1.3 塑料注射制品的应用和试制
塑料注塑件的产量多，制品的应用面广。这是因为塑料制件与金属零件相比，一些优点有实用价值。塑料材料的密度低，一般为0.9～1.4g/cm3；按单位质量计算的比强度高；又具有耐腐蚀和绝缘性能。在较多品种中，有的减摩或耐磨性能良好，有的防振抗冲击性能优异，有的耐疲劳性能突出。塑料制品被大量用做工程结构件，例如电子仪表、家用电器和通信设备等的机壳、机架和机座。在许多特殊的应用场合非塑料件莫属，例如输送腐蚀性介质的泵和阀；植入人体的人工器官，要有优异的化学稳定性和生理相容性能；短期与人体接触，又被反复使用的医疗器械，必须承受蒸汽热和辐射消毒；音响和办公设备中的无噪音的塑料齿轮，无法用油润滑的轴承和滚轮，只能采用减摩和耐磨的自润滑的塑料。近年来，透明塑料制品，从镜片、光盘到照明灯具又拓展了新的应用领域。
塑料制品能得到广泛使用还由于它的可加工性。多数塑料的熔化温度为170～300℃。各种塑料熔体的黏度在很大的范围内，都适合注射加工成型。它可经纤维增强或用添加剂改性，一定程度地改善制品所需的某些性能。另外，塑料制品着色容易，又可进行多样修饰，使它能经过“浓装淡抹”后走进千家万户。
本节主要介绍塑料注射制品在电子电器、汽车工业和建筑家具领域的应用，塑料制品的试制过程和塑料材料的选择，以及各种注塑件设计、生产、质量和应用的要求。
1.3.1 塑料注射制品的应用
塑料注射制品在各个行业都有广泛应用。全面介绍所有的注射制品应用是困难的，这里以大家熟识的家用电子电器、汽车工业和建筑家具三个领域的应用，讨论注塑件的生产和材料选用。
1.电子电器工程的注塑件
仪表、通信、信息技术的电子电器产业发展很快。塑料有优异的电绝缘性能，又是隔热、抗振和密封性能，能替代金属被广泛应用于电子电器产品的机壳、机架和结构件。有的塑料注射制品作为机壳外饰件，有的作为支承结构件，有的产品中有塑料注射成型的齿轮、带轮和棘轮等传动件。电子电器大量使用标准的电子元件和接插件，大都是注射成型制品。注塑件既能设计成实用和美观制件，又能大批量低成本注射成型。
（1）家用电器的塑料注射制品 常用的家用大电器有电冰箱、洗衣机、电视机和空调器等；小家电产品有电风扇、音响、吸尘器、照相机和摄像机等；厨房用品有微波炉、电饭煲、洗碗机等；电子信息产品有手机、计算机、扫描仪等；电子办公用品有传真机、电话机、打印机、复印机和绘图仪等。
1）电冰箱。它的塑料用量占全重的40%～50%。内胆、门内衬和密封条等是挤出成型生产的制品。冰箱的箱体用PVC复合钢板制造，用聚酯与环氧树脂粉剂喷涂。冰箱周围的隔热层，用硬质聚氨酯泡沫塑料注射成型。果菜盒和肉盘等与食品接触的透明或半透明容器，通常用AS塑料注射成型。冰箱顶框、冰块盘和门把手等，用ABS或HIPS注射成型。冰箱顶框扁平面大，易出现翘曲变形。
2）洗衣机。它的塑料用量占全重的1/3以上。大型薄壁的内桶应能够耐热，注水温度最高要有100℃；要求耐洗涤剂、润滑油和各种油腻，还要耐冲击和振动。波轮式洗衣机的内桶常用改性聚丙烯与橡胶共混塑料注射成型，也有用玻璃纤维增强聚丙烯生产，要求注射熔料的流动速率在15～30g/10min。内盖板和底板等用改性PP，外盖板和底座等用ABS。搅拌叶轮用玻璃纤维增强的PA或PP。其他机械传动零件，卡爪、齿轮和杠杆等用POM。滚筒式洗衣机存储洗衣粉的盒或盖、喷淋盖和过滤器零件，对改性PP塑料的耐热和耐洗涤剂的要求更高。有专门配制的PP注塑料，用超细碳酸钙、乙烯-丙烯-二烯烃三元共聚物EPDM和HDPE改性。
3）电视机。电视机的机壳包括前框和后盖两个注塑件。大多采用综合力学性能好、表面光泽的ABS注射成型，也用高光泽的HIPS和改性PP塑料注射成型。电视机机壳有UL94V-0级的阻燃性能的要求。这些ABS、HIPS和改性PP用料都是阻燃级，因此也用ABS/PVC和PPO/PS混合塑料注射机壳。电视机机壳外表面都经喷涂装饰，大多用各种丙烯酸类涂料加入铝粉，涂层有金属感。为保证涂层质量，机壳注塑件对残余应力的状况，对表面凹陷与流动痕等质量问题有较严格要求。电视机屏幕尺寸越来越大，多采用热流道技术和气体辅助注射成型技术。
4）空调器。对空气调器上的风机、空气过滤器、进气窗、前面板和后壳体等注塑件，有强度及刚性、耐热、抗蠕变和抗振等要求。风机零件在温热风流中要保持刚性，用添加20%～30%玻璃纤维充填的ABS或AS制造。进气窗和前面板用HIPS注射成型，有抗静电防积灰的要求。后壳体等一些注塑件会附着油烟，要用耐化学药品的ABS。空调的室外机历来用喷塑钢板制造箱体，有耐候和耐老化要求，现在研制改用耐候性强的塑料注射加工，正在试制的物料有：丙烯腈/二元或三元乙丙橡胶/苯乙烯共聚物AES、丙烯腈/苯乙烯/丙烯酸酯共聚物ASA、耐候改性PP。
5）照相机。现代照相机中精密工程塑料注塑件的数量，占全部零件的1/3，已处于主导地位。机壳用玻璃纤维增强ABS，使照相机的重量减轻。一些支架、扳手和滑块等，用玻璃纤维增强PA66。制动片和转轴等几个传动零件，用碳纤维增强PA66。一些换向轮和开启环等用玻璃纤维增强PBT。一些调焦圈和镜头底座等用玻璃纤维增强PC。按钮、开关和止动杆等用POM注塑。
