第二章 塑料成型的理论基础2.2
第02章塑料成型理论基础V02
上式又可改写为:
d
dv
（2-1）
dt dr
式中 ，单位时间内流体所产生的切应变（剪切速
率），s—1。
牛顿流体的流变方程：
dvd
dr dt
（ 2-2）
式中 η，比例常数，牛顿黏度或绝对黏度(简称黏度)，Pa.s。 η越大，黏稠性越大，剪切变形和流动越不容易，需较大的切应力。
率通常为103～105s—1，均在此区。
主讲教2师01：9/1袁1宝/2国
第二章 塑料成型理论基础
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塑料成型加工与模具 Plastics Molding & Mold Designing
假塑性液体流动曲线和 流变曲线讨论：
n1
⑴根据 a 和 a K
与对数方程相应的直线型流动曲线和流变曲线如图2-7。 将式（2-10）两边微分，整理后得
n
d ln
tan
d ln
（2-12）
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第二章 塑料成型理论基础
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塑料成型加工与模具 Plastics Molding & Mold Designing
⑶如熔体黏度对于剪切速率太敏感，控制起来不容易，任何微 小的剪切速率变化都会导致黏度显著改变，无法保证制品的成 型质量。应根据流变曲线选择对黏度影响既不太大也不太小的 剪切速率进行操作，可以避免出现控制问题。
主讲教2师01：9/1袁1宝/2国
第二章 塑料成型理论基础
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塑料成型加工与模具 Plastics Molding & Mold Designing
第2章塑料成型的理论基础
2019/11/24
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②．在Tg以上的高弹态，模量减小很多， 形变能力显著增大，但形变仍是可逆的
由于Tg对材料力学性能有很大影响。故T来自是选择和合理应用材料的重要参 数，
同时也是大多数聚合物加工的最低温 度。
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粘流态｝
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聚集态的转变主要与温度有关：
右图为线型聚合物的聚集态 与成型加工的关系示意图
由于线型聚合物的聚集态是 可逆的，使聚合物材料的加 工性更多样化。
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①．Tg（玻璃化温度）以下 的聚合物为坚硬固体
此时的主价键和次价键所形成的内聚力，使材 料有相当大的力学强度。在外力作用下大分子 主链上的键角或键长可发生一定变形→玻璃态 有一定变形能力（形变可逆），由于弹性模量 高，形变值小，故不宜进行引起大变形的加工 （可车、铣、刨等）。
* 聚合物在加工时受到拉应力作用引起 的流动——拉伸流动。
如：用吹塑法生产薄膜时有拉伸流动。
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但实际加工中，材料受力情况非常复杂， 往往是三种简单应力的组合，而材料的实 际应变→二种或多种应变的迭加。
[注]：
（1）剪应力、剪切应变更重要
（原因：大多数剪切流动是主要的形式）。
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③．Tf（高弹态的上限温度）
Tm——熔点（结晶型）
>Tf，高弹→粘流，聚合物称熔体。 Tf以上不高温度范围，表现类橡胶流动行为，
这一转变区，常用来进行压延、挤出、吹 塑成形等（生橡胶塑炼）。
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塑料成型加工与模具课后习题答案
