1、 设计师锦囊系列 塑料之美造型结构质感 陈 根 编著 张能武 主编 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 设计师通过对塑料材料的运用、设计，制造出了满足现代生活需要的各类产品。掌握塑料的特性及其应用与成型工艺，是设计师成功设计的基础。本书以塑料产品的必备知识为主线，侧重于向读者介绍关于塑料材料在设计中的应用，通俗、形象地向读者阐述了塑料材料的特性、应用领域、成型工艺、结构设计、表面处理工艺、塑料成型缺陷处理等问题。本书可作为高校工业设计专业师生的教材和教学参考书，也可作为从事工业设计、产品与产品结构设计的技术人员的
2、培训教材和参考书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 塑料之美：造型结构质感陈根编著.北京：电子工业出版社，2010.10 ISBN 978-7-121-12032-9 塑 陈 塑料应用工业设计 TB47TQ32 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2010）第 202626 号 责任编辑：朱清江 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871092 1/16 印张：155 字数：350 千字 印 次：2010 年 10 月第 1 次印刷 定 价：36.00 元
3、凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。鸣 谢 感谢我的老师 国家发改委宏观经济研究院原副院长 专家、教授、博士生导师 刘福垣 感谢我的老师 英国剑桥大学商学院副院长 Lawrence S.Abeln 感谢我的老师 中国社会科学院专家、教授、博士生导师 李海舰 感谢我的老师 中国工程院院士、教授、博士生导师 李京文 感谢华东理工大学 程建新院长的支持与关怀 感谢广州大学 汤重熹院长的支持与关怀 感谢江南大学 李世国院长
4、的支持与关怀 感谢东南大学 崔天剑院长的支持与关怀 感谢南京理工大学 李亚军院长的支持与关怀 感谢周长跃、南君美、卢德建等人的支持与关怀 前 言 塑料，这是个大家都不陌生的名词，塑料制品每天都在影响着我们的生活。自1907 年以煤焦油为原料的酚醛塑料问世以来，塑料在经历了百余年发展之后，达到了今天无处不在的普及程度，塑料与我们的生活紧密地联系在一起。在 21 世纪的今天，我们还在不断地进行塑料材料的创新和发展，这主要得益于塑料材料本身所具备的轻质、高强、价廉、可塑和再利用等诸多优点。在国民经济中，塑料与钢铁、木材、水泥一起并称为四大基础材料，被认为是推动社会生产力发展的新型材料，在很多领域成功
5、取代了金属、玻璃和木料。塑料将会成为 21 世纪应用最为广泛的材料，是未来设计师们产品设计的首选材料。对于追求个性消费的时代，塑料材料的可塑性强、成型形式多样，成为满足不同消费需求的表现工具。材料的发展与创新，影响与改变着我们的生活，设计师们所设计的民用产品中，80%都与塑料有着密切的关系。对于设计师而言，掌握塑料材料的属性、加工工艺、成型技术、结构技术、缺陷解决方法，是成功设计的 基础。本书共分为 8 章。第 1 章重点介绍了关于塑料材料的历史与现状；第 2 章重点介绍了塑料材料的应用领域；第 3 章重点介绍了设计师们最常用的 20 种塑料材料及其特性；第 4 章重点介绍了塑料材料的现代成型
6、技术与工艺；第 5 章重点介绍了塑料产品设计中所存在的结构设计问题，以及结构设计后的优化设计方法；第 6 章重点介绍了塑料材料的表面处理工艺，以及现代表面处理技术在产品中的应用；第7 章重点介绍了塑料注塑成型中常见的缺陷及其原因与解决方式；第 8 章重点介绍了热塑性塑料材料的焊接工艺及其成型特性。本书的附录部分，介绍了塑料产品设计常用表（塑料产品设计公差数值表、常用塑料材料用途查询表、常用塑料材料的成型参考温度、常用塑料材料最佳成型温度）和塑料产品结构设计的禁用材质等设计师们常用的基础工具和知识。本书以理论与实践相结合的方式提高设计师的设计能力、技术与知识水平，这对于读者从理论设计转换为职业设
