塑料成型工藝學(xué)第二章

塑料成型工藝學(xué)第二章第1頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月塑料成型是工程技術(shù)，將塑料轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂惺褂脙r(jià)值、保持原有性能，或超過原有性能的材料和制品。過程中的變化，物理變化、化學(xué)變化，形態(tài)結(jié)構(gòu)改變，表現(xiàn)性能改變。必須對(duì)這些變化有所認(rèn)識(shí)。研究目的：原料配方，工藝、設(shè)備提出合理的要求。對(duì)材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)和性能設(shè)計(jì)，構(gòu)造出能滿足不同場(chǎng)合需要的材料和制品。內(nèi)容：聚合物的流變、傳熱、結(jié)晶、定向和化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象。其它的一些內(nèi)容，則將分散在以后各章中討論。第2頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2

聚合物的流變行為第3頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月一、剪切粘度和牛頓流動(dòng)

熔體與分散體：常態(tài)（結(jié)晶態(tài)、玻璃態(tài)），高彈態(tài)，粘流態(tài)。應(yīng)用種類：液體的流動(dòng)和變形都是在受有應(yīng)力的情況下得以實(shí)現(xiàn)的。重要的應(yīng)力有剪切、拉伸和壓縮應(yīng)力三種。第4頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月剪切應(yīng)力：剪切使流體克服阻力而流動(dòng)設(shè)備中，模具中；一般把流體看成許多層，層與層之間的作用力。拉伸應(yīng)力：與剪切應(yīng)力共同出現(xiàn)的，（聚合物流體的特性之一）例如：吹塑中型坯的引伸，吹塑薄膜時(shí)泡管的膨脹，塑料熔體在錐形流道內(nèi)的流動(dòng)，及單絲的生產(chǎn)等等。

壓縮應(yīng)力：聚合物是可壓縮流體，某些情況出現(xiàn)影響。（理論研究缺乏）第5頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月牛頓流體層流：液體主體的流動(dòng)是按許多彼此平行的流層進(jìn)行的，同一流層之間的各點(diǎn)速度彼此相同，但各層之間的速度卻不一定相等，而且各層之間也無可見的擾動(dòng)。湍流：流動(dòng)速度增大且超過臨界值時(shí)則流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。臨界：第6頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月式中D為管道直徑，v為液體流動(dòng)的平均速度，ρ為流體的密度。η為流體的剪切粘度。對(duì)通過流體而言，凡Re<2100~2300，均為層流；當(dāng)Re＝2300～4000時(shí)，為過渡流；當(dāng)Re>4000時(shí)則為湍流。聚合物流體的粘度大，流速低，在成型中其Re<10,一般為層流。第7頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月第8頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月牛頓流體：描述流體層流的最簡(jiǎn)單規(guī)律是牛頓流動(dòng)定律。該定律稱：當(dāng)有剪切應(yīng)力τ（用N/m2或Pa表示）于定溫下施加到兩個(gè)相距為辦的流體平行層面并以相對(duì)速度dv運(yùn)動(dòng)（見圖2－1），則剪切應(yīng)力與剪切速率dv／dr（s－）之間呈直線關(guān)系，可表示如式：

式中η為比例常數(shù)，稱為切變粘度系數(shù)或牛頓粘度，簡(jiǎn)稱粘度，單位為Pa.S。第9頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

牛頓型流體的流動(dòng)曲線是通過原點(diǎn)的直線，該直線與r軸夾角θ的正切值是牛頓粘度值（圖2－2）。

高聚物的熔體：大部分只能在剪切應(yīng)力很小時(shí)才能符合牛頓流體，大部分不符合牛頓流體；聚合物分散體溶液在成型過程中也不是牛頓流體。非牛流體

第10頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月二、非牛頓型流體及流動(dòng)

非牛頓型流體：流動(dòng)行為不遵從牛頓流動(dòng)定律的，均稱為。表觀粘度：剪切應(yīng)力和剪切速率的比值不再稱為粘度而稱為，

在一定溫度下并不是一個(gè)常數(shù)，可隨剪切應(yīng)力、剪切速率而變化，甚至有些還隨時(shí)間而變化。忽略聚合物熔體的彈性（這將在以后討論），將非牛頓流體歸為兩個(gè)系統(tǒng)。分別：粘性系統(tǒng)（主要），時(shí)間依賴系統(tǒng)。第11頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月1．粘性系統(tǒng)

