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1、第2章材料成型本讲稿第一页，共四十一页高聚物的聚集态高聚物的聚集态玻璃态、高弹态、粘流态。第二章塑料成型的理论基础图图2-1 塑料的形变与温度的关系塑料的形变与温度的关系 Tb脆化温度Tg玻璃化温度Tm结晶型塑料熔融温度Tf非结晶型塑料黏流温度Td热分解温度本讲稿第二页，共四十一页第二章塑料成型的理论基础本讲稿第三页，共四十一页2.2聚合物的流变行为当高聚物熔体和溶液（简称流体）在受外力作当高聚物熔体和溶液（简称流体）在受外力作用时，既表现粘性流动，又表现出弹性形变，因用时，既表现粘性流动，又表现出弹性形变，因此称为高聚物流体的流变性或流变行为此称为高聚物流体的流变性或流变行为.2.2 2.2
2、 聚合物的流变行为聚合物的流变行为本讲稿第四页，共四十一页2.2聚合物的流变行为液体的流动和变形受到的应力有剪切、拉伸和液体的流动和变形受到的应力有剪切、拉伸和压缩三种应力。三种应力中，剪切应力对塑料压缩三种应力。三种应力中，剪切应力对塑料的成型最为重要。拉伸力也比较重要。的成型最为重要。拉伸力也比较重要。流体在平直管内受剪切应力而引发的流动形式流体在平直管内受剪切应力而引发的流动形式有有层流层流和和湍流湍流两种，聚合物流体由于粘度较大两种，聚合物流体由于粘度较大属于层流。属于层流。2.2.22.2.2剪切粘度和非牛顿流体剪切粘度和非牛顿流体本讲稿第五页，共四十一页2.2聚合物的流变行为层流的
3、概念层流的概念：流体的质点沿着平行于流道轴线的方向相对运动，与管壁等距离的液层以同一速度向前移动，所有质点流向均相互平行。紊流概念紊流概念：流体的质点除向前运动外，还在主流道的横向上做不规则的任意运动，质点呈紊乱状态。区分层流和紊流雷诺数本讲稿第六页，共四十一页2.2聚合物的流变行为牛顿型流体牛顿型流体：流：流动行为遵从牛顿流动动行为遵从牛顿流动规律的流体。规律的流体。描述层流的最简单的规律是牛顿流动规律本讲稿第七页，共四十一页牛顿型流体牛顿型流体 符合下式的流体称为牛顿型流体：符合下式的流体称为牛顿型流体：其中其中为剪切应力为剪切应力 为剪切速率，为剪切速率，为比例常数，称为剪切粘度系数或为
4、比例常数，称为剪切粘度系数或 牛顿粘度牛顿粘度2.2聚合物的流变行为本讲稿第八页，共四十一页指数流动规律和表观粘度指数流动规律和表观粘度 n n流动行为指数，反应偏离牛顿流体的程度流动行为指数，反应偏离牛顿流体的程度n=1 n=1 牛顿流体牛顿流体n n1 1假塑性流体假塑性流体n,n,值越小则流体的非牛顿性越强。值越小则流体的非牛顿性越强。N1 N1 膨胀性流体膨胀性流体K K 流体稠度，流体稠度，k k值越高，流体粘度越大。值越高，流体粘度越大。2.2聚合物的流变行为凡流动行为不遵从牛顿定律的，凡流动行为不遵从牛顿定律的，称为非牛顿流体称为非牛顿流体本讲稿第九页，共四十一页2.2聚合物的流
5、变行为宾哈流体宾哈流体本讲稿第十页，共四十一页流动流动类型类型流动规律流动规律符合的流体符合的流体备注备注牛顿牛顿流体流体(为常数)PC和和PVDC接近接近低分子多为此类低分子多为此类宾汉宾汉流体流体(y和为常数)凝胶糊、良溶剂的凝胶糊、良溶剂的浓溶液浓溶液在剪切力增大到一定值后在剪切力增大到一定值后才能流动。才能流动。假塑假塑性流性流体体n1高固体含量的糊高固体含量的糊剪切增加，粘度升高。剪切增加，粘度升高。聚合物流体总结聚合物流体总结本讲稿第十一页，共四十一页本讲稿第十二页，共四十一页2.2聚合物的流变行为2.2.32.2.3拉伸粘度拉伸粘度 如果引起聚合物熔体的流动不是剪切应力而是拉伸应
