塑料成型理论
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 。
注塑成型理论
16）干燥机的种类 -热风干燥机 往电力加热器内加热，并用风扇强制吹热风， ● 使用原材料; POM, PC, ABS, HIPS, PA 等 -除湿干燥器 使用热风干燥机+除湿器。（强制去除空气中所含水分） ●使用原材料; PET, PPS 等
(参照注塑机说明书) (油压泵最大输出压力)
250
0
M
0%
V
25% 50% 设定值 (%)
75%
100%
M; 根据注塑机不同设定. 注塑率 m/sec V;注塑机制作公司初期设定 (参照注塑机说明书)
4.注塑成型原理实务 .
2. 注塑条件设定
E DCB A
E D CBA
注塑压力
注塑时间
保压时间
100
2) 热可塑性原材料 1次加热加工出的产品接受二次加热时融化，可以加工2次的原材料 (可以使用粉碎
品)
● 原材料的种类 - POM, PC, ABS, HIPS, PET,PPS,PA,PP 等 -决定性树脂 -非决定性树脂
1. 一般的注塑成型
5. 注塑成型机的分类 根据注塑方式, 机器的形状, 锁模方式来区分
7. 投影面积
威海 韩信电子
3.注塑成型原理实务适用 .
保压转换位置设定方法 1. 目的 - 将产品的尺寸，重量设定在合适的一定值. - 防止产品的收缩 ，使之达到所愿的品质. - 在产品的品质标准中维持没shot的再显性 - 在保压转换位置形成保压转换，并且填充剩余的注塑量2%。 2. 方法 - 应该了解保压转换位置. (大约2种方法) - 测定良品的注射物重量，换算成螺杆的距离的方法.
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
添加标题
添加标题
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
塑料成型理论ppt课件
精品
22
结晶型塑料在注射成形时特点
❖ 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
❖ 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
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 解除取向效应
❖ 无定形塑料的松松弛弛时时间间：比结晶型塑料的要长（ ），因此 结晶型塑料容易无使定形取塑向料冻聚合结物，分其子的取松向弛度时间高是于无定形塑料
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
❖ 模温低，熔体冷分却子的速松度弛加时间快是，从则熔体冻加结工取温度向降效应提高，解除
精品
31
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 ❖ 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
❖ 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
精品
12
压力的影响
❖ 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
❖ 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
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
挤出胀大和熔体破 裂是由于分子链的 弹性回复和松驰有
关。
口模尺寸和挤出工 艺会影响挤出胀大。
2
3
高分子材料成型工艺学
谢谢观看
主讲 教师
邹国享
常州大学 材料科学与工程学院
牛顿 流体
流动规律 η为常数
符合的流体
备注
PVDC 接近
低分子多为此类
宾汉 流体
假塑性 流体
膨胀性 流体
τ y 和η为常数
n<1 n>1
凝胶糊
在剪切力增大到一
良溶剂的浓溶液 定值后才能流动。
剪切增加，粘度下降
大多数聚合物熔 体、溶液、糊，
原因为分子“解
缠”
高固体含量的糊 剪切增加，粘度升高
剪切稀化的原因
熔体流动速率
同种材料在相同条件下，MFR越大，流动性越好。 表观粘度（η a）与MFR、熔体密度（ρ ）、载荷（F）的关系可近似表示为：
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。
聚合物流体的分类
牛顿流体 非牛顿流体
假塑性流体 膨胀性流体 宾汉流体
聚合物流体性质对比
流动 类型
引发挤出胀大的两个因素
挤出物胀大现象是高分子熔体弹性的表现。 高分子链就会由受拉伸的伸展状态重新回缩为卷曲状态。 分子链的解取向所产生
影响挤出胀大的因素
口模的形状与尺寸 成型工艺条件 高分子链结构 分子量和分子量分布 物料中的添加剂
熔体破裂
在当挤出速度达到一定值时，塑料挤出物表面会出现不光滑现象， 诸如竹节状、鲨鱼皮状、无规则破裂等。
聚合物的弹性行为
挤出胀大和熔体破裂
挤出胀大
挤出胀大是指塑料熔体被强迫挤出口模时，挤出物的尺寸大于口模尺寸， 截面形状也发生变化的现象，这主要是由弹性形变的松弛引起的。挤出 物胀大现象亦称巴拉斯效应或出口膨胀。
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。
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。
塑料的成型原理
塑料的成型原理
塑料的成型原理是通过热塑性塑料或热固性塑料在一定温度下加热融化后，注入到模具中，经过冷却固化形成所需的产品形状。
具体的成型原理包括以下几个步骤：
1. 塑料材料制备：选取适当的塑料原料，如聚乙烯（PE）、
聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）等，然后进行预处理，如
研磨、干燥等，以确保原料质量。
2. 加热与融化：将塑料原料放入注塑机的加料口中，经过传热系统加热，使其在一定温度下融化成为可流动的熔体。
3. 注射与压力：将热融化的塑料熔体通过螺杆推进器送入模具的射嘴，随后利用注塑机的压力系统施加一定的压力，推动熔体充满整个模具腔道。
4. 冷却与固化：熔体注入模具后，通过模具内部的冷却系统，将熔体迅速冷却，使其在模具内部形成所需产品的形状。
5. 开模与取出：冷却固化后，注塑机分离模具，开启模具，取出成型好的塑料制品。
如果有多腔模具，则会重复进行上述步骤，以获得更多产品。
值得注意的是，不同的塑料成型方法（如注塑、吹塑、挤塑等）在成型原理上会有所区别，但大致遵循上述基本原理。
此外，塑料的成型过程还需要考虑到模具的设计和制造、熔体流动性、冷却方式等因素，以确保最终产品的质量和形状的精准度。
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.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 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 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
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 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 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
.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
.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 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
.34.
.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
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 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
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
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
.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
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
.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
.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
.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
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 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
.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）