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1、注射机螺杆设计的工艺学注射机螺杆设计的工艺学和流变学基础和流变学基础刘刘 颖颖北京化工大学北京化工大学2007年年4月月注射成型的预塑化过程注射成型的预塑化过程 注射成型的预塑化过程注射成型的预塑化过程固体粒料或粉料经过加热、压实、剪切、混合，从玻固体粒料或粉料经过加热、压实、剪切、混合，从玻璃态转变为均化的粘流态璃态转变为均化的粘流态均化：聚合物温度均化、粘度均化、密度均化和组分均化：聚合物温度均化、粘度均化、密度均化和组分均化。塑化质量高均化。塑化质量高塑化机理：热量来自料筒的外部加热，螺杆转动产生塑化机理：热量来自料筒的外部加热，螺杆转动产生的摩擦热的摩擦热预塑阶段提高塑化能力，塑化质量
2、是关键预塑阶段提高塑化能力，塑化质量是关键注射成型的预塑化过程注射成型的预塑化过程螺杆塑化能力的表征：螺杆塑化能力的表征：螺杆背压增加，则其熔体输送能力会下降，而熔体输螺杆背压增加，则其熔体输送能力会下降，而熔体输送能力则随螺杆转速和计量段长度的增加而增加。送能力则随螺杆转速和计量段长度的增加而增加。注射成型的预塑化过程注射成型的预塑化过程螺杆的后退速度：（与塑化能力相关）螺杆的后退速度：（与塑化能力相关）螺杆后退速度与螺杆几何参数、加工物料的性能及螺杆后退速度与螺杆几何参数、加工物料的性能及加工工艺参数有关。加工工艺参数有关。注射成型的预塑化过程注射成型的预塑化过程 影响因素：影响因素：螺杆
3、几何参数、加工物料的性能及加工工艺参数有关螺杆几何参数、加工物料的性能及加工工艺参数有关螺杆几何参数、加工工艺条件均与高分子材料的性能螺杆几何参数、加工工艺条件均与高分子材料的性能相关。相关。相关的聚合物性能：相关的聚合物性能：聚合物的热性能，流动性能。聚合物的热性能，流动性能。高聚物的性能由高聚物的性能由结构结构决定决定高分子结构特点高分子结构特点分子量高难溶，难熔，粘度高，无气态，力分子量高难溶，难熔，粘度高，无气态，力学强度高，高弹性等学强度高，高弹性等分子量提高：拉伸强度，伸长率，冲击强度，耐分子量提高：拉伸强度，伸长率，冲击强度，耐低温脆性，耐环境应力开裂性，耐药品性提高，低温脆性，
4、耐环境应力开裂性，耐药品性提高，流动性下降。流动性下降。例：聚乙烯，超高分子量聚乙烯例：聚乙烯，超高分子量聚乙烯高分子结构特点高分子结构特点高分子结构特点高分子结构特点高分子结构特点高分子结构特点分子量具有多分散性用平均分子量及分子量分子量具有多分散性用平均分子量及分子量分布表示。分布表示。分子量分布窄分子量分布窄宽：拉伸强度，冲击强度，熔体弹性，宽：拉伸强度，冲击强度，熔体弹性，熔体粘度下降；耐低温脆性，耐应力开裂性提高。熔体粘度下降；耐低温脆性，耐应力开裂性提高。结构多分散性结构多分散性 聚乙烯：低压聚乙烯，高压聚乙烯，线型低密度聚乙聚乙烯：低压聚乙烯，高压聚乙烯，线型低密度聚乙烯，超高分
