塑料成型工艺.docx
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塑料成型工艺
第二章塑料成型的理论基础
聚合物的流变行为
聚合物的加热和冷却
聚合物的结晶
成型过程中取向作用
聚合物的降解
第一节聚合物的流变行为
流动和形变是高聚物成型加工过程中的基本工艺特征，流变学是高聚物成型加工理论的重要组成部分，所以它对高聚物成型加工具有非常重要的现实意义，主要表现在以下几个方面：
1.●有利于高分子材料的选择和使用；
2.●有利于最佳成型工艺条件的确定；
3.●有利于成型加工设备与模具设计；
4.●有利于提高制品质量和生产效率；
5.●对高分子合成具有重要指导意义。
✓1.1基本定义
✓流：
常用来描述液体的流动。
古希腊和古中国哲人已有“万物皆流”的思想萌芽。
✓变：
常用来描述固体形变。
✓流变：
研究流动和变形规律的科学，“流”和“变”是两个紧密结合的概念，万物皆流，万物皆变。
1928年美国物理化学家Bingham正式命名“流变学（rheology）”的概念，取自古希腊哲学家Heraclitus所说的，意即万物皆流。
他次年创办了至今都十分著名的流变学报。
✓聚合物流变学：
主要包括结构流变学（流变特性和链结构、聚集态结构之间的关系）和加工流变学（加工工艺与流动性质之间的关系、流动性能与聚合物分子结构和组成之间的关系）。
✓聚合物加工流变学：
研究高聚物在成型加工中流动和形变的科学称为高聚物加工流变学。
✓高聚物加工流变学的主要研究对象：
是认识应力作用下高分子材料产生弹性、塑性和黏性形变的行为以及研究这些行为与各种因素之间的关系。
✓影响流变行为的主要因素：
●高聚物体系的组成；
●高聚物结构与性质；
●温度；
●力的大小、作用方式和作用时间
✓流体的定义：
大多数成型过程中都要求聚合物处于粘流状态（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的方便。
为使塑料在成型过程中易于流动和变形，并不限定用粘流态的聚合物（聚合物熔体），采用聚合物的溶液或分散体（悬浮液）等也是可以的，熔体和分散体都属于流体的范畴。
✓熔体应力的分类：
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，剪切和拉伸应力对塑料的成型最为重要。
但在很多成型方法中，往往是多种应力的耦合作用。
✓熔体流动的形式：
流体在平直管内受剪切应力而引发的流动形式有层流和湍流两种，流动的形式和雷诺数有关（公式见下），聚合物流体在成型的时由于粘度较大、速率小，属于层流。
描述层流的最简单定律是牛顿流动定律：
当有剪切应力τ（N/m2或Pa）于定温下作用在两个相距为dr的流体平行层面并以相对速率dv运动，则剪切应力和剪切速率之间呈线性关系：
τ=（ηdv）/dr=ηּγ
Re<2100~2300时均为层流Re＝2300~4000时为过渡流Re>4000时为湍流
1.2几个基本概念
✓应力：
单位面积上所受的力称为应力。
剪切应力（τ）
拉伸应力（б）
流体静压力（P）
✓应变：
材料在应力作用下产生的形变和尺寸的改变称为应变。
（单位长度的形变量）
剪切应变（γ）
拉伸应变（ε）
流体静压力的均匀压缩
✓几种流动
●高聚物受剪切力作用而产生的流动称为剪切流动（具有横向速度梯度场的流动）。
高聚物在挤出机、口模、注塑机、喷嘴、流道及喷丝板的毛细管中的流动等。
●高聚物受拉应力作用而引起的流动称为拉伸流动（具有纵向速度梯度场的流动）。
✓牛顿流体及其流变方程
●层流：
雷诺准数小于2100时为层流流动。
高聚物流体的雷诺准数一般都远小于2100，所以，高聚物熔体一般为层流。
●湍流：
