《塑料橡胶成型工艺及设备绪论.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《塑料橡胶成型工艺及设备绪论.pptx（161页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、内容绪论1高聚物加工基础理论2塑料的塑化与橡胶的混炼3塑料与橡胶模压成型工艺4塑料与橡胶挤出成型工艺5第1页/共161页1 绪论1.1什么是塑料橡胶成型工艺？研究高分子材料（塑料、橡胶）从原材料到塑料制品的制备过程中发生的一系列物理或化学变化，然后从研究过程中总结归纳确定生产工艺、指导生产的学科。塑料橡胶工业包含塑料橡胶生产（树脂和半制品的生产）和塑料橡胶制品生产（也称为塑料橡胶成型工业）两个部分。第2页/共161页制品的生产塑料制品的生产橡胶制品的生产第3页/共161页1 绪论1.2 塑料、橡胶制品的生产塑料制品的生产第4页/共161页1.2 塑料、橡胶制品的生产橡胶制品的生产第5页/共16
2、1页1.3本课程的内容简介本课程是“高分子材料科学与工程”专业的专业必修课。它主要介绍塑料橡胶制品的成型方法和成型加工中的基本原理和各种工艺控制过程。本课程所论及的内容主如下：第6页/共161页1.3本课程的内容简介第7页/共161页1.4学习目标及要求通过本课程的学习，掌握每种工艺所依据的原理、生产控制因素以及在工艺过程中塑料所发生的物理和化学变化和它们对制品性能的影响具有清晰的概念，能根据不同材料的特性、使用要求和不同的成型工艺特点选择合适的工艺参数，制造出高性能低成本的塑料制品。为进一步学习、研究和处理工程技术问题，打下科学技术基础。第8页/共161页1.5学习方法及规律本课程是一门实践
3、性很强的课程，除了课堂教学外，还需要学生在实验、实习中联系生产实际去理解和掌握。这就要求我们不仅要掌握各种成型工艺和设备的原理、特点、工艺过程的选择和控制等基本内容，还要从更深层次培养自己的动手能力、实践能力和自己进行独立思考、分析问题和解决问题的能力。第9页/共161页2 高聚物加工基础理论第10页/共161页内容聚合物熔体的流动特性 2.1 聚合物熔体的弹性行为2.2高聚物的热物理性质2.3塑料与橡胶模压成型工艺4塑料与橡胶挤出成型工艺3第11页/共161页2.1聚合物熔体的流动特性 2.1.1概述 2.1.1.1研究高聚物流变性的意义除极少数几种工艺外，在大多数成型过程中都要求聚合物处于
4、粘流态（塑化状态），因为在这种状态下聚合物不仅易于流动，而且易于变形，这给它的输送和成型都带来极大方便，掌握聚合物熔体的流动与变形的现象和基本原理，对分析和处理加工过程中的工艺和工程问题，正确拟定加工工艺条件具有指导意义。第12页/共161页2.1.1概述2.1.1.2聚合物流动变形时的受力情况主要受剪切应力；其次有拉伸应力；压缩应力。第13页/共161页2.1.1概述2.1.1.3高聚物粘流态的主要特征（1）流动机理链段相继跃迁；（2）流动粘度大，流动困难，不符合牛顿流体的流动规律；（3）流动中伴随高弹形变。（聚合物熔体的弹性效应）第14页/共161页2.1.2高聚物的流动性2.1.2.1层
5、流与湍流层流：流体主体的流动是按彼此平行的流层进行，同一流层之间隔点速度彼此相同，各层速度不一定相等，各层之间无可见的扰动。湍流：流体各点的速度大小，方向随时间而变化。流体内出现扰动。第17页/共161页2.1.2高聚物的流动性层流和湍流的区分以雷诺准数（Re）为依据。雷诺数由下式定义：式 中 D为 管 道 直 径，为 流 体 的 平 均 流 速，为流体的密度，为流体的剪切粘度。Re21002300，为层流；Re23004000，为过渡流；Re4000为湍流。第18页/共161页2.1.2高聚物的流动性由于聚合物的粘度大，流速低，聚合物在成型条件下的雷诺准数值很少大于1，一般呈现层流状态。但是
6、在特殊场合，会出现弹性湍流，熔体的破碎会破坏成型。第19页/共161页2.1.2高聚物的流动性2.1.2.2稳定流动与不稳定流动凡流体在输送通道中流动时，该流体在任何部位的流动状况保持恒定，不随时间而变化，此种流体称为稳定流动。（并不是流体在各部位的流速以及物理状态都相等，而指任何一定部位，他们的流动状态都不随时间而变化。凡流体在输送通道中流动时，其流动状况都随时间而变化，此种流动称为不稳定流动。第20页/共161页2.1.2高聚物的流动性2.1.2.3等温流动和非等温流动流体各处的温度保持不变情况下的流动。聚合物流体的流动一般均呈现非等温状态。原因：成型工艺要求将流道各区域控制在不同的温度下