答：①在圆形管道中
牛顿与非牛顿流体的切应力
任一半径处 τ=rΔp/2L
管壁处 τR=RΔ
p/2L
牛顿流体剪切速率
任一半径处
• r∆p γ=
2ηL
管壁处
• R∆p γ R = 2ηL
非牛顿流体剪切速率
任一半径处
1
•
γ
=
⎜⎛
r∆p
⎞n ⎟
⎝ 2KL ⎠
牛顿流体体积流率
管壁处
1
•
γR
= ⎜⎛ R∆p ⎟⎞ n ⎝ 2KL ⎠
牛顿流体剪切速率
上、下壁面处
任一液层处
•
γ
h
=
⎛ ⎜ ⎝
h∆p ⎞ ⎟
LK ⎠
上、下壁面处
•
γH
=
⎛ ⎜
H∆p
⎞ ⎟
⎝ LK ⎠
非牛顿流体剪切速率
任一液层处
•
γH
=
⎛ ⎜
H∆p
1/
⎞ ⎟
n
⎝ LK ⎠
•
γ
h
=
⎛
h∆p
1
⎞
/
n
⎜⎟
⎝ LK ⎠
牛顿流体体积流率
上、下壁面处
qv
=
2H 3W∆p 3ηL
非牛顿流体体积流率
③θf（熔点温度θm）开始，塑料呈黏流态（为熔体）。在θf
以上不高的温度范围内压延、挤出和吹塑成型等。在θf 以上较 高的温度下，E 降低到最低值，较小的外力就能引起熔体宏观 流动。此时形变主要是不可逆的黏性变形，塑料在冷却后将形 变永久保持下去。在这个温度范围内常进行熔融纺丝、注射、 挤出和吹塑等加工。但，过高的温度容易引起制品产生溢料、 翘曲等弊病，当温度高到分解温度θd 会导致塑料分解，会降低 制品的物理、力学性能，引起制品外观不良。 4、 热塑性塑料的主要成型方法有哪些?热固性塑料的主要
《塑料成型工艺与模具设计》(上册)电子教案完全版
《塑料成型工艺与模具设计》(上册)电子教案完全版第一章：塑料成型工艺概述1.1 塑料成型的基本概念塑料的定义与特性塑料成型的定义与分类1.2 塑料成型工艺流程制品设计模具设计成型设备选择成型工艺参数设定1.3 塑料成型工艺的特点及应用不同塑料的成型特点常见塑料成型工艺的应用领域第二章：塑料材料的性质与选择2.1 塑料的基本性质物理性质化学性质电性能2.2 塑料的成型性能流动性能热性能收缩与翘曲性能2.3 塑料材料的选择塑料选材原则常见塑料材料介绍第三章：塑料成型设备3.1 塑料成型设备分类注射成型机挤出成型机压制成型机吹塑成型机3.2 主要成型设备的工作原理与结构注射成型机的工作原理与结构挤出成型机的工作原理与结构3.3 塑料成型设备的选择与使用设备选择的考虑因素设备的使用与维护第四章：塑料成型模具设计基础4.1 模具的基本结构与分类冷模具热模具4.2 模具设计的基本原则与步骤模具设计的原则模具设计的步骤4.3 模具设计中的关键因素模具尺寸与精度模具的材料与热处理模具的冷却与加热第五章：塑料成型工艺参数设定与调整5.1 成型工艺参数的定义与作用温度压力速度时间5.2 工艺参数的设定与调整方法实验法经验法计算机模拟法5.3 工艺参数的优化与控制工艺参数优化的目的与方法工艺参数的控制与调整技巧第六章：塑料注射成型工艺6.1 注射成型工艺流程注射成型工艺的基本步骤模具的加热和冷却注射成型周期6.2 注射成型参数设定与调整注射压力注射速度模具温度保压时间和冷却时间6.3 常见注射成型问题及解决方案产品变形和翘曲气泡和杂质产品尺寸不准确第七章：塑料挤出成型工艺7.1 挤出成型工艺流程挤出成型工艺的基本步骤挤出机的选择与调整挤出成型参数设定7.2 挤出成型设备与模具挤出成型设备的结构与工作原理挤出成型模具的设计要点7.3 常见挤出成型问题及解决方案产品厚度不均匀表面质量问题产品的强度和韧性不足第八章：塑料压制成型工艺8.1 压制成型工艺流程压制成型工艺的基本步骤压制成型机的选择与调整压制成型参数设定8.2 压制成型模具设计要点压制成型模具的结构与分类模具设计中的关键因素8.3 常见压制成型问题及解决方案产品开裂和变形产品尺寸不准确表面质量问题第九章：塑料吹塑成型工艺9.1 吹塑成型工艺流程吹塑成型工艺的基本步骤吹塑成型机的选择与调整吹塑成型参数设定9.2 吹塑成型设备与模具吹塑成型设备的结构与工作原理吹塑成型模具的设计要点9.3 常见吹塑成型问题及解决方案产品变形和翘曲气泡和杂质产品尺寸不准确第十章：塑料成型工艺的优化与控制10.1 成型工艺的优化方法实验法经验法计算机模拟法10.2 成型工艺的控制技巧工艺参数的实时监测工艺参数的调整技巧10.3 成型工艺的持续改进生产过程中的问题分析与解决新技术和新工艺的应用重点和难点解析重点环节1：塑料的基本性质、成型性能及选材原则解析：了解塑料的基本性质和成型性能对于选择合适的塑料材料进行成型加工至关重要。
