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1、第3章塑料成型基础本讲稿第一页，共一百三十三页第第3章章本讲稿第二页，共一百三十三页塑料成型塑料成型 将将塑料原料塑料原料（高聚物及其所需助剂）转变为（高聚物及其所需助剂）转变为塑料制品塑料制品的一门工程技术。的一门工程技术。在成型过程中，塑料将呈现出各种 变化，而这些变化与 有关。因此，充分认识塑料在各种外在条件下所表现出来的物理化学变化，对合理设计配方合理设计配方、制定工艺制定工艺以及对成成型设备、模具提出技术要求型设备、模具提出技术要求，都是非常重要的。第第3章章 塑料成型基础塑料成型基础物理化学物理化学物理化学物理化学高聚物的结构高聚物的结构高聚物的结构高聚物的结构 本讲稿第三页，共一
2、百三十三页塑料原理成型加工的塑料原理成型加工的基础基础聚合物在聚合物在一定条件一定条件下的下的流动流动和和变形变形。通过加热软化，使聚合物熔融成为黏流态的熔体。大部分成型采用热加工热加工在溶剂或分散剂的作用下，使聚合物成为能自由流动的溶液或分散体。第第3章章 塑料成型基础塑料成型基础本讲稿第四页，共一百三十三页第第3章章 塑料成型基础塑料成型基础3.1 聚合物的加工性质聚合物的加工性质3.2 聚合物的流变性能聚合物的流变性能3.3 聚合物的流动缺陷聚合物的流动缺陷3.4 成型过程中的物理和化学变化成型过程中的物理和化学变化本讲稿第五页，共一百三十三页3.1 聚合物的加工性质聚合物的加工性质1、
3、聚合物的物理（力学）状态：、聚合物的物理（力学）状态：由于高聚物的大分子结构大分子结构和分子热运动分子热运动特点，聚合物在不同温度下所表现出来的不同的分子热运动特征及物理（力学）状态。在不同在不同温度温度条件下，处于三种条件下，处于三种物理物理状态：状态：玻璃态玻璃态高弹态高弹态黏流态黏流态本讲稿第六页，共一百三十三页3.1 聚合物的加工性质聚合物的加工性质1、聚合物的物理（力学）状态：、聚合物的物理（力学）状态：在不同在不同温度温度条件下，处于三种条件下，处于三种物理物理状态：状态：玻璃态玻璃态呈呈刚性刚性，质硬如玻璃，质硬如玻璃，形变可逆形变可逆不能进行大变形的成型加工，只适合机械加工。高
4、弹态高弹态呈链段运动，呈链段运动，既有柔性又有刚性既有柔性又有刚性，如室温下的橡，如室温下的橡胶，胶，形变仍可逆形变仍可逆可进行较大变形的成型加工，如压延成型、中空吹塑等。黏流态黏流态呈链间运动，成熔体在压力作用下呈链间运动，成熔体在压力作用下流动流动可进行注射、挤出、薄膜吹塑等变形大、形状复杂的成型。本讲稿第七页，共一百三十三页3.1 聚合物的加工性质聚合物的加工性质2、聚合物的热力学（、聚合物的热力学（形变形变温度温度）曲线：）曲线：1线型无定形无定形聚合物；2线型结晶结晶聚合物（脆化温度脆化温度）（玻璃化温度玻璃化温度）（黏流温度黏流温度）（熔融熔融温度温度）（热分解温度热分解温度）（熔
5、点）本讲稿第八页，共一百三十三页Tb 脆化温度脆化温度 塑料塑料使用温度的下限使用温度的下限。若温度降到脆化温度，则发脆、易断裂损坏。若温度降到脆化温度，则发脆、易断裂损坏。Td热分解温度热分解温度 任任何何塑塑料料，当当加加热热到到一一定定温温度度时时，使使降降解解产产生生加速加速时的温度。时的温度。3.1 聚合物的加工性质聚合物的加工性质本讲稿第九页，共一百三十三页Tg玻璃化温度玻璃化温度 多多数数塑塑料料使使用用温温度度的的上上限限，是是高高聚聚物物重重要要的的特特征征性温度之一。性温度之一。无无定定型型（或或非非结结晶晶型型）高高聚聚物物由由玻玻璃璃态态向向高高高高弹弹弹弹态态态态（或
6、相反）的转变温度，（或相反）的转变温度，半半结结晶晶型型高高聚聚物物的的无无定定型型相相由由玻玻璃璃态态向向高高高高弹弹弹弹态态态态（或相反）的转变温度。（或相反）的转变温度。3.1 聚合物的加工性质聚合物的加工性质本讲稿第十页，共一百三十三页Tf非结晶型塑料粘流温度非结晶型塑料粘流温度 无无定定型型高高聚聚物物从从高高弹弹态态转转变变为为熔熔融融态态时时的的温度。温度。从分分子子运运动动观点看，Tm或Tf是高高聚聚物物分分子子链链整链能够运动整链能够运动，相互滑移的温度。相互滑移的温度。超过Tm或Tf，塑料成为流体，Tm或Tf是塑料成成型加工的温度下限型加工的温度下限。3.1 聚合物的加工性