6）打印机。传送纸张的注塑件应该耐磨，要求阻燃并耐热90℃。打印机在工作时有周期性振动。机壳和框架用玻璃纤维增强ABS。传动齿轮用POM，透明注塑件用PC。运动件用PC/PS混合塑料。
7）复印机。底盘和框架等多用玻璃纤维增强PBT塑料。光电发热使复印机的某些部位有100℃甚至200℃的高温。棘轮等传动件要用刚硬耐磨耐热的PPS和PEEK塑料。
8）光盘。光盘的基片是注压成型的塑料制品，上面镀有极薄一层金属，成为光记录元件。用信号调制的激光照射到圆盘上，金属被熔化成一串椭圆形凹痕，记录了信息。刻录光盘用激光束读取，为非硬的物体接触。与磁记录制品相比，光盘保真性好，容量大又可随意读取。光盘分为音频光盘CD和视频光盘VCD及DVD，并有只读型、读写型和可抹型三种。适用于制造光盘的材料有PC和PMMA。其流动性得到了改善，熔体的流动速率为70～90g/10min。光盘制品的双折射率被降低，视频光盘常选用PM- MA，但两者的吸湿都较大。新的光盘材料，例如聚环已基乙烯（PCHE）、新型的热塑性聚酯、改性双酚A环氧树脂和茂金属聚乙烯（mPE）等，正在开发中。
（2）电工接插件 由于注塑件能与导电金属相互连接，电子电器上的接插件被大量应用。接插件是导体连接器和开关的总称。接插件主要由金属导体和塑料绝缘体组成。其功能是实现电路之间、导线之间、电器设备之间、电源与电器设备间的连接或断开。它本身既是保证电路畅通或断开的刚体，又是能配对使用的组装件。
接插件已不只是家用电器的插头和插座。电子设备的接插件，朝小型化和密集化方向发展。使接插件间距从2.5mm向1.2mm缩小，并将继续朝间距仅为0.6mm发展。电子装备的接插件上连接导线线数，从几十线向几百线发展。因此，对接插件的精度和尺寸稳定性要求也很高：孔距一般为公差与配合的6级精度，甚至更高；还要求接插件相应提高表面精度，外形的平整度限制在0.13mm以下。
接插件在各种使用场合会有不同的结构设计。轿车上电线线束所用的接插件，插座连接已捆扎的线束。插头装配到轿车上与另一股线束相联。各自的排孔中装配导电良好的金属插头销和插座片，以使接插件在轿车颠簸中电接触稳定可靠。此种接插件的互换性要求很高。为适应轿车的流水线快装要求，采用弹性卡夹和铰链的联接方法。此类接插件常用PA66、PA6、PBT和PP精密注射成型。
1）接插件的主要技术性能。接插件的技术性能因使用的电性能要求、工作场合不同而有差异，在工业和商业上有详细的标准。
①绝缘介电性能。要有合适的相对介电常数、介质损耗因数和耐电压性，对于高频接插件要求更为严格。导电接插件之间塑料绝缘层厚度需足够，以避免高频对注塑件造成损伤，或引起电路中信号的损失。在高湿度（95%RH）和高温（40℃）下，绝缘电阻大于20～100mΩ；在正常条件下，绝缘电阻大于500～1000mΩ。
②良好的表面电阻。以阻止塑料绝缘层表面产生交叉漏电流。如在潮湿环境下，电场使金属银向酚醛塑料上迁移后，形成漏电流。在一般情况下，可能的漏电流应限制在导体电流的0.1%以下。塑料中某些阻燃剂的渗出，也可能引起漏电流。还有在高电压下，塑料表面形成的碳化通路，也会产生漏泄电流。为此，必须限制塑料的相比漏电起痕指数（CTI）。
③良好的耐电弧性。在小型接插件中，塑料绝缘层离金属电触头的电弧区很近，只有几分之一到几毫米，为此，应防止电弧给予注塑件表面以永久性损伤。例如电视机电源开关上塑料耐弧性要求在180s以上，在试验电压500V下，不产生电弧和击穿现象。
④力学性能。主要是塑料的拉伸强度和冲击强度。在冲击振动条件下，插拔的插头与插座要达到一定寿命次数，无变形或开裂损伤。高的抗蠕变性能要保证在使用期间，接插件不至于性能变劣。此外，接插件中塑件的最小壁厚，也应从力学性能考虑；塑料件的形状和位置精度，若关系到导体插合方向的平行度和直线性，则必须从严控制。
⑤耐热性。接插件的接线端大都要承受焊接时的热作用，在常规产品中，按国家标准规定焊槽法亦即波峰焊，是260℃温度下（5±1）s或（10±1）s，或在350℃温度下（3.5±0.5）s；红外再流焊10s内达220～250℃，而烙铁法为350℃温度下（10±1）s。在电子设备组装中，接插件要经受215～277℃高温。另一方面，接插件在接通与断开等工作中会产生热量，在40～85℃的工作温度下能维持功能正常。
2）接插件用塑料。接插件中的塑料件多为注射成型。其体积小、壁厚薄、几何公差和尺寸精度要求高。注射模大都采用众多细长型芯，以及薄片镶拼结构。模腔最薄可达0.2mm。要求塑料熔体黏度低，流动性好。塑料的成型收缩率要小，收缩率波动范围要窄，且方向性不明显。注塑件残余应力小。一些多线连接器，形状细长，易于取向和产生残余应力，注塑件因此易发生翘曲变形，甚至开裂，应于特别关注。
酚醛树脂是最早用于制造接插件的热固性塑料，因有残留氨，且易吸水，只能用于绝缘性要求不高的场合。氨基塑料中的三聚氰胺甲醛树脂，由于不易炭化，有比酚醛塑料强的耐电弧性、耐漏电性，但吸水率仍较大。热固性塑料由于成型的生产率低，废料不能利用，大都已被热塑性塑料替代。
聚酰胺最早用于制造接插件，以PA6用量最多，但由于吸水后，有尺寸变化和绝缘性变差，不适合高频下绝缘性能要求高的场合使用。PA46（聚己二酰丁二胺）是丁二胺与己二酸缩聚而成。30%玻璃纤维增强后热变形温度为285℃，尺寸稳定性好，也被用于接插件的注射成型。