6、力时，仿照式（22）即有拉伸粘度：。剪切流动与拉伸流动的区别为，前者是流体中一个平面在另一个平面的滑动，而后者是一个平面两个质点间距离的拉长本讲稿第十三页，共四十一页 从从成成型型工工艺艺出出发发，欲欲获获得得理理想想的的粘粘度度，主主要要取取决于对决于对温度温度和和压力压力 。1.1.温度对剪切粘度的影响温度对剪切粘度的影响 提提高高其其温温度度不不超超过过分分解解温温度度，粘粘度度可可下下降降。但但是是,将温度调节，对有的塑料效果颇佳，有的则差。将温度调节，对有的塑料效果颇佳，有的则差。2.2聚合物的流变行为2.2.4 2.2.4 温度和压力对粘度的影响温度和压力对粘度的影响注意表观粘度对
7、温度的敏感性！注意表观粘度对温度的敏感性！本讲稿第十四页，共四十一页 1.1.压力对剪切粘度的影响压力对剪切粘度的影响提提高高压压力力对对塑塑料料粘粘度度起起增增大大作作用用。粘粘度度对对压压力力的的敏敏感感性性也也因因塑塑料料品品种种而而异异。成成型型制制品品时时，应应注注意意模模具具温温度度状状况况和和浇浇注注系系统统结结构构同同样样对对塑塑料料熔熔体体充充模模流流动动粘粘度度发发生生重重要要影影响响，要要真真正正实实现现合合理理的的粘粘度度，还还必必须须包包括括这这部分的设计要合理。部分的设计要合理。2.2高聚物的流变性质2.2聚合物的流变行为本讲稿第十五页，共四十一页2.2聚合物的流变
8、行为2.2.5弹弹性性 聚合物流体在流动过程中，不仅有剪切流动，聚合物流体在流动过程中，不仅有剪切流动，而且存在拉伸流动。由于流动中的拉伸力，使聚合而且存在拉伸流动。由于流动中的拉伸力，使聚合物分子产生弹性变形，这种弹性变形不能很快恢复，物分子产生弹性变形，这种弹性变形不能很快恢复，有一定的滞后时间。弹性形变恢复时会产生以下弹有一定的滞后时间。弹性形变恢复时会产生以下弹性行为。性行为。挤出塑料时的出模膨胀挤出塑料时的出模膨胀高高分分子子粘粘流流过过程程中中伴伴随随着着可可逆逆的的高高弹弹形形变变，这这是是高高分分子子熔熔体体区区别别于于低低分分子子液液体体的的重重要要特特征征之之一。一。本讲稿
9、第十六页，共四十一页本讲稿第十七页，共四十一页1、在圆形截面流道中流动2、在狭缝流道中的流动2.2聚合物的流变行为2.2.62.2.6聚合物在模内的流动聚合物在模内的流动本讲稿第十八页，共四十一页2.3聚合物在模内的流动2.2.7流流动动缺陷缺陷2.2聚合物的流变行为2.2.端末效应：端末效应：聚合物熔体在成型时往往要通过大小不同的浇口和浇道，当熔体经过流道截面变化部位时，界面的影响将会弹性膨胀或收敛运动。1.1.管壁上的滑移管壁上的滑移本讲稿第十九页，共四十一页2.3聚合物在模内的流动挤出胀大现象挤出胀大现象胀大比胀大比die2.2聚合物的流变行为入口效应、离模膨胀Unstable flow
10、ABC本讲稿第二十页，共四十一页1 1 保证制品的成型质量，在必要时避免或减保证制品的成型质量，在必要时避免或减小入口效应。小入口效应。2 2 在确定注射压力时，在考虑所有流道（包在确定注射压力时，在考虑所有流道（包括浇口）总长引起的压力损耗的同时，还要括浇口）总长引起的压力损耗的同时，还要考虑入口效应引起的压力损失考虑入口效应引起的压力损失在工程实践中考虑入口效应的目的有两个：在工程实践中考虑入口效应的目的有两个：本讲稿第二十一页，共四十一页Unstable flowq现象现象q波浪波浪q鲨鱼皮鲨鱼皮q竹节竹节q螺旋螺旋q不规则破碎不规则破碎ABCq解释解释q高高弹弹湍湍流流：高高切切变变速