7、质聚合物的加工性质本讲稿第十一页，共一百三十三页Tm结晶型塑料熔融温度结晶型塑料熔融温度 结晶型高聚物由结晶型高聚物由晶态晶态转变为转变为熔融态熔融态（或相反）（或相反）的温度。的温度。由于绝大多数结晶型塑料结晶型塑料都是半结晶型半结晶型半结晶型半结晶型的，因此塑料的熔融温度并不是一个尖锐的转折点，而是一个小范围的熔小范围的熔小范围的熔小范围的熔程程程程。对于对于结晶型塑料结晶型塑料，熔融温度熔融温度是比是比玻璃化温度玻璃化温度玻璃化温度玻璃化温度更有实际更有实际意义，更加意义，更加重要重要的温度。的温度。3.1 聚合物的加工性质聚合物的加工性质本讲稿第十二页，共一百三十三页 玻玻璃璃化化温温
8、度度是是无无定定型型塑塑料料产产品品的的最最高高使使用用温温度度。超过这一温度时，塑料就基本上丧失了力学性能，许多其它性能也会急剧下降。许多结晶型塑料结晶型塑料，虽然玻璃化温度玻璃化温度很低低低低，但由于结晶，材料的强度和刚度大大提高，从而使这些材料在远高于远高于玻璃化温度玻璃化温度下仍具有良好的力学性能下仍具有良好的力学性能下仍具有良好的力学性能下仍具有良好的力学性能，这些塑料的实际工作温度远高于玻璃化温度。3.1 聚合物的加工性质聚合物的加工性质本讲稿第十三页，共一百三十三页图图 聚合物的温度、力学状态与成型加工的关系聚合物的温度、力学状态与成型加工的关系本讲稿第十四页，共一百三十三页玻璃
9、态：玻璃态：塑料处于玻璃化温度玻璃化温度以下，高聚物处于玻璃玻璃态态（结晶型高聚物为结晶态结晶态），是坚硬的固体坚硬的固体坚硬的固体坚硬的固体，是大多数塑件的使用状态使用状态使用状态使用状态。l 是多数塑料使用温度的上限上限上限上限。l 则是塑料使用温度的下限下限。此时，力学性能较好，形变值很小，弹性模量较大。它受外力作用有一定的变形能力，但变形值小且可逆变形值小且可逆变形值小且可逆变形值小且可逆，即外力消失后，其变形也随之消失。处于玻璃态的高聚物只能进行一些车、铣、削、刨等小变形量的机械加机械加机械加机械加工工工工。这一聚集态也是高聚物的使用态使用态使用态使用态。3.1 聚合物的加工性质聚合
10、物的加工性质玻璃化温度玻璃化温度脆化温度脆化温度本讲稿第十五页，共一百三十三页高弹态：高弹态：塑料处于玻璃化温度玻璃化温度和黏流态温度黏流态温度黏流态温度黏流态温度之间，处于既非固体又非粘性液体既非固体又非粘性液体的橡胶态弹性体橡胶态弹性体。高弹态的高聚物是橡胶状态的弹性体。此时，其变形能力显著增大变形能力显著增大变形能力显著增大变形能力显著增大，但变形仍具可逆性仍具可逆性仍具可逆性仍具可逆性。热膨胀变大，产生的形变可恢复，外力去除后，高弹形变会随时间逐渐减小，直至为零。高弹态高弹态高弹态高弹态下，可进行真空、压延、弯曲、中空、冲压、锻压真空、压延、弯曲、中空、冲压、锻压真空、压延、弯曲、中空
11、、冲压、锻压真空、压延、弯曲、中空、冲压、锻压等成型。进行成型加工时，应充分考虑到它的可逆性（应充分考虑到它的可逆性（应充分考虑到它的可逆性（应充分考虑到它的可逆性（如何应对？如何应对？如何应对？如何应对？）。对结晶型高聚物结晶型高聚物结晶型高聚物结晶型高聚物，可在玻璃化温度至熔点的温度区间内进行薄膜吹塑薄膜吹塑薄膜吹塑薄膜吹塑和纤维拉伸纤维拉伸纤维拉伸纤维拉伸。3.1 聚合物的加工性质聚合物的加工性质变形后的制品迅速冷却至变形后的制品迅速冷却至变形后的制品迅速冷却至变形后的制品迅速冷却至玻璃化温度玻璃化温度玻璃化温度玻璃化温度以下是确保制品形状及尺寸稳定的关键。以下是确保制品形状及尺寸稳定的
12、关键。以下是确保制品形状及尺寸稳定的关键。以下是确保制品形状及尺寸稳定的关键。本讲稿第十六页，共一百三十三页3.1 聚合物的加工性质聚合物的加工性质黏流态：黏流态：当塑料受热温度超过黏流温度黏流温度（或熔点熔点熔点熔点）以上时，由于分子链的整体运动分子链的整体运动，塑料开始有明显的流动流动流动流动，塑料开始进入黏流态变成黏流液体黏流态变成黏流液体黏流态变成黏流液体黏流态变成黏流液体，通常我们也称之为熔体熔体。塑料在这种状态下的变形不具可逆性质不具可逆性质，一经成型和冷却后，其形状永远保持下来其形状永远保持下来其形状永远保持下来其形状永远保持下来。在这种状态下可进行注射、吹塑、挤出、纺丝、贴注射
