塑料成型理论

v 假塑性流体的粘度与剪切速率曲线偏离牛顿型流体曲线向
下弯曲，粘度随剪切速率的增大而降低（称为切力变稀现
象）
(Kn1)
a Kn1
.
a
v 称为非牛顿型流体的表观粘度，对于假塑性流体，随着的 提高按指数规律降低
.Baidu Nhomakorabea1.
温度的影响
v 热塑性塑料熔体的粘度随温度升高而呈指数规律降低 v 不同熔体的粘度对温度的敏感程度并不相同
v 无定形塑料的松弛时间比结晶型塑料的要长（ ），因此 结晶型塑料容易使取向冻结，其取向度高于无定形塑料
v 模温低，熔体冷却速度加快，则冻结取向效应提高，解除 取向减弱
松弛时间： 无定形塑料聚合物分子的松弛时间是 从熔体加工温度降至熔体玻璃化温度 所经历的时间，而结晶型塑料聚合物 分子的松弛时间是从熔体加工温度降 至熔点所经历的时间
.24.
塑料的流动取向
v 熔体前沿径向流动产生的喷泉效应
v 分子取向由剪切流动引起，在凝固层剪切量高，因此导致 最高的取向
张力 低取向 张力
高取向
剪切速率
最小
最大
.25.
矩形长条试样的取向分布
v 横断面：靠近表层的位置取向最大 v 轴向纵断面：什么位置取向最大？
横断面
轴向纵断面
.26.
填料对流动取向的影响
.34.
v 有关流变学的概念对塑料材料的选择、成形工艺条件确定、 模具和成形设备的设计以及提高塑料制品的质量都有着很 重要的指导作用
.7.
牛顿型流体
v 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
( d ) d
dr
dt
v 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 比，此即著名的牛顿粘性定律。μ为比例常数，称为牛顿 粘度
v 凡符合上式的流体称为牛顿型流体
.8.
非牛顿型流体
v 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
v 粘性流体的特点是在受力流动时，其剪切速率只依赖于切 应力的大小，而与切应力的作用时间无关
v 粘性流体又分为宾哈流体、膨胀性流体和假塑性流体
不同类型流体的流动曲线
不同类型流体粘度与剪切速率的关系
v 物理和化学变化，不仅引起聚合物性质发生改变，而且对 加工过程也有影响
v 了解聚合物在加工过程产生结晶、取向、降解和交联的特 点以及加工条件对它们的影响，设法控制这些物理和化学 变化，对塑料加工和应用有着很大的实际意义
.16.
塑料的结晶
v 热塑性塑料按其冷凝时无出现结晶现象可划分为结晶型塑 料与非结晶型（又称无定形）塑料两大类
v 结晶型塑料固态的密度与熔融时的密度相差较大，因此结 晶型塑料的成形收缩率较大，达到0.5~3.0%，而无定形塑 料的成形收缩率一般为0.4~0.6%
v 结晶型塑料的结晶度与冷却速切密切相关，在结晶型塑料 成形时应按要求控制好模具的温度
v 结晶型塑料各向异性显著，内应力大，脱模后制品内未结 晶的分子有继续结晶的倾向，易使制品变形
高压时生成小而 不规则的球晶
.22.
结晶型塑料在注射成形时特点
v 结晶型塑料必须要加热至熔点温度以上才能达到软化的状 态。由于结晶熔解需要热量，结晶型塑料达到成形温度要 比无定形塑料达到成形温度需要更多的热量
v 塑料制品在模内冷却时，结晶型塑料要比无定形塑料放出 更多的热量，因此结晶型塑料制品在模具内冷却时需要较 长的冷却时间
.19.
温度及冷却速度对结晶度的影响
v 在高温区晶核不稳定，单位时间成核数量少 v 在低温区能量低，结晶时间长，结晶速度慢，不能为成核
创造有利条件
控制好冷却速度，取决于熔 体温度和模具温度之间的温 度差，将模具温度控制在玻 璃化温度与最大结晶速度的 温度之间
.20.
熔融温度和熔融时间对结晶度的影响
塑料成型理论
.1.
