高分子材料成型加工原理課件1

1、第一篇 聚合物加工的理論基礎(chǔ)第一章 材料的加工性質(zhì)第一節(jié) 聚合物材料的加工性質(zhì)可模塑性（Mouldability）1可擠壓性 （Extrudability）2可紡性 （Spinnability)3可延性（Stretchability)4信息材料科學與工程系 聚合物是由許多單個的高分子鏈聚集而成，因而其結(jié)構(gòu)有兩方面的含義：（1）單個高分子鏈的結(jié)構(gòu)；（2）許多高分子鏈聚在一起表現(xiàn)出來的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。可分為以下幾個層次：一級結(jié)構(gòu)近程結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)單元的化學組成、連接順序、立體構(gòu)型，以及支化、交聯(lián)等二級結(jié)構(gòu)遠程結(jié)構(gòu)高分子鏈的形態(tài)（構(gòu)象）以及高分子的大?。ǚ肿恿浚╂溄Y(jié)構(gòu)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)晶態(tài)、非晶態(tài)、取向態(tài)、液

2、晶態(tài)及織態(tài)等。聚合物的結(jié)構(gòu)1.1.0聚合物的結(jié)構(gòu)第一節(jié) 聚合物材料的加工性質(zhì)信息材料科學與工程系 高分子鏈的運動是以鏈段為單元的，是蠕動。 高分子鏈在分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)作用下可采取各種可能的形態(tài)，如取不同的構(gòu)象，如伸直鏈、無規(guī)線團、折疊鏈、螺旋鏈等。 高分子鏈的構(gòu)象第一節(jié) 聚合物材料的加工性質(zhì)信息材料科學與工程系1.1.0 聚合物的力學三態(tài)及其轉(zhuǎn)變 若對某一非晶態(tài)聚合物試樣施加一恒定外力，觀察試樣在等速升溫過程中發(fā)生的形變與溫度的關(guān)系，便得到該聚合物試樣的溫度-形變曲線（或稱熱-機械曲線）。 非晶態(tài)聚合物典型的熱-機械曲線如下圖，存在兩個斜率突變區(qū)，這兩個突變區(qū)把熱-機械曲線分為三個區(qū)域，分別對應于三

3、種不同的力學狀態(tài)，三種狀態(tài)的性能與分子運動特征各有不同。形變溫度IIIIII第一節(jié) 聚合物材料的加工性質(zhì)信息材料科學與工程系 在區(qū)域I，溫度低，鏈段運動被凍結(jié)，只有側(cè)基、鏈節(jié)、鏈長、鍵角等的局部運動，因此聚合物在外力作用下的形變小，具有虎克彈性行為：形變在瞬間完成，當外力除去后，形變又立即恢復，表現(xiàn)為質(zhì)硬而脆，這種力學狀態(tài)與無機玻璃相似，稱為玻璃態(tài)。玻璃態(tài)溫度形變IIIIII第一節(jié) 聚合物材料的加工性質(zhì)信息材料科學與工程系 隨著溫度的升高，鏈段運動逐漸“解凍”，形變逐漸增大，當溫度升高到某一程度時，鏈段運動得以充分發(fā)展，形變發(fā)生突變，進入?yún)^(qū)域II，這時即使在較小的外力作用下，也能迅速產(chǎn)生很大的

4、形變，并且當外力除去后，形變又可逐漸恢復。這種受力能產(chǎn)生很大的形變，除去外力后能恢復原狀的性能稱高彈性，相應的力學狀態(tài)稱高彈態(tài)。溫度形變IIIIII玻璃態(tài)高彈態(tài)第一節(jié) 聚合物材料的加工性質(zhì)信息材料科學與工程系 由玻璃態(tài)向高彈態(tài)發(fā)生突變的區(qū)域叫玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)，玻璃態(tài)開始向高彈態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（glass temperature)，以Tg表示。 當溫度升到足夠高時，在外力作用下，由于鏈段運動劇烈，導致整個分子鏈質(zhì)量中心發(fā)生相對位移，聚合物完全變?yōu)檎承粤黧w，其形變不可逆，這種力學狀稱為粘流態(tài)。高彈態(tài)開始向粘流態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度稱為粘流溫度（flowing temperatrue)，以Tf表示，

