塑料成型的理论基础

1、第一节 聚合物的流变行为 流：常用来描述液体的流动。古希腊和古中国哲人已有 “万物皆流” 的思想萌芽。 变：常用来描述固体形变。 流变：研究流动和变形规律的科学，“流”和“变”是 两个紧密结合的概念，万物皆流，万物皆变。1928年美 国物理化学家Bingham正式命名“流变学（rheology）” 的概念，取自古希腊哲学家Heraclitus所说的 ， 意即万物皆流。他次年创办了至今都十分著名的流变学 报。 聚合物流变学：主要包括结构流变学（流变特性和链结 构、聚集态结构之间的关系）和加工流变学（加工工艺 与流动性质之间的关系、流动性能与聚合物分子结构和 组成之间的关系）。 l 1.1基本定义

2、 流体的定义：大多数成型过程中都要求聚合物处于粘流状态(塑化状 态)，因为在这种状态下聚合物不仅易于流动，而且易于变形，这给 它的输送和成型都带来极大的方便。为使塑料在成型过程中易于流 动和变形，并不限定用粘流态的聚合物(聚合物熔体)，采用聚合物 的溶液或分散体(悬浮液)等也是可以的，熔体和分散体都属于流体 的范畴。 熔体应力的分类：液体的流动和变形受到的应力有剪切、拉伸和压 缩三种应力。三种应力中，剪切和拉伸应力对塑料的成型最为重要。 但在很多成型方法中，往往是多种应力的耦合作用。 熔体流动的形式：流体在平直管内受剪切应力而引发的流动形式有 层流和湍流两种，流动的形式和雷诺数有关（公式见下）

3、，聚合物 流体在成型的时由于粘度较大、速率小，属于层流。描述层流的最 简单定律是牛顿流动定律：当有剪切应力（N/m2或Pa）于定温下 作用在两个相距为dr的流体平行层面并以相对速率dv运动，则剪切 应力和剪切速率之间呈线性关系： =(dv)/dr=? vDRe Re4000时为湍流 剪切下的形变不同类型的流体 1.2流动模式 假塑性流体：这种流体的流动曲线也不是直 线，与牛顿流体不同的是它的表观粘度会随 剪切应力的增加而下降。常规聚合物熔体都 属于这一类型。假塑性流体之所以有这样的 流动行为，多数的解释是：剪切作用使分子 链解缠。 膨胀性流体：这种流体的流动曲线也不是直线，与假塑性流体不同的是

4、 它的表观粘度会随剪切应力的增加而上升。属于这一类型的流体大多数 是固体含量高的悬浮液，处于较高剪切速率下的聚氯乙烯糊塑料的流动 行为就很接近这种流体。膨胀性流体之所以有这样的流动行为，多数的 解释是：当悬浮液处于静态时，体系中由固体粒子构成的空隙最小，其 中流体只能勉强充满这些空间。当施加于这一体系的剪切应力不大时， 也就是剪切速率较小时，流体就可以在移动的固体粒子间充当润滑剂， 因此，表观粘度不高。但当剪切速率逐渐增高时，固体粒子的紧密堆砌 就次第被破坏，整个体系就显得有些膨胀。此时流体不再能充满所有的 空隙，润滑作用因而受到限制，表观粘度就随着剪切速率的增长而增大。 流动流动 类型类型

5、流动规律流动规律符合的流体符合的流体备注备注 牛顿牛顿 流体流体 (为常数) PC和和PVDC 接近接近 低分子多为此类低分子多为此类 宾汉宾汉 流体流体 (y 和为常数) 凝胶糊、良溶凝胶糊、良溶 剂的浓溶液剂的浓溶液 在剪切力增大到一在剪切力增大到一 定值后才能流动。定值后才能流动。 假塑假塑 性流性流 体体 n1 管壁滑移:在剪切作用下，聚合物熔体在管壁处的速率不为零。滑移程度不仅 与聚合物的化学结构有关，而且与是否采用润滑剂和管壁的性质有关； 末端效应（挤出胀大）：熔体从口模出来后其直径大于口模直径，或称离模 膨胀，是分子链的弹性回复造成的。聚合物分子在流动中受到拉伸力的作用， 弹性变

6、形受到粘性阻滞，出口模后才能恢复，对制品的外观、尺寸，对产量 和质量都有影响。增加管子或口模平直部分的长度（即增加口模的长径比）， 适当降低成型时的压力和提高成型温度，采用强制定型装置，并对挤出物加 以适当速度的牵引或拉伸等，均有利于减小或消除弹性变形带来的影响。 “鲨鱼皮”：由于口模对聚合物表面产生周期性张力或口模对聚合物发生时 粘时滑作用而在挤出物表面产生的有一定的间距细微棱脊状结构；实验结果 表明： 这种症状不依赖于口模的进口角或直径，而且只能在挤出物的线速 度达到临界值时才出现；这种症状在聚合物相对分子质量低、相对分子质 量分布宽，挤出温度高和挤出速率低时不容易出现；提高 El 模末端

7、的温度 有利于减少这种症状，但与口模的光滑程度和模具的材料关系不大。 1.3 流动带来的缺陷 熔体破裂： 即塑料的挤出或注射成列 中常看到这样一种现象，在较低的剪切 速率范围内，挤出物的表而光滑，形状 均匀但当剪切速率过大超过一定极限 值时，从模口出来的挤以物，其表面变 得粗糙、失去光泽、粗细不匀和弯曲， 这种现象被称为“鲨鱼皮症”。此时如 再增大剪切速率，挤出物会成为波浪形、 竹节形或周期件螺旋形，在极端严重的 情况下，会断裂。这种现象称为“熔体 破裂”。总之，它是挤出物出现凸凹不 平或外形发生畸变、断裂的总称； 弹性对层流的干扰：熔体在流动过程中 会由于剪切所储备的弹性逐渐释放出来， 这样

8、弹性的释放就不会使流动单元限制 在同一个流层，从而引起了湍流； 第二节 聚合物的加热和冷却 聚合物加工大部分要通过熔融来实现，其 加热或冷却效果是由温度或热量在其中的传递 速度来决定的，而传递速度又取决于聚合物的 一个固有参数热扩散系数: p c 以上各字母分别表示热扩散系数、导热系数和定压比热容定压比热容， 精确计算热扩散系数是件很难的事情，以上各参数都是温度 的函数 聚合物的热扩散系数要比金属的小12个数量级 思考题：从聚合物热扩散系数小的这一特点，尽量 减少由此带来的制品缺陷？ 第三节 聚合物的结晶 小分子无机物质：从溶液里得到有一定几何形状的晶体的过程叫结晶。 大分子有机物质：从熔体或

