第十五章塑料成型的理论基础
塑料成型的理论基础
剪切应力：τ
√
拉伸应力：σ
流体静压力：P
材料受力后产生的形变和尺寸改变（即几何形状的改 变）称为应变γ。
在上述三种应力作用下的应变相应为简单的剪切、简 单的拉伸和流体静压力的均匀压缩。 合物加工时受到剪切力作用产生的流动称为剪切流动。 如：聚合物在挤出机、口模、注射机、喷嘴、流道等中的 流动。 聚合物在加工过程中受到拉应力作用引起的流动称为 拉伸流动。如：拉幅生产薄膜、吹塑薄膜等。 加工中流体静压力对流体流动性质的影响相对来说不 及前两者显著，但它对粘度有影响。 在实际加工过程中材料受力非常复杂，往往是三种简 单应力的组合。实际应变也是多种应变的迭加。
3.聚合物的可模塑性 聚合物在温度和压力作用下发生形变并在模具型 腔中模制成型的能力，称为可模塑性。 注射、挤出、模压等成型方法对聚合物的可模塑性 要求是：能充满模具型腔获得制品所需尺寸精度，有 一定的密实度，满足制品合格的使用性能等。 √ 可模塑性主要取决于聚合物本身的属性(如流变性、 热性能、物理力学性能以及热固性塑料的化学反应性 能等)，工艺因素(温度、压力、成型周期等)以及模具 的结构尺寸。
当熔体以速度υ从喷丝板毛细孔流出后，形成稳定细流。 细流的稳定性可用下式表示：
可以看出，聚合物具有可纺性，在于其熔体粘度较高 (约104Pa· s)、表面张力较小(约为0.025N／m)所致。纺丝 过程中，由于拉伸定向以及随着冷却作用而使熔体粘度 增大，都有利于拉丝熔体强度的提高，从面提高熔体绍 流的稳定性。 在纤维工业中，还常用拉伸比的最大值表示材料的可 纺性。
衡量聚合物可挤压性的物理量是熔体的粘 度(剪切粘度和拉伸粘度)。聚合物的可挤压性 不仅与其分子结构、相对分子质量和组成有关， 而且与温度、压力等成型条件有关。
塑料成型理论
模具材料的选择与热处理
模具材料：钢、铝、铜等金属材料以及塑料、橡胶等非金属材料 热处理：淬火、回火、正火等热处理工艺以提高模具的硬度、耐磨性和耐腐蚀性 模具设计：考虑模具的尺寸、形状、精度和表面粗糙度等因素 模具制造：采用数控机床、3D打印等先进制造技术提高模具的精度和效率
应用领域：广泛应用于汽车、家电、电子等行业
发展趋势：智能化、自动化、节能化
挤出成型机
挤出成型机是一种用于塑料成型的设备通过将塑料熔融并挤出成型。 挤出成型机主要由挤出机、模具和冷却系统组成。 挤出成型机可以生产各种形状和尺寸的塑料制品如管材、板材、薄膜等。 挤出成型机具有生产效率高、产品质量好、能耗低等优点。
耐化学性：塑料制品在化学环境中的 稳定性
耐生物性：塑料制品在生物环境中的 稳定性
检测方法：包括物理性能检测、化学 性能检测、生物性能检测等
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汇报人：
压延成型机
工作原理：通过压延辊对塑料进行连续、均匀的挤压使塑料成型为片材或薄膜 应用领域：广泛应用于塑料包装、建筑、汽车等领域 设备特点：结构简单、操作方便、生产效率高 主要参数：压延辊直径、辊间距、辊速等
塑料成型模具
第五章
模具的分类与结构
模具分类：根据成型工艺可 分为注射模、吹塑模、压塑
模等
添加标题
型腔：成型塑料制品的主要 部分决定制品的形状和尺寸
添加标题
冷却系统：控制模具温度保 证塑料制品的质量和精度
浇口：连接流道和型腔的通 道控制塑料的流动和充填
添加标题
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模具结构：包括型腔、型芯、 浇口、流道、冷却系统等
添加标题
型芯：成型塑料制品的内部 结构与型腔配合形成完整的
《塑料成型基础》课件
成型品外观质量检查
01
检查尺寸精度
测量成型品的尺寸，确保其符合设 计要求。
检查颜色和光泽
确保成型品的颜色均匀，符合预期 的光泽度。
03
02
检查表面光洁度
检查成型品的表面是否光滑，有无 气泡、划痕、凹陷等缺陷。
检查结构完整性
检查成型品是否有断裂、翘曲等结 构问题。
塑料成型的重要性
塑料制品的应用广泛
塑料制品在日常生活、工业生产、科技发展等领域应用广泛，如家电、汽车、建筑、电子 、航空航天等。因此，塑料成型技术的发展对于满足人们对各种塑料制品的需求具有重要 意义。
塑料成型技术的创新发展
随着科技的不断发展，对塑料制品的性能要求也越来越高，如强度、耐热性、耐腐蚀性等 。因此，需要不断研究和创新塑料成型技术，以提高塑料制品的性能和质量。
微纳塑料加工技术
利用微纳米技术制造超小型、超薄型 塑料零件，提高产品性能和降低成本 。
环境友好型塑料成型技术
热塑性弹性体
具有橡胶的弹性和塑料的加工性，可回收利用，减少废弃物产生。
无溶剂型塑料
在成型过程中不使用任何溶剂，减少环境污染和健康危害。
THANK YOU
不同种类的塑料在物理性能、化学性能、加工性能等 方面存在差异。
例如，聚乙烯和聚丙烯都是热塑性塑料，但聚乙烯较 软，而聚丙烯较硬；酚醛树脂和环氧树脂都是热固性 塑料，但酚醛树脂具有较好的耐热性和绝缘性，而环 氧树脂具有较好的机械强度和粘结力。