7、；粘性流动过程中有生热和热效应。第21页/共161页2.1.2高聚物的流动性2.1.2.4一维流动、二维流动、三维流动一维流动：流体内质点的速度仅在一个方向上变化。二维流动：流道截面上各点的速度需要两个垂直于流动方向的坐标表示。三维流动：流体的流速要用三个相互垂直的坐标表示。第22页/共161页2.1.2.5拉伸流动和剪切流动剪切流动：质点速度沿垂直于流动方向变化。2.1.2高聚物的流动性第23页/共161页2.1.2高聚物的流动性由运动边界所造成的流动称为库爱特流动（Couetterflow）如由运动的平面、圆柱面、锥面带动的流动。边界相对静止，由压力梯度产生的流动称为泊肃叶流动、压力流（P
8、oiseuilleflow）流体静压力。第24页/共161页拉伸流动：质点速度沿平行于流动方向变化。有单轴和双轴拉伸。单轴拉伸的特点是一个方向被拉长，其余两方向缩短。双轴拉伸时两个方向被同时拉长，另一方向缩小2.1.2高聚物的流动性第25页/共161页2.1.3流体类型及其流动特征剪切应力作用下聚合物的流变性质2.1.3.1牛顿型流动式中比例系数为牛顿粘度，它是流体本身所固有的性质，其大小表征抵抗外力所引起的流体变形的能力。第26页/共161页属于此类型的流体：低分子化合物的液体或溶液，除PC、偏二氯乙烯-氯乙烯共聚物等少数几种与牛顿流体相近外，绝大多数都属于非牛顿型流体。2.1.3流体类型及
9、其流动特征第27页/共161页2.1.3.2非牛顿流动特点：凡流体流动时不遵从牛顿流动定律的，均称为非牛顿型流体。其流动时剪切应力与剪切速率的比值不再被称为粘度而称为表观粘度a。a=f（、T、t）2.1.3流体类型及其流动特征第28页/共161页2.1.3流体类型及其流动特征如果不考虑聚合物熔体的弹性，可将非牛顿流体归为两个系统：粘性系统和有时间依赖性的系统。1）粘性系统：特性：受力流动时其剪切速率只依赖剪切应力的大小。分类：宾哈流体；假塑性流体；膨胀性流体。第29页/共161页2.1.3流体类型及其流动特征（1）宾哈流体：a、特点：这种流体与牛顿流体相同，其剪切应力和剪切速率的关系表现为直线
10、，不同的是它的流动只有当剪切应力高至一定值y后才发生塑性流动。b、流动方程：y =p*(d/dr)=p第30页/共161页2.1.3流体类型及其流动特征式中y为屈服应力；p为刚度系数，等于流动曲线的斜率。c、不流动的原因：因为流体在静止时形成了凝胶结构，外力超过y时这种三维结构即受到破坏。d、属于此类型的流体有：牙膏、油漆、沥青等。第31页/共161页2.1.3流体类型及其流动特征（2）假塑性流体：非牛顿流体中最为普通的一种。a、特点：表观粘度随剪切应力的增加而降低，但流动曲线是非直线，且不存在屈服应力。b、流动方程：幂律方程（指数定律方程）=K(d/dr)n=K式中n偏离因子（非牛顿指数）；
11、k粘度系数（流体稠度，单位Pas，材料常数，流体粘稠性越大，k值就越高）。第32页/共161页2.1聚合物熔体的流动特性c、切力变稀的原因分析：聚合物溶液：应力作用下，原来由溶剂化作用而被封闭在粒子或大分子盘绕空穴的小分子被挤出，粒子或盘绕大分子的有效直径即随应力的增加而缩小，使粘度下降（粘度大小与粒子或大分子的平均大小成正比）。聚合物熔体：受力时，聚合物大分子间的缠结点被解开，同时还沿着流动的方向规则排列，因此就降低了粘度。第33页/共161页2.1.3流体类型及其流动特征（3）膨胀性流体（切力变稠）：a、特性：流动曲线也不是非直线，而且也不存在屈服应力。它的表观粘度随剪切应力增加而上升；用
12、幂律方程表示时n1（m0;而2233很小，第一法向应力差N1随剪切速率的增加而增大。第59页/共161页2.2.1.1现象熔体由大管或储槽进入小管后最初一段区域内的压力降要比理论计算值大。料筒中某点与口模出口之间的总压力降：P=Pen+Pdi+Pex2.2.1入口效应第60页/共161页2.2.1入口效应2.2.1.2压力降产生的原因口模入口处的压力降Pen被认为是三种原因造成：1）熔体粘滞流动流线收敛引起能量损失。2）聚合物熔体产生弹性变形，弹性能的储蓄造成能量的消耗。3）速度的剧烈变化，为达到稳定的流速分布造成压力降。入口压力降绝大部分都是由熔体的弹性所引起的（95%）。第61页/共161
13、页2.2.1入口效应口模内的压力降Pdi取决于稳态层流的粘性能损失。口模出口压力Pex是聚合物熔体在出口处所具有的压力。就牛顿流体而言，Pex为零；对非牛顿流体Pex0。第62页/共161页2.2.2.1定义被挤出的聚合物熔体断面积远比口模断面积大的现象。1）表达式：离模膨胀比定义为充分松弛的挤出物直径d与口模直径D之2.2.2出模膨胀现象比。圆形口模的离模膨胀比为：B=d/D 或B=d2/D2B2第63页/共161页2.2.2出模膨胀现象第64页/共161页2.2.2出模膨胀现象2.2.2.2出模膨胀机理a、取向效应：聚合物熔体处于高剪切场内，其大分子在流动方向取向，但在口模出口处发生解取向
