第六章塑料的成型原理.ppt

2020/5/30,塑料工业:树脂-成型加工前的聚合物原料塑料经过配制及成型加工后的产品,一次成型：大多数成型属于该类，是通过加热使塑料处于粘流状态的条件下，经过流动、成型、冷却（或交联固化），制成各种形状的制品；二次成型：是将一次成型的制品，如：片、管、板材等加热使其处于类橡胶状态，通过外力的作用使其发生形变，成型比较简单的制品，再经过冷却定型。,塑料的成型,2020/5/30,教学目的和要求1、掌握塑料的成型的基本方法和原理2、成型制品的结构和性能的关系重点和难点掌握口模成型、注射成型、压延成型和二次成型的原理,2020/5/30,第一节口模成型,口模成型属于一次成型，是指物料在挤出机中通过输送、塑化、加压，使物料以流动状态连续通过口模成型的方法，所以又称为挤出成型。,口模成型主要是利用了聚合物的可挤压性质。即聚合物（流体）通过挤压作用（主要受剪切力）发生形变时获得形状和保持形状的能力。材料的挤压性质与材料的流动性和设备结构有关。（书P5）,2020/5/30,根据机头口模形状不同，可以生产管材、薄膜、板材、片材、棒材、异型材、单丝、打包带、电线电缆包覆物，也包括纤维的纺丝。,挤出成型的特点：生产过程是连续的，产品也是连续的；生产效率高、应用范围广泛。,采用的主要设备是挤出机,2020/5/30,一、挤出机,2020/5/30,因为只有通过螺杆的转动对塑料产生挤压，塑料才能产生移动、增压、获取摩擦热，并得到混合和塑化。,螺杆的结构和参数直接关系到挤出机的应用和生产,不同结构、不同参数的螺杆适合的塑料品种不同，生产的塑料制品也不同。,2020/5/30,螺杆,2020/5/30,加料段（输送段）：自物料加料口向前延伸的一段，一般螺杆是等距等深，主要是为了输送物料，使物料受压、受热、前移。物料在移动过程中保持固体状态。压缩段（迁移段）：螺杆等距不等深，压实物料，使物料由固体转化为熔体，并排除物料中的挥发份。均化段（计量段）：螺杆等距等深，熔融均化物料，并定量定压把熔体送入机头，使它在口模中成型。,常规螺杆通常分为三段,2020/5/30,作用：是将旋转运动的物料流体变成平行直线流动，并将熔体均匀平稳的导入口模，口模是具有一定截面形状的通道，塑料熔体在口模中流动并取得所需的形状，然后再经过定型、冷却等工序成为制品。,机头（挤出模具）,还有一个主要的部分为成型部件：机头。,2020/5/30,管材机头,2020/5/30,2020/5/30,挤出过程,主要介绍塑料挤出成型的挤出原理和成型原理,熔融塑化,螺杆挤出,口模成型,冷却定型,挤出,成型,2020/5/30,二、挤出原理,物料在单螺杆挤出机中的流动，要经历很复杂的变化，其间温度和压力要发生变化，流动方式有拖曳流动，又有压力流动。为了简化问题我们可以按照塑料在螺杆中的状态变化相应的划分三个区域：,主要了解和掌握物料输送、熔融和挤出原理关于理论公式推导和讨论在加工工艺的挤出理论中详细介绍,2020/5/30,固体输送区：物料从加料斗加入直到开始熔融的一段区域，物料全部为固体。熔融区：从开始熔融到全部熔融结束。两相共存。熔体输送区：从全部熔融结束到螺杆头部。全部为熔体。,2020/5/30,这三个区域与螺杆的三段尽可能相符（理想状态），但是实际上随工艺条件、物料的性质三个区域要发生变化。,2020/5/30,挤出过程中，塑料靠本身的自重从料斗进入螺槽，与螺杆的螺纹斜棱接触后，由于螺杆的转动使斜棱面对塑料产生一个推力，将塑料向前推进。,固体输送,在这个过程中料筒与螺杆间的热量，使塑料受热、并且存在一定压力使得塑料粒子一个个连续整齐排列形成一个整体，塞满了螺槽，形成了所谓的“弹性固体”。并且弹性固体与螺杆以及机筒存在摩擦，不会产生滑动现象，类似螺钉上螺母那样被推动而作轴向移动。,2020/5/30,其模型和运动情况以及受力分析在聚合物加工工艺中详细讲述固体输送理论。,2020/5/30,塑料在挤出机中的熔化过程是一个比较复杂的过程，在这个区域中两相共存，从固体到熔体的转变过程是在螺杆的压缩段完成的。,熔化过程,2020/5/30,塑料在加料段已经吸收了一定的热量，进入压缩段，与料筒内表面接触的固体粒子由于热传导热和摩擦热的作用已经熔化，形成一层薄膜，称为熔膜。这些不断熔融的物料在螺杆的转动下，被螺纹刮落，不断向螺纹推进面汇集，形成漩涡状的流动区，称为熔池，而在螺杆的非推进面则是未熔融的固体粒子，称为固体床。随着塑料向机头方向输送，熔融过程逐渐进行，到了均化段螺槽全部充满了熔体，完成了熔融过程。,2020/5/30,聚合物熔体在挤出机中的流动，这样的流动行为要受到压力(应力流动)和运动着的螺杆的影响(拖曳流动)。,熔体输送,2020/5/30,假设螺杆不动，机筒作相对运动由于粘性拖曳，聚合物熔体在螺杆槽的三个壁面（静止）和机筒内壁（运动）组成的通道中运动，即拖曳流动。其流速在机筒内壁处为最大(与机筒速度相同)，在螺槽底部为零。这个流动称为正流（Qd），这是沿螺槽向机头方向的流动，是聚合物流动的主要形式，挤出熔体就是由这样的流动产生的。,聚合物在螺杆中的流动,2020/5/30,同时由于机头的反压，会形成压力流动，实际是压力下的一种逆向流动：一个是逆流（Qp），方向与正流相反，是由于机头、口模等对塑料的反压引起的压力流动，速度分布为抛物线；另一个是漏流（QL）在螺杆与机筒的间隙，方向沿螺杆轴线方向。