内容简介
v 塑料的粘弹性
l 塑料的基本力学模型 l 粘弹性模型
v 塑料的流变性
l 牛顿型流体 l 非牛顿型流体 l 影响粘度的因素
v 塑料加工过程中的物理和化学变化
l 聚合物的结晶 l 聚合物的取向 l 聚合物的降解 l 聚合物的交联
.2.
塑料的基本力学模型
v 塑料加工过程一般要经历玻璃态、高弹态和粘流态 v 玻璃态 与刚性材料类似，力与应变满足胡克定律 v 高弹态 既表现出固体性质（弹性），又表现出流体的性
.33.
聚合物的交联
v 聚合物在加工过程中形成的网状结构的反应称为交联
v 交联反应可以生成体型聚合物
机械强度，耐热性，耐溶 性，化学稳定性和形状稳
定性都得到提高
v 过高的交联度会引起聚合物发脆，变色和起泡；交联度过 低，聚合物的机械强度耐热性电绝缘性等较差，制品表面 灰暗，容易产生细微裂纹，吸水量也大
.17.
结晶度对塑料制品的影响
v 密度
l 增大
v 抗拉强度
l 提高
v 冲击韧度
l 下降
v 刚度
l 增加
v 热性能
l 提高热变形温度
v 翘曲
l 增大
v 光泽
l 表面光亮度提高，透明度降低
.18.
影响结晶度的因素
v 结晶度对塑料制品的物理、力学性能影响很大 v 影响结晶度的主要因素
l 温度及冷却速度 l 熔融温度和熔融时间 l 应力
v 粘度随聚合物相对分子质量的增加而增加 v 加入添加剂、填料等，一般会使熔体的粘度增大 v 各种因素对塑料熔体粘度的影响
1－温度 2－压力 3－相对分子质量 4－填充剂 5－增塑剂或溶剂
.15.
塑料加工过程的物理和化学变化
v 在塑料加工过程中，聚合物会发生一些物理和化学变化
l 聚合物在一定条件下结晶或改变结晶度 l 在外力作用下产生分子取向 l 发生降解或交联反应
v 熔融温度低和熔融时间短，导致残存的晶核多，结晶速度 快，晶体尺寸小而均匀，有利于提高制品的力学性能和热 变形温度
熔化温度Tm Tm的停留时间
残存晶核的数量
.21.
应力对结晶度的影响
v 熔体压力的提高、剪切作用的加强，都会加速聚合物的结 晶过程
应力
长纤维状晶体 晶体熔点升高
压力
低压时生成大而 完整的球晶
.23.
聚合物的取向
v 塑料在加工过程中会发生不同程度的取向 v 一种是流动取向，即聚合物分子和纤维状填料在剪切流动
时沿流动方向作平行的排列 v 另一种是拉伸取向，即聚合物分子在受到外力拉伸时沿受
力方向平行排列 v 取向的结构单元若只朝着一个方向，称为单轴取向，若同
时朝两个方向取向便称为双轴取向或平面取向
.30.
影响取向的因素
v 比热容大、导热系数低都会降低熔体的冷却速度，有利于 取向的解除
v 注射压力可提高熔体的切应力和剪切速率，有助于分子的 取向
v 大浇口冷却较慢，浇口封闭晚，熔体流动时间延长，取向 作用加强，尤其是浇口处的取向更为明显
v 快速充模使制品表面层分子取向增高，而使中心部位取向 减弱
.31.
聚合物的降解
v 聚合物相对分子质量降低的现象称为聚合物的降解 v 降解难以完全避免，大多是有害的
轻度降解 聚合物变色
分解出低分子物 质，制品出现气 泡和流纹等缺陷
严重降解使聚合 物焦化变黑、然
后分解
v 在加工过程中，热降解是最主要的，主要是因为聚合物在 高温下受热时间过长，或者加热温度过高
低温时，粘度 12 很高，材料表现为切边模量为G1 理想的弹性体
高温时，粘度 1 2 很低，材料处于粘流态，总变形表现为粘度 1流动
.6.
塑料的流变性
v 研究物质形变与流动的科学称为流变学
v 聚合物的流变行为十分复杂，粘性流动不仅具有弹性效应， 而且伴随有热效应。目前关于聚合物流变行为的解释仍有 很多是定性的或者是经验性的，聚合物流变学依然是一门 半经验的物理科学
质（粘性） 描述塑料在高弹态下的粘弹性基本力学模型如图所示
a) 弹性模型 b) 粘性模型 c) Maxwell模型 d) Voigt-Kelvin模型
.3.