13、、吹塑、挤出、纺丝、贴注射、吹塑、挤出、纺丝、贴注射、吹塑、挤出、纺丝、贴合合合合等成型加工。室温下室温下室温下室温下，呈现黏流态黏流态黏流态黏流态的聚合物，即为有机粘合剂有机粘合剂。本讲稿第十七页，共一百三十三页3.1 聚合物的加工性质聚合物的加工性质黏流态：黏流态：黏流温度黏流温度（或（或熔融温度熔融温度熔融温度熔融温度）、）、分解温度分解温度是高聚是高聚物进行成型加工时的重要参考温度。物进行成型加工时的重要参考温度。黏流温度黏流温度和热分解温度热分解温度热分解温度热分解温度范围越宽宽，其成型加热温度越容易控制容易控制容易控制容易控制，反之将增加成型操作的难度。黏流温度黏流温度黏流温度黏流
14、温度随着相对分子质量相对分子质量的增高而增高。过高过高过高过高的温度将使熔体粘度大大降低粘度大大降低粘度大大降低粘度大大降低，流动性增加流动性增加流动性增加流动性增加，但不适当地增加流动性会导致成型过程中溢料溢料溢料溢料增加，成型后的制品形状扭曲扭曲扭曲扭曲，质量变劣。当温度高至分解高至分解高至分解高至分解温度温度温度温度时，还会引起高聚物的分解变质分解变质分解变质分解变质。本讲稿第十八页，共一百三十三页3.1 聚合物的加工性质聚合物的加工性质特例：特例：高度交联的体形聚合物（热固性树脂）高度交联的体形聚合物（热固性树脂）由于分子运动阻力大，一般随温度发生力学状态的变化较小，通常不存在黏流态甚
15、至高弹态不存在黏流态甚至高弹态不存在黏流态甚至高弹态不存在黏流态甚至高弹态，即遇热不熔，高温分解。完全线型结晶性聚合物完全线型结晶性聚合物 热力学曲线通常不存在高弹态不存在高弹态不存在高弹态不存在高弹态，只有相对分子质量较高时，才有可能出现。其熔点很高熔点很高熔点很高熔点很高，所以一般成成成成型加工难以成型型加工难以成型型加工难以成型型加工难以成型。如聚四氯乙烯塑件通常采用高温烧结法成型。在低于熔点时形变量小，耐热性较好。本讲稿第十九页，共一百三十三页3.1 聚合物的加工性质聚合物的加工性质3、加工性质：、加工性质：u高聚物的高聚物的可挤压性可挤压性u高聚物的高聚物的可模塑性可模塑性u高聚物的
16、高聚物的可纺性可纺性u高聚物的高聚物的可延性可延性本讲稿第二十页，共一百三十三页 高聚物的高聚物的可挤压性可挤压性 高聚物通过高聚物通过挤压作用挤压作用形变时获得一定形状形变时获得一定形状并保持这种形状的能力。并保持这种形状的能力。固体状态的高聚物通常是不能通过挤压而成型的，只有当高聚物处于粘流态粘流态粘流态粘流态时才能通过挤压获得宏观而有用的形变。在塑料成型过程中，常见的挤压作用挤压作用有物料在挤出机和注射机料筒中挤出机和注射机料筒中、压延机辊筒间压延机辊筒间压延机辊筒间压延机辊筒间以及在模具中模具中所受到的挤压作用挤压作用。3.1 聚合物的加工性质聚合物的加工性质本讲稿第二十一页，共一百三
17、十三页 高聚物的高聚物的可挤压性可挤压性 在挤压过程中，高聚物熔体主要受到在挤压过程中，高聚物熔体主要受到剪切作剪切作用用，因此，高聚物的可挤压性主要取决于熔体的，因此，高聚物的可挤压性主要取决于熔体的剪剪切粘度切粘度和和拉伸粘度拉伸粘度。大多数高聚物熔体的粘度随剪切力或剪切速率的大多数高聚物熔体的粘度随剪切力或剪切速率的增大增大而而降低降低，也就是说，在挤压过程中高聚物熔体，也就是说，在挤压过程中高聚物熔体的流动速率随压力的升高而加快。的流动速率随压力的升高而加快。3.1 聚合物的加工性质聚合物的加工性质本讲稿第二十二页，共一百三十三页 高聚物的高聚物的可挤压性可挤压性 衡量高聚物可衡量高聚
18、物可挤压性挤压性挤压性挤压性的物理量是熔体的的物理量是熔体的粘度粘度（剪切剪切粘度粘度和和拉伸粘度拉伸粘度）。）。材料的可挤压性可挤压性与高聚物的流变性高聚物的流变性（剪切应力或剪切速率对粘度的关系）、熔融指数熔融指数和流动速率流动速率密切相关。熔体粘度过高，则物料通过形变而获得形状的能力差（固熔体粘度过高，则物料通过形变而获得形状的能力差（固态高聚物是不能通过挤压成型的）；态高聚物是不能通过挤压成型的）；熔体粘度过低，虽然物料具有良好的流动性，易获得一熔体粘度过低，虽然物料具有良好的流动性，易获得一定形状，但保持形状的能力较差。定形状，但保持形状的能力较差。适宜的适宜的熔体粘度熔体粘度熔体粘
19、度熔体粘度，是衡量高聚物可挤压性的重要标志。，是衡量高聚物可挤压性的重要标志。3.1 聚合物的加工性质聚合物的加工性质本讲稿第二十三页，共一百三十三页 高聚物的高聚物的可模塑性可模塑性 指指高高聚聚物物在在温温度度和和压压力力作作用用下下发发生生形形变变并并在在模模具具型型腔腔中中模模制制成成型型的的能能力力。具具有有可可模模塑塑性性的的高高聚聚物物可可通通过过注注射射、模模压压和和挤挤出出等等成成型型方方法法制制成成各各种种形形状状的模塑制品。的模塑制品。可模塑性主要取决于高聚物的可模塑性主要取决于高聚物的流变性、热性能、流变性、热性能、物理力学性能、工艺因素及模具的结构尺寸物理力学性能、工
