《塑料成型工艺与模具设计 教学课件 ppt 作者 余冬荣 陈胜文 主编 第二章 塑料成型基础》由会员分享，可在线阅读，更多相关《塑料成型工艺与模具设计 教学课件 ppt 作者 余冬荣 陈胜文 主编 第二章 塑料成型基础（203页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章 塑料成型基础,2.1 聚合物的分子结构 2.2 聚合物的流变性 2.3 聚合物在成型过程中的物理和化学变化 2.4 塑料的组成及工艺特性 2.5 常用塑料 2.6 塑件的工艺性,2.1 聚合物的分子结构,2.1.1 树脂与塑料 2.1.2 聚合物的分子结构 2.1.3 聚合物的物理状态,2.1.1 树脂与塑料,塑料的重要成分是树脂。,分泌出来的脂物,天然树脂,松香 琥珀,虫胶 沥青,石油、 昆虫分泌物 中提取,合成树脂,人工方法合成的树脂,添加 助剂,塑料,2.1.2 聚合物的分子结构,1. 聚合物的形成 树脂：高分子聚合物。 分子结构：,相对分子质量很高的巨型大分子。,原子团,原子团
2、,原子团,原子团,原子团,例如：聚乙烯由许多乙烯单分子经聚合反应而成。,N CH2=CH2,一定条件,CH2CH2N,乙烯单分子,聚乙烯结构单元分子式,所含结构单元的数量,2. 聚合物的链状结构 聚合物大分子：各单体通过CC键，连接成长链状结构。,CH2CH2,CH2CH2,CH2CH2,N个,容易弯曲聚合物具有柔软性，富于弹性。,3. 链状结构的类型,线形大分子,支链型大分子,体型（网状）大分子,热塑性聚合物,热固性聚合物,可被反复加热、冷却。,交联后永久固化，直到高温被烧焦、碳化。,2.1.3 聚合物的物理状态,1. 聚合物的物理状态 固态 液态 气态,聚合物分子间作用力大，不形成气态。,
3、聚合物的物理状态,影响聚合物物理状态的因素：分子结构，受力情况，化学组成，环境温度。 当聚合物及组成一定时，主要与温度有关。,玻璃态,高弹态,粘流态,一定条件,一定条件,玻璃态（tTg）：坚硬的固体状。,tTX（脆化温度）：受力容易断裂。,大分子链的柔顺性,Tg,非结晶型聚合物在TgTf之间出于高弹态。 在高弹态下，不能满足注射、挤出、压注、压塑成型要求。,可进行：真空成型、中空吹塑成型、薄膜拉伸,粘流态（tTf或Tm）：熔融态/熔体。,tTd后发生热降解。,可进行注射、挤出、压注、压塑成型。,使用下限温度,使用上限温度，Tg越高，塑件对环境的适应性越强,衡量塑料的注射成型性能,2.2 聚合物
4、的流变性质,2.2.1 聚合物变形流动时的粘弹性 2.2.2 聚合物的流变性质 2.2.3 聚合物在模内的流动行为,2.2.1 聚合物变形流动时的粘弹性,1. 聚合物成型过程中的应力应变,成型设备,聚合物,力F,聚合物变形和流变,成型,聚合物受力后，内部产生与外力相平衡的内力。 应力：单位面积上的内力。 应变：聚合物在应力作用下产生的形状与尺寸的变化。,成型设备,聚合物,力F,应力,应力,切应力,拉应力,压应力,切应变,拉应变,压应变,应变,对聚合物成型的影响最大。,注射成型中：引起熔体流动与变形的外力是螺杆或柱塞的注射压力，流动阻力主要来自于熔体与设备料筒、喷嘴、模具浇注系统、模腔内壁之间的
5、摩擦，以及熔体流层之间的粘滞性，因此，注射压力与流动阻力对熔体构成剪切作用。 聚合物在流动过程中，主要受切应力作用并发生切应变。,2. 聚合物变形流动时的粘弹性质 聚合物在不同的物理状态下受力，会发生三种不同的变形，即普弹变形、高弹变形和粘性变形。,普弹变形,高弹变形,粘性变性,聚合物大分子链运动的结果,微小的链断运动,整个大分子链：解缠伸直滑移,渐序的发展过程,弹性变形,粘性变形,即使聚合物从粘流态下开始受力流动，它的大分子变形仍然必须经过一定的弹性阶段才能变为粘性性质。 粘弹性质：聚合物熔体的变形和流动同时具有弹性和粘性的性质。,MaxwellVoigh提出的模型定型：,聚合物熔体的总切应