玻璃纤维增强聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）已成为接插件的主流材料。其耐热性高，电绝缘性好，耐溶剂且尺寸稳定。同时，聚碳酸酯、聚砜、改性聚苯醚和聚甲醛等也有广泛应用。
随着接插件高精度和小型化要求的提高，已开始采用改性聚苯硫醚（PPS）和液晶聚合物TLCP。它们的耐热性高、尺寸稳定、刚性好，是颇有前途的接插件材料。接插件常用热塑性塑料材料的电性能见表1-15。
2.汽车工业的注塑件
现代汽车工业用塑料替代钢、有色金属和玻璃等制造零件，不仅使汽车减轻质量，降低能耗，也使汽车造型更美观，还节约制造成本。现代的每辆轿车平均使用塑料占总质量的10%～12%，达150kg左右。
现代轿车生产中，塑料材料替代金属的进程发展很快。汽车上塑料使用量最多是聚丙烯PP，其次是聚氨酯PU，第三位是聚氯乙烯PVC。按汽车上注塑件的作用，可分为内饰件、外装件、功能件和附属配件。内饰件有仪表板、车门内板、门主柱盖板和杂物箱等。外装件有保险杠、散热器栅格板和挡泥板等。汽车中许多高强度的功能件，例如风扇叶片、进气与排气的歧管、空滤器罩、散热器水室、蓄电池箱、气缸盖罩等，都用工程塑料注射成型。附属配件有车灯照明件、空气过滤器、音响和仪表等。
在汽车工业的发展中，PP的应用和改性成果显著。汽车保险杆的专用改性PP，已是合成树脂厂大批量生产品种。汽车转向盘和仪表板多用聚氨酯反应注射工艺。进气与排气的歧管用玻璃纤维增强的聚酰胺PA注射时，采用了型芯熔化的新技术。团块不饱和聚酯BMC的注射成型新技术，被用于车灯反射镜的生产。
汽车上外挂的覆盖件有保险杠、散热器栅格板和车轮的挡泥罩板。前后的保险杠是轿车的主要注塑件之一。散热器栅格板位于车头，冷却散热发动机，一般用ABS或PC/ABC混合塑料注射成型。车轮的挡泥罩板主要用硬质泡沫聚氨酯，进行反应注射成型，也用增韧改性的PP注射成型。
汽车里的内饰件有车门内板、仪表板、箱盖、座椅和各种护板等，要求安全、无环境污染和舒适。座椅坐垫等用聚氨酯反应注射成低密度泡沫塑料。
车门内板由骨架、泡沫塑料和表皮构成。骨架由ABS注射成型。表皮是植绒化纤织物布料。将织物布包覆在注射模的型芯上，与PP或PU的发泡塑料粘合在一起，最终用真空热成型方法与骨架连成一体。刚性的装饰板，用玻璃纤维增强PP，注射到已有化纤织布的模具中，用热流道注射的针阀式喷嘴，按顺序控制多个喷嘴注射，可避免熔合缝。
1）汽车保险杠。在汽车发生碰撞时，保险杠用自身的变形吸收能量，有安全保险功能；其次是装饰作用，以便与车身统一着色。汽车上有前后两个保险杠，轻碰撞时能恢复变形；严重碰撞时能将冲击力传导分散给车身。软质保险杠用反应注射的聚氨酯发泡成型。制品作为横杠的面罩，背部要有刚硬的骨架，衬有钢板。普通轿车的保险杠是用硬质的改性PP注射成型，就不用骨架支撑了。保险杠壁厚多为3.6mm左右，并有加强肋的设计。国内常用汽车保险杠的专用PP料，在PP物料中加入氧化物调节相对分子质量，再与乙烯-丙烯-二烯烃三元共聚物EPDM共混造粒。加入紫外线吸收剂和抗氧剂，加入滑石粉和碳酸钙等无机填料。常温和-30℃下，有缺口试样的冲击强度>600J/m。其熔体的黏度较高，流动速率2～6g/10min。要求保险杠表层在涂装时能耐烘烤和干燥。注射成型保险杠多在大型注射机上并用热流道技术注射成型。成型温度为190～230℃，注射成型收缩率为1.2%。
保险杠是汽车上重要的外装件，各汽车公司都在试制新材料和新工艺：用聚烯烃类热塑性塑料弹性体TPO替代聚氨酯PU；也有用PC/PBT聚碳酸酯与聚对苯二甲酸丁二醇酯混合物制造；采用吹塑成型工艺生产改性PP的保险杠有许多长处。这种改性PP塑料的熔体黏度很高，用相对平均分子质量3.5×104以上的PP改性，吹塑成双壁中空的保险杠，低温韧性、刚性和弯曲强度有很大提高。
2）仪表板。仪表板可分成软质和硬质两种，要求耐热，表观质量好，且不能反射强的光线。用于载重汽车和客车的硬质仪表板是单层无表皮，用改性PP、ABS或改性PPO等注射成型。用于轿车的装饰型软质仪表板由表层、缓冲层和骨架三部分构成。表层的常用材料有PU、PP或ABS/PVC塑料的片材。片材经裁剪后加热，用真空热成型表面有皮纹的仪表板。骨架用ABS注射成型，也有用高填料的PP模压成型；也有用钢板冲压成型。两者之间用半硬质发泡PU浇注成型。
仪表板是汽车重要的内饰件，应有足够的刚度和抗冲击能力，能牢固装配各种仪表，承受行驶过程中的颠簸。在挡风玻璃透入的太阳光辐射下，在发动机的余热下，仪表板上半部的热变形温度为100～120℃，下半部的热变形温度为85～90℃，要求尺寸稳定，有防眩和舒适的装饰，使用寿命10年以上。
3）挡泥板。卡车用挡泥板用薄钢板制作，再接装橡胶板。轿车用塑料挡泥板作为甩泥水的功能件，也是外饰件。挡泥板的工作环境很差，有较高的低温冲击强度和硬度等要求，主要用硬质泡沫聚氨酯，进行反应注射成型。与一般非发泡注塑件不同，聚氨酯挡泥板厚度为6～12mm，局部厚度为3mm，用加强肋提高挡泥板刚性和强度。其内部圆角半径大于3mm，外部圆角半径大于1.5mm，以便于低黏度物料流动充模。凸台必须有角筋支撑，制品和凸台应有脱模斜度2°为好。国外有用改性PP、PPO/PA和PA/PP混合热塑性塑料注射挡泥板。