5、其間的形變突變區(qū)域稱為粘彈態(tài)轉(zhuǎn)變區(qū)。溫度繼續(xù)升高，聚合物發(fā)生熱分解，對應溫度為熱分解溫度（decomposition temperatrue)，用Td表示。 玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)稱為聚合物的力學三態(tài)。第一節(jié) 聚合物材料的加工性質(zhì)形變溫度IIIIII玻璃態(tài)高彈態(tài)玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)Tg粘流態(tài)粘彈態(tài)轉(zhuǎn)變區(qū)Tf粘彈態(tài)轉(zhuǎn)變區(qū)Td信息材料科學與工程系第一節(jié) 聚合物材料的加工性質(zhì)真空成型、壓力成型、壓延、彎曲成型等加工車、銑、刨、削等機械加工熔融紡絲、注射、擠出、吹塑、貼合等加工玻璃態(tài)高彈態(tài)粘流態(tài)信息材料科學與工程系第一節(jié) 聚合物材料的加工性質(zhì)信息材料科學與工程系第一節(jié) 聚合物材料的加工性質(zhì)什么是可擠壓性？可擠

6、壓性是指聚合物通過擠壓作用形變時獲得形狀和保持形狀的能力。發(fā)生地點：主要有擠出機、注塑機料筒、壓延機輥筒間、模具中等聚合物力學狀態(tài)：粘流態(tài)表征參數(shù)：熔融指數(shù)（Melt Flow Index，MI或MFI）1.1.1 聚合物的可擠壓性信息材料科學與工程系第一節(jié) 聚合物材料的加工性質(zhì)擠壓過程聚合物熔體的流動速率隨壓力增大而增加(圖1-2)，通過流動速率的測量可以決定加工時所需的壓力和設(shè)備的幾何尺寸。信息材料科學與工程系第一節(jié) 聚合物材料的加工性質(zhì)什么是熔融指數(shù)？熔融指數(shù)，又稱為熔體流動指數(shù)，是指在一定載荷下定溫下10分鐘內(nèi)聚合物從出料口擠出的重量，單位是克。測試方法：熔融指數(shù)測定儀優(yōu)點：方法簡單，

7、快捷局限性：不能說明注射或擠出時真實的流動狀態(tài)1.1.1 聚合物的可擠壓性信息材料科學與工程系第一節(jié) 聚合物材料的加工性質(zhì)信息材料科學與工程系第一節(jié) 聚合物材料的加工性質(zhì)信息材料科學與工程系第一節(jié) 聚合物材料的加工性質(zhì)什么是可模塑性？可模塑性指材料在溫度和壓力作用下形變和在模具中模制成型的能力 。發(fā)生地點：主要有擠出機、注塑機、模具中等聚合物力學狀態(tài)：高彈態(tài)、粘流態(tài)表征方法：螺旋流動試驗1.1.2 聚合物的可模塑性信息材料科學與工程系第一節(jié) 聚合物材料的加工性質(zhì)要求大家會分析這個圖信息材料科學與工程系第一節(jié) 聚合物材料的加工性質(zhì)螺旋流動試驗信息材料科學與工程系第一節(jié) 聚合物材料的加工性質(zhì)Hol

8、mes等人認為在高剪切速率(通常注塑條件)下，螺線的極限長度是加工條件和聚合物流變性與熱性能兩組變數(shù)的函數(shù)：式小d為螺槽橫截面的有效直徑；T為熔體與螺槽壁間的溫度差； P為壓力降;為固體聚合物的密度；H為熔體和固體之間的熱熱焓差；為固體聚合物的導熱系數(shù)；為熔體粘度；v為熔體平均線速度。常數(shù)C由螺線橫截面的幾何形狀決定。信息材料科學與工程系第一節(jié) 聚合物材料的加工性質(zhì)通過螺旋流動試驗可以了解：(1)聚合物在寬廣的剪切應力和溫度范圍內(nèi)的流變性質(zhì)；(2)模塑時溫度、壓力和模塑周期等的最佳條件；(3)聚合物分子量和配方中各種添加劑成分和用量對模塑材料流動性和加工條件的影響關(guān)系：(4)成型模具澆口和模腔