7、计师有着深远的帮助，同时对于职业设计师以及工程师们也有着极高的指导意义。由于自身知识与写作时间所限，书中难免有疏漏之处，敬请广大学者、专家、读者斧正，交流邮箱 。陈 根 目 录第 1 章 塑料材料的历史与现状.1 1.1 塑料材料的历史.2 1.2 塑料材料的现状.10 第 2 章 塑料材料的应用领域.14 2.1 包装材料.15 2.2 建筑材料.16 2.3 家用电器.17 2.4 信息技术及仪器仪表.18 2.5 汽车工业.19 2.6 医疗设备.20 第 3 章 塑料产品设计的材料选择与常用材料特性.22 3.1 塑料产品设计的材料选择.23 3.2 塑料产品设计常用材料特性.28 第
8、 4 章 塑料成型技术与工艺.43 4.1 塑料成型常见种类.46 4.2 普通注塑成型.48 4.3 双色注塑成型.62 4.4 透明注塑成型.65 4.5 注塑成型新工艺.70 第 5 章 塑料产品结构设计与优化.79 5.1 结构优化实例分析.80 5.2 塑料产品结构优化.133 第 6 章 现代塑料表面处理工艺.145 6.1 印刷.146 6.2 喷涂.165 6.3 电镀.175 6.4 表面处理工艺在产品设计中的应用实例.188 第 7 章 注塑成型缺陷原因与对策.192 7.1 充填不足.193 7.2 溢料飞边.194 7.3 缩水.195 7.4 流痕.196 7.5 喷
9、痕.197 II 塑料 之美造型结构质感 设计师锦囊系列 7.6 银条.198 7.7 表面模糊状.199 7.8 熔接痕.200 7.9 气泡.201 7.10 黑条与烧焦.202 7.11 裂痕与破裂.203 7.12 翘曲变形.204 7.13 顶白.205 7.14 颤纹.206 7.15 表面剥离.206 第 8 章 热塑性材料的焊接.208 附录 A 塑料产品设计常用表.222 附录 B 塑料产品结构设计的禁用材质.228 第 1 章 塑料材料的历史与现状 2 塑料 之美造型结构质感 设计师锦囊系列 1.1 塑料材料的历史 塑料，这是个大家都不陌生的名词，塑料制品每天都在影响着我们
10、的生活。在国民经济中与钢铁、木材、水泥一起并称为四大基础材料，被认为是推动社会生产力发展的新型材料。从儿童玩具到各类仪器容器，从计算机外壳到汽车部件，塑料制品在我们的生活中随处可见。我们所涉及的民用产品中 80%都跟塑料有着密切的关系，但是就是每天在生活中面对与应用的塑料也许很少有人知道，究竟什么样的材料才叫塑料？塑料涵盖着哪些品种？塑料最早是什么时候由谁发明的？塑料工业是怎么发展到今天这种繁荣景象的？这就是整个塑料的发展历史。塑料的英文名称“plastic”来自希腊语“plastikos”，意思是“成型”，“可成型”或者“具有可塑性”，作为形容词经常被使用，就产生了“塑料”一词。“塑”的汉字
11、本义是指“用泥土捏成人物形象”，“塑性”引申为“能自由成型”之意，“塑料”也就是具有可塑性的材料。从字面上理解，塑料指所有可以塑造的材料。但我们所论述的塑料，单指人工合成的塑料（又称合成树脂），是用人工方法合成的高分子物质。1926 年 3 月，美国塑料杂志对塑料所做的定义为“一种能塑造成各种形状的材料，不像非塑性物质那样需要切凿”。比较严格意义上的定义，塑料一般指以树脂为主要成分，加入（或不加）增塑剂、填充剂、润滑剂，着色剂等添加剂，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有机高分子材料。其中树脂是指加工成塑料制品前的有机聚合物（通常是指人工合成的高分子），在常温下为固体