9、溶液中得到有序结构的过程叫结晶。 链的规整性：规整度越高，越容易结晶；此外， 结构不对称但空间排列规整的聚合物也容易结晶； 分子链节和柔性：分子链节小柔性适中的容易结 晶，主要原因是易于成核，链的活动能力强，易 于使适当的构象排入晶格而形成结晶结构； 规整结构的稳定性：规整结构只能说明分子链能 够排列成整齐的阵列，但不能保证该阵列在分子 运动下的稳定性。 聚合物所处的热机械环境，即加工环境。 3.1影响聚合物的结晶能力的因素 F结晶度：晶区含量所占比例； F结晶度的测量方法：量热法（差示扫描量 热仪）、X射线衍射法、密度法、红外光谱 法、核磁共振波谱法； 3.2聚合物的结晶度 由于聚合物的分子

10、链足够长，同一个分子链可能结合到不同的 微晶中去，这样其它链段因此失去了足够的运动活性而无法排 入晶格，因此聚合物不是完全结晶的，而且结晶度因结晶历史 的不同而不同 3.3聚合物的结晶形态 单晶：只能从极稀（ Fbz，物料被夹带于螺杆中随螺杆转动不产 生移动。 Fs Fbz，物料能在料筒与螺杆间产生相对运 动。 假设条件： 物料与螺槽和料筒壁紧密接触形成固体塞（床），以 恒速移动； 略去物料重力、密度变化的影响； 磨擦系数恒定，压力是螺槽长度的函数； 螺槽为矩形 经过分析可看出物料的运动类似螺母运动。 提高固体输送的措施 适当提高螺杆转数N和螺槽深度H; 采用锥形结构料筒；在加料段料筒内壁开设

11、纵向沟槽 （提高fb）；冷却进料段防止物料提前软化； 冷却螺杆加料段（减小fs）,增加螺杆表面光洁度（减 小fs） 加料段的送料量加料段的送料量 Qs Qs （摩擦力静平衡）（摩擦力静平衡） Qs应为螺槽的横截面积与轴向速度Va的乘 积，可得: 螺杆的展开图螺杆的展开图(a)和固体塞移动距离的计算和固体塞移动距离的计算(b) Qs=SVa=/4 D2（D2h)2Va=h(D-h)Va（1） 由上图的展开图可见，螺杆转动一周，物料在螺 纹斜棱推力作用下，沿与斜棱垂直的方向由A移向B， AB在螺杆轴上的投影距离为l，物料在轴向的移动速度 为Va；若螺杆的转速为N，则 Va=lN 由上图中螺杆的几何

12、关系可得出： D=b1+b2= lcot+lcot= l（cot+ cot） 所以 因此 （2） （3） 影响加料段送料量的因素影响加料段送料量的因素： 前进角的影响前进角的影响：0900 =00时，最小。 =900时，最大。 槽深槽深h的影响的影响： 在D不变时，h增大，提高。 减小减小fs，Q。 增大增大fb，Q。 选择合适的螺旋角选择合适的螺旋角,且使 最大，Q。 D，Q， N ，Q 。 ， 。 适当提高N和H; 采用锥形或强烈冷却的进料段料筒结 构； 在加料段料筒内壁开设纵向沟槽（提高 fb）； 冷却螺杆加料段（减小fs）,增加螺杆表 面光洁度（减小fs ）一等螺杆Ra=0.8m,优等

13、 0.4m。 在螺杆中心通冷却水，以降低螺杆表 面的摩擦系数 影响加料段送料量的因素影响加料段送料量的因素： 5.3.2 固体熔融 研究目的： 预测螺槽中未熔化物料量 熔化全部物料所需螺杆长度 熔融与螺杆参数、物料特性、工艺参数间的关系 冷却试验和熔融机理： 冷却试验：本色料+35%着色料挤出稳定后停止并迅速冷 却螺杆和料筒取出螺杆、剥下物料切断螺旋带状料并观 察截面形状 现象： 熔融料呈流线型，未塑化料始终呈固态 固液两相有一明显分界线 固相逐渐消失，固体塑化完全集中在熔膜处 熔融机理： 加料段压实逐渐熔融成一层熔膜超过后边螺槽刮落 于前侧形成熔体池固体床减小直至物料完全熔融 主要作用主要作

14、用 使物料熔融塑化。 压实物料。 排出物料中的气体。 螺杆的压缩比螺杆的压缩比()(): 定义：定义：指螺杆加料段第一个螺槽容积与计量段最后一个螺槽容积之比。 对于常用的等距不等深螺杆的压缩比常用加料段和计量段螺槽的 横截面积之比来表示。 几何压缩比几何压缩比 ： 工厂常用式 =0.93 h1/h3来表示。 （3） 熔化过程熔化过程:图图3-6-11为固体物料在螺槽中的熔化过程示意为固体物料在螺槽中的熔化过程示意 图。图。 固体物料在螺槽中的熔融过程固体物料在螺槽中的熔融过程 1-熔膜熔膜 2-熔池熔池 3-迁移面迁移面 4-熔融的固体粒子熔融的固体粒子 5-未熔融的固体粒子未熔融的固体粒子

15、熔膜熔膜： 与料筒（螺杆）表面接触的固体物料，由于料筒热 传导和摩擦热作用，首先熔化，形成一层熔膜（1）。 熔池熔池： 逐渐熔化的物料，在料筒与螺杆的相对运动作用下， 不断向槽螺的推进面汇集，而形成漩涡状的流动区，称 为熔池液相。 固体床：固体床： 熔池前面充满着受热软化和半熔化后粘接在一起 的固体粒子 ，和完全未熔化的固体粒子，总称为固体 床。 迁移面迁移面： 熔膜和固体床间的界面称为迁移面。熔化过程主 要在迁移面进行。 螺槽全长范围固体床熔融过程示意图螺槽全长范围固体床熔融过程示意图: 固体床在螺槽中的分布变化固体床在螺槽中的分布变化(a) 和固体床在螺杆熔融区的体积变化和固体床在螺杆熔融