4）转向盘。转向盘作为结构功能件，用塑料层包覆了金属骨架。骨架的钢条直径9～11mm，将轮缘和轮辐放在夹具中定位焊接，再精密铸造铝质轮壳。中央的轮壳要切削加工花键孔。
绝大多数轿车转向盘包覆半硬质的整皮聚氨酯塑料。整皮泡沫聚氨酯塑料反应注射时，对原料、工艺和模具有专门要求。在聚氨酯泡沫反应注射机上，将骨架作为内嵌件注射成型。转向盘整体结构刚硬坚固。整皮泡沫的包覆有致密的纹饰表皮，使手感舒适。其外韧而内软，有一定的缓冲作用，而且色调要与内饰件协调。过去曾用泡沫塑料包裹后，再加复PVC表皮，但工艺过程复杂。
5）汽车照明灯具。汽车照明灯具品种很多：前部有前照灯、雾天用灯、示宽灯、转弯的曲线灯和方向灯；汽车后部有刹车灯、方向指示灯、夜显尾灯、倒车灯和车牌照明灯等。它们不仅是照明和安全驾驶的功能件，也是汽车的外饰件。塑料汽车照明灯具比玻璃与金属灯具的重量轻又耐冲击振动，而且设计和制造方便。汽车灯具主要有透光罩壳、反射镜和透镜三方面的注塑件。
①照明透光罩壳。聚碳酸酯PC是透光罩壳的首选材料。夹固的底座用ABS或改性PP，它们可以设计在一起。
②反射镜。反射镜结构复杂，曲面和尺寸精度要求高，并要求注射镜片的稳定性好；用PC、PBT或PA注射成型后再表面处理；经底面涂漆，表面真空铝蒸镀，外加防铝氧化的涂层；用不饱和聚酯UP的玻璃纤增强的团状模塑料BMC注射成型反射镜，由于生产自动化程度高，制品质量稳定，现今发展很快。它要用热固性塑料注射成型机或专用的BMC注射机成型。
③透镜。用PMMA或PC注射成型。透镜表面要加硬质涂层，来提高耐擦伤性能。常用改性丙烯酸涂料。
3.建筑业用塑料制品材料
现代建筑行业的塑料用量很大，但大部分是挤出成型的板、条、管材和型材。大批量注射成型的有：塑钢门窗的滑轮和手柄等配件；进水和排污等管道的连接件；室内挂钩和托架等；还有卫生洁具用品。
作为建筑制品除应考虑力学等性能外，应考虑阻燃性、耐候性、健康型和稳定性。
建筑行业应用的塑料制品有阻燃性要求。建筑物室内的塑料吊顶、隔墙、地板及它们附件，规定不能燃烧或者产生的烟量很低。对塑料门窗和广告牌等用于户外的制品，有耐候性规定和标准，要求在日光、冷热和风雨等气候条件下材料性能稳定，在寿命期内保持制品功能。
家具材料里含有一些挥发性的有机化合物（Volatile organic compounds，VOC），如甲醛、苯、二甲苯和氯化氢等。这些挥发物污染室内空气，对建筑物中的居住人会造成潜在和慢性的疾病，出现头痛、疲倦和皮肤过敏等症状。这是建筑用塑料制品设计和生产中需注意的问题。
环境因素对建筑用塑料材料的危害，是建筑制品设计所必须考虑的重要方面。建筑制品受到热、光、氧、水和霉菌作用，塑料材料发生高分子链降解、增塑剂迁移和稳定剂丧失等一系列物理化学变化、以致制品性能不断恶化、变软、发脆、龟裂和变色等，最后完全破坏或丧失使用价值。此过程通常称为塑料制品老化。塑料对老化的抵抗能力就是材料的稳定性。
各种建筑塑料制品的使用环境不同，老化失效的特征不同。玻璃钢等屋面被长期曝晒于大气中。而室内聚氯乙烯地板被湿气和霉菌作用。各种塑料的稳定性也有差异。在表1-24中列举了各种塑料和橡胶，对热氧化、光氧化、湿气、臭氧氧化和燃烧的稳定性比较。有关塑料制品的阻燃，前面已经有所介绍。下面介绍热氧化、光氧化、湿气、臭氧氧化的稳定性。
表1-24 常用塑料与橡胶对各种环境因素的稳定性比较
（续）
1）热氧化。在无氧的高温下，塑料的大分子链会裂解成单体，或者在大分子链上断开和生成一些低分子物质，如自由基、离子、H2和CO。聚氯乙烯热降解释放出氯化氢。聚甲醛在热环境中放出单体甲醛。即使使用环境远低于理论裂解温度，某些聚合物已开始热降解。小部分化学键处于高能态时会使分子链断裂。
建筑制品都在有氧环境中使用。氧在一定温度条件下，剧烈地攻击大分子链中的弱键，引起材料的热氧老化。聚乙烯在无氧条件下，290℃时仍很稳定，但在有氧条件下，温度低于200℃，也会发生热氧老化。热氧攻击破坏塑料制品的基本原因是氧化反应。在塑料材料的聚合生产过程中，在塑料加工塑化的剪切加热时，氧的攻击和热能产生了起始的自由基和过氧化物。制品在常温下使用时，热氧化继续进行，不断生成弱键和形成自由基，使得塑料的分子链断裂，分子结构形态发生变化，材料性能丧失。
对于大多数塑料制品，添加抗氧剂能提高其热氧稳定性。
2）光氧化。大多数塑料制品，特别是无色透明制品，长期受阳光、水银灯或荧光灯照射，会发生明显的老化。制品失去光泽、泛黄、变脆、龟裂，性能下降直至丧失使用价值。户外的广告箱、路灯罩和雷达天线罩，这些制品的光稳定性是首要问题。
光线中的紫外线与聚合物分子链的有些键能大致相当，能破坏塑料制品内部分子结构形态。大多数塑料分子结构，并无吸收阳光能力，但是它们在合成和加工过程中，生成了多种羰基、过氧化物和双键型物质，它们能吸收紫外线，使塑料材料处于被激发的不稳定状态。许多缩聚反应合成的塑料，如聚酯、聚酰胺和聚碳酸酯分子结构含有羰基基团。光活化的分子能量的一部分，在热振动中消耗；另一部分进行了光化学反应。羰基吸收了光量子后，长分子链发生断裂，并生成自由基。所引发的自由基催化氧化，再引发氧化降解反应，形成一个愈演愈烈的恶性老化过程。
天然橡胶和二烯烃类橡胶对光照敏感，部分降解、部分交联，性能很快变劣老化。
