塑料成型理論基礎學習教案

1、塑料成型理論塑料成型理論(lln)基礎基礎第一頁，共126頁。第1頁/共125頁第二頁，共126頁。第2頁/共125頁第三頁，共126頁。第3頁/共125頁第四頁，共126頁。第4頁/共125頁第五頁，共126頁。第5頁/共125頁第六頁，共126頁。第6頁/共125頁第七頁，共126頁。第7頁/共125頁第八頁，共126頁。第8頁/共125頁第九頁，共126頁。有關有關非牛頓流體非牛頓流體(lit) 震凝性流體震凝性流體(lit)粘彈性流體粘彈性流體(lit)第9頁/共125頁第十頁，共126頁。drdu第10頁/共125頁第十一頁，共126頁。tan/第11頁/共125頁第十二頁，共126

2、頁。py第12頁/共125頁第十三頁，共126頁。第13頁/共125頁第十四頁，共126頁。第14頁/共125頁第十五頁，共126頁。mdrdv r r r rNoImage)1(nKdrdvKnnnkK1第15頁/共125頁第十六頁，共126頁。mmmanakK111或第16頁/共125頁第十七頁，共126頁。第17頁/共125頁第十八頁，共126頁。第18頁/共125頁第十九頁，共126頁。成型成型方法方法剪切速剪切速率率/s1成型成型方法方法剪切速剪切速率率/s1壓縮壓縮模塑模塑110注射注射模塑模塑103105混煉混煉與壓與壓延延10102涂層涂層102103擠出擠出 102103澆鑄

3、澆鑄與蘸與蘸浸浸110第19頁/共125頁第二十頁，共126頁。第20頁/共125頁第二十一頁，共126頁。) 1( nKn) 1(1nKna第21頁/共125頁第二十二頁，共126頁。第22頁/共125頁第二十三頁，共126頁。 同一聚合物的熔體或分散體，于不同條件下，常會同一聚合物的熔體或分散體，于不同條件下，常會具有不同類型的流動行為。具有不同類型的流動行為。 如：聚合物熔體在非常低剪切速率下，可表現(xiàn)牛頓如：聚合物熔體在非常低剪切速率下，可表現(xiàn)牛頓流體的流動行為；在較高剪切速率下表現(xiàn)假塑性流體的流體的流動行為；在較高剪切速率下表現(xiàn)假塑性流體的流動行為，在非常高剪切速率下，熔體的流動行為，

4、在非常高剪切速率下，熔體的 a a 隨隨 的增大而快速增長。而且粘度可增高到使其完全不能流的增大而快速增長。而且粘度可增高到使其完全不能流動，表現(xiàn)為膨脹性流體的流動行為。這是由于聚合物產(chǎn)動，表現(xiàn)為膨脹性流體的流動行為。這是由于聚合物產(chǎn)生降解、交聯(lián)等化學變化造成的。生降解、交聯(lián)等化學變化造成的。 ( (熱固性聚合物在成型過程熱固性聚合物在成型過程(guchng)(guchng)中的粘度中的粘度變化與之有本質的區(qū)別，熱固性聚合物除對溫度有強烈變化與之有本質的區(qū)別，熱固性聚合物除對溫度有強烈的依賴外，也受剪切速率的影響，但還受到交聯(lián)反應程的依賴外，也受剪切速率的影響，但還受到交聯(lián)反應程度的影響。度的

5、影響。) )第23頁/共125頁第二十四頁，共126頁。第24頁/共125頁第二十五頁，共126頁。a62第25頁/共125頁第二十六頁，共126頁。第26頁/共125頁第二十七頁，共126頁。部弱點在拉伸時會導致熔體的破裂。 (3) 與無關，PMMA、PA、ABS、POM。第27頁/共125頁第二十八頁，共126頁。第28頁/共125頁第二十九頁，共126頁。第29頁/共125頁第三十頁，共126頁。第30頁/共125頁第三十一頁，共126頁。聚合物聚合物剪切速率剪切速率/s /s1 1活化能活化能/(kJ/mol)/(kJ/mol)POM(190)10110226.428.5PE(MI2.