9、形狀與尺寸對材料流動性和模塑條件的影響。1.1.2 聚合物的可模塑性信息材料科學與工程系第一節(jié) 聚合物材料的加工性質(zhì)什么是可紡性？可紡性是指聚合物材料通過加工形成連續(xù)的固態(tài)纖維的能力。發(fā)生地點：主要有熔融紡絲聚合物力學狀態(tài)：粘流態(tài)表征方法：紡絲實驗1.1.3 聚合物的可紡性信息材料科學與工程系第一節(jié) 聚合物材料的加工性質(zhì)什么是可延性？可延性表示無定型或半結(jié)晶聚合物在一個或兩個方向上受到壓延或拉伸時變形的能力。 發(fā)生地點：壓延或拉伸工藝聚合物力學狀態(tài)：高彈態(tài)表征方法：拉伸試驗1.1.4 聚合物的可延性信息材料科學與工程系第一節(jié) 聚合物材料的加工性質(zhì)1.1.4 聚合物的可延性屈服點普彈形變區(qū)高彈形

10、變區(qū)應力硬化區(qū)信息材料科學與工程系第二節(jié) 聚合物在加工過程中的粘彈行為1.2.1 粘彈性形變與加工條件的關(guān)系什么是粘彈性？粘彈性是純彈性和純粘性的有機組合。信息材料科學與工程系第二節(jié) 聚合物在加工過程中的粘彈行為彈性：物體受力后，發(fā)生形變，除去外力后，形變能回復。粘彈性粘性：物體受力后，形變隨時間發(fā)生變化，除去外力后，形變不能回復。普彈性：物體受力后，瞬時發(fā)生形變，除去外力能迅速回復，與時間無關(guān)。（符合胡克定律）高彈性：物體受力后，瞬時發(fā)生形變，除去外力能回復，與時間有關(guān)。（不符合胡克定律）信息材料科學與工程系第二節(jié) 聚合物在加工過程中的粘彈行為1.2.1 粘彈性形變與加工條件的關(guān)系聚合物的粘

11、彈性的四元模型： 形變原因： = E+ H+ V 普彈形變E：鍵的拉伸，鍵角變化。對晶態(tài)高聚物，為平衡態(tài)時的位移形變。 高彈形變H：大分子鏈段的形變和位移（構(gòu)象變化） 粘性形變V：大分子鏈的解纏和滑動引起的。信息材料科學與工程系第二節(jié) 聚合物在加工過程中的粘彈行為1.2.1 粘彈性形變與加工條件的關(guān)系信息材料科學與工程系第二節(jié) 聚合物在加工過程中的粘彈行為1.2.1 粘彈性形變與加工條件的關(guān)系總= H+ E+ V =/E1+/E2(1-e-E2t/2)+t/3：外加力；E1：普彈模量；E2：高彈模量；2 ：高彈形變粘度；3 ：粘性形變粘度；t：外力作用時間 信息材料科學與工程系第二節(jié) 聚合物在加工過程中的粘彈行為1.2.1 粘彈性形變與加工條件的關(guān)系與加工溫度的關(guān)系：TTf：主要發(fā)生粘性形變，也有彈性效應。TgT Tf ：主要發(fā)生彈性形變，也有粘性形變。T， H， V，且對V影響更大。與作用力的關(guān)系：， H， V作用時間的關(guān)系：t， H， V且對V影響更大。信息材料科學與工程系第二節(jié) 聚合物在加工過程中的粘彈行為1.2.2 粘彈性