雷诺准数大于2500时为湍流流动。
雷诺准数的过度区一般为2000～4000或更多
✓
Re<2100~2300时均为层流Re＝2300~4000时为过渡流Re>4000时为湍流
✓牛顿流动方程（定律）
由下图可知，剪切应力为：
τ=F/A
式中，F：
外部作用于整个液体的恒定的剪切力（N）。
A：
向两端无限延伸的液层面积（m2）。
熔体在管内流动时流动速率与管子半径的关系
剪切下的形变
速度梯度
在恒定应力作用下，液体的应变表现为液层以均匀的速度v沿剪应力作用方向移动。
液层间的黏性阻力和管壁的摩擦力使相邻液层间在移动方向上存在速度差。
当液层间的径向距离为dr的两液层的移动速度为v和v+dv时，则液层单位距离内的速度差就是速度梯度dv/dr。
液层移动速度v等于单位时间dt内液层沿管轴x—x上移动距离dx，即dx/dt。
故速度梯度又可表示为:
●剪切应变
上式中，dx/dr是一个液层相对于另一个液层移动的距离，实际上是τ作用下的该液层产生的剪切应变，即γ=dx/dr。
●剪切速率（秒-1或s-1）
dv/dr=dr/dt=
上式中的
表示单位时间内的剪切应变，即剪切速率。
可见，
和速度梯度在数值上是相等的，这样可以用
代替速度梯度。
●牛顿流体流动定律
上式为牛顿流体流动定律。
说明液层单位面积上所加的τ与液层间的速度梯度dv/dr成正比。
上式中，μ为比例常数，称为牛顿黏度。
是液体自身所固有的性质，其表征液体抵抗外力引起流动变形的能力。
液体不同，μ值不同，与分子结构和温度有关，单位为帕斯卡秒（Pa·s）。
●牛顿流体
含义：
服从牛顿流动定律的流体称为牛顿流体。
牛顿流体的主要特点（应力应变曲线）（见下图）
①液体的应变随应力作用时间线形增加（见图b）,应力-应变速率间成正比关系。
说明牛顿液体的应变是剪应力和时间的函数，直线斜率就是
。
②以τ对
作图时，可得通过原点的直线（图c），直线斜率是牛顿黏度，是一个常数。
③牛顿流体中的应变具有不可逆性，应力解除后应变以永久形变保持下来。
这是纯黏性流体的特点。
●流变曲线：
不同温度下τ对
或黏度对
作图所得到的曲线。
牛顿流体流动时的应力-应变关系和黏度对剪切速率的依赖性
✓非牛顿流体及其流变行为
●非牛顿流动：
流动行为不服从牛顿流动定律的流动称为非牛顿流动；
●非牛顿流体：
流动行为不服从牛顿流动定律的流体称为非牛顿流动（τ与
不成比例，液体黏度不是一个常数）。
●原因：
高分子的长链结构和缠结。
✓非牛顿流体的分类
按照τ～
之间的关系分类（见下图）
不同类型流体的流动曲线
●假塑性流体
含义：
一定温度下，表观黏度随τ（）增大而降低的一类非牛顿流体。
特征：
a.当作用于假塑性流体的τ变化时，要比τ的变化快得多。
b.曲线向轴弯曲说明其黏度不是一个常数。
●膨胀性流体
含义：
在一定温度下，表观黏度随τ（）增大而增大的非牛顿流体
特征：
a.当作用于膨胀性流体的τ变化时，要比τ的变化慢得多。
b.曲线向τ轴弯曲说明其黏度不是一个常数。
✓宾汉液体
流动曲线不通过坐标原点。
在低于τy下，液体不产生应变；只有当应力大于τy时，液体表现出牛顿液体相似的流变行为
不同类型流体的黏度-剪切速率关系
对于假塑性流体，它的流动曲线也不是直线，与牛顿流体不同的是它的表观粘度会随剪切应力的增加而下降。
常规聚合物熔体都属于这一类型。
假塑性流体之所以有这样的流动行为，多数的解释是：
剪切作用使分子链解缠。
对于膨胀性性流体，它的流体的流动曲线也不是直线，与假塑性流体不同的是它的表观粘度会随剪切应力的增加而上升。
属于这一类型的流体大多数是固体含量高的悬浮液，处于较高剪切速率下的聚氯乙烯糊塑料的流动行为就很接近这种流体。
膨胀性流体之所以有这样的流动行为，多数的解释是：