光稳定剂，除光屏蔽剂和紫外线吸收剂外，还有猝灭剂和自由基捕捉剂。使用光稳定剂应注意对各种塑料的适用性和与其他添加剂的协同应用。
3）水解。塑料制品加工前，原料粒子必须以一定干燥温度和时间烘干，使含水量达到标准。否则，加工时水分会使塑料分子链断裂，塑料制品的性能下降，这种现象称为短时的老化。水能渗透几乎所有的聚合物。制品在潮湿和高温环境下吸水。塑料制品使用是长期的水解过程。聚酰胺有较大的吸水性，而PE、PP、PS和PTFE等有良好的耐水性。
建筑塑料制品在使用期内，总会与空气中水分接触。塑料地板和墙脚受湿气较多。塑料屋面和门窗更会受到霜降雨淋。塑料分子中含有容易被水解的化学基团，例如CONH、COOR和CN等，在酸或碱的催化作用下被水解。倘若这些基团是在主链上，严重水解会使材料性能受到较大影响；若这些基团在支链上，影响就小得多。聚酰胺分子中的CONH酰氨基属于亲水基团。PA6的饱和吸水率为10%以上，PA610的为3.4%～3.5%。聚酰胺制品吸水后发生膨胀。酰氨基的水解使相对分子质量下降。
聚氨酯和聚酯也同样会因水解反应导致主链断裂。常温下聚碳酸酯有较好的水解稳定性，但较高的温度提高了水对PC的渗透，特别在酸性的环境中更容易水解。聚甲醛吸水性很小，但在酸或碱的环境中易发生水解。增塑的聚氯乙烯与未增塑PVC不同，前者易发生水解。酚醛树脂和不饱和聚酯在碱性介质中易水解，在酸性介质中较为稳定。
4）臭氧老化。臭氧是大气中的组成部分，但含量极少。在雷电闪击时和紫外线光源附近，臭氧的浓度才有增加。臭氧是一种强氧化剂，橡胶的不饱和键的分子结构，易于被臭氧作用。因此橡胶制品常被臭氧老化破坏。多数塑料的分子结构饱和时，臭氧不能与之作用。但是，ABS具有丁二烯橡胶的不饱和成分，不少塑料品种也经橡胶增韧改性，许多塑料品种，特别是聚烯烃，在合成和加工过程中，也会产生少量的不饱和分子结构。臭氧与双键的反应会引起分子链断裂，产生自由基后进一步引发氧化反应。
臭氧与氧不同，它只在塑料制品表面起反应。因此，可添加0.5%左右石蜡，在制品表面形成保护薄膜。制品表面的涂层也能起到保护塑料制品的作用。胺类或含硫化物的抗臭氧剂能起化学稳定作用，它们能快速与臭氧反应形成保护膜。
1.3.2 塑料注射制品的试制
每件注射制品的生产过程是一项系统工程。本节讨论的注射制品的试制是这项工程的前期策划阶段。它包括制品的失效分析、设计和材料选择。不容置疑，此阶段工作优劣将影响注射成型和模具设计，从而影响注射制品的质量。
1.失效分析
塑料制品失效分析是在塑料材料学的基础上，研究塑料及制品的失效形式和机理，从而预测塑料制品的安全使用期，指导和监控塑料及其制品的设计、生产和使用的全过程。完善的塑料制品设计还应包括制品的失效分析、成本核算和制品的功能和性能测试。了解塑料制品的失效形式有助于深入了解注射成型工程的全过程，有助于全面并深入认识塑料制品的质量。
（1）失效分析方法 塑料和塑料制品的失效，有力学、机械、物理和化学等因素。在众多因素中，对塑料材料的力学性能认识是讨论的基础。
由于构成的分子和结构不同，塑料与金属材料性能差异很大。相对而言，金属件的设计较为容易，因为金属材料与其制品的性能相差较小。金属零件的功能和性能可较准确地计算和预测。塑料制品的设计和试验测试必须考虑三个主要特点。
1）负载。作用于塑料件的负载有拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转五种基本类型和它们的组合。金属件的力学计算以强度为主，在精密机械设计时，才较多考虑刚度问题。塑料件的力学分析计算以刚度计算为主。普通塑料的弹性模量是钢材的1/100～1/50。塑料结构件在负载下容易产生塑性变形；在大多数场合因变形过大而丧失工作能力。另一方面，塑料的注射加工方法都要求注塑件壁厚不能过厚。塑料制品设计者追求薄壁组合的形体，以结构设计来提高注塑件的刚性。
塑料的负载校核计算有短期和长期的区分。塑料件在恒定负载下蠕变和在恒定变形下的应力松弛，在5年、10或15年的使用期限下有很明显的发展。塑料件在周期性交变载荷下，不但有疲劳破坏、冲击疲劳破坏，还有应变滞后热的生成。塑料件对负载施加的速率很敏感，有特殊的抗冲击性能。
2）温度。比起金属件，塑料制品是对环境温度很敏感的材料。塑料的热变形温度和低温脆化温度限制了塑料件的工作温度。各种塑料件的工作温度范围较小。塑料件的屈服应力和弹性模量等力学性能随温度升高而下降。塑料件的电绝缘性能和耐化学腐蚀性能等也会随温度提高而丧失。
3）时间。在长期的应力与应变作用下，塑料有蠕变和松弛行为。塑料的力学性能是时间的函数。塑料材料的弹性模量随时间增长而降低。黏弹性在塑料制品的设计和应用中必须考虑。另一方面，塑料件在长期使用中，会逐渐衰老而失效。热、光、氧、化学介质，气体和液体会使塑料件塑化、降解、脆化、渗透、溶胀、变色、脱黏和开裂，有随时间增长而缓慢恶化的过程。
对于不同用途的塑料制品，各有其行业的实用性试验标准和指标。实用性试验（Performance test）与塑料材料试验有相同的原理，但注重考察塑料结构件对变形和破裂的阻抗能力，考察塑料件在工作环境下长时期的功能和性能变化。例如塑料管件的环境应力裂缝试验，要从塑料管件中截取试样，并采用模拟环境的“加速试验”方法。