塑料成型基础理论与特性
2.1.3 塑料熔体的流变性能
⑵非牛顿型流体
非牛顿型流体包括粘性流体、粘弹性流 体和时间依赖性流体。
粘性流体又分为宾哈流体、膨胀性流体 和假塑性流体.实际中，几乎绝大多数聚 合物熔体和熔液的流动行为都接近于假 塑性流体。见图２-７
2.1.3 塑料熔体的流变性能
２、内应力
产生内应力的一个重要因素是注射及补料时的剪切应 力。减少应力措施：注射压力不宜取得过高，使用较高 的料温和模温，保压时间要适度，可采取降压保压方法 ，成型后将制品进行热处理 。
３、制品的后处理（热处理）
（1）退火处理 （2）调温处理
思考题
1.塑料有哪几种物理力学状态？ （答案）
2.何为分子定向？ （答案）
2.3塑料的成型特性
2.3.1 流动性 2.3.2 收缩性、收缩率、比容和压缩 2.3.3 结晶性、相容性、热敏性、固化和
熔体破裂 2.3.4 熔结痕、内应力、制品的后处理
2.3.1 流动性
1 、合理选择流动性 遇到成型形状复杂、壁薄或尺寸较大的制 品时，产品设计者应考虑在满足制品使用性能 的前提下，优先选择流动性好的塑料来成型。 ２、 流动性等级 测定流动性的方法用标准测试模具（仪器） ，测定值越高，表明流动性越好。人们习惯引 用与塑料流动性相关的塑料溢料间隙（溢边值 ）概念。所谓溢料间隙是指熔体塑料在成型高 压下不得流过的最大间隙值。
２、比容和压缩率
比容是单位重量的松散塑料所占有的体积。压缩率 是松散塑料的体积与同重量塑料的体积之比。用它们 可计算出每模塑料需要的注射量（cm3）或模具加料 腔的容积尺寸。注射量是决定设备的主要条件。
2.3.3 结晶性、挥发物含量、相容性、 热敏性、固化和熔体破裂
塑料成型工艺加工思考题列表
第一章绪论1.为什么塑料成型加工技术的发展要经历移植、改造和创新三个时期？2.移植期、改造期和创新期的塑料成型加工技术各有什么特点?3.按所属成型加工阶段划分，塑料成型加工可分为几种类型？分别说明其特点。
4.成型工厂对生产设备的布置有几种类型？第二章塑料成型的理论基础1、什么是取向？2、流动取向对制品性能有何影响？3、掌握分析流动取向的方法（注意：取向程度取决于剪切力大小、作用时间和解取向的程度）4、举几个拉伸成型的产品的例子。
5、为什么热固性塑料的注射成型难度比压缩成型大？6、什么是降解？7、发生热降解的塑料主要有哪些？如何有效防止热降解？8、氧化降解主要有哪两类？如何有效防止氧化降解？第三章成型用的物料及其配制1. 塑料成型物料配制中混合及分散的原理是什么?2. 粉料和粒料如何制造?一般分为几个步骤?3. 塑料糊可分为几类?各如何配制?4. 塑料的工艺性能有哪些?第四章压缩模塑１、简述压缩模塑成型的工艺流程。
２、模压成型中的预压有什么优点？３、预热的方式有哪几种？第五章挤出成型1.根据功能不同，螺杆可分为哪三段？各段的作用是什么？2.双螺杆挤出机有哪些特点？3.通过哪些措施可以提高挤出机的固体输送能力？4.单螺杆挤出机主要由哪几部分组成？5.通常只提高螺杆转数，挤出成型的塑化质量是提高还是下降？如何既保证质量又能提高挤出产量？6.均化段熔体的流动形式可分为哪四种？实际的流动形式是什么？7.简述排气式挤出机的原理。
8.如何改进普通螺杆熔融段固体床破碎而引起的塑化能力下降？第六章注射成型1. 什么是注塑成型？它有何特点？请用框图表示一个完整的注射成型工艺过程。
2. 注射成型机主要由哪些部分组成？3. 注射成型工艺条件包括哪些？简述温度、压力、周期与制品产量和质量的关系。
4. 注塑制品产生内应力的原因及其解决办法。
5. 注塑机的喷嘴分为哪几种类型？各适用于何种聚合物的加工？6. 简述热固性塑料的注塑成型。
2.2 塑料成型工艺(压注、挤出、吹塑)
2.5.3
注射拉伸吹塑成型