16、区的体积变化(b) 随着塑料向机头方向的移动随着塑料向机头方向的移动，熔化过程逐渐进行。 从始熔点A起，固体床宽度逐渐减小，熔池宽度逐渐增大，直 至B点时，固体床消失，即完成了熔化过程。（固体床深度的 变化见下图 ） 螺杆中聚丙烯熔融时固体床在螺槽中的深度螺杆中聚丙烯熔融时固体床在螺槽中的深度 D=90mm N=60转转/分分 Q=71Kg/h 螺杆压缩段中物料的计算速度分布螺杆压缩段中物料的计算速度分布(a) 和计算温度分布和计算温度分布(b) 压缩段速度和温度的分布 料筒内表面处，Vz最大。 熔膜中，Vz-在深度方向（Y）自上而下减小。 固体床中，各处Vz相等。 这是因为有熔结固体块，粘度

17、大，移动困难，差 别不明显。 靠近螺杆的熔膜中，Vz在Y方向自上而下减小， 直至螺杆处，Vz=0。 粒料加人挤出机后, 固体 粒子以松散状态向前运动, 同 时粒子之间存在相互滑移。随 着内部压 力的建立, 松散的粒 子渐渐被压实, 粒子间隙缩小, 粒子相互运动的自由度减小 进入熔融段后, 粒子受热发 生粘连, 但粒子间界面仍然很清 楚。由于热、力的作用使粒子 发生变形, 粒子间的空隙逐渐被 填充, 如图所示。从图可以看出, 粒子中心的颜色接近固体颜色, 粒子周边的颜色半透明, 接近熔 体颜色, 这表明粒子中心部分的 温度低于周边温度, 同一粒子内 部存在温度差。因此对每一个 粒子而言, 其熔融

18、过程是从外向 内进行的。 可视化研究熔融实验结果 熔体有四种形式的流动： F 正流：正流： 正流(拖曳流)Qd(cm3/h)，沿螺槽向机头方向的流动。由于螺杆转动，塑 料在螺杆根部与机筒间形成相对运动造成的，它决定挤出量的大小； F 逆流：逆流： 逆流（反流）Qp，与Qd相反的流动。由机头、多孔板等阻力元件对熔体 的反压力造成，也叫压力流，随机头压力的升高而增加； F 环流：环流： 横流（环流）Qt,由分速度Vbx引起的在螺槽内与正流垂直的流动。对总挤 出量影响不大，可忽略不计，但对熔体的混合、塑化、热交换起重要作 用； F 漏流：漏流： 漏流Ql，由机头阻力元件引起的物料反向流动，沿螺杆与料

19、筒间隙向加料 口方向流动，可降低挤出量。正常情况很小0.10.6mm，Ql小，但磨损 严重时，Ql的增加与平方成正比。 5.3.3 熔体输送理论 5.3.5 单螺杆挤出机生产能力分析 5.3.6 螺杆和口模的特征曲线 5.3.7 挤出率的影响因素 5.4 普通三段式螺杆存在的问题 目前，一般单螺杆多采用等距不等深螺杆，加料段常和均化段螺 槽深度不变，压缩段螺槽逐渐变浅。这种螺杆可以满足一般的挤出成 型，但存在以下几方面的问题： 熔融效率低熔融效率低 熔融段熔体与固体床共同存在于一个螺槽中，减小 了料筒壁与固体床的接触面积； 固体床随着熔融解体，部分碎片进入熔体中，很难 从剪切获得热量，这样，固

20、体床不能彻底熔融； 另外，已熔物料与料筒壁接触，从料筒壁和熔膜处 获取热量，温度继续升高过热。 压力、温度和产量波动大压力、温度和产量波动大 固体输送时又与螺杆旋转产生较高频率的波动， 由于熔融过程的不稳定性产生低频波动， 温控系统的 稳定性差或环境因素的变化引起的波动。 混合效果差混合效果差 不能很好适应一些特殊塑料的加工或混炼、着色工艺过程。 5.4.1 新型螺杆 排气式螺杆排气式螺杆 主要适用于含水和易产生挥发组分的物料， 或易夹杂气体的物料。 排气原理排气原理： 物料到排气段基本塑化，由于该段螺槽突然加深， 压力骤降，气体从熔体中逸处，从排气口排出。这 就要求排气段处的压力非常低，此外

21、，气体或水份 的排出受扩散过程控制，而扩散过程受温度影响， 因此要求排气段物料的温度尽可能高，即处于熔融 状态。 5.4.2 分离型（屏障型）螺杆 原理： 在螺杆熔融段再附加一条螺纹，将原来一 个螺纹所形成的螺槽分为两个，将已熔物料和 未熔物料尽早分离，促进未熔料尽快熔融。 不同类型屏障型螺杆的比较 5.4.3 销钉型螺杆 基本原理基本原理： 物料流经过销钉时，销钉将固体料或未彻 底熔融的料分成许多细小料流，这些料流在两 排销钉间较宽位置又汇合，经过多次汇合分离， 物料塑化质量得以提高。 销钉形状销钉形状 设置在熔融区，排列形状有人字形、环形等，销 钉形 状有圆柱形、菱形、方形等。 5.4.4

22、 混合螺杆 在熔融段末或均化段增设置混合、混炼、 剪切、均化等作用的元件，可以提高混合 的均匀性、混炼效果好，混色均匀，分散 性好。 和单螺杆挤出机相比，双螺杆挤出机的特 点是： 较高的固体输送能力和挤出产量； 自洁能力； 混合塑化能力高； 较低的塑化温度，减小分解可能； 结构复杂，成本高。 5.4. 5.4. 双螺杆挤出的特点双螺杆挤出的特点 5.7 几种典型的挤出工艺 管材管材 中空吹塑中空吹塑 吹塑薄膜吹塑薄膜 双向拉伸薄膜双向拉伸薄膜 5.7.1 管材的成型 机头和口模机头和口模 滤网滤网 过滤机械杂质、未熔物料；增加料流阻力，提高混合、 塑化效果。由若干片叠在一起的30120目不锈钢