5、子量聚乙烯，交联聚乙烯烯，超高分子量聚乙烯，交联聚乙烯高聚物的结构层次高聚物的结构层次链结构（单链结构（单个分子的结个分子的结构与形态）构与形态）聚集态结构聚集态结构（高聚物整体（高聚物整体的内部结构）的内部结构）近程结构近程结构（一级结构）（一级结构）远程结构远程结构（二级结构）（二级结构）链中原子的种类和排列链中原子的种类和排列取代基和端基的种类取代基和端基的种类单体单元排列顺序单体单元排列顺序支链的类型和长度支链的类型和长度取代基在空间的排列取代基在空间的排列分子的大小和形态分子的大小和形态链的柔顺性及构象链的柔顺性及构象结晶结构结晶结构非结晶结构非结晶结构取向结构取向结构液晶结构液晶结
6、构三级结构三级结构聚集态结构聚集态结构一次及二次结构一次及二次结构 成型加工控制成型加工控制高聚物性能高聚物性能高聚物的结构层次高聚物的结构层次高聚物的结构层次高聚物的结构层次 高聚物的结构决定其性能，而高聚物的结构决定其性能，而高聚物的高聚物的聚集态结构通过加工可聚集态结构通过加工可以改变。以改变。高聚物的结晶与非结晶结构高聚物的结晶与非结晶结构结晶结构结晶结构 高聚物的分子高聚物的分子高度有序、紧密堆砌高度有序、紧密堆砌在一起在一起形成结晶结构。典型的结晶聚合物：高密度聚形成结晶结构。典型的结晶聚合物：高密度聚乙烯乙烯HDPEHDPE，聚丙烯，聚丙烯PPPP，尼龙，尼龙PAPA，聚酯等。，
7、聚酯等。非结晶结构非结晶结构 高聚物分子高聚物分子无序紊乱堆砌无序紊乱堆砌在一起形成非结晶在一起形成非结晶结构。典型的非结晶聚合物：聚氯乙烯结构。典型的非结晶聚合物：聚氯乙烯PVCPVC，聚，聚苯乙烯苯乙烯PSPS，聚碳酸酯，聚碳酸酯PCPC，聚甲基丙烯酸甲酯，聚甲基丙烯酸甲酯PMMAPMMA等。等。高聚物的结晶与非结晶结构高聚物的结晶与非结晶结构高聚物的结晶是不完全的，存在晶区和非晶区。高聚物的结晶是不完全的，存在晶区和非晶区。存在结晶度的概念，结晶型高聚物的结晶度一般存在结晶度的概念，结晶型高聚物的结晶度一般为为40409090。结晶度：结晶部分含量的量度。通常用重量百分结晶度：结晶部分含
8、量的量度。通常用重量百分数或体积百分数来表示。数或体积百分数来表示。W重量，重量，V体积，体积，c结晶，结晶，a非结晶非结晶高聚物的结晶与非结晶结构高聚物的结晶与非结晶结构高聚物的结晶与非结晶结构高聚物的结晶与非结晶结构 聚合物晶体生长规律往往是沿螺旋位错中心不断聚合物晶体生长规律往往是沿螺旋位错中心不断盘旋生长变厚的。特点：盘旋生长变厚的。特点：1、不同的高聚物的单晶外形不同，但晶片厚度几乎都不同的高聚物的单晶外形不同，但晶片厚度几乎都在在10nm左右。左右。2、晶片厚度与分子量无关。晶片厚度与分子量无关。3、晶片中分子链垂直于晶面。晶片中分子链垂直于晶面。4、高分子链在晶片中折迭排列，称为
9、折迭链晶片。高分子链在晶片中折迭排列，称为折迭链晶片。高聚物的结晶与非结晶结构高聚物的结晶与非结晶结构高聚物的结晶与非结晶结构高聚物的结晶与非结晶结构高聚物的结晶过程高聚物的结晶过程高聚物的结晶与非结晶结构高聚物的结晶与非结晶结构高聚物的结晶过程高聚物的结晶过程高聚物的结晶与非结晶结构高聚物的结晶与非结晶结构 区：区：TmTm以下以下10103030，成核速度极小，结晶速，成核速度极小，结晶速度实际等于零。度实际等于零。区区:从从 区下限向下区下限向下30306060，成核速度增大，成核速度增大，晶体生长速度增大，结晶速度迅速增大。结晶速度晶体生长速度增大，结晶速度迅速增大。结晶速度由成核速度