1.注射吹塑过程 通过注射法将树脂制成有底型坯后，将型坯进行调 温处理，使其达到理想的拉伸温度，经内部（拉伸芯 模）或外部（拉伸夹具）机械力的作用，进行纵向 （轴向）拉伸，同时或稍后经压缩空气吹胀进行径向 拉伸，最后冷却脱模取出制品。 特点：轴向与径向具有相同的拉伸比，可以提高容器 的力学性能、阻隔性能、透明性，减少制品壁厚。 它是吹塑成型中壁厚最小的一种工艺。
2
1.压注模与压缩模的结构有较大区别： 压注模有单独的加料腔,并且有浇注系统。
2.压注模与压缩模有许多共同之处：
两者的加工对象都是热固性塑料，型腔结构、脱 模机构、成型零件的结构及计算方法等基本相同，模 具的加热方式也相同。
3
2.3.1
压注成型原理与特点
1.压注成型原理 压注模具设有单独的加料室，模具闭合后，将 固态的热固性塑料原料（最好是预压成锭或经过预 热）放入到模具的加料室中；使原料受热成为熔融 状态，在压力机柱塞压力作用下，塑料熔体经过浇 注系统进入并充满闭合型腔；塑料在型腔内继续受 热受压产生化学交联反应而固化定型，最后打开模 具取出塑件。
13
挤出成型原理（网络动画）
1-挤出机料筒;2-机头;3-定径装置;4-冷却装置; 5-牵引装置;6-塑料管;7-切割装置
14
15
挤出片材生产
16
挤出线缆包覆成型
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2、挤出成型特点 （1）连续成形，产量大，生产率高，成本低，经 济效益显著。 （2）挤出工艺所用设备结构简单，操作方便，应 用广泛。 （3）塑件的几何形状简单，横截面形状不变，因 此模具结构比较简单，制造维修方便，变更机头口 模，产品的断面形状和尺寸相应改变，这样就能生 产出不同规格的各种塑料制件。 （4）塑件内部组织均衡紧密，尺寸比较稳定准确。 （5）适应性强，除氟塑料外，所有的热塑性塑料 都可采用挤出成形，部分热固性塑料也可采用挤出 成形。
《塑料成型加工与模具》课后习题答案
1 n
（a） (b)
3 n +1 πn ⎛ 5 × 106 ⎞ n n ⎜ ⎟ 0.5 × 103 = R ⎟ 3n + 1 ⎜ ⎝ 2 KL ⎠
将(b)除以（a） ，得
1
πn ⎛ ∆p ⎞ n 10 = (5) ， n=0.699。 将 n=0.699 带入 qv = ⎜ ⎟ R 3n + 1 ⎝ 2 KL ⎠
• — • • — • •n
dv dr
限牛顿黏度(η∞)，在此区域η也不随 γ 变化；⑶熔体在中等剪切 速率（102~106 s 1）作用下呈非牛顿性质，在此区域 η随 γ 的增 大呈幂律规律减小。 5.聚合物熔体的黏度随剪切速率的变化对塑料成型加工有何指 导意义? 答：大多数热塑性聚合物熔体都近似具有假塑性液体的流 变学性质，熔体的表观黏度随剪切速率增大呈幂律规律减小。 但在较低和较高的剪切速率范围内， 黏度的变化梯度(即对剪切 速率的敏感性)不同。在较低的剪切速率区域， γ 发生任何微小 的变化都会使黏度出现很大的波动，这会给注射控制造成极大 困难，即引起工艺条件不稳定、充模料流不稳定、制件密度不 均、残余应力过大、收缩不均匀等问题；而在较高的剪切速率 区域，改变剪切速率，黏度变化很小，不能有效地改善流动性 能。因此，在塑料成型加工中应根据流变曲线选择对黏度影响 既不太大也不太小的剪切速率进行操作，保证聚合物熔体不致 因黏度过大而影响流动成型，同时也不会因黏度过小而影响制 品的成型质量。 6.牛顿与非牛顿流体在圆形管道、狭缝形管道中的切应力、剪 切速率和体积流率的表达式。 答：①在圆形管道中
n ′′
将(b)除以（a） ，得
2.5 = (10)
n ′′
得 n’=0.40,代入（a） ，得 K’= （具体结果略）
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
第8页，共74页。
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。
塑料成型工艺学第二章塑料成型的理论基础
·γ
不同类型流体的黏度-剪切速率关系