6、1,150)10210328.934.3PP(250)10110241.860.1PS(190)10110292.196.3PMMA(190)101102159167PC(250)101102167188第31頁/共125頁第三十二頁，共126頁。第32頁/共125頁第三十三頁，共126頁。第33頁/共125頁第三十四頁，共126頁。聚合物熔體在壓力為聚合物熔體在壓力為110MPa下成型，其體積壓縮量小于下成型，其體積壓縮量小于1。注射成型時壓力可達注射成型時壓力可達100MPa，有，有明顯的體積壓縮。明顯的體積壓縮。第34頁/共125頁第三十五頁，共126頁。聚合物聚合物密度密度/g/cm/

7、g/cm3 3熔融熔融指數(shù)指數(shù)在壓力在壓力172.3172.3和和13.7MPa13.7MPa下粘度比下粘度比聚乙烯聚乙烯0.960.965.05.04.14.1聚乙烯聚乙烯0.920.922.12.15.65.6聚乙烯聚乙烯0.920.920.30.39.79.7聚乙烯聚乙烯0.9450.9450.20.26.86.8聚丙烯聚丙烯0.9070.9077.37.3聚苯乙烯聚苯乙烯100100第35頁/共125頁第三十六頁，共126頁。)/(PT第36頁/共125頁第三十七頁，共126頁。聚合物聚合物 （/MPa）聚氯乙烯聚氯乙烯0.31聚酰胺聚酰胺66660.32聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲

8、酯0.33聚苯乙烯聚苯乙烯0.40高密度聚乙烯高密度聚乙烯0.42共聚甲醛共聚甲醛0.51低密度聚乙烯低密度聚乙烯0.53硅烷聚合物硅烷聚合物0.67聚丙烯聚丙烯0.86)/(PT 第37頁/共125頁第三十八頁，共126頁。53) 1 . 0100(53. 0T第38頁/共125頁第三十九頁，共126頁。第39頁/共125頁第四十頁，共126頁。第40頁/共125頁第四十一頁，共126頁。第41頁/共125頁第四十二頁，共126頁。子長鏈的彎曲和延伸(ynshn)，應力解除后，這種彎曲和延伸(ynshn)部分的恢復需要克服內在的粘滯阻力。所有彈性形變及其恢復，對制品的質量會產(chǎn)生重要影響。)隨

9、著熔體所受應力的不同，表現(xiàn)的彈性有剪切彈性和拉伸彈性。第42頁/共125頁第四十三頁，共126頁。 物料所受剪切應力，對其發(fā)生的剪切彈性形變的比叫做物料所受剪切應力，對其發(fā)生的剪切彈性形變的比叫做剪切彈性模量剪切彈性模量G G 表達式：表達式：G=G=/ /R R 它表征了塑料熔體抵抗剪切變形的能力。剪切應力和剪它表征了塑料熔體抵抗剪切變形的能力。剪切應力和剪切模量的關系切模量的關系(gun x)(gun x)如下圖。絕大多數(shù)聚合物熔體的剪如下圖。絕大多數(shù)聚合物熔體的剪切模量在定溫下都是隨剪切應力的增大而上升的，在應力低切模量在定溫下都是隨剪切應力的增大而上升的，在應力低于于106Pa106P

10、a時剪切彈性模量約為時剪切彈性模量約為103103106Pa106Pa。 第43頁/共125頁第四十四頁，共126頁。A尼龍尼龍(nlng)66 （285） B尼龍尼龍(nlng)11（220）C甲醛共聚物的（甲醛共聚物的（200） DLDPE（190）EPMMA （230） F乙丙共聚物（乙丙共聚物（230 ）第44頁/共125頁第四十五頁，共126頁。第45頁/共125頁第四十六頁，共126頁。性變形，可轉變?yōu)樗苄孕巫儯ň劾涞龋?。一般：中空容器的成型，壓力成型，紡絲、纖維成型，薄膜熱拉伸，都是在TgTf（m）范圍內變形、成型的。 如下圖第46頁/共125頁第四十七頁，共126頁。第47頁/

11、共125頁第四十八頁，共126頁。第48頁/共125頁第四十九頁，共126頁。第49頁/共125頁第五十頁，共126頁。LPr2假設：聚合物流體（熔體或分散假設：聚合物流體（熔體或分散(fnsn)體）在圓管內作壓力流動、層流，體）在圓管內作壓力流動、層流，且在等溫條件下穩(wěn)態(tài)流動。且在等溫條件下穩(wěn)態(tài)流動。第50頁/共125頁第五十一頁，共126頁。rdrdv224rRLPvrLPRQ84342RQLPR34RQR第51頁/共125頁第五十二頁，共126頁。nKdrdvK nnnnnrrRKLPnnv11121第52頁/共125頁第五十三頁，共126頁。第53頁/共125頁第五十四頁，共126頁。