23、网组成，用多 孔板支承。 多孔板（筛板、分流板）多孔板（筛板、分流板）厚度为螺杆直径的1/31/5，上边 钻有36mm的中间疏、两边密的同心圆孔，距螺杆头部0.1D, 即约为计量段一个螺槽容积，太大易积料分解，太小料流不稳 定。 分流器（鱼雷头）分流器（鱼雷头）将圆柱形料流变为薄环状并便于进一步加 热塑化。大型分流器内设加热器，支架用以支承分流器及芯棒， 同时使料流分束以加强搅拌，小型分流器与芯棒做为一体。 此外还有多脚架和芯棒。 直通式直通式 熔体在机头中流动方向与 螺杆轴向一致结构简单易 制造适于硬、软PVC, PE, PA 直角式直角式(偏移式偏移式) 熔体在机头中流动方向 与螺杆轴向垂

24、直从料筒 流出的熔体绕过芯模再 向前流动，会产生一条 分流痕，流动阻力小， 料流稳定，出料均匀， 但其结构复杂，占地面 积大。适于PP、PE及 尺寸要求严格的管材 3 旁侧式旁侧式 熔体经过一个近似直 角的过渡区才流入机头阻 力大，结构更复杂。 两种挤出圆管的定径方法两种挤出圆管的定径方法 (上上)内压空气定径法内压空气定径法 (下下) 外真空定径法外真空定径法 1-机头机头 2-定径套定径套 3-水冷却槽水冷却槽 4-管状制品管状制品 5-密封塞密封塞 定型定型 l冷却冷却 冷却水槽和喷林水箱冷却水槽和喷林水箱 l牵引牵引 常用滚轮和履带两种，且有较大的夹持常用滚轮和履带两种，且有较大的夹持

25、 力力 l 管材挤出成型的步骤管材挤出成型的步骤 准备管坯挤出冷却定径牵伸切割 l挤出前的准备工作挤出前的准备工作： 根据管材要求，选择适当机头（口模）， 并将其安装好。包括分流器、芯模、口模、 过滤板、网等。 初步调整口模初步调整口模、芯模同心，并使机头、冷却定径、 牵引、切割等装置一致。 将应加热的部件将应加热的部件加热，开通料斗底部冷却水。 当达到要求的温度时当达到要求的温度时，乘热将各部分拧紧，以 防漏料。 检查各部分运动是否正常、漏流、堵塞等。 5. 管坯挤出管坯挤出： 操作要点操作要点： 慢速开车慢速开车，空转，听有否异常声，电流表是否超荷。 如一切正常如一切正常，可少量加料，待管

26、坯挤出后，方可正常加 料，将速度调至正常（3040转/分钟，有增大的趋势）。 若管材有弯曲若管材有弯曲、厚薄不均等缺陷时，应调整。 厚处降温，紧螺栓；反则反之。 6. 工艺条件工艺条件 料筒温度料筒温度与压力分布 (见下图) 5.7.2 吹塑薄膜 吹膜用机头 芯棒式：芯棒式：（侧进料）料流在 芯棒处分为两股，再沿芯棒尖的 斜刀口处汇合，向模口呈薄管挤 出，芯棒中通压缩空气吹胀。 优点是机头内通道间隙小，存 料少，物料不宜过热分解，适于 加工PVC料；只有一条熔接线； 加工方便。 缺点是芯棒尖处易积料；压力 作用到芯棒尖上，易偏中，造成 制品不均匀开裂。 十字形：（中心进料） 优点是压缩比可大到

27、78， 无偏心，缺点是有分流器支 架，存在34条熔接线（可 在支架上方开设缓冲槽改善） 螺旋式：存在渐变的48条螺 纹形流道，物料逐渐由螺旋变为轴 向运动，再自环形间隙挤出膜管。 优点是无熔接线；芯棒不偏心，成 型稳定，厚薄均匀；芯棒粗，不易 变形。缺点是加工复杂 旋转式： 芯棒和口模各自能单独旋转 优点是使厚度不均匀性被平均 分配到整个圆周上，卷取平整； 消除了熔接线 缺点是加工、控制复杂 5.7.2 双向拉伸薄膜 生产流程生产流程 挤出-冷却-预热- 纵向拉伸-再冷却-横向 拉伸热处理-切边卷取 挤出后的厚片先急冷，目的是控制结晶度0时时，模内压力为正数，会造成脱模困难。 原因原因：制品冷

28、却收缩，必然对芯模有压力作用，因此脱模时制品易挂 伤，变形。 BPr=0时时，内外压力平衡，脱模顺利，制品质量高。 CPrP螺螺。 。 原因原因：在柱塞式注射机中流动阻力大，压力损 失大。 注射压力与机台规格无关注射压力与机台规格无关。 但一般来说，同一模具，大机台上比小机 台上质量好 A大机容量大大机容量大，受热时间长，塑化充分， 色料分散好。 B大机锁模力大，大机锁模力大，可将注射压力调的较高 而又不飞边。可以压力偏高而获得质量高的制 品。如表面光滑，光泽好，无收缩凹陷，尺寸 准确。 塑料熔体粘度高，摩擦系数大，塑料熔体粘度高，摩擦系数大，Tg高，高， 注射压力应高注射压力应高。 PC（1

29、00140MPa），聚砜、聚苯醚 （140-170MPa), 高精度制品（230-250 MPa） 但也应根据其流变性能的不同而采取不同 措施。 如如ABS，高，但它不象PC，对温度敏感， 则应采取较高注射压力。 PP、PE等等一旦达到Tm，粘度适宜，应取 低压。35-55 MPa。 成型大制品成型大制品，形状复杂、薄壁长流程、带嵌件制 品，注射压力应高。 原因原因：冷却快，料流方向变化大，流道截面小， 流动阻力大，压力损失大。 加填料和增强材料时加填料和增强材料时，压力应高。 加增塑剂和润滑剂时加增塑剂和润滑剂时，压力应低。 料温和模温高时料温和模温高时，注射压力应低。 3注射压力对性能的影

