从中等 到高等的抗冲击性,从低到高的光洁度和高温扭曲特性等。 ABS材料具有超强的易加工性,外观特性,低蠕变性和优异的尺寸稳定性以及很高 的抗冲击强度。
注塑模工艺条件
干燥处理:ABS材料具有吸湿性,要求在加工之前进行干燥处理。建议干燥条件 为80~90C下最少干燥2小时。材料温度应保证小于0.1%。 熔化温度:210~280C;建议温度:245C。 模具温度:25…70C。(模具温度将影响塑件光洁度,温度较低则导致光洁度较低)。 注射压力:500~1000bar。 注射速度:中高速度。
典型用途
汽车(仪表板,工具舱门,车轮盖,反光镜盒等),电冰箱, 大强度工具(头发烘干机,搅拌器,食品加工机,割草机等),电话机壳体, 打字机键盘,娱乐用车辆如高尔夫球手推车以及喷气式雪撬车等。
PA6 聚酰胺6或尼龙6
化学和物理特性
PA6 的化学物理特性和PA66很相似,然而,它的熔点较低,而且工艺温度范围很宽。它的抗冲击性和抗溶解性比PA66要好,但吸湿性也更强。因为塑件的许多品质特性都要受到吸湿性的影响,因此使用PA6设计产品时要充分考虑到这一点。为了提高PA6的机械特性,经常加入各种各样的改性剂。玻璃就是最常见的添加剂,有时为了提高抗冲击性还加入合成橡胶,如EPDM和SBR等。
对于没有添加剂的产品,PA6的收缩率在1%到1.5%之间。加入玻璃纤维添加剂可以使收缩率降低到0.3%(但和流程相垂直的方向还要稍高一些)。成型组装的收缩率主要受材料结晶度和吸湿性影响。实际的收缩率还和塑件设计、壁厚及其它工艺参数成函数关系。
对于没有添加剂的产品,PA6的收缩率在1%到1.5%之间。加入玻璃纤维添加剂可以使收缩率降低到0.3%(但和流程相垂直的方向还要稍高一些)。成型组装的收缩率主要受材料结晶度和吸湿性影响。实际的收缩率还和塑件设计、壁厚及其它工艺参数成函数关系。
注塑模工艺条件
干燥处理:由于PA6很容易吸收水分,因此加工前的干燥特别要注意。如果材料是用防水材料包装供应的,则容器应保持密闭。如果湿度大于0.2%,建议在80C以上的热空气中干燥16小时。如果材料已经在空气中暴露超过8小时,建议进行105C,8小时以上的真空烘干。
熔化温度:230~280C,对于增强品种为250~280C。
模具温度:80~90C。模具温度很显著地影响结晶度,而结晶度又影响着塑件的机械特性。对于结构部件来说结晶度很重要,因此建议模具温度为80~90C。对于薄壁的,流程较长的塑件也建议施用较高的模具温度。增大模具温度可以提高塑件的强度和刚度,但却降低了韧性。如果壁厚大于3mm,建议使用 20~40C的低温模具。对于玻璃增强材料模具温度应大于80C。
注射压力:一般在750~1250bar之间(取决于材料和产品设计)。
注射速度:高速(对增强型材料要稍微降低)。
流道和浇口:由于PA6的凝固时间很短,因此浇口的位置非常重要。浇口孔径不要小于0.5*t(这里t为塑件厚度)。如果使用热流道,浇口尺寸应比使用常规流道小一些,因为热流道能够帮助阻止材料过早凝固。如果用潜入式浇口,浇口的最小直径应当是0.75mm。
典型用途
由于有很好的机械强度和刚度被广泛用于结构部件。由于有很好的耐磨损特性,还用于制造轴承。
PA66 聚酰胺66或尼龙66
化学和物理特性
PA66在聚酰胺材料中有较高的熔点。它是一种半晶体-晶体材料。PA66在较高温度也能保持较强的强度和刚度。PA66在成型后仍然具有吸湿性,其程度主要取决于材料的组成、壁厚以及环境条件。在产品设计时,一定要考虑吸湿性对几何稳定性的影响。
为了提高PA66的机械特性,经常加入各种各样的改性剂。玻璃就是最常见的添加剂,有时为了提高抗冲击性还加入合成橡胶,如EPDM和SBR等。
PA66的粘性较低,因此流动性很好(但不如PA6)。这个性质可以用来加工很薄的元件。
它的粘度对温度变化很敏感。PA66的收缩率在1%~2%之间,加入玻璃纤维添加剂可以将收缩率降低到0.2%~1% 。收缩率在流程方向和与流程方向相垂直方向上的相异是较大的。
PA66对许多溶剂具有抗溶性,但对酸和其它一些氯化剂的抵抗力较弱。
注塑模工艺条件
干燥处理:如果加工前材料是密封的,那么就没有必要干燥。然而,如果储存容器被打开,那么建议在85C的热空气中干燥处理。如果湿度大于0.2%,还需要进行105C,12小时的真空干燥。
熔化温度:260~290C。对玻璃添加剂的产品为275~280C。熔化温度应避免高于300C。
模具温度:建议80C。模具温度将影响结晶度,而结晶度将影响产品的物理特性。对于薄壁塑件,如果使用低于40C的模具温度,则塑件的结晶度将随着时间而变化,为了保持塑件的几何稳定性,需要进行退火处理。
注射压力:通常在750~1250bar,取决于材料和产品设计。
注射速度:高速(对于增强型材料应稍低一些)。
流道和浇口:由于PA66的凝固时间很短,因此浇口的位置非常重要。浇口孔径不要小于0.5*t(这里t为塑件厚度)。如果使用热流道,浇口尺寸应比使用常规流道小一些,因为热流道能够帮助阻止材料过早凝固。如果用潜入式浇口,浇口的最小直径
应当是0.75mm。
典型用途
PA66更广泛应用于汽车工业、仪器壳体以及其它需要有抗冲击性和高强度要求的产品。
PBT 聚对苯二甲酸丁二醇酯
化学和物理特性
PBT是最坚韧的工程热塑材料之一,它是半结晶材料,有非常好的化学稳定性、机械强度、电绝缘特性和热稳定性。这些材料在很广的环境条件下都有很好的稳定性。 PBT吸湿特性很弱。
非增强型PBT的张力强度为50MPa,玻璃添加剂型的PBT张力强度为170MPa。玻璃添加剂过多将导致材料变脆。PBT的;结晶很迅速,这将导致因冷却不均匀而造成弯曲变形。对于有玻璃添加剂类型的材料,流程方向的收缩率可以减小,但与流程垂直方向的收缩率基本上和普通材料没有区别。一般材料收缩率在 1.5%~2.8%之间。含30%玻璃添加剂的材料收缩0.3%~1.6%之间。熔点(225%C)和高温变形温度都比PET材料要低。维卡软化温度大约为170C。玻璃化转换温度(glass trasitio temperature)在22C到43C之间。
由于PBT的结晶速度很高,因此它的粘性很低,塑件加工的周期时间一般也较低。
注塑模工艺条件
干燥处理:这种材料在高温下很容易水解,因此加工前的干燥处理是很重要的。建议在空气中的干燥条件为120C,6~8小时,或者150C,2~4小时。湿度必须小于0.03%。如果用吸湿干燥器干燥,建议条件为150C,2.5小时?
熔化温度:225~275C,建议温度:250C 。
模具温度:对于未增强型的材料为40~60C。要很好地设计模具的冷却腔道以减小塑件的弯曲。热量的散失一定要快而均匀。建议模具冷却腔道的直径为12mm。
注射压力:中等(最大到1500bar)。
注射速度:应使用尽可能快的注射速度(因为PBT的凝固很快)。
流道和浇口:
建议使用圆形流道以增加压力的传递(经验公式:流道直径=塑件厚度+1.5mm)。可以使用各种型式的浇口。也可以使用热流道,但要注意防止材料的渗漏和降解。浇口直径应该在0.8~1.0*t之间,这里 t是塑件厚度。如果是潜入式浇口,建议最小直径为0.75mm。
典型用途
家用器具(食品加工刀片、真空吸尘器元件、电风扇、头发干燥机壳体、咖啡器皿等),电器元件(开关、电机壳、保险丝盒、计算机键盘按键等),汽车工业(散热器格窗、车身嵌板、车轮盖、门窗部件等)。
PC 聚碳酸酯
化学和物理特性
PC是一种非晶体工程材料,具有特别好的抗冲击强度、热稳定性、光泽度、抑制细菌特性、阻燃特性以及抗污染性。PC的缺口伊估德冲击强度(otched Izod impact stregth)非常高,并且收缩率很低,一般为0.1%~0.2%。
PC有很好的机械特性,但流动特性较差,因此这种材料的注塑过程较困难。在选用何种品质的 PC材料时,要以产品的最终期望为基准。如果塑件要求有较高的抗冲击性,那么就使用低流动率的PC材料;反之,可以使用高流动率的PC材料,这样可以优化注塑过程。
注塑模工艺条件
干燥处理:PC材料具有吸湿性,加工前的干燥很重要。建议干燥条件为100C到200C,3~4小时。加工前的湿度必须小于0.02%。
熔化温度:260~340C。
模具温度:70~120C。
注射压力:尽可能地使用高注射压力。
注射速度:对于较小的浇口使用低速注射,对其它类型的浇口使用高速注射。
典型用途
电气和商业设备(计算机元件、连接器等),器具(食品加工机、电冰箱抽屉等),交通运输行业(车辆的前后灯、仪表板等)。
PE-HD 高密度聚乙烯
化学和物理特性
PE-HD的高结晶度导致了它的高密度,抗张力强度,高温扭曲温度,粘性以及化学稳定性。
PE-HD比PE-LD有更强的抗渗透性。PE-HD的抗冲击强度较低。PH-HD的特性主要由密度和
分子量分布所控制。适用于注塑模的PE-HD分子量分布很窄。对于密度为0.91~ 0.925g/cm3,我们称之为第一类型PE-HD;对于密度为 0.926~ 0.94g/cm3,称之为第二类型PE-HD;对于密度为0.94~ 0.965g/cm3,称之为第三类型PE-HD。
该材料的流动特性很好,MFR为0.1到28之间。分子量越高,PH-LD的流动特性越差,但是有更好的抗冲击强度。
PE-LD是半结晶材料,成型后收缩率较高,在1.5%到4%之间。
PE-HD很容易发生环境应力开裂现象。可以通过使用很低流动特性的材料以减小内部应力,
从而减轻开裂现象。PE-HD当温度高于60C时很容易在烃类溶剂中溶解,但其抗溶解性比PE-LD还要好一些。
注塑模工艺条件
干燥:如果存储恰当则无须干燥。
熔化温度:220~260C。对于分子较大的材料,建议熔化温度范围在200~250C之间。
模具温度:50~95C。6mm以下壁厚的塑件应使用较高的模具温度,6mm以上壁厚的
塑件使用较低的模具温度。塑件冷却温度应当均匀以减小收缩率的差异。对于最优
的加工周期时间,冷却腔道直径应不小于8mm,并且距模具表面的距离应在1.3d之内
(这里“d”是冷却腔道的直径)。
注射压力:700~1050bar。
注射速度:建议使用高速注射。
流道和浇口:
流道直径在4到7.5mm之间,流道长度应尽可能短。可以使用各种类型的浇口,浇口
长度不要超过0.75mm。特别适用于使用热流道模具。
典型用途
电冰箱容器、存储容器、家用厨具、密封盖等。
PMMA 聚甲基丙烯酸甲酯
化学和物理特性
PMMA俗称“有机玻璃”,具有优良的光学特性及耐气侯变化特性。白光的穿透性高达92%。PMMA制品具有很低的双折射,特别适合制作影碟等。
PMMA具有室温蠕变特性。随着负荷加大、时间增长,可导致应力开裂现象。PMMA具有较好的抗冲击特性。
注塑模工艺条件
干燥处理:PMMA具有吸湿性因此加工前的干燥处理是必须的。建议干燥条件为90C、2~4小时。
熔化温度:240~270C。
模具温度:35~70C。
注射速度:中等
典型用途
汽车工业(信号灯设备、仪表盘等),医药行业(储血容器等),工业应用(影碟、灯光散射器),日用消费品(饮料杯、文具等)。
PE-LD 低密度聚乙烯
化学和物理特性
商业用的PE-LD材料的密度为0.91~0.94 g/cm3。PE-LD对气体和水蒸汽具有渗透性。PE-LD
的热膨胀系数很高不适合于加工长期使用的制品。
如果PE-LD的密度在0.91~0.925 g/cm3之间,那么其收缩率在2%~5%之间;如果密度在
0.926~0.94 g/cm3之间,那么其收缩率在1.5%~4%之间。当前实际的收缩率还要取决于注塑工艺参数。
PE-LD在室温下可以抵抗多种溶剂,但是芳香烃和氯化烃溶剂可使其膨胀。同PE-HD类似,PE-LD容易发生环境应力开裂现象。
注塑模工艺条件
干燥:一般不需要
熔化温度:180~280C
模具温度:20~40C
为了实现冷却均匀以及较为经济的去热,建议冷却腔道直径至少为8mm,并且从冷却腔道到
模具表面的距离不要超过冷却腔道直径的1.5倍。
注射压力:最大可到1500bar。
保压压力:最大可到750bar。
注射速度:建议使用快速注射速度。
流道和浇口:
可以使用各种类型的流道和浇口。PE-LD特别适合于使用热流道模具。
典型用途
碗,箱柜,管道联接器,日用品
POM 聚甲醛
化学和物理特性
POM是一种坚韧有弹性的材料,即使在低温下仍有很好的抗蠕变特性、几何稳定性和抗冲击
特性。POM既有均聚物材料也有共聚物材料。均聚物材料具有很好的延展强度、抗疲劳强度,但不易于加工。共聚物材料有很好的热稳定性、化学稳定性并且易于加工。无论均聚物材料还是共聚物材料,都是结晶性材料并且不易吸收水分。
POM的高结晶程度导致它有相当高的收缩率,可高达到2%~3.5%。对于各种不同的增强型材料有不同的收缩率。
注塑模工艺条件
干燥处理:如果材料储存在干燥环境中,通常不需要干燥处理。
熔化温度:均聚物材料为190~230C;共聚物材料为190~210C。
模具温度:80~105C。为了减小成型后收缩率可选用高一些的模具温度。
注射压力:700~1200bar
注射速度:中等或偏高的注射速度。
流道和浇口:
可以使用任何类型的浇口。如果使用隧道形浇口,则最好使用较短的类型。对于均聚物材料
建议使用热注嘴流道。对于共聚物材料既可使用内部的热流道也可使用外部热流道。
典型用途
POM具有很低的摩擦系数和很好的几何稳定性,特别适合于制作齿轮和轴承。由于它还具有
耐高温特性,因此还用于管道器件(管道阀门、泵壳体),草坪设备等。
PP 聚丙烯
化学和物理特性
PP是一种半结晶性材料。它比PE要更坚硬并且有更高的熔点。
由于均聚物型的PP温度高于0C以上时非常脆,因此许多商业的PP材料是加入1~4%乙烯的无规则共聚物或更高比率乙烯含量的钳段式共聚物。共聚物型的PP 材料有较低的热扭曲温度(100C)、低透明度、低光泽度、低刚性,但是有有更强的抗冲击强度。PP的强度随着乙烯含量的增加而增大。
PP的维卡软化温度为150C。由于结晶度较高,这种材料的表面刚度和抗划痕特性很好。
PP不存在环境应力开裂问题。通常,采用加入玻璃纤维、金属添加剂或热塑橡胶的方法对PP进行改性。PP的流动率MFR范围在1~40。低MFR的PP材料抗冲击特性较好但延展强度较低。对于相同MFR的材料,共聚物型的强度比均聚物型的要高。
由于结晶,PP的收缩率相当高,一般为1.8~2.5%。并且收缩率的方向均匀性比PE-HD等材料要好得多。加入30%的玻璃添加剂可以使收缩率降到0.7%。
均聚物型和共聚物型的PP材料都具有优良的抗吸湿性、抗酸碱腐蚀性、抗溶解性。然而,它对芳香烃(如苯)溶剂、氯化烃(四氯化碳)溶剂等没有抵抗力。PP也不象PE那样在高温下仍具有抗氧化性。
注塑模工艺条件
干燥处理:如果储存适当则不需要干燥处理。
熔化温度:220~275C,注意不要超过275C。
模具温度:40~80C,建议使用50C。结晶程度主要由模具温度决定。
注射压力:可大到1800bar。
注射速度:通常,使用高速注塑可以使内部压力减小到最小。如果制品表面出现了缺陷,
那么应使用较高温度下的低速注塑。
流道和浇口:
对于冷流道,典型的流道直径范围是4~7mm。建议使用通体为圆形的注入口和流道。所有
类型的浇口都可以使用。典型的浇口直径范围是1~1.5mm,但也可以使用小到0.7mm的浇口。
对于边缘浇口,最小的浇口深度应为壁厚的一半;最小的浇口宽度应至少为壁厚的两倍。
PP材料完全可以使用热流道系统。
典型用途
汽车工业(主要使用含金属添加剂的PP:挡泥板、通风管、风扇等),器械(洗碗机门衬垫、干燥机通风管、洗衣机框架及机盖、冰箱门衬垫等),日用消费品(草坪和园艺设备如
剪草机和喷水器等)。
PS 聚苯乙烯
化学和物理特性
大多数商业用的PS都是透明的、非晶体材料。PS具有非常好的几何稳定性、热稳定性、光学透过特性、电绝缘特性以及很微小的吸湿倾向。它能够抵抗水、稀释的无机酸,但能够被强氧化酸如浓硫酸所腐蚀,并且能够在一些有机溶剂中膨胀变形。
典型的收缩率在0.4~0.7%之间。
注塑模工艺条件
干燥处理:除非储存不当,通常不需要干燥处理。如果需要干燥,建议干燥条件为80C、2~3小时。
熔化温度:180~280C。对于阻燃型材料其上限为250C。
模具温度:40~50C。
注射压力:200~600bar。
注射速度:建议使用快速的注射速度。
流道和浇口:
可以使用所有常规类型的浇口。
典型用途
产品包装,家庭用品(餐具、托盘等),电气(透明容器、光源散射器、绝缘薄膜等)。
PVC (聚氯乙烯)
化学和物理特性
刚性PVC是使用最广泛的塑料材料之一。PVC材料是一种非结晶性材料。
PVC材料在实际使用中经常加入稳定剂、润滑剂、辅助加工剂、色料、抗冲击剂及其它添加剂。
PVC材料具有不易燃性、高强度、耐气侯变化性以及优良的几何稳定性。
PVC对氧化剂、还原剂和强酸都有很强的抵抗力。然而它能够被浓氧化酸如浓硫酸、浓硝酸所腐蚀并且也不适用与芳香烃、氯化烃接触的场合。
PVC在加工时熔化温度是一个非常重要的工艺参数,如果此参数不当将导致材料分解的问题。
PVC的流动特性相当差,其工艺范围很窄。特别是大分子量的PVC材料更难于加工(这种材料通常要加入润滑剂改善流动特性),因此通常使用的都是小分子量的PVC材料。
PVC的收缩率相当低,一般为0.2~0.6%。
注塑模工艺条件
干燥处理:通常不需要干燥处理。
熔化温度:185~205C
模具温度:20~50C
注射压力:可大到1500bar
保压压力:可大到1000bar
注射速度:为避免材料降解,一般要用相当地的注射速度。
流道和浇口:
所有常规的浇口都可以使用。如果加工较小的部件,最好使用针尖型浇口或潜入式浇口;
对于较厚的部件,最好使用扇形浇口。针尖型浇口或潜入式浇口的最小直径应为1mm;扇形
浇口的厚度不能小于1mm。
典型用途
供水管道,家用管道,房屋墙板,商用机器壳体,电子产品包装,医疗器械,食品包装等。
PPE 聚丙乙烯
化学和物理特性
通常,商业上提供的PPE或PPO材料一般都混入了其它热塑型材料例如PS、PA等。这些混合材料
一般仍称之为PPE或PPO。
混合型的PPE或PPO比纯净的材料有好得多的加工特性。特性的变化依赖于混合物如PPO和PS的
比率。混入了PA 66的混合材料在高温下具有更强的化学稳定性。这种材料的吸湿性很小,其
制品具有优良的几何稳定性。
混入了PS的材料是非结晶性的,而混入了PA的材料是结晶性的。加入玻璃纤维添加剂可以使
收缩率减小到0.2%。这种材料还具有优良的电绝缘特性和很低的热膨胀系数。其黏性取决于
材料中混合物的比率,PPO的比率增大将导致黏性增加。
注塑模工艺条件
干燥处理:建议在加工前进行2~4小时、100C的干燥处理。
熔化温度:240~320C。
模具温度:60~105C。
注射压力:600~1500bar。
流道和浇口:
可以使用所有类型的浇口。特别适合于使用柄形浇口和扇形浇口。
典型用途
家庭用品(洗碗机、洗衣机等),电气设备如控制器壳体、光纤联接器等。
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PA12 聚酰胺12或尼龙12
化学和物理特性
PA12是从丁二烯线性,半结晶-结晶热塑性材料。它的特性和PA11相似,但晶体结构不同。
PA12 是很好的电气绝缘体并且和其它聚酰胺一样不会因潮湿影响绝缘性能。它有很好的抗冲击性机化学稳定性。PA12有许多在塑化特性和增强特性方面的改良品种。和PA6及PA66相比,这些材料有较低的熔点和密度,具有非常高的回潮率。PA12对强氧化性酸无抵抗能力。PA12的粘性主要取决于湿度、温度和储藏时间。它的流动性很好。收缩率在0.5%到2%之间,这主要取决于材料品种、壁厚及其它工艺条件。
注塑模工艺条件
干燥处理:加工之前应保证湿度在0.1%以下。如果材料是暴露在空气中储存,建议要在85C热空气中干燥4~5小时。如果材料是在密闭容器中储存,那么经过3小时温度平衡即可直接使用。
熔化温度:240~300C;对于普通特性材料不要超过310C,对于有阻燃特性材料不要超过270C。
模具温度:对于未增强型材料为30~40C,对于薄壁或大面积元件为80~90C,对于增强型材料为90~100C。增加温度将增加材料的结晶度。精确地控制模具温度对PA12来说是很重要的。
注射压力:最大可到1000bar(建议使用低保压压力和高熔化温度)。
注射速度:高速(对于有玻璃添加剂的材料更好些)。
流道和浇口:对于未加添加剂的材料,由于材料粘性较低,流道直径应在30mm左右。对于增强型材料要求5~8mm的大流道直径。流道形状应当全部为圆形。注入口应尽可能的短。可以使用多种形式的浇口。大型塑件不要使用小浇口,这是为了避免对塑件过高的压力或过大的收缩率。浇口厚度最好和塑件厚度相等。如果使用潜入式浇口,建议最小的直径为0.8mm。
热流道模具很有效,但是要求温度控制很精确以防止材料在喷嘴处渗漏或凝固。如果用热流道,浇口尺寸应当比冷流道要小一些。
典型用途
水量表和其他商业设备,电缆套,机械凸轮,滑动机构以及轴承等。
ABS 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物
化学和物理特性
ABS 是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种化学单体合成。每种单体都具有不同特性: 丙烯腈有高强度、热稳定性及化学稳定性;丁二烯具有坚韧性、抗冲击特性; 苯乙烯具有易加工、高光洁度及高强度。从形态上看,ABS是非结晶性材料。 三中单体的聚合产生了具有两相的三元共聚物,一个是苯乙烯-丙烯腈的连续相, 另一个是聚丁二烯橡胶分散相。ABS的特性主要取决于三种单体的比率以及两相 中的分子结构。这就可以在产品设计上具有很大的灵活性,并且由此产生了市场 上百种不同品质的ABS材料。这些不同品质的材料提供了不同的特性,例如从中等 到高等的抗冲击性,从低到高的光洁度和高温扭曲特性等。 ABS材料具有超强的易加工性,外观特性,低蠕变性和优异的尺寸稳定性以及很高 的抗冲击强度。
注塑模工艺条件
干燥处理:ABS材料具有吸湿性,要求在加工之前进行干燥处理。建议干燥条件 为80~90C下最少干燥2小时。材料温度应保证小于0.1%。 熔化温度:210~280C;建议温度:245C。 模具温度:25…70C。(模具温度将影响塑件光洁度,温度较低则导致光洁度较低)。 注射压力:500~1000bar。 注射速度:中高速度。
典型用途
汽车(仪表板,工具舱门,车轮盖,反光镜盒等),电冰箱, 大强度工具(头发烘干机,搅拌器,食品加工机,割草机等),电话机壳体, 打字机键盘,娱乐用车辆如高尔夫球手推车以及喷气式雪撬车等。
PA6 聚酰胺6或尼龙6
化学和物理特性
PA6 的化学物理特性和PA66很相似,然而,它的熔点较低,而且工艺温度范围很宽。它的抗冲击性和抗溶解性比PA66要好,但吸湿性也更强。因为塑件的许多品质特性都要受到吸湿性的影响,因此使用PA6设计产品时要充分考虑到这一点。为了提高PA6的机械特性,经常加入各种各样的改性剂。玻璃就是最常见的添加剂,有时为了提高抗冲击性还加入合成橡胶,如EPDM和SBR等。
对于没有添加剂的产品,PA6的收缩率在1%到1.5%之间。加入玻璃纤维添加剂可以使收缩率降低到0.3%(但和流程相垂直的方向还要稍高一些)。成型组装的收缩率主要受材料结晶度和吸湿性影响。实际的收缩率还和塑件设计、壁厚及其它工艺参数成函数关系。
对于没有添加剂的产品,PA6的收缩率在1%到1.5%之间。加入玻璃纤维添加剂可以使收缩率降低到0.3%(但和流程相垂直的方向还要稍高一些)。成型组装的收缩率主要受材料结晶度和吸湿性影响。实际的收缩率还和塑件设计、壁厚及其它工艺参数成函数关系。
注塑模工艺条件
干燥处理:由于PA6很容易吸收水分,因此加工前的干燥特别要注意。如果材料是用防水材料包装供应的,则容器应保持密闭。如果湿度大于0.2%,建议在80C以上的热空气中干燥16小时。如果材料已经在空气中暴露超过8小时,建议进行105C,8小时以上的真空烘干。
熔化温度:230~280C,对于增强品种为250~280C。
模具温度:80~90C。模具温度很显著地影响结晶度,而结晶度又影响着塑件的机械特性。对于结构部件来说结晶度很重要,因此建议模具温度为80~90C。对于薄壁的,流程较长的塑件也建议施用较高的模具温度。增大模具温度可以提高塑件的强度和刚度,但却降低了韧性。如果壁厚大于3mm,建议使用 20~40C的低温模具。对于玻璃增强材料模具温度应大于80C。
注射压力:一般在750~1250bar之间(取决于材料和产品设计)。
注射速度:高速(对增强型材料要稍微降低)。
流道和浇口:由于PA6的凝固时间很短,因此浇口的位置非常重要。浇口孔径不要小于0.5*t(这里t为塑件厚度)。如果使用热流道,浇口尺寸应比使用常规流道小一些,因为热流道能够帮助阻止材料过早凝固。如果用潜入式浇口,浇口的最小直径应当是0.75mm。
典型用途
由于有很好的机械强度和刚度被广泛用于结构部件。由于有很好的耐磨损特性,还用于制造轴承。
PA66 聚酰胺66或尼龙66
化学和物理特性
PA66在聚酰胺材料中有较高的熔点。它是一种半晶体-晶体材料。PA66在较高温度也能保持较强的强度和刚度。PA66在成型后仍然具有吸湿性,其程度主要取决于材料的组成、壁厚以及环境条件。在产品设计时,一定要考虑吸湿性对几何稳定性的影响。
为了提高PA66的机械特性,经常加入各种各样的改性剂。玻璃就是最常见的添加剂,有时为了提高抗冲击性还加入合成橡胶,如EPDM和SBR等。
PA66的粘性较低,因此流动性很好(但不如PA6)。这个性质可以用来加工很薄的元件。
它的粘度对温度变化很敏感。PA66的收缩率在1%~2%之间,加入玻璃纤维添加剂可以将收缩率降低到0.2%~1% 。收缩率在流程方向和与流程方向相垂直方向上的相异是较大的。
PA66对许多溶剂具有抗溶性,但对酸和其它一些氯化剂的抵抗力较弱。
注塑模工艺条件
干燥处理:如果加工前材料是密封的,那么就没有必要干燥。然而,如果储存容器被打开,那么建议在85C的热空气中干燥处理。如果湿度大于0.2%,还需要进行105C,12小时的真空干燥。
熔化温度:260~290C。对玻璃添加剂的产品为275~280C。熔化温度应避免高于300C。
模具温度:建议80C。模具温度将影响结晶度,而结晶度将影响产品的物理特性。对于薄壁塑件,如果使用低于40C的模具温度,则塑件的结晶度将随着时间而变化,为了保持塑件的几何稳定性,需要进行退火处理。
注射压力:通常在750~1250bar,取决于材料和产品设计。
注射速度:高速(对于增强型材料应稍低一些)。
流道和浇口:由于PA66的凝固时间很短,因此浇口的位置非常重要。浇口孔径不要小于0.5*t(这里t为塑件厚度)。如果使用热流道,浇口尺寸应比使用常规流道小一些,因为热流道能够帮助阻止材料过早凝固。如果用潜入式浇口,浇口的最小直径
应当是0.75mm。
典型用途
PA66更广泛应用于汽车工业、仪器壳体以及其它需要有抗冲击性和高强度要求的产品。
PBT 聚对苯二甲酸丁二醇酯
化学和物理特性
PBT是最坚韧的工程热塑材料之一,它是半结晶材料,有非常好的化学稳定性、机械强度、电绝缘特性和热稳定性。这些材料在很广的环境条件下都有很好的稳定性。 PBT吸湿特性很弱。
非增强型PBT的张力强度为50MPa,玻璃添加剂型的PBT张力强度为170MPa。玻璃添加剂过多将导致材料变脆。PBT的;结晶很迅速,这将导致因冷却不均匀而造成弯曲变形。对于有玻璃添加剂类型的材料,流程方向的收缩率可以减小,但与流程垂直方向的收缩率基本上和普通材料没有区别。一般材料收缩率在 1.5%~2.8%之间。含30%玻璃添加剂的材料收缩0.3%~1.6%之间。熔点(225%C)和高温变形温度都比PET材料要低。维卡软化温度大约为170C。玻璃化转换温度(glass trasitio temperature)在22C到43C之间。
由于PBT的结晶速度很高,因此它的粘性很低,塑件加工的周期时间一般也较低。
注塑模工艺条件
干燥处理:这种材料在高温下很容易水解,因此加工前的干燥处理是很重要的。建议在空气中的干燥条件为120C,6~8小时,或者150C,2~4小时。湿度必须小于0.03%。如果用吸湿干燥器干燥,建议条件为150C,2.5小时?