03
塑料成型工艺
注射成型
总结词
通过高压将塑料熔融并注入模具，冷却后脱模得到制品。
热固性塑料通常采用模压、传递模塑等工艺成型。
塑料成型基础
（3）成型特点：聚乙烯的成型性能好，吸水性小，成型前可不预热。聚乙 烯成型收缩率较大，且方向性明显，其注射方向的收缩率大于垂直方向 的收缩率，易产生变形、缩孔。冷却速度慢，必须充分冷却。质软易脱 模，塑件有浅的侧凹时可强行脱模。
2．聚氯乙烯（PVC）
（1）主要用途：聚氯乙烯是世界上产量最大的塑料品种之一，可用于制作 防腐管道、管件、输油管、离心泵和鼓风机等。由于电气绝缘性能优良， 聚氯乙烯可在电气、电子工业中，用于制造插座、插头、开关和电缆。 在日常生活中，聚氯乙烯用于制造凉鞋、雨衣、玩具和人造革等。 （2）基本特性：聚氯乙烯树脂为白色或浅黄色粉末，是线型结构、非结晶 型的高聚物。纯聚氯乙烯的密度为1.4 g/cm3，加入了增塑剂和填料等的 聚氯乙烯塑件的密度范围一般为1.15～2.00g/cm3。
4.聚丙烯（PP） （1）主要用途：可以制成板（片）材、管材、绳、薄膜、瓶子；可用 于制作各种机械零件，如法兰、接头、泵叶轮、汽车零件和自行车零件； 可作水、蒸汽、各种酸碱等的输送管道；可制造各种绝缘零件；可用于 医药工业中；还可用于合成纤维抽丝。 （2）基本特性：聚丙烯无味、无色、无毒，是结晶型的线型结构高聚 物。外观似聚乙烯，但比聚乙烯更透明更轻。密度仅为0.90～ 0.91g/cm3。它不吸水、光泽好、易着色。 （3）成型特点：聚丙烯不吸水，成型前不需干燥。它的成型收缩范围 大，易发生缩孔、凹痕及变形等缺陷。注射成型模具必须设计能充分进 行冷却的冷却回路。应注意控制模具温度，模温太低（<50℃），塑件 无光泽，易产生熔接痕；模温太高（>90℃），易产生翘曲、变形。
2．按塑料的用途
通用塑料—— 一般指产量大、用途广、成型性好、价廉的塑料。
工程塑料—— 一般指能承受一定的外力作用，并有良好的机械
塑料成型原理
塑料成型原理塑料成型是一种常见的加工方式，它通过加热、压力或化学反应等手段，将塑料原料变形成所需形状的工艺。
塑料成型原理是指在成型过程中，塑料原料经历了哪些物理、化学变化，以及受到了哪些力的作用，从而实现了塑料成型的过程和原理。
首先，塑料成型的原理是基于塑料的可塑性和可流动性。
塑料原料在加热的作用下，会变得柔软，并且具有一定的流动性，这使得塑料原料能够被塑性变形，从而实现成型。
在加热过程中，塑料原料的分子结构也会发生改变，使得塑料原料变得更加柔软，易于成型。
其次，塑料成型的原理还与压力有关。
在成型过程中，通常需要施加一定的压力，以使塑料原料充分填充模具，保证成型品的形状和尺寸精度。
压力的作用下，塑料原料会充分流动，并且填充模具的每一个细节，从而实现成型品的精确形状。
此外，化学反应也是塑料成型的重要原理之一。
在一些特殊的成型工艺中，塑料原料会经历化学反应，从而实现成型。
例如，聚合反应是一种常见的化学反应，通过聚合反应，可以将单体聚合成高分子化合物，从而实现塑料成型。
总的来说，塑料成型的原理是多方面的，既涉及塑料原料的物理性质，也涉及加工工艺中的力学和化学变化。
只有深入理解塑料成型的原理，才能更好地掌握塑料成型的工艺技术，提高成型品的质量和生产效率。
在实际生产中，根据不同的塑料原料和成型工艺，需要针对性地选择合适的加热温度、压力和模具结构，以实现最佳的成型效果。
同时，还需要注意塑料成型过程中的一些问题，如热变形、收缩等，采取相应的措施进行解决，确保成型品的质量。
总之，塑料成型原理是塑料加工的基础，只有深入理解和掌握塑料成型的原理，才能更好地应用于实际生产中，实现塑料制品的高质量生产。
希望本文对塑料成型原理有所启发，能够为塑料成型工艺的研究和应用提供一定的参考和帮助。
塑料成型过程中的理论基础课件
2.1聚合物的流变行为
学习目标：
1、掌握聚合物流体流变行为的类 型和特点。 2、掌握影响流动的因素。 3、了解聚合物的弹性行为和不稳 定流动。
塑料成型过程中的理论基础课件
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2.1 聚合物的流变行为(流动规律）
塑料工艺
• 流体的类型： – 大多数成型过程中都要求聚合物处于粘流状态(塑化状 态)，因为在这种状态下聚合物不仅易于流动，而且易 于变形，这给它的输送和成型都带来极大的方便。为 使塑料在成型过程中易于流动和变形，并不限定用粘 流态的聚合物(聚合物熔体)，采用聚合物的溶液或分散 体(悬浮液)等也是可以的，熔体和分散体都属于液体的 范畴。
塑料成型过程中的理论基础课件
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塑料工艺
2.2聚合物的加热和冷却
学习目标：
1、掌握聚合物热扩散系数对其加 热和冷却的影响 2、注意结晶性聚合物熔融的特征。
塑料成型过程中的理论基础课件
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加热与冷却应用实例
塑料工艺
