塑料成型工艺与模具设计+第2章-塑料成型理论基础.ppt

第二章塑料成型的理论基础塑料成型是将塑料材料转化为塑料零件的生产工艺。为了实现这种变化，在转换过程中，必须研究塑料的不同特性、行为和各种因素之间的关系，采取合理的工艺制造质量好的塑料零件。大学应用特性规划教材，2.1高分子分子结构和热力学特性高分子聚合物的分子结构与低分子不同，物理、机械性能和温度密切相关。温度变更时，聚合物的力行为会变更，以展示不同的机械状态，并展示迳流阶段的机械性质。2.1.1聚合物的分子结构聚合物大分子的链结构有三种类型：1.线性大分子及其线性聚合物2。支链大分子及其支链聚合物3。体形聚合物、大学应用特性计划教材、2.1.2聚合物的热力学曲线和加工适应性聚合物在不同条件下表达的分子热运动特性称为聚合物的物理状态。聚合物的物理状态分为玻璃状态(结晶聚合物称为晶体)、高弹性状态和粘性流动三种，在一定条件下会发生变化。大学应用特性规划教材，2.2聚合物流变性特性研究物质变形和流科学流变性。聚合物的成型都要根据聚合物本身的变形和流动进行，因此产生聚合物流变性是科学的。它主要研究由外力作用引起的聚合物的应力、应变和应变速率等机械现象及其自身粘度之间的关系，以及影响聚合物的结构、性能、温度、作用力大小和作用时间、方法等这些关系的各种因素，大学应用特性计划教材，2.2.1牛顿流动规律流体在管道中流动时，可能表示层流和湍流两种不同的流动状态。层流的特点是流体粒子平行于流道轴的方向，与侧墙等距离的液体层以相同的速度向前移动，没有宏观的层间质点运动，因此所有粒子的流线相互平行，如图2.3(a)所示。大学应用特性规划教材，为了研究流体以剪切方式流动时的特性，可以将该流体的流动看作是在许多层相邻的薄液体层相互作用的方向上的相对滑移，图2.4显示了流体层流模型。大学应用特性规划教材，2.2.2指数流动规律和表观粘度聚合物除了聚碳酸酯、聚酰胺、氯乙烯-乙烯-乙烯共聚物和聚对苯二甲酸乙二醇酯之外，小分子流体的流动行为与牛顿流体不一致。1.指数流动法高分子聚合物由于大分子的长链结构复杂，彼此纠结，根据比低分子流体复杂得多的流动规律(2-4)牛顿流动规律，在大剪切率范围内，流动时的剪切应力和剪切率不再线性，流体的粘度不再恒定。通常，这种流体的流动称为非牛顿流，具有这种流动行为的流体称为非牛顿流。大学应用特性计划教材，遵循聚合物流变指数流动规律的非牛顿流体统称粘性流体。粘性流体中n 1，则称为膨胀流体。图2.6显示了不同类型流体的表观粘度和剪切速率的关系。大学应用特性规划教材，2 .假塑料流体的表观粘度是上述各粘性流体的非牛顿流体性能的前提。也就是说，剪切率不能太大或太小。否则，这些粘性流体也可能表示牛顿流体的特性。聚合物成型过程中影响表观粘度的因素包括：1)聚合物的结构对表观粘度的影响聚合物相对分子质量分布对熔体粘度的影响在不同剪切力和不同剪切速率下表现不同，随着平均相对分子质量相同时剪切率的增加，相对分子质量的宽度比相对窄的粘度减少得快。大学应用特性计划教材，2)温度对表观粘度的影响，大学应用特性计划教材，3)压力对表观粘度的影响4)剪切率对表观粘度的影响，大学应用特性计划教材，2.3聚合物熔体弹性聚合物熔体的变形和流动中弹性聚合物熔体的弹性行为对注射成型有很大影响，模具中流动熔体的最终效果和不稳定性流动等问题2.3.1终端效果聚合物熔体在管道入口端因汇聚流而突然增大压降的现象称为入口效果。大学应用特性规划教材，2 .剥离效果图2.11所示，聚合物熔体在流道或浇口中流动时发生熔体体积膨胀的现象称为剥离效果。剥离膨胀实际上是弹性还原引起的不稳定流，通常称为Barun效果。大学应用特性计划教材，2.3.2不稳定流和熔体破裂不稳定性流和熔体破裂现象受以下因素的影响：(1)聚合物的相对分子质量及其分布(2)温度(3)流道结构、大学应用特性规划教材、2.4塑料成型过程中聚合物的物理变化聚合物主要具有结晶度和方向，对塑料成型过程中发生的物理变化影响很大，生产中经常需要调整某些工艺参数，以便很好地控制结晶度和方向过程。2.4.1聚合物的结晶可以分为两种类型：结晶聚合物和非结晶聚合物(非结晶聚合物)。1.结晶概念2。二次结晶和后结晶，大学应用特性计划教材，3。结晶速度和结晶度(1)结晶速度(2)结晶度4。结晶对塑料零件性能的影响(1)密度(2)机械性能(3)热特性(4)翘曲(5)表面粗糙度和透明度，大学应用特性计划教材，5。影响结晶的因素(1)温度(2)压力和剪切应力(3)分子结构(4)添加剂，大学应用特性计划教材，2.4.2聚合物的取向聚合物的大分子及其链或结晶聚合物的微晶粒子在应力作用下形成的有序排列称为取向结构。根据熔体流动特性，方向结构可以分为单轴方向(见图2.14(a)和多轴方向或平面方向(见图2.14(b)。大学应用特性计划教材，1 .注射成型过程中，流动方向机构注射成型中主要发生流动方向。(1)聚合物的流动方向2)固体填充物的流动方向2。总结方向对聚合物特性的影响，聚合物方向对塑料零件的性能有很大影响。在塑料成型生产中，可以使用聚合物的方向来提高塑料零件的性能。