熔化温度:225~275C,建议温度:250C 。
模具温度:对于未增强型的材料为40~60C。要很好地设计模具的冷却腔道以减小塑件的弯曲。热量的散失一定要快而均匀。建议模具冷却腔道的直径为12mm。
注射压力:中等(最大到1500bar)。
注射速度:应使用尽可能快的注射速度(因为PBT的凝固很快)。
流道和浇口:
建议使用圆形流道以增加压力的传递(经验公式:流道直径=塑件厚度+1.5mm)。可以使用各种型式的浇口。也可以使用热流道,但要注意防止材料的渗漏和降解。浇口直径应该在0.8~1.0*t之间,这里 t是塑件厚度。如果是潜入式浇口,建议最小直径为0.75mm。
典型用途
家用器具(食品加工刀片、真空吸尘器元件、电风扇、头发干燥机壳体、咖啡器皿等),电器元件(开关、电机壳、保险丝盒、计算机键盘按键等),汽车工业(散热器格窗、车身嵌板、车轮盖、门窗部件等)。
PC 聚碳酸酯
化学和物理特性
PC是一种非晶体工程材料,具有特别好的抗冲击强度、热稳定性、光泽度、抑制细菌特性、阻燃特性以及抗污染性。PC的缺口伊估德冲击强度(otched Izod impact stregth)非常高,并且收缩率很低,一般为0.1%~0.2%。
PC有很好的机械特性,但流动特性较差,因此这种材料的注塑过程较困难。在选用何种品质的 PC材料时,要以产品的最终期望为基准。如果塑件要求有较高的抗冲击性,那么就使用低流动率的PC材料;反之,可以使用高流动率的PC材料,这样可以优化注塑过程。
注塑模工艺条件
干燥处理:PC材料具有吸湿性,加工前的干燥很重要。建议干燥条件为100C到200C,3~4小时。加工前的湿度必须小于0.02%。
熔化温度:260~340C。
模具温度:70~120C。
注射压力:尽可能地使用高注射压力。
注射速度:对于较小的浇口使用低速注射,对其它类型的浇口使用高速注射。
典型用途
电气和商业设备(计算机元件、连接器等),器具(食品加工机、电冰箱抽屉等),交通运输行业(车辆的前后灯、仪表板等)。
PE-HD 高密度聚乙烯
化学和物理特性
PE-HD的高结晶度导致了它的高密度,抗张力强度,高温扭曲温度,粘性以及化学稳定性。
PE-HD比PE-LD有更强的抗渗透性。PE-HD的抗冲击强度较低。PH-HD的特性主要由密度和
分子量分布所控制。适用于注塑模的PE-HD分子量分布很窄。对于密度为0.91~ 0.925g/cm3,我们称之为第一类型PE-HD;对于密度为 0.926~ 0.94g/cm3,称之为第二类型PE-HD;对于密度为0.94~ 0.965g/cm3,称之为第三类型PE-HD。
该材料的流动特性很好,MFR为0.1到28之间。分子量越高,PH-LD的流动特性越差,但是有更好的抗冲击强度。
PE-LD是半结晶材料,成型后收缩率较高,在1.5%到4%之间。
PE-HD很容易发生环境应力开裂现象。可以通过使用很低流动特性的材料以减小内部应力,
从而减轻开裂现象。PE-HD当温度高于60C时很容易在烃类溶剂中溶解,但其抗溶解性比PE-LD还要好一些。
注塑模工艺条件
干燥:如果存储恰当则无须干燥。
熔化温度:220~260C。对于分子较大的材料,建议熔化温度范围在200~250C之间。
模具温度:50~95C。6mm以下壁厚的塑件应使用较高的模具温度,6mm以上壁厚的
塑件使用较低的模具温度。塑件冷却温度应当均匀以减小收缩率的差异。对于最优
的加工周期时间,冷却腔道直径应不小于8mm,并且距模具表面的距离应在1.3d之内
(这里“d”是冷却腔道的直径)。
注射压力:700~1050bar。
注射速度:建议使用高速注射。
流道和浇口:
流道直径在4到7.5mm之间,流道长度应尽可能短。可以使用各种类型的浇口,浇口
长度不要超过0.75mm。特别适用于使用热流道模具。
典型用途
电冰箱容器、存储容器、家用厨具、密封盖等。
PMMA 聚甲基丙烯酸甲酯
化学和物理特性
PMMA俗称“有机玻璃”,具有优良的光学特性及耐气侯变化特性。白光的穿透性高达92%。PMMA制品具有很低的双折射,特别适合制作影碟等。
PMMA具有室温蠕变特性。随着负荷加大、时间增长,可导致应力开裂现象。PMMA具有较好的抗冲击特性。
注塑模工艺条件
干燥处理:PMMA具有吸湿性因此加工前的干燥处理是必须的。建议干燥条件为90C、2~4小时。
熔化温度:240~270C。
模具温度:35~70C。
注射速度:中等
典型用途
汽车工业(信号灯设备、仪表盘等),医药行业(储血容器等),工业应用(影碟、灯光散射器),日用消费品(饮料杯、文具等)。
PE-LD 低密度聚乙烯
化学和物理特性
商业用的PE-LD材料的密度为0.91~0.94 g/cm3。PE-LD对气体和水蒸汽具有渗透性。PE-LD
的热膨胀系数很高不适合于加工长期使用的制品。
如果PE-LD的密度在0.91~0.925 g/cm3之间,那么其收缩率在2%~5%之间;如果密度在
0.926~0.94 g/cm3之间,那么其收缩率在1.5%~4%之间。当前实际的收缩率还要取决于注塑工艺参数。
PE-LD在室温下可以抵抗多种溶剂,但是芳香烃和氯化烃溶剂可使其膨胀。同PE-HD类似,PE-LD容易发生环境应力开裂现象。
注塑模工艺条件
干燥:一般不需要
熔化温度:180~280C
模具温度:20~40C
为了实现冷却均匀以及较为经济的去热,建议冷却腔道直径至少为8mm,并且从冷却腔道到
模具表面的距离不要超过冷却腔道直径的1.5倍。
注射压力:最大可到1500bar。
保压压力:最大可到750bar。
注射速度:建议使用快速注射速度。
流道和浇口:
可以使用各种类型的流道和浇口。PE-LD特别适合于使用热流道模具。
典型用途
碗,箱柜,管道联接器,日用品
POM 聚甲醛
化学和物理特性
POM是一种坚韧有弹性的材料,即使在低温下仍有很好的抗蠕变特性、几何稳定性和抗冲击
特性。POM既有均聚物材料也有共聚物材料。均聚物材料具有很好的延展强度、抗疲劳强度,但不易于加工。共聚物材料有很好的热稳定性、化学稳定性并且易于加工。无论均聚物材料还是共聚物材料,都是结晶性材料并且不易吸收水分。
POM的高结晶程度导致它有相当高的收缩率,可高达到2%~3.5%。对于各种不同的增强型材料有不同的收缩率。
注塑模工艺条件
干燥处理:如果材料储存在干燥环境中,通常不需要干燥处理。
熔化温度:均聚物材料为190~230C;共聚物材料为190~210C。
模具温度:80~105C。为了减小成型后收缩率可选用高一些的模具温度。
注射压力:700~1200bar
注射速度:中等或偏高的注射速度。
流道和浇口:
可以使用任何类型的浇口。如果使用隧道形浇口,则最好使用较短的类型。对于均聚物材料
建议使用热注嘴流道。对于共聚物材料既可使用内部的热流道也可使用外部热流道。
典型用途
POM具有很低的摩擦系数和很好的几何稳定性,特别适合于制作齿轮和轴承。由于它还具有
耐高温特性,因此还用于管道器件(管道阀门、泵壳体),草坪设备等。
PP 聚丙烯
化学和物理特性
PP是一种半结晶性材料。它比PE要更坚硬并且有更高的熔点。
由于均聚物型的PP温度高于0C以上时非常脆,因此许多商业的PP材料是加入1~4%乙烯的无规则共聚物或更高比率乙烯含量的钳段式共聚物。共聚物型的PP 材料有较低的热扭曲温度(100C)、低透明度、低光泽度、低刚性,但是有有更强的抗冲击强度。PP的强度随着乙烯含量的增加而增大。
PP的维卡软化温度为150C。由于结晶度较高,这种材料的表面刚度和抗划痕特性很好。
PP不存在环境应力开裂问题。通常,采用加入玻璃纤维、金属添加剂或热塑橡胶的方法对PP进行改性。PP的流动率MFR范围在1~40。低MFR的PP材料抗冲击特性较好但延展强度较低。对于相同MFR的材料,共聚物型的强度比均聚物型的要高。
由于结晶,PP的收缩率相当高,一般为1.8~2.5%。并且收缩率的方向均匀性比PE-HD等材料要好得多。加入30%的玻璃添加剂可以使收缩率降到0.7%。
均聚物型和共聚物型的PP材料都具有优良的抗吸湿性、抗酸碱腐蚀性、抗溶解性。然而,它对芳香烃(如苯)溶剂、氯化烃(四氯化碳)溶剂等没有抵抗力。PP也不象PE那样在高温下仍具有抗氧化性。
注塑模工艺条件
干燥处理:如果储存适当则不需要干燥处理。
熔化温度:220~275C,注意不要超过275C。
模具温度:40~80C,建议使用50C。结晶程度主要由模具温度决定。
注射压力:可大到1800bar。
注射速度:通常,使用高速注塑可以使内部压力减小到最小。如果制品表面出现了缺陷,
那么应使用较高温度下的低速注塑。
流道和浇口:
对于冷流道,典型的流道直径范围是4~7mm。建议使用通体为圆形的注入口和流道。所有
类型的浇口都可以使用。典型的浇口直径范围是1~1.5mm,但也可以使用小到0.7mm的浇口。
对于边缘浇口,最小的浇口深度应为壁厚的一半;最小的浇口宽度应至少为壁厚的两倍。
PP材料完全可以使用热流道系统。
典型用途
汽车工业(主要使用含金属添加剂的PP:挡泥板、通风管、风扇等),器械(洗碗机门衬垫、干燥机通风管、洗衣机框架及机盖、冰箱门衬垫等),日用消费品(草坪和园艺设备如
剪草机和喷水器等)。
PS 聚苯乙烯
化学和物理特性
大多数商业用的PS都是透明的、非晶体材料。PS具有非常好的几何稳定性、热稳定性、光学透过特性、电绝缘特性以及很微小的吸湿倾向。它能够抵抗水、稀释的无机酸,但能够被强氧化酸如浓硫酸所腐蚀,并且能够在一些有机溶剂中膨胀变形。
典型的收缩率在0.4~0.7%之间。
注塑模工艺条件
干燥处理:除非储存不当,通常不需要干燥处理。如果需要干燥,建议干燥条件为80C、2~3小时。
熔化温度:180~280C。对于阻燃型材料其上限为250C。
模具温度:40~50C。
注射压力:200~600bar。
注射速度:建议使用快速的注射速度。
流道和浇口:
可以使用所有常规类型的浇口。
典型用途
产品包装,家庭用品(餐具、托盘等),电气(透明容器、光源散射器、绝缘薄膜等)。
PVC (聚氯乙烯)
化学和物理特性
刚性PVC是使用最广泛的塑料材料之一。PVC材料是一种非结晶性材料。
PVC材料在实际使用中经常加入稳定剂、润滑剂、辅助加工剂、色料、抗冲击剂及其它添加剂。
PVC材料具有不易燃性、高强度、耐气侯变化性以及优良的几何稳定性。
PVC对氧化剂、还原剂和强酸都有很强的抵抗力。然而它能够被浓氧化酸如浓硫酸、浓硝酸所腐蚀并且也不适用与芳香烃、氯化烃接触的场合。
PVC在加工时熔化温度是一个非常重要的工艺参数,如果此参数不当将导致材料分解的问题。
PVC的流动特性相当差,其工艺范围很窄。特别是大分子量的PVC材料更难于加工(这种材料通常要加入润滑剂改善流动特性),因此通常使用的都是小分子量的PVC材料。
PVC的收缩率相当低,一般为0.2~0.6%。
注塑模工艺条件
干燥处理:通常不需要干燥处理。
熔化温度:185~205C
模具温度:20~50C
注射压力:可大到1500bar
保压压力:可大到1000bar
注射速度:为避免材料降解,一般要用相当地的注射速度。
流道和浇口:
所有常规的浇口都可以使用。如果加工较小的部件,最好使用针尖型浇口或潜入式浇口;
对于较厚的部件,最好使用扇形浇口。针尖型浇口或潜入式浇口的最小直径应为1mm;扇形
浇口的厚度不能小于1mm。
典型用途
供水管道,家用管道,房屋墙板,商用机器壳体,电子产品包装,医疗器械,食品包装等。
PPE 聚丙乙烯
化学和物理特性
通常,商业上提供的PPE或PPO材料一般都混入了其它热塑型材料例如PS、PA等。这些混合材料
一般仍称之为PPE或PPO。
混合型的PPE或PPO比纯净的材料有好得多的加工特性。特性的变化依赖于混合物如PPO和PS的
比率。混入了PA 66的混合材料在高温下具有更强的化学稳定性。这种材料的吸湿性很小,其
制品具有优良的几何稳定性。
混入了PS的材料是非结晶性的,而混入了PA的材料是结晶性的。加入玻璃纤维添加剂可以使
收缩率减小到0.2%。这种材料还具有优良的电绝缘特性和很低的热膨胀系数。其黏性取决于
材料中混合物的比率,PPO的比率增大将导致黏性增加。
注塑模工艺条件
干燥处理:建议在加工前进行2~4小时、100C的干燥处理。
熔化温度:240~320C。
模具温度:60~105C。
注射压力:600~1500bar。
流道和浇口:
可以使用所有类型的浇口。特别适合于使用柄形浇口和扇形浇口。
典型用途
家庭用品(洗碗机、洗衣机等),电气设备如控制器壳体、光纤联接器等。
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塑料成形性能www.tool-tool.com
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塑料是以高分子量合成树脂为主要成分,在一定条件下(如温度、压力等)可塑制成一定形状且在常温下保持形状不变的材料。
塑料按受热后表面的性能,可分为热固性塑料与热塑性塑料两大类。前者的特点是在一定温度下,经一定时间加热、加压或加入硬化剂后,发生化学反应而硬化。硬化后的塑料化学结构发生变化、质地坚硬、不溶于溶剂、加热也不再软化,如果温度过高则就分解。后者的特点为受热后发生物态变化,由固体软化或熔化成粘流体状态,但冷却后又可变硬而成固体,且过程可多次反复,塑料本身的分子结构则不发生变化。
塑料都以合成树脂为基本原料,并加入填料、增塑剂、染料、稳定剂等各种辅助料而组成。因此,不同品种牌号的塑料,由于选用树脂及辅助料的性能、成分、配比及塑料生产工艺不同,则其使用及工艺特性也各不相同。为此模具设计时必须了解所用塑料的工艺特性。
第一节热固性塑料
常用热固性塑料有酚醛、氨基(三聚氰胺、脲醛)聚酯、聚邻苯二甲酸二丙烯酯等。主要用于压塑、挤塑、注射成形。硅酮、环氧树脂等塑料,目前主要作为低压挤塑封装电子元件及浇注成形等用。
一、工艺特性
(一)收缩率
塑件自模具中取出冷却到室温后,发生尺寸收缩这种性能称为收缩性。由于收缩不仅是树脂本身的热胀冷缩,而且还与各成形因素有关,所以成形后塑件的收缩应称为成形收缩。
1.成形收缩的形式成形收缩主要表现在下列几方面:
(1)塑件的线尺寸收缩由于热胀冷缩,塑件脱模时的弹性恢复、塑性变形等原因导致塑件脱模冷却到室温后其尺寸缩小,为此型腔设计时必须考虑予以补偿。
(2)收缩方向性成形时分子按方向排列,使塑件呈现各向异性,沿料流方向(即平行方向)则收缩大、强度高,与料流直角方向(即垂直方向)则收缩小、强度低。另外,成形时由于塑件各部位密度及填料分布不匀,故使收缩也不匀。产生收缩差使塑件易发生翘曲、变形、裂纹,尤其在挤塑及注射成形时则方向性更为明显。因此,模具设计时应考虑收缩方向性按塑件形状、流料方向选取收缩率为宜。
(3)后收缩塑件成形时,由于受成形压力、剪切应力、各向异性、密度不匀、填料分布不匀、模温不匀、硬化不匀、塑性变形等因素的影响,引起一系列应力的作用,在粘流态时不能全部消失,故塑件在应力状态下成形时存在残余应力。当脱模后由于应力趋向平衡及贮存条件的影响,使残余应力发生变化而使塑件发生再收缩称为后收缩。一般塑件在脱模后10小时内变化最大,24小时后基本定型,但最后稳定要经30~60天。通常热塑性塑料的后收缩比热固性大,挤塑及注射成形的比压塑成形的大。
(4)后处理收缩有时塑件按性能及工艺要求,成形后需进行热处理,处理后也会导致塑件尺寸发生变化。故模具设计时对高精度塑件则应考虑后收缩及后处理收缩的误差并予以补偿。
2.收缩率计算塑件成形收缩可用收缩率来表示,如公式(1-1)及公式(1-2)所示。
Q实=(a-b)/b×100 (1-1)
Q计=(c-b)/b×100 (1-2)
式中:Q实—实际收缩率(%);
Q计—计算收缩率(%);
a —塑件在成形温度时单向尺寸(毫米);
b —塑件在室温下单向尺寸(毫米);
c —模具在室温下单向尺寸(毫米)。
实际收缩率为表示塑件实际所发生的收缩,因其值与计算收缩相差很小,所以模具设计时以Q计为设计参数来计算型腔及型芯尺寸。
3.影响收缩率变化的因素在实际成形时不仅不同品种塑料其收缩率各不相同,而且不同批的同品种塑料或同一塑件的不同部位其收缩值也经常不同,影响收缩率变化的主要因素有如下几个方面。
1)塑料品种各种塑料都有其各自的收缩范围,同种类塑料由于填料、分子量及配比等不同,则其收缩率及各向异性也不同。
(2)塑件特性塑件的形状、尺寸、壁厚、有无嵌件,嵌件数量及布局对收缩率大小也有很大影响。
(3)模具结构模具的分型面及加压方向,浇注系统的形式,布局及尺寸对收缩率及方向性影响也较大,尤其在挤塑及注射成形时更为明显。
(4)成形工艺 挤塑、注射成形工艺一般收缩率较大,方向性明显。预热情况、成形温度、成形压力、保持时间、填装料形式及硬化均匀性对收缩率及方向性都有影响。
如上所述模具设计时应根据各种塑料的说明书中所提供的收缩率范围,并按塑件形状、尺寸、壁厚、有无嵌件情况、分型面及加压成形方向、模具结构及进料口形式尺寸和位置、成形工艺等诸因素综合地来考虑选取收缩率值。对挤塑或注射成形时,则常需按塑件各部位的形状、尺寸、壁厚等特点选取不同的收缩率。
另外,成形收缩还受到各成形因素的影响,但主要决定于塑料品种、塑件形状及尺寸。所以成形时调整各项成形条件也能够适当地改变塑件的收缩情况。常用塑料计算收缩率详见表1-1。模具设计时选取收缩率的规则详见第三章所述。
(二)流动性
塑料在一定温度与压力下填充型腔的能力称为流动性。这是模具设计时必须考虑的一个重要工艺参数。流动性大易造成溢料过多,填充型腔不密实,塑件组织疏松,树脂、填料分头聚积,易粘模、脱模及清理困难,硬化过早等弊病。但流动性小则填充不足,不易成形,成形压力大。所以选用塑料的流动性必须与塑件要求、成形工艺及成形条件相适应。模具设计时应根据流动性能来考虑浇注系统、分型面及进料方向等等。热固性塑料流动性通常以拉西格流动性(以毫米计)来表示。数值大则流动性好,每一品种的塑料通常分三个不同等级的流动性,以供不同塑件及成形工艺选用。一般塑件面积大、嵌件多、型芯及嵌件细弱,有狭窄深槽及薄壁的复杂形状对填充不利时,应采用流动性较好的塑料。挤塑成形时应选用拉西格流动性150毫米以上的塑料,注射成形时应用拉西格流动性200毫米以上的塑料。为了保证每批塑料都有相同的流动性,在实际中常用并批方法来调节,即将同一品种而流动性有差异的塑料加以配用,使各批塑料流动性互相补偿,以保证塑件质量。常用塑料的拉西格流动性值详见表1-1,但必须指出塑料的注动性除了决定于塑料品种外,在填充型腔时还常受各种因素的影响而使塑料实际填充型腔的能力发生变化。如粒度细匀(尤其是圆状粒料),湿度大、含水分及挥发物多,预热及成形条件适当,模具表面光洁度好,模具结构适当等则都有利于改善流动性。反之,预热或成形条件不良、模具结构不良流动阻力大或塑料贮存期过长、超期、贮存温度高(尤其对氨基塑料)等则都会导致塑料填充型腔时实际的流动性能下降而造成填充不良。
(三)比容及压缩率
比容为每一克塑料所占有的体积(以厘米3/克计)。压缩率为塑粉与塑件两者体积或比容之比值(其值恒大于1)。它们都可被用来确定压模装料室的大小。其数值大即要求装料室体积要大,同时又说明塑粉内充气多,排气困难,成形周期长,生产率低。比容小则反之,而且有利于压锭,压制。各种塑料的比容详见表1-1。但比容值也常因塑料的粒度大小及颗粒不均匀度而有误差。
(四)硬化特性
热固性塑料在成形过程中在加热受压下转变成可塑性粘流状态,随之流动性增大填充型腔,与此同时发生缩合反应,交联密度不断增加,流动性迅速下降,融料逐渐固化。模具设计时对硬化速度快,保持流动状态短的料则应注意便于装料,装卸嵌件及选择合理的成形条件和操作等以免过早硬经或硬化不足,导致塑件成形不良。
硬化速度一般可从表1-1的保持时间来分析,它与塑料品种、壁厚、塑件形状、模温有关。但还受其它因素而变化,尤其与预热状态有关,适当的预热应保持使塑料能发挥出最大流动性的条件下,尽量提高其硬化速度,一般预热温度高,时间长(在允许范围内)则硬化速度加快,尤其预压锭坯料经高频预热的则硬化速度显著加快。另外,成形温度高、加压时间长则硬化速度也随之增加。因此,硬化速度也可调节预热或成形条件予以适当控制。
硬化速度还应适合成形方法要求,例注射、挤塑成型时应要求在塑化、填充时化学反应慢、硬化慢,应保持较长时间的流动状态,但当充满型腔后在高温、高压下应快速硬化。
(五)水分及挥发物含量
各种塑料中含有不同程度的水分、挥发物含量,过多时流动性增大、易溢料、保持时间长、收缩增大,易发生波纹、翘曲等弊病,影响塑件机电性能。但当塑料过于干燥时也会导致流动性不良成形困难,所以不同塑料应按要求进行预热干燥,对吸湿性强的料,尤其在潮湿季节即使对预热后的料也应防止再吸湿。
由于各种塑料中含有不同成分的水分及挥发物,同时在缩合反应时要发生缩合水分,这些成分都需在成形时变成气体排出模外,有的气体对模具有腐蚀作用,对人体也有刺激作用。为此在模具设计时应对各种塑料此类特性有所了解,并采取相应措施,如预热、模具镀铬,开排气槽或成形时设排气工序。
二、成形特性
在模具设计必须掌握所用塑料的成形特性及成形时的工艺特性。
1.工艺特性 常用热固性塑料工艺特性见表1-1
2.成形特性常用热固性塑料成形特性见表1-2。各种塑料成形特性与各塑料品种有关外,还与所含有填料品种和粒度及颗粒均匀度有关。细料流动性好,但预热不易均匀,充入空气多不易排出、传热不良、成形时间长。粗料塑件不光泽,易发生表面不均匀。过粗、过细还直接影响比容及压缩率、模具加料室容积。颗粒不均匀的则成形性不好、硬化不匀,同时不宜采用容量法加料。填料品种对成形特性的影响见表1-3
第二节 热塑性塑料
热塑性塑料品种极多,即使同一品种也由于树脂分子及附加物配比不同而使其使用及工艺特性也有所不同。另外,为了改变原有品种的特性,常用共聚、交链等各种化学聚合方法在原有的树脂结构中导入一定百分比量的异种单体或高分子相等树脂,以改变原有树脂的结构成为具有新的使用及工艺特性的改性品种。例如,ABS即为在聚苯乙烯分子中导入了丙烯腈、丁二烯等异种单体后成为改性共聚物,也可称为改性聚苯乙烯,具有比聚苯乙烯优越的使用,工艺特性。由于热塑性塑料品种多、性能复杂,即使同一类的塑料也有仅供注射用或挤出用之分,故本章节主要介绍各种注射用的热塑性塑料。
一、工艺特性
(一)收缩率
热塑性塑料成形收缩的形式及计算如前所述,影响热塑性塑料成形收缩的因素如下
1.塑料品种热塑性塑料成形过程中由于还存在结晶化形起的体积变化,内应力强,冻结在塑件内的残余应力大,分子取向性强等因素,因此与热固性塑料相比则收缩率较大,收缩率范围宽、方向性明显,另外成形后的收缩、退火或调湿处理后的收缩一般也都比热固性塑料大。
2.塑件特性成形时融料与型腔表面接触外层立即冷却形成低密度的固态外壳。由于塑料的导热性差,使塑件内层缓慢冷却而形成收缩大的高密度固态层。所以壁厚、冷却慢、高密度层厚的则收缩大。另外,有无嵌件及嵌件布局、数量都直接影响料流方向,密度分布及收缩阻力大小等,所以塑件的特性对收缩大小,方向性影响较大。
3.进料口形式、尺寸、分布这些因素直接影响料流方向、密度分布、保压补缩作用及成形时间。直接进料口、进料口截面大(尤其截面较厚的)则收缩小但方向性大,进料口宽及长度短的则方向性小。距进料口近的或与料流方向平行的则收缩大。
4.成形条件模具温度高,融料冷却慢、密度高、收缩大,尤其对结晶料则因结晶度高,体积变化大,故收缩更大。模温分布与塑件内外冷却及密度均匀性也有关,直接影响到各部分收缩量大小及方向性。另外,保持压力及时间对收缩也影响较大,压力大、时间长的则收缩小但方向性大。注射压力高,融料粘度差小,层间剪切应力小,脱模后弹性回跳大,故收缩也可适量的减小,料温高、收缩大,但方向性小。因此在成形时调整模温、压力、注射速度及冷却时间等诸因素也可适当改变塑件收缩情况。
模具设计时根据各种塑料的收缩范围,塑件壁厚、形状,进料口形式尺寸及分布情况,按经验确定塑件各部位的收缩率,再来计算型腔尺寸。对高精度塑件及难以掌握收缩率时,一般宜用如下方法设计模具:
(1)对塑件外径取较小收缩率,内径取较大收缩率,以留有试模后修正的余地。
(2)试模确定浇注系统形式、尺寸及成形条件。
(3)要后处理的塑件经后处理确定尺寸变化情况(测量时必须在脱模后24小时以后)。
(4)按实际收缩情况修正模具。
(5)再试模并可适当地改变工艺条件略微修正收缩值以满足塑件要求。
(二)流动性
1.热塑性塑料流动性大小,一般可从分子量大小、熔融指数、阿基米德螺旋线长度、表现粘度及流动比(流程长度/塑件壁厚)等一系列指数进行分析。分子量小,分子量分布宽,分子结构规整性差,熔融指数高、螺旋线长度长、表现粘度小,流动比大的则流动性就好,对同一品名的塑料必须检查其说明书判断其流动性是否适用于注射成形。按模具设计要求我们大致可将常用塑料的流动性分为三类:
(1)流动性好尼龙、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、醋酸纤维素、聚(4)甲基戍烯;
(2)流动性中等改性聚苯乙烯(例ABS·AS)、有机玻璃、聚甲醛、聚氯醚;
(3)流动性差聚碳酸酯、硬聚氯乙烯、聚苯醚、聚砜、聚芳砜、氟塑料。
2.各种塑料的流动性也因各成形因素而变,主要影响的因素有如下几点:
(1)温度料温高则流动性增大,但不同塑料也各有差异,聚苯乙烯(尤其耐冲击型及MI值较高的)、聚丙烯尼龙、有机玻璃、改性聚苯乙烯(例ABS·AS)、聚碳酸酯、醋酸纤维等塑料的流动性随温度变化较大。对聚乙烯、聚甲醛、则温度增减对其流动性影响较小。所以前者在成形时宜调节温度来控制流动性。
(2)压力注射压力增大则融料受剪切作用大,流动性也增大,特别是聚乙烯、聚甲醛较为敏感,所以成形时宜调节注射压力来控制流动性。
(3)模具结构浇注系统的形式,尺寸,布置,冷却系统设计,融料流动阻力(如型面光洁度,料道截面厚度,型腔形状,排气系统)等因素都直接影响到融料在型腔内的实际流动性,凡促使融料降低温度,增加流动性阻力的则流动性就降低。
模具设计时应根据所用塑料的流动性,选用合理的结构。成形时则也可控制料温,模温及注射压力、注射速度等因素来适当地调节填充情况以满足成形需要。
(三)结晶性
热塑性塑料按其冷凝时无出现结晶现象可划分为结晶形塑料与非结晶形(又称无定形)塑料两大类。
所谓结晶现象即为塑料由熔融状态到冷凝时,分子由独立移动,完全处于无次序状态,变成分子停止自由运动,按略微固定的位置,并有一个使分子排列成为正规模型的倾向的一种现象。
作为判别这两类塑料的外观标准可视塑料的厚壁塑件的透明性而定,一般结晶性料为不透明或半透明(如聚甲醛等),无定形料为透明(如有机玻璃等)。但也有例外情况,如聚(4)甲基戍烯为结晶性料却有高透明性,ABS为无定形料但却并不透明。
在模具设计及选择注射机时应注意对结晶料有下列要求:
(1)料温上升到成形温度所需的热量多,要用塑化能力大的设备。
(2)冷凝时放出热量大,要充分冷却。
(3)熔态与固态的比重差大,成形收缩大,易发生缩孔、气孔。
(4)冷却快结晶度低,收缩小,透明度高。结晶度与塑件壁厚有关,壁厚冷却慢结晶度高,收缩大,物性好。所以结晶性料应按要求必须控制模温。
(5)各向异性显著,内应力大。脱模后未结晶化的分子有继续结晶化倾向,处于能量不平衡状态,易发生变形,翘曲。
(6)结晶熔点范围窄,易发生未熔粉末注入模具或堵塞进料口。
(四)热敏性及水敏性
1.热敏性塑料系指某些塑料对热较为敏感,在高温下受热时间较长或进料口截面过小,剪切作用大时,料温增高易发生变色、降聚,分解的倾向,具有这种特性的塑料称为热敏性塑料。如硬聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、醋酸乙烯共聚物,聚甲醛,聚三氟氯乙烯等。热敏性塑料在分解时产生单体、气体、固体等副产物,特别是有的分解气体对人体、设备、模具都有刺激、腐蚀作用或毒性。因此,模具设计、选择注射机及成形时都应注意,应选用螺杆式注射机,浇注系统截面宜大,模具和料筒应镀铬,不得有死角滞料,必须严格控制成形温度、塑料中加入稳定剂,减弱热敏性能。
2.有的塑料(如聚碳酸酯)即使含有少量水分,但在高温、高压下也会发生分解,这种性能称为水敏性,对此必须预先加热干燥。
(五)应力开裂及熔融破裂
1.有的塑料对应力敏感,成形时易产生内应力并质脆易裂,塑件在外力作用下或在溶剂作用下即发生开裂现象。为此,除了在原料内加入附加剂提高抗裂性外,对原料应注意干燥,合理的选择成形条件,以减少内应力和增加抗裂性。并应选择合理的塑件形状,不宜设置嵌件等尽量减少应力集中。模具设计时应增大脱模斜度,选用合理的进料口及顶出机构,成形时应适当的调节料温、模温、注射压力及冷却时间,尽量避免塑件过于冷脆时脱模,成形后塑件还宜进行后处理提高抗裂性,消除内应力并禁止与溶剂接触。
2.当一定融熔指数的聚合物熔体,在恒温下通过喷嘴孔时其流速超过某值后,熔体表面发生明显横向裂纹称为熔融破裂,有损塑件外观及物性。故在选用熔融指数高的聚合物等,应增大喷嘴、浇道、进料口截面,减少注射速度,提高料温。
(六)热性能及冷却速度
1.各种塑料有不同比热、热传导率、热变形温度等热性能。比热高的塑化时需要热量大,应选用塑化能力大的注射机。热变形温度高的冷却时间可短,脱模早,但脱模后要防止冷却变形。热传导率低的冷却速度慢(如离子聚合物等冷却速度极慢)必须充分冷却,要加强模具冷却效果。热浇道模具适用于比热低,热传导率高的塑料。比热大、热传导率低,热变形温度低、冷却速度慢的塑料则不利于高速成形,必须用适当的注射机及加强模具冷却。
2.各种塑料按其品种特性及塑件形状,要求必须保持适当的冷却速度。所以模具必须按成形要求设置加热和冷却系统,以保持一定模温。当料温使模温升高时应予冷却,以防止塑件脱模后变形,缩短成形周期,降低结晶度。当塑料余热不足以使模具保持一定温度时,则模具应设有加热系统,使模具保持在一定温度,以控制冷却速度,保证流动性,改善填充条件或用以控制塑件使其缓慢冷却,防止厚壁塑件内外冷却不匀及提高结晶度等。对流动性好,成形面积大、料温不匀的则按塑件成形情况有时需加热或冷却交替使用或局部加热与冷却并用。为此模具应设有相应的冷却或加热系统。各种塑料成形时要求的模温及热性能见表1-4及表1-5。
(七)吸湿性
塑料中因有各种添加剂,使其对水分各有不同的亲疏程度,所以塑料大致可分为吸湿、粘附水分及不吸水也不易粘附水分的两种,料中含水量必须控制在允许范围内,不然在高温、高压下水分变成气体或发生水解作用,使树脂起泡、流动性下降、外观及机电性能不良。所以吸湿性塑料必须按要求采用适当的加热方法及规范进行预热,在使用时还需用红外线照射以防止再吸湿。
二、成形特性
常用热塑性塑料成形特性及成形条件见表1-4及表1-5。
第三节增强塑料
为了进一步改善热固及热塑性塑料的机电性能。常在塑料中加入玻璃纤维填料(简称玻纤),作为增强材料,以树脂为粘结剂而组成新型复合材料,通称为增强塑料(热固性塑料的增强塑料又称为玻璃钢)。
由于塑料配方的玻璃纤维的品种、长度、含量等不同,其工艺性及使用特性也各不相同。本节主要介绍模压用的热固性增强塑料及注射用的热塑性增强塑料。
一、热固性增强塑料
热固性增强塑料是以树脂、增强材料、辅助剂等组成。其中树脂作为粘结剂,它要求有良好的流动性、适宜的固化速度、副产物少,易调节粘度和良好的互溶性,并需满足塑件及成形要求。增强材料起骨架作用,其品种规格繁多主要用玻璃纤维,一般含量为60%、长度为15~20毫米。辅助剂包括调节粘度的稀释剂(用以改进玻纤与树脂的粘结)、用以调节树脂-纤维界面状态的玻纤表面处理剂、用以改进流动性,降低收缩,提高光泽度及耐磨性等用的填料和着色颜料等。由于选用的树脂,玻纤的品种规格(长度、直径,无碱或含碱,支数,股数,加捻或无捻),表面处理剂,玻纤与树脂混制工艺(预混法或预浸法,塑料配比等不同则其性能也各不相同。
(一)工艺特性
1.流动性增强料的流动性比一般压塑料差,流动性过大时易产生树脂流失与玻纤分头聚积。过小则成形压力及温度将显著提高。影响流动性的因素很多,要评定某种料的流动性,必须按组成作具体分析。影响流动性的因素见表1-6。
2.收缩率增强塑料的收缩率比一般压塑料小,它主要由热收缩及化学结构收缩组成。影响收缩的因素首先是塑料品种。一般酚醛料比环氧、环氧酚醛、不饱和聚酯等料要大,其中不饱和聚酯料收缩最小。其它影响收缩的因素是塑件形状及壁厚,厚壁则收缩大,塑料中所含填料及玻纤量大则收缩小,挥发物含量大则收缩也大,成形压力大,装料量大则收缩小,热脱模比冷脱模的收缩大,固化不足收缩大,当加压时机及成形温度适当,固化充分而均匀时则收缩小。同一塑件其不同部位的收缩也各不相同,尤其对薄壁塑件更为突出。一般收缩率为0~0.3%,而0.1~0.2%的则居多,收缩大小还与模具结构有关,总之选择收缩时应综合考虑。
3.压缩比增强料的比容,压缩比都较一般压塑料大,预混料则更大,因此在模具设计时需取较大的装料室,同时向模内装料也较困难,尤其预混料更为不便,但如采用料坯预成形工艺则压缩比就可显著减小。
装料量一般可预先估算,经试压后再作调整。估算装料量的方法可由如下四种:
(1)计算法装料量可按公式(1-3)计算:
A = V × G(1+3~5%)(1-3)
式中A——装料量(克);
V ——塑件体积(厘米3);
G ——所用塑料比重(克/厘米3);
3~5% ——物料按发物、毛刺等损耗量补偿值。
(2)形状简化计算法将复杂形状塑件简化成由若干个简单形状组成,同时将尺寸也相应变更再按简化形状进行计算,如图1-1所示。
(3)比重比较法当按金属或其它材料的零件仿制塑件时,则可将原零件的材料比重及重量与所选用的增强塑料比重之比求得装料量。