• 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。
塑料成型过程中的理论基础课件
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3、假塑性流体：
塑料工艺
• 假塑性流体的特征 – 这种流体是非牛顿流体中最为普通的一种，它所表现的流动曲线是非直 线的。流体的表观粘度随剪切应力的增加而降低。多数聚合物的熔体， 也是塑料成型中处理最多的一类物料，以及所有聚合物在良溶剂中的溶 液，其流动行为都具有假塑性流体的特征。
• 剪敏性塑料： – 剪切速率或剪切应力升高粘度明显下降的塑料，主要 品种有PE PP PS等分子链柔性较大的聚合物。
塑料成型过程中的理论基础课件
塑料成型的基础知识
6、光学用塑料
零部件等：相机、显微镜、望远镜、眼镜，各种显示仪器的镜片等 聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、环氧树脂、硅树脂、聚酯等
第三节 塑料成型工艺性能
结晶型、线型无定形聚合物的热力学 曲线
一、聚合物的热力学性能与加工工艺性
（二）聚合物的加工工艺 聚合物力学三态适合的加工场合
玻璃态——锉、锯、钻、车、铣等机械加工 高弹态——弯曲、吹塑、真空成型等 粘流态——挤出、压延、注射等
第三节 塑料成型工艺性能
二、热塑性塑料的工艺性能
（一）热塑性塑料成型的工艺性
热固性塑料有：酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料等
（二）按塑料性能及用途分类
1、通用塑料：
指产量大、用途广、价格低的塑料。如酚醛塑料、氨基塑料、PVC、PS、 PE、PP等
2、工程塑料：
指在工程技术中作结构材料的塑料。其力学性能、耐磨性、耐腐蚀性、 尺寸稳定性均较高。如：PA、PC、POM、ABS、PSF、PPO等
一、聚合物的热力学性能与加工 工艺性
（一）聚合物的热力学性能
非晶态聚合物状态：
玻璃态 Tg以上开始转化 高弹态 （称为力学三态）
粘流态
开始转变为粘流态的温度——粘流温度Tf 玻璃化温度是非晶态塑料使用的上限温度； 熔点是结晶聚合物使用的上限温度；
脆化温度是塑料使用的下限温度； 玻璃化温度是橡胶使用的下限温度；
熔融指数
1、收缩性：
收缩率的测定：
用Ø100±0.8mm、厚4±0.2mm的圆片测定；或25±0.5mm的立方体模具
第十五章塑料成型的理论基础
4）剪切速率的影响
塑料熔体的表观粘度随着剪切速率或切应力的增 大而减少，不同种类的塑料对剪切速率的敏感性不同
五、塑料的基本力学性质
•固态塑料的第一个力学特性是蠕变特性。
• 如果把一个由热塑性树脂制成的细长板的一 端挂上重物,在放置了一个较长的时间后,就 会发现板的长度在随着时间一点一点地增大, 而且即使把重物取下来,板的长度也不会再恢 复,我们把这种现象称为蠕变.
层流流速分布模型
塑料成形中，大多数塑料熔体都 是非牛顿流体，它们中大部分近似服 从指数流动规律：
式中，K－稠度系数； n－非牛顿系数。
指数流动规律也可表示为：
称为聚合物熔体的表观粘度。它表 征的是非牛顿流体在外力作用下的抗 切应变的能力。
在聚合物流变学理论中，凡是服从指数 流动规律的非牛顿流体统称为粘性流体。根 据n的取值范围可将粘性流体分为三类：
使制品密度和强度都相应提高。另外，取向程度的提高会使线
收缩率增加，线膨胀系数也随之变化。
取向的影响因素有：
塑料熔体的加工温度，提高加工温度有利于产生解除取 向效应； 聚合物分子松弛时间，结晶型塑料松弛时间短容易使取 向冻结，其取向程度高于无定形塑料; 模具温度低时熔体冷却速度加快，冷冻取向效应提高； 塑料比热大，热导率低会降低熔体冷却速度，有利于取 向的解除； 注射压力可提高熔体的切应力和剪切速率，有助于分子 取向； 大浇口冷却慢，浇口封闭晚，取向作用加强； 快速充模使制品表面层分子取向增高，中心部位取向减 弱。
聚合物的玻璃化温度是指线型非结晶聚合物由 玻璃态(硬脆状态)向高弹态(橡胶弹性态)、或由后 者向前者转变的温度。当温度低于玻璃化温度时， 聚合物中的大分子链段凝固成坚硬的固态。当温 度高于玻璃化温度时，大分子链段就拥有了足够 的自由活动能量，但此时还不是整个大分子链段 在运动，故表现出来的还是高弹性橡胶的性质， 此时，聚合物中的自由容积会突然增加。玻璃化 温度主要与聚合物中大分子键的柔性有关。另外， 大分子的交联、结晶取向等都会使升高。
塑料成型原理
塑料成型原理
塑料成型是一种将熔化的塑料材料注入到模具中，经过冷却硬化，最终得到所需形状的工艺过程。
它是塑料加工中常用的一种方法，可以生产各种复杂的塑料制品。
塑料成型的原理基本上可以分为几个步骤：首先，将塑料原料加热到熔化状态，通常使用加热器或热板进行加热。
然后，将熔化的塑料注入到模具中，模具是根据所需产品的形状和尺寸而设计的。
注射过程可以通过压力或传动装置来完成。
接下来，熔化的塑料在模具中冷却，并逐渐变硬，使塑料得以保持所需的形状。
最后，将冷却硬化的塑料制品从模具中取出。