30、响注射压力对性能的影响： 注射压力提高注射压力提高 塑料流动性、充模速度、 熔结强度、密度提高，取向度、 结晶度等也有提高。 注射压力过高时注射压力过高时 冷凝快，残余压力增加，冷凝快，残余压力增加， 强度下降，脱模难，光洁度下降， 内应力增加，飞边增加，机器磨 损大。 注射压力对塑料某些成型性能的影响注射压力对塑料某些成型性能的影响 （三）保压压力（三）保压压力：保压期间，柱塞或螺杆前端的熔体所受 到的压力，一般比注射压力低0.6-0.8MPa,或不变。 1作用作用：（1）压实；（2）紧密贴模；（3）防止 倒流；（4）热料补缩。 2对结构与性能的影响对结构与性能的影响： 提高保压压力提高保压

31、压力，压实补缩作用大，尺寸稳定性好， 收缩率小，取向度高，结晶度增大，强度高，断裂伸长率增加。 保压压力太高时保压压力太高时，脱模困难，内应力增大，制品变 形、翘曲并开（龟）裂，产生冷料亮斑。 降低保压压力降低保压压力，压实补缩作用小，出现缩孔，凹陷， 收缩率增大，取向度下降，结晶度下降，强度下降，尺寸稳定 性差。 3确定保压压力的主要原则：确定保压压力的主要原则： 厚制品保压压力高，薄制品保压压力低。 大制品保压压力高， 塑料压缩率大，保压压力应高。 P保(柱) P保(螺) 三、时间（成型周期）三、时间（成型周期） 充模时间（柱塞或螺杆前移时间） 注射+保压时间 保压时间（柱塞或螺杆停留在前

32、进位置时间） 成型周期 闭模冷却时间： 螺杆旋转后退，即予塑包括在这段时间脱模 其它时间：开模，闭模，涂脱模剂，安装嵌件等。 1 注射注射+保压时间保压时间 （1）注射时间）注射时间 （2）保压时间：（）保压时间：（20120秒）秒） . 对性能影响对性能影响 缩短保压时间，凝封压力低，制品易出现凹陷、 气泡、收缩，尺寸稳定性差，取向度，内在性能。 延长保压时间，凝封压力，取向度提高，内 在性能和表面性能提高。 保压时间过长，内应力，制品收缩过小而脱 模困难。 保压时间的确定保压时间的确定（制品尺寸、形状，塑料 性能，料温，模温，主流道，浇口等） 厚制品保压时间长，薄制品保压时间短。 料温和模

33、温高，保压时间长。 塑料收缩率高，保压时间长。 主流道、分流道、浇口等截面尺寸大， 保压时间长。 3注射速度和注射速率注射速度和注射速率 注射速度注射速度：注射时，单位时间内柱塞 或螺杆向前移动的距离。 V注=S/t注 （mm/sec） 注射速率注射速率：注射时，单位时间内向模 腔内注射的熔体容量。 Q=Q注/t注 （cm3/sec） 注射速度对成型性能有显著的影响 注射速度对某些成型性能的影响 （4）注射速率与制品质量的关系）注射速率与制品质量的关系 低速注射时低速注射时，熔体以层流形式注入模腔 内，排气顺利，质量均匀，尺寸稳定，波动小。 因剪切速率降低，所以内应力小且分布均匀，有 助于克服

34、凹陷和缩孔。 注射速率太小时注射速率太小时,注射时间延长,先进入模 内的熔体温度,后进入的熔体则受到较大阻力, 因此需要压力高,否则易出现出模不满; 因压力高， 剪切速率大,分子取向,各向异性大,尺寸稳定性差， 而易出现分层和熔结痕,内在性能和表面性能降低。 高速注射时高速注射时,物料在浇注系统、模腔内流速增加。 由于物料受到强烈的剪切作用，T，流程，熔 结强度，光泽，减小了熔结痕和分层现象，收缩凹 陷减小，颜色均匀一致。 充模过快时充模过快时，易出现湍流（射流），将大量空 气带入模内；由于模底先被熔体充满，排气口被堵死， 这种高温、高压气体会使塑料烧伤、分解，制品内应 力增大，表面有裂纹，脱

35、模困难，浇口附近出现云雾 斑纹，透明制品会变得不透明。 慢速注射(a)和高速注射(b)时熔体充模时的两种极端情况示意 （4）注射速度（注射速率）对某些成型性能的）注射速度（注射速率）对某些成型性能的 影响影响 注射速度，熔体流动长度，充模压力，熔 结强度。 注射速度，表面质量，内应力。 （5）注射速度的确定原则：）注射速度的确定原则： 熔体粘度高，Tg高的塑料，注射速度应高。 薄壁长流程制品，注射速度应高。 流道长，浇口小，制品形状复杂，高速高压注 射。 第五节第五节 注射制品主要缺陷及解决措施注射制品主要缺陷及解决措施 5.1 5.1 表面凹陷和内部缩孔表面凹陷和内部缩孔 5.2 5.2 制

36、品充模不足和飞边制品充模不足和飞边 5.3 5.3 翘曲变形翘曲变形 5.1 5.1 表面凹陷和内部缩孔：表面凹陷和内部缩孔： 1 1形成原因形成原因 由于熔体冷却，密度，体积收缩， 如相应的收缩部分没有熔体充填，即形成凹 陷或缩孔。 缩孔缩孔：如表面冷却凝固变硬，内 部还在继续冷却收缩，则冷却收缩的拉应力 使内层半熔态物料向表层靠近而形成泡形空 间。 凹陷凹陷：冷却收缩的拉应力使尚未 硬固的表层凹陷。 2主要（原因）克服措施主要（原因）克服措施 （1）设备和模具：）设备和模具： 模具：模具： 壁厚均匀，冷却均匀。 浇注系统设计要合理（浇口大小、数量） 。 排气顺利。 设备设备： 喷嘴孔径大小

37、要合适（不能太大太小） 。 锁模要可靠。 料筒与柱塞或螺杆磨损严重应更换（漏流，充模压 力，料量） 。 （2）工艺条件：）工艺条件： 提高注射+保压压力。 延长注射+保压时间。 提高料温（有利于充模、补缩）；降低料温 （收缩率减小）。 提高模温（有利于缩孔、补缩）；降低模温， （凹陷），加速表层固化定型。 降低注射速度。（注射速度） 增大加料量（可以发挥保压作用）；减少加 料量，（使注射压力不至于过分消耗）。 5.25.2 射胶不足和飞边及解决方案 1射胶不足及解决方案射胶不足及解决方案 （1）调节适当的料量（缺料，料多）。 （2）工艺条件： 提高注射压力。 提高注射速度。 延长注射+保压时间