(4)注型比较法用树脂或石蜡等浇注型材料注入模具型腔成形后再以此零件按比重比较法求得装料量。
4.物料状态增强料按其玻纤与树脂混合制成原料的方式可分为如下三种状态。
(1)预混料是将长达15~30毫米的玻纤与树脂混合烘干而成,它比容大,流动性比预浸料好,成形时纤维易受损伤,质量均匀性差,装料困难,劳动条件差。适用于压制中小型、复杂形状塑料及大量生产时,不宜用于压制要求高强度的塑件。使用预混料时要防止料“结”使流动性迅速下降。该料互溶性不良,树脂与玻纤易分头聚积。
(2)预浸料是将整束玻纤浸入树脂,烘干切短而成。它流动性比预混料差,料束间相溶性差,比容小,玻纤强度损失小,物料质量均匀性良好,装模时易按塑件形状受力状态进行合理辅料,适用于压制形状复杂的高强度塑料。
(3)浸毡料是将切短的纤维均匀地铺在玻璃布上浸渍树脂而成的毡状料,其性能介于上述两者之间。适用压制形状简单,厚度变化不大的薄壁大型塑件。
5.硬化速度及贮存性增强塑料按其硬化速度可分为快速和慢速两种。快速料固化快,装料模温高,为适用于压塑小型塑件及大量生产时常用原料。慢速料适用于压制大型塑件,形状复杂或有特殊性能要求及小批量生产时,慢速料必须慎重选择升温速度,过快易发生内应力,硬化不匀,填充不良。过慢则降低生产效率。所以模具设计时应预先了解所用料的要求。
各种料都有其允许贮存期及贮存条件。凡超期或贮存条件不良者都会导致塑料变质,影响流动性及塑件质量,故试模及生产时都应注意。
(二)成形条件
热固性增强塑料的成形条件见表1-7。
(三)塑件及模具设计注意事项
1.塑件设计时应注意下列事项。
(1)塑件光洁度可达7~ 9,精度一般宜取3~5级,但沿压制方向精度不易保证,宜取自由公差。
(2)不易脱模,宜取较大脱模斜度。若不允许取较大脱模斜度时,则塑件径向公差宜取大。
(3)塑件宜取回转体对称外形,不宜过高。
(4)壁应厚而均匀,避免尖角、缺口、窄槽等形状,各面应圆弧过渡连接以防止应力集中、死角滞料,填充不良,物料集聚堵塞流道。
(5)孔一般应取通孔,避免用Φ5毫米以下的盲孔,盲孔底部应成半球面或圆锥面以利物料流动,孔径及深度比一般为1∶2~1∶3,大型塑件尽量不设计小孔,孔间距、孔边距宜取大,大密度排列的小孔不宜模压成形。
(6)螺孔比螺杆易成形,M6以下螺纹不宜成形,齿形宜用半圆形及梯形,其圆角半径应大于0.3毫米,并应注意半角公差,可以参照一般塑制的螺纹进行设计。当塑件螺纹与其它材料螺纹零件接合时,要考虑其配合张力,螺纹段长度应取最小尺寸。
(7)成形压力大,嵌件应有足够强度,防止变形损坏,定位必须可靠。
(8)收缩小,有方向性,易发生熔接不良,变形、翘曲、缩孔、裂纹及应力集中,树脂填料分布不匀。薄壁塑件易碎,不易脱模,大面积塑件易发生波纹及物料聚积。
2.模具设计时应注意下列事项。
(1)要便于装料,有利于物料流动填充型腔。
(2)脱模斜度宜取1°以上。
(3)宜选塑件投影面大的方向作为成形加压方向便于物料填充型腔,但不宜把尺寸精度高的部位和嵌件、型芯轴线垂直方向作为加压方向。
(4)物料渗入力强,飞边厚不易去除,选择分型面时应注意飞边方向。上下模及并镶件宜取整体结构,组合结构装配间隙不宜取大,上下模可拆成形零件宜取3~4级滑配合。
(5)收缩率为0~0.3%,一般取0.1~0.2%,物料体积一般取塑件体积的2~3倍。
(6)成形压力大,物料渗挤力大。模具型芯嵌件应有足够强度、防止变形、位移与损坏。尤其对细长型芯与型腔间空隙较小时更应注意。
(7)模具应抛光、淬硬。
(8)顶出力大,顶杆应有足够强度,顶出应均匀,顶杆不宜兼作型芯。
(9)快速成形料在成形温度下即可脱模,慢速成形料模具应设有加热及强迫冷却措施。
二、热塑性增强塑料
热塑性增强塑料一般由树脂及增强材料组成。目前常用的树脂主要为尼龙、聚苯乙烯、ABS、AS,聚碳酸酯、线型聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛等。增强材料一般为无碱玻璃纤维(有长短两种,长纤维料一般与粒料长一致为2~3毫米,短纤维料长一般小于0.8毫米)经表面处理后与树脂配制而成。玻纤含量应按树脂比重选用最合理的配比,一般为20~40%之间。由于各种增强塑料所选用的树脂不同,玻纤长度、直径,有无含碱及表面处理剂不同其增强效果不一,成形特性也不一。
如前所述增强料可改善一系列机电性能,但也存在一系列缺点:冲击强度与冲击疲劳强度低(但缺口冲击强度增高);透明性、焊接点强度也降低,收缩、强度、热膨胀率、热传导率的异向性增大。故目前该塑料主要用于塑制小型,高强度、耐热,工作环境差及高精度要求的塑件。
(一)工艺特性
1.流动性差增强料熔融指数比普通料低30~70%故流动性不良,易发生填充不良,熔接不良,玻纤分布不匀等弊病。尤其对长纤维料更易发生上述缺陷,并还易损伤纤维而影响机电性能。
2.成形收缩小、异向性明显成形收缩比普通料小,但异向性增大沿料流方向收缩小,垂直方向大,近进料口处小,远处大,塑件易发生翘曲、变形。
3.脱模不良、磨损大该料不易脱模,并对模具磨损大,在注射时料流对浇注系统,型芯等磨损也大。
4.易发生气体成形时由于纤维表面处理剂易挥发成气体、必须予以排出,不然易发生熔接不良、缺料及烧伤等弊病。
(二)成形注意事项
为了解决增强料上述工艺弊病在成形时应注意下列事项:
1.宜用高温、高压、高速注射。
2.模温宜取高(对结晶性料应按要求调节),同时应防止树脂玻纤分头聚积,玻纤裸露及局部烧伤。
3.保压补缩应充分。
4.塑件冷却应均匀。
5.料温、模温变化对塑件收缩影响较大,温度高收缩大,保压及注射压力增大,可使收缩变小但影响较小。
6.由于热刚性好,热变形温度高可在较高温度时脱模,但要注意脱模后均匀冷却。
7.应选用适当的脱模剂。
8.宜用螺杆式注射机成形。尤其对长纤维料必须用螺杆式注射机加工,如果没有螺杆式注射机则应在造粒后象短纤维料一样才可在柱塞式注射机上加工。
(三)成形条件
常用热塑性增强塑料成形条件见表1-8。
(四)模具设计注意事项
1.塑件形状及壁厚特别应考虑有利于料流畅通填充型腔,尽量避免尖角、缺口。
2.脱模斜度应取大,含玻璃纤维15%的可取1°~2°,含玻璃纤维30%的可取2°~3°。当不允许有脱模斜度时则应避免强行脱模,宜采用横向分型结构。
3.浇注系统截面宜大,流程平直而短,以利于纤维均匀分散。
4.设计进料口应考虑防止填充不足,异向性变形,玻璃纤维分布不匀,易产生熔接痕等因素。进料口宜取薄膜,宽薄,扇形,环形及多点形式进料口以使料流乱流,玻璃纤维分散,以减少异向性,最好不取针状进料口,进料口截面可适当增大,其长度应短。
5.模具型芯、型腔应有足够刚性及强度。
6.模具应淬硬,抛光、选用耐磨钢种,易磨损部位应便于修换。
7.顶出应均匀有力,便于换修。
8.模具应设有排气溢料槽,并宜设于易发生熔接痕部位。
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塑料是以高分子量合成树脂为主要成分,在一定条件下(如温度、压力等)可塑制成一定形状且在常温下保持形状不变的材料。
塑料按受热后表面的性能,可分为热固性塑料与热塑性塑料两大类。前者的特点是在一定温度下,经一定时间加热、加压或加入硬化剂后,发生化学反应而硬化。硬化后的塑料化学结构发生变化、质地坚硬、不溶于溶剂、加热也不再软化,如果温度过高则就分解。后者的特点为受热后发生物态变化,由固体软化或熔化成粘流体状态,但冷却后又可变硬而成固体,且过程可多次反复,塑料本身的分子结构则不发生变化。
塑料都以合成树脂为基本原料,并加入填料、增塑剂、染料、稳定剂等各种辅助料而组成。因此,不同品种牌号的塑料,由于选用树脂及辅助料的性能、成分、配比及塑料生产工艺不同,则其使用及工艺特性也各不相同。为此模具设计时必须了解所用塑料的工艺特性。
第一节热固性塑料
常用热固性塑料有酚醛、氨基(三聚氰胺、脲醛)聚酯、聚邻苯二甲酸二丙烯酯等。主要用于压塑、挤塑、注射成形。硅酮、环氧树脂等塑料,目前主要作为低压挤塑封装电子元件及浇注成形等用。
一、工艺特性
(一)收缩率
塑件自模具中取出冷却到室温后,发生尺寸收缩这种性能称为收缩性。由于收缩不仅是树脂本身的热胀冷缩,而且还与各成形因素有关,所以成形后塑件的收缩应称为成形收缩。
1.成形收缩的形式成形收缩主要表现在下列几方面:
(1)塑件的线尺寸收缩由于热胀冷缩,塑件脱模时的弹性恢复、塑性变形等原因导致塑件脱模冷却到室温后其尺寸缩小,为此型腔设计时必须考虑予以补偿。
(2)收缩方向性成形时分子按方向排列,使塑件呈现各向异性,沿料流方向(即平行方向)则收缩大、强度高,与料流直角方向(即垂直方向)则收缩小、强度低。另外,成形时由于塑件各部位密度及填料分布不匀,故使收缩也不匀。产生收缩差使塑件易发生翘曲、变形、裂纹,尤其在挤塑及注射成形时则方向性更为明显。因此,模具设计时应考虑收缩方向性按塑件形状、流料方向选取收缩率为宜。
(3)后收缩塑件成形时,由于受成形压力、剪切应力、各向异性、密度不匀、填料分布不匀、模温不匀、硬化不匀、塑性变形等因素的影响,引起一系列应力的作用,在粘流态时不能全部消失,故塑件在应力状态下成形时存在残余应力。当脱模后由于应力趋向平衡及贮存条件的影响,使残余应力发生变化而使塑件发生再收缩称为后收缩。一般塑件在脱模后10小时内变化最大,24小时后基本定型,但最后稳定要经30~60天。通常热塑性塑料的后收缩比热固性大,挤塑及注射成形的比压塑成形的大。
(4)后处理收缩有时塑件按性能及工艺要求,成形后需进行热处理,处理后也会导致塑件尺寸发生变化。故模具设计时对高精度塑件则应考虑后收缩及后处理收缩的误差并予以补偿。
2.收缩率计算塑件成形收缩可用收缩率来表示,如公式(1-1)及公式(1-2)所示。
Q实=(a-b)/b×100 (1-1)
Q计=(c-b)/b×100 (1-2)
式中:Q实—实际收缩率(%);
Q计—计算收缩率(%);
a —塑件在成形温度时单向尺寸(毫米);
b —塑件在室温下单向尺寸(毫米);
c —模具在室温下单向尺寸(毫米)。
实际收缩率为表示塑件实际所发生的收缩,因其值与计算收缩相差很小,所以模具设计时以Q计为设计参数来计算型腔及型芯尺寸。
3.影响收缩率变化的因素在实际成形时不仅不同品种塑料其收缩率各不相同,而且不同批的同品种塑料或同一塑件的不同部位其收缩值也经常不同,影响收缩率变化的主要因素有如下几个方面。
1)塑料品种各种塑料都有其各自的收缩范围,同种类塑料由于填料、分子量及配比等不同,则其收缩率及各向异性也不同。
(2)塑件特性塑件的形状、尺寸、壁厚、有无嵌件,嵌件数量及布局对收缩率大小也有很大影响。
(3)模具结构模具的分型面及加压方向,浇注系统的形式,布局及尺寸对收缩率及方向性影响也较大,尤其在挤塑及注射成形时更为明显。
(4)成形工艺 挤塑、注射成形工艺一般收缩率较大,方向性明显。预热情况、成形温度、成形压力、保持时间、填装料形式及硬化均匀性对收缩率及方向性都有影响。
如上所述模具设计时应根据各种塑料的说明书中所提供的收缩率范围,并按塑件形状、尺寸、壁厚、有无嵌件情况、分型面及加压成形方向、模具结构及进料口形式尺寸和位置、成形工艺等诸因素综合地来考虑选取收缩率值。对挤塑或注射成形时,则常需按塑件各部位的形状、尺寸、壁厚等特点选取不同的收缩率。
另外,成形收缩还受到各成形因素的影响,但主要决定于塑料品种、塑件形状及尺寸。所以成形时调整各项成形条件也能够适当地改变塑件的收缩情况。常用塑料计算收缩率详见表1-1。模具设计时选取收缩率的规则详见第三章所述。
(二)流动性
塑料在一定温度与压力下填充型腔的能力称为流动性。这是模具设计时必须考虑的一个重要工艺参数。流动性大易造成溢料过多,填充型腔不密实,塑件组织疏松,树脂、填料分头聚积,易粘模、脱模及清理困难,硬化过早等弊病。但流动性小则填充不足,不易成形,成形压力大。所以选用塑料的流动性必须与塑件要求、成形工艺及成形条件相适应。模具设计时应根据流动性能来考虑浇注系统、分型面及进料方向等等。热固性塑料流动性通常以拉西格流动性(以毫米计)来表示。数值大则流动性好,每一品种的塑料通常分三个不同等级的流动性,以供不同塑件及成形工艺选用。一般塑件面积大、嵌件多、型芯及嵌件细弱,有狭窄深槽及薄壁的复杂形状对填充不利时,应采用流动性较好的塑料。挤塑成形时应选用拉西格流动性150毫米以上的塑料,注射成形时应用拉西格流动性200毫米以上的塑料。为了保证每批塑料都有相同的流动性,在实际中常用并批方法来调节,即将同一品种而流动性有差异的塑料加以配用,使各批塑料流动性互相补偿,以保证塑件质量。常用塑料的拉西格流动性值详见表1-1,但必须指出塑料的注动性除了决定于塑料品种外,在填充型腔时还常受各种因素的影响而使塑料实际填充型腔的能力发生变化。如粒度细匀(尤其是圆状粒料),湿度大、含水分及挥发物多,预热及成形条件适当,模具表面光洁度好,模具结构适当等则都有利于改善流动性。反之,预热或成形条件不良、模具结构不良流动阻力大或塑料贮存期过长、超期、贮存温度高(尤其对氨基塑料)等则都会导致塑料填充型腔时实际的流动性能下降而造成填充不良。
(三)比容及压缩率
比容为每一克塑料所占有的体积(以厘米3/克计)。压缩率为塑粉与塑件两者体积或比容之比值(其值恒大于1)。它们都可被用来确定压模装料室的大小。其数值大即要求装料室体积要大,同时又说明塑粉内充气多,排气困难,成形周期长,生产率低。比容小则反之,而且有利于压锭,压制。各种塑料的比容详见表1-1。但比容值也常因塑料的粒度大小及颗粒不均匀度而有误差。
(四)硬化特性
热固性塑料在成形过程中在加热受压下转变成可塑性粘流状态,随之流动性增大填充型腔,与此同时发生缩合反应,交联密度不断增加,流动性迅速下降,融料逐渐固化。模具设计时对硬化速度快,保持流动状态短的料则应注意便于装料,装卸嵌件及选择合理的成形条件和操作等以免过早硬经或硬化不足,导致塑件成形不良。
硬化速度一般可从表1-1的保持时间来分析,它与塑料品种、壁厚、塑件形状、模温有关。但还受其它因素而变化,尤其与预热状态有关,适当的预热应保持使塑料能发挥出最大流动性的条件下,尽量提高其硬化速度,一般预热温度高,时间长(在允许范围内)则硬化速度加快,尤其预压锭坯料经高频预热的则硬化速度显著加快。另外,成形温度高、加压时间长则硬化速度也随之增加。因此,硬化速度也可调节预热或成形条件予以适当控制。
硬化速度还应适合成形方法要求,例注射、挤塑成型时应要求在塑化、填充时化学反应慢、硬化慢,应保持较长时间的流动状态,但当充满型腔后在高温、高压下应快速硬化。
(五)水分及挥发物含量
各种塑料中含有不同程度的水分、挥发物含量,过多时流动性增大、易溢料、保持时间长、收缩增大,易发生波纹、翘曲等弊病,影响塑件机电性能。但当塑料过于干燥时也会导致流动性不良成形困难,所以不同塑料应按要求进行预热干燥,对吸湿性强的料,尤其在潮湿季节即使对预热后的料也应防止再吸湿。
由于各种塑料中含有不同成分的水分及挥发物,同时在缩合反应时要发生缩合水分,这些成分都需在成形时变成气体排出模外,有的气体对模具有腐蚀作用,对人体也有刺激作用。为此在模具设计时应对各种塑料此类特性有所了解,并采取相应措施,如预热、模具镀铬,开排气槽或成形时设排气工序。
二、成形特性
在模具设计必须掌握所用塑料的成形特性及成形时的工艺特性。
1.工艺特性 常用热固性塑料工艺特性见表1-1
2.成形特性常用热固性塑料成形特性见表1-2。各种塑料成形特性与各塑料品种有关外,还与所含有填料品种和粒度及颗粒均匀度有关。细料流动性好,但预热不易均匀,充入空气多不易排出、传热不良、成形时间长。粗料塑件不光泽,易发生表面不均匀。过粗、过细还直接影响比容及压缩率、模具加料室容积。颗粒不均匀的则成形性不好、硬化不匀,同时不宜采用容量法加料。填料品种对成形特性的影响见表1-3
第二节 热塑性塑料
热塑性塑料品种极多,即使同一品种也由于树脂分子及附加物配比不同而使其使用及工艺特性也有所不同。另外,为了改变原有品种的特性,常用共聚、交链等各种化学聚合方法在原有的树脂结构中导入一定百分比量的异种单体或高分子相等树脂,以改变原有树脂的结构成为具有新的使用及工艺特性的改性品种。例如,ABS即为在聚苯乙烯分子中导入了丙烯腈、丁二烯等异种单体后成为改性共聚物,也可称为改性聚苯乙烯,具有比聚苯乙烯优越的使用,工艺特性。由于热塑性塑料品种多、性能复杂,即使同一类的塑料也有仅供注射用或挤出用之分,故本章节主要介绍各种注射用的热塑性塑料。
一、工艺特性
(一)收缩率
热塑性塑料成形收缩的形式及计算如前所述,影响热塑性塑料成形收缩的因素如下
1.塑料品种热塑性塑料成形过程中由于还存在结晶化形起的体积变化,内应力强,冻结在塑件内的残余应力大,分子取向性强等因素,因此与热固性塑料相比则收缩率较大,收缩率范围宽、方向性明显,另外成形后的收缩、退火或调湿处理后的收缩一般也都比热固性塑料大。
2.塑件特性成形时融料与型腔表面接触外层立即冷却形成低密度的固态外壳。由于塑料的导热性差,使塑件内层缓慢冷却而形成收缩大的高密度固态层。所以壁厚、冷却慢、高密度层厚的则收缩大。另外,有无嵌件及嵌件布局、数量都直接影响料流方向,密度分布及收缩阻力大小等,所以塑件的特性对收缩大小,方向性影响较大。
3.进料口形式、尺寸、分布这些因素直接影响料流方向、密度分布、保压补缩作用及成形时间。直接进料口、进料口截面大(尤其截面较厚的)则收缩小但方向性大,进料口宽及长度短的则方向性小。距进料口近的或与料流方向平行的则收缩大。
4.成形条件模具温度高,融料冷却慢、密度高、收缩大,尤其对结晶料则因结晶度高,体积变化大,故收缩更大。模温分布与塑件内外冷却及密度均匀性也有关,直接影响到各部分收缩量大小及方向性。另外,保持压力及时间对收缩也影响较大,压力大、时间长的则收缩小但方向性大。注射压力高,融料粘度差小,层间剪切应力小,脱模后弹性回跳大,故收缩也可适量的减小,料温高、收缩大,但方向性小。因此在成形时调整模温、压力、注射速度及冷却时间等诸因素也可适当改变塑件收缩情况。
模具设计时根据各种塑料的收缩范围,塑件壁厚、形状,进料口形式尺寸及分布情况,按经验确定塑件各部位的收缩率,再来计算型腔尺寸。对高精度塑件及难以掌握收缩率时,一般宜用如下方法设计模具:
(1)对塑件外径取较小收缩率,内径取较大收缩率,以留有试模后修正的余地。
(2)试模确定浇注系统形式、尺寸及成形条件。
(3)要后处理的塑件经后处理确定尺寸变化情况(测量时必须在脱模后24小时以后)。
(4)按实际收缩情况修正模具。
(5)再试模并可适当地改变工艺条件略微修正收缩值以满足塑件要求。
(二)流动性
1.热塑性塑料流动性大小,一般可从分子量大小、熔融指数、阿基米德螺旋线长度、表现粘度及流动比(流程长度/塑件壁厚)等一系列指数进行分析。分子量小,分子量分布宽,分子结构规整性差,熔融指数高、螺旋线长度长、表现粘度小,流动比大的则流动性就好,对同一品名的塑料必须检查其说明书判断其流动性是否适用于注射成形。按模具设计要求我们大致可将常用塑料的流动性分为三类:
(1)流动性好尼龙、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、醋酸纤维素、聚(4)甲基戍烯;
(2)流动性中等改性聚苯乙烯(例ABS·AS)、有机玻璃、聚甲醛、聚氯醚;
(3)流动性差聚碳酸酯、硬聚氯乙烯、聚苯醚、聚砜、聚芳砜、氟塑料。
2.各种塑料的流动性也因各成形因素而变,主要影响的因素有如下几点:
(1)温度料温高则流动性增大,但不同塑料也各有差异,聚苯乙烯(尤其耐冲击型及MI值较高的)、聚丙烯尼龙、有机玻璃、改性聚苯乙烯(例ABS·AS)、聚碳酸酯、醋酸纤维等塑料的流动性随温度变化较大。对聚乙烯、聚甲醛、则温度增减对其流动性影响较小。所以前者在成形时宜调节温度来控制流动性。
(2)压力注射压力增大则融料受剪切作用大,流动性也增大,特别是聚乙烯、聚甲醛较为敏感,所以成形时宜调节注射压力来控制流动性。
(3)模具结构浇注系统的形式,尺寸,布置,冷却系统设计,融料流动阻力(如型面光洁度,料道截面厚度,型腔形状,排气系统)等因素都直接影响到融料在型腔内的实际流动性,凡促使融料降低温度,增加流动性阻力的则流动性就降低。
模具设计时应根据所用塑料的流动性,选用合理的结构。成形时则也可控制料温,模温及注射压力、注射速度等因素来适当地调节填充情况以满足成形需要。
(三)结晶性
热塑性塑料按其冷凝时无出现结晶现象可划分为结晶形塑料与非结晶形(又称无定形)塑料两大类。
所谓结晶现象即为塑料由熔融状态到冷凝时,分子由独立移动,完全处于无次序状态,变成分子停止自由运动,按略微固定的位置,并有一个使分子排列成为正规模型的倾向的一种现象。
作为判别这两类塑料的外观标准可视塑料的厚壁塑件的透明性而定,一般结晶性料为不透明或半透明(如聚甲醛等),无定形料为透明(如有机玻璃等)。但也有例外情况,如聚(4)甲基戍烯为结晶性料却有高透明性,ABS为无定形料但却并不透明。
在模具设计及选择注射机时应注意对结晶料有下列要求:
(1)料温上升到成形温度所需的热量多,要用塑化能力大的设备。
(2)冷凝时放出热量大,要充分冷却。
(3)熔态与固态的比重差大,成形收缩大,易发生缩孔、气孔。
(4)冷却快结晶度低,收缩小,透明度高。结晶度与塑件壁厚有关,壁厚冷却慢结晶度高,收缩大,物性好。所以结晶性料应按要求必须控制模温。
(5)各向异性显著,内应力大。脱模后未结晶化的分子有继续结晶化倾向,处于能量不平衡状态,易发生变形,翘曲。
(6)结晶熔点范围窄,易发生未熔粉末注入模具或堵塞进料口。
(四)热敏性及水敏性
1.热敏性塑料系指某些塑料对热较为敏感,在高温下受热时间较长或进料口截面过小,剪切作用大时,料温增高易发生变色、降聚,分解的倾向,具有这种特性的塑料称为热敏性塑料。如硬聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、醋酸乙烯共聚物,聚甲醛,聚三氟氯乙烯等。热敏性塑料在分解时产生单体、气体、固体等副产物,特别是有的分解气体对人体、设备、模具都有刺激、腐蚀作用或毒性。因此,模具设计、选择注射机及成形时都应注意,应选用螺杆式注射机,浇注系统截面宜大,模具和料筒应镀铬,不得有死角滞料,必须严格控制成形温度、塑料中加入稳定剂,减弱热敏性能。
2.有的塑料(如聚碳酸酯)即使含有少量水分,但在高温、高压下也会发生分解,这种性能称为水敏性,对此必须预先加热干燥。
(五)应力开裂及熔融破裂
1.有的塑料对应力敏感,成形时易产生内应力并质脆易裂,塑件在外力作用下或在溶剂作用下即发生开裂现象。为此,除了在原料内加入附加剂提高抗裂性外,对原料应注意干燥,合理的选择成形条件,以减少内应力和增加抗裂性。并应选择合理的塑件形状,不宜设置嵌件等尽量减少应力集中。模具设计时应增大脱模斜度,选用合理的进料口及顶出机构,成形时应适当的调节料温、模温、注射压力及冷却时间,尽量避免塑件过于冷脆时脱模,成形后塑件还宜进行后处理提高抗裂性,消除内应力并禁止与溶剂接触。
2.当一定融熔指数的聚合物熔体,在恒温下通过喷嘴孔时其流速超过某值后,熔体表面发生明显横向裂纹称为熔融破裂,有损塑件外观及物性。故在选用熔融指数高的聚合物等,应增大喷嘴、浇道、进料口截面,减少注射速度,提高料温。
(六)热性能及冷却速度
1.各种塑料有不同比热、热传导率、热变形温度等热性能。比热高的塑化时需要热量大,应选用塑化能力大的注射机。热变形温度高的冷却时间可短,脱模早,但脱模后要防止冷却变形。热传导率低的冷却速度慢(如离子聚合物等冷却速度极慢)必须充分冷却,要加强模具冷却效果。热浇道模具适用于比热低,热传导率高的塑料。比热大、热传导率低,热变形温度低、冷却速度慢的塑料则不利于高速成形,必须用适当的注射机及加强模具冷却。
2.各种塑料按其品种特性及塑件形状,要求必须保持适当的冷却速度。所以模具必须按成形要求设置加热和冷却系统,以保持一定模温。当料温使模温升高时应予冷却,以防止塑件脱模后变形,缩短成形周期,降低结晶度。当塑料余热不足以使模具保持一定温度时,则模具应设有加热系统,使模具保持在一定温度,以控制冷却速度,保证流动性,改善填充条件或用以控制塑件使其缓慢冷却,防止厚壁塑件内外冷却不匀及提高结晶度等。对流动性好,成形面积大、料温不匀的则按塑件成形情况有时需加热或冷却交替使用或局部加热与冷却并用。为此模具应设有相应的冷却或加热系统。各种塑料成形时要求的模温及热性能见表1-4及表1-5。
(七)吸湿性
塑料中因有各种添加剂,使其对水分各有不同的亲疏程度,所以塑料大致可分为吸湿、粘附水分及不吸水也不易粘附水分的两种,料中含水量必须控制在允许范围内,不然在高温、高压下水分变成气体或发生水解作用,使树脂起泡、流动性下降、外观及机电性能不良。所以吸湿性塑料必须按要求采用适当的加热方法及规范进行预热,在使用时还需用红外线照射以防止再吸湿。
二、成形特性
常用热塑性塑料成形特性及成形条件见表1-4及表1-5。
第三节增强塑料
为了进一步改善热固及热塑性塑料的机电性能。常在塑料中加入玻璃纤维填料(简称玻纤),作为增强材料,以树脂为粘结剂而组成新型复合材料,通称为增强塑料(热固性塑料的增强塑料又称为玻璃钢)。
由于塑料配方的玻璃纤维的品种、长度、含量等不同,其工艺性及使用特性也各不相同。本节主要介绍模压用的热固性增强塑料及注射用的热塑性增强塑料。
一、热固性增强塑料
热固性增强塑料是以树脂、增强材料、辅助剂等组成。其中树脂作为粘结剂,它要求有良好的流动性、适宜的固化速度、副产物少,易调节粘度和良好的互溶性,并需满足塑件及成形要求。增强材料起骨架作用,其品种规格繁多主要用玻璃纤维,一般含量为60%、长度为15~20毫米。辅助剂包括调节粘度的稀释剂(用以改进玻纤与树脂的粘结)、用以调节树脂-纤维界面状态的玻纤表面处理剂、用以改进流动性,降低收缩,提高光泽度及耐磨性等用的填料和着色颜料等。由于选用的树脂,玻纤的品种规格(长度、直径,无碱或含碱,支数,股数,加捻或无捻),表面处理剂,玻纤与树脂混制工艺(预混法或预浸法,塑料配比等不同则其性能也各不相同。
(一)工艺特性
1.流动性增强料的流动性比一般压塑料差,流动性过大时易产生树脂流失与玻纤分头聚积。过小则成形压力及温度将显著提高。影响流动性的因素很多,要评定某种料的流动性,必须按组成作具体分析。影响流动性的因素见表1-6。
2.收缩率增强塑料的收缩率比一般压塑料小,它主要由热收缩及化学结构收缩组成。影响收缩的因素首先是塑料品种。一般酚醛料比环氧、环氧酚醛、不饱和聚酯等料要大,其中不饱和聚酯料收缩最小。其它影响收缩的因素是塑件形状及壁厚,厚壁则收缩大,塑料中所含填料及玻纤量大则收缩小,挥发物含量大则收缩也大,成形压力大,装料量大则收缩小,热脱模比冷脱模的收缩大,固化不足收缩大,当加压时机及成形温度适当,固化充分而均匀时则收缩小。同一塑件其不同部位的收缩也各不相同,尤其对薄壁塑件更为突出。一般收缩率为0~0.3%,而0.1~0.2%的则居多,收缩大小还与模具结构有关,总之选择收缩时应综合考虑。
3.压缩比增强料的比容,压缩比都较一般压塑料大,预混料则更大,因此在模具设计时需取较大的装料室,同时向模内装料也较困难,尤其预混料更为不便,但如采用料坯预成形工艺则压缩比就可显著减小。
装料量一般可预先估算,经试压后再作调整。估算装料量的方法可由如下四种:
(1)计算法装料量可按公式(1-3)计算:
A = V × G(1+3~5%)(1-3)
式中A——装料量(克);
V ——塑件体积(厘米3);
G ——所用塑料比重(克/厘米3);
3~5% ——物料按发物、毛刺等损耗量补偿值。
(2)形状简化计算法将复杂形状塑件简化成由若干个简单形状组成,同时将尺寸也相应变更再按简化形状进行计算,如图1-1所示。
(3)比重比较法当按金属或其它材料的零件仿制塑件时,则可将原零件的材料比重及重量与所选用的增强塑料比重之比求得装料量。
(4)注型比较法用树脂或石蜡等浇注型材料注入模具型腔成形后再以此零件按比重比较法求得装料量。
4.物料状态增强料按其玻纤与树脂混合制成原料的方式可分为如下三种状态。
(1)预混料是将长达15~30毫米的玻纤与树脂混合烘干而成,它比容大,流动性比预浸料好,成形时纤维易受损伤,质量均匀性差,装料困难,劳动条件差。适用于压制中小型、复杂形状塑料及大量生产时,不宜用于压制要求高强度的塑件。使用预混料时要防止料“结”使流动性迅速下降。该料互溶性不良,树脂与玻纤易分头聚积。
(2)预浸料是将整束玻纤浸入树脂,烘干切短而成。它流动性比预混料差,料束间相溶性差,比容小,玻纤强度损失小,物料质量均匀性良好,装模时易按塑件形状受力状态进行合理辅料,适用于压制形状复杂的高强度塑料。
(3)浸毡料是将切短的纤维均匀地铺在玻璃布上浸渍树脂而成的毡状料,其性能介于上述两者之间。适用压制形状简单,厚度变化不大的薄壁大型塑件。
5.硬化速度及贮存性增强塑料按其硬化速度可分为快速和慢速两种。快速料固化快,装料模温高,为适用于压塑小型塑件及大量生产时常用原料。慢速料适用于压制大型塑件,形状复杂或有特殊性能要求及小批量生产时,慢速料必须慎重选择升温速度,过快易发生内应力,硬化不匀,填充不良。过慢则降低生产效率。所以模具设计时应预先了解所用料的要求。
各种料都有其允许贮存期及贮存条件。凡超期或贮存条件不良者都会导致塑料变质,影响流动性及塑件质量,故试模及生产时都应注意。
(二)成形条件
热固性增强塑料的成形条件见表1-7。
(三)塑件及模具设计注意事项
1.塑件设计时应注意下列事项。
(1)塑件光洁度可达7~ 9,精度一般宜取3~5级,但沿压制方向精度不易保证,宜取自由公差。
(2)不易脱模,宜取较大脱模斜度。若不允许取较大脱模斜度时,则塑件径向公差宜取大。
(3)塑件宜取回转体对称外形,不宜过高。
(4)壁应厚而均匀,避免尖角、缺口、窄槽等形状,各面应圆弧过渡连接以防止应力集中、死角滞料,填充不良,物料集聚堵塞流道。
(5)孔一般应取通孔,避免用Φ5毫米以下的盲孔,盲孔底部应成半球面或圆锥面以利物料流动,孔径及深度比一般为1∶2~1∶3,大型塑件尽量不设计小孔,孔间距、孔边距宜取大,大密度排列的小孔不宜模压成形。
(6)螺孔比螺杆易成形,M6以下螺纹不宜成形,齿形宜用半圆形及梯形,其圆角半径应大于0.3毫米,并应注意半角公差,可以参照一般塑制的螺纹进行设计。当塑件螺纹与其它材料螺纹零件接合时,要考虑其配合张力,螺纹段长度应取最小尺寸。
(7)成形压力大,嵌件应有足够强度,防止变形损坏,定位必须可靠。
(8)收缩小,有方向性,易发生熔接不良,变形、翘曲、缩孔、裂纹及应力集中,树脂填料分布不匀。薄壁塑件易碎,不易脱模,大面积塑件易发生波纹及物料聚积。
2.模具设计时应注意下列事项。
(1)要便于装料,有利于物料流动填充型腔。
(2)脱模斜度宜取1°以上。
(3)宜选塑件投影面大的方向作为成形加压方向便于物料填充型腔,但不宜把尺寸精度高的部位和嵌件、型芯轴线垂直方向作为加压方向。
(4)物料渗入力强,飞边厚不易去除,选择分型面时应注意飞边方向。上下模及并镶件宜取整体结构,组合结构装配间隙不宜取大,上下模可拆成形零件宜取3~4级滑配合。
(5)收缩率为0~0.3%,一般取0.1~0.2%,物料体积一般取塑件体积的2~3倍。
(6)成形压力大,物料渗挤力大。模具型芯嵌件应有足够强度、防止变形、位移与损坏。尤其对细长型芯与型腔间空隙较小时更应注意。
(7)模具应抛光、淬硬。
(8)顶出力大,顶杆应有足够强度,顶出应均匀,顶杆不宜兼作型芯。
(9)快速成形料在成形温度下即可脱模,慢速成形料模具应设有加热及强迫冷却措施。
二、热塑性增强塑料
热塑性增强塑料一般由树脂及增强材料组成。目前常用的树脂主要为尼龙、聚苯乙烯、ABS、AS,聚碳酸酯、线型聚酯、聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛等。增强材料一般为无碱玻璃纤维(有长短两种,长纤维料一般与粒料长一致为2~3毫米,短纤维料长一般小于0.8毫米)经表面处理后与树脂配制而成。玻纤含量应按树脂比重选用最合理的配比,一般为20~40%之间。由于各种增强塑料所选用的树脂不同,玻纤长度、直径,有无含碱及表面处理剂不同其增强效果不一,成形特性也不一。
如前所述增强料可改善一系列机电性能,但也存在一系列缺点:冲击强度与冲击疲劳强度低(但缺口冲击强度增高);透明性、焊接点强度也降低,收缩、强度、热膨胀率、热传导率的异向性增大。故目前该塑料主要用于塑制小型,高强度、耐热,工作环境差及高精度要求的塑件。
(一)工艺特性
1.流动性差增强料熔融指数比普通料低30~70%故流动性不良,易发生填充不良,熔接不良,玻纤分布不匀等弊病。尤其对长纤维料更易发生上述缺陷,并还易损伤纤维而影响机电性能。
2.成形收缩小、异向性明显成形收缩比普通料小,但异向性增大沿料流方向收缩小,垂直方向大,近进料口处小,远处大,塑件易发生翘曲、变形。
3.脱模不良、磨损大该料不易脱模,并对模具磨损大,在注射时料流对浇注系统,型芯等磨损也大。
4.易发生气体成形时由于纤维表面处理剂易挥发成气体、必须予以排出,不然易发生熔接不良、缺料及烧伤等弊病。
(二)成形注意事项
为了解决增强料上述工艺弊病在成形时应注意下列事项:
1.宜用高温、高压、高速注射。
2.模温宜取高(对结晶性料应按要求调节),同时应防止树脂玻纤分头聚积,玻纤裸露及局部烧伤。
3.保压补缩应充分。
4.塑件冷却应均匀。
5.料温、模温变化对塑件收缩影响较大,温度高收缩大,保压及注射压力增大,可使收缩变小但影响较小。
6.由于热刚性好,热变形温度高可在较高温度时脱模,但要注意脱模后均匀冷却。
