塑料材料CMF的最全面认识

新闻资讯发布于:2019-08-27作者:工业设计公司

设计基础材料——塑料


“材料的美感分为三类:原始状态的美;再次创造的美;再次组合的美。材料本身是没有感情色彩的。它的原始色彩,给予人感情的导视。材料本身只有功能性。”


塑料概述


塑料是指具有塑性行为的材料,所谓塑性是指受外力作用时,发生形变,外力取消后,仍能保持受力时的状态。塑料通常由树脂和辅助添加剂组成,树脂约占塑料总重量的40%~100%。
塑料的基本性能主要决定于树脂的本性,名称也多由其原料树脂的名称来命名。但添加剂也起着改变性能缺陷的重要作用。
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塑料设计效果案例


塑料是现代材料的代表,优势与劣势一样鲜明,但随着科技的进步,塑料的性能越来越易于调控,在几乎所有行业中,塑料的应用越发广泛,“以塑代钢”、“以塑代木”的趋势也提醒着设计师们塑料这种材料的地位。塑料的种类繁多,本文并不能一一盘点,但全面的对基础材料、基础工艺的总结盘点,也可以提高设计师对产品可制造性的把控。



1

塑料性能-种类推荐表


设计师在使用材料的时候,第一位应当考虑材料的性能是否符合要求,而不是从视觉出发。如何使材料的性能与美感配合服务于产品,正是CMF设计的关键所在。



DESIGN HANDBOOK

塑料选用参考手册

性能

推荐意见

耐腐蚀性高

尼龙

成本与质量比低

脲醛、酚醛、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、PVC

抗压强度

聚对苯二甲酰胺、玻纤增强酚醛、环氧、三聚氰胺、尼龙、玻纤增强热塑性聚酯、聚酰亚胺

成本与体积比低

PE、PP、脲醛、酚醛、PS、PVC

介电常数高

酚醛、PVC、氟塑料、三聚氰胺、烯丙基塑料、尼龙、聚对苯二甲酰胺、环氧

介电强度高

PVC、氟塑料、PP、聚苯醚、酚醛、热塑性聚酯、玻纤增强尼龙、聚烯烃、PE

损耗因数高

PVC、氟塑料、酚醛、热塑性聚酯、尼龙、环氧、对苯二甲酸烯丙酯、聚氨酯

承载耐变形能力好

热固性层压制品

弹性模量高

三聚氰胺、脲醛、酚醛

弹性模量低

PE、PC、氟塑料

电阻性高

PS、氟塑料、PP

断裂伸长率高

PE、PP、有机硅、己烯醋酸乙酯

断裂伸长度低

PES、玻纤增强PC、玻纤增强PP、热塑性聚酯、聚醚酰亚胺、乙烯酯、聚醚醚酮、环氧、聚酰亚胺

弯曲模量

(刚性)

PPS、环氧、玻纤增强酚醛、玻纤增强尼龙、聚酰亚胺、对苯二甲酸二烯丙酯、聚对苯二甲酰胺、热塑性聚酯

弯曲屈服强度

玻纤增强聚氨酯、环氧、碳纤维增强尼龙、玻纤增强PPS、聚对苯二甲酰胺、PEEK、碳纤维增强PC等

低摩擦系数

氟塑料、尼龙、聚甲醛

高硬度

三聚氰胺、玻纤或纤维素增强酚醛、聚酰亚胺、环氧

高冲击强度

酚醛、环氧、PC、ABS

高耐湿性

PE、PP、氟塑料、PPS、聚烯烃、热塑性聚酯、聚苯醚、PS、PC、(玻纤或碳纤维增强PC)

软化性

PE、有机硅、PVC、热塑性弹性体、聚氨酯、乙烯醋酸酯

高断裂抗拉强度

环氧、玻纤或碳纤维增强尼龙、聚氨酯、玻纤增强热塑性聚酯、聚对苯二甲酰胺、PEEK、碳纤维增强PC、PEI、PES

高拉伸屈服强度

玻纤或碳纤维增强尼龙、聚氨酯、玻纤增强热塑性聚酯、PEEK、PEI、聚对苯二甲酰胺、玻纤或碳纤维增强PPS

低热导率

PP、PVC、ABS、PPO、聚丁烯、丙烯酸、PC、热塑性聚酯、尼龙

低膨胀系数

碳纤维或玻纤增强PC、玻纤增强酚醛、碳纤维或玻纤增强尼龙、玻纤增强热塑性聚酯、玻纤或碳纤维增强PPS、PEI、PEEK、聚对苯二甲酰胺、烯丙基塑料、三聚氰胺

永久性高透明度

丙烯酸、PC

摘自机械工业出版社2003.10《产品设计材料手册》

METHOD

塑 料 选 材


正常情况下,产品开发选定材料的过程可分为如下几步:

