塑料成型的理论基础

⑸导热系数：是指材料传播热量的速度。导热系数越高， 材料内热传递越快。导热系数随温度的增加而增加，由于 聚合物的导热系数很低，所以不管在料筒中加热还是在模 具中冷却，都需要一定的时间。有时为了提高加热和冷却 效率，还采取一些技术措施。（料筒内壁加厚是为了增加 热惯性、热流道结构等）
⑹密度与比容：密度是指聚合物单位体积内分子的数量， 比容是指聚合物单位体积的大小。 ①密度增加会使制件中的气体和溶剂渗透率减少，制件 的拉伸强度、断裂伸长、刚性、硬度、软化温度提高；也 会使压缩性、冲击强度、流动性、耐蠕变性能降低。 ②比容是衡量不同工艺条件下高分子结构所占有的空间， 各种状态下的膨胀与压缩，是制件的尺寸反面的重要参数。
15.3 注射制品中的取向
1、取向机理 ：在加工过程中，在力的作用下，流 动的大分子链段一定会取向，取向的性质和程度根 据取向条件有很大的区别。
2）压缩相
在压缩相中，注塑机螺杆继续向前对模腔内的熔 体继续进行压实的过程。
柱塞或螺杆在保压过程中继续向前进行一定移动， 这时压力曲线将与时间坐标轴平行。
3）补偿相
注射机对模腔内逐渐开始冷却的熔体因成型收缩而 出现的空隙进行补料之动作。 柱塞或螺杆在补偿过程中继续向前进行一定移动， 这时压力曲线将与时间坐标轴平行。
① 大分子链段本身开始变形的温度当温度高于玻璃 化温度时，大分子链开始自由活动，但还不是整个分 子链段的运动，这时表现出高弹性的橡胶性能； ② 当低于玻璃化温度时，链段被冻结变成坚硬的固 态或玻璃态 ； ③ 橡胶的玻璃化温度低于室温。所以橡胶在常温下 处于高弹态；而其它塑料在常温下是处于脆韧性的玻 璃态。
2 、聚合物的热物理性能 • ⑴、玻璃化温度：是指线性非结晶型聚合物由玻璃 态向高弹态或者由高弹态向玻璃态的转变温度。
④ 高聚物的自由体积理论 ：高聚物分子结构所占有的整 个体积分成两部分 ；一部分是分子链所占有的空间， 而另一部分是分子链之间的自由空间。 ⑤ 高聚物在玻璃化温度以上的总自由体积等于玻璃化温 度下的自由体积与热膨胀系数乗以温升之和。在预塑化 时，位于螺槽中的高分子固态物料，在升至玻璃化温度 以后，随着温度的升高物料自由体积会增加，其比容也 会加大。
三、聚合物的力学特性 ３、形变与时间关系： ⑴、聚合物材料在一定温度下承受恒定载荷时，将 讯速地发生变形，然后在缓慢的速率下无限期地变 形下去 ⑵、若载荷足够高时变形会继续到断裂为止。 ⑶、聚合物的蠕变性质 ：是指在温度和载荷都是恒 定的条件下，变形对时间依赖的性质。
四 、聚合物的流变性能 １、聚合物的流变性能：是指聚合物材料加热到熔融 状态下 ,在机器某些部位上（如螺杆、料筒、喷嘴及模 腔流道中）形成流场。在流场中熔体受到应力、时间、 温度的联合作用发生形变或流动性能。
b） 热固性塑料
常温下固态 加热 熔融 继续加热 高温下固化
（线性或支链型结构）
（体型网链状结构）
成型特点： 不可逆、化学反应（交联反应）
常用的热固性塑料 酚醛树脂（PF） 氨基塑料（UF） 环氧树脂（EP） 不饱和聚酯等
热塑性塑料常采用注射、挤出或吹 塑等方法成型。
热固性塑料常采用压缩或压注方法成 型，有时也可以采用注射成型。
1）合成树脂 （40%~100%）
受热软化后可将塑料的其它组分加以粘 合，并决定塑料的主要性能
2）添加剂
包括填充剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、 着色剂和固化剂等
2．聚合物的特点： • （1）含原子数量多，一个高分子中含有几千个、 几万个、甚至几百万个原子。 • （2）分子量大，高分子化合物的分子量一般可 自几万至几十万、几百万甚至上千万。例如尼 龙分子的分子量为二万三千左右，天然橡胶的 为四十万。 • （3）分子长度相对于低分子长，例如低分子乙 烯的长度约为0.0005μm，而高分子聚乙烯的长 度则为6.8μm，是前者的13600倍。
② 注塑过程中，塑料加热或冷却特性是由聚合物的热 含量与温差来决定的，而热传递速率正比于材料与热源 之间的温差。 ③ 一般冷却比熔化快，料筒的温度与材料温度接近， 而模具的温度与材料温度差距很大，加热时间取决于料 筒内壁与料层之间的温差和料层厚度。
⑷ 热扩散系数：又叫导热系数，其值是指温度在加热物 料中传递的速度。是由单位质量的物料温度升高1度时所 需的热量（比热容）和材料吸收热量的速度（导热系数） 来决定的。 压力对热扩散系数影响小，而温度对热扩散系数影响大。
ηa——非牛顿型流体的表观粘度，对于假塑性流体， 表观粘度随着剪切速率的提高按指数规律降低。
粘度是描述塑料熔体流变行为最重要的量度。 牛顿型流体：η ——不变的常量。
非牛顿型流体： a
n 1 K
15.2 注射过程及塑料熔体在型腔中的流动
一、注射工艺过程
颗粒、粉 状塑料进 入注射机 料筒，加 热熔融