14、，从而引起离模膨胀。b、弹性变形效应或称之为记忆效应所引起。聚合物进入口模时产生弹性变形，在熔体离开口模时弹性形变恢复，从而引起离模膨胀。c、正应力效应所引起。第65页/共161页2.2.2出模膨胀现象2.2.2.3影响因素有两个相反的过程，其一弹性效应，其二弹性恢复即松弛）1）长径比一定，B随剪切速率增加而增大。在熔体破裂临界剪切速率之前有最大值Bmax，而后下降；2）低于c之下，B随增加而增大。高于c时，B值则下降；3）在低于临界的一定的剪切速率下，B随温度升高而降低；第66页/共161页2.2.2出模膨胀现象4）剪切速率恒定，B随长径比L/D的增大而降低。L/D超过某一数值时，B为常数。
15、5）离模膨胀比随熔体在口模内停留时间呈指数关系地减少。6）离模膨胀比随聚合物的品种和结构不同而异（解释原因：线性、柔性聚合物位阻低，松弛时间短，B值小；粘度大，分子量高，发布窄的非牛顿性强，松弛缓慢，B值大。）第67页/共161页2.2.2出模膨胀现象7）离模膨胀与口模入口的几何结构无关。（平板、圆筒形、截锥形）8）增塑剂，减弱分子间的作用力缩短松弛时间，使B值减小，填料使含胶量下降，B值减小。9）随口模直径增大，先增大后减小。10）狭缝厚度方向比水平方向的膨胀比大，圆形介于两者之间。第68页/共161页2.2.3.1定义当挤出速率逐渐增加时，挤出物表面出现凹凸不平、外形发生畸变或断裂的不规则
16、现象总称，使其内在质量受到破坏。2.2.3不稳定流动熔体破裂现象第69页/共161页2.2.3不稳定流动熔体破裂现象第70页/共161页2.2.3.2原因（熔体弹性行为的典型表现）1）在流动中，聚合物受到拉伸，由于它的粘弹性，在流场中产生了可回复的弹性形变。形变程度随剪切速率的增大而增大。当剪切速率增大到一定程度，弹性形变达到极限，熔体再不能够承受更大的形变了，于是流线发生周期性断开，造成“破裂”。2.2.3不稳定流动熔体破裂现象第71页/共161页2.2.3不稳定流动熔体破裂现象入口区边部环流乘机而入，主料流与环流交替进入口型，不同形变历史的物料出口型后弹性恢复不均匀，挤出物产生破裂。低密度
17、聚乙烯、丁苯像胶等支化型聚合物的破裂属子这种破裂机理。第72页/共161页2.2.3不稳定流动熔体破裂现象2）粘滑机理由于熔体与流道壁之间缺乏粘着力，在某一临界切应力以上时，熔体产生滑动，同时释放出由于流经口模而吸收的过量能量。能量释放后以及由于滑动造成的“温升”，使得熔体再度粘上。由于这种粘滑机理过程，流线出现不连续性，使得有不同形变历史的熔体段错落交替地组成挤出物。第73页/共161页3）剪切历史差异引起：入口区与管内流动区，受剪切不一样，产生不均匀的弹性恢复。入口端死角存在漩涡流动，周期性进入流道，引起流线中断。一般认为鳖鱼皮状破裂产生于出口处。在无滑动的情况下，管壁上流体的速度为零，而
18、一旦离开管口，边壁处流体的速度必须突然增加到与挤出物的线速度相一致，当此加速度过大时，造成流体分于的弹性形变达极限值导致熔体表观破裂。2.2.3不稳定流动熔体破裂现象第74页/共161页临界判据：研究挤出破裂的临界条件，即确定在剪切速率和剪切应力多大时将发生高弹湍流，对生产控制是十分重要的。a.韦森堡值韦森堡值又称为“弹性雷诺数”。该准数将熔体破裂的条件与其分子本身的松弛时间和外界剪切速率关联起来:，松弛时间；，聚物熔体的粘度；G高聚熔体的剪切弹性模量。2.2.3不稳定流动熔体破裂现象第75页/共161页2.2.3不稳定流动熔体破裂现象NW7时，发生高弹湍流，熔体破裂。b.临界粘度降巴托斯(B
19、artos)在1964年提出了另一个衡量高聚物不稳定流动的临界条件，即“临界粘度降”。其表述为：随剪切速率增大，当熔体粘度降至零切粘度的0.025倍时，则发生熔体破裂：第76页/共161页c临界剪切应力有人从最大剪切应力来考虑熔体破裂的临界条件。1963年本博(Benbow)和拉姆(Lamb)指出，当mf=1.25*105N/m2时发生熔体破裂现象。d 熔 体 破 裂 指 数 Nmf 1957年 巴 蔡 特(Barnett)指出，熔体破裂指数Nmf接近予106N/m2时即发生熔体破裂。2.2.3不稳定流动熔体破裂现象第77页/共161页高聚物的弹性形变是由链段运动引起的，而链段运动的能力，即松