20、艺因素及模具的结构尺寸等，对热固等，对热固性高聚物而言，还与其化学反应有关。性高聚物而言，还与其化学反应有关。3.1 聚合物的加工性质聚合物的加工性质本讲稿第二十四页，共一百三十三页 高聚物的可模塑性高聚物的可模塑性 高高聚聚物物的的可可模模塑塑性性通通常常用用螺螺旋旋流流动动试试验验来来判判断断。高高聚聚物物熔熔体体在在注注射射压压力力作作用用下下，由由阿阿基基米米德德螺螺旋旋形形槽槽的的模模具具的的中中部部进进入入，经经流流动动而而逐逐渐渐冷冷却却硬硬化化为为螺螺旋旋线线，以以螺螺旋旋线线的的长长度度来来判判断断高高聚聚物物流流动动性性的的优优劣劣。即即螺螺旋旋线愈长，高聚物的流动性愈好。
21、线愈长，高聚物的流动性愈好。需需要要指指出出的的是是：为为求求得得较较好好的的可可模模塑塑性性，要要注注意意各各影影响响因因素素之之间间的的相相互互匹匹配配和和相相互互制制约约的的关关系系；在在提提高高可可模模塑塑性的同时，要兼顾到诸因素对制品使用性能的影响性的同时，要兼顾到诸因素对制品使用性能的影响。3.1 聚合物的加工性质聚合物的加工性质本讲稿第二十五页，共一百三十三页图图 模塑压力模塑压力温度曲线温度曲线A成型区域成型区域 a表面不良线表面不良线 b溢料线溢料线 c分解线分解线 d缺料线缺料线 本讲稿第二十六页，共一百三十三页 高聚物的可模塑性高聚物的可模塑性从图压力从图压力-温度曲线图
22、中可以看出：温度曲线图中可以看出：l 过高的温度，虽可增加熔体的流动性，使其易于成型，但会引起分解，制品收缩率变大；温度过低时熔体粘度大，流动困难，成型性差；且因弹性发展，明显地使制品形状稳定性差。l 适当增加压力，通常能改善高聚物的流动性，但过高的压力将引起溢料（熔体充满模腔后溢至模具分型面或模具拼合缝之间）和增大制品内应力；压力过低时则造成缺料（制品成型不全）。所所以以图图中中四四条条线线所所构构成成的的面面积积（有有交交叉叉线线的的部部分分）才才是成型的最佳区域是成型的最佳区域。3.1 聚合物的加工性质聚合物的加工性质本讲稿第二十七页，共一百三十三页 高聚物的高聚物的可纺性可纺性 指指高
23、高聚聚物物通通过过加加工工形形成成连连续续的的固固态态纤纤维维的的能能力力。它它主主要要取取决决于于高高聚聚物物的的流流变变性性，熔熔体体粘粘度度、熔熔体体强强度度以以及及熔熔体体的的热热稳稳定定性性和和化化学学稳稳定定性性等等。作作为为纺纺丝丝材材料料，要要求求其其应应有有良良好好的的热热和和化化学学稳稳定定性性，这这是是因因为为高高聚聚物物在在高高温温下下要要停停留留较较长长的的时时间间并并要要经经受受在在设设备备和和毛毛细细孔孔中流动时的剪切作用。中流动时的剪切作用。3.1 聚合物的加工性质聚合物的加工性质本讲稿第二十八页，共一百三十三页 高聚物的高聚物的可延性可延性 可延性表示无定形或
24、半结晶固体高聚物在一可延性表示无定形或半结晶固体高聚物在一个方向或二个方向上受到压延或拉伸时变形的能个方向或二个方向上受到压延或拉伸时变形的能力。高聚物的这种性质为生产长径比（长度对直力。高聚物的这种性质为生产长径比（长度对直径，有时是长度对厚度）很大的产品提供了可能，径，有时是长度对厚度）很大的产品提供了可能，利用高聚物的可延性，可通过压延或拉伸工艺生利用高聚物的可延性，可通过压延或拉伸工艺生产薄膜、片材和纤维。但工业生产上仍以拉伸法产薄膜、片材和纤维。但工业生产上仍以拉伸法用得最多。用得最多。3.1 聚合物的加工性质聚合物的加工性质本讲稿第二十九页，共一百三十三页压延车间压延车间本讲稿第三
25、十页，共一百三十三页压延机组压延机组本讲稿第三十一页，共一百三十三页本讲稿第三十二页，共一百三十三页吹膜机组吹膜机组本讲稿第三十三页，共一百三十三页双色彩条吹膜机组双色彩条吹膜机组本讲稿第三十四页，共一百三十三页3.1 聚合物的加工性质聚合物的加工性质 高聚物可以从一种聚集态转变为另一种聚集态，这种转变取决于高聚物的分子结构、体系的组成以及所受应力和环境温度。从工艺工艺角度分析，成型全过程依赖的三大要素三大要素：l温度温度转换分子运动的模式依赖于温度变化。l时间时间完成分子运动的模式的转换需要一定的时间。l压力压力完成剪切、压实、塑化的过程，实现熔体的流动需要一定的压力。塑料的成型过程，就是聚