当悬浮液处于静态时，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间。
当施加于这一体系的剪切应力不大时，也就是剪切速率较小时，流体就可以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就次第被破坏，整个体系就显得有些膨胀。
此时流体不再能充满所有的空隙，润滑作用因而受到限制，表观粘度就随着剪切速率的增长而增大。
✓高聚物加工流变学的研究概况
由于高聚物的流变行为很复杂（黏性流动、弹性效应、热效应等），所以对流变行为的研究很困难。
主要原因是：
●对流变行为的研究基本是定性和半经验的；
●对流变行为的定量研究要有附加条件,与真实情况有差距。
1.3流动带来的缺陷
✓管壁滑移:
在剪切作用下，聚合物熔体在管壁处的速率不为零。
滑移程度不仅与聚合物的化学结构有关，而且与是否采用润滑剂和管壁的性质有关；
✓末端效应（挤出胀大）：
熔体从口模出来后其直径大于口模直径，或称离模膨胀，是分子链的弹性回复造成的。
聚合物分子在流动中受到拉伸力的作用，弹性变形受到粘性阻滞，出口模后才能恢复，对制品的外观、尺寸，对产量和质量都有影响。
增加管子或口模平直部分的长度（即增加口模的长径比），适当降低成型时的压力和提高成型温度，采用强制定型装置，并对挤出物加以适当速度的牵引或拉伸等，均有利于减小或消除弹性变形带来的影响。
✓熔体破裂：
即塑料的挤出或注射成列中常看到这样一种现象，在较低的剪切速率范围内，挤出物的表而光滑，形状均匀．但当剪切速率过大超过一定极限值时，从模口出来的挤以物，其表面变得粗糙、失去光泽、粗细不匀和弯曲，这种现象被称为“鲨鱼皮症”。
此时如再增大剪切速率，挤出物会成为波浪形、竹节形或周期件螺旋形，在极端严重的情况下，会断裂。
这种现象称为“熔体破裂”。
总之，它是挤出物出现凸凹不平或外形发生畸变、断裂的总称；
✓弹性对层流的干扰：
熔体在流动过程中会由于剪切所储备的弹性逐渐释放出来，这样弹性的释放就不会使流动单元限制在同一个流层，从而引起了湍流；
✓端末效应对成型加工的影响
对成型不利，特别是注射、挤出和纺丝中，更是严重。
●导致制品变形和扭曲;
● 降低制品的尺寸稳定性;
● 可能在制品中引入内应力，降低产品的机械性能。
✓减小端末效应的主要措施（工艺设备）
●增加管子或口模平直部分的长度（增大长径比）。
使产生的弹性形变有足够时间在出口前得到恢复。
●适当减小加工时的应力。
应力减小，产生的弹性形变减小。
● 提高加工温度。
使弹性形变容易恢复。
●对挤出物进行适当速度的牵引和拉伸。
●控制在临界剪切应力和临界剪切速率以下。
✓熔体破裂的主要原因
主要由液体流动时出现的管壁滑移和弹性恢复所引起。
液体在管道中流动时管壁附近最大，同时流动中的分级效应使低分子量级分较多集中在管壁附近，这两种作用都使管壁附近液体的黏滞性降低，从而易引起管壁滑移，使液体流速增大。
这种分布的不均匀性使液体中弹性能的分布沿径向存在差异，大的区域高分子的弹性形变和弹性能的储存较多，液体中弹性能的不均匀性分布导致在大致平行于速度梯度的方向上产生弹性应力。
当液体中产生的弹性应力一旦增加到与黏滞流动阻力相当时，黏滞阻力就不能再平衡弹性应力的作用，液体中弹性应力间的平衡即遭破坏，随即发生弹性恢复作用。
管壁附近液体的黏度最低，该处弹性恢复作用受到的黏滞阻力也最小，所以弹性恢复较易在管壁附近发生。
可见，液体通过自身的滑移就使液体中弹性得到恢复，从而使该区域液体中的弹性应力降低（下图）。
稳定流动与不稳定流动的速度分布
（a）-稳定流动（b）（c）-不稳定流动有弯曲状挤出物
