注塑模具創(chuàng)新設(shè)計手冊之塑料成型理論基礎(chǔ)

1、注塑模具創(chuàng)新設(shè)計手冊之塑料成型理論基礎(chǔ)2.1 聚合物的分子結(jié)構(gòu)及熱力學(xué)性能高分子聚合物的分子結(jié)構(gòu)與低分子不同，其物理、力學(xué)性能與溫度密切相關(guān)。溫度變化時，聚合物的受力行為發(fā)生變化，呈現(xiàn)出不同的力學(xué)狀態(tài)，表現(xiàn)出分階段的力學(xué)性能特點。2.1.1 聚合物的分子結(jié)構(gòu)聚合物大分子的鏈狀結(jié)構(gòu)有以下三種類型。1. 線型大分子及其線型聚合物2. 支鏈型大分子及其支鏈型聚合物3. 體型大分子及其體型聚合物 高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 2.1.2 聚合物的熱力學(xué)曲線及加工適應(yīng)性聚合物在不同條件下表現(xiàn)出的分子熱運動特征稱為聚合物的物理狀態(tài)。聚合物的物理狀態(tài)分為玻璃態(tài)(結(jié)晶聚合物稱為結(jié)晶態(tài))、高彈態(tài)和粘流態(tài)三種，它們

2、在一定條件下可以發(fā)生轉(zhuǎn)變。 高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 2.2 聚合物的流變學(xué)性質(zhì)研究物質(zhì)變形與流動的科學(xué)稱為流變學(xué)。聚合物的成型都必須依靠聚合物自身的變形和流動來實現(xiàn)，所以就相應(yīng)產(chǎn)生聚合物流變學(xué)這樣一門科學(xué)。它主要研究聚合物在外力作用下產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變速率等力學(xué)現(xiàn)象與自身粘度之間的關(guān)系以及影響這些關(guān)系的各種因素，如聚合物的結(jié)構(gòu)、性能、溫度、作用力的大小和作用時間、方式等。 高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 2.2.1 牛頓流動規(guī)律流體在管道內(nèi)流動時，可呈現(xiàn)層流和湍流兩種不同的流動狀態(tài)。層流的特征是流體的質(zhì)點沿著平行于流道軸線的方向相對運動，與邊壁等距離的液層以同一速度向前移動，不存在任何宏觀

3、的層間質(zhì)點運動，因而所有質(zhì)點的流線均相互平行，這種情況如圖2.3(a)所示。 高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 為研究流體以切變方式流動時的性質(zhì)，可將這種流體的流動看做許多層彼此相鄰的薄液層沿外力作用的方向進行相對滑移，圖2.4所示為流體層流模型。 高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 2.2.2 指數(shù)流動規(guī)律和表觀粘度聚合物的流動行為遠比低分子流體的流動復(fù)雜，除聚碳酸酯、聚酰胺、氯乙烯-偏二氯乙烯共聚物和聚對苯二甲酸乙二醇酯等少數(shù)幾種外，絕大多數(shù)聚合物流體在塑料成型條件下的流動行為與牛頓流體不符。1. 指數(shù)流動規(guī)律高分子聚合物由于大分子的長鏈結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相互纏結(jié)，它們的流動規(guī)律遠比低分子流體復(fù)雜，不符合式(2

4、-4)的牛頓流動規(guī)律，在寬廣的剪切速率范圍內(nèi)，它們流動時切應(yīng)力和剪切速率不再成線性關(guān)系，流體的粘度也不再是一個常數(shù)。通常，將這種流體的流動稱為非牛頓流動，具有這種流動行為的流體稱為非牛頓流體。高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 在聚合物流變學(xué)中凡是服從指數(shù)流動規(guī)律的非牛頓流體統(tǒng)稱粘性流體。粘性流體中，當(dāng)n1時稱假塑性流體；當(dāng)n1時則稱膨脹性流體。圖2.6表示了不同類型流體的表觀粘度和剪切速率的關(guān)系。高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 2. 假塑性流體的表觀粘度前述各種粘性流體的非牛頓流體性能都是有前提條件的，也就是剪切速率不能太大，也不能太小，否則這些粘性流體也會出現(xiàn)牛頓流體的性質(zhì)。在聚合物成型過程中影響表觀

5、粘度的因素有以下幾方面。 1) 聚合物的結(jié)構(gòu)對表觀粘度的影響 聚合物相對分子質(zhì)量分布對熔體粘度的影響在不同剪切力和不同剪切速率下表現(xiàn)不同，平均相對分子質(zhì)量相同時，隨著剪切速率的增加，相對分子質(zhì)量分布寬的要比相對分子質(zhì)量窄的粘度下降快。高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 2) 溫度對表觀粘度的影響高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 3) 壓力對表觀粘度的影響4) 剪切速率對表觀粘度的影響高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 2.3 聚合物熔體的彈性聚合物熔體在變形和流動中的彈性行為對注射成型影響很大，常常會使熔體在模內(nèi)流動時產(chǎn)生端末效應(yīng)和失穩(wěn)流動等問題，最終導(dǎo)致塑件產(chǎn)生變形、扭曲以及熔體破裂等成型缺陷。2.3.1 端末效