在塑料成型过程中，还需要考虑一些因素，如熔融塑料的温度、模具的温度、注射速度和压力等。
这些因素的控制对于获得高质量的塑料制品至关重要。
塑料成型具有许多优点，包括生产效率高、成本低、制品形状多样化等。
它被广泛应用于各个行业，如汽车制造、电子产品、日用品制造等。
总而言之，塑料成型是一种通过将熔化的塑料注入到模具中，经过冷却硬化，得到所需形状的工艺过程。
它的原理基于控制熔融塑料的温度、模具的温度、注射速度和压力等因素。
塑料成型具有许多优点，因此在各个行业得到广泛应用。
塑料成型理论
µ
牛顿型流体
牛顿在研究低分子流体时发现切应力与剪切速率之间存在 着如下关系
• dυ dγ τ = µ( ) = µ = µγ dr dt
液层单位表面上所施加的切应力与液层间的速度梯度成正 此即著名的牛顿粘性定律。 为比例常数 为比例常数， 比，此即著名的牛顿粘性定律。µ为比例常数，称为牛顿 粘度 凡符合上式的流体称为牛顿型流体
1－PMMA － 2－PP － 3－LDPE － 4－PA66 － 5－POM －
例如： 例如： 当压力从 13.8MPa升 升 高到 17.3MPa时，高 时 密度聚乙烯 HDPE和 和 聚丙烯PP的粘度要 聚丙烯 的粘度要 增加 4~7 倍，而聚苯 乙烯PS的粘度甚至 乙烯 的粘度甚至 于可增加100倍 于可增加 倍
由弹簧和粘壶串联而成
粘弹性模型
粘弹性模型是将麦克斯韦威尔模型与沃伊特-开尔文模型 粘弹性模型是将麦克斯韦威尔模型与沃伊特 开尔文模型 串联起来分析的模型
粘弹性模型
粘弹性模型
上述粘弹性模型可用以下属性表达式描述: 上述粘弹性模型可用以下属性表达式描述
r=
材料的弹性形变
τ
G1
τ τ + t + µ1 G2
影响取向的因素
提高加工温度会使聚合物分子松弛时间加长，有助于产生 提高加工温度会使聚合物分子松弛时间加长， 松弛时间加长 解除取向效应 无定形塑料的松弛时间比结晶型塑料的要长（ ），因此 无定形塑料的松弛时间比结晶型塑料的要长（ ），因此 松弛时间： 松弛时间： 无定形塑料聚合物分子的松弛时间是 结晶型塑料容易使取向冻结， 结晶型塑料容易使取向冻结，其取向度高于无定形塑料
剪切速率的影响
塑料熔体的一个显著特征是具有非牛顿性，其表观粘度随 塑料熔体的一个显著特征是具有非牛顿性， 剪切速率或切应力的增大而减小 不同种类的塑料对剪切速率的敏感性有差别
塑料成型理论基础
塑料成型理論基礎 府曉明經理手稿年 月 日第一節 塑料的粘彈性一 塑料的基本力學模型塑料在加工過程中一般要經歷玻璃態、高彈態和粘流態 在玻璃態下塑料與其它剛性材料類似 力與應變的關系符合虎克定律 在高彈態下則比角復雜 次時塑料既表現出固體的性質 彈性 又表現出流體的性質 粘性 我們將這種彈性與粘性的綜合稱為塑料的粘彈性用於描述塑料在高彈態下粘彈性的最基本的力學模型如圖 所示圖 四種基本力學模型彈性模型 粘性模型 麥克斯威爾模型沃伊特 開爾文模型彈性模型符合虎克定律的彈性固體可用一個理想彈簧表示粘性模型符合牛頓粘性定律的牛頓型流體可用盛有粘性牛頓流體的粘壺來表示 粘壺可視為一個圓柱缸體 活塞受力後在缸內推要動流體爾移動麥克斯威爾模型該模型由一個理想彈簧和一個粘壺串聯而成 彈簧受力後產生瞬時彈性變形並以等應力傳遞給粘壺 粘壺中活塞將按均勻速度移動 此時表現為牛頓型流體的黏性流動 若將這種穩定流動或變形驟然制止 由於粘壺的粘性作用 彈簧受到的拉力不能立即消除 而是逐漸減小 這就是類似粘彈體的應力鬆弛過程 故該模型又稱為鬆弛模型 在該模型中粘壺產生了不可恢復的黏性流動沃伊特 開爾文模型該模型由彈簧和粘壺並聯而成 由於彈簧與粘壺並聯在一起 受力後彈簧不會立即被拉開 此時該模型就象一塊堅硬的物體 隻能在應力作用下徐徐發生變形 當解除應力後彈簧與粘壺又慢慢回復原狀 不會產生剩余形變沃伊特 開爾文模型所描述的變形接近彈性體 當解除應力後變形能夠復原 但是並不象彈性體那樣馬上復原 而是需要一段時間 麥克斯威爾模型則接近於流體 其粘滯流動是不可逆轉的 如果將這兩個力學模型結合起來 便較好地描述線型聚合物在高彈態下的粘彈性質二 粘彈性模型粘彈性模型是將麥克斯威爾模型與沃伊特 開爾文模型串聯起來分析的 粘彈性模型的受力圖如圖 所示圖 粘彈性模型在時間 以前 均處於原始狀態 到時間 時聚合物的分子鏈尤如彈簧一樣 產生瞬時彈性形變 若受力時間很短 聚合物僅產生瞬時彈性形變 並不影響塑料制品的應用性 但若繼續施加應力 將使粘壺 移動 即聚合物的分子鏈產生粘性流動位移 應力作用時間越長 粘性形變越大 並且粘壺 也隨之移動 然而粘壺 是與彈簧 並聯的 當應力解除後 在彈簧 的彈性作用下粘壺 最終將回復到其原始位置 時刻為應力即將解除前材料的最大形變 在應力解除後的 時刻 彈簧 的彈性形變立即恢復 而粘壺 和彈簧 粘壺 仍保持形變和位移 在 時刻 彈簧 回縮 但其運動被粘壺 所推遲 的應變 將在 時刻恢復 材料的最終總應變將僅是粘壺 的粘滯流動式中 等號右邊的第一項為材料的彈性形變 第二項是基於麥克斯威爾模型的粘性流動 第三項是基於沃伊特 開爾文模型的延遲彈性 