20、弛的快慢程度，由松弛时间所决定。当很小时，形变的观察时间t远大于，则形变以粘性流动为主；当很大时，t远小于，则弹性形变为主，弹性效应显著。2.2.4影响高聚物熔体弹性的因素第78页/共161页2.2.4影响高聚物熔体弹性的因素1）聚合物的性质：非牛顿性越大，c或c越低。2）分子量和分子量分布：分于量大，分子间作用力强，熔体粘度高，松弛时间长，弹性形变松弛得慢，则弹性效应就可明显地观察出来。挤出膨胀率高，熔体易破裂。分子量分布宽，则高分子量级分的松弛时间长，熔体的弹性表现则更明显。第79页/共161页2.2.4影响高聚物熔体弹性的因素3）成型条件：剪切速率增大，外力作用时间短，分子链来不及松弛，
21、则弹性效应显著。如果剪切速率太大，以致于流道中的大分于链都来不及伸.展，则弹性效应反而不太明显。温度升高，分子的活动能力增强，分于间距离增大，分子间作用力减小，大分子的松弛时间缩短，熔体膨胀收缩率减小，熔体破裂的临界剪切速率提高。第80页/共161页2.2.4影响高聚物熔体弹性的因素4）口模尺寸：入口角流线形，c；L/D，c；5）模具材料：与口模光滑程度关系不大与模具材料有关，黄铜c最大。银钢c最小。6）某些聚合物HDPE即使在剪切速率高出临界值时挤出物并不出现熔体破碎现象，适宜高速加工，但粘度太多，流动性太差。第81页/共161页2.3高聚物的热物理性质2.3.1体积特征2.3.1.1基本概
22、念比容：单位质量物质的体积；密度：单位体积物质的质量。摩尔体积：1mol物质的质量。第82页/共161页2.3.1体积特征标准温度下的摩尔体积（298K）零点摩尔体积（0K）范德华摩尔体积：分子电子云所占的体积。近代物质结构理论：任何物质的体积均由分子本身体积和自由体积所组成，自由体积受温度的影响，范德华摩尔体积不受温度的影响。摩尔体积计算方法：集团贡献加和法第83页/共161页2.3.2热膨胀2.3.2.1热膨胀系数体积热膨胀系数：线热膨胀系数：第84页/共161页2.3.2热膨胀摩尔热膨胀系数：密度温度系数：第85页/共161页2.3.2热膨胀2.3.2.2受热时尺寸变化体积变化：线性尺寸
23、变化：第86页/共161页2.3.2热膨胀第87页/共161页2.3.2热膨胀2.3.2.3希姆哈-波义耳热膨胀模型第88页/共161页2.3.2热膨胀结论：高弹态高聚物的热膨胀系数比玻璃态时要大得多，这是因为高弹态的高聚物(如常温下的橡胶)具有典型的液体特性，链段运动相当于液体分子的运动，所以高弹态高聚物的体胀系数等于液体的体胀系数。第89页/共161页2.3.2热膨胀处于玻璃态时高聚物的体胀系数与结晶体的体胀系数大致相等，两条线平行，其斜率相同。Vl线的延长线(用虚线表示)与Vc在热力学温度0K时相交一点，这就是说，如果液体(或高弹态高聚物)在冷却过程中不发生玻璃态转变的话，则在0K时最紧
24、凑的堆砌密度正好是结晶体在0K时的那种堆砌密度。第90页/共161页2.3.3热容2.3.3.1定义：温度升高一度所需的热量。1Kg物质温度升高一度所需的热量叫比热容c。1mol物质温度升高一度所需的热量叫摩尔热容C。等容比热容cv。第91页/共161页2.3.3热容等压比热容cp等容摩尔热容Cv等压摩尔热容Cp第92页/共161页2.3.3热容2.3.3.2高聚物的比热容在不发生化学反应的情况下，非晶态高聚物的比热容随温度增加而直线上升，在玻璃化转变温度处发生突变。等压热容的取决于热焓随温度的变化，由于固体的内能随温度的变化比液体要大，所以在玻璃态以下时，热容上升的斜率比玻璃态以上时要大。第
25、93页/共161页2.3.3热容第94页/共161页2.3.3热容对于结晶材料，结晶熔化时，由于发生相变，在熔点附近。Cp趋于无穷大。结晶高聚物也会发生同样的变化。第95页/共161页2.3.4导热性2.3.4.1定义所谓导热性是指物体传递热能的能力。各种物质的导热能力是不同的。随物质的化学结构、聚集态、温度、压力等因素而改变。导热系数是指当温度梯度为1时，该物质在单位时间内，单位面积上所能传递的热量，通常用符号表示。单位用W/(m.K)第96页/共161页2.3.4导热性2.3.4.2传热机理聚合物材料的传热机理，大多采用德拜(Debye)的固体传热声子模型来解释：传热过程中不发生分子的传递
26、，传热过程是一种能量在物质中依次逐层传递的过程。它是以声速、按量子形式一份份传递的，每份能量的大小与材料密度和比热成正比。第97页/共161页2.3.4导热性第98页/共161页2.3.4导热性1965年K.爱尹尔曼从分子运动观点来讨论聚合物的传热机理：高聚物分子是一种键型不同的三维网格，即沿分子链方向是化学键，垂直方向是范德华力的物理键，沿分子链方向上的原子排列比垂直方向要规则紧凑的多，所以声子的逸散沿分子链方向也比垂直方向少得多，因而热阻抗也小得多。第99页/共161页2.3.4导热性随分子量M的增加，开始逐渐增高，然后渐渐趋于一稳定不变的常数。所以对高分子化合物来说，与分子量无关。聚合物