10、控制。由成核速度控制。区区:最大结晶速度出现，熔体结晶的主要区域。最大结晶速度出现，熔体结晶的主要区域。区：晶体生长速度减慢，结晶速度下降。结晶区：晶体生长速度减慢，结晶速度下降。结晶速度由晶体生长速度控制。速度由晶体生长速度控制。高聚物的结晶与非结晶结构高聚物的结晶与非结晶结构结晶速度高的温度区域结晶，则聚合物的结结晶速度高的温度区域结晶，则聚合物的结晶度高，晶体结构完整。晶度高，晶体结构完整。结晶温度低，则形成较多的小球晶。结晶温度低，则形成较多的小球晶。结晶温度过低，越过最大结晶速度区域，则结晶温度过低，越过最大结晶速度区域，则球晶小，结晶度低，晶体结构不完善，结晶球晶小，结晶度低，晶体
11、结构不完善，结晶度低。度低。高聚物的结晶与非结晶结构高聚物的结晶与非结晶结构结晶度提高，密度增大，冷却体积收缩大。结晶度提高，密度增大，冷却体积收缩大。拉伸强度提高，硬度增大，形变能力下降，拉伸强度提高，硬度增大，形变能力下降，模量提高。但晶粒尺寸过大，会使拉伸及冲模量提高。但晶粒尺寸过大，会使拉伸及冲击强度降低。击强度降低。结晶度提高，结晶结构均匀，尺寸稳定性增结晶度提高，结晶结构均匀，尺寸稳定性增加。加。后处理可增加结晶度。后处理可增加结晶度。高聚物的结晶与非结晶结构高聚物的结晶与非结晶结构结晶度提高，渗透和溶解性降低。结晶度提高，渗透和溶解性降低。结晶度提高，透光率降低，晶粒尺寸小结晶度
12、提高，透光率降低，晶粒尺寸小于可见光波波长二分之一时，结晶不影于可见光波波长二分之一时，结晶不影响透光率。响透光率。结晶提高热变形温度，即提高耐热性。结晶提高热变形温度，即提高耐热性。高聚物的结晶与非结晶结构高聚物的结晶与非结晶结构加工过程中各种因素的改变可使高聚加工过程中各种因素的改变可使高聚物的相态结构发生不同的变化。物的相态结构发生不同的变化。高聚物相态结构的变化是通过分子运高聚物相态结构的变化是通过分子运动实现的。动实现的。高高 聚聚 物物 的的 热热 转转 变变运动单元的多重性运动单元的多重性 分子链的整体运动，链段的运动，链节的分子链的整体运动，链段的运动，链节的运动，侧基的运动，
13、晶区的运动运动，侧基的运动，晶区的运动分子运动的时间依赖性分子运动的时间依赖性 松弛时间长，具有松弛时间谱松弛时间长，具有松弛时间谱分子运动的温度依赖性分子运动的温度依赖性 温度影响分子运动，进而松弛时间温度影响分子运动，进而松弛时间高高 聚聚 物物 的的 热热 转转 变变高聚物分子运高聚物分子运动的特点的特点 高聚物由于温度改变（在一高聚物由于温度改变（在一定应力下）呈现的力学状态变化定应力下）呈现的力学状态变化可通过可通过形变温度曲线形变温度曲线（热力学（热力学曲线）表示。曲线）表示。高高 聚聚 物物 的的 热热 转转 变变高高 聚聚 物物 的的 热热 转转 变变ABCDETbTgTfT/
