塑料成型的理论基础
塑料成型的理论基础
1.3 流动带来的缺陷
✓ 管壁滑移:在剪切作用下，聚合物熔体在管壁处的速率不为零。滑移程度不仅 与聚合物的化学结构有关，而且与是否采用润滑剂和管壁的性质有关；
✓ 末端效应（挤出胀大）：熔体从口模出来后其直径大于口模直径，或称离模 膨胀，是分子链的弹性回复造成的。聚合物分子在流动中受到拉伸力的作用 ，弹性变形受到粘性阻滞，出口模后才能恢复，对制品的外观、尺寸，对产 量和质量都有影响。增加管子或口模平直部分的长度（即增加口模的长径比 ），适当降低成型时的压力和提高成型温度，采用强制定型装置，并对挤出 物加以适当速度的牵引或拉伸等，均有利于减小或消除弹性变形带来的影响 。
②其产生主要依赖于应力而非温度 ③制品使用时一般不会解取向
益处：可使制品在取向方向上的强度和光 泽提高
害处：无论何种取向，都会使制品性能表 现为各向异性，造成制品内应力，翘曲变 形，沿与取向方向垂直方向上的力学及其 它性能变劣，取向后热收缩率变大等，都 应极力避免。
3.5.1 热固性塑料模压制品中纤维状填料的定向
3.1影响聚合物的结晶能力的因素
• 链的规整性：规整度越高，越容易结晶；此外， 结构不对称但空间排列规整的聚合物也容易结晶；
• 分子链节和柔性：分子链节小柔性适中的容易结 晶，主要原因是易于成核，链的活动能力强，易 于使适当的构象排入晶格而形成结晶结构；
• 规整结构的稳定性：规整结构只能说明分子链能 够排列成整齐的阵列，但不能保证该阵列在分子 运动下的稳定性。
①流动取向，聚合物处于流动状态时，由于受剪切力作用流动， 取向单元沿流动方向所做的平行排列；成型时的流动取向，可分为 填充物和聚合物分子取向例如纤维会在剪应力作用下发生定向排列 。
第二章塑料成型过程中的理论基础
塑料工艺
• 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
塑料工艺
以长条形试样为例分析流动取向度
• 聚向程度取决于剪切力大小、作用时间和解取向的程度
塑料工艺
简单分析试样流动取向
影响取向的因素
塑料工艺
• ①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 度即有艺 流动 类型
牛顿 流体
宾汉 流体
假塑 性流 体
膨胀 性流 体
聚合物流体总结
流动规律
符合的流体
备注
(η为常数)
(τy 和η为常数)
n<1 n>1
PC和PVDC接近 低分子多为此类
凝胶糊、良溶剂 在剪切力增大到一定
的浓溶液
值后才能流动。
大多数聚合物熔 剪切增加，粘度下降。 体、溶液、糊 原因为分子“解缠”
• 解缠理论： – 假塑性流体的粘度随剪切应力或剪切速率的增加而下降的原因与流体分 子的结构有关。对聚合物溶液来说，当它承受应力时，原来由溶剂化作 用而被封闭在粒子或大分子盘绕空穴内的小分子就会被挤出，这样，粒 子或盘绕大分子的有效直径即随应力的增加而相应地缩小，从而使流体 粘度下降。因为粘度大小与粒子或大分子的平均大小成正比，但不一定 是线性关系。对聚合物熔体来说，造成粘度下降的原因在于其中大分子 彼此之间的缠结。当缠结的大分子承受应力时，其缠结点就会被解开， 同时还沿着流动的方向规则排列，因此就降低了粘度。缠结点被解开和 大分子规则排列的程度是随应力的增加而加大的。显然，这种大分子缠 结的学说，也可用以说明聚合物熔体粘度随剪切应力增加而降低的原因。
第二章 塑料成型的理论基础
难点：聚合物流体在剪切应力作用下的流动 重点：流动 结晶 降解
第2页，共74页。
2.1 聚合物的流变行为
塑料工艺
• 定义
作用
聚合物
力
响应（流变
）
✓ 应力：单位面积上所受的力称为应力。
剪切应力（τ）
拉伸应力（б）
流体静压力（P）
剪切力 拉伸力
压缩力
✓ 应变：材料在应力作用下产生的形变和尺寸的改变称为应变。(单位长度 的形变量)
速度梯度
第5页，共74页。
2.1 聚合物的流变行为
塑料工艺
1. 剪切力作用下聚合物流变行为
流动形式判定：
Re D v
Re – 雷诺数；D – 管道直径；v – 液体流动平均 速度；ρ – 流体密度；η – 剪切粘度
Re<2100~2300时均为层流 Re＝2300~4000时为过渡流 Re>4000时为湍流
宾哈流体 假塑性流体
膨胀性流体
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塑料工艺
2.1 聚合物的流变行为
✓宾哈流体（宾汉流体）
y
p
dv dr
•
p
特征：在低于τy下，液体不产生应变（凝胶结构）；只有当应力大于τy时 ，液体表现出牛顿液体相似的流变行为（三维结构被破坏）。 τy称
为屈服应力 牙膏、油漆、护肤霜