塑料制品的性能与其制造材料的性能有很大差距。这是由于材料性能测试试样和环境条件的局限性，是由于塑料件对负载响应的特殊性，对温度、时间、形状和尺寸的敏感性。又由于塑料件的加工经历，使材料损失了一些性能，因此在塑料件的设计过程中，必须进行失效分析来预测失效形式和寿命，以保证使用期内功能和性能满足要求。
（2）塑料制品的失效类型 塑料制品的多样性，工作条件和环境的复杂多变，以致塑料件的失效形式众多，需要正确确定一个或几个主要失效形式进行理论计算和试验预测。下面介绍几种常见的失效形式，供分析时参考。
1）屈服失效。屈服点是塑性变形的起点。剪切屈服和银纹屈服是塑料件破坏的先兆。短时静态负载作用的塑料件，用屈服点以下的许用应变或允许应力，作为塑料件上危险截面上的极限应变或极限应力。
2）蠕变和松弛失效。负载长期作用的塑料件产生过大的蠕变形变，最终会蠕变断裂。蠕变塑料件的材料，其蠕变模量随着时间增长而下降。用蠕变模量计算塑料件上最大的变形量，应该小于塑料件工作寿命期的极限变形量。压力装配的连接件和有预应力的密封件，其本身的应力松弛会使连接松动，密封失效。
3）冲击失效。受冲击的塑料件的形变和断裂是常见的失效形式。冲击负载的作用时间极短，塑料件的变形速率很高。材料、取向、缺口、温度和冲击速度都影响着塑料件的冲击性能。脆性聚合物与弹塑性聚合物及其复合塑料，有不同的冲击断裂机理。聚合物在低温和高速变形下有独特的冲击断裂特征。理论预测各种塑料件被冲击破坏是困难的。塑料件的破坏性冲击性能测试是常用的。
4）疲劳失效。在长期的交变应力作用下，疲劳裂纹的生成和扩展导致塑料件最终断裂。各种塑料的抗疲劳性能有较大差异。疲劳破坏是塑料齿轮和传动带等传动零件的失效形式，也是交通工具上受振动塑料件的失效形式。塑料件疲劳破坏的交变载荷的作用频率在10Hz以下。过高的频率会产生力学致热的失效。
5）力学致热。在振动负载的激励下，塑料响应之后使一部分能量以热的形式被耗散。单位时间产生的热量与振动频率、应变幅和损耗角正切成正比。一旦塑料件的工作系统失去热平衡，会软化失效。
6）环境失效。气体和液体对塑料制品的渗透、扩散和溶解，会使整体力学性能劣化。并引发环境应力裂缝。化学介质、热、光和氧的环境导致塑料件渐渐变质老化，缩短了使用寿命。
7）慢性裂缝生成。慢性裂缝生成SCG（Slow crack growth）的特点是在静载荷或静应力作用下，塑料及制品中裂纹的初始值，而后有缓慢成长过程，由小裂纹到大裂缝断裂的过程。它有别于动态载荷作用下生成的冲击裂纹和疲劳裂纹。慢性裂缝生成过程中受到环境因素和活性介质作用，会促进裂纹扩展和裂缝的生成。
塑料及制品长期在低应力作用，并在非溶剂的液体中浸泡，产生裂纹和生成慢裂缝。在长期的测试过程中，塑料材料有从韧性到脆化的转化现象。这种环境应力裂纹ESC（Environmental stress crazing）最早应用于塑料管的老化性能测试，可用显微观察测量裂纹随时间的成长过程。环境应力裂纹ESC可被视为低应力和环境试剂作用下的蠕变开裂。蠕变开裂失效排除了环境因素作用。许多情况下，环境条件加速慢性裂缝生成。
大量存在水、溶液、油脂、燃油、清洁剂和各种活性介质，与塑料材料及制品短时间接触或长期浸泡，同时又在低应力作用下，也有慢性裂缝生成。这种裂缝称为应力腐蚀裂纹SCC（Stress corrosion crazing）。尽管它也存在裂纹的初始化和缓慢成长过程，应力腐蚀裂纹是由于化学反应使分子链断裂，又借助应力作用加快了材料开裂的速率。但各种塑料制品形状各异，各种制品的体积和表面积之比相差很大。塑料片和薄膜，比厚壁试样更容易腐蚀。具有残余应力的注塑件，容易生成应力腐蚀裂纹。加上热降解和水解等因素，经常微波加热和蒸汽消毒的注塑件，开裂失效更为常见。
8）摩擦与磨损。摩擦使运动塑料件的工作能量有损失，导致塑料件表面材料的损耗和损伤。磨损破坏了塑料件摩擦表面的性能、形状和尺寸精度。伴随产生的塑性变形、热软化和热熔化、裂纹和撕裂，使塑料件过早丧失表面接触运动功能。
9）成型加工形成的损伤。熔合缝是塑料件的重要缺陷，造成了塑料件与原材料的力学性能的差距。塑料成型制品的取向、残余应力和收缩影响塑料件的内部和表面质量、形状和尺寸精度。以上两类损伤形成了塑料件材质的弱点和缺陷，也是上述各种失效产生和加剧的内在原因。
在许多情况下，由两个或两个以上相关因素，在同一时期和一定温度下，对塑料制品的失效有增强作用。例如：氯+紫外线、电场+水、臭氧+应力、射线辐射+氧、溶剂+应力等，这些综合失效形式已被关注和研究。
（3）塑料制品的失效原因 据对塑料制品失效事件的5千次统计，环境应力裂纹，占25%。各种失效形式出现比例，由多到少排列；依次为缺口类的缺陷而被冲击开裂、蠕变和松弛失效、动态疲劳裂纹、化学侵蚀失效、紫外线攻击失效、热降解失效。
安全使用期塑料制品设计的目标之一，是避免在使用期内早期失效。塑料制品在使用期内，存在塑料缓慢降解和性能衰减。确定塑料件的安全使用期，涉及整机产品的安全使用期和塑料件的更换期，决定了塑料制品的使用价值和经济价值。
人为因素是塑料制品失效的重要因素。据统计，其中约1/2的原因是塑料选择错误；错误的结构设计和加工质量低劣，各占20%；其次是使用不当或犯规使用，例如PET饮料瓶里装热水。