7.应选用适当的脱模剂。
8.宜用螺杆式注射机成形。尤其对长纤维料必须用螺杆式注射机加工,如果没有螺杆式注射机则应在造粒后象短纤维料一样才可在柱塞式注射机上加工。
(三)成形条件
常用热塑性增强塑料成形条件见表1-8。
(四)模具设计注意事项
1.塑件形状及壁厚特别应考虑有利于料流畅通填充型腔,尽量避免尖角、缺口。
2.脱模斜度应取大,含玻璃纤维15%的可取1°~2°,含玻璃纤维30%的可取2°~3°。当不允许有脱模斜度时则应避免强行脱模,宜采用横向分型结构。
3.浇注系统截面宜大,流程平直而短,以利于纤维均匀分散。
4.设计进料口应考虑防止填充不足,异向性变形,玻璃纤维分布不匀,易产生熔接痕等因素。进料口宜取薄膜,宽薄,扇形,环形及多点形式进料口以使料流乱流,玻璃纤维分散,以减少异向性,最好不取针状进料口,进料口截面可适当增大,其长度应短。
5.模具型芯、型腔应有足够刚性及强度。
6.模具应淬硬,抛光、选用耐磨钢种,易磨损部位应便于修换。
7.顶出应均匀有力,便于换修。
8.模具应设有排气溢料槽,并宜设于易发生熔接痕部位。
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热固性塑料注塑成型的特点www.tool-tool.com
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热固性塑料注塑成型的特点
热塑性聚合物在成型中基本上是一种形态转化的物理过程。而热固性聚合物在成型中不仅有物理状态的变化,还有化学变化,并且是不可逆的。热固性聚合物在未交联前与热塑性聚合物相似,都是线型聚合物。但热固性聚合物在分子链中带有反应基团或反应活点,成型时分子链通过自带的反应基团的作用或反应活点与交联剂(硬化剂)的作用而发生交联,使线型变成体型结构。对于热固性聚合物的这种交联反应,粘度反映了它的固化程度。 粘度
一.影响粘度的因素
1.热固性塑料的粘度与热固化时间的关系: 热固化时间
在极值之前的一段时间内,聚合物的热固化反应不占优势,由松驰的结晶,粘度随时间的增加而减小。在极值之后,交联固化反应占优势,聚合物相对分子量增大很快,而使粘度增大。 粘度
2.热固性塑料的粘度对成型温度的关系: 成型温度
当成型温度在极值之前时,粘度主要取决于材料的物理变化,即随着温度的升高而减小,在极值之后,粘度因交联固化反应占优势而快速升高。
对于热固性塑料的注射正是利用这一点:在低于极值点的温度下,材料在注射机料筒内达到流动态(粘度低),以便注模;在大于极值点的温度下,材料可在模腔内固化成型。
3.随着剪切速率的增加,物料的粘度会降低,但由于物料的磨擦生热而使交联反应的活化能降低,从而加速了交联固化反应速率,又使物料的粘度迅速增加。
二.成型工艺
1.温度
塑料从料斗进入料筒后,一定要逐步受热塑化,温度分布不宜过分激烈。因为温度的突变,会引起熔料粘度的变化。见图所示热固性塑料在注塑过程中温度对粘度的变化。注射时,塑料在喷嘴处流速很高,这样因磨擦生热而使塑料温升很快。对射击熔料的温度最好控制在120~130℃,因为这时熔料呈现出最好的流动性,并接近于硬化的“临界塑性”的状态。所以,各段温度的分布见表:
料筒温度 喷嘴温度 通过喷嘴时的温度 模具温度
预塑 积料 85-100℃ 100-130℃ 定模 动模
50-70℃ 75-95℃ 150-170℃ 165-190℃
备注 模具温度一般控制在150-220℃,而且动模比定模温度高10-15℃。
2.压力
一般情况下,注射压力应高一些,压力越高,收缩率越小,其制品的机械强度和电性能都较好。压力越高,流速就越快,产生的磨擦热越多,固化时间就可缩短。但是,注射压力高会引起制品内应力的增加,飞边增多和脱模困难。
注射速度与注射压力正比。它会直接影响充模时熔体的流态,从而影响到制品的质量,见图。
保压压力通常比注射压力要低一些。
3.固化时间随模温的增加而减少,与制品的壁厚成正比,形状复杂的制品需适当延长固化时间。
4.各注塑条件对制品性能的影响见下图:
各种注塑条件对制品性能的影响
绝缘 弯曲 冲出 收缩 吸水 耐压
常态 沸后
固化时间 1 11 0 1 1 22 2
固化温度 2 22 0 22 22 22 1
注射速度 2 1 0 11 11 0
保压时间 0 0 1 1 0
注射压力 3 3 2 1 1 0
螺杆转速 0 33 0 0 0 22
流动性 1 1 2 2 22 22 1
注塑料:填料为木粉的酚醛树脂成型材料
技术工艺 模具温度 170℃ 双数:影响度大 单数:影响度小
固化时间 60s 1为效果大 2为有效果
保压时间 20s 3为有此倾向 0为几乎影响
5.在注塑时,由于热固性塑料是通过缩聚反应或加聚反应等化学方法来实现交联,反应时需放出低分子物,所以需考滤排气的问题。
热固性塑料的注射技术的改进不仅仅与材料和工艺有关,而且要与注射机、注塑模等联系起来,综合考滤热固性注塑的“料、艺、模、机”四方面。
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热固性塑料注塑成型的特点
热塑性聚合物在成型中基本上是一种形态转化的物理过程。而热固性聚合物在成型中不仅有物理状态的变化,还有化学变化,并且是不可逆的。热固性聚合物在未交联前与热塑性聚合物相似,都是线型聚合物。但热固性聚合物在分子链中带有反应基团或反应活点,成型时分子链通过自带的反应基团的作用或反应活点与交联剂(硬化剂)的作用而发生交联,使线型变成体型结构。对于热固性聚合物的这种交联反应,粘度反映了它的固化程度。 粘度
一.影响粘度的因素
1.热固性塑料的粘度与热固化时间的关系: 热固化时间
在极值之前的一段时间内,聚合物的热固化反应不占优势,由松驰的结晶,粘度随时间的增加而减小。在极值之后,交联固化反应占优势,聚合物相对分子量增大很快,而使粘度增大。 粘度
2.热固性塑料的粘度对成型温度的关系: 成型温度
当成型温度在极值之前时,粘度主要取决于材料的物理变化,即随着温度的升高而减小,在极值之后,粘度因交联固化反应占优势而快速升高。
对于热固性塑料的注射正是利用这一点:在低于极值点的温度下,材料在注射机料筒内达到流动态(粘度低),以便注模;在大于极值点的温度下,材料可在模腔内固化成型。
3.随着剪切速率的增加,物料的粘度会降低,但由于物料的磨擦生热而使交联反应的活化能降低,从而加速了交联固化反应速率,又使物料的粘度迅速增加。
二.成型工艺
1.温度
塑料从料斗进入料筒后,一定要逐步受热塑化,温度分布不宜过分激烈。因为温度的突变,会引起熔料粘度的变化。见图所示热固性塑料在注塑过程中温度对粘度的变化。注射时,塑料在喷嘴处流速很高,这样因磨擦生热而使塑料温升很快。对射击熔料的温度最好控制在120~130℃,因为这时熔料呈现出最好的流动性,并接近于硬化的“临界塑性”的状态。所以,各段温度的分布见表:
料筒温度 喷嘴温度 通过喷嘴时的温度 模具温度
预塑 积料 85-100℃ 100-130℃ 定模 动模
50-70℃ 75-95℃ 150-170℃ 165-190℃
备注 模具温度一般控制在150-220℃,而且动模比定模温度高10-15℃。
2.压力
一般情况下,注射压力应高一些,压力越高,收缩率越小,其制品的机械强度和电性能都较好。压力越高,流速就越快,产生的磨擦热越多,固化时间就可缩短。但是,注射压力高会引起制品内应力的增加,飞边增多和脱模困难。
注射速度与注射压力正比。它会直接影响充模时熔体的流态,从而影响到制品的质量,见图。
保压压力通常比注射压力要低一些。
3.固化时间随模温的增加而减少,与制品的壁厚成正比,形状复杂的制品需适当延长固化时间。
4.各注塑条件对制品性能的影响见下图:
各种注塑条件对制品性能的影响
绝缘 弯曲 冲出 收缩 吸水 耐压
常态 沸后
固化时间 1 11 0 1 1 22 2
固化温度 2 22 0 22 22 22 1
注射速度 2 1 0 11 11 0
保压时间 0 0 1 1 0
注射压力 3 3 2 1 1 0
螺杆转速 0 33 0 0 0 22
流动性 1 1 2 2 22 22 1
注塑料:填料为木粉的酚醛树脂成型材料
技术工艺 模具温度 170℃ 双数:影响度大 单数:影响度小
固化时间 60s 1为效果大 2为有效果
保压时间 20s 3为有此倾向 0为几乎影响
5.在注塑时,由于热固性塑料是通过缩聚反应或加聚反应等化学方法来实现交联,反应时需放出低分子物,所以需考滤排气的问题。
热固性塑料的注射技术的改进不仅仅与材料和工艺有关,而且要与注射机、注塑模等联系起来,综合考滤热固性注塑的“料、艺、模、机”四方面。
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常用热固性塑料www.tool-tool.com
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常用的热固性塑料品种有酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂、有机硅树脂、聚氨酯等。 酚醛树脂(PF) 酚醛树脂是历史上最长的塑料品种之一,俗称胶木或电木,外观呈黄褐色或黑色,是热固性塑料的典型代表。酚醛树脂成型时常使用各种填充材料,根据所用填充材料的不同,成品性能也有所不同,酚醛树脂作为成型材料,主要用在需要耐热性的领域,但也作为粘接剂用于胶合板、砂轮和刹车片。 脲醛树脂(UF) 脲醛树脂是可用作模压料、粘接剂等的无色塑料,由尿素和甲醛制备。脲醛树脂模压料填加有纤维素。而且硬度、机械强度优良。另一方面,有发脆、具有吸水性、尺寸稳定性不良的缺点,甚至静置也往往产生裂纹。脲醛树脂可制造餐具、瓶盖等日用品和机械零部件,还可做粘接剂。 三聚氰胺-甲醛树脂 (MF) 三聚氰胺-甲醛树脂又称蜜胺-甲醛树脂这种塑料弥补了脲醛树脂不耐水的缺点,但价格比脲醛树脂高。 由于三聚氰胺-甲醛树脂与脲醛树脂一样无色透明,成型色彩鲜艳,又由于具有耐热性、表面硬度大、机械特性、电学性能良好、耐水性、耐溶剂性和耐化学药剂性优越,所以可用于餐具、各种日用品(包括家具)、工业用品的领域。 不饱和聚酯树脂(UF) 不饱和聚酯树脂是具有不同粘度的淡黄或琥珀色的透明液体。因为不饱和聚酯树脂强度不高,故常加入玻璃纤维等增强材料使用,产品俗称"玻璃钢"。不饱和聚酯树脂固化前呈液体状,而且不加压也可成型,甚至可在常温下固化,因而可用各种加工方法加工成制品。 环氧树脂(EP) 环氧树脂是用固化剂固化的热固性塑料。它的粘接性极好,电学性质优良,机械性质也良好。环氧树脂的主要用途是作金属防蚀涂料和粘接剂,常用于印刷线路板和电子元件的封铸。 有机硅树脂(SI) 与前述的各树脂不同,主要成分不是碳,而是硅,因此价格高。但是有机硅树脂耐热180℃,经特殊处理可耐500℃,耐寒性良好,物理性质不随温度变化,是一种耐化学药品性、耐水性和耐候性优良的热固性塑料, 它的耐热制品是生产电子工业元器件的材料。 聚氨酯(PU) 聚氨酯品种很多,可制成从轻质热塑性弹性体至硬质泡沫塑料。聚氨酯软质泡沫塑料的密度为0.015 ~ 0. 15克/厘米3,软质泡沫塑料成型为块状,便于切割作家具和包装材料。硬质泡沫塑料可制成各种型式, 主要用途是在温度低,要求绝缘性能好,如低温运输车辆作保冷层,还可用于建材,家具等。聚氨酯弹性体是一种合成橡胶,具有优异的性能。 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 聚甲基丙烯酸甲酯俗称有机玻璃,是无色透明(透光率大于92%)具有耐光性的塑料。容易着色,表面硬度大,机械强度也高,长时间暴露于室外,也不会像其他塑料那样变成黄色,但冲击强度不足。聚甲基丙烯酸甲酯的加工以注塑及挤塑为主,但还能用单体铸塑法制造制品。主要用于光学仪器、灯具,可以代替普通玻璃使用。 氟树脂 氟树脂是分子结构中含氟原子塑料的总称。代表性的氟树脂为聚四氟乙烯。它具有优异的耐热性(260℃)、 耐冷性(-260℃)、摩擦系数低、自润滑性很好,且具有极好的耐化学药品性,能在"王水"(硝酸与盐酸混合物)中煮沸,有"塑料王"之美称。但不能用通常的加工方法加工,价格高。氟塑料主要用作防腐、耐热、绝缘、耐磨、自润滑材料, 还可用作医用材料。
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常用的热固性塑料品种有酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂、有机硅树脂、聚氨酯等。 酚醛树脂(PF) 酚醛树脂是历史上最长的塑料品种之一,俗称胶木或电木,外观呈黄褐色或黑色,是热固性塑料的典型代表。酚醛树脂成型时常使用各种填充材料,根据所用填充材料的不同,成品性能也有所不同,酚醛树脂作为成型材料,主要用在需要耐热性的领域,但也作为粘接剂用于胶合板、砂轮和刹车片。 脲醛树脂(UF) 脲醛树脂是可用作模压料、粘接剂等的无色塑料,由尿素和甲醛制备。脲醛树脂模压料填加有纤维素。而且硬度、机械强度优良。另一方面,有发脆、具有吸水性、尺寸稳定性不良的缺点,甚至静置也往往产生裂纹。脲醛树脂可制造餐具、瓶盖等日用品和机械零部件,还可做粘接剂。 三聚氰胺-甲醛树脂 (MF) 三聚氰胺-甲醛树脂又称蜜胺-甲醛树脂这种塑料弥补了脲醛树脂不耐水的缺点,但价格比脲醛树脂高。 由于三聚氰胺-甲醛树脂与脲醛树脂一样无色透明,成型色彩鲜艳,又由于具有耐热性、表面硬度大、机械特性、电学性能良好、耐水性、耐溶剂性和耐化学药剂性优越,所以可用于餐具、各种日用品(包括家具)、工业用品的领域。 不饱和聚酯树脂(UF) 不饱和聚酯树脂是具有不同粘度的淡黄或琥珀色的透明液体。因为不饱和聚酯树脂强度不高,故常加入玻璃纤维等增强材料使用,产品俗称"玻璃钢"。不饱和聚酯树脂固化前呈液体状,而且不加压也可成型,甚至可在常温下固化,因而可用各种加工方法加工成制品。 环氧树脂(EP) 环氧树脂是用固化剂固化的热固性塑料。它的粘接性极好,电学性质优良,机械性质也良好。环氧树脂的主要用途是作金属防蚀涂料和粘接剂,常用于印刷线路板和电子元件的封铸。 有机硅树脂(SI) 与前述的各树脂不同,主要成分不是碳,而是硅,因此价格高。但是有机硅树脂耐热180℃,经特殊处理可耐500℃,耐寒性良好,物理性质不随温度变化,是一种耐化学药品性、耐水性和耐候性优良的热固性塑料, 它的耐热制品是生产电子工业元器件的材料。 聚氨酯(PU) 聚氨酯品种很多,可制成从轻质热塑性弹性体至硬质泡沫塑料。聚氨酯软质泡沫塑料的密度为0.015 ~ 0. 15克/厘米3,软质泡沫塑料成型为块状,便于切割作家具和包装材料。硬质泡沫塑料可制成各种型式, 主要用途是在温度低,要求绝缘性能好,如低温运输车辆作保冷层,还可用于建材,家具等。聚氨酯弹性体是一种合成橡胶,具有优异的性能。 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 聚甲基丙烯酸甲酯俗称有机玻璃,是无色透明(透光率大于92%)具有耐光性的塑料。容易着色,表面硬度大,机械强度也高,长时间暴露于室外,也不会像其他塑料那样变成黄色,但冲击强度不足。聚甲基丙烯酸甲酯的加工以注塑及挤塑为主,但还能用单体铸塑法制造制品。主要用于光学仪器、灯具,可以代替普通玻璃使用。 氟树脂 氟树脂是分子结构中含氟原子塑料的总称。代表性的氟树脂为聚四氟乙烯。它具有优异的耐热性(260℃)、 耐冷性(-260℃)、摩擦系数低、自润滑性很好,且具有极好的耐化学药品性,能在"王水"(硝酸与盐酸混合物)中煮沸,有"塑料王"之美称。但不能用通常的加工方法加工,价格高。氟塑料主要用作防腐、耐热、绝缘、耐磨、自润滑材料, 还可用作医用材料。
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纳米塑料www.tool-tool.com
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“纳米塑料”已成为塑料高新技术的“热点”。行业内,许多企业对“纳米”产生了浓厚的兴趣,甚至在没有一点“纳米”概念的情况下,盲目地将自己的产品冠以“纳米”的名称,以提高产品的档次和知名度。
纳米材料学是近年来刚刚兴起的一个完全崭新的科学领域,它涉及到聚集态物理、化学、材料、生物学等多领域的知识。本文仅对“纳米塑料”作一常识性的介绍。
要了解“纳米塑料”应先了解“纳米技术”,而要了解“纳米技术”必须了解“纳米”。
“纳米”是一个长度的计量单位,它的尺度是10亿分之1米(10-9m)。一般来说,纳米材料是指两相显微结构中至少有一相的一维尺度达到纳米级。纳米粒子粒径很小,表面能很大,极易团聚,所以如何制取纳米粒子本身就是一个非常复杂的技术问题。目前能制作和利用的纳米粒子多为无机纳米粒子,能有效地对塑料进行改性的纳米粒子是SiO2、TiO2、CaCO3 , 蒙拓土(MMT)等。
“纳米技术”的核心内容是如何解决纳米粒子的团聚问题,由于纳米粒子本身极易团聚,要得到单个分散的纳米粒子非常困难,如何使纳米粒子均匀地分散到基体中去是“纳米技术”的关键技术。目前从“纳米技术”的应用研究报导中分析,能实行产业化的方法有二种:1、纳米插层化技术,即通过插层化处理的n-MMT , 制成有一定密实程度,尺寸均匀的母粒,再将这种母粒经过拌和共混和造粒,解决纳米材料在基体中分散不均匀的难题,制成纳米复合材料。2、利用振动磨分散法可使纳米粒子在基体中均匀分散,基本不产生团聚,真正做到了纳米级分散。
“纳米塑料”是指基体为高分子聚合物,通过纳米粒子在塑料树脂中的充分分散,有效地提高了塑料的耐热、耐候、耐磨等性能。“纳米塑料”能使普通塑料具有象陶瓷材料一样的刚性和耐热性,同时又保留了塑料本身所具备的韧性、耐冲击性和易加工性。目前,能实行产业化的有通过纳米粒子改性的 NPE、NPET和NPA6(即纳米聚乙烯、纳米PET聚脂、纳米尼龙6)利用纳米粒子,将银(Ag+)设计到粒子表面的微孔中并稳定,就能制成纳米栽银抗菌材料,将这种材料加入到塑料中去就能使塑料具有抗菌防霉,自洁等优良性能,使其成为绿色环保产品。目前,已在ABS、SPVC、HIPS、PP塑料中得到应用。
“纳米塑料”是一种高科技的新材料,具有很好的发展前景,由于国内对这种新材料还缺乏认识,没有完整的质量保证体系和严密的生产管理,正处于一种“一哄而上”的形势,鱼目混珠,真假难辩,使“纳米塑料”一开始便面临“夭折”的危险,所以笔者迫切希望国家有关部门能通过相应的标准和法规来保护这一新材料,促进它的健康成长。
Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users’ demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, ,,,etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, it’s our pleasure to serve for you. BW product including: utting tool、aerospace tool .HSS Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、Carbide end mill、Aerospace cutting tool、Carbide drill、High speed steel、Milling cutter、Core drill、Taperd end mills、Metric end mills、Miniature end mills、Pilot reamer、Electronics cutter、Step drill、Metal cutting saw、Double margin drill、Gun barrel、Angle milling cutter、Carbide burrs、Carbide tipped cutter、Chamfering tool、IC card engraving cutter、Side cutter、NAS tool、DIN tool、Special tool、Metal slitting saws、Shell end mills、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、Long end mills、Stub roughing end mills、Dovetail milling cutters、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、Angeled carbide end mills、Carbide torus cutters、Carbide ball-noseed slot drills、Mould cutter、Tool manufacturer.
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“纳米塑料”已成为塑料高新技术的“热点”。行业内,许多企业对“纳米”产生了浓厚的兴趣,甚至在没有一点“纳米”概念的情况下,盲目地将自己的产品冠以“纳米”的名称,以提高产品的档次和知名度。
纳米材料学是近年来刚刚兴起的一个完全崭新的科学领域,它涉及到聚集态物理、化学、材料、生物学等多领域的知识。本文仅对“纳米塑料”作一常识性的介绍。
要了解“纳米塑料”应先了解“纳米技术”,而要了解“纳米技术”必须了解“纳米”。
“纳米”是一个长度的计量单位,它的尺度是10亿分之1米(10-9m)。一般来说,纳米材料是指两相显微结构中至少有一相的一维尺度达到纳米级。纳米粒子粒径很小,表面能很大,极易团聚,所以如何制取纳米粒子本身就是一个非常复杂的技术问题。目前能制作和利用的纳米粒子多为无机纳米粒子,能有效地对塑料进行改性的纳米粒子是SiO2、TiO2、CaCO3 , 蒙拓土(MMT)等。
“纳米技术”的核心内容是如何解决纳米粒子的团聚问题,由于纳米粒子本身极易团聚,要得到单个分散的纳米粒子非常困难,如何使纳米粒子均匀地分散到基体中去是“纳米技术”的关键技术。目前从“纳米技术”的应用研究报导中分析,能实行产业化的方法有二种:1、纳米插层化技术,即通过插层化处理的n-MMT , 制成有一定密实程度,尺寸均匀的母粒,再将这种母粒经过拌和共混和造粒,解决纳米材料在基体中分散不均匀的难题,制成纳米复合材料。2、利用振动磨分散法可使纳米粒子在基体中均匀分散,基本不产生团聚,真正做到了纳米级分散。
“纳米塑料”是指基体为高分子聚合物,通过纳米粒子在塑料树脂中的充分分散,有效地提高了塑料的耐热、耐候、耐磨等性能。“纳米塑料”能使普通塑料具有象陶瓷材料一样的刚性和耐热性,同时又保留了塑料本身所具备的韧性、耐冲击性和易加工性。目前,能实行产业化的有通过纳米粒子改性的 NPE、NPET和NPA6(即纳米聚乙烯、纳米PET聚脂、纳米尼龙6)利用纳米粒子,将银(Ag+)设计到粒子表面的微孔中并稳定,就能制成纳米栽银抗菌材料,将这种材料加入到塑料中去就能使塑料具有抗菌防霉,自洁等优良性能,使其成为绿色环保产品。目前,已在ABS、SPVC、HIPS、PP塑料中得到应用。
“纳米塑料”是一种高科技的新材料,具有很好的发展前景,由于国内对这种新材料还缺乏认识,没有完整的质量保证体系和严密的生产管理,正处于一种“一哄而上”的形势,鱼目混珠,真假难辩,使“纳米塑料”一开始便面临“夭折”的危险,所以笔者迫切希望国家有关部门能通过相应的标准和法规来保护这一新材料,促进它的健康成长。
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橡胶及其特性www.tool-tool.com
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橡胶及其特性
生胶可分别为天然橡胶及合成橡胶两大类:
1.天然橡胶:由橡胶树干切割口,收集所流出之橡浆,经过去杂质、凝固、烟熏、干燥等加工程序,而形成的生胶料。
2.合成橡胶:由石化工业所产生之副产品,依不同需求,合成不同物性之生胶料。常用者如:SBR、NBR、EPDM、BR、IIR、CR、Q、FKM 等。但因合成方式的差异,同类胶料可分出数种不同之生胶,又经由配方的设定,任何类型胶料,均可变化成千百种符合制品需求之生胶料。
橡胶的成型:
生胶分子结构为不饱和长键之弹性体,所以成型的要件中,需有适当的药品添加物及外在环境因素(如时间、温度、压力等) ,将其不饱和键破坏,再重新键结为饱和键,并以真空辅助,将内含之空气完全逼出。如此,才可令成型之橡胶,发挥其应有的特性。若其成型过程有任何缺失(如配方错误、时间不足、温度失当等),则可造成物性流失,多余药物释出,变形,老化加速,种种严重不良现象产生。
橡胶的老化现象:
依橡胶成品所处的环境条件,随时间的经过,引起龟裂或硬化,橡胶物性退化等现象,称之为老化现象。引起老化的原因,有外部因素及内部因素:
1.外部因素:外部因素有氧、氧化物、臭氧、热、光、放射线、机械性疲劳、加工过程的缺失等。
2.内部因素:内部因素有橡胶的种类、成型方式、键结程度、配合药物的种类、加工工程中的因子等。
老化现象的防止,着重于正确的胶种选择及配方设计,外加严谨的生产理念。如此才可增加橡胶制成品的寿命,并发挥应有的特殊功能。
橡胶原料的配制:
橡胶原料的配制可分三个基本过程:
1.素炼:素练是将生胶剪断,并将生胶可塑化、均匀化,帮助配合剂的混练作业。其效果是改善药品的分散,防止作业中产生摩擦热,而致橡胶发生焦烧现象,进而改变橡胶的加工性。
2.混炼:混练是将配合药物均匀混入素练完成的生胶中,而混练的良否,直接影响制品的良否。药物分散不均,分子结构无法完全键结,橡胶则无法达到理想的物性。
3.滚压:混练完成的生胶,经过滚压作业,将胶料中含有的多余空气压出,并完成所需的厚度,以利于模具内之成型作业。
橡胶制品的基本特性:
1.橡胶制品成型时,经过大压力压制,其因弹性体所俱备之内聚力无法消除,在成型离模时,往往产生极不稳定的收缩(橡胶的收缩率,因胶种不同而有差异) ,必需经过一段时间后,才能和缓稳定。所以,当一橡胶制品设计之初,不论配方或模具,都需谨慎计算配合,若否,则容易产生制品尺寸不稳定,造成制品品质低落。
2.橡胶属热溶热固性之弹性体,塑料则属于热溶冷固性。橡胶因硫化物种类主体不同,其成型固化的温度范围,亦有相当的差距,甚至可因气候改变,室内温湿度所影响。因此橡胶制成品的生产条件,需随时做适度的调整,若无,则可能产生制品品质的差异。
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橡胶及其特性
生胶可分别为天然橡胶及合成橡胶两大类:
1.天然橡胶:由橡胶树干切割口,收集所流出之橡浆,经过去杂质、凝固、烟熏、干燥等加工程序,而形成的生胶料。
2.合成橡胶:由石化工业所产生之副产品,依不同需求,合成不同物性之生胶料。常用者如:SBR、NBR、EPDM、BR、IIR、CR、Q、FKM 等。但因合成方式的差异,同类胶料可分出数种不同之生胶,又经由配方的设定,任何类型胶料,均可变化成千百种符合制品需求之生胶料。
橡胶的成型:
生胶分子结构为不饱和长键之弹性体,所以成型的要件中,需有适当的药品添加物及外在环境因素(如时间、温度、压力等) ,将其不饱和键破坏,再重新键结为饱和键,并以真空辅助,将内含之空气完全逼出。如此,才可令成型之橡胶,发挥其应有的特性。若其成型过程有任何缺失(如配方错误、时间不足、温度失当等),则可造成物性流失,多余药物释出,变形,老化加速,种种严重不良现象产生。
橡胶的老化现象:
依橡胶成品所处的环境条件,随时间的经过,引起龟裂或硬化,橡胶物性退化等现象,称之为老化现象。引起老化的原因,有外部因素及内部因素:
1.外部因素:外部因素有氧、氧化物、臭氧、热、光、放射线、机械性疲劳、加工过程的缺失等。
2.内部因素:内部因素有橡胶的种类、成型方式、键结程度、配合药物的种类、加工工程中的因子等。
老化现象的防止,着重于正确的胶种选择及配方设计,外加严谨的生产理念。如此才可增加橡胶制成品的寿命,并发挥应有的特殊功能。
橡胶原料的配制:
橡胶原料的配制可分三个基本过程:
1.素炼:素练是将生胶剪断,并将生胶可塑化、均匀化,帮助配合剂的混练作业。其效果是改善药品的分散,防止作业中产生摩擦热,而致橡胶发生焦烧现象,进而改变橡胶的加工性。
2.混炼:混练是将配合药物均匀混入素练完成的生胶中,而混练的良否,直接影响制品的良否。药物分散不均,分子结构无法完全键结,橡胶则无法达到理想的物性。
3.滚压:混练完成的生胶,经过滚压作业,将胶料中含有的多余空气压出,并完成所需的厚度,以利于模具内之成型作业。
橡胶制品的基本特性:
1.橡胶制品成型时,经过大压力压制,其因弹性体所俱备之内聚力无法消除,在成型离模时,往往产生极不稳定的收缩(橡胶的收缩率,因胶种不同而有差异) ,必需经过一段时间后,才能和缓稳定。所以,当一橡胶制品设计之初,不论配方或模具,都需谨慎计算配合,若否,则容易产生制品尺寸不稳定,造成制品品质低落。
2.橡胶属热溶热固性之弹性体,塑料则属于热溶冷固性。橡胶因硫化物种类主体不同,其成型固化的温度范围,亦有相当的差距,甚至可因气候改变,室内温湿度所影响。因此橡胶制成品的生产条件,需随时做适度的调整,若无,则可能产生制品品质的差异。
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常用塑料的物理性能www.tool-tool.com
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POM 聚甲醛
化学和物理特性
POM 是一种坚韧有弹性的材料,即使在低温下仍有很好的抗蠕变特性、几何稳定性和抗冲击特性。POM既有均聚物材料也有共聚物材料。均聚物材料具有很好的延展强度、抗疲劳强度,但不易于加工。共聚物材料有很好的热稳定性、化学稳定性并且易于加工。无论均聚物材料还是共聚物材料,都是结晶性材料并且不易吸收水分。
POM的高结晶程度导致它有相当高的收缩率,可高达到2%~3.5%。对于各种不同的增强型材料有不同的收缩率。
POM具有很低的摩擦系数和很好的几何稳定性,特别适合于制作齿轮和轴承。由于它还具有耐高温特性,因此还用于管道器件(管道阀门、泵壳体),草坪设备等。
PC 聚碳酸酯
化学和物理特性
PC是一种非晶体工程材料,具有特别好的抗冲击强度、热稳定性、光泽度、抑制细菌特性、阻燃特性以及抗污染性。PC的缺口伊估德冲击强度(otched Izod impact stregth)非常高,并且收缩率很低,一般为0.1%~0.2%。
PC有很好的机械特性,但流动特性较差,因此这种材料的注塑过程较困难。在选用何种品质的 PC材料时,要以产品的最终期望为基准。如果塑件要求有较高的抗冲击性,那么就使用低流动率的PC材料;反之,可以使用高流动率的PC材料,这样可以优化注塑过程。
典型用途
电气和商业设备(计算机元件、连接器等),器具(食品加工机、电冰箱抽屉等),交通运输行业(车辆的前后灯、仪表板等)。
ABS 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物
化学和物理特性
ABS 是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种化学单体合成。每种单体都具有不同特性:丙烯腈有高强度、热稳定性及化学稳定性;丁二烯具有坚韧性、抗冲击特性;苯乙烯具有易加工、高光洁度及高强度。从形态上看,ABS是非结晶性材料。三中单体的聚合产生了具有两相的三元共聚物,一个是苯乙烯-丙烯腈的连续相,另一个是聚丁二烯橡胶分散相。ABS的特性主要取决于三种单体的比率以及两相中的分子结构。这就可以在产品设计上具有很大的灵活性,并且由此产生了市场上百种不同品质的ABS材料。这些不同品质的材料提供了不同的特性,例如从中等 到高等的抗冲击性,从低到高的光洁度和高温扭曲特性等。 ABS材料具有超强的易加工性,外观特性,低蠕变性和优异的尺寸稳定性以及很高 的抗冲击强度。
典型用途
汽车(仪表板,工具舱门,车轮盖,反光镜盒等),电冰箱,大强度工具(头发烘干机,搅拌器,食品加工机,割草机等),电话机壳体, 打字机键盘,娱乐用车辆如高尔夫球手推车以及喷气式雪撬车等。
PVC (聚氯乙烯)
化学和物理特性
刚性PVC是使用最广泛的塑料材料之一。PVC材料是一种非结晶性材料。
PVC材料在实际使用中经常加入稳定剂、润滑剂、辅助加工剂、色料、抗冲击剂及其它添加剂。
PVC材料具有不易燃性、高强度、耐气侯变化性以及优良的几何稳定性。
PVC对氧化剂、还原剂和强酸都有很强的抵抗力。然而它能够被浓氧化酸如浓硫酸、浓硝酸所腐蚀并且也不适用与芳香烃、氯化烃接触的场合。
PVC在加工时熔化温度是一个非常重要的工艺参数,如果此参数不当将导致材料分解的问题。
PVC的流动特性相当差,其工艺范围很窄。特别是大分子量的PVC材料更难于加工(这种材料通常要加入润滑剂改善流动特性),因此通常使用的都是小分子量的PVC材料。
PVC的收缩率相当低,一般为0.2~0.6%。
典型用途
供水管道,家用管道,房屋墙板,商用机器壳体,电子产品包装,医疗器械,食品包装等
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化学和物理特性