6、應(yīng)聚合物熔體在管道入口端因出現(xiàn)收斂流動，使壓力降突然增大的現(xiàn)象稱為入口效應(yīng)。 高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 2. 離模膨脹效應(yīng)當(dāng)聚合物熔體流出流道或澆口時，熔體發(fā)生體積膨脹的現(xiàn)象叫做離模膨脹效應(yīng)，如圖2.11所示。離模膨脹實際上是一種由彈性回復(fù)而引起的失穩(wěn)流動，通常也叫做Barun效應(yīng)。高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 2.3.2 失穩(wěn)流動和熔體破裂 失穩(wěn)流動和熔體破裂現(xiàn)象受以下因素影響。(1) 聚合物的相對分子質(zhì)量及其分布(2) 溫度(3) 流道結(jié)構(gòu) 高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 2.4 塑料成型過程中聚合物的物理變化聚合物在塑料成型過程中發(fā)生的物理變化主要有結(jié)晶和取向，它們對塑件的性能和質(zhì)量的影響非

7、常大，生產(chǎn)中經(jīng)常需要調(diào)整某些工藝參數(shù)，才能很好地控制結(jié)晶和取向過程。2.4.1 聚合物的結(jié)晶在所有聚合物中，可以分為結(jié)晶聚合物和非結(jié)晶聚合物(無定形聚合物)兩種類型。1. 結(jié)晶概念2. 二次結(jié)晶和后結(jié)晶 高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 3. 結(jié)晶速度和結(jié)晶度(1) 結(jié)晶速度(2) 結(jié)晶度 4. 結(jié)晶對塑件性能的影響(1) 密度(2) 力學(xué)性能(3) 熱性能(4) 翹曲(5) 表面粗糙度和透明度 高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 5. 影響結(jié)晶的因素 (1) 溫度(2) 壓力和切應(yīng)力(3) 分子結(jié)構(gòu)(4) 添加劑 高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 2.4.2 聚合物的取向聚合物的大分子及其鏈段或結(jié)晶聚合物的微晶

8、粒子在應(yīng)力作用下形成的有序排列稱為取向結(jié)構(gòu)。 根據(jù)熔體流動性質(zhì)不同，取向結(jié)構(gòu)可分為單軸取向(見圖2.14(a)和多軸取向或稱平面取向(見圖2.14(b)。 高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 1. 注射成型時的流動取向機理 注射成型中主要發(fā)生流動取向。1) 聚合物的流動取向2) 固體填充劑的流動取向2. 取向?qū)酆衔镄阅艿挠绊懢C上所述，聚合物取向?qū)λ芗男阅苡绊懞艽?。在塑料成型生產(chǎn)中，可以利用聚合物的取向來提高塑件的性能，例如吹塑薄膜就是利用聚合物雙軸取向原理來提高其性能的。但并非聚合物取向?qū)λ芗阅芫幸嫣?，在生產(chǎn)厚度較大的塑件(如模壓塑件)時，就應(yīng)該力圖消除取向現(xiàn)象，使塑件不致發(fā)生翹曲變形或裂紋，

9、從而保證塑件質(zhì)量。 高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 2.4.3 殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力是塑料熔體在模內(nèi)流動和冷卻過程產(chǎn)生的。在注射和保壓階段，塑料受到不均衡的高剪切應(yīng)力和正應(yīng)力作用，導(dǎo)致塑件內(nèi)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，稱殘余流動應(yīng)力。由于注射模溫度不均勻，更因模內(nèi)塑件很快冷卻固化，在溫差作用下造成塑件的熱應(yīng)力，稱為溫度殘余應(yīng)力。 高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 2.5 塑料成型過程中聚合物的化學(xué)變化聚合物在塑料成型過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)主要有降解和交聯(lián)，它們與結(jié)晶和取向一樣也對塑件性能和質(zhì)量有重要影響。 2.5.1 聚合物的降解 1. 降解的種類(1) 熱降解(2) 氧化降解(3) 水降解(4) 應(yīng)力降解 高等學(xué)校應(yīng)用型

10、特色規(guī)劃教材 2. 避免降解的措施(1) 嚴(yán)格控制原材料技術(shù)指標(biāo)，避免因原材料不純對降解發(fā)生催化作用。(2) 成型前對物料采取必要的預(yù)熱和干燥，嚴(yán)格控制其含水量。(3) 合理選擇并嚴(yán)格控制成型工藝參數(shù)，保證聚合物在不易降解的條件下成型(4) 成型設(shè)備與模具應(yīng)具有良好的結(jié)構(gòu)，與聚合物接觸的部位不應(yīng)有死角或縫隙，流道長度要適中，加熱和冷卻系統(tǒng)應(yīng)有靈敏度高的顯示裝置，以保證良好的溫度控制和冷卻速率(5) 對熱、氧穩(wěn)定性差的聚合物，可考慮在配方中加入穩(wěn)定劑和抗氧劑等，以提高聚合物的抗降解能力。 高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 2.5.2 聚合物的交聯(lián)聚合物由線型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu)的化學(xué)反應(yīng)過程稱為交聯(lián)。經(jīng)