12、nnnRKLPnnQ131213 nnnRKLnnPnQ1312113lnln1lnnKdrdvK第54頁/共125頁第五十五頁，共126頁。313RQnnWnn41334RQ第55頁/共125頁第五十六頁，共126頁。KnnK413第56頁/共125頁第五十七頁，共126頁。(2)(2)雙轉子轉矩流變儀雙轉子轉矩流變儀轉矩流變儀測定參數(shù)為轉矩、溫度、轉矩流變儀測定參數(shù)為轉矩、溫度、轉速和時間，經(jīng)過轉換得到剪切應力轉速和時間，經(jīng)過轉換得到剪切應力與剪切速率的關系曲線。還可以用此與剪切速率的關系曲線。還可以用此做出轉矩溫度曲線，測定聚合物的做出轉矩溫度曲線，測定聚合物的分解、凝膠、熔融、交聯(lián)、固

13、化等情分解、凝膠、熔融、交聯(lián)、固化等情況。況。另外，還有落球粘度計和錐板粘度計。另外，還有落球粘度計和錐板粘度計。還可以用熔體流動還可以用熔體流動(lidng)(lidng)速率間速率間接反映熔體的粘度。接反映熔體的粘度。第57頁/共125頁第五十八頁，共126頁。第58頁/共125頁第五十九頁，共126頁。 我們在推導流量方程時曾假設管壁速度為0,其實只有低分子液體流動時才會UW=0,高分子熔體在高剪切應力下,貼近管壁的一層液體會發(fā)生間斷的流動,這種現(xiàn)象稱為管壁上的滑移。 (其原因:有人提出熔體破壞的粘附滑移理論認為:在較低剪切速率下,熔體液層附著(fzhu)在管壁上,UW=0。但對于假塑性

14、流體,粘度對剪切速率有較大的依賴性,剪切速率增大,下降，管壁附近剪切速率高,其粘度更低,更易流動。)第59頁/共125頁第六十頁，共126頁。 伴隨流動出現(xiàn)伴隨流動出現(xiàn)“分級效應分級效應”,”,即低分子的級分即低分子的級分聚集在管壁附近聚集在管壁附近, ,可能出現(xiàn)熔體沿管壁滑移?；瓶赡艹霈F(xiàn)熔體沿管壁滑移?；频慕Y果導致能量下降的結果導致能量下降, ,滑移停止?；坪驼掣降慕换仆Ｖ?。滑移和粘附的交替出現(xiàn)替出現(xiàn), ,時粘、時滑時粘、時滑, ,結果造成結果造成(zo chn)(zo chn)不穩(wěn)定不穩(wěn)定流動。流動。 其結果對擠出過程來說會造成其結果對擠出過程來說會造成(zo chn)(zo ch

15、n)擠擠出物膨脹不均，擠出量不穩(wěn)定以及幾何形狀相同的出物膨脹不均，擠出量不穩(wěn)定以及幾何形狀相同的儀器測定的同一種樣品的流變數(shù)據(jù)不盡相同的原因。儀器測定的同一種樣品的流變數(shù)據(jù)不盡相同的原因?；婆c聚合物種類、潤滑劑和管壁有關?？赏ㄟ^調滑移與聚合物種類、潤滑劑和管壁有關?？赏ㄟ^調整工藝、配方和設備參數(shù)來減輕這種現(xiàn)象。整工藝、配方和設備參數(shù)來減輕這種現(xiàn)象。 第60頁/共125頁第六十一頁，共126頁。（1 1）入口效應）入口效應: :聚合物流體在管道聚合物流體在管道(gundo)(gundo)入口端因出現(xiàn)入口端因出現(xiàn)收斂流動，使壓力降突然增大的現(xiàn)象稱為入口效應。剛入口收斂流動，使壓力降突然增大的現(xiàn)象