該式不僅反映了彈性材料對時間的依賴性 同時可以定性地分析溫度對聚合物力學性能的影響低溫時 由於黏度 很高 式中等號右邊第二項 第三項均很小 材料表現為銷變模量為 的理想彈性體 但是 低溫時若在低於彈性極限連續 長期地施加應力 材料會發生糯變 這主要是式中第二項粘流效應所表現出的對時間的依賴性 式中第三項所表示的流動是可恢復的 這種可恢復的延遲流動與總形變相比是很小的一部分高溫時 和 都很低 式中等號右邊第一項 第三項與第二項相比顯得很小 材料處於粘流態 總形變主要表現為黏度 的流動應該指出的是 上述粘彈性模型隻是一個理想的模型 聚合物在粘流態時一般具有非牛頓性而不是牛頓性 彈性響應為非虎克性而不是虎克性 蠕變曲線也不隻依賴時間這一個因素 但是 該模型能幫助我們定性地理解塑料在加工過程中的力學行為 指導我們合理地制定和控制塑料的成型工藝條件第二節 塑料的流變性研究物質形變與流動的科學稱為流變學 流動與形變是塑料成型加工中最基本的工藝特征 聚合物的流變行為十分復雜 黏性流動不僅具有彈性效應 而且伴隨有熱效應聚合物流體既可以是處於粘流溫度 或 以上的熔體 也可以是在不高溫度下仍保持流動狀態的溶液 本節僅討論熔體的流變行為一 牛頓型流體塑料熔體在加工過程中的流動基本上屬於層流 我們可以將層流流動看成是一層層彼此相鄰且平行的薄層流體沿外力作用方向進行的相對滑移圖 為流體在圓管中層流滑移的示意圖圖 層流滑移的示意圖牛頓在研究低分子流體時發現切應力與剪切速率之間存在著如下關系τ μ dv/dr)=μdγ/dt= γ 式式 說明 液層單位表面上所施加的切應力 與液層間的速度梯度 成正比 此即著名的牛頓黏性定律 為比例系數 稱為牛頓黏度 它是流體本身固有的性質 其數值表征了流體抵抗外力引起流動形變的能力 不同流體的 值不同 它與流體的分子結構及流體溫度等密切相關凡符合式 的流體稱為牛頓型流體 牛頓型流體的應變具有不可逆性 應力解除後形變將永遠保持下去 這是純粘性流動的特點實踐証明 真正屬於牛頓型流體的是氣體 低分子化合物的液體 在塑料熔體中 除聚碳酸脂 等少數幾種和牛頓型流體相近外 絕大多數隻是在切應力很小或很大時才表現為牛頓型流體 塑料熔體在通過模具的澆注系統和注入系統時 其所受到的切應力並非很大或很小 故它們表現出的流動行為與牛頓流體不符 凡與式 不符的流體皆稱為非牛頓型流體二 非牛頓型流體非牛頓型流體包括黏性流體 粘彈性流體和時間依賴性流體 在常用塑料中 隻有少數聚合物的溶液呈時間依賴性 故暫不作討論 目前對黏性流動中的彈性行為的認識尚未十分清楚 所以通常將非牛頓型流體都簡化為黏性流體處理 必要時才進行某種修正 黏性流體的特征是在受力流動時 其剪切速率隻依賴於切應力的大小 而與切應力的作用時間無關黏性流體又分為賓哈流體 膨脹性流體和假塑性流體 這幾種流體的流動曲線如圖 所示圖 幾種流體的流動曲線從圖 中可以看出 賓哈流體隻有當切應力增加到某一臨界值時才開始流動 流動特征類似於牛頓型流體 切應力與剪切速率呈線性關系 屬於這種類型的如具有凝膠結構的聚合物溶液膨脹性流體的特點是在高速作用下 流體體積產生膨脹 切應力隨著剪切速率的提高有非線性增大的趨勢 如圖 所示 膨脹性流體的粘度隨剪切速率的增加而升高 稱為切力增稠現象 膨脹性流體一般較少 屬於膨脹性流體的如含有增塑劑的塑料糊 少數有填料的聚合物熔體等圖 幾種流體的黏度與剪切速率的關系假塑性流體是非牛頓型流體中最普通 最常見的一種 幾乎絕大多數聚合物熔體與溶液 其流動行為都接近於假塑性流體 從圖 中可以看到 切應力與剪切速率曲線在彎曲的起始階段有類似塑性流動的行為 故稱這類液體為假塑性流體 從圖 中可以看到 假塑性流體的黏度與剪切速率曲線偏離牛頓型流體曲線向下彎曲 黏度隨剪切速率的增大而降低 稱為切應力變稀現象在描述假塑性流體的經驗方程中 指數方程能較好地反映黏性流體的流變性質 該經驗方程認為 定溫下 在某段剪切速率的范圍內 黏性流體所受的切應力與剪切速率具有指數函數的關系 其數學表達式為τ=K(dv/dr)n=K(dγ/dt)n=Kγn (n< )式中 與 對於某一種黏性流體而言均為常數 稱為稠度 值癒高 流體的黏度癒大 為非牛頓指數 對於假塑性流體 值離整數 癒遠 流體的非牛頓性癒強為了便於和牛頓型流體公式相比較 可將式 改寫為τ=(Kγn- )γ取 η=Kγn-則 τ=ηγ式中 η稱為非牛頓型流體的表觀黏度 對於假塑性流體 η隨著γ 的提高按指數規律降低三 影響黏度的因素黏度是描述塑料熔體流變行為最重要的量度 由前面的討論可知 對於某種牛頓型流體 其牛頓黏度 為一個不變的常量 對於非牛頓型流體來說其表觀黏度 於流體的稠度 非牛頓指數 以及剪切速率 密切相關 而稠度 和非牛頓指數 又受溫度的影響 此外 壓力 聚合物的結構等也對黏度有著不可忽視的影響 下面分別討論溫度 壓力 剪切速率及聚合物的結構因素對黏度的影響溫度的影響研究結果已經証實 在粘流態 熱塑性塑料熔體的黏度隨著溫度升高而呈指數規律降低 但不同熔體的粘度對溫度的敏感程度並不一樣 對於那些表觀黏度對溫度不太敏感的塑料熔體 僅憑增加加工溫度來提高這些熔體的流動性是不恰當的 