塑料成型工艺学

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(3) 意义
挤出物胀大比对纺丝、控制管材直径和板材 厚度、挤出吹塑制品等均有重要实际意义。例如， 挤出加工的口型设计、长径比、平稳段长度、挤 出工艺条件等
讨论： 挤出口模设计 四方形截面的棒材
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3. 熔体破裂
升高温度是避免鲨鱼皮现象的有效办法。
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熔体破裂的影响因素 熔体在口模内各处受应力的历史不同，离模后弹性 恢复不一致，如果弹性恢复力超过熔体强度，引起熔体 破裂。
弹性应变 + 弹性恢复
（1）不稳定流动， 存在临界剪切速率
（2）临界剪切速率随口模L／D增加而增大，随温度升高而增大。 （3）口模入口角对临界剪切速率影响较大，使用流线型结构可 防止熔体滞留，防止挤出物不稳定流动。 （4）塑料种类。如HDPE，有较高流动范围，即使超过临界剪 切速率，也不会引起挤出物的畸变，适宜高速挤出。 （5）临界剪切速率随相对分子质量增加而降低。相对分子质量 53 塑料成型工艺-成型基础 岑兰 低的聚合物，适宜于高速挤出。
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举例：高聚合度聚氯乙烯 HPVC加工特性的研究


HPVC树脂，平均聚合度1700 以上， HPVC2500最常见。 与通用PVC相比，HPVC具有 较高回弹性、较低压缩永久变 形、优异耐热变形、较高拉伸 强度以及优良耐磨性等。 HPVC熔体表观黏度大，挤出 压力大，加工温度要求较高。 与HPVC的凝胶化有关。凝胶 化指PVC在加工受热和剪切作 用时，颗粒形态被破碎、微晶 熔融、散开，在冷却时重新结 晶，形成以微晶为分子链缠结 点的三维网络结构的过程。
n＜1 假塑性流体 n＞1 膨胀性流体
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1) 宾哈流体
当剪切应力高于
时，宾哈流体才开始流动。
过
原因：流体在静止时形成了凝胶结构，外力超 时，此三维结构才被破坏 。
几乎所有的塑料浓溶液和凝胶性糊塑料的流变 行为与宾哈流体相近。
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(2) 影响离模膨胀的因素 1）口模长径比L / D一定时， 剪切速率↑ (螺杆转速↑) → B↑↑； 2）在低于临界剪切速率下， T↑ → 熔体弹性 ↓ → B↓； 3）在低于熔体破裂的临界剪切应力下， 剪切应力↑ → B↑； 4）剪切速率恒定时，L/D↑，B↓ → 恒定； 5）熔体在口模内停留时间延长，→ B↓； 6）离模膨胀比与聚合物种类有关。 分子量↑，分布变窄 → B ↑； 长支链支化 → B↑↑；填料结构性↑ → B↓。 7）加入填料能减少挤出物胀大。 47 塑料成型工艺-成型基础 岑兰 8）膨胀比与口模入口的几何结构无关。
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讨论题：

某厂用注射成型方法，生产PS（聚苯乙烯） 制品、PP（聚丙烯）制品、PE（聚乙烯）制 品、PC（聚碳酸酯）制品，遇到流动性不 好的问题。 如何解决？（ 不改变配方）
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1.2.2 粘性剪切流动的影响因素
η＝F(γ，T，p，M……）
挤出速率逐渐增大，挤出物表面出现凹凸不平、或 外形发生畸变、断裂现象。
橘皮纹
鲨鱼皮
竹节 扭结
断裂
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鲨鱼皮


主要特征：挤出物周向具有凹凸不平的波纹， 影响外观，但不影响挤出物的内部结构。 产生原因：熔体在口模壁上滑动，口模对挤 出物产生周期性的拉伸作用。
存在临界挤出速率，随温度升高而增大。
3）膨胀性流体（胀塑性流体） 剪切应力或剪切速率增加，流体表观粘度升高 “剪切变稠”
解释：当处于静态时，悬浮液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隙。当施加于体系的剪切应力不大， 即剪切速率较小时，流体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 被破坏，整个体系趋于膨胀，此时流体不能充满所有空隙，润滑 作用受限，故表观粘度随剪切速率增大而增大。 例：固体含量高的悬浮液，处于较高剪切速率 下的PVC糊塑料等
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制造模具
一、 影响塑料材料性能的化学因素P17