發(fā)生流動(dòng)時(shí)的特性是:其剪切速率只依賴于所施加剪切應(yīng)力的大小。

可分為賓哈流體、假塑性流體和膨脹性流體。第12頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

(1)

賓哈流體

與牛頓流體相同，其剪切應(yīng)力和剪切速率的關(guān)系表現(xiàn)為直線。

不同:剪切應(yīng)力高至一定值τy后才發(fā)生塑性流動(dòng)。使流體產(chǎn)生流動(dòng)的最小應(yīng)力τy，稱為屈服應(yīng)力。賓哈流體的流動(dòng)方程為：

式中ηp稱為剛度系數(shù)，等于流動(dòng)曲線的斜率。第13頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

賓哈流體機(jī)理：靜止時(shí)形成了凝膠結(jié)構(gòu)，外力超過τy時(shí)這種三維結(jié)構(gòu)即受到破壞。實(shí)例：牙膏、油漆、潤滑脂、鉆井用的泥漿、下水污泥、聚合物在良溶劑中的濃溶液和凝膠性糊塑料等屬于或接近于賓哈流體。第14頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）假塑性流體

表現(xiàn)的流動(dòng)曲線是非直線的。但并不存在屈服應(yīng)力。流體的表觀粘度隨剪切應(yīng)力的增加而降低。

大多數(shù)聚合物的熔體，也是塑料成型中處理最多的一類物料，以及所有聚合物在良溶劑中的溶液，其流動(dòng)行為都具有假塑性流體的特征。

第15頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2－4是在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上繪制的聚合物熔體的流動(dòng)曲線。

第16頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖2－4是在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上繪制的聚合物熔體的流動(dòng)曲線。A與B是分別在溫度Tl和T下所繪的曲線，T1＜T2。A與B兩條曲線均接近于直線。

曲線直線

如果將剪切應(yīng)力或剪切速率的范圍縮小，則A和B將更接近于直線。近似的直線在剪切應(yīng)力軸上所跨越的范圍約為一個(gè)數(shù)量級(jí)，而在剪切速率軸上則約為一個(gè)半到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。由此可以得知：在任何給定范圍內(nèi)，剪切應(yīng)力和剪切速率的關(guān)系可用指數(shù)定律來描述，即：

第17頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

式中K與n均為常數(shù)（n＜1）。K是這種流體稠度的一種量度，流體粘稠性越大時(shí)，K值就越高；n是判定流體與牛頓流體的差別程度的。n值離整數(shù)1越遠(yuǎn)時(shí)，流體的非牛頓性就越強(qiáng)；n為1時(shí)，流體即為牛頓流體。

第18頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

指數(shù)函數(shù)僅是描述假塑性流體流動(dòng)行為的一種方式。從工程角度講，在解決具體問題時(shí)要求一個(gè)公式描述流體流動(dòng)的剪切應(yīng)力范圍并不十分寬，所以多采用簡(jiǎn)單經(jīng)驗(yàn)性的指數(shù)函數(shù)。

表示假塑性流體流動(dòng)行為的指數(shù)函數(shù)，還可以用另一種形式表示（2-5）

式中k與m也是常數(shù)（m＞1）。K稱為流動(dòng)度或流動(dòng)常數(shù)，k值越小時(shí)表明流體越粘稠，也是越不易流動(dòng)。

第19頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月各個(gè)參數(shù)的關(guān)系如下：第20頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月假塑性流體的粘度隨剪切應(yīng)力或剪切速率的增加而下降的原因與流體分子的結(jié)構(gòu)有關(guān)。機(jī)理如下：溶液，當(dāng)它承受應(yīng)力時(shí)，原來由溶劑化作用而被封閉在粒子或大分子盤繞空穴內(nèi)的小分子就會(huì)被擠出，這樣，粒子或盤繞大分子的有效直徑即隨應(yīng)力的增加而相應(yīng)地縮小，從而使流體粘度下降。因?yàn)檎扯却笮∨c粒子或大分子的平均大小成正比，但不一定是線性關(guān)系。第21頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

熔體，原因在于其中大分子彼此之間的纏結(jié)。當(dāng)纏結(jié)的大分子承受應(yīng)力時(shí)，其纏結(jié)點(diǎn)就會(huì)被解開，同時(shí)還沿著流動(dòng)的方向規(guī)則排列，因此就降低了粘度。纏結(jié)點(diǎn)被解開和大分子規(guī)則排列的程度是隨應(yīng)力的增加而加大的。顯然，這種大分子纏結(jié)的學(xué)說，也可用以說明聚合物熔體粘度隨剪切應(yīng)力增加而降低的原因。第22頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