第9页，共74页。
非牛顿性强的线形高聚物，液体在入口区域和管子中流动时的剪切作用是引起不稳定 流动的主要原因。
比如：PP、PDPE、PVC等。
影响：a. 在圆管中，如果产生弹性湍流的不稳定点沿着管的周围移动， 则挤出物呈螺旋状。
b. 如果不稳定点在整个圆周上产生，就得到竹节状的粗糙挤出物。
塑料成型理论基础
胶粘其它成分材料 赋予塑料可塑性和流动性
2.添加剂
⑴ 填充剂（填料）
重要的但非必不可少的成分
作用：
减少树脂用量，降低塑料成本；
改善塑料某些性能，扩大塑料的应用范围。
例如：酚醛压缩粉若无填充剂，则既不能进行成型加 工又无实用价值；PE、PVC+CaCO3 =廉价的具有足 够刚性和耐热性的钙塑料；玻璃纤维提高塑料的力学 性能；石棉提高耐热性；导电、导热、导磁等。
1.质轻、比强度高。 2.优异的电绝缘性能。 3.优良的化学稳定性能。 4.减摩、耐磨、减震、消音性能优良。 5.透光及防护性能。 6.成型和着色性能好。
塑料的缺点及使用局限 耐热性较差，一般塑料的工作温度仅100°C左右，
否则会降解、老化。
导热性较差，所以在要求导热性好的场合，不 能用塑料件。
易老化，所以对于使用寿命较长的场合，一般 还是用金属件。
由基本结构单元组成的大分子叫链，每一个基本 结构单元叫链节，而一个大分链上重复串联结构单元 的个数叫链节数。
由两种单体A和B交替串联形成，叫交替共聚物。 尼龙66的分子链结构就属这一类。 由三种单体组成的大分子叫三元共聚物 。
1 2 3 4 5
1—交替 2—无规 3—嵌段 4—接枝 5—无规三无共聚物
有机颜料的特性介于无机颜料和染料之间。 在塑料工业中着色剂多采用颜料
塑料的分类：
1．按树脂的分子结构和热性能分：
热塑性塑料 —— 指在特定温度范围内能反复加 热软化和冷却硬化的塑料，其分子结构是线型或 支链线型结构。(变化过程可逆) 热固性塑料 —— 在受热或其它条件下能固化成 不熔不溶性物质的塑料 ，其分子结构最终为体型 结构。（变化过程不可逆）
凡能阻缓材料变质的物质称为稳定剂。 可分为以下三种：
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。
第二章塑料成型的理论基础第一节塑料成型过程中的流变现象
第二章塑料成型的理论基础第一节塑料成型过程中的流变现象塑料成型是指将塑料料坯经过加热软化后，通过外力作用使其充分流动并冷却成型的工艺过程。
在塑料成型过程中，塑料料坯的流变现象是十分重要的，对于成型工艺的控制和成品质量的保证起着关键作用。
流变学是研究物质在外力作用下变形行为的学科，它主要研究物质的流动规律、黏弹性等特性。
在塑料成型中，流变现象主要包括流变应力、塑料的流变行为以及流变模型。
下面将逐一介绍这些内容。
首先是流变应力。
流变应力是指物质在流动时受到的应力，它是刻画物质流动特性的重要指标。
在塑料成型中，流变应力的大小会直接影响料坯的流动性和成型质量。
一般来说，流变应力与塑料的流速成正比，而与塑料的黏度成反比。
因此，提高塑料的流变应力可以通过增加加热温度、加大注射速度、增加料筒压力等方式来实现。
其次是塑料的流变行为。
塑料的流变行为是指在不同的应力和变形速率下，塑料的流动规律和变形特性。
常见的塑料流变行为主要有牛顿流体、非牛顿流体和粘弹性流体。
牛顿流体是指物质的黏度不随应力和变形速率的增加而改变，如水；非牛顿流体是指物质的黏度随应力和变形速率的增加而改变，如糊状物和胶状物；而粘弹性流体是指物质既具有流体的特性又具有固体的特性，如塑料。
最后是流变模型。
流变模型是用数学函数来描述物质的流变行为的模型。
常用的流变模型有牛顿流体模型、Bingham模型、Maxwell模型等。
其中，牛顿流体模型适用于描述牛顿流体的流变行为，它的流变应力与变形速率成正比；Bingham模型适用于描述非牛顿流体的流变行为，它的流变应力与变形速率之间存在一个阈值；Maxwell模型适用于描述粘弹性流体的流变行为，它考虑了物质的弹性和黏性。
在塑料成型过程中，准确地描述和控制流变现象是确保成型工艺稳定性和成品质量的关键。
通过研究塑料的流变性质和应用合适的流变模型，可以优化成型过程参数，提高产品的性能和可靠性。
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。
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第三章 塑料成型的理论基础
2、动量增加速率方程
v t x v x v x x v y v y x v z v z x P x x x x y y x z z x g