重复结构单元的特性 端基 支化和交联 结构缺陷 基团的空间位置
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举例：共聚物组成的影响P20

丙烯-乙烯共聚物
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(2 ) 影响塑料材料性能的物理因素
2）假塑性流体 （最普遍的一种）
剪切应力增加，流体表观粘度降低 （剪切变稀） 原因：与流体分子结构有关。
当塑料熔体大分子承受应力时，缠结点被解开，同 时沿着流动方向规则排列；随应力增加，缠结点被 解开和大分子规则排列程度加大，因此粘度降低。 当塑料溶液承受应力时，原来由溶剂化作用而被封 闭在粒子或大分子盘绕空穴中的小分子被挤出，使 粒子或盘绕大分子的有效直径随应力的增加而相应 22 塑料成型工艺-成型基础 岑兰 缩小，从而流体粘度下降。
共混物粘度： lgη = φ1 lgη1 + φ2 lgη2
（T、γ恒定时，φ—体积分数）
共混 → 降低粘度，例如硬PVC / ACR、PPO / PS
增塑剂、润滑剂、增强剂、惰性填料 39 塑料成型工艺-成型基础 岑兰
1.2.3 聚合物熔体剪切流动中的弹性表现
聚合物熔体具有粘性，同时具有弹性。
弹性表现在：入口效应 离模膨胀 熔体破裂
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2. 离模膨胀
聚合物熔体挤出后，其截面积比口模截面积大。 离模膨胀B = d / D
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(1) 离模膨胀解释 1） 大分子沿流动方向取向，口模出口处， 产生解取向。
2） 从大直径料筒进入小直径的口模，产 生弹性形变，离模后弹性形变恢复。 3）由于粘弹性流体的剪切形变，垂直于剪 切方向引起了正应力作用。
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1. 入口效应 P137
塑料熔体在挤出时通 过一个狭窄口模，（即使 口模很短），会产生很大 的压力降，称入口效应。
压力降
Δp＝Δpen+Δpdi+Δpex
口模入口压力降Δpen 口模内的压力降Δpdi 口模出口压力降Δpex
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举例：高聚合度聚氯乙烯HPVC加工特性的研究
相对分子质量及其分布 结晶性 粒径与粒度分布 成型过程中的取向 流体粘度

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1.2 聚合物的流变行为 P125
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1.2.1 聚合物熔体的流动
1.2.4 拉伸粘度λ
1. 拉伸应变速率ε变化，拉伸粘度λ变化，但幅度不 如剪切速率引起的表观粘度变化大。 2. ε 增大， λ增大，LDPE、PIB、PS λ不变，PMMA、ABS、PA λ减小，HDPE、PP 3. λ的意义：如中空容器成型中，采用“ε 增大，λ增大”物
第一章
塑料成型的理论基础
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1
1.1 概述
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2
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3
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4
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塑料材料
成 型
物理变化、化学变化
化学反应、交联、降解
制品
流变、传热、结晶、取向
设计合理的原料配方
确定成型工艺 选择设备
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1、剪切速率的影响
γ增加， η下降
应用： 对剪切速
率敏感大的塑料， 可采用提高剪切 速率方法，使熔 体粘度降低。有 利于流动，降低 设备能耗。 塑料成型工艺-成型基础 岑兰
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相对分子质量增大，粘度上升。 原因：粘性流动主要是分子链间的相对位移； 相对 分子质量增大，流动体积增大， 粘度上 升。反之，降低。
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(2) 相对分子质量分布