POM 是一种坚韧有弹性的材料,即使在低温下仍有很好的抗蠕变特性、几何稳定性和抗冲击特性。POM既有均聚物材料也有共聚物材料。均聚物材料具有很好的延展强度、抗疲劳强度,但不易于加工。共聚物材料有很好的热稳定性、化学稳定性并且易于加工。无论均聚物材料还是共聚物材料,都是结晶性材料并且不易吸收水分。
POM的高结晶程度导致它有相当高的收缩率,可高达到2%~3.5%。对于各种不同的增强型材料有不同的收缩率。
POM具有很低的摩擦系数和很好的几何稳定性,特别适合于制作齿轮和轴承。由于它还具有耐高温特性,因此还用于管道器件(管道阀门、泵壳体),草坪设备等。
PC 聚碳酸酯
化学和物理特性
PC是一种非晶体工程材料,具有特别好的抗冲击强度、热稳定性、光泽度、抑制细菌特性、阻燃特性以及抗污染性。PC的缺口伊估德冲击强度(otched Izod impact stregth)非常高,并且收缩率很低,一般为0.1%~0.2%。
PC有很好的机械特性,但流动特性较差,因此这种材料的注塑过程较困难。在选用何种品质的 PC材料时,要以产品的最终期望为基准。如果塑件要求有较高的抗冲击性,那么就使用低流动率的PC材料;反之,可以使用高流动率的PC材料,这样可以优化注塑过程。
典型用途
电气和商业设备(计算机元件、连接器等),器具(食品加工机、电冰箱抽屉等),交通运输行业(车辆的前后灯、仪表板等)。
ABS 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物
化学和物理特性
ABS 是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种化学单体合成。每种单体都具有不同特性:丙烯腈有高强度、热稳定性及化学稳定性;丁二烯具有坚韧性、抗冲击特性;苯乙烯具有易加工、高光洁度及高强度。从形态上看,ABS是非结晶性材料。三中单体的聚合产生了具有两相的三元共聚物,一个是苯乙烯-丙烯腈的连续相,另一个是聚丁二烯橡胶分散相。ABS的特性主要取决于三种单体的比率以及两相中的分子结构。这就可以在产品设计上具有很大的灵活性,并且由此产生了市场上百种不同品质的ABS材料。这些不同品质的材料提供了不同的特性,例如从中等 到高等的抗冲击性,从低到高的光洁度和高温扭曲特性等。 ABS材料具有超强的易加工性,外观特性,低蠕变性和优异的尺寸稳定性以及很高 的抗冲击强度。
典型用途
汽车(仪表板,工具舱门,车轮盖,反光镜盒等),电冰箱,大强度工具(头发烘干机,搅拌器,食品加工机,割草机等),电话机壳体, 打字机键盘,娱乐用车辆如高尔夫球手推车以及喷气式雪撬车等。
PVC (聚氯乙烯)
化学和物理特性
刚性PVC是使用最广泛的塑料材料之一。PVC材料是一种非结晶性材料。
PVC材料在实际使用中经常加入稳定剂、润滑剂、辅助加工剂、色料、抗冲击剂及其它添加剂。
PVC材料具有不易燃性、高强度、耐气侯变化性以及优良的几何稳定性。
PVC对氧化剂、还原剂和强酸都有很强的抵抗力。然而它能够被浓氧化酸如浓硫酸、浓硝酸所腐蚀并且也不适用与芳香烃、氯化烃接触的场合。
PVC在加工时熔化温度是一个非常重要的工艺参数,如果此参数不当将导致材料分解的问题。
PVC的流动特性相当差,其工艺范围很窄。特别是大分子量的PVC材料更难于加工(这种材料通常要加入润滑剂改善流动特性),因此通常使用的都是小分子量的PVC材料。
PVC的收缩率相当低,一般为0.2~0.6%。
典型用途
供水管道,家用管道,房屋墙板,商用机器壳体,电子产品包装,医疗器械,食品包装等
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不锈钢材料(stainless steel)实用知识www.tool-tool.com
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一、不锈钢热轧钢板
不锈钢热轧钢板是用热轧工艺生产的不锈钢钢板。厚度不大于3mm的为薄板,厚度大于3mm的为厚板用于化工、石油、机械、船舶等行业制造耐蚀零件、容器和设备。其分类和牌号如下:
1.奥氏体型钢
(1)1Cr17Mn6Ni15N;(2)1Cr18Mn8Ni5N;(3)1Cr18Ni9;(4)1Cr18Ni9Si3;(5)0Cr18Ni9; (6)00Cr19Ni10;(7)0Cr19Ni9N;(8)0Cr19Ni10NbN;(9)00Cr18Ni10N;(10)1Cr18Ni12;(11) 0Cr23Ni13;(12)0Cr25Ni20;(13) 0Cr17Ni12Mo2;(14) 00Cr17Ni14Mo2;(15) 0Cr17Ni12Mo2N;(16) 00Cr17Ni13Mo2N;(17) 1Cr18Ni12Mo2Ti;(18) 0Cr18Ni12Mo2Ti;(19) 1Cr18Ni12Mo3Ti;(20) 0Cr18Ni12Mo3Ti;(21) 0Cr18Ni12Mo2Cu2;(22) 00Cr18Ni14Mo2Cu2;(23) 0Cr19Ni13Mo3;(24) 00Cr19Ni13Mo3;(25) 0Cr18Ni16Mo5;(26) 1Cr18Ni9Ti;(27) 0Cr18Ni10Ti;(28) 0Cr18Ni11Nb;(29) 0Cr18Ni13Si4
2.奥氏体——铁素体型钢
(30)0Cr26Ni5Mo2;(31)00Cr18Ni5Mo3Si2;
3.铁素体型钢
(32)0Cr13Al;(33) 00Cr12;(34)1Cr15;(35)1Cr17;(36)1Cr17Mo;(37)00Cr17Mo; (38)00Cr18Mo2;(39)00Cr30Mo2;(40)00Cr27Mo
4.马氏体型钢
(41)1Cr12;(42)0Cr13;(43);1Cr13;(44)2Cr13;(45)3Cr13;(46)4Cr13;
(47)3Cr16;(48)7Cr17
5.沉淀硬化型钢
(49)0Cr17Ni7Al
二、不锈钢冷轧钢板
不锈钢冷轧钢板是用冷轧工艺生产的不锈钢钢板,厚度不大于3mm的为薄板, 厚度大于3mm的为厚板。用于制作耐腐蚀部件,石油、化工的管道、容器、医疗器械、船舶设备等,其分类和牌号如下:
1.奥氏体型钢
除与热轧部分相同外(29种),还有:(1)2Cr13Mn9Ni4(2)1Cr17Ni7(3) 1Cr17Ni8
2.奥氏体——铁素体型钢
除与热轧部分相同外(2种),还有:(1)1Cr18Ni11Si4AlTi(2) 1Cr21Ni5Ti
3.铁素体型钢
除与热轧部分相同外(9种),还有:00Cr17
4.马氏体型钢
除与热轧部分相同外(8种),还有1Cr17Ni2
5.沉淀硬化型钢:同热轧部分
三、铁素体、奥氏体、马氏体简介
大家知道固态金属及合金都是晶体,即在其内部原子是按一定规律排列的,排列的方式一般有三种即:体心立方晶格结构、面心立方晶格结构和密排六方晶格结构。金属是由多晶体组成的,它的多晶体结构是在金属结晶过程中形成的。组成铁碳合金的铁具有两种晶格结构:910℃以下为具有体心立方晶格结构的α——铁, 910℃以上为具有面心立方晶格结构的Υ——铁。如果碳原子挤到铁的晶格中去,而又不破坏铁
所具有的晶格结构,这样的物质称为固溶体。碳溶解到α——铁中形成的固溶体称铁素体,它的溶碳能力极低,最大溶解度不超过0.02%。而碳溶解到Υ——铁中形成的固溶体则称奥氏体,它的溶碳能力较高,最高可达2%。奥氏体是铁碳合金的高温相。钢在高温时所形成的奥氏体,过冷到727℃以下时变成不稳定的过冷奥氏体。如以极大的冷却速度过冷到230℃以下,这时奥氏体中的碳原子已无扩散的可能,奥氏体将直接转变成一种含碳过饱和的α固溶体,称为马氏体。由于含碳量过饱和,引起马氏体强度和硬度提高、塑性降低,脆性增大。不锈钢的耐蚀性主要来源于铬。实验证明,只有含铬量超过12%时钢的耐蚀性能才会大大提高,因此,不锈钢中的含铬量一般均不低于12%。由于含铬量的提高,对钢的组织也有很大影响,当铬含量高而碳含量很少时,铬会使铁碳平衡,图上的Υ相区缩小,甚至消失,这种不锈钢为铁素体组织结构,加热时不发生相变,称为铁素体型不锈钢。当含铬量较低(但高于12%),碳含量较高,合金在从高温冷却时,极易形成马氏体,故称这类钢为马氏体型不锈钢。镍可以扩展Υ相区,使钢材具有奥氏体组织。如果镍含量足够多,使钢在室温下也具有奥氏体组织结构,则称这种钢为奥氏体型不锈钢。
四、不锈钢在各领域的应用
1.1960年——1999年约40年间,西方国家的不锈钢产量从215万吨猛增到1728万吨, 增加了约8倍,平均年增长率约为5.5%。不锈钢主要用于厨房、家电、运输、建筑、土木各领域。在厨房器具方面主要有水洗槽和电气、煤气热水器,家电产品主要有全自动洗衣机的滚筒。从节能和再循环等环保的观点看,不锈钢的需求有望进一步扩大。在运输领域主要有铁道车辆和汽车的排气系统,用于排气系统的不锈钢在每辆车中约为20-30kg,全世界的年需求约 100万吨,这是不锈钢最大的应用领域。在建筑领域 ,最近的需求急剧增长,如:新加坡地铁车站的防护装置, 使用了约5000吨的不锈钢外装饰材。再如日本1980年以后,用于建筑业的不锈钢增长了约4倍,主要用作屋顶、大楼内外装饰和结构材。80年代,在日本沿海地区使用304型无涂漆材作为屋顶材料,从防锈考虑,逐步转变为使用涂漆不锈钢。进入90年代,开发了具有高耐蚀性的20%以上高Cr铁素体系不锈钢,被用作屋顶材料,同时为了美观性,开发了各种表面精加工技术。在土木领域,日本的水坝吸水塔使用不锈钢。欧美的寒冷地区,为防止高速公路和桥梁的冻结需撒盐,这就加速了钢筋的腐蚀,所以使用不锈钢钢筋。在北美的道路中,近3年间约有40处采用了不锈钢钢筋,每处的使用量为200-1000吨,今后不锈钢在该领域的市场将有所作为。
2.今后扩大不锈钢应用的关键是环保、长寿命和IT的普及。
关于环保方面,首先从大气环保的观点看, 用于抑制二恶英发生的高温垃圾焚烧装置、LNG发电装置和使用煤的高效发电装置的耐热、耐高温腐蚀不锈钢的需求将扩大。还有估计在21世纪初将投入实际应用的燃料电池汽车的电池壳也将使用不锈钢。从水质环保的观点看,在给水、排水处理装置中,具有优异耐蚀性的不锈钢也将扩大需求。关于长寿命,在欧洲已有的桥梁、高速公路、隧道等设施中,不锈钢的应用在增加,预计这种潮流将遍及全世界。还有日本一般住宅建筑的寿命特别短为20-30年,废材处理成为一大问题。最近以寿命达到100年为目标的建筑物开始出现, 这样具有优异耐久性的材料需求将增长。从地球环保的观点看,长寿命在减少土木、建筑废材的同时,有必要从引入新概念的设计阶段探讨如何降低维修成本。关于IT的普及,在IT的发展和普及过程中, 功能材料在设备硬件方面起很大的作用,对高精密度、高功能材料的要求非常大。如:在手机和微机部件中,灵活应用了不锈钢的高强度、弹性和非磁性等特性,使得不锈钢的应用扩大。还有在半导体和各种基板的制造设备中,具有良好清洁度和耐久性的不锈钢发挥了重要作用。不锈钢具有多种其它金属没有的优异性能,是一种具有优异耐久性和再循环性的材料,今后对应时代的变化,不锈钢将广泛应用于各种领域。
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一、不锈钢热轧钢板
不锈钢热轧钢板是用热轧工艺生产的不锈钢钢板。厚度不大于3mm的为薄板,厚度大于3mm的为厚板用于化工、石油、机械、船舶等行业制造耐蚀零件、容器和设备。其分类和牌号如下:
1.奥氏体型钢
(1)1Cr17Mn6Ni15N;(2)1Cr18Mn8Ni5N;(3)1Cr18Ni9;(4)1Cr18Ni9Si3;(5)0Cr18Ni9; (6)00Cr19Ni10;(7)0Cr19Ni9N;(8)0Cr19Ni10NbN;(9)00Cr18Ni10N;(10)1Cr18Ni12;(11) 0Cr23Ni13;(12)0Cr25Ni20;(13) 0Cr17Ni12Mo2;(14) 00Cr17Ni14Mo2;(15) 0Cr17Ni12Mo2N;(16) 00Cr17Ni13Mo2N;(17) 1Cr18Ni12Mo2Ti;(18) 0Cr18Ni12Mo2Ti;(19) 1Cr18Ni12Mo3Ti;(20) 0Cr18Ni12Mo3Ti;(21) 0Cr18Ni12Mo2Cu2;(22) 00Cr18Ni14Mo2Cu2;(23) 0Cr19Ni13Mo3;(24) 00Cr19Ni13Mo3;(25) 0Cr18Ni16Mo5;(26) 1Cr18Ni9Ti;(27) 0Cr18Ni10Ti;(28) 0Cr18Ni11Nb;(29) 0Cr18Ni13Si4
2.奥氏体——铁素体型钢
(30)0Cr26Ni5Mo2;(31)00Cr18Ni5Mo3Si2;
3.铁素体型钢
(32)0Cr13Al;(33) 00Cr12;(34)1Cr15;(35)1Cr17;(36)1Cr17Mo;(37)00Cr17Mo; (38)00Cr18Mo2;(39)00Cr30Mo2;(40)00Cr27Mo
4.马氏体型钢
(41)1Cr12;(42)0Cr13;(43);1Cr13;(44)2Cr13;(45)3Cr13;(46)4Cr13;
(47)3Cr16;(48)7Cr17
5.沉淀硬化型钢
(49)0Cr17Ni7Al
二、不锈钢冷轧钢板
不锈钢冷轧钢板是用冷轧工艺生产的不锈钢钢板,厚度不大于3mm的为薄板, 厚度大于3mm的为厚板。用于制作耐腐蚀部件,石油、化工的管道、容器、医疗器械、船舶设备等,其分类和牌号如下:
1.奥氏体型钢
除与热轧部分相同外(29种),还有:(1)2Cr13Mn9Ni4(2)1Cr17Ni7(3) 1Cr17Ni8
2.奥氏体——铁素体型钢
除与热轧部分相同外(2种),还有:(1)1Cr18Ni11Si4AlTi(2) 1Cr21Ni5Ti
3.铁素体型钢
除与热轧部分相同外(9种),还有:00Cr17
4.马氏体型钢
除与热轧部分相同外(8种),还有1Cr17Ni2
5.沉淀硬化型钢:同热轧部分
三、铁素体、奥氏体、马氏体简介
大家知道固态金属及合金都是晶体,即在其内部原子是按一定规律排列的,排列的方式一般有三种即:体心立方晶格结构、面心立方晶格结构和密排六方晶格结构。金属是由多晶体组成的,它的多晶体结构是在金属结晶过程中形成的。组成铁碳合金的铁具有两种晶格结构:910℃以下为具有体心立方晶格结构的α——铁, 910℃以上为具有面心立方晶格结构的Υ——铁。如果碳原子挤到铁的晶格中去,而又不破坏铁
所具有的晶格结构,这样的物质称为固溶体。碳溶解到α——铁中形成的固溶体称铁素体,它的溶碳能力极低,最大溶解度不超过0.02%。而碳溶解到Υ——铁中形成的固溶体则称奥氏体,它的溶碳能力较高,最高可达2%。奥氏体是铁碳合金的高温相。钢在高温时所形成的奥氏体,过冷到727℃以下时变成不稳定的过冷奥氏体。如以极大的冷却速度过冷到230℃以下,这时奥氏体中的碳原子已无扩散的可能,奥氏体将直接转变成一种含碳过饱和的α固溶体,称为马氏体。由于含碳量过饱和,引起马氏体强度和硬度提高、塑性降低,脆性增大。不锈钢的耐蚀性主要来源于铬。实验证明,只有含铬量超过12%时钢的耐蚀性能才会大大提高,因此,不锈钢中的含铬量一般均不低于12%。由于含铬量的提高,对钢的组织也有很大影响,当铬含量高而碳含量很少时,铬会使铁碳平衡,图上的Υ相区缩小,甚至消失,这种不锈钢为铁素体组织结构,加热时不发生相变,称为铁素体型不锈钢。当含铬量较低(但高于12%),碳含量较高,合金在从高温冷却时,极易形成马氏体,故称这类钢为马氏体型不锈钢。镍可以扩展Υ相区,使钢材具有奥氏体组织。如果镍含量足够多,使钢在室温下也具有奥氏体组织结构,则称这种钢为奥氏体型不锈钢。
四、不锈钢在各领域的应用
1.1960年——1999年约40年间,西方国家的不锈钢产量从215万吨猛增到1728万吨, 增加了约8倍,平均年增长率约为5.5%。不锈钢主要用于厨房、家电、运输、建筑、土木各领域。在厨房器具方面主要有水洗槽和电气、煤气热水器,家电产品主要有全自动洗衣机的滚筒。从节能和再循环等环保的观点看,不锈钢的需求有望进一步扩大。在运输领域主要有铁道车辆和汽车的排气系统,用于排气系统的不锈钢在每辆车中约为20-30kg,全世界的年需求约 100万吨,这是不锈钢最大的应用领域。在建筑领域 ,最近的需求急剧增长,如:新加坡地铁车站的防护装置, 使用了约5000吨的不锈钢外装饰材。再如日本1980年以后,用于建筑业的不锈钢增长了约4倍,主要用作屋顶、大楼内外装饰和结构材。80年代,在日本沿海地区使用304型无涂漆材作为屋顶材料,从防锈考虑,逐步转变为使用涂漆不锈钢。进入90年代,开发了具有高耐蚀性的20%以上高Cr铁素体系不锈钢,被用作屋顶材料,同时为了美观性,开发了各种表面精加工技术。在土木领域,日本的水坝吸水塔使用不锈钢。欧美的寒冷地区,为防止高速公路和桥梁的冻结需撒盐,这就加速了钢筋的腐蚀,所以使用不锈钢钢筋。在北美的道路中,近3年间约有40处采用了不锈钢钢筋,每处的使用量为200-1000吨,今后不锈钢在该领域的市场将有所作为。
2.今后扩大不锈钢应用的关键是环保、长寿命和IT的普及。
关于环保方面,首先从大气环保的观点看, 用于抑制二恶英发生的高温垃圾焚烧装置、LNG发电装置和使用煤的高效发电装置的耐热、耐高温腐蚀不锈钢的需求将扩大。还有估计在21世纪初将投入实际应用的燃料电池汽车的电池壳也将使用不锈钢。从水质环保的观点看,在给水、排水处理装置中,具有优异耐蚀性的不锈钢也将扩大需求。关于长寿命,在欧洲已有的桥梁、高速公路、隧道等设施中,不锈钢的应用在增加,预计这种潮流将遍及全世界。还有日本一般住宅建筑的寿命特别短为20-30年,废材处理成为一大问题。最近以寿命达到100年为目标的建筑物开始出现, 这样具有优异耐久性的材料需求将增长。从地球环保的观点看,长寿命在减少土木、建筑废材的同时,有必要从引入新概念的设计阶段探讨如何降低维修成本。关于IT的普及,在IT的发展和普及过程中, 功能材料在设备硬件方面起很大的作用,对高精密度、高功能材料的要求非常大。如:在手机和微机部件中,灵活应用了不锈钢的高强度、弹性和非磁性等特性,使得不锈钢的应用扩大。还有在半导体和各种基板的制造设备中,具有良好清洁度和耐久性的不锈钢发挥了重要作用。不锈钢具有多种其它金属没有的优异性能,是一种具有优异耐久性和再循环性的材料,今后对应时代的变化,不锈钢将广泛应用于各种领域。
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铜和铜合金的应用www.tool-tool.com
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前言:应用概貌
人类应用钢己有数千年的历史。墓葬考古发现,早在6000年前的史前时期,埃及人就使用铜器。铜是人类祖先最早应用的金属。它具有许多优异的特性和奇妙的功能,不但为人类社会的进步作出了不可磨灭的贡献;而且随着人类文明的发展不断开发出新的用途。铜既是一个古老的金属,又是一个充满生机和活力的现代工程材料。当前人类步入了丰富多彩的,以电气化和电子信息为特征的,高度文明的社会,为铜的应,用开辟了更为广阔的大地。铜以品种繁多的金属、合金和化合物的形式被人们利用,业已深深地渗入了生产和生活的各个方面,成为人类跨入、ZI 世纪取得飞速发展的一个不可缺少的重要金属。在分别介绍铜在各主要工业部门中的应用情况之前,让我们首先从铜的性能、消费结构等诸方面来看一看铜的现代应用状况
※ 铜性能的应用
(饼形公布图)图6.1铜和铜合金主要性能的应用比例
为什么要用铜,主要利用它哪些性能?调查的结果示于图6.1。铜具有优良的导电和导热性,居所有工程金属材料之冠,这是它在当前电气化和电子信息社会中产生举足轻重作用的主要依据。铜还有许多优异的综合性能:它对大气、海水、土壤以及许多化学介质有很强的耐蚀性;它用在结构上刚柔并济,富有弹性,耐摩擦,抗磨损;它具有多彩的外观,是人们钟爱的、古朴典雅的象征。除了上述众多的使用性能外,它还有一系列良好的加工、铸造、焊接、易切削等工艺性能,从而使它获得了经济和广泛的应用。
※ 中铜的消费量
近年来,随着全世界经济的发展,铜的消费量不断上升。如图6.2所示,从1992 年到1997年的五年间,世界钢的消费量从1100.5万吨增加到1310万吨,增长17%,年平均递增3.5%。我国近年来铜需求量,年均增加速度4~ 5%,预计到 2000将达到 125~ 13 5万吨。
按人平均的年消费量: 发达国家(约占人口 11亿)为 10~20公斤; 发展中国家(约占人口 49亿)为0~2公斤。发达国家的钢消费水平显著高于发展中国家。在发达国家中一个居民一生约需消费一吨钢,这个数字是相当可观的。上述两个数据的对比表明,铜的消费水平,在一定程度上反映了一个国家的发展程度。我国近年来铜的需求量虽有明显增长,但农村人日广阔,还存在一些贫困地区,按人口平均的年消费水平仅达0.l公斤左右,与印度(0.13公斤)相近,有十分广阔的发展前景。
※ 铜的消费结构
图6美国的铜消费结构(1983-1988年平均)
图6.4中国的铜消费结构(1986-1990年平均)
美国从 1983年到 1988年铜的消费量从201万吨增加到221万吨。六年间铜在各行业应用的平均比例示于图6.3。可见电气和电子工业消费铜最多。它由1960年的 52%上升到1988年的70%。这是和电气化、自动化、信息化及整个社会现代化程度的提高密切相关的。铜在建筑上的应用,在欧美等发达国家中已比较普遍,占有相当大的比例。图6.4上给出我国在1986到1990年的相应时间内,铜的消费结构。由于统计行业的分类方式有所差异,不能把图6.3和6.4 直接进行比较。在中国如果把电气、电子、邮电以及轻工中家电产品部分中铜的应用加在一起,作为电气和电子行业来计算,估计在60%左右。与欧美等国相比,我国钢在建筑上的应用,近年来才刚刚起步,存在着巨大的潜在市场。据统计,美国铜在住宅中的应用,每户用量1970年为120公斤,到1996年增加到200公斤。汽车平均每辆用铜,1950年为10公斤,到1996年上升到19公斤,电动汽车则需每辆用铜25到 40公斤。
图6.5上示出了世界铜市场在各个建设部门中应用的分配情况:
- 房屋建设占48%
包括:管道系统(水,热,气,防火喷淋等)
房屋设施(空调,冰箱等)
建筑装修(屋顶,流槽,装饰等)
通讯线路(声、像、数据等)
电源系统
- 装备生产占 41%
包括:工业装备(电机,变压器等)
交通工具(汽车,铁路,飞机等)
电子器件
轻工业品(家用电器,仪表,工具等)
- 基本设施占11%
包括:大型工程(交通设施,石化工业,采冶工业等)
电力事业(输电,配电等)
通信网络
值得注意的是,房屋建设与人们生产水平的提高直接相关,铜在这方面的应用占有最大的比重;特别是我国将住宅建设作为拉动整个国民经济发展的一个重要环节,由此可见,积极推广铜的应用对国计民生的重要作用。
1. 电气工业中的应用
※ 电力输送
电力输送中需要大量消耗高导电性的铜,主要用于动力申.线电缆、汇流排、变压器、开关、接插元件和联接器等。
在电线电缆的输电过程中,由于电阻发热而白白浪费电能。从节能和经济的角度考虑,目前世界上正在推广"最佳电缆截面"标准。过去流行的标准,单纯地从降低一次按装投资的角度出发,为了尽量减小电缆截面,以在设计要求的额定电流下,不至出现危险过热,来确定电缆的最低允许尺寸。按这种标准铺设的电缆,虽然按装费低了;但是在长期使用过程中,电阻能耗却比较大。"最佳电缆截面"标准,则兼顾一次按装费用和电能消耗这两个因素,适当放大电缆尺寸,以达到节能和最佳综合经济效益的目的。按照新的标准,电缆截面往往要比老标准加大一倍以上,可以获得50%左右的节能效果。
我国在过去一段时间内,由于钢供不应求,考虑到铝的比重只有铜的 30%,在希望减轻重量的架空高压输电线路中曾采取以铝代铜的措施。目前从环境保护考虑,空中输电线将转为铺设地下电缆。在这种情况下,铝与铜相比,存在导电性差和电缆尺寸较大的缺点,而相形见绌。
同样的原回,以节能高效的铜绕组变压器,取代!日的铝绕组变压器,也是明智的选择。
※ 电机制造
在电机制造中,广泛使用高导电和高强度的铜合金。主要用铜部位是定子、转子和轴头等。在大型电机中,绕组要用水或氢气冷却,称为双水内冷或氢气冷却电机,这就需要大长度的中空导线。
电机是使用电能的大户,约占全部电能供应的60%。一台电机运转累计电费很高,一般在最初工作5 00小时内就达到电机本易的成本,一年内相当于成本的4~ 16倍,在整个工作寿命期间可以达到成本的200倍。电机效率的少量提高,不但可以节能;而且可以获得显著的经济效益。开发和应用高效电机,是当前世界上的一个热门课题。由于电机内部的能量消耗,主要来源于绕组的电阻损耗;因此,增大铜线截面是发展高效电机的一个关键措施。近年来己率先开发出来的一些高效电机与传统电机相比,铜绕组的使用量增加25~ 100%。目前,美国能源部正在资助一个开发项目,拟采用铸入铜的技术生产电机转子。
※ 通讯电缆
80年代以来,由于光纤电缆载流容量大等优点,在通讯干线上不断取代铜电缆,而迅速推广应用。但是,把电能转化为光能,以及输入用户的线路仍需使用大量的铜。随着通讯事业的发展,人们对通讯的依赖越来越大,对光纤电缆和铜电线的需求都会不断增加。
※ 住宅电气线路
近年来,随着我国人民生活水平提高,家电迅速普及,住宅用电负荷增长很快。如图6.6所示,1987年居民用电量为 269.6亿度( l度=1千瓦·小时),10后年的 1996年猛升到 1131亿度,增加 3.2倍。尽管如此,与发达国家相比仍有很大差距。例如,1995年美国的人均用电量是我国的14.6倍,日本是我国的8.6倍。我国居民用电量今后仍有很大发展。预计从 1996年到2005年,还要增长l.4倍。
目前,我国的住宅电气线路设计容量偏低。以两居室为例,表6.l上对比了北京、香港和日本的建筑电气设计标准。可见,香港和日本在设计中,充分考虑了居民用电增长的需求;我国住宅电气线路设计容量亟待提高。
图6.6我国居民用电量需求及预测
表6.1北京、香港和日本建筑电气设计标准
项目
北京
香港
日本
每户计算负荷(千瓦)
2
11
9
分支线路回路数
3
7
6
总计算负荷电流/开关电流(安)
10/20
60/63
40/50
电源铜质进线截面(毫米)
6
16
14
插座数量
14
19
22
2.电子工业中的应用
电子工业是新兴产业,在它蒸蒸日上的发展过程中,不断开发出钢的新产品和新的应用领域。目前它的应用己从电真空器件和印刷电路,发展到微电子和半导体集成电路中。
※ 电真空器件
电真空器件主要是高频和超高频发射管、波导管、磁控管等,它们需 要高纯度无氧铜和弥散强化无氧铜。
※ 印刷电路
铜印刷电路,是把铜箔作为表面,粘贴在作为支撑的塑料板上;用照相的办法把电路布线图印制在铜版上;通过浸蚀把多余的部分去掉而留下相互连接的电路。然后,在印刷线路板上与外部的连接处冲孔,把分立元件的接头或其它部分的终端插入,焊接在这个口路上,这样一个完整的线路便组装完成了。如果采用浸镀法,所有接头的焊接可以一次完成。这样,对于那些需要精细布置电路的场合,如无线电、电视机,计算机等,采用印刷电路可以节省大量布线和固定回路的劳动;因而得到广泛应用,需要消费大量的铜箔。此外,在电路的连接中还需用各种价格低廉、熔点低、流动性好的铜基钎焊材料。
※ 集成电路
微电子技术的核心是集成电路。集成电路是指以半导体晶体材料为基片(芯片),采用专门的工艺技术将组成电路的元器件和互连线集成在基片内部、表面或基片之上的微小型化电路。这种微电路在结构上比最紧凑的分立元件电路在尺寸和重量上小成千上万倍。它的出现引起了计算机的巨大变革,成为现代信息技术的基础。目前己开发出的超大规模集成电路,在比小姆指甲还小的单个芯片面积上,能做出的晶体管数目,己达十万甚至百万以上。最近,国际著名的计算机公司IBM(国际商业机器公司),己采用钢代替硅芯片中的铝作互连线,取得了突破性进展。这种用铜的新型微芯片,可以获得30%的效能增益,电路的线尺寸可以减小到 0.12微米,可使在单个芯片上集成的晶体管数目达到200万个。这就为古老的金属铜,在半导体集成电路这个最新技术领域中的应用,开创了新局面。
※ 引线框架
为了保护集成电路或混合电路的正常工作,需要对它进行封装;并在封装时,把电路中大量的接头从密封体内引出来。这些引线要求有一定的强度,构成该集成封装电路的支承骨架,称为引线框架。实际生产中,为了高速大批量生产,引线框架通常在一条金属带上按特定的排列方式连续冲压而成。框架材料占集成电路总成本的 1/3~ l/4,而且用量很大;因此,必须要有低的成本。
铜合金价格低廉,有高的强度、导电性和导热性,加工性能、针焊性和耐蚀性优良,通过合金化能在很大范围内控制其性能,能够较好地满足引线框架的性能要求,己成为引线框架的一个重要材料。它是目前钢在微电子器件中用量最多的一种材料。
3.能源及石化工业中的应用
※ 能源工业
火力及原子能发电都要依靠蒸气作功。蒸气的回路如下:
锅炉发生蒸气- 蒸气推动汽轮机作功- 作功后的蒸汽送至冷凝器- 冷却成水- 回到锅炉重新变成蒸汽。
其间主冷凝器由管板和冷凝管组成。由于钢导热性好并能抗水的腐蚀,所以它们均使用锅黄铜、铝黄铜或白铜制造。根据资料介绍,每万千瓦装机容量需要5吨冷凝管。一个60万千瓦的发电厂就需要3 00吨冷凝管材。
太阳能的利用也要使用许多铜管。例如:英国伦敦附近某旅馆的一个游泳池,装备了太阳能加热器,在夏季可以将水温保持在18~24℃。在该太阳能加热器中含有784磅(3 56公斤)铜管。
※ 石化工业
铜和许多铜合金,在水溶液、盐酸等非氧化性酸、有机酸(如:醋酸、柠檬酸、脂肪酸、乳酸、草酸等)、除氨以外的各种碱及非氧化性的有机化合物(如:油类、酚、醇等)中,均有良好的耐蚀性;因而,在石化工业中大量用于制造接触腐蚀性介质的各种容器、管道系统、过滤器、泵和阀门等器件。还利用它的导热性,制造各种蒸发器、热交换器和冷凝器。由于铜的塑性很好,特别适合于制造现代化工工业中结构错综复杂、铜管交叉编制的热交换器。此外在石油精炼工厂中都使用青铜生产工具;原回是冲击时不迸出火花,可以防止火灾发生。
※ 海洋工业
海洋占地球表面面积70%以上,合理地开发利用海洋资源日益受到人们的重视。海水中含确"容易造成腐蚀的氯离子,钢铁、铝、甚至不锈钢等许多工程金属材料均不耐海水腐蚀。此外在这些材料,以及木材、玻璃等非金属材料的表面上还会形成海洋生物污损。铜则一枝独秀,不但耐海水腐蚀;而且溶入水中的铜离子有杀菌作用,可以防止海洋生物污损。因而,铜和铜合金是海洋工业中十分重要的材料,业己在海水淡化工厂、海洋采油采气平台、以及其它海岸和海底设施中广泛应用。例如,海水淡化过程中使用的管路系统、泵和阀门,以及采油采气平台上使用的设备,包括飞溅区和水下用的螺栓、钻孔日,抗生物污损包套、泵阀和管路系统等等。关于铜和铜合金在船舶中的应用情况,将在后节中介绍。
4.交通工业中的应用
※ 船舶
由于良好的耐海水腐蚀性能,许多铜合金,如:铝青铜、锰青铜、铝黄铜、炮铜(锡锌青铜)、白钢以及镍铜合金(蒙乃尔合金)己成为造船的标准材料。一般在军舰和商船的自重中,铜和铜合金占2~3%。
军舰和大部分大型商船的螺旋浆都用铝青铜或黄铜制造。大船的螺旋浆每支重 20~ 25吨。伊丽莎白皇后号和玛丽皇后号航母的螺旋浆每支重达3 5吨。大船沉重的尾轴常用"海军上将"炮铜,舵和螺旋浆的锥形螺栓也用同样材料。引擎和锅炉房内也大量用钢和铜合金。世界上第一艘核动力商船,使用了30 吨白铜冷凝管。近来用铝黄铜管作油罐的大型加热线圈。在10万吨级的船上就有12个这种储油罐,相应的加热系统规模相当大。船上的电气设备也很复杂,发动机、电动机、通讯系统等几乎完全依靠铜和铜合金来工作。大小船只的船舱内经常用钢和铜合金来装饰。甚至木制小船,也最好用钢合金(通常是硅青铜)的螺丝和钉子来固定木结构,这种螺丝可以用滚轧大量生产出来。
为了防止船壳被海生物污损影响航行,过去经常采用包覆铜加以保护;现在,则普遍用刷含铜油漆的办法来解决。
二次世界大战中,为御防德国磁性水雷对舰船的袭击,曾发展了抗磁性水雷装置,在钢船壳周围附一圈铜带,通上电流以中和船的磁场,这样就可以不引爆水雷。从 1944年以后,盟军的所有船只,共计约18,000艘,都装上了这种去磁装置而得到了保护。一些大型主力舰为此需用大量的铜,例如其中一艘用去铜线长 28英里,重约 30吨。
※ 汽车
汽车用铜每辆10~2I公斤,随汽车类型和大小而异,对于小轿车约占自重的6~9% %。铜和铜合金主要用于散热器、制动系统管路、液压装置、齿轮、轴承、刹车摩擦片、配电和电力系统、垫圈以及各种接头、配件和饰件等。其中用钢量比较大的是散热器。现代的管带式散热器,用黄铜带焊接成散热器管子,用薄的铜带折曲成散热片。
近年来为了进一步提高铜散热器的性能,增强它对铝散热器的竞争力,作 了许多改进。在材质方面,向铜中添加微量元素,以达到在不损失导热性的前提下,提高其强度和软化点,从而减薄带材的厚度,节省用钢量;在制造工艺 方面,采用高频或激光焊接铜管,并用钢钎焊代替易受铅污染的软焊组装散热器芯体。这些努力的结果示于表6.2,与钎焊铝散热器相比,在相同的散热条件 下,即在相同的空气和冷却剂的压力降下,新型铜散热器的重量更轻,尺寸显著缩小;再加上钢的耐蚀性好、使用寿命长,铜散热器的优势就更明显。
表6.2汽车用新型铜散热器与铝钎焊散热器的比较(在相同散热条件下?)
