《#20第二章 成型加工过程中材料的性能》由会员分享，可在线阅读，更多相关《#20第二章 成型加工过程中材料的性能（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章成型加工过程中材料的性能1引言塑料的种类繁多，性质也是多种多样的。按照塑料的热行为可分为热塑性塑料（如聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙等）和热固性塑料（如酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂等）。如果按照塑料聚集态结构中分子排列的有序程度又可分为结晶性塑料（如聚乙烯、聚丙烯、聚甲醛等）和非结晶性或称无定形塑料（如聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯等）。热塑性塑料的各长链分子之间靠范德华力维持在一起，故对温度非常敏感，并具有加热软化、冷却凝固的可逆性质；热固性塑料由于化学键合，对温度不敏感，并具有冷却后再加热不软化的不可逆性质。总体上讲，由于塑料的结构特点往往具有较低的密度，很低的导电性和导热性。除了这些共有的性
2、质外，每种塑料还具有本身的独特性质。在工业生产中，塑料成型过程主要是将固体聚合物（粉状、粒状、片状）转变为可流动状态（熔体或溶液）使其表现出可塑性，固定其形状并生产出具有使用性能的产品。成型过程与塑料的固体状材料性质、流动性质以及热物理性质密切相关，这些性质从某种意义上决定着塑料成型设备设计和成型工艺。2固体聚合物性质2.1 表观密度固体聚合物的表观密度是指料粒在无外压下包含空隙时的密度。它的大小直接影响着材料的输送过程，形状不规则的料粒如纤维状、片状往往密度较低。过低的密度（pv200kg/m3）难以均匀进料，从而影响输送效率和塑化质量的稳定性，需要特殊的设备或者通过增大螺杆固体输送段的直径
3、来提高固体的输送率。固体聚合物在压力作用下的密度变化也是了解物料输送行为的重要参数，它反映了材料的可压缩性，可根据其密度变化的大小（20）把物料分为粘附材料（或称自由流动材料）和非粘附材料（非自由流动材料）。易于压缩的物料会因在料仓中的密实而引起卸料困难，特别是当可压缩性超过40时会非常明显。对于物料的可压缩性也可用手挤实验来定性说明，用手把物料挤成一团，释放后物料仍保持为坚硬的团状而很难分离时说明物料的可压缩性较高；当物料仍保持为团状而很容易分离时说明物料的可压缩性是中等水平；当释放后物料为分散状时则说明物料的可压缩性较低。2.2 固体料粒的形状与尺寸料粒尺寸是指它的直径或等效直径大小，它的
4、尺寸范围变化很大（0.1pm5mm以上），除此之外，对料粒尺寸的描述还有它的表面积、空隙尺寸和体积等。料粒的形状可通过显微镜来观测，料粒间以及料粒与金属表面间的摩擦系数会随着料粒的形状变化而变化，切料过程的细小变化都会给塑料成型带来许多问题。固体料粒的输送难易常常由料粒的尺寸所决定，颗粒状料粒（5rnm）处于可自由流动状态井不易裹入空气而易于输送；细粒状料粒（0.15mm）常常处于可自由或半自由流动状态并易裹人空气，有时需要特殊的设备（如在料仓中加人振动填料器）来保证稳态流动；粉状料粒（V00.1mm）易于粘附和裹入空气，必须采取必要的预防措施。3 塑料熔体的流动性质从聚集态结构来看，塑料熔体
5、是处于粘流温度或结晶熔点以上的熔融态高聚物。塑料的成型加工几乎都是通过其粘流态的流动性来实现的。材料的流动性是指一定压力和温度下，高聚物熔体流动的难易程度。流动性好的材料可以在较低的温度和压力下成型加工，并可以制成较复杂形状的制品，而流动性差的材料必须相应地提高其加工温度和压力。因此在成型加工中必须根据其流动性能选择合理的加工条件和加工设备。在实际应用中，表征高聚物流动性的基本参数有两个：表观粘度和熔体流动速率。3.l 表观粘度表观粘度是表征高聚物流动性的基本参数，它是实际测量出来的，具有一定的表观性。它反映熔体流动中流层之间的摩擦阻力，可定义为：7=r/y式中：耳表观粘度,Pa-s;r剪切应