●当液体处于稳定流动时，具有正常的沿管壁对称的速度分布，并得到直线形表面光滑的挤出物（图a）；
●当管壁的某一区域形成低黏度层时，伴随弹性恢复滑移作用使管子中流速分布发生改变，产生滑移区域的液体流速增加，压力降减小，层流被破坏，一定时间内通过滑移区域的液体增多，总流率增大（图b）；
●当新的弹性形变发生并建立新的弹性应力平衡后，该区域的流速分布又恢复到如图a的正常状态，然后液体中的压力降重新升高。
与此同时，管子中另外的区域又会出现上述类似的滑移-流速增大-应力平衡破坏的过程（图c）。
●弹性湍流
液体流速在某一位置上的瞬时增大并非雷诺数增大引起，而是弹性效应所致，所以称其为弹性湍流或应力破碎现象。
在圆管中，如果产生弹性湍流的不稳定点沿着管的周围移动，则挤出物呈螺旋状。
如果不稳定点在整个圆周上产生，就得到竹节状的粗糙挤出物。
对非牛顿性强的线形高聚物，液体在入口区域和管子中流动时的剪切作用是引起不稳定流动的主要原因。
比如：
PP、PDPE、PVC等。
●另一原因是液体剪切历史的差异造成的。
液体在入口区域和管内流动时，受到的剪切作用不一样，因而在液体流动中产生不均匀的弹性回复。
另一方面，在入口端收敛角以外的区域（死角）存在着旋涡流动（见下图），这部分液体和其他区域的液体比较，受到不同的剪切作用。
当旋涡中的液体周期性进入管道中时，这种剪切历史不同的液体能引起流线的中断，当它们流过管子并流出管口时，就可能引起极不一致的弹性恢复，如果这种弹性恢复力很大，以致能克服液体的黏滞阻力时，就能引起挤出物出现畸变和断裂。
可见熔体破裂现象是高聚物液体产生弹性形变与弹性恢复的总结果，是一个整体现象。
对非牛顿性较弱的高聚物，流速分布曲线是近抛物线型，因而入口端容易产生旋涡流动，流动历史的差异是引起这类高聚物产生不稳定流动的主要原因。
比如：
聚酯、低密度聚乙烯等。
聚合物液体在管子入口和出口区域的流动
第二节聚合物的加热和冷却
聚合物加工大部分要通过熔融来实现，其加热或冷却效果是由温度或热量在其中的传递速度来决定的，而传递速度又取决于聚合物的一个固有参数－热扩散系数:
以上各字母分别表示热扩散系数、导热系数和定压比热容，精确计算热扩散系数是件很难的事情，以上各参数都是温度的函数
聚合物的热扩散系数要比金属的小1~2个数量级
思考题：
从聚合物热扩散系数小的这一特点，尽量减少由此带来的制品缺陷？
第三节聚合物的结晶
－－－小分子无机物质：
从溶液里得到有一定几何形状的晶体的过程叫结晶。
－－－大分子有机物质：
从熔体或溶液中得到有序结构的过程叫结晶。
3.1影响聚合物的结晶能力的因素
●链的规整性：
规整度越高，越容易结晶；此外，结构不对称但空间排列规整的聚合物也容易结晶；
●分子链节和柔性：
分子链节小柔性适中的容易结晶，主要原因是易于成核，链的活动能力强，易于使适当的构象排入晶格而形成结晶结构；
●规整结构的稳定性：
规整结构只能说明分子链能够排列成整齐的阵列，但不能保证该阵列在分子运动下的稳定性。
●聚合物所处的热－机械环境，即加工环境。
3.2聚合物的结晶度
☞结晶度：
晶区含量所占比例；
☞结晶度的测量方法：
量热法（差示扫描量热仪）、X射线衍射法、密度法、红外光谱法、核磁共振波谱法；
由于聚合物的分子链足够长，同一个分子链可能结合到不同的微晶中去，这样其它链段因此失去了足够的运动活性而无法排入晶格，因此聚合物不是完全结晶的，而且结晶度因结晶历史的不同而不同
3.3聚合物的结晶形态
✓单晶：
只能从极稀（<0.01%）的溶液，通过缓慢降温获得，其尺寸从几个微米到几百个微米；
✓球晶：
聚合物从浓溶液或熔体中结晶所得到的晶体，最大可达厘米级，用偏光显微镜可见十字消光纹，球晶的分子链总是垂直于球晶的半径方向
✓纤维状晶：