散热器芯
铝散热器
铜散热器
头部宽度,毫米
432
395
散热管高度,毫米
550
505
散热片厚度,毫米
0.114
0.038
散热管厚度,毫米
0.381
0.102
冷却液压力降,千帕
4.75
4.75
空气压力降,千帕
0.307
0.307
芯的净重量,公斤
1.67
1.56
芯的湿重量,公斤
2.04
1.89
此外,近年来为了环保,大力推广和发展电动汽车,每辆汽车的用钢量将成倍增加。
※ 铁路
铁路的电气化对铜和铜合金的需要量很大。每公里的架空导线需用2 吨以上的异型铜线。为了提高它的强度,往往加入少量的铜(约1%)或银 (约of%)。此外,列车上的电机、整流器、以及控制、制动、电气和信 号系统等都要依靠铜和铜合金来工作。
※ 飞机
飞机的航行也离不开铜。例如:飞机中的配线、液压、冷却和气动系统需使用铜材,轴承保持器和起落架轴承采用铝青铜管材,导航仪表应用抗磁钢合金,众多仪表中使用破铜弹性元件等等。
5.机械和冶金工业中的应用 ※ 机械工程
几乎在所有的机器中都可以找到铜制品部件。除了电机、电路、油压系统、气压系统和控制系统中大量用钢以外,种类繁多用黄铜和青铜制造的传动件和固定件,如齿轮、蜗轮、蜗杆、联结件、紧固件、扭拧件、螺钉、螺母等,比比皆是。几乎在所有作机械相对运动的部件之间,都要使用减磨铜合金制作的轴承或轴套,特别是万吨级的大型挤压机、锻压机的缸套、滑板几乎都用青铜制成,铸件重量可达数吨。许多弹性元件,几乎都选用硅青铜和锡青铜作为材料。焊接工具、压铸模具等更离不开铜合金,如此等等。
※ 冶金设备
冶金工业是消耗电能的大户,素有"电老虎"之称。在冶金厂的建设中通常必须要有一个依靠铜来进行工作的庞大的输、配电系统和电力运转设备。此外,在火法冶金中,连续铸造技术已占据主导地位,其中的关键部件一结晶器,大都采用铬铜、银铜等高强度和高导热性的铜合金。电冶金中的真空电弧炉和电渣炉水冷坩埚使用钢管材制造,各种感应加热的感应线圈都是用铜管或异型铜管绕制而成,内中通水冷却。
※ 合金添加剂
铜是钢铁和铝等合金中的重要添加元素。少量铜(0.2~0.5%)加入低合金结构用钢中,可以提高钢的强度及耐大气和海洋腐蚀性能。在耐蚀铸铁和不锈钢中加入铜,可以进一步提高它们的耐蚀性。含铜30%左右的高镍合金是著名的高强度耐蚀"蒙乃尔合金",在核工业中广泛使用。
在许多高强度铝合金中都含有铜。通过淬火 一 时效热处理,在合金中析出弥散分布的细小颗粒,而显著提高其强度,称为时效硬化铝合金。其中著名的有杜拉铝或称硬铝,它是一种含铜、锰、镁的铝合金,是制造飞机和火箭的重要结构材料。
6.轻工业中的应用
轻工业产品与人民生活密切相关,品种繁多、五花八门。由于钢具有良好综合性能,到处可以看到它大显身手的踪影。现仅举数例如下:
※ 空调器和冷冻机
空调器和冷冻机的控温作用,主要通过热交换器铜管的蒸发及冷凝作 用来实现。热交换传热管的尺寸和传热性能,在很大程度上决定了整个空调机和制冷装置的效能和小型化。在这些机器上采用的都是高导热性能的异型铜管。利用钢的良好加工性能,最近开发和生产出带有内槽和高翅片的散热管,用于制造空调器、冷冻机、化工及余热口收等装置中的热交换器,可使新型热交换器的总热传导系数提高到用普通管的2~3倍,和用普通低翅片管的 1.2~1.3倍,己在国内使用,可节省 40%的铜,并使热交换器体积缩小 1/3以上。
※ 钟表
目前生产的钟表,计时器和有钟表机构的装置,其中大部分的工作部件都用"钟表黄铜"制造。合金中含1.5-2%的铅,有良好加工性能,适合于大规模生产。例如,齿轮由长的挤压黄铜棒切出,平轮由相应厚度的带材冲出,用黄铜或其它铜合金制作搂刻的钟表面以及螺丝和接头等等。大量便宜的手表用炮铜(锡锌青铜)制造,或镀以镍银(白铜)。一些著名的大钟都用钢和铜合金制作。英国"大笨钟"的时针用的是实心炮铜杆,分针用的是14英尺长的铜管。
一个现代化的钟表厂,以铜合金为主要材料,用压力机和精确的模具加工,每天可以生产一万到三万只钟表,费用很低。
※ 造纸
在当前信息万变的社会里,纸张消费量很大。纸张表面看来简单,但是造纸工艺却很复杂,需要通过许多步骤,应用很多机器,包括冷却器、蒸发器、打浆器、造纸机等等。其中许多部件,如:各种热交换管、辊轮、打击棒、半液体泵和丝网等,大部分都用钢合金制作。
例如,目前采用的长网造纸机,它要将制好的纸浆喷到快速运动的具有细小网孔( 40~60目)的网布上。网布由黄铜和磷青铜丝编织而成,它的宽度很大,一般在20英尺(6米)以上,要求保持完全平直。网布在一系列小的黄铜或铜辊子上运动,当带着喷附其上的纸浆通过时,湿气从下面空吸出去。网子同时振动以使纸浆中的小纤维粘结在一起。大型造纸机的网布尺寸很大,可以达到宽26英尺8英寸( 8. l米)和长100英尺( 3 0. 5米)。湿纸浆不但含水,而且含有造纸过程中使用的化学药剂,腐蚀性很强。为了保证纸张质量,对网布材料要求很严,不但要有高的强度和弹性;而且要抗纸浆腐蚀,铜合金完全可以胜任。
※ 印刷
印刷中用铜版进行照相制版。表面抛光的铜版用感光乳胶敏化后,在它上面照相成像。感光后的铜版需加热使胶硬化。为避免受热软化,铜中往往含有少量的银或砷,以提高软化温度。然后,对版子进行腐蚀,形成分布着凹凸点子图形的印刷表面。
在自动排字机上,要通过黄铜字型块的编排,来制造版型,这是铜在印刷中的另一个重要用途。字型块通常用的是含铅黄铜,有时也用铜或青铜。
※ 酿酒
在世界的啤酒酿造中,铜起重要作用。经常用铜作麦芽桶和发酵罐的内村。在一些著名的啤酒厂中备有十余个容量超过2万加仑的这种大桶。在发酵缸中,为了降温,常用钢管通水冷却。还用钢管通水蒸汽在酿造啤酒时进行加热,以及用钢管输送酒液等。
蒸馏威士忌和其它烈性酒时,通常用钢制蒸馏锅。威士忌麦芽酒需蒸馏两次,要用两个大铜蒸馏锅。
※ 医药
制药工业中,各类蒸、煮、真空装置等都用纯铜制作。在医疗器械中则 广泛使用锌白铜。铜合金还是眼镜架的常用材料等等。
7.建筑和艺术用铜
※ 管道系统
由于钢水管具有美观耐用、安装方便、安全防火、卫生保健等诸多优点,使它与镀锌钢管和塑料管相比存在明显优越的价格性能比。在住宅和公用建筑中,用于供水、供热、供气以及防火喷淋系统,日益受到人们的青睐,成为当前的首选材料。在发达国家中,铜制供水系统己占很大比重。美国纽约号称世界第六高楼的曼哈顿大厦,其中仅供水系统一项,就用去铜管 6万英尺(l公里)。在欧洲,饮水用钢管消耗量很大。英国的饮水用钢管消耗量平均每人每年1.6公斤,日本为0.2公斤。由于镀锌钢管容易锈蚀,许多国家己明令禁用。香港早于1996年 1月起禁止使用,上海也于 1998年5月起实行。我国在房屋建设中推广使用铜管道系统,势在必行。
※ 房屋装修
在欧洲采用钢板制作屋顶和漏檐已有传统。北欧国家中甚至用它作墙面装饰。铜耐大气腐蚀性能很好、经久耐用、可以回收,它有良好的加工性可以方便地制作成复杂的形状,而且它还有美观的色彩;因而很适合于用做房屋装修。它在教堂等古建筑物屋顶上的应用己有悠久历史,至今仍发出诱人的光彩;而且在现代大型建筑甚至公寓和住宅的建设上的应用也越来越多。例如:在伦敦,代表现代英国建筑艺术的"英联邦委员会"大厦,屋顶形状复杂,用钢板建造,重约 25吨;于 1966年开放的水晶宫运动中心,用钢 60吨做成波浪形的屋顶等等。据统计,用做屋顶的铜板,在德国平均每人每年消费0.8公斤,美国为0.2公斤。
此外,屋内的装修,如:门把手、锁、百页、按栏、灯具、墙饰以及厨房次具等等,使用钢制品不但经久耐用,消毒卫生,而且装点出高雅的气息,深受人们喜爱。
※ 塑像和工艺品
世界上没有那一种金属,能够像钢那样广泛应用于制造各种工艺品,从古至今,经久不衰。今天城市建设中,各种纪念物、铸钟、宝鼎、雕像、佛像、仿古制品等等,大量使用铸造铜合金。现代乐器,如长笛使用白钢制成,萨克斯管用的是黄铜材料。各种精美的艺术品,价廉物美的镀金以及仿金、仿银首饰也都需要使用各种成分的铜合金。
1996年建成的香港天坛大佛,使用锡、锌、铅青铜铸造拼接而成,高26米,重206吨。1997年建成的浙江普陀山南海观音大佛,高20米,重 70吨,是世界上第一座使用仿金材料建成的巨型铜像。嗣后在无锡落成了高88米的青铜释迹牟尼佛像。更高的佛像正在我国的海南岛和九华山以及日本印度等地筹建中。
※ 钱币
自从人类祖先使用钱币进行交易以来,就用铜和铜合金来制造钱币,历代相传,沿袭至今。随着现代自动投币电话、乘车和购物等利民活动的发展,造币用钢量有增无减。
在铜币的应用中,除了变化尺寸以外,可以很方便地采用不同合金成分、改变合金色彩来制造和区分不同面值的货币。常用的有含2 5%镍的"银币",含 2 0%锌和 1%锡的黄铜币以及含少量锡(3%)和锌(l.5%)的"铜"币。全世界每年生产铜币要消耗成千上万吨的铜。仅伦敦皇家造币厂一家,每年生产7亿个铜币,约需金属七千吨。
8.高科技上的应用
钢不但在传统工业中有广泛应用,而且在新兴产业以及高科技领域中也发挥着重要作用,举例如下:
※ 中计算机
信息技术是高科技的前导。它依靠的是现代人类智慧的结晶 一 计算机 这个工具,对瞬息万变、浩如烟海的信息进行加工和处理。计算机的心脏由微处理器(包含运算器和控制器)和存储器组成。这些基本部件(硬件)都 是大规模集成电路,在微小的芯片上分布着千万个相互连接的晶体管、电阻。电容等元件,以进行快速的数值运算,逻辑运算和大量的信息储存。这些集 成电路的芯片要通过引线框架和印刷电路组装起来才能进行工作。从前面"电子工业中的应用"一章中可以看到,铜和铜合金不但是引线框架、焊料和印 刷电路版中的重要材料;而且还能够在集成电路的微小元件互连中起重要作用。
※ 超导和低温
一般材料(除半导体以外)的电阻随温度降低而减小,当温度降得很低时,某些材料的电阻会完全消失,这种现象称为超导性。出现超导性的这个最高温度称为该材料的超导临界温度。超导性的发现为电的利用打开了一个新大地。回为电阻为零,只要施加一个很小的电压就可以产生十分巨大(理论上是无限大)的电流,获得巨大的磁场和磁力;或者当电流通过它时,不发生电压的降低和电能的损耗。显然它的实际应用将会引起人类在生产和生活上的变革,很受人们的关注。
但是对通常的金属来说,只有当温度降低到十分接近绝对零度(OK=一 273 °C)时才出现超导性,在工程上很难实现。近年来已开发出一些超导合金,它们的临界温度比纯金属的高,例如,Nb3 Sn合金为18.1K。但是它们的应用一点也离不开铜。首先是这些合金要在超低温下工作,要通过气体的液化来获得低温,例如:液氦、液氢和液氮的液化温度分别为4K(一269℃)、20K(一253℃)和77K(一 196℃)。铜在这样低的温度下仍有良好的韧塑性,是低温工程中不可缺少的结构和管路输送材料。此外,Nb3 Sn、NbTi等超导合金很脆,难以加工成型材,需用钢做包套材料把它们结合起来。目前这些超导材料已用于制作强磁体,在医疗诊断的核磁共振仪以及某些矿山强力磁选机上得到了应用。正在筹划中的,时速超过500公里的磁浮列车,也要依靠这些超导材料磁体把列车悬浮起来,避免轮轨接触的阻力,而实现车厢的高速运行。
最近发现了一些临界温度更高的材料,称为"高温超导材料",它们大多是复合氧化物。较早发现和比较著名的一种是含铅的铜基氧化物( YB2 Cu3 O7),临界温度为90K,可以在液氮温度下工作。目前还没有获得临界温度在室温附近的材料;而且这些材料难于做成大块物体,它们能通过可保持超导性的电流密度也不够高。因此,目前还未能在强电的场合下应用,有待进一步研究开发。
※ 航天技术
火箭、卫星和航天飞机中,除了微电子控制系统和仪器、仪表设备以外,许多关键性的部件也要用到铜和铜合金。例如:火箭发动机的燃烧室和推力室的内村,可以利用钢的优良导热性来进行冷却,以保持温度在允许的范围内。亚里安那5号火箭的燃烧室内村,用的是铜一银一结合金,在这个村简内加工出360个冷却通道,火箭发射时通入液态氢进行冷却。
此外,铜合金也是卫星结构中承载构件用的标准材料。卫星上的太阳翼板通常是由铜与其它几个元素的合金制成的。
※ 高能物理
揭示物质结构之谜是科学家孜孜以求的重大基础课题。对这个问题的认识每深入一步,都会给人类带来重大的影响。当前原子能的利用就是一个例子。近代物理的最新研究业己发现,物质的最小构成单元不是分子和原子而是比它小亿倍的夸克和轻子。现在对这些基本粒子的研究往往要在比原子弹爆炸时的核作用高数百倍的极高反应能下进行,称为高能物理。这样高的能量是通过带电粒子在强磁场内,经过长距离加速,向固定的靶"轰击"而获得(高能加速器),或者两个相反方向加速运动的粒子流互相对撞而获得(对撞机)。为此,需要用钢作绕组构筑出长距离的强磁场通道。此外,在受控热核反应装置中也要有类似的结构。为了降低由于通过大电流的发热温升,这些磁通道由中空的异型铜棒绕成,以便通入介质进行冷却。
例如:著名的欧洲卢瑟福高能物理实验室中的质子同步加速器,它的水冷磁体由中空的铜管统成,共计使用约 300吨的铜挤压材。1984年我国建成的重粒子加速器,用去每根40米长、外矩内圆的管材共46吨。在此以后建成的正负电子对撞机中,应用这类铜管 105吨。在我国研制的受控热核反应装置中,共有16个聚焦线圈。每个线圈用长度55米的铜条绕成。壳体用钢板焊接而成,其上焊有冷却水管。在该装置上共计用钢 50吨。
9.铜化合物的应用
铜的化合物,主要有:硫酸铜(五水、一水和无水)、醋酸铜、氧化铜和氧化亚铜、氯化铜和氯化亚铜、氯氧化铜、硝酸铜、氰化铜、脂肪酸铜、环烷酸铜等,在农牧业、工业和医疗卫生等各个领域都有广泛应用。其中应用最广的是硫酸铜,通常是五水硫酸铜(CuSO4·5H2O),由于呈兰色,俗称兰矾。它往往也是生产其它许多盐类的原料。
人类应用钢化合物的历史可以追溯到五千多年前,墓葬中发现古埃及人己使用硫酸铜做染色时的媒染剂(留色饰染剂),一直沿用至今。根据统计,目前世界上生产硫酸铜的厂子超过一百家,世界年消费量约2 0万吨,估计其中3/4用于农牧业,主要用作杀菌剂。
※ 在农牧业中的应用
钢的化合物是消除病虫害的有效杀菌农药,可以控制所有霉菌或真菌引起的病害。除直接采用硫酸铜泡种子外,在果园和农田中经常使用的是一些铜盐混合液。最重要的有以法国著名葡萄产地命名的波尔多液(石灰硫酸铜液)和伯更狄液(苏打硫酸铜液),还有巴黎绿、菌杀特等。
业己报导,用铜杀菌剂可以防治百余种作物中经常发生的3 00多种病害。这些作物包括:
-葡萄、柑桔、香蕉、苹果、梨、桃等各种多年生的果木;
-咖啡、橡胶、棉花、甜菜等经济作物;
-小麦、大米、玉米、大麦、燕麦等谷物;
-豆类、西红柿、土豆和莴苣等。
· 铜是保持农作物和畜禽健康成长必须的微量营养素。通常,当农田土壤中的有效铜含量低于2ppmm(1ppmm为百分之一)时,农作物就要因缺铜而减产,严重时甚至颗粒不收,或者当牧场土壤中有效铜含量低于5ppmm时,牲畜就要患缺铜症。目前由于集约性的高产作业,在大量使用有化肥中不含铜或含铜量很低,引起土地瘠化,使缺铜日益成为当前世界上日益关注的问题。为了纠正和防止缺铜,要及时用钢盐补充。可以直接加入或者和富含氮和磷的肥料一起加入;可以用来改良土壤长期起作用,或者每年喷洒在作物的幼苗上。对于畜禽,除改善牧场外,可以将铜盐掺入饲料中或采用其它办法直接注入有缺铜症状的牲畜体内。 ·硫酸钢还是猪和鸡的助长剂,可以提高它们的食欲和增进食物的转化。在饲料中拌人0.1%的硫酸铜,能够显著地促进猪和肉鸡的增重。
·铜离子有强烈的消毒灭菌作用,可以防止一些常见牲畜疾病的流行。例如:水中少量铜(不足lppm)就能够消灭水中繁殖的给输、螺和蜗牛等软体动物,这些软体动物是血吸虫的寄主,因而可以防止热带和温带动物中容易出现的肝血吸虫病。还可以用硫酸铜来消毒栏圈,防止牛、羊烂脚,以及猪丹毒和牛痢疾的传播等。
此外,池塘、水田、水渠和河湖中令人讨厌的绿藻污染,可以加入铜盐来消除。 ·铜盐可以作为防霉保鲜剂,应用于谷物、水果和蔬菜的储藏。其中一个简便的办法,是用浸过铜盐的纸进行包装。
※ 在工业上的应用
铜化合物在工业上的应用很广,几乎每一行业都或多或少地用到它,下面举一些例子。
·硫酸铜是印染工艺中常用的媒染剂,以提高光泽的持久性和耐洗性,广泛应用于纺织和皮革业.
·铜的化合物有兰、绿、红、黑等彩色,可以用做玻璃、陶瓷、水泥、搪瓷的着色剂。它们也是某些染发剂的组成。在烟火中加入硝酸铜发绿光,等等。
·添加钢化合物的油漆有抗海水生物污损的作用。
·铜的一些有机化合物是有效的防腐剂,用于纸浆、木材、木制品和帆布等织物的防腐。
·铜的某些化合物是橡胶、石油和人造纤维生产过程中的重要化学制剂,起催化、净化等作用。
·硫酸铜电解液,用于镀铜、生产电解铜箔和铜的提纯等。
·在采矿业中,以硫酸铜为活化剂,对铅、锌、铝和金等矿物进行浮选。
※ 个在人体保健上的应用
· 铜是人体健康不可缺少的微量营养素,对于血液、中枢神经和免疫系统,头发、皮肤和骨骼组织以及脑子和肝、心等内脏的发育和功能有重要影响。铜主要从日常饮食中摄入。世界卫生组织建议,为了维持健康,成人每公斤体重每天应摄入0.03毫克铜。孕妇和婴幼儿应加倍。缺铜会弓I起各种疾病,可以服用含铜补剂和药丸来加以补充。
· 铜离子可以消毒杀菌、卫生防疫。例如:可以杀灭易于在水中滋生的大肠杆菌和痢疾等病菌,清除水中传播血吸虫病的蛞蝓和螺等软体动物,以及传播疟疾的蚊子幼虫等疾病携带体。它还可以应用在游泳池内,防止绿藻污染和通过地板传染足癣等等。
· 铜的化合物可以治疗某些疾病。己知佩带刺环可以治疗关节炎。在一些西方国家很早就用硫酸盐来医治肺病和精神失常;在一些非洲和亚洲国家则用来治疗溃疡和皮肤病。含铜药品目前正在不断开发中。
铜的基本情况 1、 铜的自然属性
铜是人类最早发现的古老金属之一,早在三千多年前人类就开始使用铜。自然界中的铜分为自然铜、氧化铜矿和硫化铜矿。自然铜及氧化铜的储量少,现在世界上80%以上的铜是从硫化铜矿精炼出来的,这种矿石含铜量极低,一般在2 --3%左右。金属铜,元素符号Cu,原子量63.54,比重8.92,熔点1083Co。纯铜呈浅玫瑰色或淡红色。铜具有许多可贵的物理化学特性,例如其热导率和电导率都很高,化学稳定性强,抗张强度大,易熔接,具抗蚀性、可塑性、延展性。纯铜可拉成很细的铜丝,制成很薄的铜箔。能与锌、锡、铅、锰、钴、镍、铝、铁等金属形成合金,形成的合金主要分成三类:黄铜是铜锌合金,青铜是铜锡合金,白铜是铜钴镍合金。
铜冶金技术的发展经历了漫长的过程,但至今铜的冶炼仍以火法冶炼为主,其产量约占世界铜总产量的85%,现代湿法冶炼的技术正在逐步推广,预计本世纪末可达总产量的20%,湿法冶炼的推出使铜的冶炼成本大大降低。
2、铜的主要用途
铜是与人类关系非常密切的有色金属,被广泛地应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域,在我国有色金属材料的消费中仅次于铝。
铜在电气、电子工业中应用最广、用量最大,占总消费量一半以上。用于各种电缆和导线,电机和变压器的绕阻,开关以及印刷线路板等。
在机械和运输车辆制造中,用于制造工业阀门和配件、仪表、滑动轴承、模具、热交换器和泵等。
在化学工业中广泛应用于制造真空器、蒸馏锅、酿造锅等。
在国防工业中用以制造子弹、炮弹、枪炮零件等,每生产100万发子弹,需用铜13--14吨。
在建筑工业中,用做各种管道、管道配件、装饰器件等。
以下是各行业铜消费占铜总消费量的比例: 行业 铜消费量占总消费量的比例
电子(包括通讯) 48%
建筑 24%
一般工程 12%
交通 7%
其他 9%
3、 铜的生产和消费
世界铜矿资源主要分布在北美、拉丁美洲和中非三地,全世界已探明的储量共3.5亿万吨,其中智利占24%,美国占16.9%,独联体占10.15%,扎伊尔占7.39%,赞比亚占4.55%,秘鲁占3.41%,美洲占了世界储量的60%。
98年全世界年产铜约1360万吨,各主要生产国的产量分别为:美国245万吨,智利233万吨,日本128万吨,中国111万吨,德国69.5万吨,俄罗斯64万吨,加拿大56万吨。
世界铜的消费主要集中在发达工业国,根据97年的消费量,美国是世界上最大的铜消费国,一年消费277万吨,约占世界消费总量的1/5,其次是日本144万吨,德国105万吨,韩国62万吨,法国58万吨,意大利53万吨,英国41万吨。我国是铜的第四大消费国,97年消费102万吨。
我国铜生产地集中在华东地区,该地区铜生产量占全国总产量的51.84%,其中安徽、江西两省产量约占30%。铜的主要消费地则在华东和华南地区,二者消费量约占全国消费总量70%。
4、 铜适合作为期货交易品种的特征
1) 铜是重要的工业生产原料,属世界性大宗商品,用途广泛;
2) 铜易储存、易运输、不易变质,能满足期货交割的基本要求;
3) 铜规格等级易于划分,质量标准、包装标准易于统一,即易于制定标准化合约;
4) 铜市场价格波动大,铜的生产商、消费商、交易商等需要一个回避价格风险的场所。
铜作为一个期货交易品种由来已久,目前国外从事铜期货交易的主要有伦敦金属交易所(LME)和纽约商业交易所-商品纽约商品交易所(NYMEX--COMEX)。
国内上市铜期货合约的权威交易所是原上海金属交易所,成立于1992年5月28日,99年与上海商品交易所、上海粮油交易所合并为现在的上海期货交易所。上海金属交易所92年--98年
共成交 手,合 亿元。
5、标准合约
6、注册牌号清单及升贴水标准
7、指定交割仓库
8、指定质检机构
上海商检局化矿金属检验所、中国有色金属工业华东质检中心和中国有色金属工业 华南质检中心。
铜可以杀灭0157大肠杆菌 一项最新的研究表明导致疾病的0157大肠杆菌与铜的表面接触时,数小时内即被杀死。该项研究是由国际铜业协会委托设在英国威尔特郡 (Wiltshire,U.K.)的应用微生物学研究中心(CAMR)完成的。这种病菌可引起溶血性结肠炎,严重的肾病,如溶血性尿毒症及死亡。国际铜业协会负责健康和环境研究的副总裁克里斯托弗·李(Christopher Lee)博士称,这些发现是令人振奋的,因为它意味着可以用一种方便而有效的方法在世界上抑制这类通过食品和水来传播的疾病的发生,成千上万的细菌性胃肠疾病及其导致的死亡将可以得到避免。该项研究还对比了这种病菌在铜、不锈钢及塑料管材表面生物膜的存活率。当铜表面接种0157大肠杆菌时可以发现其迅速死亡,室温在摄氏20度时4小时之内;在摄氏4度时14小时之内全部死亡。相反,在不锈钢材料上,在上述两种温度条件下可存活数月。研究还发现,除了可以减少0157大肠杆菌的危险外,在家庭及公共建筑中增加铜管的使用还可有助于减轻突发水生病原体的传播,如岛型结核分枝杆菌及幽门螺旋菌,现已确认这些病菌是导致发病率及死亡率增加的原因。
铜的颜色和铜绿 非发光物体的颜色,是物体反射光在正常人眼里引起的色觉。根据色度学原理,颜色是由红、绿、兰三种原色中两种或三种匹配而成,而白光则由各占三分之一原色光混合而成。物体的颜色与确定的光波长相对应,而物体反射何种波长的光是由物体结构、相的组成、表面状况所决定。众所周知,铜是少数有颜色的金属之一,纯铜在约700毫微米波长有较高的反射率而呈现橙红。铜极易与其它元素形成合金,不同的合金,不同的元素含量又具有不同的色泽。铜与锌的合金称为黄铜,随着锌含量的增加,黄铜颜色由红变为金黄。铜与铝、锡等元素形成的合金称为青铜,其颜色为黄带绿色泽。铜与镍形成的合金称为白铜,含镍30%的合金是著名的耐蚀白铜,含有锌和镍的锌白铜具有美丽的银白色。各种元素在铜中含量由少变多的时候,其合金颜色沿红黄青白方向变化。铜及合金具有丰富的色泽,铜的化合物也具有不同的颜色。铜具有高的正电位,铜不能置换氢,因此在空气、水溶液、非氧化性酸、有机酸和非氧化性有机化合物介质中均有良好的耐蚀性,特别是在流动的淡水和海水中具有优良的耐蚀性能。铜易被氧化,在室温下铜的氧化能够缓慢的进行,生成氧化亚铜Cu O,呈玫瑰红的颜色。氧化亚铜呈极薄的一层,极其牢固地附着在铜的表面,不易剥离。这层薄膜具有很强的保护作用,破坏后可以迅速再生。这是铜及合金具有优良耐蚀性能的原因之一。当温度高于250 C时,铜迅速被氧化,生成氧化铜CuO,呈黑色,它很容易使用酸洗办法除去。铜制器长期暴露在空气中,由于大气含有CO 、H O、SO 、H S等,铜的氧化物就会变成复盐,主要是碱式碳酸铜CuCO ·Cu(OH) 和碱式硫酸铜 CuSO ·3Cu(OH) 。这两种复盐呈兰绿色。这种薄膜防止金属继续氧化腐蚀,起到良好的保护作用。铜制器长期暴露在大气下,其表面颜色经历了红色 红绿色 棕色兰绿色的变化过程,大约10年之后,其表面就会被众所周知的铜绿所覆盖。铜绿的主要成分为碱式碳酸铜,具有保护作用。这一点不但有金属腐蚀保护理论为依据,也为千百年实践所证明。在出土的大量铜制器中,均为铜绿所覆盖,制器早已锈迹斑斑,有些已经变成氧化物而灰飞烟灭了。因此,室外铜工艺品、铜导线、铜管路、食品储藏装置等往往不需要予以专门的保护。铜绿不但对铜制品具有保护作用,而且具有美丽的颜色。铜绿的形成方法已经成为一种人工的技术。铜及其化合物不象某些其它的金属,如铅和汞那样对人体有毒害作用。铜壶、铜锅和铜制盛水容器等已经用了几千年了。至今尚未发现从事与铜或铜化合物有关工作的人染有与铜有关的职业病。相反,时常可以听说这些人看起来更健康而且不易患感冒和一些其它的疾病。铜不但是动物和植物所必须的微量元素,而且在铜制品表面各种微生物和细菌不易存活。特别是在海洋条件下,海洋生物不能附着。因此,铜对人类,对环境是非常有利的。这种特殊功能已经广泛的被应用。资料表明,用 90-10白铜包覆的船只由于防止海生物生长,船速可以提高,同时可以省去涂层,简化维修工作量,具有十分广阔的发展前景。由于铜及合金具有良好的加工性能,传热性能,再生性,在热交换器,空调器中得到了广泛应用。特别是在建筑行业中,铜水管比镀锌钢管更具有突出的优点。在发达国家和地区,民用建筑,热水容器,自来水管,煤气管,暖气和下水道等广泛使用了铜及其合金。英国每个住宅平均用铜量为100-200公斤。日本学者对水道用铜管进行了长期调查证明:铜水管具有优秀的耐蚀性和无毒性能,在未来的人民生活中极具应用前景。
铜与环境
1、 铜--绿色面孔的红色金属
铜,具有绿色面孔的红色金属,无论是作为具有广泛应用性的材料还是作为对人类自身健康有很大影响的的微量元素,铜都是人类生存不可缺少的。所有生物都需要铜,铜作为地壳中的一种自然元素,已经通过自然界的迁移转化而结合到生物的机体和组织之中。没有铜,地球上的大部分生物将不能生存。
2、 铜--地球中蕴藏丰富的金属
铜是一种在地壳不同深度都能找到的金属。在地表面和岩石层中、在淡水和海水以及在动物体中,都能找到铜。自然界中的铜,多数以化合物即铜矿物存在,铜矿物与其他矿物聚分成铜矿石。1997年,世界上已探明陆地上的铜金属储量约为3.1亿吨,主要分布在南美、北美、东欧、非洲、亚洲及大洋州等。
3、 铜--可以百分之百回收利用的金属
在人类使用铜大约一万年的过程中,一直在利用其可回收的优点。据最新数据,全世界每年所用1500万吨铜中,38%是由用过的铜再生得到的。如果从长寿命的铜产品如电线电缆、屋顶和管道来看,铜可回收利用的价值就更加明显。电线电缆和铜水管一般能持续使用数十年;建筑用铜,如包层和屋顶则可以持续一百多年。铜制汽车散热器是再生铜的另一个主要来源。
尽管铜可以无限地多次使用,但世界对铜的需求不能只靠再生铜来满足,必须不断开采新铜来补充对铜的日益需求。
4、 铜--人类和自然界生物不可缺少的微量元素
铜是人类健康和动植物生长不可缺少的微量元素。据世界卫生组织调查,缺铜是影响世界各地人们健康的一个共同问题。当然,如果铜超量,也会造成危害。调查证实,因铜不足造成的对人体健康的危害要比铜过量严重得多。已经发现,在发达国家人们从食物中摄取的铜量仍不能满足人体的需要,存在缺铜较多的高危人群。
全世界土壤中都有铜,但含量不同。农业用地和家畜养殖用地的许多土壤中铜含量不足,这是困扰农业的一个难题。同人类一样,植物和动物的健康生长和发育也都依赖于吸收足够的铜。铜缺乏一直是全球食物生产中的一个主要问题,导致了农作物和畜产品大量的浪费。全世界两种最重要的食用作物--稻谷和小麦都需要土壤中有充足的铜,其他一些重要食物,如柑橘、燕麦、菠菜、胡萝卜等也都一样。在家畜中,牛和羊一般也表现出缺铜。牛缺铜,出现"眼镜病 ",羊缺铜导致"摇摆"病。为了治愈羊的这种病,世界各地,特别是欧洲、北美和许多热带国家的农业花费了大量资金。对于猪,铜则是其迅速生长的催生剂。
近年,由于在农业上采用先进技术,施加大量的氮、磷等肥料,在产量显著增加的同时,过量地消耗了土壤中的有效铜。如果得不到及时补充,不但使原来的贫铜现象恶化,而且使原来可以充分供应铜的土壤也变成贫铜土壤。改变铜缺乏最有效的措施是进行土壤改良。为此,将含铜充足的污泥加入缺铜的土壤中是最有效的方法。要防止环境污染,对土地进行综合治理是非常必要的。
5、 铜--环境中的浓度处于安全界限之内
我们在长期的生活中会注意到这样一个事实:铜在环境中的浓度一直处于安全界限之内。铜使用从未,也不会造成严重的后果。只要人类在使用铜时,采取精心的管理措施,就会保证铜在环境中的浓度维系在安全界限之内。
长期以来,铜向人类显示了它友善的绿色面孔,人类应最大限度和充分合理地使用铜,使其发挥最大的能量
铜与人体健康 人的健康离不开铜
铜是人体健康不能缺少的为数不多的几种金属元素之一。这些元素和氨基酸、脂肪酸以及维生素都是人体的新陈代谢过程所必须的。值得注意的是,人体本身不能生成铜,因而人类的膳食必须提供足够的铜以保证正常的铜摄入量。
人体内有多少铜?
成年人体内的铜含量大约在每公斤体重1.4-2.1毫克之间。因此,一个60公斤体重的健康人的体内应含有0.1 克左右的铜。这一数量虽小,但它对于维持人体的健康却是至关重要和不可缺少的。
铜在人体内的功能是什么?
人体内的铜与某些蛋白质结合生成酶,这些酶作为催化剂帮助实现一系列的人体功能。有的酶提供体内生化反应所需要的能量,有的酶则参与皮肤色素的生成转换。另外的酶能帮助形成胶原蛋白和弹性蛋白之间的交联,从而保持或修补细胞组织间的联接。这一点对于心脏和动脉血管来说尤为重要。研究结果认为,缺铜是导致引发冠状动脉心脏病的一个重要因素。
我们获得足够的铜了吗?
直至不久以前,普遍的看法仍然是绝大多数人能够获得适量的铜。但是,最新的研究表明实际的情况并非这样。例如,曾在英国和美国对许多典型的餐饮食谱的金属含量进行了分析。根据调查研究的结果,只有25%的美国居民日常摄入的铜量达到了美国国家科学院食品和营养委员会认为合适的水平。典型的美国日常食谱往往只能提供这一水平的一半,而许多工业化国家的餐饮食谱仅及这一推荐标准的40%。在英国,现行的铜摄入量推荐值为0.4毫克/ 日(1-3岁的婴幼儿)到1.2毫克/日(成年人)。此外,最新的研究还认为含铜量小于1毫克/日的配餐营养结构对成年人是不适宜的。
人体内铜过多好吗?
世界卫生组织(WHO)和粮农管理委员会倾向的推荐标准为成年男子的平均铜摄入量不超过12毫克/日,成年女子的平均铜摄入量不超过10毫克/日。这一标准的提出是基于对一个特定人口群中的一组人员的研究。上述数值被认为是适合于所有人员的摄入量,生化数据表明人群的反应最轻微。印度儿童慢性肝间质炎病患者或某些遗传疾病如威尔森氏病患者体内的铜保留量过多是由于肝功能损坏导致的,常常会产生致命的后果。急性铜中毒的症状表现为恶心、呕吐、腹部和肌肉疼痛。体内过量的铜可以采用特制的蛰合剂或者服用大剂量的锌予以排除。
哪些食品含有较多的铜?
许多食品含有丰富的铜。这些食品包括果核(特别是巴西果和腰果)、种子(特别是葵花籽)、鹰嘴豆、肝脏以及牡蛎等。普通食品如麦片、肉类和鱼类一般都含有铜。只要膳食营养均衡即可提供人们日常所需铜摄入量的50%。对于英国居民来说,他们还从饮水中得到铜的补充,这是由于饮水管为铜管而微量的铜直接进入水中的缘故。不过,对于多数地区而言,饮水中的铜含量还不足以充分提供人体日常所需铜的摄入量。还要特别指出的是,许多饮用水过滤器声称可以滤掉金属元素包括人体不可缺少的基本元素-铜。这并不见得完全是件好事。
铜在医药方面的应用
铜作为一种医药已经有几千年的历史,其应用包括用于医治胸创伤和净化饮水。近些年来的研究指出,铜可以有效地帮助抑制关节炎一类疾病的发炎。用于抗溃疡和消炎的含铜药物的研制正在进行,它们可应用在放射医学以及治疗抽筋和癫痫。目前尚没有充分的流行病学证据说明铜可以预防关节炎,但是许多临床试验证明使用铜镯的确能够缓解关节炎病情。
铜有毒性吗?
如果人不小心喝了硝酸铜或硫酸铜溶液是会中毒的。因此,这些溶液在放置时应该加以注意。除此之外,铜极少会产生麻烦。这些溶液以及铜的有机盐均属于呕吐剂,偶尔误服了大剂量通常会被呕吐出来。人体内铜量过多而引起慢性中毒的病例极少,仅有的几个例子是由于肝部疾病导致的体内铜的保留量过多。健康人的肝脏排泄铜的能量极强,由于这个缘故,目前尚没有关于铜慢性铜中毒的病例报道。
铜与人体健康
铜是人体健康不可缺少的特殊的微量元素之一。为了保证某些正常的人体功能,人们的日常膳食结构必须提供足够的铜。动植物正常发育生长也需要获得一定量的铜,这对于人类通过食物链来获取铜是非常有利的。铜存在于多种食品中,一般说来科学合理的膳食能够提供人们日常所必须的铜而无需要额外的补充。不过应当指出,饮食结构的变化,例如有的人因医疗原因而限制某些食品时,有可能导致铜的摄入量不足。
铜矿的种类及分布 世界铜成矿类型多样, 按其地质--- 工业类型可分为:
(1) 斑岩型,(2)砂页岩型,(3)铜镍硫化物型,(4)黄铁矿型
(5) 铜- 铀- 金型,(6)自然铜型,(7)脉型(8) 碳酸岩型,(9)矽卡岩型
[斑岩型]
班岩型铜矿是一种储量大品位低可用大规模机械化露采的铜矿床矿石储量往往达几亿吨铜品位常常小于1%, 据世界上103 个斑岩型矿床统计单个矿床矿石量平均可达5.5 亿吨, 铜品位0.6%, 它是世界上重要的铜矿工业类型之一。
[分布]
已知的斑岩铜矿多分布在:(1)环太平洋带, 包括南。 北美洲大陆边缘狭长的斑岩铜矿带, 如加拿大的洛涅克斯, 伐利科帕, 美国的宾厄姆, 比尤特, 莫伦锡, 伊利,圣里塔, 墨西哥的卡纳内阿, 拉卡里达德拉, 巴拿马的塞罗科罗拉多, 秘鲁的米契基累, 塞罗佛尔迪. 夸霍内智利的埃尔阿布拉, 丘基卡马塔, 拉埃斯康迪达, 埃尔萨尔瓦多和埃尔特恩特等,(2)特提斯斑岩铜矿带, 包括匈牙利的雷克斯克, 南斯拉夫的麦丹佩克, 伊朗的萨尔切什梅黑和马基斯坦的查盖地区矿床等。(3)中亚----蒙古, 重要的矿床有乌兹别克东部的卡耳马克尔, 哈萨克斯坦巴尔喀什湖以北的科翁腊德, 蒙古中北部的额尔德图间鄂博南部的察干苏布尔加和东部的阿伦诺尔矿床等。[砂页岩型]
砂页岩型铜矿是泛指不同时代沉积岩中的层控铜矿, 矿床产在一套沉积岩或沉积变质岩中, 它是世界上铜矿主要工业类型之一, 占世界铜储量30% 左右, 矿床以其规模大, 品位高, 伴生组分丰富为特点, 因而其经济价值巨大。
[分布]
该类矿床在世界上分布很广, 除上述铜带外, 还有原苏联乌多坎, 杰兹卡兹甘铜矿, 美国怀特潘, 美国蒙大拿州西部一直延伸到加拿大西南部的贝尔特铜带, 以及玻利维亚的科多铜带等, 近年在阿富汗发现的巨大艾纳克铜矿和在巴西发现的萨洛博铜矿均属于此型。
[黄铁矿型铜矿]
黄铁矿型铜矿是指与海底火山作用有一定联系的含大量黄铁矿和一定数量铜、 铅、锌的矿床, 西方多称该类矿床为" 块状硫化物矿床".