14、形变%A-玻璃态；B-过渡区；C-高弹态；D-过渡区；E-黏流态Tb-脆化温度；Tg-玻璃化温度；Tf-黏流温度线型非晶态高聚物的形变线型非晶态高聚物的形变-温度曲线温度曲线 特征温度：特征温度：TbTb脆化温度脆化温度TgTg玻璃化转变温度玻璃化转变温度TfTf粘流温度粘流温度TdTd分解温度分解温度高高 聚聚 物物 的的 热热 转转 变变TgTg以下：以下：普弹形变，形变小，可逆，弹性模量大。普弹形变，形变小，可逆，弹性模量大。当高聚物在室温下，处于玻璃态，称为塑料或纤维。当高聚物在室温下，处于玻璃态，称为塑料或纤维。高弹态（高弹态（TgTgTfTf）可逆的高弹形变（可逆的高弹形变（100
15、10010001000），弹性模量小。），弹性模量小。高聚物特有的力学状态高聚物特有的力学状态当高聚物室温下处于高弹态，称作橡胶当高聚物室温下处于高弹态，称作橡胶可进行拉伸成型，吹塑成型可进行拉伸成型，吹塑成型,吸塑成型或压制成型吸塑成型或压制成型高高 聚聚 物物 的的 热热 转转 变变 粘流态粘流态(Tf(Tf以上以上)不可逆的永久变形塑性形变或粘流形变不可逆的永久变形塑性形变或粘流形变运动单元是链段和大分子链，大分子重心产生运动单元是链段和大分子链，大分子重心产生相对移动相对移动室温下处于粘流态的高聚物用作涂料或粘合剂室温下处于粘流态的高聚物用作涂料或粘合剂高高 聚聚 物物 的的 热热 转
16、转 变变高高 聚聚 物物 的的 热热 转转 变变结晶高聚物的热转变结晶高聚物的热转变结晶态高聚物的物理状态结晶态高聚物的物理状态玻璃态黏流态黏流态玻璃态 高弹态M较小较小M很大很大高高 聚聚 物物 的的 热热 转转 变变1 1结晶度高，分子量不太大的高聚物；结晶度高，分子量不太大的高聚物；2 2分子量很大；分子量很大；3 3结晶度很低的高聚物结晶度很低的高聚物 结晶聚合物的熔点与熔限：结晶聚合物的熔点与熔限：高高 聚聚 物物 的的 热热 转转 变变熔限熔点结晶高聚物体积温度曲线结晶高聚物体积温度曲线低分子体积温度曲线低分子体积温度曲线高聚物的熔化和低分子熔化的相似点和区别：高聚物的熔化和低分子
17、熔化的相似点和区别：相似点：熔化过程都有某种热力学函数的突变。相似点：熔化过程都有某种热力学函数的突变。区别：区别：1）低分子晶体熔点几乎是一个常数；而结晶高聚物的熔化发生低分子晶体熔点几乎是一个常数；而结晶高聚物的熔化发生在一个较宽的温度范围内，称为在一个较宽的温度范围内，称为熔限熔限，把熔限的终点对应的，把熔限的终点对应的温度叫温度叫熔点熔点。2）低分子晶体在熔化过程中温度不变；结晶高聚物在熔限范围低分子晶体在熔化过程中温度不变；结晶高聚物在熔限范围内，边熔化边升温。内，边熔化边升温。3 3）低分子反复熔化和结晶，熔点是固定的；结晶高聚物的熔点）低分子反复熔化和结晶，熔点是固定的；结晶高聚
18、物的熔点和熔限都受结晶温度的影响：结晶温度低，熔限宽，熔点低；和熔限都受结晶温度的影响：结晶温度低，熔限宽，熔点低；结晶温度高，熔限窄，熔点高。结晶温度高，熔限窄，熔点高。高高 聚聚 物物 的的 热热 转转 变变高高 聚聚 物物 的的 热热 转转 变变非结晶（低结晶）聚合物的热转变过程或熔化过程具非结晶（低结晶）聚合物的热转变过程或熔化过程具有较长的软化区间。有较长的软化区间。结晶（高结晶）聚合物在熔点结晶（高结晶）聚合物在熔点TmTm以下处于玻璃态，即以下处于玻璃态，即熔融前模量高，不发生软化，到熔点后，很快变为粘熔融前模量高，不发生软化，到熔点后，很快变为粘流态，软化区间短。流态，软化区间