指數(shù)函數(shù)用式（2一5）描述聚合物熔體流動(dòng)行為時(shí)，式中的m值一般在1.5至4的范圍內(nèi)變化，但當(dāng)剪切速率增高時(shí)，某些聚合物的m值可達(dá)至5。圖2－4中所示的流動(dòng)曲線，其m值約為3。平均相對(duì)分子質(zhì)量相同的同一種聚合物，其相對(duì)分子質(zhì)量分布幅度大的流動(dòng)性對(duì)所施應(yīng)力的敏感性大。第23頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月幾種熱塑性塑料的表觀黏度與剪切應(yīng)力的關(guān)系見圖2-5。也表示剪切力、剪切速率和表觀黏度之間的關(guān)系。第24頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）膨脹性液體（高固含量的懸浮液）

這種流體的流動(dòng)曲線也不是直線（圖2一3），而且也不存在屈服應(yīng)力，但與假塑性流體不同的是它的表現(xiàn)粘度會(huì)隨剪切應(yīng)力的增加而上升。膨脹性流體的流動(dòng)行為也可以用式（2一4）或式（2－5）來描述，只是式（2－4）中的常數(shù)n大于1；式（2－5）中的常數(shù)則小于1。

第25頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月機(jī)理：

靜態(tài)時(shí)，體系中由固體粒子構(gòu)成的空隙最小，其中流體只能勉強(qiáng)充滿這些空間。當(dāng)施加于這一體系的剪切應(yīng)力不大時(shí)，也就是剪切速率較小時(shí)，流體就可以在移動(dòng)的固體粒子充當(dāng)潤滑劑，因此，表觀粘度不高。剪切速率逐度漸增高時(shí)，固體粒子的緊密堆砌就次第被破壞，整個(gè)體系就顯得有些膨脹。此時(shí)流體不再能充滿所有的空隙，潤滑作用因而受到限制，表觀粘度就隨著剪切速率的增長而增大。

第26頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

2．有時(shí)間依賴性的系統(tǒng)

特征：剪切速率不僅與所施加的剪切應(yīng)力的大小有關(guān)，而且還依賴于應(yīng)力施加時(shí)間的長短。應(yīng)力不變時(shí)，這種流體在恒溫下的表觀粘度會(huì)隨著所施加應(yīng)力的持續(xù)時(shí)間而逐漸上升或下降，上升或下降到一定值后達(dá)到平衡不再變化。變化是可逆性的，因?yàn)榱黧w中的粒子或分子并沒有發(fā)生永久性的變化。表觀粘度隨剪切應(yīng)力持續(xù)時(shí)間下降的流體稱為搖溶性（或觸變性）流體，與此相反的則稱為震凝性流體。第27頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

搖溶性。某些聚合物的溶液。如涂料和油墨等；震凝性。某些漿狀物，如石膏的水溶液等。流動(dòng)機(jī)理研究得不夠深透，目前認(rèn)為與假塑性和膨脹性流體極為相似，所不同的只是在流動(dòng)開始后需一定時(shí)間以達(dá)到平衡。盡管有些學(xué)者已對(duì)高分子材料的觸變機(jī)理作了探討，并提出了觸變結(jié)構(gòu)模型，建立了觸變動(dòng)力學(xué)方程，但要求得實(shí)質(zhì)性的解，還有一定距離。

第28頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月時(shí)間依賴的流體圖示：第29頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3.成型操作中的剪切速率

幾種主要的成型操作中，塑料所受到的剪切速率范圍見表2—1

第30頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

對(duì)給定的塑料來說，如果通過實(shí)驗(yàn)求得了在這種范圍內(nèi)的粘度數(shù)據(jù)（即流動(dòng)曲），則對(duì)這種塑料在指定成型方法中的操作難易程度就能作出初步判斷。例如在注射模塑時(shí)，如果某一塑料熔體在溫度在不大于其陣解溫度而于剪切速率103s－1的情況下測(cè)得其表觀粕度為50-500Pa.S；則注射中將不會(huì)發(fā)生困難。表觀粘度過大，則塑模的大小與設(shè)計(jì)就受有較的限制，同時(shí)成型制品很易出現(xiàn)缺陷；過小時(shí)，溢模的現(xiàn)象比較嚴(yán)重，制品的質(zhì)量也以保證．通常所見塑料熔體粘度范圍為10－107Ps.S；、分散體的粘度約在1Ps.S左右。第31頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月三、拉伸粘度