v ty v x v x y v y v y y v z v z y P y x x y y y z z z y g v tz v x v x z v y v y z v z v z z P z x x z y y z z z z g
表达式
dv
dr
流动曲线
tan
适用对象
低分子化合物的液体或溶液。绝大数聚合 物只能在剪切应力很小或很大时表现为牛顿流 体。
节
上篇 塑料成型工艺学
第三章 塑料成型的理论基础
►非牛顿流体
凡流体的流动行为不遵从牛顿流动定律的 流体称为非牛顿流体。
►表观粘度
剪切应力与剪切速率的比值ηa 。
a
2、粘性系统
章
上篇 塑料成型工艺学
第三章 塑料成型的理论基础
第二节 聚合物的流变行为
一、连续性、动量和能量方程
1、理论思想 将运动着的熔体划分成无数的体积单
元，每个体积单元在运动的过程中遵循质量 守恒、动量守恒、能量守恒定律。 2、连续方程
t x vx y vy z vz
节
上篇 塑料成型工艺学
5.5 4.6 6.2 5.5 12 8.5 4.5 6 20 1100 10000
11 13 16 11 22 14 8 12 37 950 1200
节
上篇 塑料成型工艺学
第三章 塑料成型的理论基础
2、特点
①聚合物由玻璃态至熔融态的热扩散系数是 逐 渐下降的,在较大温度范围内其变化幅 度不大，通常不到两倍，但在熔融状态下 的几乎保持不变。
l
ln
l l0
l0
ddln ll01dl
dt dt l dt
节
上篇 塑料成型工艺学
第三章 塑料成型的理论基础
2、剪切流动与拉伸流动的区别
流动形式
剪切流动
拉伸流动
运动方式
平面与平面间 同一平面上的两个质点间距离
的滑动
的拉长
作用方式
粘度与 的关系
—
a
单向、双向
a , a , a 不变
3、拉伸粘度对成型的指导意义
3、弹性对层流的干扰
弹性湍流：当γR＞4.5～5时产生。
4、鲨鱼皮症
发生在挤出物表面上的一种缺陷，这种 缺陷可自挤出物表面发生闷光起，变至表面 呈现与流动方向垂直的许多具有规则和相当
间距的细微棱脊为止。
节
上篇 塑料成型工艺学
第三章 塑料成型的理论基础
5、熔体破碎
挤出物表面出现凹凸不平或外形发生畸变
在吹塑薄膜或成型中空容器型坯时，采用拉伸 粘度随拉伸应力增大而上升的物料，则很少会使制 品或半制品出现应力集中或局部强度变弱的现象。
节
上篇 塑料成型工艺学
第三章 塑料成型的理论基础
四、温度和压力对粘度的影响
1、温度对剪切粘度的影响
eaT0T
0
a—在温度变化小于50℃为常数
注意：当分子量及分子量分布确定时， 高分子链刚性越大、分子间作用力越大时表 观粘度对温度的敏感性越大。
15
聚氯乙烯（软） 0.3~0.5 3.0~4.0 8.5~6.0
ABS
0.38
5.0
11
聚甲基丙烯酸甲酯
节
聚甲醛 聚碳酸酯 聚砜 聚甲醛（木粉填充） 酚甲醛（矿物填充） 脲甲醛塑料 密胺塑料 醋酸纤维素 玻璃 钢材 铜
0.35 0.30 0.3 0.35 0.30 0.4 0.4 0.4 0.2 0.11 0.092
重排得：
kPhm 2L
3 6q
m2 Wh2
则有：
k
Phm
2L
6q Wh2
k m 2k 3
w m32w
k 43m m23k
节
上篇 塑料成型工艺学
七、流动的缺陷
第三章 塑料成型的理论基础
1、管壁上的滑移
滑移会影响流率的稳定和在无滑移前提 下的计算结果(通常比实际结果小5％左右)。
滑移的程度不仅与聚合物品种有关，而 且还与采用的润滑剂和管壁的性质有关。
km
k m 3 k 4
qk2PLmm Rm33
节
上篇 塑料成型工艺学
第三章 塑料成型的理论基础
2、在狭缝形流道内的流动
dv k m
dy
Py L
vy
kPm 1 hm1ym1
L m12
h
q
2
0
2Wvydy
qkW P Lm2mh 1m m 22
节
上篇 塑料成型工艺学
第三章 塑料成型的理论基础
塑料成型时的剪切速率范围
熔体成型
糊塑料成型
成型方法
压缩模塑 混炼与压延
挤出 注射模塑
剪切速率 /S-1 1~10
10~103 102~103 103~106
成型方法
涂层 浇铸与蘸浸
剪切速率 /S-1
102~103
~10
节
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三、拉伸粘度
1、定义
第三章 塑料成型的理论基础
l dl
(2)松驰时间τ
E
节
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第三章 塑料成型的理论基础
(3)判断熔体在拉伸应力作用下是弹性还是粘性形 变的依据 凡是变形经历的时间大于松弛时间，则 粘性变形将占优势。
⑷判断弹性形变中是剪切还是拉伸弹性的依据
在弹性变形中占优势的将是松弛时间数 值较大的一种。