11、過交聯(lián)后，聚合物的強度、耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性均能比原來有所提高。檢查硬化程度的方法很多，但由于硬化后的塑件溶解度很小，各種化學(xué)方法都難令人滿意，故目前生產(chǎn)中多采用物理方法。常用的方法有脫模后的硬度檢測法、沸水試驗法、萃取法、密度法、導(dǎo)電度檢測法等。如有條件，也可采用超聲波和紅外線輻射法，其中以超聲波方法為最好。 高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 2.6 塑料的成型工藝性能 塑料與成型工藝、成型質(zhì)量有關(guān)的各種性能統(tǒng)稱為塑料的成型工藝性能。這些性能有的直接影響成型方法和工藝參數(shù)的選擇，有的只與操作有關(guān)。2.6.1 收縮性1. 成型收縮的形式(1) 線尺寸收縮 (2) 收縮的方向性 (3) 后收

12、縮塑件脫模后，因各種殘余應(yīng)力的松弛將會產(chǎn)生時效變形，由時效變形引起塑件尺寸縮小的現(xiàn)象稱后收縮。 (4) 后處理收縮 高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 2. 收縮率計算 高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 3. 影響收縮率變化的因素1) 塑料品種2) 塑件結(jié)構(gòu)3) 模具結(jié)構(gòu)4) 成型工藝高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 2.6.2 流動性塑料在一定溫度和壓力下充填模具型腔的能力稱為流動性，它是比較塑料成型加工難易程度的一項指標(biāo)。影響流動性的因素有以下幾種。1. 分子結(jié)構(gòu)不同流動性能也不同2. 模具結(jié)構(gòu)的影響3. 壓力的影響4. 溫度的影響 高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 2.6.3 結(jié)晶性在注射成型時，結(jié)晶型塑料有如下

13、特點。(1) 結(jié)晶型塑料必須要加熱至熔點溫度以上才能得到軟化狀態(tài)。 (2) 塑件在模內(nèi)冷卻時，結(jié)晶型塑料要比非結(jié)晶型塑料放出更多的熱量。(3)結(jié)晶型塑料易產(chǎn)生縮孔和氣孔。(4) 結(jié)晶型塑料的結(jié)晶度與冷卻速度密切相關(guān)，冷卻速度快時結(jié)晶度低、收縮小。 (5) 結(jié)晶型塑料各向異性顯著，內(nèi)應(yīng)力大，脫模后塑件內(nèi)未結(jié)晶的分子有繼續(xù)結(jié)晶的傾向，易使塑件變形和翹曲。(6) 熔融溫度Tm范圍窄，注射機性能不良時，容易使未完全熔融的生料注入模具或堵塞澆口。 高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 2.6.4 熱敏性和水敏性熱敏性是指某些熱穩(wěn)定性差的塑料，在料溫高和受熱時間長的情況下產(chǎn)生降解、分解、變色的特性，具有這種特性的塑

14、料稱為熱敏性塑料。 塑料的水敏性是指它在高溫下對水降解的敏感性。典型的水敏性塑料有聚碳酸酯、聚酰胺等，對于它們必須在成型前進行干燥處理，以防止它們在高溫成型過程中發(fā)生水降解。 高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 2.6.5 應(yīng)力開裂與熔體破裂有些塑料如聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚砜等對應(yīng)力作用很敏感，成型后不僅容易在塑件中形成殘余應(yīng)力，而且還經(jīng)常會在不大的外力或溶劑作用下脆化斷裂，這種現(xiàn)象叫做應(yīng)力開裂。 由前可知，當(dāng)切應(yīng)力或剪切速率過大，表觀粘度降至很低，會引起熔體破裂。為此，可以選用熔體指數(shù)較大的塑料，或者適當(dāng)?shù)卦龃髧娮?、流道和澆口的截面積。另外，降低注射速度、提高熔體溫度對于防止熔體破裂也有作用。 高等

15、學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 2.6.6 熱性能2.6.7 吸濕性和粘水性2.6.8 比容與壓縮率2.6.9 硬化速度 高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 2.7 常用塑料的性能及應(yīng)用2.7.1 熱塑性塑料常用熱塑性塑料的性能和用途如下。1. 聚乙烯(PE) 1) 低密度聚乙烯(高壓聚乙烯 LDPE) 2) 高密度聚乙烯(低壓聚乙烯 HDPE)3) 線型低密度聚乙烯(LLDPE)4) 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 2. 聚氯乙烯(PVC) (1) 硬聚氯乙烯 (2) 軟聚氯乙烯4. 聚丙烯(PP)5. 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS) 6. 聚酰胺(PA) 7. 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)8. 聚甲醛(POM)9. 聚碳酸酯(PC)高等學(xué)校應(yīng)用型特色規(guī)劃教材 10. 聚砜(PSU、PSF) 11. 聚苯醚(PPO)12. 氯化聚醚13. 氟塑料聚四氟乙烯(PTFE) 聚三氟氯乙烯