例如，吹塑薄膜使用聚合物的双轴原理提高性能。但是，聚合物方向对塑料零件性能没有帮助，在生产厚度大的塑料零件(例如成型塑料零件)时，必须努力消除方向现象，以防止塑料零件发生翘曲或开裂。大学应用特性计划教材，2.4.3残余应力残余应力发生在模具内塑料熔体的流动和冷却过程中。在注射和保压阶段，塑料会受到不均匀的高剪切应力和正应力，从而产生塑料零件内的残余应力，即残余流动应力。由于注射成型温度不稳定，模具内的塑料零件快速冷却和硬化，因此根据温度差异，塑料零件的热应力称为温度残余应力。大学应用特性计划教材，2.5塑料成型过程中聚合物的化学变化聚合物主要是塑料成型过程中分解和交联的结果，与晶体和取向一样，对塑料零件的性能和质量有重要影响。2.5.1聚合物的分解1。分解种类(1)热解(2)氧化分解(3)水分(4)应力分解，大学应用特性计划教材，2。避免分解的措施(1)严格控制原料技术指标，避免原料不纯分解引起的催化作用。(2)成型前，对材料进行必要的预热和干燥，严格控制其含水量。(3)合理选择和严格控制成型工艺参数，以确保聚合物在不容易分解的条件下成型；(4)成型设备和模具的结构必须良好，接触聚合物的部分不能有死角点或缝隙，流道长度适当，加热和冷却系统必须有高灵敏度的显示设备，这样才能进行热控和冷却速度(5)热、氧稳定性低的聚合物放入热释和抗氧化剂等，使聚合物的耐降解性，大学应用特性计划教材，2.5.2聚合物的交联聚合物从线性结构转换成体形结构的化学反应过程称为交联。交联后，聚合物的强度、耐热性、化学稳定性和尺寸稳定性可以比以前有所提高。确认硬化程度的方法有很多，但硬化后的塑料部件溶解度小，各种化学方法不能满足，所以现在生产中使用了很多物理方法。常用方法包括脱酒后硬度试验法、沸水试验法、萃取法、密度法、电导率试验法等。可能的话，还可以使用超声波和红外辐射法，其中超声波方法最好。大学应用特性计划教材，2.6塑料成型工艺性能塑料成型工艺，与成型质量相关的各种性能统称为塑料成型工艺性能。其中一些性能直接影响成型方法和工艺参数的选择，或仅与操作相关。2.6.1收缩1。据说，成型收缩形式(1)线尺寸收缩(2)收缩方向(3)收缩塑料零件剥离后，各种残余应力引起的松弛导致了老化变形，时效变形导致塑料零件尺寸减小的现象导致了收缩。(4)后处理收缩，大学应用特性计划教材，2 .收缩计算，大学应用特性计划教材，3 .影响收缩率变化的因素1)塑料品种2)塑料部件结构3)模具结构4)成型工艺，大学应用特性计划教材，2.6.2流动性塑料恒温和压力下填充模具母模仁的能力称为流动性，是塑料成型难度比较的指标。影响流动性的因素包括：1.分子结构不同，流动特性也不同。2 .模具结构的影响3。压力的影响4。温度的影响，大学应用特性计划教材，2.6.3结晶注射成型时结晶塑料具有以下特征：(1)晶体塑料必须加热到熔点温度以上，才能达到软化状态。(2)塑料零件在模具中冷却时，结晶塑料比非结晶塑料放出更多的热量。(3)晶体塑料容易产生收缩和气孔。(4)结晶塑料的结晶度与冷却速度密切相关，冷却速度快，结晶度低，收缩率低。(5)结晶塑料各向异性突出，内部应力大，剥离后塑料零件内未结晶的分子倾向于使塑料零件变形和变形。(6)熔体温度Tm范围小，注射机器性能不好，容易将未完全熔化的原料注入模具或切断浇口。大学应用特性规划教材，2.6.4热和水热敏性是指特定热稳定性差的塑料，材料温度高，热久了就会产生分解、分解、变色特性，具有这种特性的塑料被称为热塑料。塑料的水分敏感性是指在高温下对水解的敏感性。代表性的水溶性塑料有聚碳酸酯、聚酰胺等，它们在高温成型时为了防止水解，成型前必须干燥。大学应用特性规划教材、2.6.5应力裂纹和熔化破裂聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚砜等部分塑料对应力作用非常敏感，成型后塑料部件上容易形成残余应力，以及小外力或溶剂作用下易破碎的现象称为应力裂纹。如上所述，剪切应力或剪切率太大会导致表观粘度非常低，从而导致熔体破裂。为此，可以选择具有较大熔体指数的塑料，也可以相应地增加喷嘴、流道和浇口的横截面面积。降低注射速度和提高熔体温度也有助于防止熔体破裂。大学应用特性计划教材，2.6.6热性能2.6.7吸湿性和粘着性2.6.8成本量和压缩率2.6.9硬化速度，大学应用特性计划教材，2.7常用塑料的性能和应用2.7.1热塑性常用热塑性塑料的性能和用途如下：1.聚乙烯(PE)1)低密度聚乙烯(高压聚乙烯LDPE)2)高密度聚乙烯(低压聚乙烯HDPE)3)线性低密度聚乙烯(LLDPE)4)超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，大学应用特性计划手册，2聚氯乙烯(PVC)(1)硬质聚氯乙烯(2)软质聚氯乙烯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)，大学应用特性计划教材，10 .聚砜(PSU，PSF)11。聚苯醚(PPO)12。氯化聚醚13。氟塑料PTFE (PTFE)聚三氟