相对分子质量分布宽，对剪切速率的敏感性大。 相同平均相对分子质量下，分布宽的熔体中， 剪切速率增大时对缠结点（较大分子链所形成） 的破坏明显，粘度下降较多；及其小分子数多， 相当于增塑剂，熔体流动性好，易于加工。
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(3) 支化
支化对熔体粘度和流 动性影响大。 长支链有显著影响： 支化↑，相互作用较小， 粘度降低。
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(4) 共混组分、添加剂的影响
共混体系中，粘度低组分 → 连续相， 粘度高组分→ 分散相→ 体系粘度↓。
(2) 非牛顿流动
剪切流动中，按剪 切应力和剪切速率 的关系，分为牛顿 流动和非牛顿流动。
粘度
流体流动时内部 抵抗流动的阻力。
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牛顿流动
粘度
剪切应力 t=F/A 剪切速率
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非牛顿流体的流动曲线

n
n＝1 牛顿流体
宾哈流体(τy)
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流动流体，各处 质点的速度不完 全相同。
拉伸流动—质点 速度沿流动方向 变化； 剪切流 动—质点速度沿 与流动方向垂直 的方向发生变化。
单轴拉伸：一方向拉长，二个方向相对缩短。如纤维拉丝。 16 塑料成型工艺-成型基础 岑兰 双轴拉伸：两个方向同时拉长，另一方向相对缩短，如中空 吹塑、薄膜生产。
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2. 温度的影响
T升高，流动性增大。
η＝Aexp（Ei / RT)
Ei：粘流活化能
原因： T升高，聚合 物分子间作用力减弱， 塑料成型工艺-成型基础 岑兰 熔体粘度降低。
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活化能越大，粘度对温度越敏感，温度 升高时，其粘度下降越明显。
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3. 压力的影响
聚合物熔体是可压缩流体，
压力1～10MPa ——体积压缩小于1％。 体积压缩使自由体积减少，分子间距离缩小，流 体粘度增加， 流动性降低。
压力增加与温度下降对粘度的影响等效。但影响 不明显，被切变速率的影响掩盖。
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4.分子结构的影响
(1) 相对分子质量
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入口压力降：PVC2500＞PVC1000，说明PVC2500的熔体弹性较大。 测试温度对入口压力降影响：PVC2500不大，随测试温度升高PVC1000压力 降下降。 测试温度下，PVC1000基本熔融，分子间的阻力减少，分子链的运动受温度 影响较大，温度升高，运动速率加快，流动性增加，熔体黏度降 低，使入口压力降变低。 PVC1000表现出对温度的敏感性较高。 测试温度下，PVC2500未充分熔融，分子间缠结未充分解开，190℃时， 分子链解缠结至自由活动的能量仍不够，分子间相对运动的阻力较大，对流 动性改善不明显。测试温度范围内PVC2500对温度敏感性不高，其加工温度 较高，加工困难。
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(1) 流动类型
层流与湍流（Re） Re < 2100~2300 , 层流 Re＝2300～4000， 过渡流 Re > 4000， 湍流 稳定流动与不稳定流动（P、T、V、 τ） 稳定流动：在管道中流动时，流体任何一定部位的流动状况 保持恒定，不随时间变化，如正常工作的挤出机，熔体沿螺 杆螺槽向前流动。 不稳定流动：如注射的充模过程。 等温流动与非等温流动 （T） 等温流动：流体各点的温度保持不变。 非等温流动：塑料成型中，流体一般为非等温流动。流道各 区域要求控制不同温度；粘性流动中生热和热效应，使流体 在径向和轴向有一定温度差。 拉伸流动与剪切流动
形变基本类型：剪切、拉伸和压缩
剪切应力：对塑料成型最重要，影响成型时熔体在设备和模具
中流动的压力降、所需功率以及制品质量等。
拉伸应力：在塑料成型中较重要，经常与剪切应力共同出现， 例如吹塑中型坯的引伸，吹塑薄膜时泡管的膨胀，塑料熔体 在锥形流道内的流动等。 压缩应力：一般不重要。
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