26、合物三种状态变化的过程。之所以变化，归因于不同温度条件下聚合物分子运动的不同的表现形式。当高聚物及其组成一定时，聚集态的转变主要与温度温度有关。本讲稿第三十五页，共一百三十三页影响聚合物性能的主要参数影响聚合物性能的主要参数密度密度规定的温度下，单位体积物质的质量。相对密度相对密度在相同的温度下同体积的参比物质质量之比。密度提高，其刚度、拉伸强度、硬度、耐溶剂性、阻渗性、耐热性等性能提高；耐环境应力开裂性、（缺口）冲击强度、透明度等性能相对下降。高聚物的密度与结晶呈线性关系，可用密度来衡量结晶率的变化。本讲稿第三十六页，共一百三十三页影响聚合物性能的主要参数影响聚合物性能的主要参数相对分子质量
27、相对分子质量高聚物中简单的全部单体分子的质量，或全部单体分子合成的聚合物分子，减去释放的部分。高相对分子质量的高聚物，有更好的力学性能、韧度、耐环境应力开裂性等。测试方法很多，如流变及相对分子量测量，但都比较复杂、成本高，而流体质量流动速率流体质量流动速率（MFR）或熔体熔体体积流动速率体积流动速率（MVR）是相对分子质量的快速而简单的表征，还能快速指导成型工艺参数的选择。本讲稿第三十七页，共一百三十三页影响聚合物性能的主要参数影响聚合物性能的主要参数分子质量分布分子质量分布（MWD)在聚合反应过程中，由于使用的催化剂及聚合工艺的影响，所生产的聚合物会有不同的分子质量，从而形成从窄到宽的不同分
28、子质量分布范围。范围窄的高聚物，成型性能差而制品力学性能，反之亦然。最常用的测量指数是不均匀指数不均匀指数，它等于重均分子质量除以数均分子质量。聚乙烯的不均匀指数范围4-30，一般可分成窄、中、宽三个范围，可从供应商的产品技术说明书中查获。本讲稿第三十八页，共一百三十三页3.2 聚合物的流变性能聚合物的流变性能 高聚物在成型过程中，一般都要发生高聚物在成型过程中，一般都要发生流动流动和和形变形变。l即在外力外力的作用下表现出粘性粘性、弹性弹性和塑性塑性。塑性也可看作粘性和弹性的组合l其强烈地依赖于高聚物本身的结构本身的结构和外在条件外在条件。因此，研究高聚物流变行为与温度、压力、时间、作用力的
29、依赖关系，对成型材料的选择和对成型材料的选择和使用、最佳工艺条件的确定、加工设备和模具使用、最佳工艺条件的确定、加工设备和模具设计、提高产品质量设计、提高产品质量等有着重要的指导作用。本讲稿第三十九页，共一百三十三页3.2 聚合物的流变性能聚合物的流变性能 高聚物加工过程中的形变是高聚物加工过程中的形变是外力作用外力作用的结果，的结果，材料受力后产生材料受力后产生与外力相平衡的应力与外力相平衡的应力。应力应力按受力方式的不同，分为：按受力方式的不同，分为：l剪切应力剪切应力l拉伸应力拉伸应力l流体静压力流体静压力应变应变材料受力后产生的形变和尺寸改变材料受力后产生的形变和尺寸改变应变速率应变速
30、率单位时间内产生的形变单位时间内产生的形变本讲稿第四十页，共一百三十三页3.2 聚合物的流变性能聚合物的流变性能剪切作用力产生的流动剪切作用力产生的流动剪切流动剪切流动l挤出机的口模、注射机的喷嘴和流道、纺丝喷丝板挤出机的口模、注射机的喷嘴和流道、纺丝喷丝板的毛细管孔中的流动的毛细管孔中的流动拉伸作用力产生的流动拉伸作用力产生的流动拉伸流动拉伸流动l初生纤维离开喷丝板时、吹塑法或拉幅法生产薄膜时初生纤维离开喷丝板时、吹塑法或拉幅法生产薄膜时加工中流体静压力对流动的影响不显著，但对加工中流体静压力对流动的影响不显著，但对粘度有影响。粘度有影响。实际生产中，受力情况复杂。在大多数高聚物流体的加工过
31、程中，实际生产中，受力情况复杂。在大多数高聚物流体的加工过程中，剪切流剪切流动是主要流动动是主要流动，剪切应力和剪切应变的研究也更为重要。，剪切应力和剪切应变的研究也更为重要。本讲稿第四十一页，共一百三十三页3.2 聚合物的流变性能聚合物的流变性能 加工过程中高聚物的流变性质主要表现加工过程中高聚物的流变性质主要表现为为粘度粘度的变化。的变化。根据流动过程中根据流动过程中高聚物粘度和应力高聚物粘度和应力或应变速率的关系或应变速率的关系，高聚物的流动分为：，高聚物的流动分为：l牛顿型流动牛顿型流动l非牛顿型流动非牛顿型流动本讲稿第四十二页，共一百三十三页3.2 聚合物的流变性能聚合物的流变性能