目前世界上至少发现了420 个这种类型的矿床、 加拿大、 美国、 原苏联、 西班牙、葡萄牙、 塞浦路斯、 南非和日本等都是该类矿床的重要产地。
[块状硫化物矿]
这种现代矿床是1978年在北纬21度附近的东太平洋脊上首次发现的, 虽然铜锌品位很高( 铜6%, 锌29%), 但脊上发现了一个长970 米, 宽200 米, 高35米, 拥有2500万吨矿量的多金属块状硫化物矿床, 第一次达到了具工业矿床的要求, 其矿石含铜最高为11%,含锌0.8%, 还含少量的银(PPM),钼(0.03%) 和锡(0.03%)。
[分布]
1982美国又继续在北纬13度的海域进行调查, 又发现了好几个矿床, 最近在加拿大温哥华岛附近海域的埃克斯普劳勒中脊1%, 但在原苏联这种类型却是头等重要的, 占其铜总储量的30.6%,这种类型的重要矿床有: 加拿大的萨德伯里, 汤普逊, 林累克. 美国德卢斯杂岩, 原苏联的贝辰加, 诺里尔斯克, 塔尔纳赫,"十月",澳大利亚的卡姆巴尔德杂岩, 芬兰的哥达拉赫带, 当然还有我国金川白家咀子的特大型。
[其它类型]
除上述几类外, 还有脉型、 自然铜型, 碳酸岩型矽卡岩型等, 它们总共才占世界铜总储量的3.6%, 但是对不同的国家来说, 这些类型也许是重要的, 如矽卡岩型对我国来说就是一个非常重要的工业类型, 占我国铜总储量的28%,所以, 各国均应根据本国的具体地质环境, 寻找最具经济价值的优质矿床, 也就是品位高, 规模大, 形状合适, 矿带边界明显。 矿石易处理和含有价值的副产品的矿床, 以保证获得高利润和可以长期生产, 这些因素中最生要4 的是要有高品位, 这种高品位铜矿床最可能来源将是火山成因的黄铁矿型铜矿, 层状矿床, 以及某些矽卡岩矿床等。
全球性和区域性的一些铜成矿区带
(1) 环太平洋中新生代铜金带, 尤其是东太平洋智利----秘鲁安第斯山, 美国西南部, 加拿大西南部斑岩铜矿集中区以及西南太平洋地区菲律宾, 印度尼西亚, 巴布亚新几内亚等斑岩铜金矿集中区;
(2) 阿尔卑斯--喜马拉雅中生代斑岩铜矿带, 包括前南斯拉夫, 伊朗, 巴基斯坦和我国西藏等巨大的斑岩铜矿集中区;
(3) 中亚----蒙古带的古生代斑岩铜矿带, 包括乌兹别克. 哈萨克斯坦, 蒙古和我国华北. 东北等巨大铜矿集中区;
(4) 中非赞比亚, 扎伊尔砂页岩型铜矿带;
(5) 美国----加拿大五湖地区;
(6) 加拿大黄铁矿型铜矿集中区;
(7) 中欧波兰----德国页岩铜矿区;
(8) 西班牙--- 葡萄牙黄铁矿型铜矿带;
(9) 俄罗斯西伯利亚铜镍硫化物矿区;
(10)俄罗斯西伯利亚乌多坎砂页岩铜矿区;
(11)俄罗斯乌拉尔和哈萨克斯坦阿尔泰黄铁矿铜多金属矿带;
(12)印度马兰杰坎德铜矿区;
(13)阿富汗艾纳克砂页岩型铜矿区;
(14)南澳奥林区克坝铜--铀--金矿区
(15)巴西卡腊贾斯萨洛博砂页岩型铜矿区等
湿法炼铜给铜工业带来的影响
(1) 可以处理低品位铜矿,美国采用堆浸处理的铜矿石品位甚至低到0.04%。过去认为无法处理的表外矿、废石、尾矿等均可作为铜资源被重新利用,因此大大扩大 了铜资源的利用范围; (2) 湿法炼铜由于工艺过程简单,能耗低,因此生产成本低。1997年西方SX-EW 铜平均的生产成本为43美分/ 磅,这包括8 美分/ 磅采矿费、15美分/ 磅浸出费用、1 8 美分/ 磅的SX-EW费用、2 美分/ 磅的管理费用。而1997年西方火法铜的平均生产成本为70美分/ 磅; (3) 投资费用低、建设周期短。国外大型的湿法炼铜厂的单位投资费用为2300$/t Cu,而火法铜的单位投资费用超过4500$/tCu。中国湿法炼铜厂由于设备简陋,单位 投资费用只有1 ~1.2 万元/t; (4) 没有环境污染问题。湿法炼铜工艺没有SO2 烟气排放,硫化矿加压浸出时硫 可以S 。的形式产出,避免了硫酸过剩问题。特别是地下溶浸技术不需要把矿石开采 出来,不破坏植被和生态,从根本上改善了采矿工人的劳动条件; (5)阴极铜产品质 量高。由于溶剂萃取技术对铜的选择性很好,因此铜电解液纯度很高,产出的阴极铜质量可以达到99.999%,再加上采用了Pb-Ca-Sn合金阳极以及在电解液中加Co2+等措施,有效地防止了铅阳极的腐蚀,保证了阴极产品的质量; (6)生产规模可大可小, 这尤其适合于中国企业的特点。正因为湿法炼铜有这样一些显著的优点才使其得以迅速的发展,当1997年下半年到1998年由于亚州金融危机而引发了有色金属价格急剧下滑,铜价持续走低,西方一些铜公司关闭了他们成本较高的火法炼铜厂,但在此期间世界湿法炼铜产量仍然强劲 地增长著,由此可以说明湿法炼铜技术的生命力。过去认为浸出-萃取-电积工艺 只适于处理那些废石、氧化矿、低品位矿,即只适于处理那些火法冶金不好处理或不经济的矿石,但近几年由于生物技术、加压浸出技术的发展和工业化已经改变了人们这种认识,采用生物堆浸完全可以处理高品位的次生硫化矿,而且达到了很大的生产规模,已成为一种很成熟的生产方法。采用加压浸出技术处理高品位的次生硫化矿也 已实现了工业化,并且达到了5 万t/aA级铜的生产规模,操作成本只有35美分/ 磅。 可以看到近年来湿法炼铜的主攻方向已经从氧化矿和废石转向了硫化矿,甚至把以黄铜矿为主要成份的铜精矿作为了挑战的目标。相信在不久的将来人们可以实现采用湿 法冶金技术处理任何铜矿,而且在投资和成本上能与火法冶金展开竞争。
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前言:应用概貌
人类应用钢己有数千年的历史。墓葬考古发现,早在6000年前的史前时期,埃及人就使用铜器。铜是人类祖先最早应用的金属。它具有许多优异的特性和奇妙的功能,不但为人类社会的进步作出了不可磨灭的贡献;而且随着人类文明的发展不断开发出新的用途。铜既是一个古老的金属,又是一个充满生机和活力的现代工程材料。当前人类步入了丰富多彩的,以电气化和电子信息为特征的,高度文明的社会,为铜的应,用开辟了更为广阔的大地。铜以品种繁多的金属、合金和化合物的形式被人们利用,业已深深地渗入了生产和生活的各个方面,成为人类跨入、ZI 世纪取得飞速发展的一个不可缺少的重要金属。在分别介绍铜在各主要工业部门中的应用情况之前,让我们首先从铜的性能、消费结构等诸方面来看一看铜的现代应用状况
※ 铜性能的应用
(饼形公布图)图6.1铜和铜合金主要性能的应用比例
为什么要用铜,主要利用它哪些性能?调查的结果示于图6.1。铜具有优良的导电和导热性,居所有工程金属材料之冠,这是它在当前电气化和电子信息社会中产生举足轻重作用的主要依据。铜还有许多优异的综合性能:它对大气、海水、土壤以及许多化学介质有很强的耐蚀性;它用在结构上刚柔并济,富有弹性,耐摩擦,抗磨损;它具有多彩的外观,是人们钟爱的、古朴典雅的象征。除了上述众多的使用性能外,它还有一系列良好的加工、铸造、焊接、易切削等工艺性能,从而使它获得了经济和广泛的应用。
※ 中铜的消费量
近年来,随着全世界经济的发展,铜的消费量不断上升。如图6.2所示,从1992 年到1997年的五年间,世界钢的消费量从1100.5万吨增加到1310万吨,增长17%,年平均递增3.5%。我国近年来铜需求量,年均增加速度4~ 5%,预计到 2000将达到 125~ 13 5万吨。
按人平均的年消费量: 发达国家(约占人口 11亿)为 10~20公斤; 发展中国家(约占人口 49亿)为0~2公斤。发达国家的钢消费水平显著高于发展中国家。在发达国家中一个居民一生约需消费一吨钢,这个数字是相当可观的。上述两个数据的对比表明,铜的消费水平,在一定程度上反映了一个国家的发展程度。我国近年来铜的需求量虽有明显增长,但农村人日广阔,还存在一些贫困地区,按人口平均的年消费水平仅达0.l公斤左右,与印度(0.13公斤)相近,有十分广阔的发展前景。
※ 铜的消费结构
图6美国的铜消费结构(1983-1988年平均)
图6.4中国的铜消费结构(1986-1990年平均)
美国从 1983年到 1988年铜的消费量从201万吨增加到221万吨。六年间铜在各行业应用的平均比例示于图6.3。可见电气和电子工业消费铜最多。它由1960年的 52%上升到1988年的70%。这是和电气化、自动化、信息化及整个社会现代化程度的提高密切相关的。铜在建筑上的应用,在欧美等发达国家中已比较普遍,占有相当大的比例。图6.4上给出我国在1986到1990年的相应时间内,铜的消费结构。由于统计行业的分类方式有所差异,不能把图6.3和6.4 直接进行比较。在中国如果把电气、电子、邮电以及轻工中家电产品部分中铜的应用加在一起,作为电气和电子行业来计算,估计在60%左右。与欧美等国相比,我国钢在建筑上的应用,近年来才刚刚起步,存在着巨大的潜在市场。据统计,美国铜在住宅中的应用,每户用量1970年为120公斤,到1996年增加到200公斤。汽车平均每辆用铜,1950年为10公斤,到1996年上升到19公斤,电动汽车则需每辆用铜25到 40公斤。
图6.5上示出了世界铜市场在各个建设部门中应用的分配情况:
- 房屋建设占48%
包括:管道系统(水,热,气,防火喷淋等)
房屋设施(空调,冰箱等)
建筑装修(屋顶,流槽,装饰等)
通讯线路(声、像、数据等)
电源系统
- 装备生产占 41%
包括:工业装备(电机,变压器等)
交通工具(汽车,铁路,飞机等)
电子器件
轻工业品(家用电器,仪表,工具等)
- 基本设施占11%
包括:大型工程(交通设施,石化工业,采冶工业等)
电力事业(输电,配电等)
通信网络
值得注意的是,房屋建设与人们生产水平的提高直接相关,铜在这方面的应用占有最大的比重;特别是我国将住宅建设作为拉动整个国民经济发展的一个重要环节,由此可见,积极推广铜的应用对国计民生的重要作用。
1. 电气工业中的应用
※ 电力输送
电力输送中需要大量消耗高导电性的铜,主要用于动力申.线电缆、汇流排、变压器、开关、接插元件和联接器等。
在电线电缆的输电过程中,由于电阻发热而白白浪费电能。从节能和经济的角度考虑,目前世界上正在推广"最佳电缆截面"标准。过去流行的标准,单纯地从降低一次按装投资的角度出发,为了尽量减小电缆截面,以在设计要求的额定电流下,不至出现危险过热,来确定电缆的最低允许尺寸。按这种标准铺设的电缆,虽然按装费低了;但是在长期使用过程中,电阻能耗却比较大。"最佳电缆截面"标准,则兼顾一次按装费用和电能消耗这两个因素,适当放大电缆尺寸,以达到节能和最佳综合经济效益的目的。按照新的标准,电缆截面往往要比老标准加大一倍以上,可以获得50%左右的节能效果。
我国在过去一段时间内,由于钢供不应求,考虑到铝的比重只有铜的 30%,在希望减轻重量的架空高压输电线路中曾采取以铝代铜的措施。目前从环境保护考虑,空中输电线将转为铺设地下电缆。在这种情况下,铝与铜相比,存在导电性差和电缆尺寸较大的缺点,而相形见绌。
同样的原回,以节能高效的铜绕组变压器,取代!日的铝绕组变压器,也是明智的选择。
※ 电机制造
在电机制造中,广泛使用高导电和高强度的铜合金。主要用铜部位是定子、转子和轴头等。在大型电机中,绕组要用水或氢气冷却,称为双水内冷或氢气冷却电机,这就需要大长度的中空导线。
电机是使用电能的大户,约占全部电能供应的60%。一台电机运转累计电费很高,一般在最初工作5 00小时内就达到电机本易的成本,一年内相当于成本的4~ 16倍,在整个工作寿命期间可以达到成本的200倍。电机效率的少量提高,不但可以节能;而且可以获得显著的经济效益。开发和应用高效电机,是当前世界上的一个热门课题。由于电机内部的能量消耗,主要来源于绕组的电阻损耗;因此,增大铜线截面是发展高效电机的一个关键措施。近年来己率先开发出来的一些高效电机与传统电机相比,铜绕组的使用量增加25~ 100%。目前,美国能源部正在资助一个开发项目,拟采用铸入铜的技术生产电机转子。
※ 通讯电缆
80年代以来,由于光纤电缆载流容量大等优点,在通讯干线上不断取代铜电缆,而迅速推广应用。但是,把电能转化为光能,以及输入用户的线路仍需使用大量的铜。随着通讯事业的发展,人们对通讯的依赖越来越大,对光纤电缆和铜电线的需求都会不断增加。
※ 住宅电气线路
近年来,随着我国人民生活水平提高,家电迅速普及,住宅用电负荷增长很快。如图6.6所示,1987年居民用电量为 269.6亿度( l度=1千瓦·小时),10后年的 1996年猛升到 1131亿度,增加 3.2倍。尽管如此,与发达国家相比仍有很大差距。例如,1995年美国的人均用电量是我国的14.6倍,日本是我国的8.6倍。我国居民用电量今后仍有很大发展。预计从 1996年到2005年,还要增长l.4倍。
目前,我国的住宅电气线路设计容量偏低。以两居室为例,表6.l上对比了北京、香港和日本的建筑电气设计标准。可见,香港和日本在设计中,充分考虑了居民用电增长的需求;我国住宅电气线路设计容量亟待提高。
图6.6我国居民用电量需求及预测
表6.1北京、香港和日本建筑电气设计标准
项目
北京
香港
日本
每户计算负荷(千瓦)
2
11
9
分支线路回路数
3
7
6
总计算负荷电流/开关电流(安)
10/20
60/63
40/50
电源铜质进线截面(毫米)
6
16
14
插座数量
14
19
22
2.电子工业中的应用
电子工业是新兴产业,在它蒸蒸日上的发展过程中,不断开发出钢的新产品和新的应用领域。目前它的应用己从电真空器件和印刷电路,发展到微电子和半导体集成电路中。
※ 电真空器件
电真空器件主要是高频和超高频发射管、波导管、磁控管等,它们需 要高纯度无氧铜和弥散强化无氧铜。
※ 印刷电路
铜印刷电路,是把铜箔作为表面,粘贴在作为支撑的塑料板上;用照相的办法把电路布线图印制在铜版上;通过浸蚀把多余的部分去掉而留下相互连接的电路。然后,在印刷线路板上与外部的连接处冲孔,把分立元件的接头或其它部分的终端插入,焊接在这个口路上,这样一个完整的线路便组装完成了。如果采用浸镀法,所有接头的焊接可以一次完成。这样,对于那些需要精细布置电路的场合,如无线电、电视机,计算机等,采用印刷电路可以节省大量布线和固定回路的劳动;因而得到广泛应用,需要消费大量的铜箔。此外,在电路的连接中还需用各种价格低廉、熔点低、流动性好的铜基钎焊材料。
※ 集成电路
微电子技术的核心是集成电路。集成电路是指以半导体晶体材料为基片(芯片),采用专门的工艺技术将组成电路的元器件和互连线集成在基片内部、表面或基片之上的微小型化电路。这种微电路在结构上比最紧凑的分立元件电路在尺寸和重量上小成千上万倍。它的出现引起了计算机的巨大变革,成为现代信息技术的基础。目前己开发出的超大规模集成电路,在比小姆指甲还小的单个芯片面积上,能做出的晶体管数目,己达十万甚至百万以上。最近,国际著名的计算机公司IBM(国际商业机器公司),己采用钢代替硅芯片中的铝作互连线,取得了突破性进展。这种用铜的新型微芯片,可以获得30%的效能增益,电路的线尺寸可以减小到 0.12微米,可使在单个芯片上集成的晶体管数目达到200万个。这就为古老的金属铜,在半导体集成电路这个最新技术领域中的应用,开创了新局面。
※ 引线框架
为了保护集成电路或混合电路的正常工作,需要对它进行封装;并在封装时,把电路中大量的接头从密封体内引出来。这些引线要求有一定的强度,构成该集成封装电路的支承骨架,称为引线框架。实际生产中,为了高速大批量生产,引线框架通常在一条金属带上按特定的排列方式连续冲压而成。框架材料占集成电路总成本的 1/3~ l/4,而且用量很大;因此,必须要有低的成本。
铜合金价格低廉,有高的强度、导电性和导热性,加工性能、针焊性和耐蚀性优良,通过合金化能在很大范围内控制其性能,能够较好地满足引线框架的性能要求,己成为引线框架的一个重要材料。它是目前钢在微电子器件中用量最多的一种材料。
3.能源及石化工业中的应用
※ 能源工业
火力及原子能发电都要依靠蒸气作功。蒸气的回路如下:
锅炉发生蒸气- 蒸气推动汽轮机作功- 作功后的蒸汽送至冷凝器- 冷却成水- 回到锅炉重新变成蒸汽。
其间主冷凝器由管板和冷凝管组成。由于钢导热性好并能抗水的腐蚀,所以它们均使用锅黄铜、铝黄铜或白铜制造。根据资料介绍,每万千瓦装机容量需要5吨冷凝管。一个60万千瓦的发电厂就需要3 00吨冷凝管材。
太阳能的利用也要使用许多铜管。例如:英国伦敦附近某旅馆的一个游泳池,装备了太阳能加热器,在夏季可以将水温保持在18~24℃。在该太阳能加热器中含有784磅(3 56公斤)铜管。
※ 石化工业
铜和许多铜合金,在水溶液、盐酸等非氧化性酸、有机酸(如:醋酸、柠檬酸、脂肪酸、乳酸、草酸等)、除氨以外的各种碱及非氧化性的有机化合物(如:油类、酚、醇等)中,均有良好的耐蚀性;因而,在石化工业中大量用于制造接触腐蚀性介质的各种容器、管道系统、过滤器、泵和阀门等器件。还利用它的导热性,制造各种蒸发器、热交换器和冷凝器。由于铜的塑性很好,特别适合于制造现代化工工业中结构错综复杂、铜管交叉编制的热交换器。此外在石油精炼工厂中都使用青铜生产工具;原回是冲击时不迸出火花,可以防止火灾发生。
※ 海洋工业
海洋占地球表面面积70%以上,合理地开发利用海洋资源日益受到人们的重视。海水中含确"容易造成腐蚀的氯离子,钢铁、铝、甚至不锈钢等许多工程金属材料均不耐海水腐蚀。此外在这些材料,以及木材、玻璃等非金属材料的表面上还会形成海洋生物污损。铜则一枝独秀,不但耐海水腐蚀;而且溶入水中的铜离子有杀菌作用,可以防止海洋生物污损。因而,铜和铜合金是海洋工业中十分重要的材料,业己在海水淡化工厂、海洋采油采气平台、以及其它海岸和海底设施中广泛应用。例如,海水淡化过程中使用的管路系统、泵和阀门,以及采油采气平台上使用的设备,包括飞溅区和水下用的螺栓、钻孔日,抗生物污损包套、泵阀和管路系统等等。关于铜和铜合金在船舶中的应用情况,将在后节中介绍。
4.交通工业中的应用
※ 船舶
由于良好的耐海水腐蚀性能,许多铜合金,如:铝青铜、锰青铜、铝黄铜、炮铜(锡锌青铜)、白钢以及镍铜合金(蒙乃尔合金)己成为造船的标准材料。一般在军舰和商船的自重中,铜和铜合金占2~3%。
军舰和大部分大型商船的螺旋浆都用铝青铜或黄铜制造。大船的螺旋浆每支重 20~ 25吨。伊丽莎白皇后号和玛丽皇后号航母的螺旋浆每支重达3 5吨。大船沉重的尾轴常用"海军上将"炮铜,舵和螺旋浆的锥形螺栓也用同样材料。引擎和锅炉房内也大量用钢和铜合金。世界上第一艘核动力商船,使用了30 吨白铜冷凝管。近来用铝黄铜管作油罐的大型加热线圈。在10万吨级的船上就有12个这种储油罐,相应的加热系统规模相当大。船上的电气设备也很复杂,发动机、电动机、通讯系统等几乎完全依靠铜和铜合金来工作。大小船只的船舱内经常用钢和铜合金来装饰。甚至木制小船,也最好用钢合金(通常是硅青铜)的螺丝和钉子来固定木结构,这种螺丝可以用滚轧大量生产出来。
为了防止船壳被海生物污损影响航行,过去经常采用包覆铜加以保护;现在,则普遍用刷含铜油漆的办法来解决。
二次世界大战中,为御防德国磁性水雷对舰船的袭击,曾发展了抗磁性水雷装置,在钢船壳周围附一圈铜带,通上电流以中和船的磁场,这样就可以不引爆水雷。从 1944年以后,盟军的所有船只,共计约18,000艘,都装上了这种去磁装置而得到了保护。一些大型主力舰为此需用大量的铜,例如其中一艘用去铜线长 28英里,重约 30吨。
※ 汽车
汽车用铜每辆10~2I公斤,随汽车类型和大小而异,对于小轿车约占自重的6~9% %。铜和铜合金主要用于散热器、制动系统管路、液压装置、齿轮、轴承、刹车摩擦片、配电和电力系统、垫圈以及各种接头、配件和饰件等。其中用钢量比较大的是散热器。现代的管带式散热器,用黄铜带焊接成散热器管子,用薄的铜带折曲成散热片。
近年来为了进一步提高铜散热器的性能,增强它对铝散热器的竞争力,作 了许多改进。在材质方面,向铜中添加微量元素,以达到在不损失导热性的前提下,提高其强度和软化点,从而减薄带材的厚度,节省用钢量;在制造工艺 方面,采用高频或激光焊接铜管,并用钢钎焊代替易受铅污染的软焊组装散热器芯体。这些努力的结果示于表6.2,与钎焊铝散热器相比,在相同的散热条件 下,即在相同的空气和冷却剂的压力降下,新型铜散热器的重量更轻,尺寸显著缩小;再加上钢的耐蚀性好、使用寿命长,铜散热器的优势就更明显。
表6.2汽车用新型铜散热器与铝钎焊散热器的比较(在相同散热条件下?)
散热器芯
铝散热器
铜散热器
头部宽度,毫米
432
395
散热管高度,毫米
550
505
散热片厚度,毫米
0.114
0.038
散热管厚度,毫米
0.381
0.102
冷却液压力降,千帕
4.75
4.75
空气压力降,千帕
0.307
0.307
芯的净重量,公斤
1.67
1.56
芯的湿重量,公斤
2.04
1.89
此外,近年来为了环保,大力推广和发展电动汽车,每辆汽车的用钢量将成倍增加。
※ 铁路
铁路的电气化对铜和铜合金的需要量很大。每公里的架空导线需用2 吨以上的异型铜线。为了提高它的强度,往往加入少量的铜(约1%)或银 (约of%)。此外,列车上的电机、整流器、以及控制、制动、电气和信 号系统等都要依靠铜和铜合金来工作。
※ 飞机
飞机的航行也离不开铜。例如:飞机中的配线、液压、冷却和气动系统需使用铜材,轴承保持器和起落架轴承采用铝青铜管材,导航仪表应用抗磁钢合金,众多仪表中使用破铜弹性元件等等。
5.机械和冶金工业中的应用 ※ 机械工程
几乎在所有的机器中都可以找到铜制品部件。除了电机、电路、油压系统、气压系统和控制系统中大量用钢以外,种类繁多用黄铜和青铜制造的传动件和固定件,如齿轮、蜗轮、蜗杆、联结件、紧固件、扭拧件、螺钉、螺母等,比比皆是。几乎在所有作机械相对运动的部件之间,都要使用减磨铜合金制作的轴承或轴套,特别是万吨级的大型挤压机、锻压机的缸套、滑板几乎都用青铜制成,铸件重量可达数吨。许多弹性元件,几乎都选用硅青铜和锡青铜作为材料。焊接工具、压铸模具等更离不开铜合金,如此等等。
※ 冶金设备
冶金工业是消耗电能的大户,素有"电老虎"之称。在冶金厂的建设中通常必须要有一个依靠铜来进行工作的庞大的输、配电系统和电力运转设备。此外,在火法冶金中,连续铸造技术已占据主导地位,其中的关键部件一结晶器,大都采用铬铜、银铜等高强度和高导热性的铜合金。电冶金中的真空电弧炉和电渣炉水冷坩埚使用钢管材制造,各种感应加热的感应线圈都是用铜管或异型铜管绕制而成,内中通水冷却。
※ 合金添加剂
铜是钢铁和铝等合金中的重要添加元素。少量铜(0.2~0.5%)加入低合金结构用钢中,可以提高钢的强度及耐大气和海洋腐蚀性能。在耐蚀铸铁和不锈钢中加入铜,可以进一步提高它们的耐蚀性。含铜30%左右的高镍合金是著名的高强度耐蚀"蒙乃尔合金",在核工业中广泛使用。
在许多高强度铝合金中都含有铜。通过淬火 一 时效热处理,在合金中析出弥散分布的细小颗粒,而显著提高其强度,称为时效硬化铝合金。其中著名的有杜拉铝或称硬铝,它是一种含铜、锰、镁的铝合金,是制造飞机和火箭的重要结构材料。
6.轻工业中的应用
轻工业产品与人民生活密切相关,品种繁多、五花八门。由于钢具有良好综合性能,到处可以看到它大显身手的踪影。现仅举数例如下:
※ 空调器和冷冻机
空调器和冷冻机的控温作用,主要通过热交换器铜管的蒸发及冷凝作 用来实现。热交换传热管的尺寸和传热性能,在很大程度上决定了整个空调机和制冷装置的效能和小型化。在这些机器上采用的都是高导热性能的异型铜管。利用钢的良好加工性能,最近开发和生产出带有内槽和高翅片的散热管,用于制造空调器、冷冻机、化工及余热口收等装置中的热交换器,可使新型热交换器的总热传导系数提高到用普通管的2~3倍,和用普通低翅片管的 1.2~1.3倍,己在国内使用,可节省 40%的铜,并使热交换器体积缩小 1/3以上。
※ 钟表
目前生产的钟表,计时器和有钟表机构的装置,其中大部分的工作部件都用"钟表黄铜"制造。合金中含1.5-2%的铅,有良好加工性能,适合于大规模生产。例如,齿轮由长的挤压黄铜棒切出,平轮由相应厚度的带材冲出,用黄铜或其它铜合金制作搂刻的钟表面以及螺丝和接头等等。大量便宜的手表用炮铜(锡锌青铜)制造,或镀以镍银(白铜)。一些著名的大钟都用钢和铜合金制作。英国"大笨钟"的时针用的是实心炮铜杆,分针用的是14英尺长的铜管。
一个现代化的钟表厂,以铜合金为主要材料,用压力机和精确的模具加工,每天可以生产一万到三万只钟表,费用很低。
※ 造纸
在当前信息万变的社会里,纸张消费量很大。纸张表面看来简单,但是造纸工艺却很复杂,需要通过许多步骤,应用很多机器,包括冷却器、蒸发器、打浆器、造纸机等等。其中许多部件,如:各种热交换管、辊轮、打击棒、半液体泵和丝网等,大部分都用钢合金制作。
例如,目前采用的长网造纸机,它要将制好的纸浆喷到快速运动的具有细小网孔( 40~60目)的网布上。网布由黄铜和磷青铜丝编织而成,它的宽度很大,一般在20英尺(6米)以上,要求保持完全平直。网布在一系列小的黄铜或铜辊子上运动,当带着喷附其上的纸浆通过时,湿气从下面空吸出去。网子同时振动以使纸浆中的小纤维粘结在一起。大型造纸机的网布尺寸很大,可以达到宽26英尺8英寸( 8. l米)和长100英尺( 3 0. 5米)。湿纸浆不但含水,而且含有造纸过程中使用的化学药剂,腐蚀性很强。为了保证纸张质量,对网布材料要求很严,不但要有高的强度和弹性;而且要抗纸浆腐蚀,铜合金完全可以胜任。
※ 印刷
印刷中用铜版进行照相制版。表面抛光的铜版用感光乳胶敏化后,在它上面照相成像。感光后的铜版需加热使胶硬化。为避免受热软化,铜中往往含有少量的银或砷,以提高软化温度。然后,对版子进行腐蚀,形成分布着凹凸点子图形的印刷表面。
在自动排字机上,要通过黄铜字型块的编排,来制造版型,这是铜在印刷中的另一个重要用途。字型块通常用的是含铅黄铜,有时也用铜或青铜。
※ 酿酒
在世界的啤酒酿造中,铜起重要作用。经常用铜作麦芽桶和发酵罐的内村。在一些著名的啤酒厂中备有十余个容量超过2万加仑的这种大桶。在发酵缸中,为了降温,常用钢管通水冷却。还用钢管通水蒸汽在酿造啤酒时进行加热,以及用钢管输送酒液等。
蒸馏威士忌和其它烈性酒时,通常用钢制蒸馏锅。威士忌麦芽酒需蒸馏两次,要用两个大铜蒸馏锅。
※ 医药
制药工业中,各类蒸、煮、真空装置等都用纯铜制作。在医疗器械中则 广泛使用锌白铜。铜合金还是眼镜架的常用材料等等。
7.建筑和艺术用铜
※ 管道系统
由于钢水管具有美观耐用、安装方便、安全防火、卫生保健等诸多优点,使它与镀锌钢管和塑料管相比存在明显优越的价格性能比。在住宅和公用建筑中,用于供水、供热、供气以及防火喷淋系统,日益受到人们的青睐,成为当前的首选材料。在发达国家中,铜制供水系统己占很大比重。美国纽约号称世界第六高楼的曼哈顿大厦,其中仅供水系统一项,就用去铜管 6万英尺(l公里)。在欧洲,饮水用钢管消耗量很大。英国的饮水用钢管消耗量平均每人每年1.6公斤,日本为0.2公斤。由于镀锌钢管容易锈蚀,许多国家己明令禁用。香港早于1996年 1月起禁止使用,上海也于 1998年5月起实行。我国在房屋建设中推广使用铜管道系统,势在必行。
※ 房屋装修
在欧洲采用钢板制作屋顶和漏檐已有传统。北欧国家中甚至用它作墙面装饰。铜耐大气腐蚀性能很好、经久耐用、可以回收,它有良好的加工性可以方便地制作成复杂的形状,而且它还有美观的色彩;因而很适合于用做房屋装修。它在教堂等古建筑物屋顶上的应用己有悠久历史,至今仍发出诱人的光彩;而且在现代大型建筑甚至公寓和住宅的建设上的应用也越来越多。例如:在伦敦,代表现代英国建筑艺术的"英联邦委员会"大厦,屋顶形状复杂,用钢板建造,重约 25吨;于 1966年开放的水晶宫运动中心,用钢 60吨做成波浪形的屋顶等等。据统计,用做屋顶的铜板,在德国平均每人每年消费0.8公斤,美国为0.2公斤。
此外,屋内的装修,如:门把手、锁、百页、按栏、灯具、墙饰以及厨房次具等等,使用钢制品不但经久耐用,消毒卫生,而且装点出高雅的气息,深受人们喜爱。
※ 塑像和工艺品
世界上没有那一种金属,能够像钢那样广泛应用于制造各种工艺品,从古至今,经久不衰。今天城市建设中,各种纪念物、铸钟、宝鼎、雕像、佛像、仿古制品等等,大量使用铸造铜合金。现代乐器,如长笛使用白钢制成,萨克斯管用的是黄铜材料。各种精美的艺术品,价廉物美的镀金以及仿金、仿银首饰也都需要使用各种成分的铜合金。
1996年建成的香港天坛大佛,使用锡、锌、铅青铜铸造拼接而成,高26米,重206吨。1997年建成的浙江普陀山南海观音大佛,高20米,重 70吨,是世界上第一座使用仿金材料建成的巨型铜像。嗣后在无锡落成了高88米的青铜释迹牟尼佛像。更高的佛像正在我国的海南岛和九华山以及日本印度等地筹建中。
※ 钱币
自从人类祖先使用钱币进行交易以来,就用铜和铜合金来制造钱币,历代相传,沿袭至今。随着现代自动投币电话、乘车和购物等利民活动的发展,造币用钢量有增无减。
在铜币的应用中,除了变化尺寸以外,可以很方便地采用不同合金成分、改变合金色彩来制造和区分不同面值的货币。常用的有含2 5%镍的"银币",含 2 0%锌和 1%锡的黄铜币以及含少量锡(3%)和锌(l.5%)的"铜"币。全世界每年生产铜币要消耗成千上万吨的铜。仅伦敦皇家造币厂一家,每年生产7亿个铜币,约需金属七千吨。
8.高科技上的应用
钢不但在传统工业中有广泛应用,而且在新兴产业以及高科技领域中也发挥着重要作用,举例如下:
※ 中计算机
信息技术是高科技的前导。它依靠的是现代人类智慧的结晶 一 计算机 这个工具,对瞬息万变、浩如烟海的信息进行加工和处理。计算机的心脏由微处理器(包含运算器和控制器)和存储器组成。这些基本部件(硬件)都 是大规模集成电路,在微小的芯片上分布着千万个相互连接的晶体管、电阻。电容等元件,以进行快速的数值运算,逻辑运算和大量的信息储存。这些集 成电路的芯片要通过引线框架和印刷电路组装起来才能进行工作。从前面"电子工业中的应用"一章中可以看到,铜和铜合金不但是引线框架、焊料和印 刷电路版中的重要材料;而且还能够在集成电路的微小元件互连中起重要作用。
※ 超导和低温
一般材料(除半导体以外)的电阻随温度降低而减小,当温度降得很低时,某些材料的电阻会完全消失,这种现象称为超导性。出现超导性的这个最高温度称为该材料的超导临界温度。超导性的发现为电的利用打开了一个新大地。回为电阻为零,只要施加一个很小的电压就可以产生十分巨大(理论上是无限大)的电流,获得巨大的磁场和磁力;或者当电流通过它时,不发生电压的降低和电能的损耗。显然它的实际应用将会引起人类在生产和生活上的变革,很受人们的关注。
但是对通常的金属来说,只有当温度降低到十分接近绝对零度(OK=一 273 °C)时才出现超导性,在工程上很难实现。近年来已开发出一些超导合金,它们的临界温度比纯金属的高,例如,Nb3 Sn合金为18.1K。但是它们的应用一点也离不开铜。首先是这些合金要在超低温下工作,要通过气体的液化来获得低温,例如:液氦、液氢和液氮的液化温度分别为4K(一269℃)、20K(一253℃)和77K(一 196℃)。铜在这样低的温度下仍有良好的韧塑性,是低温工程中不可缺少的结构和管路输送材料。此外,Nb3 Sn、NbTi等超导合金很脆,难以加工成型材,需用钢做包套材料把它们结合起来。目前这些超导材料已用于制作强磁体,在医疗诊断的核磁共振仪以及某些矿山强力磁选机上得到了应用。正在筹划中的,时速超过500公里的磁浮列车,也要依靠这些超导材料磁体把列车悬浮起来,避免轮轨接触的阻力,而实现车厢的高速运行。
最近发现了一些临界温度更高的材料,称为"高温超导材料",它们大多是复合氧化物。较早发现和比较著名的一种是含铅的铜基氧化物( YB2 Cu3 O7),临界温度为90K,可以在液氮温度下工作。目前还没有获得临界温度在室温附近的材料;而且这些材料难于做成大块物体,它们能通过可保持超导性的电流密度也不够高。因此,目前还未能在强电的场合下应用,有待进一步研究开发。
※ 航天技术
火箭、卫星和航天飞机中,除了微电子控制系统和仪器、仪表设备以外,许多关键性的部件也要用到铜和铜合金。例如:火箭发动机的燃烧室和推力室的内村,可以利用钢的优良导热性来进行冷却,以保持温度在允许的范围内。亚里安那5号火箭的燃烧室内村,用的是铜一银一结合金,在这个村简内加工出360个冷却通道,火箭发射时通入液态氢进行冷却。
此外,铜合金也是卫星结构中承载构件用的标准材料。卫星上的太阳翼板通常是由铜与其它几个元素的合金制成的。
※ 高能物理
揭示物质结构之谜是科学家孜孜以求的重大基础课题。对这个问题的认识每深入一步,都会给人类带来重大的影响。当前原子能的利用就是一个例子。近代物理的最新研究业己发现,物质的最小构成单元不是分子和原子而是比它小亿倍的夸克和轻子。现在对这些基本粒子的研究往往要在比原子弹爆炸时的核作用高数百倍的极高反应能下进行,称为高能物理。这样高的能量是通过带电粒子在强磁场内,经过长距离加速,向固定的靶"轰击"而获得(高能加速器),或者两个相反方向加速运动的粒子流互相对撞而获得(对撞机)。为此,需要用钢作绕组构筑出长距离的强磁场通道。此外,在受控热核反应装置中也要有类似的结构。为了降低由于通过大电流的发热温升,这些磁通道由中空的异型铜棒绕成,以便通入介质进行冷却。
例如:著名的欧洲卢瑟福高能物理实验室中的质子同步加速器,它的水冷磁体由中空的铜管统成,共计使用约 300吨的铜挤压材。1984年我国建成的重粒子加速器,用去每根40米长、外矩内圆的管材共46吨。在此以后建成的正负电子对撞机中,应用这类铜管 105吨。在我国研制的受控热核反应装置中,共有16个聚焦线圈。每个线圈用长度55米的铜条绕成。壳体用钢板焊接而成,其上焊有冷却水管。在该装置上共计用钢 50吨。
9.铜化合物的应用
铜的化合物,主要有:硫酸铜(五水、一水和无水)、醋酸铜、氧化铜和氧化亚铜、氯化铜和氯化亚铜、氯氧化铜、硝酸铜、氰化铜、脂肪酸铜、环烷酸铜等,在农牧业、工业和医疗卫生等各个领域都有广泛应用。其中应用最广的是硫酸铜,通常是五水硫酸铜(CuSO4·5H2O),由于呈兰色,俗称兰矾。它往往也是生产其它许多盐类的原料。
人类应用钢化合物的历史可以追溯到五千多年前,墓葬中发现古埃及人己使用硫酸铜做染色时的媒染剂(留色饰染剂),一直沿用至今。根据统计,目前世界上生产硫酸铜的厂子超过一百家,世界年消费量约2 0万吨,估计其中3/4用于农牧业,主要用作杀菌剂。
※ 在农牧业中的应用
钢的化合物是消除病虫害的有效杀菌农药,可以控制所有霉菌或真菌引起的病害。除直接采用硫酸铜泡种子外,在果园和农田中经常使用的是一些铜盐混合液。最重要的有以法国著名葡萄产地命名的波尔多液(石灰硫酸铜液)和伯更狄液(苏打硫酸铜液),还有巴黎绿、菌杀特等。
业己报导,用铜杀菌剂可以防治百余种作物中经常发生的3 00多种病害。这些作物包括:
-葡萄、柑桔、香蕉、苹果、梨、桃等各种多年生的果木;
-咖啡、橡胶、棉花、甜菜等经济作物;
-小麦、大米、玉米、大麦、燕麦等谷物;
-豆类、西红柿、土豆和莴苣等。
· 铜是保持农作物和畜禽健康成长必须的微量营养素。通常,当农田土壤中的有效铜含量低于2ppmm(1ppmm为百分之一)时,农作物就要因缺铜而减产,严重时甚至颗粒不收,或者当牧场土壤中有效铜含量低于5ppmm时,牲畜就要患缺铜症。目前由于集约性的高产作业,在大量使用有化肥中不含铜或含铜量很低,引起土地瘠化,使缺铜日益成为当前世界上日益关注的问题。为了纠正和防止缺铜,要及时用钢盐补充。可以直接加入或者和富含氮和磷的肥料一起加入;可以用来改良土壤长期起作用,或者每年喷洒在作物的幼苗上。对于畜禽,除改善牧场外,可以将铜盐掺入饲料中或采用其它办法直接注入有缺铜症状的牲畜体内。 ·硫酸钢还是猪和鸡的助长剂,可以提高它们的食欲和增进食物的转化。在饲料中拌人0.1%的硫酸铜,能够显著地促进猪和肉鸡的增重。
·铜离子有强烈的消毒灭菌作用,可以防止一些常见牲畜疾病的流行。例如:水中少量铜(不足lppm)就能够消灭水中繁殖的给输、螺和蜗牛等软体动物,这些软体动物是血吸虫的寄主,因而可以防止热带和温带动物中容易出现的肝血吸虫病。还可以用硫酸铜来消毒栏圈,防止牛、羊烂脚,以及猪丹毒和牛痢疾的传播等。
此外,池塘、水田、水渠和河湖中令人讨厌的绿藻污染,可以加入铜盐来消除。 ·铜盐可以作为防霉保鲜剂,应用于谷物、水果和蔬菜的储藏。其中一个简便的办法,是用浸过铜盐的纸进行包装。
※ 在工业上的应用
铜化合物在工业上的应用很广,几乎每一行业都或多或少地用到它,下面举一些例子。
·硫酸铜是印染工艺中常用的媒染剂,以提高光泽的持久性和耐洗性,广泛应用于纺织和皮革业.