,2020/5/30,另外还有一种横流流动：在螺槽和机筒组成的矩形流道中的一种环流，对挤出量影响不大，但是对物料的热交换、混合、塑化有影响。,2020/5/30,2020/5/30,以上四种形式的流动使得聚合物熔体沿着螺杆和机筒组成的通道作螺旋形的轨迹向前流动。,2020/5/30,挤出机的生产能力由均化段的流率决定的：,关于挤出机生产能力的方程以及讨论在聚合物加工工艺中讲述,2020/5/30,从挤出机中挤出的聚合物熔体还要经过口模的成型，才能获得所要求的挤出机物形状。由于挤出产品的多样性，因此口模的形状也是多种多样的。1、片(板)材和平膜成型2、管材和管状膜成型3、型材成型,三、成型原理,2020/5/30,片(板)材和平膜产品的特点是薄，且宽成型时，聚合物熔体是从一个很宽但是开度很小的近似于矩形的通道中挤出来而连续成型，这种机头通常称为扁平机头。,片(板)材和平膜成型,按照结构可以分为：单支管式、衣架式、多流道式、分配螺杆式。,2020/5/30,挤出机出口是圆形的，而口模是矩形的，所以进入口模两随意选择位置的两个流体质点将经历不同的流程，其结果会造成通过模口的流率沿口模宽度方向不同位置的不均匀性。,因而从挤出机到口模流动通道的设计和选择就非常重要,2020/5/30,从机械结构看，最常见的薄片口模类型是中心进料“T”形口模和“衣架”形口模。,这两种口模中，熔融的物料都从断面为圆形的集流腔中心流入，集流腔通过一个窄缝通道（物料沿其整个长度流动）把熔体分配到过渡流道，合理的口模设计应该在规定条件下使聚合物熔体通过不变的模口，以恒定的流率和温度挤出来。,2020/5/30,集流腔为具有弯曲轴线、曲率半径变化的管状流道，窄缝开度H是不变的，假定集流腔入口压力不变和流动是等温的，得到幂率流体的特定设计方程，通过方程来确定口模的尺寸。幂率流体的特定设计方程，同给定产品的宽度，流变参数等有关。此外还有其他的口模设计方程。,2020/5/30,从口模出来时，薄片挤出物胀大的程度由聚合物、熔体温度、口模长度与开度之比和口模壁面处的剪切应力决定。当剪切应力超过一定值时会出现不稳定流动现象。,2020/5/30,另外，两种或更多聚合物熔体可以从用两台以上挤出机供料的平膜口模中共挤出，是采用几个单独的集流腔，把熔融的塑料引入公共的过渡流道和模唇通道。,平膜和平片的设计方程的明显区别:平膜的口模通道更狭窄，剪切速率更高，因此考虑流体的弹性性质和非等温的流动性。,2020/5/30,对于平膜在轴向被拉伸时会造成薄膜厚度的减少，而且也使膜的宽度减少（颈缩），平膜的边缘比较厚，必须从最终产品上除去此部分的边角料。,冷却聚合物薄片在不受到拉伸的情况下采用对流的冷空气（或惰性气体）、用浸入到液体槽中或采取使其在冷却辊上通过等方法来进行冷却，平膜一般要求拉伸和单轴取向并采取上述方法的任何一种进行冷却。为了得到最佳的透明度，薄膜也在辊子上流延和冷却。,2020/5/30,管状口模的流道由一系列或多或少近乎环形的流动区域组成，它们差不多都是横断面均匀的、直的、带有锥度的流道，或者是带有障碍物的流道。此环形流道由外口模和口模芯棒构成，芯棒用模芯支架支撑。,管材和管状膜成型,管和管状膜是使聚合物通过一个环形口模挤出而连续成型的。,2020/5/30,2020/5/30,从图看到，熔料的流动呈轴线对称，这种口模碰到的唯一的严重问题是由分流作用的支架所引起的“熔接”线和条纹，即使这些障碍物远离模口区，在通常的挤出速度下，高聚物熔体也不能完全“熔合”。,原因：由被支架分割开的两层组成的大分子不能使本体在挤出时的剪切速率和温度下形成缠结层因为“实验时间”小于大分子体系的松弛时间，因而聚合物没有完全响应。,2020/5/30,熔接线的机械强度都比较弱，而且可以明显看出光学性质与本体部分的不同，另外由于熔接线附近胀大程度不同，还造成薄膜或管子的规格不一致。,利用直角机头来解决这个问题,2020/5/30,冷却在挤出管材时，挤出物从一个水冷芯轴上通过，进入冷却水槽，水槽的长度取决于管子的厚度。管子以大大低于熔点或玻璃化温度的温度离开水槽，被切成需要的长度。,值得注意的是，虽然挤管口模和管状吹膜口模大体是相似的，但实际上在功能、大小、复杂性等方面都很不同。吹膜口模要长的多，有非常小的模口通道，它必须以更严格的产品均匀性标准为条件。,2020/5/30,型材是具有不同于圆、圆环或很薄的矩形（平膜或薄片）横断面形状的所有挤出物的通称。,型材成型,2020/5/30,异型材种类,2020/5/30,由于其横断面比较复杂，异型口模的流道厚度也是不均匀的，这就使得异型口模的设计以及预测粘弹性流体的挤出胀大非常困难，因此异型口模都是以试凑法为基础制造出来的，最终产品形状采用“定型”装置获得，该定型装置在挤出物离开异型口模后作用于它。,2020/5/30,若聚合物熔体在正方形断面流道内流动，则挤出物在它各边的中央处由于经受较高的剪切速度因而会胀大得更多些，所得的挤出物则会在每一边显出向外的“鼓凸”。,异型口模的问题：,因此要生产正方形的产品，则需要一个各边凹进去的象一个四角星的模口。,2020/5/30,此外异型口模的流线化象任何其它口模的流线化一样，都是必须的，但是很难做到。