6、变,普弹、高弹、粘性切应变,切应力,普弹、 高弹变形时的 切变模量,应力作用时间,高弹、粘性变形时的 剪切粘度,聚合物在高弹态、粘流态下发生的变形均与时间有关。,与金属变形的主要区别之处,由于聚合物的变形与时间有关，其变形的发生对于应力作用的响应必然有所滞后。 在聚合物成型理论中，变形对应力的滞后响应称为滞后效应，而变形与应力之间的平衡过程可视为一种松弛。,聚合物变形时的滞后效应和松弛过程在成型过程中普遍存在，影响塑件质量。 塑件的尺寸和形状在脱模后的使用或贮藏过程中发生变化，如不采用适当的解决方法，就无法满足塑件的质量要求。,2.2.2 聚合物的流变性质,流变学：研究物质变形与流动的科学。
7、聚合物流变学：,关系,关系,关系,粘度,应力,应变,应变速率,聚合物在外力作用下：,影响因素,注射成型：,聚合物流变学理论,选择合理的工艺条件,合理设计成型系统、模具结构,成型有关的聚合物流变性质,1. 牛顿流动规律,液体在圆管中流动的形式,层流（Re21004000）,紊流（Re4000）,聚合物成型时： 层流,描述液体层流的规律：,牛顿流动定律,符合该式关系的液体：牛顿液体。,成型有关的聚合物流变性质,2. 指数流动规律 非牛顿液体：,液体在圆管中流动的形式,层流（Re21004000）,紊流（Re4000）,聚合物成型时： 层流,非牛顿液体大多服从： 当n=1时，=K= ，这意味着非牛顿
8、液体转变为牛顿液体，所以n值可用来可反映聚合物熔体偏离牛顿性质的程度。,指数流动规律,n1：膨胀性液体。 n1：假塑性液体。 “剪切稀化”效应 ：（假塑性液体）表观粘度随切变速率的增大呈指数规律减小。,大多数热塑性聚合物属于假塑性液体。,生产中的关键是如何控制各种因素，以便剪切稀化效应保持菜一个合理的范围。,成型有关的聚合物流变性质,3. 影响粘度的因素,聚合物结构,温度,压力,(1)聚合物结构对粘度的影响 注射成型过程中，相对分子质量分布经常体现在塑件的质量方面。,分子结构,相对分子质量,相对分子质量分布,(2)温度对粘度的影响 在温度范围不大于50 时，对大多数液体来说都是常数，超出此范围
9、则变化较大。,在成型工艺中，对一种表观粘度随温度变化不大的聚合物来说，仅靠增加温度来增加其流动以使其能顺利成型是不恰当的 。,(3)压力对粘度的影响 对需要增大粘度而又不宜采用降温措施的场合，可考虑采用提高压力的方法解决。,成型设备,聚合物 熔体,力F,熔体体积收缩,粘度提高,2.2.3 聚合物在模内的流动行为,1.末端效应 末端效应：熔体经过流道截面变化的部位，会因截面的影响发生弹性收敛或膨胀运动。,变形扭曲,尺寸不稳定,内应力过大,力学性能下降,对塑件质量有害,(1)入口效应,大截面,小截面,小截面入口产生收敛性流动,必要时避免或减少入口效应，保证产品质量。,确定注射压力时，要计算入口效应
10、引起的压力损耗。,生产中考虑入口效应的目的：,(2)离模膨胀 离模膨胀效应（Barun效应）：聚合物熔体流出流道或浇口时，熔体发生体积膨胀的现象。,假塑性聚合物熔体，离模膨胀有一个特征，刚脱离流道时，首先发生很短的一段体积收缩，然后才能真正发生体积膨胀。,2. 失稳流动和熔体破裂 失稳流动： 聚合物熔体在失稳状态下通过模内的流道以后，将会变得粗细不均，没有光泽，表面出现粗糙的鲨鱼皮状。,切应力 切变速率,低：熔体具有光滑的表面 和均匀的形状,升高到某一值：失稳流动,熔体破裂:如果继续增大切应力或切变速率，熔体将呈现波浪形、竹节形或周期螺旋形，更严重时将互相断裂成不规则的碎片或小圆柱块这种现象称