·铜的化合物有兰、绿、红、黑等彩色,可以用做玻璃、陶瓷、水泥、搪瓷的着色剂。它们也是某些染发剂的组成。在烟火中加入硝酸铜发绿光,等等。
·添加钢化合物的油漆有抗海水生物污损的作用。
·铜的一些有机化合物是有效的防腐剂,用于纸浆、木材、木制品和帆布等织物的防腐。
·铜的某些化合物是橡胶、石油和人造纤维生产过程中的重要化学制剂,起催化、净化等作用。
·硫酸铜电解液,用于镀铜、生产电解铜箔和铜的提纯等。
·在采矿业中,以硫酸铜为活化剂,对铅、锌、铝和金等矿物进行浮选。
※ 个在人体保健上的应用
· 铜是人体健康不可缺少的微量营养素,对于血液、中枢神经和免疫系统,头发、皮肤和骨骼组织以及脑子和肝、心等内脏的发育和功能有重要影响。铜主要从日常饮食中摄入。世界卫生组织建议,为了维持健康,成人每公斤体重每天应摄入0.03毫克铜。孕妇和婴幼儿应加倍。缺铜会弓I起各种疾病,可以服用含铜补剂和药丸来加以补充。
· 铜离子可以消毒杀菌、卫生防疫。例如:可以杀灭易于在水中滋生的大肠杆菌和痢疾等病菌,清除水中传播血吸虫病的蛞蝓和螺等软体动物,以及传播疟疾的蚊子幼虫等疾病携带体。它还可以应用在游泳池内,防止绿藻污染和通过地板传染足癣等等。
· 铜的化合物可以治疗某些疾病。己知佩带刺环可以治疗关节炎。在一些西方国家很早就用硫酸盐来医治肺病和精神失常;在一些非洲和亚洲国家则用来治疗溃疡和皮肤病。含铜药品目前正在不断开发中。
铜的基本情况 1、 铜的自然属性
铜是人类最早发现的古老金属之一,早在三千多年前人类就开始使用铜。自然界中的铜分为自然铜、氧化铜矿和硫化铜矿。自然铜及氧化铜的储量少,现在世界上80%以上的铜是从硫化铜矿精炼出来的,这种矿石含铜量极低,一般在2 --3%左右。金属铜,元素符号Cu,原子量63.54,比重8.92,熔点1083Co。纯铜呈浅玫瑰色或淡红色。铜具有许多可贵的物理化学特性,例如其热导率和电导率都很高,化学稳定性强,抗张强度大,易熔接,具抗蚀性、可塑性、延展性。纯铜可拉成很细的铜丝,制成很薄的铜箔。能与锌、锡、铅、锰、钴、镍、铝、铁等金属形成合金,形成的合金主要分成三类:黄铜是铜锌合金,青铜是铜锡合金,白铜是铜钴镍合金。
铜冶金技术的发展经历了漫长的过程,但至今铜的冶炼仍以火法冶炼为主,其产量约占世界铜总产量的85%,现代湿法冶炼的技术正在逐步推广,预计本世纪末可达总产量的20%,湿法冶炼的推出使铜的冶炼成本大大降低。
2、铜的主要用途
铜是与人类关系非常密切的有色金属,被广泛地应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域,在我国有色金属材料的消费中仅次于铝。
铜在电气、电子工业中应用最广、用量最大,占总消费量一半以上。用于各种电缆和导线,电机和变压器的绕阻,开关以及印刷线路板等。
在机械和运输车辆制造中,用于制造工业阀门和配件、仪表、滑动轴承、模具、热交换器和泵等。
在化学工业中广泛应用于制造真空器、蒸馏锅、酿造锅等。
在国防工业中用以制造子弹、炮弹、枪炮零件等,每生产100万发子弹,需用铜13--14吨。
在建筑工业中,用做各种管道、管道配件、装饰器件等。
以下是各行业铜消费占铜总消费量的比例: 行业 铜消费量占总消费量的比例
电子(包括通讯) 48%
建筑 24%
一般工程 12%
交通 7%
其他 9%
3、 铜的生产和消费
世界铜矿资源主要分布在北美、拉丁美洲和中非三地,全世界已探明的储量共3.5亿万吨,其中智利占24%,美国占16.9%,独联体占10.15%,扎伊尔占7.39%,赞比亚占4.55%,秘鲁占3.41%,美洲占了世界储量的60%。
98年全世界年产铜约1360万吨,各主要生产国的产量分别为:美国245万吨,智利233万吨,日本128万吨,中国111万吨,德国69.5万吨,俄罗斯64万吨,加拿大56万吨。
世界铜的消费主要集中在发达工业国,根据97年的消费量,美国是世界上最大的铜消费国,一年消费277万吨,约占世界消费总量的1/5,其次是日本144万吨,德国105万吨,韩国62万吨,法国58万吨,意大利53万吨,英国41万吨。我国是铜的第四大消费国,97年消费102万吨。
我国铜生产地集中在华东地区,该地区铜生产量占全国总产量的51.84%,其中安徽、江西两省产量约占30%。铜的主要消费地则在华东和华南地区,二者消费量约占全国消费总量70%。
4、 铜适合作为期货交易品种的特征
1) 铜是重要的工业生产原料,属世界性大宗商品,用途广泛;
2) 铜易储存、易运输、不易变质,能满足期货交割的基本要求;
3) 铜规格等级易于划分,质量标准、包装标准易于统一,即易于制定标准化合约;
4) 铜市场价格波动大,铜的生产商、消费商、交易商等需要一个回避价格风险的场所。
铜作为一个期货交易品种由来已久,目前国外从事铜期货交易的主要有伦敦金属交易所(LME)和纽约商业交易所-商品纽约商品交易所(NYMEX--COMEX)。
国内上市铜期货合约的权威交易所是原上海金属交易所,成立于1992年5月28日,99年与上海商品交易所、上海粮油交易所合并为现在的上海期货交易所。上海金属交易所92年--98年
共成交 手,合 亿元。
5、标准合约
6、注册牌号清单及升贴水标准
7、指定交割仓库
8、指定质检机构
上海商检局化矿金属检验所、中国有色金属工业华东质检中心和中国有色金属工业 华南质检中心。
铜可以杀灭0157大肠杆菌 一项最新的研究表明导致疾病的0157大肠杆菌与铜的表面接触时,数小时内即被杀死。该项研究是由国际铜业协会委托设在英国威尔特郡 (Wiltshire,U.K.)的应用微生物学研究中心(CAMR)完成的。这种病菌可引起溶血性结肠炎,严重的肾病,如溶血性尿毒症及死亡。国际铜业协会负责健康和环境研究的副总裁克里斯托弗·李(Christopher Lee)博士称,这些发现是令人振奋的,因为它意味着可以用一种方便而有效的方法在世界上抑制这类通过食品和水来传播的疾病的发生,成千上万的细菌性胃肠疾病及其导致的死亡将可以得到避免。该项研究还对比了这种病菌在铜、不锈钢及塑料管材表面生物膜的存活率。当铜表面接种0157大肠杆菌时可以发现其迅速死亡,室温在摄氏20度时4小时之内;在摄氏4度时14小时之内全部死亡。相反,在不锈钢材料上,在上述两种温度条件下可存活数月。研究还发现,除了可以减少0157大肠杆菌的危险外,在家庭及公共建筑中增加铜管的使用还可有助于减轻突发水生病原体的传播,如岛型结核分枝杆菌及幽门螺旋菌,现已确认这些病菌是导致发病率及死亡率增加的原因。
铜的颜色和铜绿 非发光物体的颜色,是物体反射光在正常人眼里引起的色觉。根据色度学原理,颜色是由红、绿、兰三种原色中两种或三种匹配而成,而白光则由各占三分之一原色光混合而成。物体的颜色与确定的光波长相对应,而物体反射何种波长的光是由物体结构、相的组成、表面状况所决定。众所周知,铜是少数有颜色的金属之一,纯铜在约700毫微米波长有较高的反射率而呈现橙红。铜极易与其它元素形成合金,不同的合金,不同的元素含量又具有不同的色泽。铜与锌的合金称为黄铜,随着锌含量的增加,黄铜颜色由红变为金黄。铜与铝、锡等元素形成的合金称为青铜,其颜色为黄带绿色泽。铜与镍形成的合金称为白铜,含镍30%的合金是著名的耐蚀白铜,含有锌和镍的锌白铜具有美丽的银白色。各种元素在铜中含量由少变多的时候,其合金颜色沿红黄青白方向变化。铜及合金具有丰富的色泽,铜的化合物也具有不同的颜色。铜具有高的正电位,铜不能置换氢,因此在空气、水溶液、非氧化性酸、有机酸和非氧化性有机化合物介质中均有良好的耐蚀性,特别是在流动的淡水和海水中具有优良的耐蚀性能。铜易被氧化,在室温下铜的氧化能够缓慢的进行,生成氧化亚铜Cu O,呈玫瑰红的颜色。氧化亚铜呈极薄的一层,极其牢固地附着在铜的表面,不易剥离。这层薄膜具有很强的保护作用,破坏后可以迅速再生。这是铜及合金具有优良耐蚀性能的原因之一。当温度高于250 C时,铜迅速被氧化,生成氧化铜CuO,呈黑色,它很容易使用酸洗办法除去。铜制器长期暴露在空气中,由于大气含有CO 、H O、SO 、H S等,铜的氧化物就会变成复盐,主要是碱式碳酸铜CuCO ·Cu(OH) 和碱式硫酸铜 CuSO ·3Cu(OH) 。这两种复盐呈兰绿色。这种薄膜防止金属继续氧化腐蚀,起到良好的保护作用。铜制器长期暴露在大气下,其表面颜色经历了红色 红绿色 棕色兰绿色的变化过程,大约10年之后,其表面就会被众所周知的铜绿所覆盖。铜绿的主要成分为碱式碳酸铜,具有保护作用。这一点不但有金属腐蚀保护理论为依据,也为千百年实践所证明。在出土的大量铜制器中,均为铜绿所覆盖,制器早已锈迹斑斑,有些已经变成氧化物而灰飞烟灭了。因此,室外铜工艺品、铜导线、铜管路、食品储藏装置等往往不需要予以专门的保护。铜绿不但对铜制品具有保护作用,而且具有美丽的颜色。铜绿的形成方法已经成为一种人工的技术。铜及其化合物不象某些其它的金属,如铅和汞那样对人体有毒害作用。铜壶、铜锅和铜制盛水容器等已经用了几千年了。至今尚未发现从事与铜或铜化合物有关工作的人染有与铜有关的职业病。相反,时常可以听说这些人看起来更健康而且不易患感冒和一些其它的疾病。铜不但是动物和植物所必须的微量元素,而且在铜制品表面各种微生物和细菌不易存活。特别是在海洋条件下,海洋生物不能附着。因此,铜对人类,对环境是非常有利的。这种特殊功能已经广泛的被应用。资料表明,用 90-10白铜包覆的船只由于防止海生物生长,船速可以提高,同时可以省去涂层,简化维修工作量,具有十分广阔的发展前景。由于铜及合金具有良好的加工性能,传热性能,再生性,在热交换器,空调器中得到了广泛应用。特别是在建筑行业中,铜水管比镀锌钢管更具有突出的优点。在发达国家和地区,民用建筑,热水容器,自来水管,煤气管,暖气和下水道等广泛使用了铜及其合金。英国每个住宅平均用铜量为100-200公斤。日本学者对水道用铜管进行了长期调查证明:铜水管具有优秀的耐蚀性和无毒性能,在未来的人民生活中极具应用前景。
铜与环境
1、 铜--绿色面孔的红色金属
铜,具有绿色面孔的红色金属,无论是作为具有广泛应用性的材料还是作为对人类自身健康有很大影响的的微量元素,铜都是人类生存不可缺少的。所有生物都需要铜,铜作为地壳中的一种自然元素,已经通过自然界的迁移转化而结合到生物的机体和组织之中。没有铜,地球上的大部分生物将不能生存。
2、 铜--地球中蕴藏丰富的金属
铜是一种在地壳不同深度都能找到的金属。在地表面和岩石层中、在淡水和海水以及在动物体中,都能找到铜。自然界中的铜,多数以化合物即铜矿物存在,铜矿物与其他矿物聚分成铜矿石。1997年,世界上已探明陆地上的铜金属储量约为3.1亿吨,主要分布在南美、北美、东欧、非洲、亚洲及大洋州等。
3、 铜--可以百分之百回收利用的金属
在人类使用铜大约一万年的过程中,一直在利用其可回收的优点。据最新数据,全世界每年所用1500万吨铜中,38%是由用过的铜再生得到的。如果从长寿命的铜产品如电线电缆、屋顶和管道来看,铜可回收利用的价值就更加明显。电线电缆和铜水管一般能持续使用数十年;建筑用铜,如包层和屋顶则可以持续一百多年。铜制汽车散热器是再生铜的另一个主要来源。
尽管铜可以无限地多次使用,但世界对铜的需求不能只靠再生铜来满足,必须不断开采新铜来补充对铜的日益需求。
4、 铜--人类和自然界生物不可缺少的微量元素
铜是人类健康和动植物生长不可缺少的微量元素。据世界卫生组织调查,缺铜是影响世界各地人们健康的一个共同问题。当然,如果铜超量,也会造成危害。调查证实,因铜不足造成的对人体健康的危害要比铜过量严重得多。已经发现,在发达国家人们从食物中摄取的铜量仍不能满足人体的需要,存在缺铜较多的高危人群。
全世界土壤中都有铜,但含量不同。农业用地和家畜养殖用地的许多土壤中铜含量不足,这是困扰农业的一个难题。同人类一样,植物和动物的健康生长和发育也都依赖于吸收足够的铜。铜缺乏一直是全球食物生产中的一个主要问题,导致了农作物和畜产品大量的浪费。全世界两种最重要的食用作物--稻谷和小麦都需要土壤中有充足的铜,其他一些重要食物,如柑橘、燕麦、菠菜、胡萝卜等也都一样。在家畜中,牛和羊一般也表现出缺铜。牛缺铜,出现"眼镜病 ",羊缺铜导致"摇摆"病。为了治愈羊的这种病,世界各地,特别是欧洲、北美和许多热带国家的农业花费了大量资金。对于猪,铜则是其迅速生长的催生剂。
近年,由于在农业上采用先进技术,施加大量的氮、磷等肥料,在产量显著增加的同时,过量地消耗了土壤中的有效铜。如果得不到及时补充,不但使原来的贫铜现象恶化,而且使原来可以充分供应铜的土壤也变成贫铜土壤。改变铜缺乏最有效的措施是进行土壤改良。为此,将含铜充足的污泥加入缺铜的土壤中是最有效的方法。要防止环境污染,对土地进行综合治理是非常必要的。
5、 铜--环境中的浓度处于安全界限之内
我们在长期的生活中会注意到这样一个事实:铜在环境中的浓度一直处于安全界限之内。铜使用从未,也不会造成严重的后果。只要人类在使用铜时,采取精心的管理措施,就会保证铜在环境中的浓度维系在安全界限之内。
长期以来,铜向人类显示了它友善的绿色面孔,人类应最大限度和充分合理地使用铜,使其发挥最大的能量
铜与人体健康 人的健康离不开铜
铜是人体健康不能缺少的为数不多的几种金属元素之一。这些元素和氨基酸、脂肪酸以及维生素都是人体的新陈代谢过程所必须的。值得注意的是,人体本身不能生成铜,因而人类的膳食必须提供足够的铜以保证正常的铜摄入量。
人体内有多少铜?
成年人体内的铜含量大约在每公斤体重1.4-2.1毫克之间。因此,一个60公斤体重的健康人的体内应含有0.1 克左右的铜。这一数量虽小,但它对于维持人体的健康却是至关重要和不可缺少的。
铜在人体内的功能是什么?
人体内的铜与某些蛋白质结合生成酶,这些酶作为催化剂帮助实现一系列的人体功能。有的酶提供体内生化反应所需要的能量,有的酶则参与皮肤色素的生成转换。另外的酶能帮助形成胶原蛋白和弹性蛋白之间的交联,从而保持或修补细胞组织间的联接。这一点对于心脏和动脉血管来说尤为重要。研究结果认为,缺铜是导致引发冠状动脉心脏病的一个重要因素。
我们获得足够的铜了吗?
直至不久以前,普遍的看法仍然是绝大多数人能够获得适量的铜。但是,最新的研究表明实际的情况并非这样。例如,曾在英国和美国对许多典型的餐饮食谱的金属含量进行了分析。根据调查研究的结果,只有25%的美国居民日常摄入的铜量达到了美国国家科学院食品和营养委员会认为合适的水平。典型的美国日常食谱往往只能提供这一水平的一半,而许多工业化国家的餐饮食谱仅及这一推荐标准的40%。在英国,现行的铜摄入量推荐值为0.4毫克/ 日(1-3岁的婴幼儿)到1.2毫克/日(成年人)。此外,最新的研究还认为含铜量小于1毫克/日的配餐营养结构对成年人是不适宜的。
人体内铜过多好吗?
世界卫生组织(WHO)和粮农管理委员会倾向的推荐标准为成年男子的平均铜摄入量不超过12毫克/日,成年女子的平均铜摄入量不超过10毫克/日。这一标准的提出是基于对一个特定人口群中的一组人员的研究。上述数值被认为是适合于所有人员的摄入量,生化数据表明人群的反应最轻微。印度儿童慢性肝间质炎病患者或某些遗传疾病如威尔森氏病患者体内的铜保留量过多是由于肝功能损坏导致的,常常会产生致命的后果。急性铜中毒的症状表现为恶心、呕吐、腹部和肌肉疼痛。体内过量的铜可以采用特制的蛰合剂或者服用大剂量的锌予以排除。
哪些食品含有较多的铜?
许多食品含有丰富的铜。这些食品包括果核(特别是巴西果和腰果)、种子(特别是葵花籽)、鹰嘴豆、肝脏以及牡蛎等。普通食品如麦片、肉类和鱼类一般都含有铜。只要膳食营养均衡即可提供人们日常所需铜摄入量的50%。对于英国居民来说,他们还从饮水中得到铜的补充,这是由于饮水管为铜管而微量的铜直接进入水中的缘故。不过,对于多数地区而言,饮水中的铜含量还不足以充分提供人体日常所需铜的摄入量。还要特别指出的是,许多饮用水过滤器声称可以滤掉金属元素包括人体不可缺少的基本元素-铜。这并不见得完全是件好事。
铜在医药方面的应用
铜作为一种医药已经有几千年的历史,其应用包括用于医治胸创伤和净化饮水。近些年来的研究指出,铜可以有效地帮助抑制关节炎一类疾病的发炎。用于抗溃疡和消炎的含铜药物的研制正在进行,它们可应用在放射医学以及治疗抽筋和癫痫。目前尚没有充分的流行病学证据说明铜可以预防关节炎,但是许多临床试验证明使用铜镯的确能够缓解关节炎病情。
铜有毒性吗?
如果人不小心喝了硝酸铜或硫酸铜溶液是会中毒的。因此,这些溶液在放置时应该加以注意。除此之外,铜极少会产生麻烦。这些溶液以及铜的有机盐均属于呕吐剂,偶尔误服了大剂量通常会被呕吐出来。人体内铜量过多而引起慢性中毒的病例极少,仅有的几个例子是由于肝部疾病导致的体内铜的保留量过多。健康人的肝脏排泄铜的能量极强,由于这个缘故,目前尚没有关于铜慢性铜中毒的病例报道。
铜与人体健康
铜是人体健康不可缺少的特殊的微量元素之一。为了保证某些正常的人体功能,人们的日常膳食结构必须提供足够的铜。动植物正常发育生长也需要获得一定量的铜,这对于人类通过食物链来获取铜是非常有利的。铜存在于多种食品中,一般说来科学合理的膳食能够提供人们日常所必须的铜而无需要额外的补充。不过应当指出,饮食结构的变化,例如有的人因医疗原因而限制某些食品时,有可能导致铜的摄入量不足。
铜矿的种类及分布 世界铜成矿类型多样, 按其地质--- 工业类型可分为:
(1) 斑岩型,(2)砂页岩型,(3)铜镍硫化物型,(4)黄铁矿型
(5) 铜- 铀- 金型,(6)自然铜型,(7)脉型(8) 碳酸岩型,(9)矽卡岩型
[斑岩型]
班岩型铜矿是一种储量大品位低可用大规模机械化露采的铜矿床矿石储量往往达几亿吨铜品位常常小于1%, 据世界上103 个斑岩型矿床统计单个矿床矿石量平均可达5.5 亿吨, 铜品位0.6%, 它是世界上重要的铜矿工业类型之一。
[分布]
已知的斑岩铜矿多分布在:(1)环太平洋带, 包括南。 北美洲大陆边缘狭长的斑岩铜矿带, 如加拿大的洛涅克斯, 伐利科帕, 美国的宾厄姆, 比尤特, 莫伦锡, 伊利,圣里塔, 墨西哥的卡纳内阿, 拉卡里达德拉, 巴拿马的塞罗科罗拉多, 秘鲁的米契基累, 塞罗佛尔迪. 夸霍内智利的埃尔阿布拉, 丘基卡马塔, 拉埃斯康迪达, 埃尔萨尔瓦多和埃尔特恩特等,(2)特提斯斑岩铜矿带, 包括匈牙利的雷克斯克, 南斯拉夫的麦丹佩克, 伊朗的萨尔切什梅黑和马基斯坦的查盖地区矿床等。(3)中亚----蒙古, 重要的矿床有乌兹别克东部的卡耳马克尔, 哈萨克斯坦巴尔喀什湖以北的科翁腊德, 蒙古中北部的额尔德图间鄂博南部的察干苏布尔加和东部的阿伦诺尔矿床等。[砂页岩型]
砂页岩型铜矿是泛指不同时代沉积岩中的层控铜矿, 矿床产在一套沉积岩或沉积变质岩中, 它是世界上铜矿主要工业类型之一, 占世界铜储量30% 左右, 矿床以其规模大, 品位高, 伴生组分丰富为特点, 因而其经济价值巨大。
[分布]
该类矿床在世界上分布很广, 除上述铜带外, 还有原苏联乌多坎, 杰兹卡兹甘铜矿, 美国怀特潘, 美国蒙大拿州西部一直延伸到加拿大西南部的贝尔特铜带, 以及玻利维亚的科多铜带等, 近年在阿富汗发现的巨大艾纳克铜矿和在巴西发现的萨洛博铜矿均属于此型。
[黄铁矿型铜矿]
黄铁矿型铜矿是指与海底火山作用有一定联系的含大量黄铁矿和一定数量铜、 铅、锌的矿床, 西方多称该类矿床为" 块状硫化物矿床".
目前世界上至少发现了420 个这种类型的矿床、 加拿大、 美国、 原苏联、 西班牙、葡萄牙、 塞浦路斯、 南非和日本等都是该类矿床的重要产地。
[块状硫化物矿]
这种现代矿床是1978年在北纬21度附近的东太平洋脊上首次发现的, 虽然铜锌品位很高( 铜6%, 锌29%), 但脊上发现了一个长970 米, 宽200 米, 高35米, 拥有2500万吨矿量的多金属块状硫化物矿床, 第一次达到了具工业矿床的要求, 其矿石含铜最高为11%,含锌0.8%, 还含少量的银(PPM),钼(0.03%) 和锡(0.03%)。
[分布]
1982美国又继续在北纬13度的海域进行调查, 又发现了好几个矿床, 最近在加拿大温哥华岛附近海域的埃克斯普劳勒中脊1%, 但在原苏联这种类型却是头等重要的, 占其铜总储量的30.6%,这种类型的重要矿床有: 加拿大的萨德伯里, 汤普逊, 林累克. 美国德卢斯杂岩, 原苏联的贝辰加, 诺里尔斯克, 塔尔纳赫,"十月",澳大利亚的卡姆巴尔德杂岩, 芬兰的哥达拉赫带, 当然还有我国金川白家咀子的特大型。
[其它类型]
除上述几类外, 还有脉型、 自然铜型, 碳酸岩型矽卡岩型等, 它们总共才占世界铜总储量的3.6%, 但是对不同的国家来说, 这些类型也许是重要的, 如矽卡岩型对我国来说就是一个非常重要的工业类型, 占我国铜总储量的28%,所以, 各国均应根据本国的具体地质环境, 寻找最具经济价值的优质矿床, 也就是品位高, 规模大, 形状合适, 矿带边界明显。 矿石易处理和含有价值的副产品的矿床, 以保证获得高利润和可以长期生产, 这些因素中最生要4 的是要有高品位, 这种高品位铜矿床最可能来源将是火山成因的黄铁矿型铜矿, 层状矿床, 以及某些矽卡岩矿床等。
全球性和区域性的一些铜成矿区带
(1) 环太平洋中新生代铜金带, 尤其是东太平洋智利----秘鲁安第斯山, 美国西南部, 加拿大西南部斑岩铜矿集中区以及西南太平洋地区菲律宾, 印度尼西亚, 巴布亚新几内亚等斑岩铜金矿集中区;
(2) 阿尔卑斯--喜马拉雅中生代斑岩铜矿带, 包括前南斯拉夫, 伊朗, 巴基斯坦和我国西藏等巨大的斑岩铜矿集中区;
(3) 中亚----蒙古带的古生代斑岩铜矿带, 包括乌兹别克. 哈萨克斯坦, 蒙古和我国华北. 东北等巨大铜矿集中区;
(4) 中非赞比亚, 扎伊尔砂页岩型铜矿带;
(5) 美国----加拿大五湖地区;
(6) 加拿大黄铁矿型铜矿集中区;
(7) 中欧波兰----德国页岩铜矿区;
(8) 西班牙--- 葡萄牙黄铁矿型铜矿带;
(9) 俄罗斯西伯利亚铜镍硫化物矿区;
(10)俄罗斯西伯利亚乌多坎砂页岩铜矿区;
(11)俄罗斯乌拉尔和哈萨克斯坦阿尔泰黄铁矿铜多金属矿带;
(12)印度马兰杰坎德铜矿区;
(13)阿富汗艾纳克砂页岩型铜矿区;
(14)南澳奥林区克坝铜--铀--金矿区
(15)巴西卡腊贾斯萨洛博砂页岩型铜矿区等
湿法炼铜给铜工业带来的影响
(1) 可以处理低品位铜矿,美国采用堆浸处理的铜矿石品位甚至低到0.04%。过去认为无法处理的表外矿、废石、尾矿等均可作为铜资源被重新利用,因此大大扩大 了铜资源的利用范围; (2) 湿法炼铜由于工艺过程简单,能耗低,因此生产成本低。1997年西方SX-EW 铜平均的生产成本为43美分/ 磅,这包括8 美分/ 磅采矿费、15美分/ 磅浸出费用、1 8 美分/ 磅的SX-EW费用、2 美分/ 磅的管理费用。而1997年西方火法铜的平均生产成本为70美分/ 磅; (3) 投资费用低、建设周期短。国外大型的湿法炼铜厂的单位投资费用为2300$/t Cu,而火法铜的单位投资费用超过4500$/tCu。中国湿法炼铜厂由于设备简陋,单位 投资费用只有1 ~1.2 万元/t; (4) 没有环境污染问题。湿法炼铜工艺没有SO2 烟气排放,硫化矿加压浸出时硫 可以S 。的形式产出,避免了硫酸过剩问题。特别是地下溶浸技术不需要把矿石开采 出来,不破坏植被和生态,从根本上改善了采矿工人的劳动条件; (5)阴极铜产品质 量高。由于溶剂萃取技术对铜的选择性很好,因此铜电解液纯度很高,产出的阴极铜质量可以达到99.999%,再加上采用了Pb-Ca-Sn合金阳极以及在电解液中加Co2+等措施,有效地防止了铅阳极的腐蚀,保证了阴极产品的质量; (6)生产规模可大可小, 这尤其适合于中国企业的特点。正因为湿法炼铜有这样一些显著的优点才使其得以迅速的发展,当1997年下半年到1998年由于亚州金融危机而引发了有色金属价格急剧下滑,铜价持续走低,西方一些铜公司关闭了他们成本较高的火法炼铜厂,但在此期间世界湿法炼铜产量仍然强劲 地增长著,由此可以说明湿法炼铜技术的生命力。过去认为浸出-萃取-电积工艺 只适于处理那些废石、氧化矿、低品位矿,即只适于处理那些火法冶金不好处理或不经济的矿石,但近几年由于生物技术、加压浸出技术的发展和工业化已经改变了人们这种认识,采用生物堆浸完全可以处理高品位的次生硫化矿,而且达到了很大的生产规模,已成为一种很成熟的生产方法。采用加压浸出技术处理高品位的次生硫化矿也 已实现了工业化,并且达到了5 万t/aA级铜的生产规模,操作成本只有35美分/ 磅。 可以看到近年来湿法炼铜的主攻方向已经从氧化矿和废石转向了硫化矿,甚至把以黄铜矿为主要成份的铜精矿作为了挑战的目标。相信在不久的将来人们可以实现采用湿 法冶金技术处理任何铜矿,而且在投资和成本上能与火法冶金展开竞争。
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