6、力，Pa;7剪切速率影响表观粘度的主要因素有分子量、温度、剪切速率、压力等。在实际的成型加工过程中，塑料熔体往往经历不同的压力、温度和剪切速率的变化过程，要完全描述加工条件的变化对熔体流动性质的影响，就必须知道在各种条件（温度、压力、剪切速率）下塑料材料的特性数据。虽然我们能够测量一定条件下的这些数据，但无法测量所有条件下的数据，解决的途径是建立能描述一般条件下材料特性的粘度模型。一旦模型建立起来，便可以从有限的实验数据中确定模型参数，并将它运用到其它条件中。3.2 熔体流动速率熔体流动速率（MFR）是在一定的温度和载荷下，熔体每10min从标准的测定仪所挤出的物料质量，单位为：g/10min
7、，测试标准见ASTMD1238或GB/T3682-00。同种材料在相同条件下，MFR越大，流动性越好。不同材料或选择的条件不同，就不能用MFR的大小来比较它们之间的流动性好坏。在塑料加工中，MFR不同，其加工条件和用途不同。一般情况下，MFR大的材料可采用注射成型加工，MFR小的材料可采用挤出成型加工，介于二者之间的材料适于吹塑成型。表观粘度（n）与mfr、熔体密度（p）、载荷（f）的关系可近似表示1a为：4.S6*p*F弘丟MFB从上式中可以看出，表观粘度与MFR成反比，高MFR对应于低粘度塑料熔体。现列举一例加以说明，当塑料的MFR=0.2g/10min，密度p=1.0g/cm3,在测试条
8、件（F=21.6N、温度为190C）下，塑料熔体的表观粘度近似为52.49kPaS，剪切速率为0.37S-1。在相同的条件下，如果MFR=20g/10min，塑料熔体的粘度近似为525Pas，剪切速率为37S-1。MFR实际上是测量低剪切速率下的熔体粘度，虽然比实际加工时的剪切速率低得多，但对表征高聚物在一定条件下的流动性仍具有重要意义，而且试验方法简单，因此得到了普遍应用。3.3 熔体粘度对分子量的依赖性由于具有较长的分子链，一般塑料熔体的粘度都较大，粘度会随着分子量增高而增大。当分子量较低时，粘度随分子量变化为1.52次方的关系，当分子量达到某一值（临界分子量）时，粘度随分子量升高急剧上长
9、为34次方的关系。分子量对粘度影响的主要原因是高分子链段缠结的结果。由于粘度与塑料成型加工密切相关，因此不同分子量也决定了其材料的不同成型方法和用途，如纺丝粘度不能太大，使分子量低一些；注射成型对流动性要求也很高，故也需分子量低一些，而吹塑和挤出成型分子量可以相对大一些。表1为聚乙烯加工方法与分子量间的关系。表1聚乙烯成型方法与分子的关系分子匯A/n3x104-4x1015.5xIO48.5xIO46.5xIO41.2xW5成型方法IO510IO51010765325102103IO3IO367表2塑料成型中剪切速率的变化范围成型方法剪切速率/s成型方法剪切速率/s纺丝注射图1典型塑料熔体的流
10、动曲线模压压延挤出成型加王区间IfIIVoV.1I幕律近似3.4 熔体粘度对剪切速率的依赖性在各种塑料成型加工方法中熔体所受的剪切应力大小不同，流动中剪切速率的变化很大（见表2）。熔体的剪切粘度随剪切速率的变化规律对了解和控制成型加工过程非常重要。塑料熔体的粘度随剪切速率的改变有特殊的规律，图1为典型的塑料熔体lognlogy图。从图1中可以看出，当剪切速率很低（V1s-1）或很高（1x105S-1）时,粘度基本上不随剪切速率的变化而变化，n和n分别称为零剪切粘度和无穷0g剪切粘度。而在实际的成型剪切速率范围内（11x105s-1），大部分塑料熔体的剪切粘度随着剪切速率增大而减小，表现出“剪切