19、短。结晶聚合物的紧密堆砌的结构改善了分子热振动的传结晶聚合物的紧密堆砌的结构改善了分子热振动的传递，即增加了热传导，其导热率比非结晶聚合物高。递，即增加了热传导，其导热率比非结晶聚合物高。高高 聚聚 物物 的的 热热 转转 变变总结高高 聚聚 物物 的的 热热 转转 变变由于晶体存在相变，因此，结晶聚合物比非结晶聚由于晶体存在相变，因此，结晶聚合物比非结晶聚合物需要吸收更多的热量才能熔化。结晶度提高，合物需要吸收更多的热量才能熔化。结晶度提高，吸收的热量也会随之提高。吸收的热量也会随之提高。结晶聚合物在相态转变时，比热会有突变，而非结结晶聚合物在相态转变时，比热会有突变，而非结晶聚合物的比热变
20、化则比较缓和。晶聚合物的比热变化则比较缓和。无论是结晶还是非结晶聚合物，分子之间的极性同无论是结晶还是非结晶聚合物，分子之间的极性同样会影响其热转变过程。样会影响其热转变过程。聚乙烯（聚乙烯（1 1）和聚苯乙烯（）和聚苯乙烯（2 2）的热焓图）的热焓图高高 聚聚 物物 的的 热热 转转 变变固体和熔体固体和熔体PEPE的比热与温度的关系的比热与温度的关系 固体和熔体固体和熔体PSPS的比热与温度的关系的比热与温度的关系高高 聚聚 物物 的的 热热 转转 变变 高高 聚聚 物物 的的 力力 学学 性性 能能屈服应变屈服应变弹性弹性线性线性B（屈服点）（屈服点）C断裂点断裂点塑性塑性聚合物力学类型
21、聚合物力学类型软而弱软而弱软而韧软而韧硬而脆硬而脆硬而强硬而强硬而韧硬而韧聚合物应力聚合物应力应变曲线应变曲线应应力力应应变变曲曲线线特特点点模模 量量（刚性）（刚性）低低低低高高高高高高屈服应力屈服应力（强度）（强度）低低低低高高高高高高极限强度极限强度（强度）（强度）低低中中高高高高断裂伸长断裂伸长（延性）（延性）中等中等按屈服应力按屈服应力低低中中高高应力应变曲线应力应变曲线下面积（韧）下面积（韧）小小中中小小中中大大实实例例聚合物凝胶聚合物凝胶橡胶橡胶.增塑增塑.PVC.PE.PTFEPS.PMMA.固固化酚醛树脂断化酚醛树脂断裂前无塑性形裂前无塑性形变断裂前有银变断裂前有银纹纹硬硬P
22、VCABS.PC.PA有明显的有明显的屈服和塑性屈服和塑性形变形变.韧性好韧性好高高 聚聚 物物 的的 分分 类类重要的碳链聚合物重要的碳链聚合物高高 聚聚 物物 的的 分分 类类重要的杂链聚合物重要的杂链聚合物高高 聚聚 物物 的的 分分 类类碳链高分子：这类高聚物不易水解，易加工，易碳链高分子：这类高聚物不易水解，易加工，易燃烧，易老化，耐热性较差。一般用作通用塑料。燃烧，易老化，耐热性较差。一般用作通用塑料。杂链高分子：主链带极性，易水解，醇解或酸解。杂链高分子：主链带极性，易水解，醇解或酸解。优点：耐热性好，强度高。这类聚合物主要用作优点：耐热性好，强度高。这类聚合物主要用作工程塑料工程塑料