32、流体在平直导管中受剪切应力而发生流流体在平直导管中受剪切应力而发生流动的形式：动的形式：l层流层流流体的质点沿着平行平行于流道轴线的方向相对运动。动画演示l紊流（湍流）紊流（湍流）流体的质点除向前运动外，还在主流动的横向上作不规则不规则的任意运动。动画演示本讲稿第四十三页，共一百三十三页3.2 聚合物的流变性能聚合物的流变性能比较：比较：层流层流l同一流层之间的各点速度彼此相同l各层间的速度不一定相同，但也不发生混乱紊流（湍流）紊流（湍流）l流动速度增大，并超过某一临界值临界值时，转为湍流l各点速度的大小、方向都随时间变化，出现混乱本讲稿第四十四页，共一百三十三页3.2 聚合物的流变性能聚合物
33、的流变性能临界值临界值以以雷诺准数雷诺准数ReRe为基准为基准lRe2100 Re2100 时时 层流层流lRe=21004000Re=21004000 层流变湍流的过渡期层流变湍流的过渡期 高聚物熔体在高聚物熔体在成型的流动中成型的流动中，其雷诺值一般，其雷诺值一般小于小于1010，高聚物的分解体也不会大于，高聚物的分解体也不会大于21002100，因此其，因此其流动均为流动均为层流层流。少数情况下，如高聚物有弹性，有时也会引起湍流。少数情况下，如高聚物有弹性，有时也会引起湍流。本讲稿第四十五页，共一百三十三页 1、牛顿流动规律、牛顿流动规律描述液体层流层流的最简单的规律：牛顿在研究液体流动
34、液体流动时发现，温度温度一定时，低分子液体低分子液体在流动时的切应力切应力和剪切速率剪切速率之间存在着如下关系：式中 液层之间的单位距离内的速度差，称为速度梯度速度梯度 单位时间内的剪切应变，称为剪切速率剪切速率。h 比例常数，称为剪切粘度或牛顿粘度剪切粘度或牛顿粘度。3.2 聚合物的流变性能聚合物的流变性能 反应液体的黏稠性黏稠性，其大小表示液体抵抗形变的能力抵抗形变的能力，与液体分子分子结构结构和所处的温度温度有关，而与剪切应力剪切应力和剪切速率剪切速率无关。本讲稿第四十六页，共一百三十三页 凡是液体层流时符合牛顿流动规律的通称牛顿流体，牛顿流体，其特征为l应变随应力作用的时间线性地增加应
35、变随应力作用的时间线性地增加l粘度保持不变粘度保持不变（定温情况下），应变具有不可应变具有不可逆性质，逆性质，应力解除后应变以永久变形保持下来。在现实中，真正属于牛顿流体的只是低分子化合物的液体或熔体。3.2 聚合物的流变性能聚合物的流变性能本讲稿第四十七页，共一百三十三页塑料成形中，大多数塑料熔体都是非牛顿流塑料成形中，大多数塑料熔体都是非牛顿流体，它们中大部分近似服从体，它们中大部分近似服从指数流动指数流动规律。规律。对于高聚物熔体、分散体和熔液，除少数聚除少数聚合物熔体的粘度对剪切速率不敏感如合物熔体的粘度对剪切速率不敏感如PA、PC等，除常把它们近似视为牛顿流体外等，除常把它们近似视为
36、牛顿流体外，绝大多数都只能在剪切应力很小或很大时，才表现为牛顿液体。3.2 聚合物的流变性能聚合物的流变性能本讲稿第四十八页，共一百三十三页2、指数流动规律：、指数流动规律：式中 K与聚合物和温度温度有关的常数，可反映聚合 物熔体的粘稠性粘稠性，称为粘度系数粘度系数；n与聚合物和温度温度有关的常数，可反映聚合 物熔体偏离偏离牛顿流体性质的程度程度，称为 非牛顿指数非牛顿指数。3.2 聚合物的流变性能聚合物的流变性能本讲稿第四十九页，共一百三十三页 上式可改写为：设 于是，式（1.5）改写为 式中 （1.5）（称为流变方程）（1.6）（称为流动方程）（1.7）非牛顿液体的表观粘度表观粘度。3.2
37、 聚合物的流变性能聚合物的流变性能本讲稿第五十页，共一百三十三页 就表观粘度表观粘度的力学性质而言，它与牛顿粘度相同。但是，表观粘度表观粘度表征的是非牛顿液体（服从指数流动规律）在外力的左右下抵抗剪外力的左右下抵抗剪切变形的能力切变形的能力。由于非牛顿液体的流动规律比较复杂，表表观粘度观粘度除与流体本身的性质本身的性质以及温度温度有关以外，还受剪切速率剪切速率的影响，这就意味着外力的外力的大小及其作用时间大小及其作用时间也能改变流体的粘稠性。3.2 聚合物的流变性能聚合物的流变性能本讲稿第五十一页，共一百三十三页讨论：讨论：n1时，这意味着非牛顿流体变为牛顿流体牛顿流体。n1时，称为假塑性液体