因為即使溫度增加的幅度很大 其表觀黏度卻降低有限 而且溫度過高會引起熔體降解 導致塑料制品的質量下降對於那些表觀黏度對溫度敏感的塑料熔體 隻要不超過分解溫度 提高加工溫度都能增大熔體的流動性壓力的影響在外部壓力的作用下 擠壓和注射壓力一般為 塑料熔體因受到壓縮而減小體積 分子間作用力的增加致使黏度也隨之增大 由於塑料熔體的壓縮率不同 故不同熔體的黏度對壓力的敏感性也不相同增壓引起黏度增加這一事實說明 單純通過增大壓力來提高塑料熔體的流量是不恰當的 過大的壓力還造成設備功率消耗過大以及設備的過度磨損 在塑料正常的加工溫度范圍內 增加壓力對黏度的影響和降低溫度對黏度的影響有著相似性 這種在生產過程中通過改變壓力或溫度都能獲得相同的黏度變化效應被稱為壓力 溫度的等效性剪切速率的影響塑料熔體的一個顯著特征是具有非牛頓性 其表觀黏度隨剪切速率或切應力的增大而減小 不同種類的塑料對剪切速率的敏感性有差別 在塑料加工中 可以通過調整剪切速率 或切應力 來改變熔體的黏度 但隻有黏度對剪切速率敏感的一類塑料才會有較好的效果 對於黏度對剪切速率不敏感的另一類塑料 可調整對其黏度影響更大的其它工藝參數 如溫度 來改變熔體的黏度在塑料成型加工中 如果熔體的黏度可以在較寬的剪切速率范圍內選擇 那麼寧可選擇在粘度對剪切速率不太敏感的剪切速率下成型更為合適 因為 在這種情況下剪切速率的波動對熔體的流動性影響不大 就不會造成制品質量的顯著差別聚合物的結構因素的影響實驗証明 塑料熔體的黏度隨聚合物相對分子質量的增加而增加 相對分子質量越大 則熔體的非牛頓性越強 實驗還証明 相對分子質量分布較寬的聚合物 其黏度對剪切速率的敏感性較大 非牛頓性也較強 所謂相對分子質量分布較寬 是指聚合物相對分子質量的變化區域大 反之則稱相對分子質量分布窄 相對分子質量分布窄的聚合物 其黏度對剪切速率敏感性小 而對溫度敏感性大 在較寬的剪切速率范圍內表現出更多的牛頓型流體的特征在聚合物中加入有限的溶劑或增塑劑等液體添加劑時 削減了聚合物分子間的作用力 熔體的黏度降低 流動性增大 而在聚合物中加固體填料時 一般會使熔體的黏度增大 流動性降低。
塑料及其成型基础
塑料及其成型基础
塑料是一种高分子有机材料，通常是由合成树脂材料制成。
树脂材料可以通过各种不同的方式对其进行改性，从而实现不同的塑料性能。
近年来，塑料在各个领域的应用日益广泛，它已经成为人们日常生活中不可或缺的一部分。
塑料的成型通常包括热塑性成型和热固性成型两种类型。
热塑性塑料是在加热过程中可以变形的塑料，我们可以通过注塑、挤出、吹塑等方式让它成型。
热固性塑料则是在加热过程中不易变形，它们的成型通常需要进行严苛的加热过程。
注塑是目前最常用的成型方式，它适用于生产量大且要求高的塑料制品。
在注塑成型过程中，塑料颗粒被融化后注入模型中，并进行高压注射。
模型在加热和冷却技术的帮助下使塑料变成所需的形状，最终得到制品。
挤出成型可以生产更长的塑料制品，例如管道和电缆外壳等。
挤出是通过推压式操作来实现的，将塑料颗粒放入挤压机中，然后通过一个供料系统，将塑料送入一个带有模具的区域。
模具内径的形状决定了挤出物的形状。
吹塑是非常适用于生产管和瓶子等薄壁制品的一种塑料成型技术。
吹塑需要将热融化的塑料材料注入到模具中，一旦塑料材料进入到模具中，吹气袋即可将形状模具中的材料吹出到所需要的形状。
塑料成型基础的实施可以使我们生产出各种各样的塑料制品，比如塑料包装材料、电气构件以及不同的玩具和日用品等等。
然而，塑料制品在全球范围内的使用已经引起了人们的关注，如何充分利用塑料成型技术，同时减少生产的废料，将是今后塑料制品生产的一个重要方向。
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充填相流动特点
充填相的流动前沿
前沿区流速分布示意图
充填时的取向和残余应力
在补偿相中，熔 体的流动是不稳 定的，流动形态 与河流三角洲的 流道很相似
补偿相流动简图
形成这种流动图像的原因有以下几个方面。
（１）温度的变化 来自注塑机料筒的熔体其本身温度就不均匀，可以测出，在特 殊情况下，此温差可以达到约40℃。温度高的熔体粘度低，流速快， 使得更多的熔体流入此高温区，造成此区熔体温度进一步升高，进 一步促进了该区域的流动，最后形成了类似河流三角洲的图像。 （２）熔体内部温度的不稳定性 若熔体中某一部分较其余部分温度稍高，则该部分就会因粘度 低而流速高，这样就会将更多的熔体带入该区，使该区得以维持较 高的温度、较低的粘度和较快的流速。因为河道外熔体大块的温度 较河道中熔体的温度低，因而会先于流道中熔体而凝固并收缩。而 河道内熔体不但温度稍高，取向和收缩率亦大，冷却凝固时受到已 凝固的河道外材料的限制而形成拉伸残余应力，而河道外材料则形 成压缩残余应力，这种不均匀收缩而造成的残余应力也是造成制品 翘曲的重要原因之一。
• 固态塑料的第二个力学特性是应力松弛。
– 如果在板的两端加上拉应力或者压应力并使之 保持在一定的长度,同样在放置了一个较长的时 间后,就会发现所加的应力在逐渐变小甚至变为 零,我们把这种现象叫做应力松弛.