塑料的基本力学模型
v 弹性模型
符合胡克定律的弹性固体可以用一个理想弹簧表示
v 粘性模型
符合牛顿定律的牛顿性流体可用盛有粘性牛顿流体的粘壶 来表示
.13.
剪切速率的影响
v 塑料熔体的一个显著特征是具有非牛顿性，其表观粘度随 剪切速率或切应力的增大而减小
v 不同种类的塑料对剪切速率的敏感性有差别
曲线越陡，说明什么情况？
1－PE，220℃ 2－PE，287℃ 3－CA，220℃
剪切速率如何选择？曲率变化 大的区域还是变化小的区域？
.14.
聚合物结构因素影响
v 沿取向方向制品的力学性能明显提高，而垂直于取向方向 的力学性能明显降低
v 取向会使制品产生明显的各向异性，增加了制品翘曲的可 能性，在制订工艺时要合理利用
l 结构复杂时，降低取向，可减小翘曲 l 结晶型塑料，提高取向，利于结晶 l 受力方向与制品取向方向一致
.29.
影响取向的因素
v 提高加工温度会使聚合物分子松弛时间加长，有助于产生 解除取向效应
.32.
避免聚合物降解的措施
v 严格控制杂质含量，杂质是降解的催化剂 v 使用前对塑料进行严格干燥，尤其是吸湿性强的塑料 v 合理控制加工温度，特别是热稳定性较差，加工温度和分
解温度比较接近的塑料 v 采用结构良好的成形加工设备和模具 v 当加工温度较高时，在配方中考虑使用抗氧化剂、热稳定
剂等，以加强聚合物对降解的抵抗能力
v 麦克斯威尔模型
由一个理想弹簧和一个粘壶串联而成
v 沃伊特-开尔文模型
由弹簧和粘壶串联而成
.4.
粘弹性模型
v 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
.5.
粘弹性模型
上述粘弹性模型可用以下属性表达式描述:
r
G1
1
t
G2
1
e
G
2 2
t
材料的弹性形变 基于Maxwell模型的粘性流动 基于Voigt-Kelvin模型的延迟弹性
.9.
影响粘度的因素
v 粘度是描述塑料熔体流变行为最重要的量度 v 影响粘度的因素
l 温度 l 压力 l 剪切速率 l 聚合物结构
.10.
非牛顿型流体的特点
v 宾哈流体只有当切应力增加到某一临界值时才开始流动，
切应力与剪切速率呈线性关系
v 膨胀性流体的特点是高速作用下，流体体积产生膨胀。粘
度随剪切速率的增加而升高（称为切力增稠现象）
.12.
压力的影响
v 在压力作用下，塑料熔体因受到压缩而体积减小，分子间 作用力的增加致使粘度也随之增大
v 由于塑料熔体的压缩率不同，故不同熔体的粘度对压力的 敏感性也不相同
1－PMMA 2－PP 3－LDPE 4－PA66 5－POM
例如： 当压力从 13.8MPa升 高到 17.3MPa时，高 密度聚乙烯 HDPE和 聚丙烯PP的粘度要 增加 4~7 倍，而聚苯 乙烯PS的粘度甚至于 可增加100倍
v 所谓结晶现象即塑料由熔融状态到冷凝状态时，分子由独 立移动，完全处于无序状态，变成分子停止自由运动，按 略微固定的位置，并有一个使分子排列成为正规模型的倾 向的一种现象
v 聚合物结晶速度慢、结晶不完全、晶体不整齐，通常用结 晶度来表示，由于聚合物达到完全结晶所需时间太长，有 的需要几年甚至于几十年的时间。因此通常将结晶度达到 50%的时间的倒数作为评定各种聚合物结晶速度的标准
v 对于薄壁制品，填料的取向与熔体流动方向是一致的 v 例：纤维状填料在扇形制品中流动取向过程
.27.
拉伸取向
v 纺丝、吹塑等成形时，塑料主要依靠粘流拉伸来成形 v 粘流拉伸时，引起取向的为拉应力，速度梯度在拉伸方向
上，而剪切流动时引起取向的为切应力，速度梯度在垂直 于熔体流动方向上
.28.
取向对制品性能的影响