38、假塑性液体。（在注射成型中，除了热固性聚合物和少数热塑性聚合物外，大多数聚合物熔体均有近似假塑性液体流变学的性质）n1时，称为膨胀性液体膨胀性液体。（属于膨胀性液体的主要是一些固体含量较高的聚合物悬乳液）n值可以用来反映非牛顿液体值可以用来反映非牛顿液体偏离偏离牛顿流体性质的程度。牛顿流体性质的程度。n1时时，绝对值，绝对值 1n 越大，流体的越大，流体的非牛顿性非牛顿性越越强强，剪切速率剪切速率对表观粘度对表观粘度的影响越的影响越强强。3.2 聚合物的流变性能聚合物的流变性能本讲稿第五十二页，共一百三十三页1234图1.5 不同类型流体的流动曲线 1膨胀性流体；2牛顿流体；3假塑性流体；4复
39、合型流体剪切速率切应力不同类型流体的流动曲线流动曲线3.2 聚合物的流变性能聚合物的流变性能本讲稿第五十三页，共一百三十三页不同类型流体的流变曲线流变曲线123表观粘度 图1.6 不同类型流体的流变曲线1膨胀性流体；2牛顿流体；3假塑性流体剪切速率3.2 聚合物的流变性能聚合物的流变性能本讲稿第五十四页，共一百三十三页假塑性液体的流变学性质假塑性液体的流变学性质 在中等剪切速率中等剪切速率区域，假塑性液体的流变学性质表现为：1）变形和流动所需要的切应力切应力随剪切速率剪切速率变化，并呈指数规律指数规律增大增大；2）变形和流动所受到的粘滞阻力粘滞阻力，即液体的表观粘度随剪切速率剪切速率变化，并呈
40、指数规律指数规律减小减小。这种现象称为假塑性液体的“剪切稀化剪切稀化”3.2 聚合物的流变性能聚合物的流变性能本讲稿第五十五页，共一百三十三页 3、拉伸流动与拉伸粘度、拉伸流动与拉伸粘度拉伸流动拉伸流动一个平面内两个质点间距离的拉长拉长l剪切流动一个平面在另一个平面上的滑动滑动拉伸粘度拉伸粘度随所施加的拉应力的单向、双向性而有所变化。l单向应力的拉伸粘度的值大约为剪切粘度的3倍；l双向应力的拉伸粘度的值大约为剪切粘度的6倍；3.2 聚合物的流变性能聚合物的流变性能本讲稿第五十六页，共一百三十三页 3、拉伸流动与拉伸粘度、拉伸流动与拉伸粘度拉伸粘度拉伸粘度与拉伸应力拉伸应力l有些塑料，随施加的拉
41、应力的增加，拉伸粘度并无任何变化；有些塑料，随施加的拉应力的增加，拉伸粘度出现上升或下降。l这一现象的理论依据不明，但可通过试验数据进行分析，用以指导成型工艺和设备的设计。例：吹塑薄膜或中空制品成型时，如采用随拉伸应力增大而增加的材料，则很少会产生制品或半成品出现应力集中或局部强度变弱的现象；反之，就易发生，甚至破裂。3.2 聚合物的流变性能聚合物的流变性能本讲稿第五十七页，共一百三十三页4、影响粘度的主要因素、影响粘度的主要因素 粘度依赖于分子间的作用力粘度依赖于分子间的作用力（1）聚合物结构对的影响聚合物结构对的影响 分子结构分子结构分子链刚度越性越大，粘度越高，对温度的敏感性越高；反之，
42、柔性越大，纠缠点越多，粘度对剪切应力越敏感。相对分子质量相对分子质量随着相对分子质量的增加，不同链段偶然位移相互抵消的机会就多，位移越困难，粘度越大。相对分子质量分布相对分子质量分布（聚合物内大分子之间相对分子质量的差异）相对分子质量相同，相对分子质量分布幅度越宽，粘度越低，对剪切速率的敏感性增大，非牛顿性增强，假塑性流动区域加宽。相对分子质量分布幅度较宽，流动性好；但过宽，会带来粘辊、溢料等现象，同时制品力学性能下降。3.2 聚合物的流变性能聚合物的流变性能本讲稿第五十八页，共一百三十三页4、影响聚合物流变学性质的因素、影响聚合物流变学性质的因素（2）温度对粘度的影响）温度对粘度的影响l随着
43、温度上升，高聚物的粘度呈下降趋势随着温度上升，高聚物的粘度呈下降趋势l不同材料的表现粘度对温度有不同的敏感性。不同材料的表现粘度对温度有不同的敏感性。刚性分子比柔性分子的粘度对温度更敏感刚性分子比柔性分子的粘度对温度更敏感还与相对分子量和相对分子分布幅度有关还与相对分子量和相对分子分布幅度有关 注：注：注射成型生产中，依靠提高温度降低熔体粘度以改善流动性提高温度降低熔体粘度以改善流动性的工艺控制方法，主要适用于粘度对剪切速率不太敏感或其熔粘度对剪切速率不太敏感或其熔体近似服从牛顿流动规律体近似服从牛顿流动规律的聚合物，如PMMA、PC、PA-66等这些材料不需要增加很多温度而它们的粘度却下降不
44、少。3.2 聚合物的流变性能聚合物的流变性能本讲稿第五十九页，共一百三十三页4、影响聚合物流变学性质的因素、影响聚合物流变学性质的因素（3）压力对粘度的影响）压力对粘度的影响l随着压力上升，高聚物的粘度趋于增大随着压力上升，高聚物的粘度趋于增大l粘度对压力的敏感性会因聚合物不同而不同。粘度对压力的敏感性会因聚合物不同而不同。低分子液体压缩性有限，但高分子的高聚物熔体压缩性是很可观的。通常认为，聚合物熔体的压缩率越大，聚合物熔体的压缩率越大，其粘度对压力的敏感性越强。其粘度对压力的敏感性越强。注：在实际情况中，有些材料在寻常压力范围可以成型，但增大压力注：在实际情况中，有些材料在寻常压力范围可以