11、速率率下下，当当高高弹弹形形变变的的储储能能超超过过克克服粘滞阻力的流动能量时产生的不稳定流动服粘滞阻力的流动能量时产生的不稳定流动q熔体在管壁的滑移（熔体在管壁的滑移（B 处）处）q熔体流经管道死角（熔体流经管道死角（A、C 处）处）q 2.3聚合物在模内的流动3 3失稳流动和熔体破裂失稳流动和熔体破裂2.2高聚物的流变行为本讲稿第二十二页，共四十一页鲨鱼皮形鲨鱼皮形波浪形波浪形竹节形竹节形螺旋形螺旋形不规则破裂不规则破裂2.3聚合物在模内的流动2.2高聚物的流变行为本讲稿第二十三页，共四十一页2.3聚合物的加热与冷却热源热源：外热：电阻丝（经济、简单、方便、温度波动较大）；微波（适合较厚发
12、泡成型）；红外线；热油（温度控制精确，设备复杂，成本高）；热水、蒸气。内热：摩擦热冷却：水（注射模、挤出定型模、中空模等）；空气本讲稿第二十四页，共四十一页思考题为什么塑料加热与冷却不能有太大的温差？答：塑料是热的不良导体，导热性较差。加热时，热源与被加热物的温差大，物料表面已达到规定温度甚至已经分解，而内部温度还很低，造成塑化不均匀。冷却时温差大，物料表面已经冷却，而内部冷却较慢，收缩较大，形成较大的内应力。本讲稿第二十五页，共四十一页2.4聚合物的结晶一、聚合物结晶概念一、聚合物结晶概念结晶是指聚合物从熔融状态到冷凝时，分子由独立移动的、完全处于无秩序状态变成分子停止自由移动，取得一个略微
13、固定的位置，并有一个使它们自己排列成为正规模型倾向的一种现象。聚合物由高温熔体向低温固态转变过程中，若分子链能够稳定规整排列，则称为结晶型；分子链不能得到规整排列，则称为非结晶型。本讲稿第二十六页，共四十一页2.4聚合物的结晶两类聚合物有结晶倾向无结晶倾向结晶度：结晶度：聚合物是不可能完全结晶的，仅有有限聚合物是不可能完全结晶的，仅有有限的结晶度，而且结晶度依聚合物结晶的历史不同而的结晶度，而且结晶度依聚合物结晶的历史不同而不同不同。结晶过程是聚合物由非晶态转变为晶态的过程，发生在Tg和Tm温度之间。本讲稿第二十七页，共四十一页2.4聚合物的结晶二、聚合物的结晶能力二、聚合物的结晶能力 1、聚
14、合物结晶的重要因素：1）、分子空间排列的规整性 2）、严整的重复空间结构 规整性：a、不要求高度对称 b、不是全部链接都规整，允许部分 不规整（支链、交链、构型不规整），不能太多，规整占优势。本讲稿第二十八页，共四十一页2.4聚合物的结晶三、三、结结晶晶对对性能的影响性能的影响例例1 1：PETPET 非晶态：室温下呈透明状，玻璃化温度为67，密度为13 3。晶态：是不透明的，玻璃化温度为81，密度为1455。例例2 2：PEPE 结晶度自60至80的聚乙烯试样知：它的弹性模量从230MPa增至700MPa。其它如表面硬度和屈服应力的变化趋势也一样。本讲稿第二十九页，共四十一页2.5成型过程中