11、为熔体破裂。,温度,聚合物的相对分子质量及其分布,流道结构,失稳流动和熔体破裂的起因：,2.3 聚合物在成型过程中的物理变化,2.3.1 聚合物的结晶 2.3.2 聚合物的取向 2.3.3 聚合物的降解 2.3.4 聚合物的交联,聚合物成型过程中：,结晶,取向,降解,交联,化学变化：,物理变化：,2.3.1 聚合物的结晶,1. 聚合物的结晶现象,分子链构型排列规整？,高温熔体,低温固态,结晶聚合物,非结晶聚合物,分子链上有很大侧基,很难结晶,分子简单、对称性高,分子链节虽大，分子间作用力很大,能结晶,分子链刚性大,聚乙烯 聚偏二氯乙烯 聚四氟乙烯,聚苯乙烯 聚醋酸乙烯酯 聚甲基丙烯甲酯,聚砜
12、聚碳酸酯 聚苯醚,耐热性,结晶聚合物,非透明性,较高的力学强度,晶体不整齐,结晶聚合物,结晶不完全,结晶速度慢,没有明显熔点,非结晶聚合物相反,与低分子物质相比,即使结晶能力很高的聚合物，当外部条件不充分时，结晶速度有可能很慢，甚至不结晶。,结晶速度,结晶能力,反映,在初晶结构不完善的部位或初晶残留下的非晶区内的结晶现象 。,二次结晶,结晶速度慢，有时甚至需要几年或几十年。,结晶速度很慢时造成,聚合物成型时一部分来不及结晶的区域在成型后发生的继续结晶现象。,后结晶现象,二次结晶,后结晶现象,塑件的性能和尺寸发生变化,退火处理,加快二次结晶与后结晶速度,保证塑件的性能与尺寸稳定,各种聚合物的结晶
13、速度都有可能在某一温度下达到最大值，这个温度记作Tcmax。 Tcmax=（0.800.85）Tm,结晶速度,结晶能力,反映,温度,影响,即使将温度始终控制为Tcmax，要使聚合物完成全部结晶过程，仍然需要很长时间。,半结晶期t0.5,评价,结晶速度,结晶能力,生产中无法利用结晶完了时的时间计算结晶速度,结晶度,表征聚合物结晶程度的重要指标,聚合物可能达到的最大结晶度与自身结构和外部条件有关。,2.结晶对聚合物性能的影响,密度,结晶度,(1)密度,结晶聚合物大分子排列成规整紧密结构，分子间作用力强。,(2)力学性能,拉伸强度,结晶度,冲击强度,弹性模量,结晶,脆性,带来,(3)热性能,结晶,有
14、助于,软化温度,热变形温度,(4)翘曲,结晶,体积收缩,翘曲,收缩不均,(5)表面粗糙度和透明度,结晶,表面粗糙度,透明度,3. 影响结晶的因素,温度,冷却速度,压力,分子结构,添加剂,(1)温度 聚合物的结晶度取决于熔体温度和聚合物在熔融状态的停留时间。,结晶过程,晶体生长,晶核生成,聚合物由非晶态转变为晶态的过程只发生在熔点以下和玻璃化温度以上这一温度区间内 。,注射成型时，应采用较低的模温和较短的注射时间，以利于提高结晶速度，从而提高塑件的某些力学性能。,(2)冷却速度 控制模温和冷却速度，可控制聚合物的结晶度 。,冷却速度,结晶度,(3)压力 实验证明，压力增大使聚合物在高于正常情况下
15、的熔化温度发生结晶，压力越高，结晶温度也越高。,(4)分子结构,分子结构,结晶度,简单,规整,(5)添加剂,聚合物,低分子物质,固体杂质,水分,结晶过程,影响,例如：,聚合物,四氯化碳,结晶过程,聚酰胺 （吸水后）,炭灰,类似于晶核的固体物质。,二氧化硅,氧化钛,聚合物粉末,成核剂：,滑石粉,结晶速度,2.3.2 聚合物的取向,1. 取向的概念,大分子及其链段,微晶粒子,有序排列,应力作用,取向机构,根据应力性质不同：,取向结构,拉伸取向,流动取向,由拉应力引起,切应力引起,取向方向与应力方向一致。,沿着熔体流动方向形成。,注射成型中主要发生流动取向。,根据熔体流动性质不同：,取向结构,单轴取向,多轴取向,取向结构单元均沿着一个流动方向有序排列 。,结构单元可沿两个或两个以上的流动方向有序排列。,2. 固体填料的取向 注射成型中，塑件的取向方向与程度主要依赖于浇口的形状与位置。,在设计模具时，浇口位置的开设，塑件在模具中的位置设计，应使塑件在使用时的受力方向与塑料熔体在模内流动时的方向一致。,3. 聚合物分子的取向 一般，成型过程中只要存在熔体流动，就会有分子取向。,4. 影响取向的因素,塑料填充时的温度,成型温度,塑件厚度,分子取向程度,成型时间,浇口长度,成型压力,分子取向程度,为减小分子取向程度，浇口应开在型腔最大的部位。,浇口形状,浇口