,2020/5/30,流线型机头,此种机头整个流道无任何死点，截面持续逐渐减小，流道表面光滑，直至成型区达到一个恒截面。这样的机头流道，熔体无滞留点，且流速恒定增加，能获得最佳型材质量。但是机头流道加工困难，须经过特殊加工整体制成,2020/5/30,多级式异型材机头：流道的逐渐变化是由多块孔板经串联构成。每块板单独加工，流道孔形和尺寸逐级变化，物料流向的入口处一端流道有倒角，以减少滞料。此种机头的流道加工简单，但对热敏性聚合物，如聚氯乙烯等不适合。,多级式机头,2020/5/30,第二节模塑和注塑,模塑和注塑的共同点是塑料原料在模具内腔成型，得到形状与模腔形状一样的模制品。根据所用原料的不同，成型加工设备的不同，又分为注塑成型、模塑成型。,注塑成型、模塑成型主要是利用了聚合物的可模塑性,可模塑性是指材料在温度和压力作用下形变和在模具中模制成型的能力。可模塑性主要取决于材料的流变性、热性质、及其力学性能，对于热固性塑料还涉及到聚合物的化学反应性质。,2020/5/30,判断聚合物可模塑性的方法是螺旋流动试验。采用的是一个有阿基米德螺旋形槽的模具（见书7）,2020/5/30,2020/5/30,注塑成型也称为注射成型，是塑料的一种主要成型方法，几乎所有的热塑性塑料和部分热固性塑料都可以利用这种方法进行成型。注射成型就是将塑料（一般为粒料）在注射成型机的料筒内加热熔化，当呈流动状态时，在柱塞或螺杆的加压下熔融塑料被压缩并向前移动，进而通过料筒前端的喷嘴以很快的速度注入温度较低的闭合模具内，经过一定时间冷却定型后，开启模具即得到制品。该成型是一种间歇操作，采用的设备为注射机。,一、聚合物的注塑,2020/5/30,目前注射机占整个塑料机械的50%以上。组成：注射系统、合模系统、液压电器系统。,注射机的基本结构,2020/5/30,1、注射系统,作用：塑化一定量的物料，提供足够的压力进行注射，保压补料。,核心部分,2020/5/30,（3）分流梭和柱塞：为柱塞式注射机料筒内的部件。,组成部分,柱塞是一根坚实的表面硬度极高的金属圆杆，不能转动，只能作往复运动。而分流梭（鱼雷体）的作用分流、收敛，提高传热面积，增加混合和塑化效果。,（2）料筒：与挤出机类似，外部可以加热，内部与螺杆配合。,（1）加料装置：加热、干燥、配料。,2020/5/30,（4）螺杆：螺杆式注射机的主要部件。工作中要转动和作往复运动。,注意的是：注射螺杆只是起到塑化和注射两个作用，对塑化能力、压力稳定以及操作连续性和稳定性等的要求没有挤出螺杆严格。,作用：送料、压实、塑化、传压。与挤出机的螺杆相似，但是它的结构更特殊一些。例如，均化段长度较长，而加料段较短，且头部为尖形。,2020/5/30,（5）喷嘴：连接料筒和模具的桥梁。,（6）注射油缸、注射座整体移动油缸、传动装置、计量装置等,作用：引导聚合物熔体从料筒进入模具型腔，并具有一定的射程。形状，进口逐渐向出口收敛，内径小，可以提高剪切。,2020/5/30,2020/5/30,2020/5/30,开合模是通过合模油缸完成的。模具被合模油缸带动合模，（由于聚合物熔体以400-2000Kg/cm2的高压注入模具，虽然通过料筒、喷嘴、流道有一定压力损失，但是进入模具型腔内压力还很高，所以一定要锁紧模具，否则产生涨模引起模具分开或溢料）并锁紧，制品冷却后顶出制品。分为液压式和液压-机械式（见书139）,2、合模系统（锁模系统）,作用：开合模、锁紧模具、顶出制品。组成：前后固定板、移动模板、合模油缸、顶出油缸等。,2020/5/30,利用液压和电器来控制整个工艺过程。,3、液压-控制系统：,4、模具：,2020/5/30,浇注系统：从喷嘴到进入型腔前的流道部分，有主流道、分流道、浇口组成；成型零件：制成制品一定形状的各种零件，包括动模、定模等；结构零件：构成模具结构的其它零件，由导向、脱模、抽芯、分型等部分组成。,2020/5/30,5、注射机的工作过程,2020/5/30,注射成型的周期一般是以合模为起始点。合模过程动模板的移动速度是变化的。,（1）合模与锁紧,模具首先以低压力快速进行闭合，即低压保护阶段，当动模与定模快要接近时，合模的动力系统自动切换成低压低速，以免模具内有异物或模内嵌件松动，然后切换成高压锁紧模具。,2020/5/30,喷嘴与模具完全贴合后，注射油缸开始工作，推动注射螺杆(柱塞)前移，以高速高压将料筒前部的熔体注入模腔，并将模腔中的气体从模具分型面驱赶出去。,（2）注射,2020/5/30,熔体注入模腔后，由于模具的低温冷却作用，使模腔内的熔体产生收缩。为了保证注射制品的致密性、尺寸精度和强度，必须使注射系统对模具施加一定的压力(螺杆对熔体保持一定压力)，对模腔塑件进行补缩，直到浇注系统的塑料冻结为止。,（3）保压,2020/5/30,当模具浇注系统内的熔体冻结到其失去从浇口回流可能性时，即浇口封闭时，就可卸去保压压力，使制品在模内充分冷却定型。为了缩短成型周期，在冷却的同时，螺杆进行下一个周期的塑化。,（4）制品的冷却和预塑化,2020/5/30,塑化：传动装置带动螺杆转动，使料斗内的塑料经螺杆向前输送，并在料筒的外加热和螺杆剪切作用下使其熔融塑化。物料由螺杆运到料筒前端，并产生一定压力。