15、的定向作用定向定向：指聚合物大分子及其链段在应力作用下形成指聚合物大分子及其链段在应力作用下形成有序排列有序排列定向有三类：定向有三类：纤维状填料的定向，热固性模压纤维状填料的定向，热固性模压大分子链段几何形状不对称的固体粒子在剪切流动方向的流动取大分子链段几何形状不对称的固体粒子在剪切流动方向的流动取向。向。外力拉伸，大分子链段或微晶沿受力方向拉伸取向。外力拉伸，大分子链段或微晶沿受力方向拉伸取向。纤维填料和聚合物分子在很大程度上都会顺着流动方向纤维填料和聚合物分子在很大程度上都会顺着流动方向平行排列平行排列本讲稿第三十页，共四十一页2.5成型过程中的定向作用顺着流动方向做平行排列纤维定向作
16、用结果：制品的各向异性，有的追求，有的要避免。结果：制品的各向异性，有的追求，有的要避免。2.5.1 2.5.1 热固性塑料制品中的纤维填料定向热固性塑料制品中的纤维填料定向本讲稿第三十一页，共四十一页2.5成型过程中的定向作用2.5.22.5.2用热塑性塑料生产制品时，只要在生产过程中存在着熔体流动，几乎都有聚合物分子定向的问题，不管生产方法如何变化，影响定向的外界因素以及因定向在制品中造成的后果基本上也是一致的。流动取向会造成制品各向异性，存在内应力，一般不希望在制品中存在取向。塑料试样在分子定向的力学强度本讲稿第三十二页，共四十一页2.5成型过程中的定向作用聚向程度取决于剪切力大小、作用
17、时间和解取向的程度本讲稿第三十三页，共四十一页2.5成型过程中的定向作用随着塑模温度、制品厚度(即型腔的深度)、塑料进模时的温度等的增加，分子定向程度即有减弱的趋势；增加浇口长度、压力和充满塑模的时问，分子定向程度也随之增加；分子定向程度与浇口安设的位置和形状有很大关系，为减少分子定向程度，浇口最好设在型腔深度较大的部位。本讲稿第三十四页，共四十一页2.5成型过程中的定向作用2.5.3拉伸定向拉伸定向在玻璃化温度与熔点温度之间的温度区域内，沿着一个方向拉伸，则其中的分子链将在很大程度上沿着拉伸方向做整齐排列。本讲稿第三十五页，共四十一页2.6聚合物的降解聚合物的降解聚合物的降解在高温、应力、氧
18、气、水分等外部条件的作用下，聚合物发生化学分解反应，使聚合物分子链断裂、相对分子质量下降等结构变化。本讲稿第三十六页，共四十一页2.6聚合物的降解降解：在光热氧等外界因素影响下，聚合物分子量下降，化学结构发生改变，导致外观、力学性能等下降。降解的类型：热降解。氧化降解。力降解。水降解。本讲稿第三十七页，共四十一页一次性降解制品本讲稿第三十八页，共四十一页思考题：1、什么是降解？2、发生热降解的塑料主要有哪些？如何有效防止热降解？3、氧化降解主要有哪两类？如何有效防止氧化降解？本讲稿第三十九页，共四十一页2.7热固性塑料的交联作用、交联度的概念 热固性塑料：热固性塑料：尚未成型时，主要组成物(树
19、脂)都是线型聚合物。这些线型聚合物在分子链中都带有反应基团(如羟甲基等)或反应活点（双键）。交联反应交联反应：反应基团、反应活点与交联剂作用而交联在一起。交联度：已发生的反应点与可反应点的比值由于交联反应具有不完全性。交联度不能百分之百的原因：交联过程是三维发展，形成巨型网状结构，但随之未反应点的接触受阻；反应系统包含了不能去出的反应生成物，阻止反应。本讲稿第四十页，共四十一页硬化度硬化度硬化度硬化度工业上常使用的术语，意义是指交联度发展到一个工业上常使用的术语，意义是指交联度发展到一个适宜程度时，制品性能达到最佳程度。称做百分之百硬化。适宜程度时，制品性能达到最佳程度。称做百分之百硬化。超过超过“过熟过熟”，反之，反之“欠熟欠熟”。很显然与交联度有对应关系，但是不相等，因为交联度不可能达很显然与交联度有对应关系，但是不相等，因为交联度不可能达到百分之百。到百分之百。本讲稿第四十一页，共四十一页