聚合物熔体在应力作用下的结晶，中心为伸直链构成的微束原纤结构，周围串着许多折叠链片晶。
✓柱晶：
聚合物熔体在应力作用下冷却结晶时，若是沿应力方向成行地形成晶核，晶体在应力方向生长收到限制，不能形成完善的球晶，只能沿垂直于应力方向生成柱状晶体。
3.4结晶对性能的影响
✓由于结晶作用使大分子链段排列规整，分子间作用力增强，因而使制品的密度、刚度、拉伸强度、硬度、耐热性、抗溶性、气密性和耐化学腐蚀性等性能提高，而依赖于链段运动的有关性能，如弹性、断裂伸长率、冲击强度则有所下降。
制品中含一定量的无定形部分，可增加结晶制品的韧性和力学强度，但能使制品各部分的性能不均匀，甚至会导致制品翘曲和开裂。
结晶度升高耐化学性、熔点也均有所提高，透明性下降。
✓晶粒对透明性影响很大，小的球晶，透明性好。
3.4成型过程中影响结晶的因素
✓冷却速度：
聚合物在加工过程中的结晶并非等温静态过程，同时冷却速度慢，成核密度小，在制品中容易形成大的球晶。
而大的球晶结构使制品发脆，力学性能下降，加大了成型周期，并因冷却程度不够而易使制品扭曲变形。
故大多数成型过程很少采用缓慢的冷却速度，成核密度大，在制品中容易形成小的球晶，使制品韧性好。
☞冷却速度快，熔体的过冷程度大，骤冷甚至使聚合物来不及结晶而成为过冷液体的非晶结构，使制品体积松散。
而在厚制品内部仍可形成微晶结构，这样由于内外结晶程度不均匀，会使制品产生内应力。
同时由于制品中的微晶和过冷液体结构不稳定，成型后的继续结晶会改变制品的形状尺寸和力学性能。
✓外力的影响：
聚合物在挤出、注射、压延、模压和薄膜拉伸等成型过程中，由于受到高应力的作用而使聚合物的结晶作用加快。
这是因为在应力作用下聚合物熔体的取向，起到了诱发成核的作用（在拉伸和剪切应力作用下，大分子沿力方向伸直并排成有序排列，有利于晶核形成和晶体的生长），使结晶速度增加。
熔体的结晶度还随压力的增加而提高。
并且压力能使熔体结晶温度升高。
此外，应力对晶体的结构和形态也有影响。
例如在剪切应力或拉伸应力作用下，塑料熔体中往往生成一长串的纤维状晶体。
压力也能影响球晶的大小和形状，低压下形成的是大而完整的球晶，高压下则生成小而形状不规则的球晶。
✓退火：
退火（热处理）的方法能够使结晶聚合物的结晶趋于完善（结晶度增加），比较不稳定结晶结构转变为稳定的结晶结构，微小的晶粒转变为较大的晶粒等。
退火可明显使晶片厚度增加，熔点提高，但在某些性能提高的同时又可能导致制品“凹陷”或形成空洞及变脆。
此外，退火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应力。
✓成核剂的影响：
在聚合物中加入成核剂可提高结晶度，提高定型速度，减小晶粒的直径，提高透明度。
3.5成型过程中的定向（取向）作用
✓定向：
聚合物的链段，分子链，结晶聚合物的晶片及具有几何不对称性的纤维状填料，在外力作用下做某种形式和程度的排列，叫定向或取向。
✓分类：
根据外力作用方式不同分为：
●流动取向，聚合物处于流动状态时，由于受剪切力作用流动，取向单元沿流动方向所做的平行排列；成型时的流动取向，可分为填充物和聚合物分子取向例如纤维会在剪应力作用下发生定向排列。
●拉伸取向，取向单元在拉伸力作用下产生，并特指热塑性塑料在Tg～Tm之间发生的取向。
✓定向特点：
●一般定向方向与流动方向一致
●其产生主要依赖于应力而非温度
●制品使用时一般不会解取向
✓益处：
可使制品在取向方向上的强度和光泽提高
✓害处：
无论何种取向，都会使制品性能表现为各向异性，造成制品内应力，翘曲变形，沿与取向方向垂直方向上的力学及其它性能变劣，取向后热收缩率变大等，都应极力避免。
3.5.1热固性塑料模压制品中纤维状填料的定向
填料排列的方向主要是顺着流动方向的，碰上阻断力（如模壁等）后，它的流动就改成与阻断力成垂直的方向。
