塑料成型理论基础

1、塑料成型理論基礎 府曉明經理手稿 2001年5月29日 第一節 塑料的粘彈性一.塑料的基本力學模型 塑料在加工過程中一般要經歷玻璃態、高彈態和粘流態.在玻璃態下塑料與其它剛性材料類似,力與應變的關系符合虎克定律,在高彈態下則比角復雜.次時塑料既表現出固體的性質(彈性),又表現出流體的性質(粘性),我們將這種彈性與粘性的綜合稱為塑料的粘彈性. 用於描述塑料在高彈態下粘彈性的最基本的力學模型如圖1所示. (A) (B) (C) (D) 圖1 四種基本力學模型(A)彈性模型 (B) 粘性模型 (C)麥克斯威爾模型(D)沃伊特-開爾文模型 1,彈性模型 符合虎克定律的彈性固體可用一個理想彈簧表示. 2

2、,粘性模型 符合牛頓粘性定律的牛頓型流體可用盛有粘性牛頓流體的粘壺來表示.粘壺可視為一個圓柱缸體,活塞受力後在缸內推要動流體爾移動. 3,麥克斯威爾模型 該模型由一個理想彈簧和一個粘壺串聯而成.彈簧受力後產生瞬時彈性變形,並以等應力傳遞給粘壺.粘壺中活塞將按均勻速度移動,此時表現為牛頓型流體的黏性流動.若將這種穩定流動或變形驟然制止,由於粘壺的粘性作用,彈簧受到的拉力不能立即消除,而是逐漸減小,這就是類似粘彈體的應力鬆弛過程,故該模型又稱為鬆弛模型.在該模型中粘壺產生了不可恢復的黏性流動. 4,沃伊特-開爾文模型 該模型由彈簧和粘壺並聯而成.由於彈簧與粘壺並聯在一起,受力後彈簧不會立即被拉開.

3、此時該模型就象一塊堅硬的物體,隻能在應力作用下徐徐發生變形.當解除應力後彈簧與粘壺又慢慢回復原狀,不會產生剩余形變. 沃伊特-開爾文模型所描述的變形接近彈性體,當解除應力後變形能夠復原,但是並不象彈性體那樣馬上復原,而是需要一段時間.麥克斯威爾模型則接近於流體,其粘滯流動是不可逆轉的.如果將這兩個力學模型結合起來,便較好地描述線型聚合物在高彈態下的粘彈性質.二,粘彈性模型 粘彈性模型是將麥克斯威爾模型與沃伊特-開爾文模型串聯起來分析的. 粘彈性模型的受力圖如圖2所示. 圖2 粘彈性模型 在時間T1以前,G1,U1,G2,U2均處於原始狀態.到時間T2時聚合物的分子鏈尤如彈簧一樣,產生瞬時彈性形

4、變(t/G1).若受力時間很短,聚合物僅產生瞬時彈性形變,並不影響塑料制品的應用性.但若繼續施加應力t,將使粘壺U1移動,即聚合物的分子鏈產生粘性流動位移(t/U1)T.應力作用時間越長,粘性形變越大,並且粘壺U1也隨之移動.然而粘壺U2是與彈簧G2並聯的,當應力解除後,在彈簧G2的彈性作用下粘壺U2最終將回復到其原始位置.T2時刻為應力即將解除前材料的最大形變.在應力解除後的T3時刻,彈簧G1的彈性形變立即恢復,而粘壺U1和彈簧G2,粘壺U2仍保持形變和位移.在T3-T4時刻,彈簧G2回縮,但其運動被粘壺U2所推遲,G2的應變(t/G2)將在T4時刻恢復.材料的最終總應變將僅是粘壺U1的粘滯

5、流動. 描述上述粘彈性模型的數學表達式為:式中,等號右邊的第一項為材料的彈性形變,第二項是基於麥克斯威爾模型的粘性流動,第三項是基於沃伊特-開爾文模型的延遲彈性.該式不僅反映了彈性材料對時間的依賴性,同時可以定性地分析溫度對聚合物力學性能的影響. 低溫時,由於黏度U1,U2很高,式中等號右邊第二項,第三項均很小,材料表現為銷變模量為G1的理想彈性體.但是,低溫時若在低於彈性極限連續,長期地施加應力,材料會發生糯變,這主要是式中第二項粘流效應所表現出的對時間的依賴性.式中第三項所表示的流動是可恢復的.這種可恢復的延遲流動與總形變相比是很小的一部分. 高溫時,U1和U2都很低,式中等號右邊第一項,