对于假塑性流体，它的流动曲线也不是直线，与 牛顿流体不同的是它的表观粘度会随剪切应力的增加 而下降。常规聚合物熔体都属于这一类型。假塑性流 体之所以有这样的流动行为，多数的解释是：剪切作
用使分子链解缠。
对于膨胀性性流体，它的流体的流动曲线也不是直线，与假塑性流体不同的是它的 表观粘度会随剪切应力的增加而上升。属于这一类型的流体大多数是固体含量高的悬 浮液，处于较高剪切速率下的聚氯乙烯糊塑料的流动行为就很接近这种流体。膨胀性 流体之所以有这样的流动行为，多数的解释是：当悬浮液处于静态时，体系中由固体 粒子构成的空隙最小，其中流体只能勉强充满这些空间。当施加于这一体系的剪切应 力不大时，也就是剪切速率较小时，流体就可以在移动的固体粒子间充当润滑剂，因 此，表观粘度不高。但当剪切速率逐渐增高时，固体粒子的紧密堆砌就次第被破坏， 整个体系就显得有些膨胀。此时流体不再能充满所有的空隙，润滑作用因而受到限制，
✓ 几种流动
●高聚物受剪切力作用而产生的流动称为剪切流动 (具有横 向速度梯度场的流动) 。
高聚物在挤出机、口模、注塑机、喷嘴、流道及喷丝板 的毛细管中的流动等。
●高聚物受拉应力作用而引起的流动称为拉伸流动（具有纵 向速度梯度场的流动） 。
✓ 牛顿流体及其流变方程
● 层流：雷诺准数小于2100时为层流流动。
✓ 减小端末效应的主要措施(工艺设备)
● 增加管子或口模平直部分的长度（增大长径比）。 使产生的弹性形变有足够时间在出口前得到恢复。
● 适当减小加工时的应力。 应力减小，产生的弹性形变减小。
● 提高加工温度。 使弹性形变容易恢复。
● 对挤出物进行适当速度的牵引和拉伸 。 ●控制在临界剪切应力和临界剪切速率以下。
材料成型PPT课件
22.3.2聚聚合合物物在的模流内变的行流为动
入口效应、离模膨胀
Unstable flow
挤出胀大现象
B
A
C
胀大比 die
B D max D0
在工程实践中考虑入口效应的目的有两个：
➢1 保证制品的成型质量，在必要时避免或减 小入口效应。
➢2 在确定注射压力时，在考虑所有流道（包 括浇口）总长引起的压力损耗的同时，还要 考虑入口效应引起的压力损失
•鲨鱼皮形 •波浪形 •竹节形 •螺旋形 •不规则破裂
2.3 聚合物的加热与冷却
• 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。
– 内热：摩擦热
Q
1 J
a
2
• 冷却：水（注射模、挤出定型模、中空模
低分子多为此类
宾汉 流体
假塑 性流 体
膨胀
(τy 和η为常数)
n<1
凝胶糊、良溶 在剪切力增大到一 剂的浓溶液 定值后才能流动。
大多数聚合物 剪切增加，粘度下
熔体、溶液、 降。原因为分子
糊
“解缠”
2.2 聚合物的流变行为
拉伸粘度
如果引起聚合物熔体的流动不是剪切应力
而是拉伸应力时，仿照式（2—2）即有拉
聚合物的结晶
有结晶倾向
两类聚合物
无结晶倾向
结晶过程是聚合物由非晶态转变为晶态的过程，发生 在Tg和Tm温度之间。
结晶度：聚合物是不可能完全结晶的，仅有 有限的结晶度，而且结晶度依聚合物结晶的历史 不同而不同。
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天津电子信息职业技术学院
教案
序号：6
课题名称：模塑成型工艺及设备
第2章塑料材料成型的理论基础
2.2高聚物的流变性质
内容提要与时间分配：
2.2.1剪切流动与剪切黏度（45分钟）
2.2.2拉伸流动与拉伸黏度（15分钟）
2.2.3高聚物在成型过程中的弹性行为（10分钟）
2.1.4黏度的主要影响因素（60分钟）
小结（5分钟）
说明：教案按每个授课单元或根据课程特点按章节进行设计。
教学目的与要求：
掌握高聚物黏度的影响因素；熟悉高聚物剪切流动与剪切黏度和拉伸流动与拉伸黏度之间的区别；了解高聚物的弹性行为给成型加工及产品所带来的危害。
教学重点与难点：
教学重点：黏度的主要影响因素。
教学难点：剪切流动与剪切黏度，高聚物在成型过程中的弹性行为。
授课形式与教具：
授课形式为课堂多媒体课件形式，在讲解黏度的影响因素时最好有相应的多媒体动画演示。
课后小结（包括内容与时间调整）：
教研室主任审签：
年月日说明：教师备课笔记附后。