27、交联后，导热系数稍有增加，但增加不多，因为在交联度不太高时，分子链间物理键仍然是主要形式。取向影响较大。由于取向后分子链沿一定方向排列，根据这种导热性上显著的各方异性特点，在实际工作中可用它来测定高聚物分子的取向度。第100页/共161页2.3.4导热性2.3.4.3温度的影响一般固体的导热系数随温度的上升而增加，液体的导热系数(除水和甘油外)随温度上升而下降。高聚物在玻璃化温度以下时具有固体的性质，导热系数也随温度的上升而增加，玻璃化温度处出现一极大值，各种非晶相高聚物都符合这一规律。第101页/共161页2.3.4导热性第102页/共161页2.3.4导热性第103页/共161页2.3.4
28、导热性若取对比导热系数与对比温度T/Tg作图，各种橡胶及非晶高聚物都在一条曲线上，当温度由Tg上升到T时，聚集态结构相同的高聚物的对比导热系数相近。第104页/共161页2.3.5导温系数2.3.5导温系数在高聚物的热物理性质中，还常用到导温系数这一参数。导温系数表示物体在冷却或加热时各部分温度趋向一致的能力。导温系数越大，在同样的外部加热或冷却条件下，物料内部各处的温差就越小。反之，导温系数越小，物体各部分的温差就越大。第105页/共161页2.3.5导温系数值的大小与导热系数成正比，与热容和密度成反比，其值可用下式计算：=/（Cp）式中为导温（热扩散）系数；为导热系数；Cp为定压热容；为密
29、度。各种聚合物由玻璃态至熔融态的导温热扩散系数是逐渐下降的，但在熔融状态下的较大温度范围内却几乎保持不变。（原因：比热容随温度上升的趋势恰为密度随温度下降的趋势所抵消）。第106页/共161页2.3.5导温系数对聚合物加热和冷却的限制聚合物热传导的传热速率很小，冷却和加热都不容易；粘流态聚合物由于粘度高，对流传热的速率小。加热时，不能将推动传热速率的温差提得过高，以免由于局部温度过高引起降解。第107页/共161页2.3.5导温系数冷却时，不能使冷却介质与熔体之间温差太大，否则会因为冷却过快而使内部产生内应力。皮层冷却快，处于玻璃态，成坚硬外壳，内层收缩，处于拉伸状态，皮层受到应力作用，产生内
30、应力。结果物理性能下降，弯曲、拉伸强度下降，制品翘曲，开裂。第108页/共161页2.3.6摩擦热聚合物熔体的粘度大，在成型过程中发生流动时，会因摩擦而产生显著的热量，此摩擦热在单位体积的熔体中产生的速率Q为：式中Q为摩擦热在单位体积的熔体中产生的速率；为剪切应力；为剪切速率；a为表观粘度；J为热功当量。第109页/共161页熔体在圆管内流动，Q在管的中心处为0，而在管壁处最大。用摩擦方法加热对聚合物是十分有力的，它使聚合物烧焦的可能性不大。聚合物熔体在流动过程中，由于粘度大，会在较短的流道内造成很大的压力降，从而使前后密度不一致。密度变小熔体的体积膨胀，膨胀消耗能量。结晶聚合物在受热熔融和冷
31、却时伴随有相态的转变，需要吸收和放出较多的热量。2.3.6摩擦热第110页/共161页第111页/共161页第112页/共161页2.4聚合物的结晶 2.4.1结晶形态单晶、球晶、串晶、柱晶和伸直链晶等。2.4.2高分子的结晶能力2.4.2.1链节大小小有利于结晶。因为易形成晶核。2.4.2.2链对称性PE对称性好易结晶。但许多结构对称性不强而空间排列规整的聚合物同样也能结晶如：PTFE。第113页/共161页2.4聚合物的结晶2.4.2.3规整性任何破坏结构规整性的因素都导致难结晶甚至不结晶。如：支化、交联结晶能力下降；共聚：嵌段能结晶，规整序列应该占绝对优势，无规不能结晶。（举例：PP、P
32、PB、PPR、PPH）2.4.2.4链的柔顺性适中的有利于结晶。一方面不容易缠结，另一方面使其具有适当的构象才能排入晶格形成一定的晶体结构。分子间作用力是影响链的柔顺性主要因素，分子间作用力越强，分子链的柔顺性越小，结晶结构越稳定，而且结晶度和熔点越高；第114页/共161页2.4聚合物的结晶2.4.2.5聚合物类型缩聚物比加聚物难以结晶（重复的单元比较长，链节比较大，难以排入晶格中）。第115页/共161页2.4聚合物的结晶2.4.4结晶对性能的影响2.4.4.1对力学性能的影响结晶度高，弹性模量增大，表面硬度增大，屈服应力增大。2.4.4.2增对光学性能的影响结晶度大，透明度下降。2.4.