16、稱為入口效應。剛入口段段Le=0.03Le=0.030.05Re0.05ReD D ReRe為雷諾準數(shù)，為雷諾準數(shù)，D D小管管徑。在這段的壓力降比計算值大，此小管管徑。在這段的壓力降比計算值大，此段以后才會出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流動。段以后才會出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流動。 第61頁/共125頁第六十二頁，共126頁。第62頁/共125頁第六十三頁，共126頁。第63頁/共125頁第六十四頁，共126頁。第64頁/共125頁第六十五頁，共126頁。第65頁/共125頁第六十六頁，共126頁。（4 4）如果截面形狀不對稱的管道，如平行狹縫管）如果截面形狀不對稱的管道，如平行狹縫管道，厚度方向的道，厚度方向的B B大于寬度方

17、向的大于寬度方向的B B，且前者是后者的，且前者是后者的平方倍。平方倍。（5 5）粘度大，分子量分布窄，非牛頓性強的流體，）粘度大，分子量分布窄，非牛頓性強的流體，在流動中易儲存彈性在流動中易儲存彈性(tnxng)(tnxng)，膨脹嚴重，制品易，膨脹嚴重，制品易變形，有內應力。變形，有內應力。 改進辦法改進辦法: :增加管子長度、增加管徑、增加管子長度、增加管徑、L/DL/D增加，增加，減小入口端的收斂角，減小減小入口端的收斂角，減小B B。適當降低加工應力、增。適當降低加工應力、增加加工溫度、給以牽伸力，減小彈性加加工溫度、給以牽伸力，減小彈性(tnxng)(tnxng)變形變形的不利因素

18、。的不利因素。第66頁/共125頁第六十七頁，共126頁。第67頁/共125頁第六十八頁，共126頁。第68頁/共125頁第六十九頁，共126頁。第69頁/共125頁第七十頁，共126頁。常數(shù)Rcrcr第70頁/共125頁第七十一頁，共126頁。第71頁/共125頁第七十二頁，共126頁。聚合物聚合物TcTc c10-5N/m2c10-5N/m2 c S-1c S-1LDPE1580.571401900.74052100.8841HDPE1903.61000PS1700.8501900.930021011000PP180125020013502401100026011200第72頁/共125頁

19、第七十三頁，共126頁。第73頁/共125頁第七十四頁，共126頁。口模材料口模材料臨界剪切應力臨界剪切應力N/cm2實驗條件實驗條件黃銅黃銅15.5聚合物聚合物LDPEMFR2.0熔體溫度熔體溫度150口?？谀Ｈ肟诮侨肟诮?00R=0.5mmL=6.35mmL/D6PA66+炭黑炭黑紫銅紫銅15.5PA6650玻纖玻纖15.0銅鎳合金銅鎳合金14.0低碳鋼低碳鋼13.5磷青銅磷青銅12.0鑄鋼鑄鋼9.2第74頁/共125頁第七十五頁，共126頁。第75頁/共125頁第七十六頁，共126頁。量 Q=（1/J） = （1/J）a2 J為熱功當量如果熔體的流動是在圓管中，則中心Q為0，管壁最大。借

20、助摩擦使塑料升溫是成型中常用的一種方法。如在擠出過程中，聚合物的加熱不少來自摩擦熱，用摩擦熱對某些聚合物加熱是比較理想的，它使熔體分解的可能性不大，因為表觀粘度隨溫度的升高而降低。第76頁/共125頁第七十七頁，共126頁。第77頁/共125頁第七十八頁，共126頁。第78頁/共125頁第七十九頁，共126頁。一步冷卻時，必然會因為收縮而使外層處于拉伸的狀態(tài)，而這種狀態(tài)反過來又會使皮層受到壓應力。使制品性能（彎曲強度、拉伸強度）下降(xijing)。而當制品存放一定時間后還會造成應力開裂。第79頁/共125頁第八十頁，共126頁。第80頁/共125頁第八十一頁，共126頁。時方可結晶；尼龍，分

21、子間存時方可結晶；尼龍，分子間存在在(cnzi)氫鍵，結晶能力強，氫鍵，結晶能力強，在在200晶粒還不受破壞。晶粒還不受破壞。第81頁/共125頁第八十二頁，共126頁。第82頁/共125頁第八十三頁，共126頁。結晶型的，也可以是無定形的，結晶型的，也可以是無定形的，這由加工條件決定，而且聚合物這由加工條件決定，而且聚合物的結晶是不完整的，并非的結晶是不完整的，并非100%。第83頁/共125頁第八十四頁，共126頁。第84頁/共125頁第八十五頁，共126頁。第85頁/共125頁第八十六頁，共126頁。品品(zhpn)力學性能提高，耐力學性能提高，耐熱性理想。熱性理想。第86頁/共125頁

