塑料成型理论基础学习教案

1、塑料成型理论塑料成型理论(lln)基础基础第一页，共126页。第1页/共125页第二页，共126页。第2页/共125页第三页，共126页。第3页/共125页第四页，共126页。第4页/共125页第五页，共126页。第5页/共125页第六页，共126页。第6页/共125页第七页，共126页。第7页/共125页第八页，共126页。第8页/共125页第九页，共126页。有关有关非牛顿流体非牛顿流体(lit) 震凝性流体震凝性流体(lit)粘弹性流体粘弹性流体(lit)第9页/共125页第十页，共126页。drdu第10页/共125页第十一页，共126页。tan/第11页/共125页第十二页，共126

2、页。py第12页/共125页第十三页，共126页。第13页/共125页第十四页，共126页。第14页/共125页第十五页，共126页。mdrdv r r r rNoImage)1(nKdrdvKnnnkK1第15页/共125页第十六页，共126页。mmmanakK111或第16页/共125页第十七页，共126页。第17页/共125页第十八页，共126页。第18页/共125页第十九页，共126页。成型成型方法方法剪切速剪切速率率/s1成型成型方法方法剪切速剪切速率率/s1压缩压缩模塑模塑110注射注射模塑模塑103105混炼混炼与压与压延延10102涂层涂层102103挤出挤出 102103浇铸

3、浇铸与蘸与蘸浸浸110第19页/共125页第二十页，共126页。第20页/共125页第二十一页，共126页。) 1( nKn) 1(1nKna第21页/共125页第二十二页，共126页。第22页/共125页第二十三页，共126页。 同一聚合物的熔体或分散体，于不同条件下，常会同一聚合物的熔体或分散体，于不同条件下，常会具有不同类型的流动行为。具有不同类型的流动行为。 如：聚合物熔体在非常低剪切速率下，可表现牛顿如：聚合物熔体在非常低剪切速率下，可表现牛顿流体的流动行为；在较高剪切速率下表现假塑性流体的流体的流动行为；在较高剪切速率下表现假塑性流体的流动行为，在非常高剪切速率下，熔体的流动行为，

4、在非常高剪切速率下，熔体的 a a 随随 的增大而快速增长。而且粘度可增高到使其完全不能流的增大而快速增长。而且粘度可增高到使其完全不能流动，表现为膨胀性流体的流动行为。这是由于聚合物产动，表现为膨胀性流体的流动行为。这是由于聚合物产生降解、交联等化学变化造成的。生降解、交联等化学变化造成的。 ( (热固性聚合物在成型过程热固性聚合物在成型过程(guchng)(guchng)中的粘度中的粘度变化与之有本质的区别，热固性聚合物除对温度有强烈变化与之有本质的区别，热固性聚合物除对温度有强烈的依赖外，也受剪切速率的影响，但还受到交联反应程的依赖外，也受剪切速率的影响，但还受到交联反应程度的影响。度的

5、影响。) )第23页/共125页第二十四页，共126页。第24页/共125页第二十五页，共126页。a62第25页/共125页第二十六页，共126页。第26页/共125页第二十七页，共126页。部弱点在拉伸时会导致熔体的破裂。 (3) 与无关，PMMA、PA、ABS、POM。第27页/共125页第二十八页，共126页。第28页/共125页第二十九页，共126页。第29页/共125页第三十页，共126页。第30页/共125页第三十一页，共126页。聚合物聚合物剪切速率剪切速率/s /s1 1活化能活化能/(kJ/mol)/(kJ/mol)POM(190)10110226.428.5PE(MI2.

6、1,150)10210328.934.3PP(250)10110241.860.1PS(190)10110292.196.3PMMA(190)101102159167PC(250)101102167188第31页/共125页第三十二页，共126页。第32页/共125页第三十三页，共126页。第33页/共125页第三十四页，共126页。聚合物熔体在压力为聚合物熔体在压力为110MPa下成型，其体积压缩量小于下成型，其体积压缩量小于1。注射成型时压力可达注射成型时压力可达100MPa，有，有明显的体积压缩。明显的体积压缩。第34页/共125页第三十五页，共126页。聚合物聚合物密度密度/g/cm/

7、g/cm3 3熔融熔融指数指数在压力在压力172.3172.3和和13.7MPa13.7MPa下粘度比下粘度比聚乙烯聚乙烯0.960.965.05.04.14.1聚乙烯聚乙烯0.920.922.12.15.65.6聚乙烯聚乙烯0.920.920.30.39.79.7聚乙烯聚乙烯0.9450.9450.20.26.86.8聚丙烯聚丙烯0.9070.9077.37.3聚苯乙烯聚苯乙烯100100第35页/共125页第三十六页，共126页。)/(PT第36页/共125页第三十七页，共126页。聚合物聚合物 （/MPa）聚氯乙烯聚氯乙烯0.31聚酰胺聚酰胺66660.32聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲

8、酯0.33聚苯乙烯聚苯乙烯0.40高密度聚乙烯高密度聚乙烯0.42共聚甲醛共聚甲醛0.51低密度聚乙烯低密度聚乙烯0.53硅烷聚合物硅烷聚合物0.67聚丙烯聚丙烯0.86)/(PT 第37页/共125页第三十八页，共126页。53) 1 . 0100(53. 0T第38页/共125页第三十九页，共126页。第39页/共125页第四十页，共126页。第40页/共125页第四十一页，共126页。第41页/共125页第四十二页，共126页。子长链的弯曲和延伸(ynshn)，应力解除后，这种弯曲和延伸(ynshn)部分的恢复需要克服内在的粘滞阻力。所有弹性形变及其恢复，对制品的质量会产生重要影响。)随

9、着熔体所受应力的不同，表现的弹性有剪切弹性和拉伸弹性。第42页/共125页第四十三页，共126页。 物料所受剪切应力，对其发生的剪切弹性形变的比叫做物料所受剪切应力，对其发生的剪切弹性形变的比叫做剪切弹性模量剪切弹性模量G G 表达式：表达式：G=G=/ /R R 它表征了塑料熔体抵抗剪切变形的能力。剪切应力和剪它表征了塑料熔体抵抗剪切变形的能力。剪切应力和剪切模量的关系切模量的关系(gun x)(gun x)如下图。绝大多数聚合物熔体的剪如下图。绝大多数聚合物熔体的剪切模量在定温下都是随剪切应力的增大而上升的，在应力低切模量在定温下都是随剪切应力的增大而上升的，在应力低于于106Pa106P

10、a时剪切弹性模量约为时剪切弹性模量约为103103106Pa106Pa。 第43页/共125页第四十四页，共126页。A尼龙尼龙(nlng)66 （285） B尼龙尼龙(nlng)11（220）C甲醛共聚物的（甲醛共聚物的（200） DLDPE（190）EPMMA （230） F乙丙共聚物（乙丙共聚物（230 ）第44页/共125页第四十五页，共126页。第45页/共125页第四十六页，共126页。性变形，可转变为塑性形变（聚冷等）。一般：中空容器的成型，压力成型，纺丝、纤维成型，薄膜热拉伸，都是在TgTf（m）范围内变形、成型的。 如下图第46页/共125页第四十七页，共126页。第47页/

11、共125页第四十八页，共126页。第48页/共125页第四十九页，共126页。第49页/共125页第五十页，共126页。LPr2假设：聚合物流体（熔体或分散假设：聚合物流体（熔体或分散(fnsn)体）在圆管内作压力流动、层流，体）在圆管内作压力流动、层流，且在等温条件下稳态流动。且在等温条件下稳态流动。第50页/共125页第五十一页，共126页。rdrdv224rRLPvrLPRQ84342RQLPR34RQR第51页/共125页第五十二页，共126页。nKdrdvK nnnnnrrRKLPnnv11121第52页/共125页第五十三页，共126页。第53页/共125页第五十四页，共126页。

12、nnnRKLPnnQ131213 nnnRKLnnPnQ1312113lnln1lnnKdrdvK第54页/共125页第五十五页，共126页。313RQnnWnn41334RQ第55页/共125页第五十六页，共126页。KnnK413第56页/共125页第五十七页，共126页。(2)(2)双转子转矩流变仪双转子转矩流变仪转矩流变仪测定参数为转矩、温度、转矩流变仪测定参数为转矩、温度、转速和时间，经过转换得到剪切应力转速和时间，经过转换得到剪切应力与剪切速率的关系曲线。还可以用此与剪切速率的关系曲线。还可以用此做出转矩温度曲线，测定聚合物的做出转矩温度曲线，测定聚合物的分解、凝胶、熔融、交联、固

13、化等情分解、凝胶、熔融、交联、固化等情况。况。另外，还有落球粘度计和锥板粘度计。另外，还有落球粘度计和锥板粘度计。还可以用熔体流动还可以用熔体流动(lidng)(lidng)速率间速率间接反映熔体的粘度。接反映熔体的粘度。第57页/共125页第五十八页，共126页。第58页/共125页第五十九页，共126页。 我们在推导流量方程时曾假设管壁速度为0,其实只有低分子液体流动时才会UW=0,高分子熔体在高剪切应力下,贴近管壁的一层液体会发生间断的流动,这种现象称为管壁上的滑移。 (其原因:有人提出熔体破坏的粘附滑移理论认为:在较低剪切速率下,熔体液层附着(fzhu)在管壁上,UW=0。但对于假塑性