45、成型，但增大压力时，则变得不易成型或生产率下降，甚至变得象固体一般，不能流时，则变得不易成型或生产率下降，甚至变得象固体一般，不能流动。动。3.2 聚合物的流变性能聚合物的流变性能本讲稿第六十页，共一百三十三页5、高聚物在成型过程中的弹性行为、高聚物在成型过程中的弹性行为 高聚物熔体不仅具有非牛顿性，还具有高聚物熔体不仅具有非牛顿性，还具有固体般的弹性固体般的弹性。当熔体收到压力时：当熔体收到压力时：l一部分能量用于熔体发生粘性变形一部分能量用于熔体发生粘性变形流动流动l另一部分另一部分被储存起来被储存起来，一旦外界应力失去，储存的能，一旦外界应力失去，储存的能量就将得到恢复量就将得到恢复弹性
46、变形弹性变形但这种恢复不是瞬时的。弹性变形的实质是大分子主链的弯曲和延伸，应力解除后，弯曲和延伸部分的恢复需要克服内在粘性的阻止。3.2 聚合物的流变性能聚合物的流变性能本讲稿第六十一页，共一百三十三页5、高聚物在成型过程中的弹性行为、高聚物在成型过程中的弹性行为粘性变形粘性变形和和弹性变形弹性变形哪种占优势，取决于：哪种占优势，取决于：l外力作用的时间外力作用的时间l松弛的时间松弛的时间物料不同、成型方法不同，松弛时间不同。注：注：注射和挤出成型中，弹性变形与粘性变形相比，可略去。即使少量的弹性变形，仍能使熔体产生流动缺陷，使塑件产生变形。为了消除或减小高聚物的弹性变形，必须增加成型周期，使
47、材料变形经历的时间大于松弛的时间。使大分子重新弯曲、缠结的程度大些，那么总变形中弹性变形的影响将变得很小。3.2 聚合物的流变性能聚合物的流变性能本讲稿第六十二页，共一百三十三页6、热固性聚合物的流变学性质、热固性聚合物的流变学性质 热固性聚合物和热塑性聚合物流变行为的不同可以用图1.9加以说明：CBA温度流动性图1.9 温度对热固性聚合物流动性的影响 A总的流动曲线；B粘度对流动性的影响曲线；C交联反应速度对流动性的影响曲线3.2 聚合物的流变性能聚合物的流变性能本讲稿第六十三页，共一百三十三页6、热固性聚合物的流变学性质、热固性聚合物的流变学性质l粘度粘度反应了固化程度 热固性聚合物在成型
48、过程中，既有物理变化又有化学变化，物料一旦固化，粘度变为无穷大，具有不可逆性。l粘度主要取决于物理变化，其影响因素：粘度主要取决于物理变化，其影响因素：分子结构分子结构剪切速率剪切速率温度温度固化时间固化时间3.2 聚合物的流变性能聚合物的流变性能本讲稿第六十四页，共一百三十三页3.3 聚合物的流动缺陷聚合物的流动缺陷 高聚物熔体在导管内流动时，常因种种原因而高聚物熔体在导管内流动时，常因种种原因而使流动出现不正常的现象或缺陷。使流动出现不正常的现象或缺陷。如果这种缺陷发生在成型过程中，则常使制品的外如果这种缺陷发生在成型过程中，则常使制品的外观质量受到损伤，例如制品表面光泽度差，出现麻面、观
49、质量受到损伤，例如制品表面光泽度差，出现麻面、波纹甚至裂纹等。有时制品的强度或其它性能也会发波纹甚至裂纹等。有时制品的强度或其它性能也会发生劣变。生劣变。当然，这些现象都是在工艺条件、制品设计、当然，这些现象都是在工艺条件、制品设计、设备设计或选料等方面不尽合理所造成的设备设计或选料等方面不尽合理所造成的。本讲稿第六十五页，共一百三十三页3.3 聚合物的流动缺陷聚合物的流动缺陷1、管壁上的滑移、管壁上的滑移 实验证明，高聚物在导管内流动时，靠近管壁的一层实验证明，高聚物在导管内流动时，靠近管壁的一层熔体可能发生的间断式的流动。熔体可能发生的间断式的流动。l滑移的程度与高聚物的品种及采用的润滑剂
50、和管壁的性质有关。l滑移的产生影响了流体流动速率的稳定性，最终对产品质量造成影响。本讲稿第六十六页，共一百三十三页3.3 聚合物的流动缺陷聚合物的流动缺陷2、端末效应、端末效应端末效应包括：端末效应包括：入口效应大管进入小管，入口端的不稳定现象离模膨胀由导管留出时，先收缩后膨胀的现象产生原因：产生原因：与高聚物流动过程的弹性行为有关，同时还受材与高聚物流动过程的弹性行为有关，同时还受材料、流道尺寸、入口形状、流速等有关。料、流道尺寸、入口形状、流速等有关。本讲稿第六十七页，共一百三十三页高聚物熔体高聚物熔体端末效应示意端末效应示意3.3 聚合物的流动缺陷聚合物的流动缺陷本讲稿第六十八页，共一百