33、4.3对热性能的影响结晶度增大，Tg升高。第116页/共161页2.4聚合物的结晶2.4.5晶态与非晶态的互转过程2.4.5.1晶态非晶态结晶聚合物熔融急冷至Tg以下非晶态2.4.5.2非晶态晶态非晶态聚合物熔融（Tm）缓慢冷却晶态第117页/共161页2.4聚合物的结晶2.4.6成型加工与聚合物结晶的关系2.4.6.1结晶压力的影响随着压力的增加，熔体的结晶速率增加，因而片晶厚度增加，熔点升高。（解释：注射成型中如果浇口冻结后，保压压力大，晶片厚度大）2.4.6.2应变和流动诱导结晶外部施加应力导致熔体大分子链拉伸并按与形变相同的方向排列，由此大大降低了结晶时大分子规则排列的阻力从而加快了结
34、晶速率。（举例：聚丙烯纤维通过熔体挤出并使之在高压下结晶得到）第118页/共161页2.4聚合物的结晶2.4.6.3退火（又称热处理）为稳定的结晶结构，小的晶粒转变为较大的晶粒使结晶聚合物的结晶趋于完善，结晶度增加，比较不稳定的结晶结构转变等。使晶片厚度增加，熔点提高。也有利于大分子的解取向和消除注射成型等过程中制品的冻结压力。第119页/共161页2.5成型过程中的定向作用2.5.1基本概念2.5.1.1什么是定向在剪切应力或拉伸应力的作用下，聚合物大分子或熔体中的纤维状填料沿着力的方向作平行排列，这种排列常称为定向作用。2.5.1.2发生定向的原因分析不作这样的排列，细而长的单元势必以不同
35、的速度运动，其结果是被拉断，否则只能在不同的位置顺着流动方向作平行排列。由于同样原因，热塑性塑料在其玻璃化温度与熔点之间进行拉伸时，也会发生定向作用。第120页/共161页2.5.1基本概念2.5.1.3定向对制品性能的影响各向异性。有利：定向薄膜、单丝以及拉伸网格等，使制品沿拉伸方向的拉伸强度和抗蠕变性能得到提高。不利：厚度大或模塑制品，制品中的定向现象不一致，而且各部分的定向程度也有差别，使制品某些方向的力学强度提高，另外一些方向变劣，发生翘曲或裂缝。第121页/共161页2.5.2热固性塑料模压制品中纤维状填料的定向2.5.2.1成型方法用带有纤维状填料的热固性塑料生产模压制品的方法有两
36、类：压缩模塑法：其中定向作用很少。传递模塑法和热固性塑料的注射模塑法：制品中会引起纤维状填料的定向作用。第122页/共161页2.5.2热固性塑料模压制品中纤维状填料的定向2.5.2.2扇形片状物中填料的定向情况定向形成的过程：填料排列的的方向主要是顺着流动方向的，碰上模壁后，它的流动就改为与阻力成垂直的方向。（见图）定向的结果：机械强度：切向径向；收缩率和后收缩率：切向径向第123页/共161页2.5.2热固性塑料模压制品中纤维状填料的定向2.5.2.3定向的特点填料定向的方向和程度主要依赖于浇口的形状（它能决定高分子材料流动速度的梯度）和位置。成型工艺条件的变更与定向没有关系。热固性塑料定
37、向不能消除，而热塑性塑料可以消除。第124页/共161页2.5.3热塑性高分子材料中聚合物大分子的定向热塑性塑料制品在生产时，只要在生产过程中存在熔体流动，几乎都有聚合物分子定向的问题。2.5.3.1定向机理定向的影响因素：剪切；松弛。分子定向是流动速度梯度诱导而成的，而这种梯度又是剪应力造成的。当所加的应力已经停止或减弱时，分子定向又会被分子热运动所摧毁，因此分子定向在各点的差异应该是这两个对立效应的净结果。第125页/共161页2.5.3热塑性高分子材料中聚合物大分子的定向第126页/共161页2.5.3热塑性高分子材料中聚合物大分子的定向定向程度最大：层在熔态塑料柱的边缘；点在熔体最先灌
38、满处。原因：熔体进入模腔后压力逐渐降低（流动的压力在入模处最高，在料的前端最低），熔体的速度梯度也由浇口的最大值逐渐降低到料流前端的最小值。所以熔体前沿区域分子的取向程度低。当这部分熔体首先与温度低的多的模壁接触时，即被迅速冷却而形成取向结构少或无规取向结构的冻结层。第127页/共161页2.5.3热塑性高分子材料中聚合物大分子的定向但靠近冻结层的熔体仍然移动，且粘度高，流动时的速度梯度大，故次表面层的这部分熔体有有很高的取向程度，模腔中心的熔体，流动速度梯度小，取向程度低，同时由于温度高，冷却速度慢，分子的解取向有时间发展，故最终的取向程度极抵。熔体进入模腔后最先充满的地方在距浇口不远的地方
