第2章节材料成型

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1、第二章 塑料成型的理论基础,成型过程中的物理化学变化,设计原料配方，设计成型工艺和选择设备,2.1 概述,高聚物的聚集态 玻璃态、高弹态、粘流态。,第二章 塑料成型的理论基础,图2-1 塑料的形变与温度的关系,Tb脆化温度 Tg玻璃化温度 Tm结晶型塑料熔融温度 Tf非结晶型塑料黏流温度 Td热分解温度,第二章 塑料成型的理论基础,2.2 聚合物的流变行为,当高聚物熔体和溶液（简称流体）在受外力作用时，既表现粘性流动，又表现出弹性形变，因此称为高聚物流体的流变性或流变行为.,2.2 聚合物的流变行为,2.2 聚合物的流变行为,液体的流动和变形受到的应力有剪切、拉伸和压缩三种应力。三种应力中，剪

2、切应力对塑料的成型最为重要。拉伸力也比较重要。 流体在平直管内受剪切应力而引发的流动形式有层流和湍流两种，聚合物流体由于粘度较大属于层流。,2.2.2剪切粘度和非牛顿流体,2.2 聚合物的流变行为,层流的概念：,流体的质点沿着平行于流道轴线的方向相对运动，与管壁等距离的液层以同一速度向前移动，所有质点流向均相互平行。,紊流概念 ：,流体的质点除向前运动外，还在主流道的横向上做不规则的任意运动，质点呈紊乱状态。,区分层流和紊流雷诺数,2.2 聚合物的流变行为,牛顿型流体：流动行为遵从牛顿流动规律的流体。,描述层流的最简单的规律是牛顿流动规律,牛顿型流体,符合下式的流体称为牛顿型流体： 其中为剪切

3、应力 为剪切速率， 为比例常数，称为剪切粘度系数或 牛顿粘度,2.2 聚合物的流变行为,指数流动规律和表观粘度 n流动行为指数，反应偏离牛顿流体的程度 n=1 牛顿流体 n1假塑性流体n,值越小则流体的非牛顿性越强。 N1 膨胀性流体 K 流体稠度，k值越高，流体粘度越大。,2.2 聚合物的流变行为,凡流动行为不遵从牛顿定律的，称为非牛顿流体,2.2 聚合物的流变行为,宾哈流体,聚合物流体总结,2.2 聚合物的流变行为,2.2.3拉伸粘度 如果引起聚合物熔体的流动不是剪切应力而是拉伸应力时，仿照式（22）即有拉伸粘度：。,剪切流动与拉伸流动的区别为，前者是流体中一个平面在另一个平面的滑动，而后

4、者是一个平面两个质点间距离的拉长,从成型工艺出发，欲获得理想的粘度，主要取决于对温度和压力 。 1.温度对剪切粘度的影响 提高其温度不超过分解温度，粘度可下降。但是,将温度调节，对有的塑料效果颇佳，有的则差。,2.2 聚合物的流变行为,2.2.4 温度和压力对粘度的影响,注意表观粘度对温度的敏感性！,1.压力对剪切粘度的影响 提高压力对塑料粘度起增大作用。粘度对压力的敏感性也因塑料品种而异。成型制品时，应注意模具温度状况和浇注系统结构同样对塑料熔体充模流动粘度发生重要影响，要真正实现合理的粘度，还必须包括这部分的设计要合理。,2.2 高聚物的流变性质,2.2 聚合物的流变行为,2.2 聚合物的

5、流变行为,2.2.5弹性,聚合物流体在流动过程中，不仅有剪切流动，而且存在拉伸流动。由于流动中的拉伸力，使聚合物分子产生弹性变形，这种弹性变形不能很快恢复，有一定的滞后时间。弹性形变恢复时会产生以下弹性行为。,挤出塑料时的出模膨胀,高分子粘流过程中伴随着可逆的高弹形变，这是高分子熔体区别于低分子液体的重要特征之一。,1、在圆形截面流道中流动 2、在狭缝流道中的流动,2.2 聚合物的流变行为,2.2.6聚合物在模内的流动,2.3 聚合物在模内的流动,2.2.7 流动缺陷,2.2 聚合物的流变行为,2.端末效应：聚合物熔体在成型时往往要通过大小不同的浇口和浇道，当熔体经过流道截面变化部位时，界面的

6、影响将会弹性膨胀或收敛运动。,1.管壁上的滑移,2.3 聚合物在模内的流动,挤出胀大现象,胀大比,die,2.2 聚合物的流变行为,入口效应、离模膨胀,Unstable flow,A,B,C,1 保证制品的成型质量，在必要时避免或减小入口效应。 2 在确定注射压力时，在考虑所有流道（包括浇口）总长引起的压力损耗的同时，还要考虑入口效应引起的压力损失,在工程实践中考虑入口效应的目的有两个：,Unstable flow,现象 波浪 鲨鱼皮 竹节 螺旋 不规则破碎,A,B,C,解释 高弹湍流：高切变速率下，当高弹形变的储能超过克服粘滞阻力的流动能量时产生的不稳定流动 熔体在管壁的滑移（B 处） 熔体