在此压力作用下螺杆在旋转的同时向后移动，当后移到一定距离，料筒前端的熔体达到下次注射量时，螺杆停止转动和后移，准备下一次注射。,2020/5/30,模腔内的制品冷却定型后，合模装置即开启模具，并自动顶落制品。,（5）开模顶出制品,2020/5/30,热塑性塑料的注射过程包括加料、塑化、注射充模、冷却和脱模等几个工序，其中关键是塑化、流动和冷却。1、塑化过程2、注射充模过程3、压实与保压过程4、倒流与冷却定型过程,注射过程原理,2020/5/30,1、塑化过程,塑化质量主要是由塑料的受热情况和所受的剪切作用所决定的。,塑化是注射成型的准备过程塑化是指塑料在料筒内受热达到充分熔融状态，而且有良好的可塑性的过程。,塑化的要求：塑料在进入模腔之前既要达到规定的成型温度，又要使熔体各点温度尽量均匀一致，并能提供足够量的上述质量的熔融塑料以保证生产能顺利进行,2020/5/30,移动式螺杆式注射机工作时，因为螺杆的转动能对物料产生剪切作用，因而对塑料的塑化比柱塞式注射机要好得多。而柱塞式注射机的塑化效果不如移动螺杆式注射机，因而如何提高其塑化质量是一个重要问题。,这里就此柱塞式注射机内塑化略作讨论。主要从加热效率、塑化能力、料温分布等来讨论。,2020/5/30,柱塞式注射机内物料的热源绝大多数靠料筒的外加热。物料在注射机中的移动是靠柱塞的推动，几乎没有混合作用，物料在移动过程中产生的剪切摩擦热相当小，这些都是对热传递不利的。,加热效率,塑料塑化所需的热量来自两个方面，即料筒壁的传热以及塑料之间、塑料与设备之间的剪切摩擦热。,2020/5/30,如果进入料筒的塑料初始温度为T0，加热器对料筒加热后使其内壁达到的最大温度为Tw，但实际上塑料从加料口至喷嘴范围内只能升到比Tw要低的某一温度T，所以塑料实际温升是（T-T0）,塑料的实际温升和最大温升之比即为加热效率E，表示为：,2020/5/30,A：料筒的长度和传热面积、热扩散速率增加料筒的长度和传热面积，或延长塑料在料筒内的受热时间和增大塑料的热扩散速率，都能使塑料吸收更多的热量，提高T值，从而使E值增大。,E值提高有利于塑料的塑化,E值与下列因素有关：,2020/5/30,柱塞式注射机在料筒几何尺寸一定的情况下，塑料在料筒内的受热时间t与料筒内的存料量VP、每次注射量W和注射周期Tc，有如下关系：,即存料量多，注射周期长，都可以增加塑料受热时间，提高塑料的温升，使E值增大。但不适当地延长塑料的受热时间，易使塑料降解，故一般料筒内的存料量不超过最大注射量的38倍。,分析柱塞式注射机,2020/5/30,即塑料的热扩散速率正比于热传导系数，但一般塑料的热传导系数都较小。因此要增大热扩散速率取决于塑料是否受到搅动，很显然，柱塞式注射机的加热效率不如移动螺杆式注射机，塑化质量也比其差。,塑料的热扩散速率与热传导系数、塑料的比热C和密度有如下关系：,2020/5/30,由于塑料的导热性差，故料筒的加热效率会随料层厚度的增大和料筒与塑料间的温差减小而降低。,B：料筒中塑料层的厚度、塑料与料筒表面的温差,因此，减少柱塞式注射机料筒中的料层厚度是很有必要的。为了达到这个目的，在料筒的前端安装分流梭，它能在减少料层厚度的同时，迫使塑料产生剪切和收敛流动，加强了热扩散作用。此外，料筒的热量可通过分流梭而传递给塑料，从而增大了对塑料的加热面，改善了塑化情况。,2020/5/30,C：料筒加热效率还受塑料温度分布的影响,在料筒中的物料有不均匀的温度分布，近料筒壁的温度偏高，料筒中心的温度偏低。此外，熔体在圆管内流动时，料筒中心处的料流速度快于筒壁处，造成径向上速度分布不同。因此料流无论在横截面上还在长度方面都存在很大的温度梯度。,2020/5/30,设熔料的最高极限温度为料筒壁温Tw，最低温度为Ti，Ti必然高于进入料筒的塑料初始温度T0，即TiT0。而料筒内塑料的平均温度Ta处于Ti和Tw之间，即塑料熔体的实际温度总是分布在TiTw之间，塑料从料筒实际所获得的热量可由温差(Ta-To)表示。,在Tw固定的情况下，如果塑料的温度分布宽，即塑料热均匀性差，则塑料的平均温度Ta降低，Ta-Tw的值就小，对应的加热效率较低。反之，在Tw一定时，塑料温度分布窄，则Ta升高，加热效率提高。如图所示，生产中Ta是有一定范围的，实践证明，要使塑化质量达到可以接受的水平，E值不应小于0.8。,2020/5/30,由以上讨论可知，延长塑料在料筒中的受热时间t，增大塑料的热扩散速率，减小料筒中料层的厚度，在允许的条件下提高料筒壁温Tw，都能提高加热效率E。这种关系可用函数表示如下：,结论,2020/5/30,塑化能力,注射机的生产能力取决于加热料筒的塑化能力和注射成型周期。塑化能力以单位时间内料筒熔化塑料的质量(塑化量)qm来表示，在一个成型周期内，塑化量必须与注射量相平衡，所以塑化能力可用下式表示：,2020/5/30,塑化能力与加热温度及塑料的性质有关,2020/5/30,根据料筒与塑料的接触传热面积A和塑料的受热体积Vp及料筒的加热效率E，塑化能力qm可用下式表示：,注：n=1相当于分流梭不能对塑料加热，n=2为加热情况,2020/5/30,显然要提高塑化量qm，则须增大注射机的传热面积和减小加热物料的体积，但在柱塞式注射机中，由于料筒的结构所限，增大A就必然加大Vp。