1）材料选择错误。塑料制品供应商和使用者，从审美观念要求制品着色光亮和表面容易修饰，倾向于选用ABS等无定形塑料。塑料制品的加工者，愿选用成型收缩率较小的无定形塑料，例如ABS、PC、PS和PMMA等，便于达到塑料件的尺寸精度。从失效分析观点，要考虑到无定形热塑性塑料的动态抗疲劳性能差，而且对于慢性裂缝SCG和应力腐蚀裂纹SCC生成的阻抗能力，比结晶型塑料差，因此，塑料齿轮不能错误用ABS和PC注射成型，应该用结晶型的聚甲醛POM和聚酰胺PA模塑。
2）错误的结构设计。塑料注塑件的转角为锐边和锐角，凹槽和缺口无圆角过渡，受到作用载荷时存在应力集中，容易开裂和缺损。螺纹联接的部位，瓶口螺纹和螺纹盖帽容易受载开裂。螺栓或螺钉夹固的凸台和柱孔必须正确设计，避免在联接载荷下，应力过多集中；注意塑料材料的抗冲击性能对缺口的敏感性。制品上微小缺口或划痕会影响慢性裂缝生成的速率。
3）加工质量低劣。众多塑料制品提早失效是由于在制品生产厂的加工过程中，已经受到损伤。这类失效是可预见的。塑料制品生产过程有效的质量控制和严格管理验收，可以避免或减少失效可能。
常见的生产过程对制品造成损伤的有：塑料改性混料的质量差，材料复合加工低劣和在加热加工过程中热降解和水解；制品材料中存在气囊和熔合缝；在后期加工的焊接、粘结和切割过程中遭受损伤。
注射成型固化后的塑料制品内，存在残余应力，残余应力较高的部位，如浇口附近或金属嵌件周围，容易生成慢性裂缝。被焊接部位曾受到过短时高温加热，存在温差残余应力；粘接部位曾受到活性胶黏剂和助剂侵蚀，这些也容易生成慢性裂缝。
2.注射制品设计
在塑料制品生产中，工程技术人员必须熟悉制品设计的有关理论、方法、结构和造型。塑料制品设计又与注射成型模具设计的关系密切。对于仿制产品中的注塑件，塑料注射模的设计和制造比较顺利。这是因为有注塑件实样作为模具设计的依据。而初次设计的注塑件试制品，理应允许注射模具有较长的生产周期。
（1）设计要求 塑料材料的黏弹性，使其制品呈现对时间和温度的依赖性。注塑件不但在强度和刚度等力学性能方面，在静载荷下比钢材差许多，而且在各种频率的交变载荷下或在冲击载荷下，在各种环境条件下有不少特殊的失效形式。对塑料制品的使用寿命和可靠性设计，还处于科研和探索阶段。塑料制品设计的困难之处，在于聚合物材料的弹性模量低。因此，塑料制品设计更讲究有效地利用材料，使注塑件具有适用的刚性。追求几何形状的完美性的刚性设计，对塑料制品设计很重要。
塑料制品不同于金属零件，很少采用刀具进行切削加工。绝大多数聚合物的加工成型都经过熔体的流动和形变，通过模具来加工成型制品。塑料熔体在压力下充满模具的型腔，或在模具表面边界作用下成型，进而冷却固化。因此，塑料制品设计必须熟练掌握与之相应的成型模具的设计、制造和应用。
生产中的塑料熔体经模具的冷却系统作用快速固化。因此，制品的收缩存在波动和不均匀，使塑料制品的形状和尺寸精度的控制较为困难。塑料制品的精度取决于塑料材料注射成型方法、模具精度和冷却系统等因素。注射成型也决定了塑料制品必须厚度均匀。它由薄板构成，其厚度必须以所承受力学载荷和绝缘等使用要求确定，并保证塑料熔体能顺利充满型腔。
设计塑料制品首先要确定制品的功能和性能指标，然后选择合适材料，决定成型加工工艺。注塑件设计有方案拟订、结构设计、生产准备和定型三个阶段。
（2）拟订设计方案 在接受了设计任务后，需全面收集有关的资料和技术数据，进行综合分析后，必需做四步工作：
首先要科学地确定制品的功能和性能。注塑件所具有的功能包括使用功能和环境功能。在一定时间、空间和环境下，需要完成诸如包装、抗振、绝热、结构支承、电气绝缘和机械传动等功能。注塑件的性能有力学、热力学、物理和化学等性能。要注意到塑料的性能不等于塑料制品的性能。大多数塑料经加热熔融和冷却固化成型，原材料的性能会损失下降，会出现新的内在缺陷，影响注塑件的性能。常用塑料制品一般都参照汽车、建筑、包装和电气各行业的指标和测试标准。
第二步是选择合适的塑料。不仅要保证实现制品的功能和性能，也要考虑可加工性和生产成本。经常选择几种材料，用对比分析方法确定。
第三步是确定制品的加工方法。各种加工方法适用于一定形状和尺寸，具有一定的加工精度和生产率，要有相应成型模具和设备。同时确定注塑件的装配方法和表面修饰要求。
第四步是对注塑件进行失效分析。针对注塑件对时间、温度和环境的敏感性，为保证在使用期限里注塑件有可靠的功能和性能，必须按主要失效形式进行预测性的理论计算和相应的实验测试。轴与套的注塑件压力装配后，要计算温度升高和应力松弛后的传递力矩。塑料齿轮设计，必须进行在弯曲疲劳、接触点蚀和热膨胀下的模数和中心距的理论计算。在重要的场合需对制品进行冲击或疲劳、耐候或渗透等测试。
拟订方案时，要遵循多个方案分析比较和逐步优化的常规方法。
（3）结构设计 考虑注塑件的结构，基本上有功能结构、工艺结构和造型结构三方面。注塑件的结构设计主导了注射模的设计。它的每个细节都要与模具结构设计应对。因此，注塑件的设计师与模具设计工程师之间交流合作意义重大。
功能结构设计是结构设计的核心，主要是确定使用功能实现的制品形状、尺寸和壁厚。注塑件结构设计要做静载荷下短时和长期的变形校核；有的要进行动载荷冲击、疲劳、滞后热和磨损等校核。