38、 提高料温和模温。 （3）提高物料流动性。 （4）模具设计： 筒化模具结构（太复杂，转折多）。 合理确定浇口数目和形式。 加大制品厚度；排气要顺利。 。 2飞边及解决方案：飞边及解决方案： （1）适当减少料量。）适当减少料量。 （2）工艺条件）工艺条件： 降低注射压力和注射速度。 缩短注射+保压时间。 降低料温和模温。 （3）降低物料流动性。）降低物料流动性。 （4）模具与设备：）模具与设备： 提高模具分型面精度。 模具设计和入料配置要合理，排气顺 利，芯模位置不偏。 适当加大锁模力。 5.35.3 、翘曲变形及解决方案、翘曲变形及解决方案 1模具模具 使制品厚度、质量分布均匀。 使冷却均匀。

39、 使充模顺利。 扁平制品应设多个浇口。 2工艺：工艺： 料温适当提高（强行充模，分子取向） 。 料温应适当降低。（出模后温度高，受外力或自由冷却作用而变形） 调整好适当模温。（浇口对面T应低，偏远处，薄壁处T应高）减小 偏差，减小变形。 不过量充模下，注射压力，注射时间。 有些制品要进行后（热）处理。 第六节第六节 热固性塑料的注射模塑和传递模塑热固性塑料的注射模塑和传递模塑 热固性塑料的传统成型方法是压缩模 塑，但是它有如下几个缺点：不能加工 结构复杂、壁厚变化的制品；不宜加工 带嵌件的制品；制品的尺寸精度差；成 型周期长，为了克服以上缺点， 热固性 塑料的注射成型注射成型和传递模塑传递模塑

40、方法出现了. 6.1 热固性塑料注射模塑 1特点：特点： 成型时必须严格控制温度成型时必须严格控制温度。 恒温水控温，温差1C。 温度低，流动性很差；温度高，发生 硬化（交联），流动性降低。 模内有交联反应，析出小分子，设备应能 满足排气操作要求。 料筒内不能停留时间过长，否则易硬化。 注射压力和锁模力比热塑性塑料大。 2对原料的要求对原料的要求： 流动性要高。 在8095 ，保持流动状态大于10分钟。 在7580 ，保持流动状态大于1小时。 3注射机的特征：注射机的特征： 长径比1420；（偏大些好） 压缩比较小：0.81.4,否则易在料筒内硬化。 螺槽较深。原因：剪切作用 ，摩擦热 ，防止

41、 过早硬化。 螺杆头部为锥形（减少剩料） 。 螺杆中心应有通水冷却孔。 要小，减少漏流。 螺杆光洁度要高（大于10） 。 直通式喷嘴，孔口直径较小（便于清理） 。 模具要能加热，淬火后的硬度能达到RC50以上。 4成型工艺成型工艺： 温度控制是关键。 酚醛塑料：3070；7595 ；喷嘴 85100 ；通过喷嘴100130 。 螺杆转速和背压要小，n50转/分 背压，硬化，不利于充模。 模温很重要模温很重要 模温低时，硬化时间长，效率，物理机械性能 。 模温高时，硬化快，情况与（ ）相反。 但也不能太高，否则硬化太快，小分子不易排 出，制品疏松，起泡，颜色发暗。 动模比静模高1015C。 酚醛

42、：177199；环氧树脂，177188。 聚酯（填料）177185；三聚氰胺154174； 脲醛：146154。 注射压力：100170MPa。 注射速度： 注射速度快，硬化时间 ，效率 。 注射速度过快，卷入空气，气孔，质量。 一般注射时间2-10秒，保压时间5-20秒，硬化 时间15-100秒。 成型周期45-120秒。 5主要优点：主要优点： 成型周期短，生产过程简化，效率提高10- 20倍。 制品后加工少，劳动条件改善。 自动化程度高。 质量稳定，可大批生产。 6.2 传递模塑传递模塑 定义:将预热过的热固性塑料锭放在 加热室内加热，然后在压力下使其通过浇口、 分流道等而进入加热的闭合

43、模内，经硬化后 脱模即得制品。 主要方法主要方法： 活板式 罐式 柱塞式 优点：优点： 制品废料少，减少后加工量。 能模塑带有精细或易碎嵌件和穿孔制品，能保持嵌件与孔 眼位置正确。 性能均匀，尺寸准确，质量。 塑模磨损小。 缺点缺点： 塑模成本比压制模高。 塑料损耗增多。 压制纤维状填料时，各向异性大。 嵌件周围而熔接不牢而强度降低。 一般温度偏低，压力要求较高，1380MPa。 第七节第七节 反应注射成型反应注射成型 将两种高化学活性的低分子量 的 液 体 原 料 ， 在 高 压 （ 1 4 20MPa）下撞击混合，然后注入 密闭的模具内，通过聚合、交联、 固化等化学反应并形成制品的一个 过

44、程。 3.反应注射成型的设备 对设备要求：精确控制各组分的流量和配比； 能够快速加热或冷却；两组分能够在混合头内 得到充分混合，并在注入模腔后具有自动清理 功能；保证两组分同时进入模腔，不允许某一 成分超前或滞后；保证料流以层流的方式流动； 注入后要保证较快的固化速率。 工作原理：通过两组分的比例控制，使之均匀 混合及注入模腔。 设备的主要组成：储料系统、液压系统和混合 系统 1.特点 原料黏度低、流动性好、易于输送、混合均匀、 原料配方灵活、充模压力低仅为常规注射成型的 1/5或1/10。调整组分比可得到不同性能的制品； 反应速度快、生产周期短；需要模具及夹具数量少， 设备投资少，适宜生产大

45、型及形状复杂的制品。 2.工艺流程 组分A 组分B 混合碰撞注射充模聚合交联固化后处理制品 高压机械能 放热 吸热 3.工艺控制要点 为了防止在成型前发生化学反应，两种原料应 独立贮存； 撞击混合的质量和与雷诺数（Re）密切相关， 当Re200,液体黏度为1Pas以下时，可使高反 应体系达到混合要求； 要实现高速充模，熔体黏度不能太高也不能太低； 第七节第七节 其它注射成型其它注射成型 7.1 排气式注射成型排气式注射成型 7.2 结构发泡注射成型结构发泡注射成型 7.3 流动注射成型流动注射成型 7.4无分流道赘物注射成型无分流道赘物注射成型 7.5 共注射成型共注射成型 7.6 气（水）体