,塑料、塑料的平均温度和加热效率一定的情况下K为常数,解决这一矛盾的有效方法是采用分流梭，兼用分流梭作加热器或改变分流梭的形状等，以增大传热面积或改变K值。,柱塞式注射机,2020/5/30,由于螺杆的剪切作用引起摩擦热，能使塑料温度升高，其温升值为：,式中的D、n、H、C、分别为螺杆的直径、转速、螺槽深度、塑料的比热、熔体的粘度。,移动螺杆式注射机,这种剪切作用和温升都使移动螺杆式注射机的加热效率增加，塑化量和塑化质量均有提高。,2020/5/30,料温分布,可以看出,在柱塞式注射机内，与料筒接触处附近区域的塑料升温较快，中心升温很慢，在流经分流梭附近时升温速度加快。但其最后的料温仍然低于料筒Tw。,在移动螺杆式注射机内，开始时塑料升温速度甚至比柱塞式注射机内靠近料筒壁的塑料升温速度还要慢，但在螺杆混合和剪切作用下，其升温速度则因摩擦发热而很快增加，到达喷嘴前，料温可接近Tw，如果剪切作用很强时，料温甚至会超过Tw。,2020/5/30,物料沿料筒前进方向的径向温度分布如下图,柱塞式注射机内塑料在料筒壁和中心的温差沿前进方向逐渐增大，而在分流梭附近接近喷嘴处才逐渐缩小并变得比较均匀。,移动螺杆式注射机内塑料受螺杆剪切作用，由于靠近料筒壁的剪切应力最大，摩擦生热使该处料温要比中心部分高，最终甚至可超过料筒壁温Tw。在剪切作用比较强的时候，甚至离喷嘴比较远的料筒中部物料的温度也可以达到Tw以上。,2020/5/30,2、注射充模过程3、压实与保压过程4、倒流与冷却定型过程,下面的内容：,先介绍熔料充模的几个阶段,2020/5/30,塑化良好的塑料熔体在柱塞或螺杆的推动下，由料筒前端经喷嘴和模具浇注系统流入型腔而获得一定的形状的过程是注射成型最重要和最复杂的阶段。这一过程经历的时间虽短，但熔体在其间所发生的变化却不少，而且这些变化对制品的质量有重要的影响。,熔料充模的几个阶段,2020/5/30,塑料熔体进入模腔内的流动情况可分为充模、保压、倒流和浇口冻结后的冷却四个阶段。,注射过程柱塞或螺杆位置、塑料温度、柱塞与喷嘴压力以及模腔内压力与注射时间之间的关系,2020/5/30,A：充模阶段,一为柱塞或螺杆的空载期，在时间t0t1间，注射前柱塞或螺杆虽开始向前移动，但物料尚未进入模腔，物料在高速流经喷嘴和浇口时，因剪切摩擦而引起温度上升，同时因流动阻力而引起柱塞和喷嘴处压力增加。随后是充模期，时间t1时塑料熔体开始快速注入模腔，模具内压力上升至时间t2时，型腔被充满，模腔内压力达到最大值，同时物料温度、柱塞和喷嘴处压力均上升到最高值。,这一阶段包括两个时期：,这一阶段从柱塞或螺杆开始向前移动起，直至模腔被塑料熔体充满为止，时间从t0到t2为止,2020/5/30,一是注射充模流动，时间从t1开始至熔体到达模腔末端的时刻t结束，熔体在此流动过程中，阻力并不大，故模腔内的压力仍低。然后是压实流动，从t时刻开始至柱塞到达其前进行程的最大位置的时刻t2结束，在此之前模腔虽已被熔体充满，但由于充模流动结束时喷嘴内的压力远高于模腔内的压力，故这一时期后仍有少量熔体被挤入模腔，使模腔内熔体密度增大而压力急剧上升至最高值，这一过程也称压实增密过程。,充模期的流动又可分为两部分：,2020/5/30,在这段时间内，塑料熔体会因受到冷却而发生收缩，柱塞或螺杆需保持对塑料的压力，使模腔中的塑料进一步得到压实，同时料筒内的熔体会向模腔中继续流入以补足因塑料冷却收缩而留出的空隙。随模腔内料温下降，模内压力也因塑料冷却收缩而开始下降。,是熔体充满模腔时起至柱塞或螺杆撤回时为止的一段时间，时间是t2到t3。,B：保压阶段,2020/5/30,如果柱塞或螺杆后撤时浇口处的熔体己冻结，则倒流阶段就不存在，t3t5段凝封阶段。,2020/5/30,保压结束后，柱塞或螺杆开始后退，作用在其上的压力随之消失，喷嘴和浇口处压力也迅速下降，而模腔内的压力要高于浇道内的压力，尚未冻结的塑料熔体就会从模腔倒流入浇道并导致模腔内压力迅速下降。随模腔内压力下降，倒流速度减慢。热熔体对浇口的加热作用减小，温度也就迅速下降。到t4时刻浇口内的熔体凝固，倒流随之停止，此时也称凝封，凝封阶段为时间为t4到t5。,这一阶段是从柱塞或螺杆后退时开始，到浇口处熔体冻结为止，时间是t3到t5。,C：倒流阶段,注意,2020/5/30,这段时间虽然外部作用的压力已经消失，模腔内仍可能保持一定的压力，但随模内塑料进一步冷却，其温度和压力逐渐下降。到制品脱模时模内压力不一定等于外界压力，可能有残余压力。残余压力的大小与压实阶段的时间长短有一定关系。,这一阶段是浇口的塑料完全冻结时起到模具开启制品从模腔中顶出时为止，时间是t5到t6,D：冻结后的冷却阶段,2020/5/30,2、注射充模过程,这一阶段从柱塞或螺杆开始向前移动起，直至模腔被塑料熔体充满为止。期间熔体经过了料筒、喷嘴、模具的浇注系统和模腔，其熔体的流动对制品的质量和成型时间都有很重要的影响。,2020/5/30,从公式看到：流道的直径对压力损失的影响比较大。由于熔体通过喷嘴时有摩擦生热，不是真正的等温过程，而喷嘴的形式大多不是等截面圆管，而且熔体从料筒进入喷嘴，直径由大变小，有“入口效应”，因此出上式估算的压力损失通常小于实测值。,2020/5/30,（1）熔体在喷嘴中的流动,喷嘴是注射机料筒与模具之间的连接件，充模时熔体经过喷嘴通道中剪切速率变化相当大，因此熔体流过喷嘴孔时会有较多的压力损失和较大的温升。