合理的工艺结构设计是制品生产的前提。关系到注塑件质量、生产率和成本。聚合物流变学是工艺结构设计的理论基础，用以考虑注射成型的可行性。必须合理处理流动性、收缩率、嵌件和脱模等技术问题。注塑件的合理联接设计，采用螺纹联接或弹性卡夹联接，简化了单个注塑件，还能实现与非塑料件的联接，并保证了流水线上对注塑件的高效装配。
对于机壳、面板、仪表板和日用塑料制品，要通过外部造型设计予以装饰和美化。着色、喷涂、彩饰、被覆植绒织物、镀覆金属和模塑图案等修饰与美术相结合，能给人以美感。
结构设计要用工程制图进行形体的空间思维。各种草图、轴侧图、三视图和三维造型是相互交流的工程语言。现代的计算机三维造型保证了设计质量。例如：变形金刚玩具的造型设计，能保证各零件在多种装配关系下，不产生干涉。三维造型也为下一步的计算机充模流动数值模拟分析准备了形体数据。制作一些模型可以帮助结构设计。例如用透明的有机玻璃板粘结成机壳模型。设计中要跟各专业工程师和模具设计师一起工作。现代计算机技术也为注塑件设计提供各种专业软件与数据库。例如弹性卡夹、塑料铰链和塑料齿轮等辅助设计软件。在结构设计的最后阶段，慎重确定注塑件的尺寸精度、几何公差和表面质量的要求是项重要的工作。最后要绘制塑料制品生产用工程图。
（4）生产准备和定型 完成了注塑件的图样设计后，还必须与工艺工程师和模具工程师合作，对制品成型进行计算机模拟和生产验证，并进行修改，直至定型。
注射成型制品有各种CAE/CAD数值分析软件。注塑件三维造型后，计算机模拟注射工艺，可获知塑料熔体的充模流动、保压冷却、固化收缩和翘曲变形的分析结果。在此过程中，需对注塑件设计进行修正和优化。大型注射壳体壁厚相差0.1mm，就会明显影响熔体充模流动和制品材料成本。计算机分析软件校验和预测，是塑料新产品设计优化和制品优质的保证。
塑料制品与金属零件一样有规模效应。由于成型模具成本很高，生产批量与每个注塑件制造成本成反比。注塑件试制周期，还包括金属模具的机械加工周期。专门的注塑件生产，还需设计和制造专用的成型机。
此外，塑料制品的标准化和系列化程度反映了塑料工业的发展水平。对各种瓶盖、塑料门窗附件、塑料管的接头等产品的标准化工作，今后必将有更大进展。
3.塑料材料的选择
塑料材料的选择是塑料制品设计的重要组成部分。在制品注射成型后，考虑更换材料是困难和麻烦的，甚至是不可行的。材料的选择不仅要保证塑料制品的功能和性能，还要考虑加工生产、成本和供应。注射加工和模具设计的工程师了解和认知加工材料的性能，是实施工程项目的前提。在熟悉塑料材料分类和品种的基础上，要了解：塑料基体聚合物是热塑性还是热固性；结晶型还是无定形；聚合物混合物的比例；塑料中添加剂的配方；增强塑料的纤维分数。
从材料手册和材料制造商的说明书，以及塑料材料的计算机数据库，设计者可掌握全面和近期的材料信息。材料性能项目所列数值，一般是此种材料性能的平均值，应该从材料供应商处获取详细的材料性能清单。现代注射成型的CAE计算机辅助软件中的材料数据库，已经成为了解材料性能的重要途径。
（1）材料的性能 材料性能一般包括四方面：
1）加工性能：熔体流动速率（g/10min）、熔化温度（结晶型聚合物为熔点）、加工温度范围、料筒和喷嘴的加热温度、模具温度、注射成型的压力、固液态的压缩比、注射成型收缩率，以及塑料流动的流变曲线和冷却固化的P-V-T状态曲线。
2）力学性能：拉伸强度、拉断伸长率、拉伸屈服应力、压缩强度（断裂或屈服）、拉伸模量、弯曲模量（分别在22℃、92℃、120℃和150℃）、带缺口悬臂式冲击强度、硬度。
3）热性能：线胀系数、热变形温度（1.82 MPa和0.45 MPa）、热导率、比热容。
4）物理性能：固态和熔融态的密度、吸水率（24h）、介电强度（短时升压）。
材料的性能测试是规定的试样在标准的试验条件下进行。试样与塑料制品的形状和尺寸有很大差异。材料经加工后，绝大多数的注塑件的性能比原始材料低。因此，所选择材料性能要比注塑件的性能高，应该考虑安全系数。
（2）对照选用塑料材料品种乃至品级，材料的选择大致有四个步骤：
1）提出注塑件所需性能项目。除了前述的加工性能、力学性能、热性能和物理性能外，还有实现各种功能的专项性能。例如：包装用制品，需提出透明性、抗化学腐蚀，对气体和液体的渗透性；食品包装还要有食用无害要求；室内的日用注塑件应有阻燃性能要求；室外用品必须有耐候性等各项抗老化性能；电工注塑件有各种绝缘性能要求。
2）提出对原材料性能项目的最低数值清单。设计一个刚性热塑性塑料的注射成型结构件，对原材料性能的最低数值要求。包括拉伸强度、弯曲模量、热变形温度、带缺口悬臂冲击强度和断裂伸长率的对原材料性能数值要求。
3）初步选定一批候选材料。根据对原材料性能的要求，选定几种初选材料。可凭生产经验，以对材料品种的性能先进性和成本的了解，开列所考虑材料的清单，然后淘汰一批。
4）根据专门的性能和材料成本最终选定材料。对注塑件进一步分析比较。蠕变模量、介电强度、成型收缩率和材料成本。对于有刚度和精度要求的注塑件，还要比较可注射成型塑料件较高尺寸精度。如果两种材料收缩率相近，必要时可用成型模具试射注塑件进行分析比较。适用的塑料品种没有商品供应时，可以专门配制复合材料。对聚合物添加填料、用两种聚合物混合，有可能获得所需的改性塑料，但需要时间和资金。