22、第八十七頁，共126頁。度比不拉伸時快度比不拉伸時快1000倍。倍。第87頁/共125頁第八十八頁，共126頁。時，因早期形成過多結晶而改時，因早期形成過多結晶而改變熔體變熔體(rn t)流變性質，表流變性質，表現(xiàn)出膨脹性流體的剪切增稠現(xiàn)現(xiàn)出膨脹性流體的剪切增稠現(xiàn)象。象。第88頁/共125頁第八十九頁，共126頁。第89頁/共125頁第九十頁，共126頁。第90頁/共125頁第九十一頁，共126頁。第91頁/共125頁第九十二頁，共126頁。第92頁/共125頁第九十三頁，共126頁。第93頁/共125頁第九十四頁，共126頁。阻擋各種試劑的滲入，所以結阻擋各種試劑的滲入，所以結晶度提高，耐溶

23、劑性提高。晶度提高，耐溶劑性提高。第94頁/共125頁第九十五頁，共126頁。第95頁/共125頁第九十六頁，共126頁。第96頁/共125頁第九十七頁，共126頁。第97頁/共125頁第九十八頁，共126頁。熱到Tf。否則取向將永遠保留在制品中。纖維狀填料的定向更大程度上依賴于剪切應力，對于溫度的依賴性相對較小。除非特設，一般也應避免。第98頁/共125頁第九十九頁，共126頁。 b、拉伸流動中，如拉絲、打包帶、拉伸流動中，如拉絲、打包帶、定向薄膜等，高聚物在玻璃化溫定向薄膜等，高聚物在玻璃化溫度與熔點（或軟化點）之間受外度與熔點（或軟化點）之間受外力拉伸時，大分子鏈段或微晶等力拉伸時，大分

24、子鏈段或微晶等沿力的方向取向。沿拉伸方向的沿力的方向取向。沿拉伸方向的拉伸強度和抗蠕變性能得到提高。拉伸強度和抗蠕變性能得到提高。第99頁/共125頁第一百頁，共126頁。第100頁/共125頁第一百零一頁，共126頁。取向結構分布規(guī)律：分子定向從澆口處起順著料流方向逐漸增加，達到取向結構分布規(guī)律：分子定向從澆口處起順著料流方向逐漸增加，達到(d (d do)do)最大點后逐漸減小，中心區(qū)和鄰近表面一層定向程度不高，中心區(qū)四最大點后逐漸減小，中心區(qū)和鄰近表面一層定向程度不高，中心區(qū)四周定向程度高（根據(jù)實際試樣用雙折射法測量的結果）。周定向程度高（根據(jù)實際試樣用雙折射法測量的結果）。第101頁/

25、共125頁第一百零二頁，共126頁。成正比，而成正比，而與壓力降成正與壓力降成正比，所以分子定向程度也是在比，所以分子定向程度也是在入模處最高，而在料的前鋒最入模處最高，而在料的前鋒最低。低。第102頁/共125頁第一百零三頁，共126頁。第103頁/共125頁第一百零四頁，共126頁。第104頁/共125頁第一百零五頁，共126頁。第105頁/共125頁第一百零六頁，共126頁。制品中如果有定向分子，順著制品中如果有定向分子，順著定向方向（直向）的機械強度定向方向（直向）的機械強度總是大于垂直定向方向上（橫總是大于垂直定向方向上（橫向）的。收縮率也是直向大于向）的。收縮率也是直向大于橫向。橫向。第106頁/共125頁第一百零七頁，共126頁。第107頁/共125頁第一百零八頁，共126頁。第108頁/共125頁第一百零九頁，共126頁。第109頁/共125頁第一百一十頁，共126頁。第110頁/共125頁第一百一十一頁，共126頁。第111頁/共125頁第一百一十二頁，共126頁。第112頁/共125頁第一百一十三頁，共126頁。第113頁/共125頁第一百一十四頁，共126頁。聚合物聚合物產(chǎn)品產(chǎn)品形式形式TgTgTmTm拉伸溫度拉伸溫度熱定型溫熱定型溫度度PETPET薄膜薄膜6767（非晶）（非晶）27627678788080180180230230纖維纖維8