充模时熔体通过喷嘴可以近似看作等温条件下通过等截面圆管时的流动。对牛顿流体和假塑性流体分别可用下式估算压力损失：,2020/5/30,充模时熔体是以高速流过喷嘴孔的，必将产生大量的剪切摩擦热，使熔体温度升高。单位时间内熔体流过喷嘴的压力损失通过内摩擦作用转换成的热量为pqv/J，相当于单位时间内流过喷嘴熔体温度升高T所需的热量(CpqvT)，由此得到熔体温升值：,由上式可见，熔体流过喷嘴的温升，主要由熔体通过喷嘴时的压力损失决定的。,2020/5/30,结论,注射充模时，速度、压力越高，喷嘴温升越大，这也说明了为什么热稳定性差的塑料不宜采用细孔喷嘴高速注射充模的原因。,2020/5/30,（2）熔体在模具浇注系统中的流动,熔体流过模具浇注系统与流过喷嘴一样，也会出现温度和压力的变化，这种变化还与浇注系统的冷、热状态有关。热塑性塑料注射用模具有冷浇道系统和热浇道系统。,2020/5/30,热浇道系统工作时要单独加热，其温度保持在塑料的流动温度或熔点以上。熔体通过热浇道系统时的情况与其通过喷嘴时的情况很相似。,目前生产中较多的是使用冷浇道系统，熔体通过冷浇道系统时，由于浇道中温度远低于熔体的温度，熔体流表层与浇道壁接触后迅速冷却形成紧贴绕道壁的冷凝料壳层，从而使浇道允许熔体通过的实际截面积减小，因而在用上式估算压力损失时，应考虑浇道半径值的减小。,2020/5/30,在尽量短的时间内有足够量的熔体充满模腔是充模过程的基本要求，即充模时应有较高的体积流率。对牛顿流体，通过圆形截面或平板狭缝形浇口时的体积流率可由下式表示:,圆形浇口平板狭缝浇口,2020/5/30,（3）熔体在模腔的流动,注射过程中最为复杂而又重要的阶段是高温熔体在相对较低温的模腔中的流动。聚合物熔体在这期间的行为决定了成型速率及聚合物的取向和结晶，因此也直接影响制品的质量。,2020/5/30,A：熔体在典型模腔内的流动方式,熔体在模腔内的流动方式其主要与浇口的位置和模腔的形状及结构有关。看：熔体经过不同浇口位置进入几种典型模腔内的流动方式。,2020/5/30,(a)为由轴向浇口进入圆柱形模腔，当熔体流出浇口后，沿Z方向流动；,2020/5/30,(b)为熔体从扁浇口流入扁形模腔，沿X方向充模；,2020/5/30,(c)为熔体从圆形浇口流入，沿半径r方向辐射状地向周边界限为R1、深为H的圆盘形模腔中充模流动；,2020/5/30,(d)为熔体从制品平面内的浇口进入矩形截面的模腔，其流动方式是越过浇口的料流前缘以浇口为圆心按圆弧状向前扩展。,2020/5/30,B：熔体在模腔内的流动类型,充模时熔体在模腔内的流动类型主要由熔体通过浇口进入模腔时的流速决定的。快速和慢速充模两种极端情况。,2020/5/30,当从浇口进入模腔的熔体流速很高时，熔体流首先射向对壁，使熔体流成为湍流，严重的湍流引起喷射而带入空气。由于模底先被熔体充满，模内空气无法排出而被压缩，这种高压高温气体会引起熔体的局部烧伤及分解，使制品质量不均匀，内应力也较大，表面常有裂纹。,快速充模：,2020/5/30,而慢速注射时，熔体以层流形式自浇口向模腔底部逐渐扩展，能顺利排出空气，制品质量较均匀。但过慢的速度会延长充模时间，易使熔体在流通中冷却降温，引起熔体粘度提高，流动性下降、充模不全，并出现分层和结合不好的熔接痕，影响制品的强度。,慢速充模：,2020/5/30,C：熔体流的正常运动情况,熔体从浇口处向模腔底部以层流方式推进时，形成扩展流动的前峰波的形状可分成三个典型阶段：,熔体流前缘呈圆弧形的初始阶段（1）；前缘从圆弧渐变为直线的过渡阶段（2）；熔体前缘呈直线移动的主流充满模腔的阶段（3）。,2020/5/30,3、压实与保压过程,（1）压实过程（增密过程）（2）保压过程,2020/5/30,（1）压实过程（增密过程）,充模流动结束后，熔体进入模腔的快速流动虽已停止，但这时模腔内的压力并未达到最高值，而此时喷嘴压力已达最大值，因而浇道内的熔体仍能以缓慢的速度继续流入模腔，使其中的压力升高至能平衡浇口两边的压力为止。这个压实过程虽然时间很短，但熔体充满模腔各部缝隙取得精确模腔型样，且本身受到压缩使成型物增密，就是在这一极短的时间内依靠模腔内的迅速增压完成的。,2020/5/30,在压实流动中模腔内压力要达到最大值。模内最大压力的确定应考虑锁模系统和模具的刚度。对于聚苯乙烯注射，熔体在模腔内压实最大压力可由以下经验式确定：,2020/5/30,（2）保压过程,压实结束后柱塞或螺杆不立即退回，而必须在最大前进位置上再停留一段时间，使成型物在一定压力作用下在模腔内进行冷却。在保压阶段熔体仍能流动，称保压流动，这时的注射压力称保压压力，又称二次注射压力。产生保压流动的原因是模腔壁附近的熔体因冷却而产生体积收缩，这样在浇口冻结之前，熔体在注射压力作用下继续向模腔补充熔体，产生补缩的保压流动。,2020/5/30,当然保压流动的必要条件是压实结束后料筒前端仍有一定量的熔体，且从料筒到模腔的通道能允许熔体通过，即浇道系统没有冻结。,保压流动和充模阶段的压实流动部是在高压下的熔体致密流动。这时的流动特点是熔体的流速很小，不起主导作用，而压力却是影响过程的主要因素。