一,定义产品的关键要求即CTQ,比如:V0阻燃,长期使用温度高于80度,拉伸模量大于10Gpa……要求要具体,最好有详细的数据定义。

二,根据CTQ初步筛选材质种类,比如:尼龙66,玻纤增强PC,POM等,这时候不仅要看材料生产商出具的产品手册更应该查看知料应用案例。参考其他厂家类似产品选择材料的要求及原因可以减少项目在这一步的试错成本,缩短项目开发周期。

三,根据上一步确定的材质种类选定具体的材料规格,选定规格时不仅要参考知料应用案例还要看知料物性表里的参考价格提前了解原材料的成本和采购渠道。

四,选定具体的材料规格后在开模具前还需要进行可行性的分析。对比较复杂的结构部件进行模流分析优化模具设计,甚至有些产品还需要做3D打印的模型进行更多的验证。


(搬运自网络)






2

用途分类


通常,塑料可分为加热熔化的热塑性塑料和加热不熔化的热固性材料。但在设计上更有意义的是通过用途将其分类为通用塑料、工程塑料和特种塑料。


通用塑料


通用塑料在日常生活中是最常见的。

通用塑料是指生产量大、货源广、价格低、适用于大量应用的塑料,包含聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚合物(ABS)。通用塑料通常具有良好的成型工艺性,可选用多种成型工艺制成用途多样的产品,包括塑料袋、保鲜膜、饭盒、家具、电器等。


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家电中不同种类塑料的应用


聚乙烯(PE)是五大通用塑料消费量第一的产品,挤出成型工艺制成的管材与压延成型工艺制成的薄膜类产品消费量占比最高,另有吹塑成型工艺制成的中空类产品包括瓶、罐、桶等;注射成型工艺根据模具形状可制成更多形态的桶、盆、日用小器具;高密度聚乙烯还可以作为高频的电绝缘性材料,应用于雷达和电视。

PE塑料具有无臭,无毒,手感似蜡,具有耐低温性能(最低使用温度可达-100~-70°C),化学稳定性好,能耐大多数酸碱的侵蚀(不耐具有氧化性质的酸)、常温下不溶于一般溶剂,吸水性小,电绝缘性优良等特性。不染色时,低密度聚乙烯透明,而高密度聚乙烯不透明。


聚丙烯(PP)是由丙烯聚合而制得的一种热塑性树脂。聚丙烯是无毒、无臭、无味的乳白色高结晶的聚合物,且是目前所有塑料中最轻的品种之一。PP水稳定性好、化学成分稳定防腐蚀效果良好,还具有良好的耐热性。虽然聚丙烯成型性好,但因收缩率大(为1%~2.5%),厚壁制品易凹陷,对一些尺寸精度较高零件,很难于达到要求,但制品表面光泽好

聚丙烯常被应用于一次性餐具的制作,且易于回收,但应当注意的是回收后的塑料制品不可再应用于餐具的制作。同时由于PP塑料耐高温的特性,可应用于需要微波加热的塑料制品,同样常用于一次性餐盒的PS材料则多应用于冷饮包装方向。


聚氯乙烯(PVC)塑料在全球的合成材料中用量在位列第二。PVC塑料不易燃强度高硬度高耐摩擦,具有优良的几何稳定性,但不耐高温,在高温中易软化。

在色彩方面PVC本身是微黄色半透明有光泽的质感,但成品稳定性较差,长时间使用会发黄,且在曲折处会出现白化现象。

聚氯乙烯一般应用于保鲜膜、塑料鞋及革制品、薄膜、电缆、塑料袋。


聚苯乙烯(PS)是指由苯乙烯单体经自由基加聚反应合成的聚合物,它是一种无色透明的热塑性塑料,具有高于100℃的玻璃转化温度,因此经常被用来制作各种需要承受开水的温度的一次性容器,以及一次性泡沫饭盒。此外聚苯乙烯还被应用于梳子、盒子、圆珠笔杆、儿童玩具、塑料购物袋等。


ABS即丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物,ABS是一种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑型高分子材料结构,其综合性能良好,化学稳定性好,电性能良好,有高抗冲、高耐热、阻燃、增强、透明的特性,同时ABS塑料具有很好的成型性,加工出的产品表面光洁,表面可做电镀、喷漆处理

由于ABS塑料的优良性能常被应用于汽车、电子电器、办公设备、通讯设备等对强度硬度有所要求的结构件上,且常被应用作3D打印材料,属于3D打印材料中最稳定的一种。


总结:塑料原料种类繁多,应用环境也千差万别,在具体的工作中如何选材,总结来说,就是反复类比的过程,需要依次考虑到产品使用环境、性能特征、安全性能、外观以及成本等因素


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