牛顿在研究低分子流体时发现： 在流体液层单位表面上所施加的切应力τ与液层 间的速度梯度（即剪切速率 γ ）成正比
dv d dr dt

比例常数，称 为牛顿粘度
上式即为牛构有关，液体一定时， 只有改变温度才能时使之发生变化，所以η是液体的
固有特性，可以用来表征液体在外力作用下抵抗切
变形的能力。 通常，η越大，液体的粘稠性越大，故切变形和 流动越不容易发生，一般都需要比较大的切应力； 如果η越小，情况就刚好相反。
η的单位是Pa.s或者（N.s）/m2。
在描述假塑性流体的经验方程：
dv d K K K n n 1 dr dt
2 、聚合物的热物理性能 ⑶、分解温度及燃烧特性：热分解温度是指在氧气 存在条件下，高聚物受热后开始分解的温度范围。
① 依聚合物化学结构式不同而有显著的差异，此外还与 物料的形态有关。 ② 在注塑过程中，无论是在预塑阶段还是在注射阶段， 只要聚合物局部温度达到分解温度，高分子物料就会迅 速生成低分子量的可燃性物质。聚合物的热分解在氧气 充足条件下是放热反应，产生的热会继续加热聚合物。 当聚合物达到燃点时就会燃烧，燃烧体系的温度是否会 上升，产生的燃烧热是否和体系进行对流，都与热分解 温度，比热容以及导热系数等物理性能有密切关系。 ③ 注塑时，对聚合物分解温度的控制是十分重要的，否 则分解出燃烧物质不仅会影响制品质量，还会腐蚀设备， 危害人体。
⑺膨胀系数与压缩系数： ①膨胀系数与压缩系数是指比容在恒压下由 温度变化而引起变化的特性。 ②聚合物比容不仅取决于温度而且取决压力。 ③聚合物比容在不同的温度下随压力的变化 而变化，压力增高，密度加大，比容减小，这 点在成型中用压力来控制产品的质量和尺寸精 度很重要。
2 、聚合物的热物理性能 • ⑴、玻璃化温度：是指线性非结晶型聚合物由玻璃 态向高弹态或者由高弹态向玻璃态的转变温度。
3. 聚合物的分类： • 1）聚合物大分子基本上都属于长链状结构，按 结构不同可分为：
a) 线型聚合物
b)带有支链的线 型聚合物
c)体型聚 合物
• 2）按分子结构及热性能不同分 a) 热塑性塑料
加热 固态 冷却 熔融
成型特点： 可逆、物理反应
常见的热塑性塑料 聚乙烯（PE） 聚丙烯（PP） 尼龙（PA） 聚氯乙稀（PVC） 聚苯乙烯（PS） 聚碳酸酯（PC） 聚甲醛（POM） ABS等
3、聚合物降解及热稳定性
⑴降解，是指递解分解作用，在高分子化学中，通 常是指在化学或物理作用下，聚合物分子的聚合度降 低过程，聚合物在热，力，氧气，水及光辐射等作用 下往往发生降解。降解过程实质是大分子链发生结构 变化。
⑵ 聚合物是否容易发生降解，依其分子内部和分 子外部结构有关；是否有分解的杂质有关；能引起高 聚物降解的杂质，一般都是热降解的崔化剂，如： PVC 分解的产物是氯化氢，POM分解产物是甲醛， 它们有着加剧高聚物降解的作用。
n n
式中，K与n对于某一种粘性流体而言均为常数 K——稠度，K值愈高，流体粘度愈大； n——非牛顿指数，对于假塑性流体，n<1，n 值离整数1愈远，流体的非牛顿性愈强。
为了与牛顿型流体公式相比较，可将上式改写为：
n 1 a K
取
a K n 1
则
a
三、聚合物的力学特性
１、形变与应力关系 ：材料的力学特性是指材料在外力 的作用下，产生变形，流动与破坏的性质。 ⑴、反应材料基本力学性质的量主要有两类；一类是 反应材料变形情况的量如模量或柔度，泊桑比；另一 类是反应材料破坏过程的量，如比例极限，拉伸强度， 屈服应力，拉伸断裂等作用。 ⑵、从力学观点看，材料破坏是一个过程而不是一个 点。 ２、应力与时间的关系 ：聚合物材料主要特征之一是应 力对其作用时间的依赖性。 ⑴、聚合物在较高温度下力作用时间较短的应力松驰 行为和在温度较低力作用时间较长的应力松驰行为是 一致的。
２、关于流变性能 ⑴ 、剪切速率，剪切应力对粘度的影响(即切力变 稀 )。 ⑵ 、剪性聚合物：是指聚合物的剪切粘度对剪切 速率的依赖性越强，粘度随剪切速率的提高而讯速 降低的聚合物。 ⑶、这种剪切变稀的现象是聚合物固有的特征， 但不同聚合物剪切变稀程度是不同的，这一点对注 塑有重要意义。
五、聚合物熔体的粘性
充 模
压 实
保 压
倒 流
冷 却
塑 件
二、塑料熔体在型腔中的流动
1）充填相
是指注射机将塑化好的熔体注射进入模腔的过程。 熔体在注射过程中会遭到一系列的流动阻力， 这些阻力一部分来源于机筒、喷嘴、模具浇注系 统和模腔表壁对熔体的外摩擦，另一部分则来源 于熔体自身内部产生的粘性内摩擦。 为克服流动阻力，注射机必须通过螺杆或柱 塞向熔体施加很大的注射压力。
塑料成型的理论基础
15.1 塑料的基本性质
一、聚合物分子的结构特点 1. 基本概念 • 1）塑料的主要成分是树脂→树脂分为天然树脂 和合成树脂。
•
2）聚合物：是由一种或几种简单化合物通过 聚合反应而生成的一种高分子化合物。合成树 脂就是一种聚合物，简称高聚物或聚合物。