实验结果证明：如果两种应力都不超过 103Pa．则两种松弛时间近似相等，应力较大时， 拉伸松弛时间总是大于剪却松弛时间。
上篇 塑料成型工艺学
第三章 塑料成型的 理论基础
总
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第三章 塑料成型的理论基础
第一节 概述 第二节 聚合物的流变行为 第三节 聚合物的加热与冷却 第四节 聚合物的结晶 第五节 成型过程中的定向作用 第六节 聚合物的降解 第七节 热固性塑料的交联作用
总
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第一节
第三章 塑料成型的理论基础
节
上篇 塑料成型工艺学
第三章 塑料成型的理论基础
二、剪切粘度和非牛顿流动
►明确
聚合物液体：溶液或分散体(悬浮液)、熔体。 (1)聚合物成型时状态：粘流态（塑化状态）。 (2)聚合物成型时的应力：剪切、拉伸、压缩。 (3)切应力作用时液体流动的形式：层流、湍流。
1、牛顿定律
节
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第三章 塑料成型的理论基础
节
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第三章 塑料成型的理论基础
六、流体在简单截面管道中的流动
研究范围
①圆形和狭缝形；②与①有联系的流道；
③截面形状是圆形与狭经缝形的组合形状；
④矩形、椭圆形和等边三角形截面的流道。
1、圆形流通中的流动
d
v d
rkm
r
r2P rP
2rL 2L
vr k2PLmRmm 1r1m1
节
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节
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第三章 塑料成型的理论基础
3、有时间依赖性的系统
(1)特征 流体的剪切速率不仅与剪切应力的大
小有关，而且还依赖于应力施加时间的长 短。
(2)类型
摇溶性（触变性）：表观粘度随应力作用 的时间的延长而减小。
震凝性：表观粘度随应力作用的时间的延 长而增大。
节
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第三章 塑料成型的理论基础
速率，也称为表观剪切速率。
表观流动常数
在 k中m为表k观 流动常数
km3k3n1k
4
3n
节
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第三章 塑料成型的理论基础
例题：用内径为2cm、长度8cm的口模挤出聚乙 烯棒材。挤出温度235℃。聚乙烯在235℃的流 动曲线见图：如果不计端末效应所引起的压力降。 则当挤出速率为50cm3／s时，聚乙烯熔体进入 口模时的压力为多少MPa？
节
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第三章 塑料成型的理论基础
3、能量方程
cvT t vx T xvy T yvz T z
பைடு நூலகம்
q x x q y y q z z T T P P v x x v y y v z z
xxvxxyyvyy zzvzz
x y v y x v x y x z v z x v x z x y v z y v y z
原因：受力时聚合物溶液中的粒子的有效直径 减小，聚合物熔体中的大分子解缠。
节
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第三章 塑料成型的理论基础
(3)膨胀性流体 表达式：
Kdvn Kn No
dr
Im（na＞g1e）
或 dv k m
dr （m＜1）
适用对象：大多数为固含量很高的悬浮液。
原因：溶剂的润滑作用受到限制。
概述
一、塑料成型的目的
将塑料转变为具有使用价值并能保持原有 性能、甚至超过原有性能的材料和制品。
二、本章内容
塑料在成型过程中表现的一些共同的基本 物理和化学行为——聚合物的流变、传热、结 晶、定向和化学反应等现象。
本节完
章
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第三章 塑料成型的理论基础
第二节 聚合物的流变行为
一、连续性、动量和能量方程 二、剪切粘度和非牛顿流动 三、拉伸粘度 四、温度和压力对粘度的影响 五、弹性 六、流体在简单截面管道中的流动 七、流动的缺陷
这一系统在受到外力作用而发生流动时的 特性是剪切速率依赖于所施加剪切应力的大小。