3.5.2热塑性塑料成型过程中聚合物分子的定向
注射成型过程中流动模式
注射成型过程中温度和剪切速率的分布
Typicalprofilesoftheshearstresscomputedattheendofthefillingphase（axi-symmetricdumbbell-likespecimenof1.5mmofdiametermouldedinapropylenecopolymer,Znisthenormalizedthickness）
✓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。
注射成型中影响取向的因素
✓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。
3.5.3聚合物的拉伸取向
✓成型过程中如果将聚合物分子在玻璃化温度与熔点之间的温度区域内，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作整齐排列，也就是分子在拉伸过程中出现了定向。
由于定向以及因定向而使分子链间吸引力增加的结果，拉伸并经迅速冷至室温后的制品在拉伸方向上的拉伸强度、抗蠕变等性能就会有很大的提高。
对薄膜来说，拉伸如果是在一个方向上进行的，则这种方法称为单向拉伸（或称单轴拉伸）；如果是在横直两向上拉伸的，则称为双向拉伸（或称双轴拉伸）。
✓拉伸定向要在聚合物玻璃化温度和熔点之问进行，分子在高于玻璃化温度时才具有足够的活动，这样，在拉应力的作用下，分子从无规线团中被拉伸应力拉开、拉直和在分子彼此之问发生移动。
实质上，聚合物在拉伸定向过程中的变形可分为三个部分：
●瞬时弹性变形：
这是一种瞬息可逆的变形，是由分子键角的扭变和分子链的伸长造成的。
这一部分变形，在拉伸应力解除时，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，排直的方向与拉伸应力的方向相同。
这一部分的变形即所谓分子定向部分，是拉伸定向工艺要求的部分。
它在制品的温度降到玻璃化温度以下后即行冻结而不能恢复。
●粘性变形：
这部分的变形，与液体的变形一样，是分子间的彼此滑动，也是不能恢复的。
Typicalstress-straincurve
Y:
yieldpoint屈服点
y:
yieldstrength屈服强度
y:
elongationatyield屈服伸长率
B:
breakpoint断裂点
b:
breakstrength断裂强度
y:
elongationatbreak断裂伸长率图
Tensilestrength拉伸强度
Young'sModulus杨氏模量
Fractureenergy断裂能:
OYB面积
Molecularmotionduringtensiletest拉伸过程中高分子链的运动
IElasticdeformation
普弹形变
键长键角运动，可回复
IIForcedrubber-likedeformation
强迫高弹形变
链段沿外力方向取向图
加热至Tg以上可恢复
IIIViscousflow
粘流形变
整链相互滑移或断链
不可回复
Colddrawing冷拉
❑脆性聚合物在断裂前试样并没有明显变化，断裂面一般与拉伸方向垂直，而且很光洁
❑韧性聚合物在屈服后产生细颈（neck），之后细颈逐渐扩展，应变增加而应力不变，这种现象称为冷拉（colddrawing），直至细颈扩展到整个试样，应力才重新增加并使试样断裂
❑冷拉是强迫高弹形变，对于非晶聚
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