7、流经管道死角（A、C 处） ,2.3 聚合物在模内的流动,3失稳流动和熔体破裂,2.2 高聚物的流变行为,鲨鱼皮形,波浪形,竹节形,螺旋形,不规则破裂,2.3 聚合物在模内的流动,2.2 高聚物的流变行为,2.3 聚合物的加热与冷却,热源： 外热：电阻丝（经济、简单、方便、温度波动较大）；微波（适合较厚发泡成型）；红外线；热油（温度控制精确，设备复杂，成本高）；热水、蒸气。 内热：摩擦热 冷却：水（注射模、挤出定型模、中空模等）；空气,思考题,为什么塑料加热与冷却不能有太大的温差？ 答：塑料是热的不良导体，导热性较差。加热时，热源与被加热物的温差大，物料表面已达到规定温度甚至已经分解，而内部温

8、度还很低，造成塑化不均匀。冷却时温差大，物料表面已经冷却，而内部冷却较慢，收缩较大，形成较大的内应力。,2.4聚合物的结晶,一、聚合物结晶概念 结晶是指聚合物从熔融状态到冷凝时，分子由独立移动的、完全处于无秩序状态变成分子停止自由移动，取得一个略微固定的位置，并有一个使它们自己排列成为正规模型倾向的一种现象。 聚合物由高温熔体向低温固态转变过程中，若分子链能够稳定规整排列，则称为结晶型；分子链不能得到规整排列，则称为非结晶型。,2.4聚合物的结晶,两类聚合物,有结晶倾向,无结晶倾向,结晶度：聚合物是不可能完全结晶的，仅有有限的结晶度，而且结晶度依聚合物结晶的历史不同而不同。,结晶过程是聚合物由

9、非晶态转变为晶态的过程，发生在Tg和Tm温度之间。,2.4聚合物的结晶,二、聚合物的结晶能力 1、聚合物结晶的重要因素： 1）、分子空间排列的规整性 2）、严整的重复空间结构 规整性：a、不要求高度对称 b、不是全部链接都规整，允许部分 不规整（支链、交链、构型不规整），不能太多，规整占优势。,2.4聚合物的结晶,三、结晶对性能的影响,例1：PET 非晶态：室温下呈透明状，玻璃化温度为67，密度为13 3。 晶态：是不透明的，玻璃化温度为81，密度为1455。,例2：PE 结晶度自60至80的聚乙烯试样知： 它的弹性模量从230MPa增至700MPa。其它如表面硬度和屈服应力的变化趋势也一样。

10、,2.5成型过程中的定向作用,定向：指聚合物大分子及其链段在应力作用下形成有序排列,定向有三类： 纤维状填料的定向，热固性模压 大分子链段几何形状不对称的固体粒子在剪切流动方向的流动取向。 外力拉伸，大分子链段或微晶沿受力方向拉伸取向。,纤维填料和聚合物分子在很大程度上都会顺着流动方向平行排列,2.5成型过程中的定向作用,顺着流动方向做平行排列纤维定向作用,结果：制品的各向异性，有的追求，有的要避免。,2.5.1 热固性塑料制品中的纤维填料定向,2.5成型过程中的定向作用,2.5.2用热塑性塑料生产制品时，只要在生产过程中存在着熔体流动，几乎都有聚合物分子定向的问题，不管生产方法如何变化，影响

11、定向的外界因素以及因定向在制品中造成的后果基本上也是一致的。 流动取向会造成制品各向异性，存在内应力，一般不希望在制品中存在取向。 塑料试样在分子定向的力学强度,2.5成型过程中的定向作用,聚向程度取决于剪切力大小、作用时间和解取向的程度,2.5成型过程中的定向作用,随着塑模温度、制品厚度 ( 即型腔的深度 ) 、塑料进模时的温度等的增加，分子定向程度即有减弱的趋势； 增加浇口长度、压力和充满塑模的时问，分子定向程度也随之增加； 分子定向程度与浇口安设的位置和形状有很大关系，为减少分子定向程度，浇口最好设在型腔深度较大的部位。,2.5成型过程中的定向作用,2.5.3 拉伸定向 在玻璃化温度与熔

12、点温度之间的温度区域内，沿着一个方向拉伸，则其中的分子链将在很大程度上沿着拉伸方向做整齐排列。,2.6 聚合物的降解,聚合物的降解 在高温、应力、氧气、水分等外部条件的作用下，聚合物发生化学分解反应，使聚合物分子链断裂、相对分子质量下降等结构变化。,2.6 聚合物的降解,降解：在光热氧等外界因素影响下，聚合物分子量下降，化学结构发生改变，导致外观、力学性能等下降。 降解的类型： 热降解。 氧化降解。 力降解。 水降解。,一次性降解制品,思考题：,1、什么是降解？ 2、发生热降解的塑料主要有哪些？如何有效防止热降解？ 3、氧化降解主要有哪两类？如何有效防止氧化降解？,2.7热固性塑料的交联作用,

13、、交联度的概念 热固性塑料：尚未成型时，主要组成物(树脂)都是线型聚合物。 这些线型聚合物在分子链中都带有反应基团(如羟甲基等)或反应活点（双键） 。 交联反应：反应基团、反应活点与交联剂作用而交联在一起。 交联度：已发生的反应点与可反应点的比值由于交联反应具有不完全性。 交联度不能百分之百的原因： 交联过程是三维发展，形成巨型网状结构，但随之未反应点的接触受阻； 反应系统包含了不能去出的反应生成物，阻止反应。,硬化度 工业上常使用的术语，意义是指交联度发展到一个适宜程度时，制品性能达到最佳程度。称做百分之百硬化。超过“过熟”，反之“欠熟”。 很显然与交联度有对应关系，但是不相等，因为交联度不可能达到百分之百。,