11、变稀”的流变特性。虽然目前尚无确切反映塑料熔体本质的流变学公式，但可用一些简化模型来表征，其中最简单的是幕律模型：7）-m式中：n为幕律指数，它反映了剪切粘度随剪切速率增加时的衰减程度。对于剪切变稀的塑料熔体，n处于01之间，当n=0.81.0时，熔体近似于牛顿流体，当nV0.5时，熔体表现出非常强的非牛顿流体特性（见表3）。表3常用塑料的幕律指数材料幕律指数n材料幕律指数nPS0.30SAN0.30PVC0.30ABS0.25PMMA0.25PC0.70LDPE0.35PP0.35LLDPE0.60PA60.70IIDPE0.50PET0.60常见的塑料除聚苯乙烯外，聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯
12、等都属于对剪切速率敏感的塑料。在塑料加工中，通过调整剪切速率来改变熔体粘度，显然只有粘度对剪切速率敏感的塑料才有较好的效果，对另一类塑料可用对其粘度更为敏感的因素（如温度）。对加工过程来说，如果塑料熔体的粘度在很宽的剪切速率范围内都是可用的，则应选择在粘度对剪切速率较不敏感的剪切速率下操作，因为此时剪切速率的波动不会造成制品质量的显著差异，使产品质量的均匀性得到保证。3.5 熔体粘度对温度的依赖性温度对粘度的影响很复杂，总体上讲，随着温度升高，聚合物分子活性增加，粘度会随着温度升高而降低，因此利用塑料这一特性，在较高的温度或尽可能的高温下进行加工成型，温度对粘度的影响也成了成型加工中至关重要的
13、因素。对于大多数塑料，在考虑到温度效应时，可以通过转换因子来描述粘度对温度的依赖性，它的幕律关系式可以写成：T-叫哲尸式中：衍为转换因子，对聚烯屋須料可以写成：式中：E，R分别为活化能和气体普适常数。这个关系式也叫Andrade式，它可以应用到结晶聚合物和温度超过玻璃化温度T+100C时的非晶聚合物。从g中可以看出，作为高分子材料重要流变参数的活化能表征了粘度对温度的敏感性。对那些活化能较高的塑料材料，提高加工温度会增加材料的流动性，而对于那些活化能较小即粘度对温度敏感性小的塑料材料，通过升温提高物料流动性的效果甚微。对于非晶聚合物，常常采用WLF方程来定义转换因子:-rjI式中：C,，C2为
14、材料常数，参考温度T一般取T+43C,对于大多数非晶聚12rg合物，C=8.86，C2=101.6。尽管聚合物对温度的敏感程度变化很大，但总体上讲，非晶聚合物（如PMMA、PVC）对温度的依赖性较强，当成型温度越接近它的玻璃化温度时，粘度对温度的敏感程度就越高；当成型温度大于Tg+150C时，温度对粘度的影响相对很小。而结晶聚合物（如PP、PE）对温度的依赖性不是很大。一些常见塑料粘度随温度的变化特性见表4。表4常用塑料粘度随温度的变化特性材料粘度随温度的变化17dT材料粘度随温度的变化T)dTPS0.()8SAN0.20PVC0.20ABS0.20PMMA0.20PC0.05LDPE0.03
15、PP0.02HOPE0.02PET0.034 塑料熔体的粘弹性行为粘流态塑料熔体是粘性与高弹性两种性质并存的，在成型流动中常伴随有弹性反应，最突出的表现为挤出胀大和熔体破裂。4.1挤出胀大现象所谓挤出胀大是指塑料熔体被强迫挤出口模时，挤出物的尺寸大于口模尺寸，截面形状也发生变化的现象，这主要是由弹性形变的松弛引起的。挤出物胀大现象亦称巴拉斯效应或出口膨胀，是指熔体挤出口模后，挤出物的截面积比口模截面积大的现象。当口模为圆形时，如图2所示，挤出胀大现象可用胀大比B值来征。B定义挤出物最大直径值df与口模直径d0之比。挤压机挤出物胀大现象是高分子熔体弹性的表现。至少有两方面因素引起。其一,是高分子熔体在外力作用下进人窄口模，在人口处流线收敛，在流动方向上产生速度梯度,因而高分子受到拉伸力产生拉伸弹性形变。这部分形变一般