46、辅助注射成型气（水）体辅助注射成型 7.7 动态保压注射成型动态保压注射成型 7.1 排气式注射成型排气式注射成型 为解决吸湿性材料注射成型过程可能导致的质量 问题，在常规注射机上的机筒上增设排气孔和真空装 置，这样排气注射机就形成了。它有如下特点：机 筒中部开设有排气孔，并与真空系统相连；由于注 射机的螺杆不仅要转动而且要轴向运动，因此它的排 气段的长度要比挤出机里的排气段要长。 7.2 结构发泡注射成型结构发泡注射成型 结构发泡材料是指密度在1060kg/m3之间的发泡 材料。结构发泡注塑制品的表面呈封闭致密的表层，而 芯层呈微孔泡沫结构，例如和馒头结构非常相似。适于 结构发泡注射的材料很

47、多，如PP、PE、PA、PC等，其 发泡方式多采用化学发泡，即使用化学发泡剂。其成型 过程如下：发泡剂和热塑性塑料一起在料筒内塑化混合， 在温度和剪切的作用下，发泡剂分解并释放出的气体渗透 到塑料熔体中，并建立较高的熔体压力。注射时发泡剂 释放的气体在型腔里使熔体迅速膨胀，并把物料迅速充 满型腔，经固化定型而形成制品； 发泡注射成型又有新的进展，如微孔发泡注射成型。 微孔注塑是一种近几年才成功诞生的高新技术，其注射压力可比传统 注塑的降低48%, 锁模力降低高达80%，并可缩短成型周期。微孔注塑制件 具有优良的冲击性能和绝热性能、高的强度/质量比和尺寸精度以及低的翘 曲等。目前，微孔注塑尚存在

48、着很多难题需要解决，相关的关键技术都被微孔注塑尚存在着很多难题需要解决，相关的关键技术都被 国外公司专利保护或严格保密国外公司专利保护或严格保密。 经过几年的技术攻 关，国内也研制成功超 临界流体辅助微孔注塑 成套设备。其创新性创新性在 于把超临界流体计量和 输送装置与混炼型自锁 式喷嘴组件相结合，使 超临界流体均匀地注入 聚合物熔体。 注射速度： 35% 55% 芯部 整体 注射速度的提高使熔体注射速度的提高使熔体 经过喷嘴时的压力降和经过喷嘴时的压力降和 压力降速率得到了提高，压力降速率得到了提高， 增加了熔体的成核速率，增加了熔体的成核速率， 最终提高了制品的泡孔最终提高了制品的泡孔 密

49、度，降低了泡孔直径。密度，降低了泡孔直径。 7.3 流动注射成型流动注射成型 一般而言，制品的质量不能超过注射机的最大注射量， 为了保证塑化均匀和制品的质量，减少流道赘物的质量， 而出现了把挤出和注射相结合的一种注射方法即流动注 射成型，其原理是螺杆的快速转动把物料挤入型腔， 充模结束后螺杆停止转动，依靠轴向压力使熔体在适当 的压力下保持一段时间。其特点是塑化的物料不是储存 在料筒内，而是不断挤入型腔中；由于物料在料筒内停 留时间短，适宜加工热敏性塑料；流动速率小，制品的 内应力小 7.4 无分流道赘物注射成型无分流道赘物注射成型 常规注射成型的流道和分流道在制品顶出后会有流道赘物 出现，浪费

50、塑化能量和生产成本。保持流道内物料一直处于熔 融状态是解决此类问题的一个有效办法，即热流道（热塑性） 技术。其方法主要有三： 热流道模具，主要使流道封闭加热，使熔体一直处于流 动状态； 绝热热流道模具，流道采用绝热材料，主要依靠熔体自 身的热量来保持流道内物料处于熔融状态； 带加热探针的绝热流道，其原理和热流道同。 7.5 共注射成型共注射成型 是指用两个或两个以上注射单元的注射机，将不同品 种或不同颜色的物料同时或先后注入到型腔中的一种成型 方法。此方法可以生产多种色彩或材料复合的制品，也是 聚合物回收聚合物回收的一个重要方法的一个重要方法。 节省原料节省原料 减小合模力减小合模力 缩短冷却

51、时间缩短冷却时间 防止制品缩痕防止制品缩痕 减少制品内应力减少制品内应力 减少或消除制品翘曲减少或消除制品翘曲 提高制品表面性能提高制品表面性能 提高生产效率提高生产效率 降低生产成本降低生产成本 7.6 气（水）辅助注射成型技术气（水）辅助注射成型技术 活动型芯法 熔体回流法 水辅助注塑技术水辅助注塑技术（Water Assisted Injection Molding 简称简称WAIM）是一种新型的中空成型方法，是一种新型的中空成型方法， 是在是在GAIM的基础上发展起来的的基础上发展起来的, WAIM与与GAIM的的 原理基本相似。原理基本相似。 WAIM技术除了可以减少或消除翘曲、避免

52、技术除了可以减少或消除翘曲、避免 凹痕、节省原料、降低制品内应力、减小锁模力外，凹痕、节省原料、降低制品内应力、减小锁模力外， 可以生产壁厚更薄、更均匀，内表面较光滑的制件可以生产壁厚更薄、更均匀，内表面较光滑的制件 （GAIM很难达到）。很难达到）。 R. Protte, et al. SPE ANTEC Proc., 2003, 404 对于管状制品的初步研究表明对于管状制品的初步研究表明, 采用采用WAIM可得到较薄可得到较薄 的壁厚。这是由于在水前锋的熔体冷却后，黏度增加的壁厚。这是由于在水前锋的熔体冷却后，黏度增加, 形成一形成一 种高黏度的膜；与种高黏度的膜；与GAIM比较比较,