,2020/5/30,保压阶段的压力是影响模腔压力和模腔内塑料被压缩程度的主要因素。保压压力高，则能补进更多的料，不仅使制品的密度增高，模腔压力提高，而且持续地压缩还能使成型物各部分更好地融合，对提高制品强度有利。但在成型物的温度已明显下降之后，较高的外压作用会在制品中产生较大的内应力和大分子取向，这种情况反而不利制品的性能提高。,保压压力,2020/5/30,保压时间也是影响模腔压力的重要因素，在保压压力一定的条件下，延长保压时间能向模腔中补进更多的熔体，其效果与提高保压压力相似。保压时间越短，而且压实程度又小，则物料从模中的倒流会使模腔内压力降低得越快，最终模腔压力就越低，如图所示。,保压时间,2020/5/30,保压时间对模腔压力的影响,注射温度：254注射压力：112.5MPa保压时间:D1-D5分别为5、7、9、13、17s,如保压时间较长或者浇口截面积较大，以至模腔中熔体凝固之后，浇口才冻结，则模腔压力曲线按虚线下降。,2020/5/30,4、倒流与冷却定型过程,保压阶段结束后，保压压力即被撤除，螺杆或柱塞要后退，这时模腔中熔体就要倒流。倒流过程的压力曲线由倒流时间（t3t4）决定的。如果模腔浇口还没有冻结就撤除保压压力、则熔体在较高的模腔压力作用下就会发生大的倒流，使模腔压力很快下降，倒流将一直持续到浇口冻结点E点为止，E点称凝封点。,（1）熔体的倒流,2020/5/30,如图所示，保压切换越早，即保压时间越短，则凝封点的压力越低。将这些与保压切换D1D5相对应的凝封点E1E5相连接就形成凝封压力曲线，这条线是直线。,凝封点位置与保压切换点D有关。,2020/5/30,当模腔浇口冻结后，就进入冷却阶段t5t6，凝封后再没有熔体进出模腔，而封闭在模腔内的熔体的压力随冷却时间的延长进一步下降直至开模。这时模腔中聚合物平均温度T、比容v(或密度)与模腔压力p的关系可用修正的范德华状态方程式表示：,（2）浇口冻结后的冷却,2020/5/30,由式可见，在聚合物比容(或密度)一定时，模腔中物料的压力与其温度呈线性函数关系，如左图所示。,2020/5/30,曲线l是表示在较低的注射压力下，而且浇口凝封发生在柱塞或螺杆后退之前，即外压解除后无熔体倒流。,从图看到：,曲线2和曲线3的区别在于前者的保压时间为C2D2，后者延长到C2D3。D点时保压期结束柱塞或螺杆后退，随之出现倒流引起模内压力沿DE下降，E为凝封点。凝封点之后模腔内的物料量不再改变，即比容为定值，故温度和压力沿EF呈直线下降。,2020/5/30,保压切换时的温度高(例如保压时间短)，则聚合物的凝封温度高，凝封的模腔压力就低，所得制品的密度也就小。,由曲线可以明显看出,因此：制品的密度在很大程度上由凝封时模腔内的温度和压力决定的。制品的密度或质量一般随凝封时压力的增大而增加，但是制品的密度大，残余应力也就大，这种残余应力将保留在制品中，形成制品的内应力。所以：凝封压力和温度对制品的性能有很大的影响，通常可以用改变保压时间来调节这两个参数，以此来改善制品的性能。,2020/5/30,为了使制品脱模时不变形，在模腔浇口冻结之后一般不能立即将成型制品从模腔中脱出，而应留在模内继续冷却一段时间，以便其整体或足够厚的表层降温至聚合物玻璃化温度或热变形温度以下后，再从模腔中脱出。,2020/5/30,降低模温是缩短冷却时间的有效途径，但模具与熔体二者之间的温差不能太大，否则会因成型物内外降温速率差别过大而造成制品具有较大的内应力。模腔内成型物冷却过程是其内部熔体先将其热量传导给外面的凝固层，凝固层再将热量传给模壁，最后用模具传热。而塑料的导热性远小于模具所用的金属，所以制品在模腔内的冷却速度制约于成型物的凝固层。此外还与制品的结晶有关。,2020/5/30,模温通常低于塑料的玻璃化温度或不引起制件变形的温度，但制件的脱模温度Tc则稍高于模温Tb，Tc的确定取决于制件的壁厚和残余应力。由凝封点到Tc的时间就是冷却时间，在给定模温下，制品在模腔中冷却所需的最短时间t可用下式估算:,2020/5/30,压缩模塑也称为模压成型，是将粉状、粒状、或纤维状的塑料放在加热的模具中，一般为定模，然后合上动模加热熔化，并在压力的作用下使物料充满模腔，形成与模腔形状一样的模制品，再经过加热（热固性塑料固化）或冷却（热塑性塑料冷却硬化），脱模后得到制品。,二、压缩模塑,2020/5/30,模压成型主要用于热固性塑料制品的成型。主要塑料有酚醛树脂、氨基树脂、环氧树脂等。此外熔体粘度比较大、成型面积大的热塑性塑料也可以采用该方法生产。,特点：简单（设备、工艺、模具），比较容易生产大型制品；效率低、自动化程度低、只能生产形状简单的制品。,2020/5/30,原料的处理,加料,闭模,固化,脱模,吹洗模具,排气,后处理,过程,2020/5/30,2020/5/30,原料处理：预压，预热；加料：可以采用重量法（准确但是麻烦）、容量法、计数法（预压物加料）；闭模：动定模闭合；排气：闭模加压后，物料逐渐升温，其中有小分子物质放出，因此要卸压排气；固化：固化是热固性塑料在模内发生化学反应，即交联反应脱模：固化后，模具开模，通常靠顶杆顶出制品；模具吹洗：利用压缩空气吹洗模具，保证制品的质量；后处理:通常是热处理，主要是减少和消除制品的内应力。