6、第三項與第二項相比顯得很小,材料處於粘流態,總形變主要表現為黏度U1的流動. 應該指出的是,上述粘彈性模型隻是一個理想的模型.聚合物在粘流態時一般具有非牛頓性而不是牛頓性,彈性響應為非虎克性而不是虎克性,蠕變曲線也不隻依賴時間這一個因素.但是,該模型能幫助我們定性地理解塑料在加工過程中的力學行為,指導我們合理地制定和控制塑料的成型工藝條件. 第二節 塑料的流變性 研究物質形變與流動的科學稱為流變學.流動與形變是塑料成型加工中最基本的工藝特征.聚合物的流變行為十分復雜,黏性流動不僅具有彈性效應,而且伴隨有熱效應. 聚合物流體既可以是處於粘流溫度Tf或Tm以上的熔體,也可以是在不高溫度下仍保持流動

7、狀態的溶液.本節僅討論熔體的流變行為. 一,牛頓型流體 塑料熔體在加工過程中的流動基本上屬於層流.我們可以將層流流動看成是一層層彼此相鄰且平行的薄層流體沿外力作用方向進行的相對滑移.圖3為流體在圓管中層流滑移的示意圖. 圖3 層流滑移的示意圖 牛頓在研究低分子流體時發現切應力與剪切速率之間存在著如下關系: =(dv/dr)=d/dt=µ 式2 式2說明,液層單位表面上所施加的切應力t與液層間的速度梯度dv/dr成正比,此即著名的牛頓黏性定律.u為比例系數,稱為牛頓黏度.它是流體本身固有的性質,其數值表征了流體抵抗外力引起流動形變的能力.不同流體的u值不同,它與流體的分子結構及流體溫度

8、等密切相關. 凡符合式2的流體稱為牛頓型流體.牛頓型流體的應變具有不可逆性,應力解除後形變將永遠保持下去,這是純粘性流動的特點. 實踐証明,真正屬於牛頓型流體的是氣體,低分子化合物的液體.在塑料熔體中,除聚碳酸脂(PC)等少數幾種和牛頓型流體相近外,絕大多數隻是在切應力很小或很大時才表現為牛頓型流體,塑料熔體在通過模具的澆注系統和注入系統時,其所受到的切應力並非很大或很小,故它們表現出的流動行為與牛頓流體不符.凡與式2不符的流體皆稱為非牛頓型流體. 二,非牛頓型流體 非牛頓型流體包括黏性流體,粘彈性流體和時間依賴性流體.在常用塑料中,隻有少數聚合物的溶液呈時間依賴性,故暫不作討論.目前對黏性流

9、動中的彈性行為的認識尚未十分清楚,所以通常將非牛頓型流體都簡化為黏性流體處理,必要時才進行某種修正.黏性流體的特征是在受力流動時,其剪切速率隻依賴於切應力的大小,而與切應力的作用時間無關. 黏性流體又分為賓哈流體,膨脹性流體和假塑性流體.這幾種流體的流動曲線如圖4所示. 圖4 幾種流體的流動曲線 從圖4中可以看出,賓哈流體隻有當切應力增加到某一臨界值時才開始流動,流動特征類似於牛頓型流體,切應力與剪切速率呈線性關系,屬於這種類型的如具有凝膠結構的聚合物溶液. 膨脹性流體的特點是在高速作用下,流體體積產生膨脹.切應力隨著剪切速率的提高有非線性增大的趨勢.如圖5所示, 膨脹性流體的粘度隨剪切速率的