12、或液体。树脂约占塑料总质量的 40100，其本性决定了塑料的基本性能，通过添加剂可以调整其性能。有些塑料基本上是由合成树脂组成，不含或含少量添加剂，如有机玻璃、聚苯乙烯、聚碳酸酯等。塑料与高分子树脂两者之间的关系就如同米饭与大米，在没进行蒸煮之前是大米，在进行了蒸煮之后就成了米饭。同样塑料在未进行加工之前的主要成分就是高分子树脂，加工之后就称之为塑料。塑料在历经了百年发展之后，以其性能、价格等多方面的因素，渗透于我们生活的方方面面。在 21 世纪的今天，塑料材料还在不断地创新，不断地发展，这主要得意于塑料材料本身所具备的轻质、高强、廉价、可塑和再利用等诸多优点。目前，塑料材料已经由过去的单一材
13、料发展到了 60 多个大类 300 多个品种，应用于各个领域，并在很多领域成功取代金属、玻璃和木料。1907 年，以煤焦油为原料的酚醛塑料面世，标志着塑料时代的正式开始，其标志性人物为美籍比利时人列奥贝克兰（Leo Baekeland）。此后随着电气时代的到来，电能的发展驱动了市场对绝缘材料的强烈需求，于是推动塑料工业的不断发展，石油炼制工业的兴起和石油化工的兴起将塑料材料带入了高速发展轨道上。塑料从此开始影响和改变我们的生活，如尼龙丝袜的发明就给人类的生活方式带来了 3 第 1 章 塑料材料的历史与现状 观念性的改变。直到第二次世界大战后以石油产品为原料的树脂合成材料迅速取代了煤化工在工业原
14、料中的主体地位，各种新型塑料产品如雨后春笋般涌现。塑料的普及给人们生活带来了方便，同时也带来了对环境的危害。环境保护问题使一些发达国家开始对塑料的使用加以限制，但随着塑料科技的不断进步，可降解塑料材料的出现将会使塑料和生态趋于一种和谐的关系，塑料材料在产品中的应用也进入全新的时代。塑料时代的开始 以合成塑料、酚醛塑料（PF）的出现为标志。在 19 世纪以前，人们就已经开始使用沥青、松香、琥珀、虫胶等天然树脂。1868 年，将天然纤维素硝化，用樟脑作为增塑剂制成了世界上第一个塑料品种赛璐珞，从此开始了人类使用塑料的历史。然而市场驱动是技术与产业发展的必然要素，塑料也不例外。促使第一种完全合成酚醛
15、塑料的出现与 19 世纪后期一种天然的绝缘材料虫胶这种天然树脂有着直接的关系。当时处于萌芽发展期的电力工业蕴藏着巨大的绝缘材料市场，但产自东南亚的虫胶由于供不应求而导致原材料的价格一路攀升。当时有些化学家已经开始认识到很多可用做涂料、黏合剂和织物的天然树脂和纤维都是聚合物，即结构重复的大分子，并开始寻找能合成聚合物的成分和方法。在诸多的研究者中，贝克兰经过多年努力终于取得了成功。如果说爱迪生因发明了灯泡而将人类带入了光明的时代，那么贝克兰则是通过发明塑料将人类带入了一个多彩的世界。从 1904 年开始，贝克兰开始研究苯酚和甲醛的反应。尽管早在 1872 年，德国化学家拜尔就发现了这个反应能产生
16、一些黏稠状的东西，但拜尔的兴趣在合成染料上，并没有对这一化学反应进行深入研究。后来的科学家也对这种化学反应进行过研究，但因为无法精确控制化学反应而未能找到它的利用价值。然而贝克兰解决了这个问题。他发明了一种名叫贝克利（Bakelizer）的试验装置，可以精确调节加热温度和压力，能有效控制化学反应。贝克兰用这种装置成功地得到了酚醛树脂，将其模压后得到半透明的硬塑料，这种塑料不易燃烧，成型后不再熔化，也不能溶解到溶剂甚至是酸性液体中去。于是他就用自己的名字给这种新材料命名为贝克利特（Bakelite），并于 1907年 7 月 14 日注册了贝克利特的专利。从这一天起，第一种合成塑料酚醛塑料贝克利特诞生了。贝克利只比他的英国同行詹姆斯斯温伯恩爵士早一天递交专利申请，否则英文里酚醛塑料可能要改叫“斯温伯莱特”了。酚醛树脂以煤焦油为原料合成，是世界上第一种人工合成的树脂，向粉状的酚醛树脂中添加木屑混合均匀后在高温高压下模压成型就得到了酚醛塑料。毫无疑问，它是人类所制造的第一种全合成材料，它的诞生标志着人类社会正式进入了塑料时代。酚醛塑料具有绝缘、稳定、耐热、耐腐蚀、不可燃等性能，之后被应用于迅