,2020/5/30,第三节压延成型原理,压延成型：将已经塑化好的接近粘流态的热塑性塑料通过一系列相向旋转的辊筒间隙，使物料承受挤压和延展作用，成为具有一定厚度、宽度和表面光洁度的薄片制品。例如：PVC膜（0.05-0.5）mm、片（0.25-0.7）mm，此外还可以生产人造革等涂层制品。,2020/5/30,2020/5/30,2020/5/30,压延成型与塑料的可挤压性和可延性有关。可挤压性是指聚合物熔体通过挤压作用（主要受剪切力）发生形变时获得形状和保持形状的能力可延性是表示无定型或半结晶聚合物在一个方向或两个方向受到延展或拉伸时变形的能力。,聚合物的可延性取决于材料产生形变的能力和应变硬化作用。,形变能力与固态聚合物的的长链结构和柔性以及所处的环境温度有关；而应变硬化作用则与聚合物的取向程度有关。,2020/5/30,一、压延时聚合物的流动和变形二、钳住区和钳住点的位置三、物料在压延辊筒间隙的压力分布四、物料在压延辊筒间隙的流速分布,内容,2020/5/30,压延机辊筒对物料的作用原理与开炼机（聚合物成型工艺介绍）的基本上是一样的，即物料与辊筒的接触角必须小于其摩擦角时，其才能在摩擦力作用下被带入辊距中。因而能够进入压延机辊距中的物料之最大厚度是有一定限度的，而且与辊筒的直径有关。,一、压延时聚合物的流动和变形,2020/5/30,若：R1R2R则：h2RO2C2R（1cos）即：h2R（1cos）,设能够进入辊距的物料的最大厚度为h1，压延后物料的厚度变为h2，压延厚度的变化为hh1-h2，h为物料的直线压缩，它与物料的接触角及辊筒的半径R的关系：,2020/5/30,当辊距为e时，能够进入辊距中的物料的最大厚度为h1he；当e值一定时，R值越大，能够进入辊距中的供料最大厚度即允许的供料厚度也越大。,可见:,2020/5/30,处于熔融态的塑料的体积几乎是不可压缩的，故可以认为在压延过程中，物料的体积保持不变。因此压延时物料断面厚度的减小必然伴随着断面宽度和片材长度的增加。,2020/5/30,设压延前、后物料的长、宽、厚度分别为L1、b1、h1和L2、b2、h2，体积分别为V1和V2则V1L1b1hl，V2L2b2h2，又因V1V2所以：V2/V1L2/L1b2/b1h2/h11式中：为物料的压缩系数L2/L1为物料的展宽系数b2/b1，为物料的延伸系数h2/h1；,2020/5/30,压延时，物料沿辊筒轴向，即压延物料的宽度方向受到的阻力很大，流动变形困难，故压延时物料的宽度变化很小，即约等于1。于是式：V2/V1L2/L1b2/b1h2/h1即1/，h1/h2L2/L1,压延时物料厚度的减小，必然伴随着长度的相应增大。当压延厚度要求一定时，在辊筒上的接触角范围内的积料厚度h1越大，压延后的物料长度L2也越大。h1/h2L2/L1,2020/5/30,压延时推动物料流动的动力来自两个方面：一是物料与辊筒之间的摩擦作用产生的辊筒旋转拉力，它把物料带入辊筒间隙；二是辊筒间隙对物料的挤压力，它将物料推向前进。,二、钳住区和钳住点的位置,从流体力学知道，任何流体产生流动，都有动力推动,2020/5/30,看：表示物料进入两个相向旋转的辊筒间的受到摩擦和挤压情况。,压延时，物料是被摩擦力带入辊隙而流动。由于辊隙是逐渐缩小的，因此当物料向前行进时，其厚度越来越小，而辊筒对物料的压力就越来越大。然后物料快速地流过辊距处，随着物料的流动，压力逐渐下降，至物料离开辊筒时，压力为零。,2020/5/30,钳住区：压延中物料受辊筒的挤压的区域始钳住点：辊筒开始对物料加压的点，a终钳住点：加压终止点，d中心钳住点：两辊中心(两辊筒圆心连线的中点)点，c最大压力钳住点：钳住区压力最大处，b,物料在两辊筒间受到挤压时的情况,2020/5/30,物料在进入辊筒间隙后的流动、形变等均由辊筒间隙的压力分布所决定。压力分布可由理论计算，为了使分析简单，要作几个假设：,三、物料在压延辊筒间隙的压力分布,2020/5/30,假设：A：在压延过程中，物料为不可压缩牛顿流体，作等温、层状、稳定的流动，即物料的温度和粘度是不变的；B：两辊筒的半径和转速是相等的；C：忽略物料的弹性，物料在辊筒表面没有滑动和裂解；D：辊简间隙大大小于辊筒的半径，因此认为在钳住区内的两辊筒表面是互相平行的。,2020/5/30,由此根据流体力学粘性流体连续流动方程可推得如下的压力方程式：,p物料压力；A无因次变量，是x的函数，A=x/(2RH)1/2；V辊筒表面的线速度；H0辊筒间隙h0的一半；R辊筒半径；A1无因次变量（终钳住点），A1=(Q/2vH0-1)1/2；Q单位辊筒宽度上的体积。,2020/5/30,把钳住区任一点的压力和最大压力之比定义为相对压力，用P表示，那么：,2020/5/30,由此可见钳住区各主要点的P值为：,2020/5/30,从a点开始物料受到的压力从零逐渐上升，到b点达到最大值，而辊筒的中心钳住点c点并不是最大压力点，其仅为最大压力的一半，到达d点压力降到零。,物料从进入辊筒到出辊筒，在x铀方向上，在不同的位置上压力是变化的,2020/5/30,根据理论计算的压力在钳住区的分布情况的曲线与实测的压力曲线比较表明，它们的最大压力点相当一致。而AA1这一段，理论值比实际值低，主要原因是物料非牛顿性。,2020/5/30,处于压延辊筒间隙中的物料主要受到辊筒的压力作用而产生流动