• 固态塑料的第三个力学特性是应变速率保 持为常数时的拉伸特性。
六、 塑料成形过程的物理和化学变化
第十五章 塑料成型的 理论基础
第一节 塑料的基本性质 一、高分子材料的基本概念
• 高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。 常称聚合物或高聚物。 • 高分子化合物的分子量一般>104 。 • 高分子化合物有天然的，也有人工合成的。工业 用高分子材料主要是人工合成的。
（一）、高分子化合物的组成
• 由简单的结构单元重复连接而成。如由乙烯合成聚乙 烯: CH2=CH2+CH2=CH2+→-CH2-CH2-CH2-CH2- ,
物开环相互结合成聚合物的反应。
• 2 缩聚反应
由一种或多种单体互相缩合生成聚合物，同时
析出其他低分子化合物(如水、氨、醇、卤化氢等)的
反应。
（三）高分子化合物的分类及命名
1、高分子材料的分类 • ⑴ 按用途分塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料等。 • ⑵ 按聚合物反应类型分为加聚物和缩聚物。 • ⑶ 按聚合物的热行为分为热塑性聚合物和热固性 聚合物
• 2 高弹态：温度高于θg，分子活动能力增加，受力时
产生很大弹性变形。用于这种状态高聚物是橡胶。 • 3 粘流态：由于温度高，分子活动能力很大，在外力 作用下，大分子链可以相对滑动。粘流态是高分
子材料的加工
态，大分子链开 始发生粘性流动 的温度称粘流温 度，用θf表示。
玻璃态是聚合物的使用状态,θg称为玻璃化温度, 为衡量制品使用范围的标致之一,θg越高，制品对环 境温度适应性越强；
• ⑷ 按主链上的化学组成分为碳链聚合物、杂链聚
合物和元素有机聚合物
2. 高分子化合物的命名
大多数采用习惯命名法，在单体 前面加“聚”字；或在原料名称后 加“树脂”二字，如酚醛树脂等。
二、塑料的结构 （一）、高分子链的结构 (分子内结构)
1. 高分子链结构单元的化学组成 • 在元素周期表中只有ⅢA、ⅣA、ⅤA、ⅥA 中部分非金属、亚金属元素才能形成高分子 链。
聚合物的玻璃化温度是指线型非结晶聚合物由 玻璃态(硬脆状态)向高弹态(橡胶弹性态)、或由后 者向前者转变的温度。当温度低于玻璃化温度时， 聚合物中的大分子链段凝固成坚硬的固态。当温 度高于玻璃化温度时，大分子链段就拥有了足够 的自由活动能量，但此时还不是整个大分子链段 在运动，故表现出来的还是高弹性橡胶的性质， 此时，聚合物中的自由容积会突然增加。玻璃化 温度主要与聚合物中大分子键的柔性有关。另外， 大分子的交联、结晶取向等都会使升高。
层流流速分布模型
塑料成形中，大多数塑料熔体都 是非牛顿流体，它们中大部分近似服 从指数流动规律：
式中，K－稠度系数； n－非牛顿系数。
指数流动规律也可表示为：
称为聚合物熔体的表观粘度。它表 征的是非牛顿流体在外力作用下的抗 切应变的能力。
在聚合物流变学理论中，凡是服从指数 流动规律的非牛顿流体统称为粘性流体。根 据n的取值范围可将粘性流体分为三类：
四、塑料的流变性
牛顿流动规律：温度一定时，低 分子液体流动时的切应力与切应变速 率成正比，即： d dv h h h dt dr 式中，h为剪切粘度(Pa· s)
符合上式的流体称为牛顿流体，比例系数h称为 牛顿粘度，它是流体本身固有的性质，其数值 表征了流体抵抗外力引起流动形变的能力。
注射进入温度较低的闭合模具中。熔体在压力作用下充满型 腔并被压实，经过一段保压后柱塞或螺杆回程。此时，熔体 可能从型腔向浇注系统倒流。冷却定型后开启模具，制品便 可从模腔中脱出。
注塑成型过程 a)加热熔融塑化 b)充模、压实、保压、 倒流 c)冷却定型、脱模 1－料斗 2－机筒 3－喷嘴 4－分流锥 5－柱塞
使制品密度和强度都相应提高。另外，取向程度的提高会使线
收缩率增加，线膨胀系数也随之变化。
取向的影响因素有：
塑料熔体的加工温度，提高加工温度有利于产生解除取 向效应； 聚合物分子松弛时间，结晶型塑料松弛时间短容易使取 向冻结，其取向程度高于无定形塑料; 模具温度低时熔体冷却速度加快，冷冻取向效应提高； 塑料比热大，热导率低会降低熔体冷却速度，有利于取 向的解除； 注射压力可提高熔体的切应力和剪切速率，有助于分子 取向； 大浇口冷却慢，浇口封闭晚，取向作用加强； 快速充模使制品表面层分子取向增高，中心部位取向减 弱。