10、增加而升高(稱為切力增稠現象).膨脹性流體一般較少,屬於膨脹性流體的如含有增塑劑的塑料糊,少數有填料的聚合物熔體等. 圖5 幾種流體的黏度與剪切速率的關系 假塑性流體是非牛頓型流體中最普通,最常見的一種.幾乎絕大多數聚合物熔體與溶液,其流動行為都接近於假塑性流體.從圖4中可以看到,切應力與剪切速率曲線在彎曲的起始階段有類似塑性流動的行為,故稱這類液體為假塑性流體.從圖4中可以看到,假塑性流體的黏度與剪切速率曲線偏離牛頓型流體曲線向下彎曲,黏度隨剪切速率的增大而降低(稱為切應力變稀現象). 在描述假塑性流體的經驗方程中,指數方程能較好地反映黏性流體的流變性質.該經驗方程認為,定溫下,在某段剪切速

11、率的范圍內,黏性流體所受的切應力與剪切速率具有指數函數的關系.其數學表達式為: =K(dv/dr)n=K(d/dt)n=Kn (n<1) 式中,K與n對於某一種黏性流體而言均為常數,K稱為稠度,K值癒高,流體的黏度癒大.n為非牛頓指數,對於假塑性流體,n<1,n值離整數1癒遠,流體的非牛頓性癒強. 為了便於和牛頓型流體公式相比較,可將式5改寫為 =(Kn-1) 取 =Kn-1 則 =式中, 稱為非牛頓型流體的表觀黏度,對於假塑性流體, 隨著 的提高按指數規律降低.三,影響黏度的因素 黏度是描述塑料熔體流變行為最重要的量度.由前面的討論可知,對於某種牛頓型流體,其牛頓黏度u為一個不變

12、的常量.對於非牛頓型流體來說其表觀黏度 於流體的稠度K,非牛頓指數n以及剪切速率 密切相關,而稠度K和非牛頓指數n又受溫度的影響.此外,壓力,聚合物的結構等也對黏度有著不可忽視的影響.下面分別討論溫度,壓力,剪切速率及聚合物的結構因素對黏度的影響. 1,溫度的影響 研究結果已經証實,在粘流態,熱塑性塑料熔體的黏度隨著溫度升高而呈指數規律降低.但不同熔體的粘度對溫度的敏感程度並不一樣.對於那些表觀黏度對溫度不太敏感的塑料熔體,僅憑增加加工溫度來提高這些熔體的流動性是不恰當的,因為即使溫度增加的幅度很大,其表觀黏度卻降低有限,而且溫度過高會引起熔體降解,導致塑料制品的質量下降. 對於那些表觀黏度對

13、溫度敏感的塑料熔體,隻要不超過分解溫度,提高加工溫度都能增大熔體的流動性. 2,壓力的影響 在外部壓力的作用下(擠壓和注射壓力一般為10-150MPa),塑料熔體因受到壓縮而減小體積.分子間作用力的增加致使黏度也隨之增大.由於塑料熔體的壓縮率不同,故不同熔體的黏度對壓力的敏感性也不相同. 增壓引起黏度增加這一事實說明,單純通過增大壓力來提高塑料熔體的流量是不恰當的.過大的壓力還造成設備功率消耗過大以及設備的過度磨損.在塑料正常的加工溫度范圍內,增加壓力對黏度的影響和降低溫度對黏度的影響有著相似性.這種在生產過程中通過改變壓力或溫度都能獲得相同的黏度變化效應被稱為壓力-溫度的等效性. 3,剪切速

14、率的影響 塑料熔體的一個顯著特征是具有非牛頓性,其表觀黏度隨剪切速率或切應力的增大而減小.不同種類的塑料對剪切速率的敏感性有差別.在塑料加工中,可以通過調整剪切速率(或切應力)來改變熔體的黏度,但隻有黏度對剪切速率敏感的一類塑料才會有較好的效果.對於黏度對剪切速率不敏感的另一類塑料,可調整對其黏度影響更大的其它工藝參數(如溫度)來改變熔體的黏度. 在塑料成型加工中,如果熔體的黏度可以在較寬的剪切速率范圍內選擇,那麼寧可選擇在粘度對剪切速率不太敏感的剪切速率下成型更為合適.因為,在這種情況下剪切速率的波動對熔體的流動性影響不大,就不會造成制品質量的顯著差別. 4,聚合物的結構因素的影響 實驗証明,塑料熔體的黏度隨聚合物相對分子質量的增加而增加,相對分子質量越大,則熔體的非牛頓性越強.實驗還証明,相對分子質