由拉伸應(yīng)力而引起的流動(dòng)，而不是由剪切應(yīng)力仿照下式：

則有：第32頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

式中?為拉伸速率變化，λ粘度：σ為拉伸應(yīng)力，是以拉伸時(shí)真正斷面積計(jì)算的。拉伸流動(dòng)的概念可由圖2—6來說明，一個(gè)流體單元由位（1）變至（2）時(shí)，形狀發(fā)生了不同于剪切流動(dòng)的變化:

由此可見，剪切流動(dòng)是與拉伸流動(dòng)有區(qū)別的，前者是液體中一個(gè)平面在另一個(gè)平口上的滑動(dòng)，而后者則是一個(gè)平面兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)間的距離拉長．此外．拉伸粘度還隨所拉應(yīng)力是單向、雙向等而異，這是剪切粘度所沒有的。λ第33頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

假塑性流體的拉伸黏度λ隨著ε拉伸應(yīng)變速率的增加可能的變化:

降低（由于解纏結(jié)），如HDPE,PP等高聚合度線型高聚物，局部弱點(diǎn)拉伸過程引起熔體破裂．

升高（拉直與沿著拉伸取向），LDPE,PS，聚異丁烯等支化聚合物，拉伸過程的局部弱點(diǎn)均化，拉伸應(yīng)變硬化（拉直排列和取向）

不變（兩種效應(yīng)相抵），PMMA,ABS,PA,POM,PET等低聚合度的線型高聚物.特點(diǎn)：拉伸黏度隨應(yīng)力變化一般以增加為主要現(xiàn)象，即使有的下降也很?。ㄏ鄬?duì)于剪切黏度）．小分子：λ＝3η，聚合物大應(yīng)力：λ＝100η拉伸應(yīng)力具有較大的影響．中空加工黏度上升，制品均勻，較少應(yīng)力集中．第34頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

幾種熱塑性塑料的拉伸應(yīng)力-拉伸黏度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：圖2-7。第35頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

從圖注意：有些塑料的拉伸粘度甚至在拉伸應(yīng)力高至106牛頓/米時(shí)并無任何變化，有些隨拉伸應(yīng)力的增大而出現(xiàn)上升或下降．其原因還不清楚．成型中物料所受拉伸應(yīng)力的分析以及由實(shí)驗(yàn)提供的拉伸粘度數(shù)據(jù)，在成型工藝和設(shè)備設(shè)計(jì)，都富有指導(dǎo)意義，并正在進(jìn)一步研究它們與塑料成型之間的關(guān)系

第36頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月四、溫度和壓力對(duì)粘度的影響

對(duì)流體粘度起作用的因素有溫度、壓力、施加的應(yīng)力和應(yīng)變速度等。后兩者對(duì)粘度的關(guān)系已經(jīng)論及，這里便討論前兩者對(duì)粘度的影響。

1．溫度對(duì)剪切粘度的影響溫度與流體剪切粘度（包括表觀粘度）的關(guān)系可用式（2－12）表示：第37頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月式中η為流體在T℃時(shí)的剪切粘度，η0為某一基準(zhǔn)溫度T0℃時(shí)的剪切粘度，e為自然對(duì)數(shù)的底，a為常數(shù)。從實(shí)驗(yàn)知，式（—12）中的a，在溫度范圍不大于50℃時(shí)，對(duì)大多數(shù)流體來說都是常數(shù)，超出此范圍則誤差較大。

第38頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月注意：①如果將式（2－12）用于剪切粘度對(duì)剪切應(yīng)力（或剪切速率）有敏感性的流體時(shí)，則該式只有當(dāng)剪切應(yīng)力（或剪切速率）保持恒定時(shí)才是準(zhǔn)確的。②式（2—12）雖然對(duì)聚合物的熔體、溶液和糊都適用，但是必須指出，當(dāng)用于聚合物糊時(shí)，應(yīng)以在所涉及溫度范圍內(nèi)聚合物沒有發(fā)生溶脹與溶解的情況為準(zhǔn)。

第39頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2