39、，有较长的冷却时间，冻结层厚，分子在这里受到的剪切作用最大，取向程度也最高。第128页/共161页2.5.3热塑性高分子材料中聚合物大分子的定向定向结果：a、机械强度：直向横向b、抗张强度、伸长率、收缩率：直向横向第129页/共161页2.5.3热塑性高分子材料中聚合物大分子的定向2.5.3.3影响定向的因素影响分子定向程度的因素有很多，各种因素彼此牵制，压力增大，粘度变化，温度梯度变化。1）T模具，制品厚度，T塑料进模时间，定向程度。2）浇口长度，压力，充满塑模的时间，定向程度。分子定向程度与浇口安设的位置和形状有很大关系部位。为减少分子定向程度，浇口最好设在型腔深度较大的第130页/共16
40、1页2.5.4拉伸定向2.5.4.1什么是拉伸定向在TgTm之间的温度区域内，对塑料施以单轴单向或双轴双向拉伸，则其中的分子链将在很大程度上沿着拉伸方向作整齐排列，也就是分子在拉伸过程中出现了定向。第131页/共161页2.5.4拉伸定向拉伸后重新加热，在沿分子定向方向发生较大收缩，（矿泉水瓶加入热水后）如果将制品在张紧的情况下进行热处理，在高于拉伸温度而低于熔点的温度区域内加热若干时间，急冷至室温，制品收缩率下降。第132页/共161页2.5.4拉伸定向2.5.4.2拉伸定向的实质在TgTm之间进行是因为分子在高于Tg时才有足够的活动，这样在拉应力的作用下，分子从无规线团中被拉开、拉直和在分
41、子彼此之间发生移动。实质上，聚合物在拉伸定向过程中的变形可分为三个部分：第133页/共161页2.5.4拉伸定向瞬时弹性变形：瞬息可逆的变形，是由分子键角的扭变和分子链的伸长造成的。拉应力解除时能全部恢复。分子排直的变形：排直是分子无规线团解开的结果，排直的方向与拉应力的方向相同。分子定向部分，是拉伸定向工艺要求的部分，它在制品的温度降到Tg以下后即自行冻结而不能恢复。第134页/共161页2.5.4拉伸定向粘性变形：分子间的彼此滑动，不能恢复。粘性流动，定向程度小。拉伸定向是一个动态的过程，一方面有分子被拉直，另一方面又有分子纠集成无规线团。第135页/共161页2.5.4拉伸定向2.5.4
42、.3影响因素1）在给定拉伸比和拉伸速度的情况下，拉伸温度越低（不得低于Tg）越好。解释：目的增加排直变形而减少粘性变形。2）在给定拉伸比和拉伸温度下，拉伸速度越大则所得分子定向的程度越高。第136页/共161页2.5.4拉伸定向3）在给定拉伸速度和定温下，拉伸比越大，定向程度越高。不管拉伸情况如何，骤冷的速率越大，能保持定向的程度越高。第137页/共161页2.5.4拉伸定向2.5.4.4对结晶和无结晶聚合物的影响1）对于无结晶倾向的聚合物：a、M，定向程度。b、拉伸有时在降温情况下进行（解释原因：降温和拉伸同时进行，厚度波动小，厚的降温慢有较大的粘性变形，降低了厚度波动的幅度。）第138页/
43、共161页2.5.4拉伸定向2）对于有结晶倾向的聚合物：原因；结晶聚合物制造薄膜单丝如为无定形，则没有使用价值，结晶而没有定向的产品性脆缺乏透明性，定向而无结晶的产品有较大的收缩性。只有定而又结晶的性能最好，具备透明性收缩性小。定向中无结晶，或结晶度不足的具有较大的收缩性。关键是热处理的温度、时间和骤冷的速率。第139页/共161页2.5.4拉伸定向2.5.4.5结晶对拉伸的影响要求：拉伸前的聚合物中应不含有晶相。含晶相不容易使其定向程度提高。有结晶倾向的聚合物，在拉伸过程中伴有晶体的产生，结晶结构的转变和晶相的定向。分子定向加速结晶过程。有结晶倾向的聚合物，在拉伸时有热量产生，因此拉伸定向应
44、在温度梯度下降的情况下进行。第140页/共161页2.5.4拉伸定向2.5.4.6热处理 1）定义：在T拉伸-Tm某一适宜的温度对制品烘若干时间（通常为几秒钟），而后急冷至室温以降低其收缩率。2）目的：使已经拉伸定向的中间制品中的短链分子和分子链段得到松弛，但不扰乱它的主要定向部分。所以温度应尽可能低，以免扰乱主要定向部分。第141页/共161页2.5.4拉伸定向2）实质：a、无结晶倾向：使已经拉伸定向的中间制品中的短链分子和分子链段得到松弛，但不扰乱他的主要定向部分。b、有结晶倾向：使聚合物形成足够的结晶度以防止收缩。第142页/共161页2.6.1降解的实质聚合物在热（主要）、力、氧、水（
