#20第二章 成型加工过程中材料的性能

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（ρ＜200kg/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，它的尺寸范围变化很大（0.1μm －5mm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（0.1－5mm）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（＜00.1mm）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：

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，测试标准见ASTM D1238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（ηa）与MFR、熔体密度（ρ）、载荷（F）的关系可近似表示为：

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ρ=1.0g/cm3，在测试条件（F＝21.6N、温度为190℃）下，塑料熔体的表观粘度近似为52.49kPa·S，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525 Pa·s，剪切速率为37 S-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1.5～2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为3～4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。

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logη～logγ图。

从图1中可以看出，当剪切速率很低（＜1s-1）或很高（＞1×105s-1）时，粘度基本上不随剪切速率的变化而变化，η0和η∞分别称为零剪切粘度和无穷剪切粘度。而在实际的成型剪切速率范围内（1～1×105s-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，其中最简单的是幂律模型：

式中：n为幂律指数，它反映了剪切粘度随剪切速率增加时的衰减程度。对于