2. 高分子链的形状
• 按照大分子链的几何形状，可将塑料结构 分为线型结构、支链型结构和体型结构。
• 线型结构高聚物的弹性、塑性好，硬度低，是 热塑性材料。支链型结构近于线型结构 。体型 结构高聚物硬度高，脆性大，无弹性和塑性， 是热固性材料。
（二）高分子的聚集态结构 (分子间结构) • 固态高聚物分为晶态和非晶态两大类，晶态为分子 链排列规则的部分，而排列不规则的部分为非晶态。
硅酮、环氧树脂等塑料，目前主要作为低压挤塑封装电子元
件及浇注成形等用。 热塑性塑料：在加工过程中，一般只起物理变化。即在 特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料。 热固性塑料：在加工过程中起化学变化，受热时，开始 被软化而具有一定的可塑性，但随着进一步加热，树脂就硬 化定型，若再加热也不会变软或改变其形状，不熔不溶性物 料的树脂，一般称热固性塑料。热固性塑料通常耐高温，一 般不能重复再塑制，仅能粉碎后用作填料。
压缩成型
压铸成型 吹塑成型等。
据统计，目前注射制品约占所有塑料制品总产量的 30%，占工程塑料制品的80%，故注射成形是一种最主要的成
型方法。
第二节 注射过程及塑料熔体在型腔中 的流动
下图是注射成型过程示意图。成型时，先将粉状或粒状 物料从料斗送入高温机筒内加热熔融塑化使之成为粘流态熔
体，然后在柱塞或螺杆的高压推动下以很大的流速通过喷嘴
1）聚合物结构和其他组分的影响 聚合物相对分子质量越大，熔体的粘度和非牛顿性越 大。 相对分子质量分布较宽的聚合物，其粘度对剪切速率
的敏感性较大，非牛顿性也较强。 2）温度的影响 在粘流态，热塑性塑料熔体的粘度随温度升高而呈 指数规律降低，但不同熔体粘度对温度的敏感程度不同。
3）压力的影响
随外部压力增大，熔体受压缩体积减少，分子间 作用力增加致使粘度也随之增大。由于塑料熔体的压 缩率不同，不同熔体的粘度对压力的敏感性也不同。
注射成形中的压力－时间曲线
1－注射压力曲线；2－喷嘴末端的压力曲线； 3－型腔始端的压力曲线；4－型腔末端的压力曲线。
注塑周期中塑料熔体和模具温度随时间的变化曲线 1－熔体 2－模具温度 当塑料熔体流入型腔时熔体温度稍有升高。当型腔 压力迅速上升时熔体温度也上升到最高值。随着保压 阶段的开始，熔体逐渐冷却，温度下降。
塑料在注射机筒内经过加热、塑化达到流动状 态后，由模具的浇注系统进入模具型腔，最终冷却 定形的过程称为浇注过程。该过程可分为充模、压 实、保压、倒流和冷却五个阶段。如图示为一个注 射周期内压力随时间变化曲线。 OA段为塑料熔体在注射压力p1作用下，从料筒 计量室流入型腔始端的时间；AB段熔体充满型腔， 此时注射压力达到最大值；BC段是熔体的压实阶段, 注射压力用于压实熔体；CD段为保压阶段；E时刻 熔体在浇口处凝固,封断流动；EF段为冷却定形阶段。
θf为粘流温度，是聚合物从高弹态转为粘流态的
温度；
θm为熔点，是聚合物的熔融温度；
θd为热分解温度，是聚合物高温下开始分解的温
度；
θf(θm)～ θd温度区间大时，塑料熔体的热稳定性好， 可在较宽温度范围内变形和流动。
（二）热固性塑料的加工性能 常用热固性塑料有酚醛、氨基（三聚氰胺、脲醛）聚酯、 聚邻苯二甲酸二丙烯酯等。主要用于压塑、挤塑、注射成形。
4）剪切速率的影响
塑料熔体的表观粘度随着剪切速率或切应力的增 大而减少，不同种类的塑料对剪切速率的敏感性不同
五、塑料的基本力学性质
•固态塑料的第一个力学特性是蠕变特性。
• 如果把一个由热塑性树脂制成的细长板的一 端挂上重物,在放置了一个较长的时间后,就 会发现板的长度在随着时间一点一点地增大, 而且即使把重物取下来,板的长度也不会再恢 复,我们把这种现象称为蠕变.
3）聚合物的降解 聚合物相对分子质量降低的现象称为聚合物 的降解。 通常聚合物分子是在受到热和应力或者微量 水分、酸、碱等杂质及空气中氧的作用而使大分 子结构改变，产生降解。 降解是有害的，按轻重不同会使聚合物变色、 出现气泡和流纹、甚至焦化变黑。
塑料的成型方法
注射（塑）成型 挤出成型