53、膜的位移势能较大膜的位移势能较大, 可使较多可使较多 的材料沿流动方向移动的材料沿流动方向移动, 而较少被推向侧面。而较少被推向侧面。 WAIM GAIM 水辅助注塑的各种汽车配件水辅助注塑的各种汽车配件汽车冷却导管汽车冷却导管 ? 水辅助注射 成型和气体 辅助注射成 型介质具有 不同的物理 性质 对充模过程中物 理场产生影响 对形态结构（凝 聚态和相形态结 构）产生影响 注注 水水 压压 力力 3MPa 外壁外壁 12MPa 内壁内壁 外壁外壁 内壁内壁 注注 水水 压压 力力 3MPa 12MPa The schematic representation of dynamic packin

54、g injection molding: (1) nozzle, (2) sprue, (3) piston, (4) runner, (5) connector, (6) sample. 对聚合物熔体施加周期性的剪切 应力或者拉伸应力，使聚合物分子链 高度取向，最终达到聚合物制品性能 提高的目的。其装置有Bevis等开发的 剪切控制取向注塑成型(SCORIM)和剪 切控制取向挤出成型(SCOREX)、申开 智等研制的动态保压注塑成型(OPIM) 、 华南理工大学瞿金平教授研制的振动 挤出等。该技术已应用于制备高性能 的聚烯烃材料以及生物可降解材料， 例如，制备的高密度聚乙烯（HDPE） 试样

55、的拉伸弹性模量和拉伸强度分别 从原来的1GPa、23MPa提高到5GPa、 93MPa；成型的聚丙烯（PP）拉伸弹 性模量和拉伸强度由1.4 GPa、32MPa 提高到3.0GPa和57.8MPa。进一步研究 表明，自增强的原因在于在应力场作 用下聚合物普遍形成了串晶互锁结构， 这种结构有利于聚合物力学性能的提 高。 动态保压注射成型 400m 800m 1200m 50m Dynamic Injection molded bar of HDPE 常见聚烯烃的CIM和DPIM制品拉伸行为 HDPE 的CIM和DPIM制品拉伸曲线 第七章 中空成型 7.1 概述概述 7.2 中空吹塑装备中空吹塑

56、装备 7.3 挤出吹塑工艺过程及控制因素挤出吹塑工艺过程及控制因素 7.4 注射吹塑注射吹塑 7.5 拉伸吹塑拉伸吹塑 7.6 多层吹塑多层吹塑 7.7 大型中空吹塑大型中空吹塑 中空吹塑产品 7.1 概述概述 成型过程：成型过程： 中空吹塑是将挤出或注射成型所得的管坯置于模具中，在管坯中通入 压缩空气将其吹胀，使之紧贴于模腔壁上，再经冷却脱模得到中空制品的 成型方法。它主要借鉴历史悠久的玻璃容器的吹制工艺。 分类分类： 根据管坯成型方法不同分类： 挤出吹塑：生产方法简单，产量高，精度低，应用较多 注射吹塑：精度高，质量好，价高，适于大批量生产 根据成型工艺不同分类： 普通吹塑 拉伸吹塑：产品

57、经拉伸，强度高，气密性好 挤出拉伸吹塑(简称挤拉吹) 注射拉伸吹塑(简称注拉吹) 根据管坯层数不同分类： 单层吹塑 多层吹塑：综合性能好，生产复杂，适于包装要求高的产品 包装。 应用：应用： 吹塑成型方法可生产瓶、壶、桶等各种包装容器，包括办公用品、 文化娱乐用品、汽车工业用零件、日常用品和儿童玩具等。 用于中空吹塑的塑料品种有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、线形聚 酯、聚碳酸酯、聚酰胺、醋酸纤维素和聚缩醛树脂等。 其中高密度聚乙烯的消耗量占首位。它广泛应用于食品、化工和处理液体的 包装。高分子量聚乙烯适用于制造大型燃料罐和桶等。 聚氯乙烯因为有较好的透明度和气密性，所以在化妆品和洗涤剂的

58、包装方面 得到普遍应用。随着无毒聚氯乙烯树脂和助剂的开发，以及拉伸吹塑技术的 发展，聚氯乙烯容器在食品包装方面的用量迅速增加，并且已经开始用于啤 酒和其它含有二氧化碳气体饮料的包装。 线形聚酯材料是近几年进入中空吹塑领域的新型材料。由于其制品具有光泽 的外观、优良的透明性、较高的力学强度和容器内物品保存性较好，废弃物 焚烧处理时不污染环境等方面的优点，所以在包装瓶方面发展很快，尤其在 耐压塑料食品容器方面的使用最为广泛。 聚丙烯由于其气密性、耐冲击强度差早期应用不广，因树脂的改性和加工技 术的进步，如双轴拉伸吹塑工艺出现后，使用量也逐年增加。 中空吹塑所使用的材料：中空吹塑所使用的材料： 产品

59、特点举例 7.2 7.2 中空吹塑设备中空吹塑设备 型坯挤出有连续和间歇（断）两种，前者是连续挤出预定长度的型坯，被 移动的模具接纳，并在机头处切断，送至吹塑工位，后者是指挤出预定长度的 型坯后，挤出机停止转动和出料，待型坯吹胀定型后再启动挤出机开始下一个 操作。 吹塑挤出机：吹塑挤出机： 具有连续调速的驱动装置，保证在稳定的速率下挤出型坯 适宜的螺杆长径比，保证物料塑化良好、温度均匀 保证型坯能在较低温度下挤出，以避免重力下垂所导致的壁厚不均匀 机头包括多孔板、滤网连接管与型芯组件等， 对机头的要求是：流道呈流线型，表面具有较高 的光洁度，无阻滞部位，以防止流动不畅而产生 分解老化。 吹塑机

60、头一般分为如下几种： 转角机头 直通式机头 带储料缸式机头(主要生产大型吹塑制品) 机头和口模机头和口模： 型坯进入模具型腔后，吹胀装置将管状型坯吹胀成型腔所具有的 精确形状，进而冷却、定型、脱模并取出制品，吹胀系统包括吹气机 构、模具及其冷却系统、排气系统等部分。 吹气机构吹气机构 针吹法 优点：适于不切断型坯连续生产的小型吹塑成型制品 缺点：制品需要修饰加工 顶吹法 优点：直接利用型芯作为吹气芯轴经芯轴进入型坯，简化了吹气机构 缺点：制品需要修饰加工，不能确定内径和长度，气体从机头经过影响机头温度 控制 底吹法 优点：制备大型容器、开口多或具有异形的容器 缺点：吹气位置在温度较低的底部，容