45、次要）、光、超声波和核辐射（很少）等作用下发生的分子链断裂，分子量降低的化学过程，在这个变化过程中，包括大分子的断裂、支化、交联、分子链结构的改变、侧基的改变等以上几种作用的综合。2.6聚合物的降解及交联作用第143页/共161页2.6.1降解的实质在以上的许多作用中，自由基是一个活泼的中间产物，作用的结果是聚合物分子结构发生变化。对成型来说，在正常操作的情况下，热降解是主要的，由力、氧和水次要地位。标志热作用大小的是温度，但是温度的大小与力、氧和水等对聚合物的降解有密切关系。温度高时对氧、水与聚合物的反应均有利，与力的影响则相反，因为温度高时聚合物的粘度小。第144页/共161页2.6.2降
46、解对聚合物的影响2.6.2.1轻度降解:使聚合物变色。2.6.2.2进一步降解使聚合物分解出低分子物质，分子量（或粘度）降低，制品出现气泡和流纹等弊病，并因此削弱制品的各项物理和机械性能。2.6.2.3严重降解使聚合物焦化变黑，产生大量的分解物质，甚至分解产物连同完全未分解的聚合物从加热料筒中猛烈喷出，使加工过程不能顺利进行。第145页/共161页2.6.3加工过程中各种因素对降解的影响2.6.3.1聚合物的影响1）在聚合物主链中各种化学键的强度是：CFCHCC。2）CC键的强度：伯仲叔季，因此，与叔C原子或季C原子相邻的键都是不稳定的。3）主链中含有CC键与CC双键形成位置的关系上的单键具有
47、相对的不稳定性，如橡胶比其它饱和聚合物易发生降解。第146页/共161页2.6.3加工过程中各种因素对降解的影响4）主链上CC键的键能还受到侧链上取代基和原子的影响。极性大和分布规整的取代基，增加主键的强度，稳定性提高；不规整的取代基降低聚合物的稳定性。5）主链含有苯环、饱和环的聚合物以及具有等规立构和结晶结构的聚合物的稳定性好，降解倾向小。第147页/共161页2.6.3加工过程中各种因素对降解的影响6）大分子链中含有酰胺类、酯类、氰类、缩醛类和酮类等碳杂链结构时，一方面由于其键能较弱，又对水、酸、碱、胺等性物质有敏感性，因此稳定性差。7）聚合物的降解速度还与材料中所含杂质有关，不同杂质促使
48、聚合物降解历程不同。第148页/共161页2.6.3加工过程中各种因素对降解的影响2.6.3.2温度的影响没有别的因素起作用，仅由于热引起的降解称为热降解。热降解为游离基连锁过程（自由基链式反应），降解反应的速度随温度升高而加快。如：PS：T227，降解速度很慢；T227，降解速度非常迅速。第149页/共161页2.6.3加工过程中各种因素对降解的影响2.6.3.3氧的影响空气存在下的热降解为热氧降解。游离基连锁过程。常温下降解缓慢，在热的作用下氧化显著。N270PVC空气125（毫克分子/克）/小时O2225氧含量、温度、加热时间，聚合物降解严重。第151页/共161页2.6.3加工过程中各
49、种因素对降解的影响2.6.3.4力的影响1）相对分子量越大M，力降解越容易。2）施加的应力愈大时，降解速率也愈大，而最终生成的断裂分子链段却愈短。3）一定大小的应力，只能使分子断裂到一定的长度，当全部分子链都已断裂到施加的应力所能降解的长度后，力降解将不再继续。4）聚合物在增温与添有增塑剂的情况下，力降解的倾向趋弱。第152页/共161页2.6.3加工过程中各种因素对降解的影响2.6.3.5水分的影响在高温高压下由于水引起的降解称为水解作用。主要发生于聚合物大分子的碳杂链上。水解的难易程度取决于聚合物的组成中官能团及极性。第153页/共161页2.6.4对降解作用的避免2.6.4.1严控原材料
50、技术指标，使用合格原材料2.6.4.2使用前对聚合物干燥2.6.4.3确定合理的加工工艺及条件2.6.4.4加工设备和模具应有良好的结构2.6.4.5由聚合物的特性，注意在配方中抗氧剂、稳定剂对降解的抵抗第154页/共161页2.7.1概念2.7.1.1交联作用聚合物大分子通过自带的反应基团（羟甲基等）作用或自带反应活点（不饱和键）与交联剂（也称硬化剂）的作用而交联在一起形成网状结构的化学反应过程。2.7.1.2交联度已经发生作用的基团或活点对原有反应基团或活点的比值。2.7高分子材料的交联作用第155页/共161页2.7高分子材料的交联作用2.7.2交联反应难以完全的原因随着反应过程的进展，