14、流体,粘度对剪切速率有较大的依赖性,剪切速率增大,下降，管壁附近剪切速率高,其粘度更低,更易流动。)第59页/共125页第六十页，共126页。 伴随流动出现伴随流动出现“分级效应分级效应”,”,即低分子的级分即低分子的级分聚集在管壁附近聚集在管壁附近, ,可能出现熔体沿管壁滑移。滑移可能出现熔体沿管壁滑移。滑移的结果导致能量下降的结果导致能量下降, ,滑移停止。滑移和粘附的交滑移停止。滑移和粘附的交替出现替出现, ,时粘、时滑时粘、时滑, ,结果造成结果造成(zo chn)(zo chn)不稳定不稳定流动。流动。 其结果对挤出过程来说会造成其结果对挤出过程来说会造成(zo chn)(zo ch

15、n)挤挤出物膨胀不均，挤出量不稳定以及几何形状相同的出物膨胀不均，挤出量不稳定以及几何形状相同的仪器测定的同一种样品的流变数据不尽相同的原因。仪器测定的同一种样品的流变数据不尽相同的原因。滑移与聚合物种类、润滑剂和管壁有关。可通过调滑移与聚合物种类、润滑剂和管壁有关。可通过调整工艺、配方和设备参数来减轻这种现象。整工艺、配方和设备参数来减轻这种现象。 第60页/共125页第六十一页，共126页。（1 1）入口效应）入口效应: :聚合物流体在管道聚合物流体在管道(gundo)(gundo)入口端因出现入口端因出现收敛流动，使压力降突然增大的现象称为入口效应。刚入口收敛流动，使压力降突然增大的现象

16、称为入口效应。刚入口段段Le=0.03Le=0.030.05Re0.05ReD D ReRe为雷诺准数，为雷诺准数，D D小管管径。在这段的压力降比计算值大，此小管管径。在这段的压力降比计算值大，此段以后才会出现稳态流动。段以后才会出现稳态流动。 第61页/共125页第六十二页，共126页。第62页/共125页第六十三页，共126页。第63页/共125页第六十四页，共126页。第64页/共125页第六十五页，共126页。第65页/共125页第六十六页，共126页。（4 4）如果截面形状不对称的管道，如平行狭缝管）如果截面形状不对称的管道，如平行狭缝管道，厚度方向的道，厚度方向的B B大于宽度方

17、向的大于宽度方向的B B，且前者是后者的，且前者是后者的平方倍。平方倍。（5 5）粘度大，分子量分布窄，非牛顿性强的流体，）粘度大，分子量分布窄，非牛顿性强的流体，在流动中易储存弹性在流动中易储存弹性(tnxng)(tnxng)，膨胀严重，制品易，膨胀严重，制品易变形，有内应力。变形，有内应力。 改进办法改进办法: :增加管子长度、增加管径、增加管子长度、增加管径、L/DL/D增加，增加，减小入口端的收敛角，减小减小入口端的收敛角，减小B B。适当降低加工应力、增。适当降低加工应力、增加加工温度、给以牵伸力，减小弹性加加工温度、给以牵伸力，减小弹性(tnxng)(tnxng)变形变形的不利因素

18、。的不利因素。第66页/共125页第六十七页，共126页。第67页/共125页第六十八页，共126页。第68页/共125页第六十九页，共126页。第69页/共125页第七十页，共126页。常数Rcrcr第70页/共125页第七十一页，共126页。第71页/共125页第七十二页，共126页。聚合物聚合物TcTc c10-5N/m2c10-5N/m2 c S-1c S-1LDPE1580.571401900.74052100.8841HDPE1903.61000PS1700.8501900.930021011000PP180125020013502401100026011200第72页/共125页

19、第七十三页，共126页。第73页/共125页第七十四页，共126页。口模材料口模材料临界剪切应力临界剪切应力N/cm2实验条件实验条件黄铜黄铜15.5聚合物聚合物LDPEMFR2.0熔体温度熔体温度150口模口模入口角入口角900R=0.5mmL=6.35mmL/D6PA66+炭黑炭黑紫铜紫铜15.5PA6650玻纤玻纤15.0铜镍合金铜镍合金14.0低碳钢低碳钢13.5磷青铜磷青铜12.0铸钢铸钢9.2第74页/共125页第七十五页，共126页。第75页/共125页第七十六页，共126页。量 Q=（1/J） = （1/J）a2 J为热功当量如果熔体的流动是在圆管中，则中心Q为0，管壁最大。借

20、助摩擦使塑料升温是成型中常用的一种方法。如在挤出过程中，聚合物的加热不少来自摩擦热，用摩擦热对某些聚合物加热是比较理想的，它使熔体分解的可能性不大，因为表观粘度随温度的升高而降低。第76页/共125页第七十七页，共126页。第77页/共125页第七十八页，共126页。第78页/共125页第七十九页，共126页。一步冷却时，必然会因为收缩而使外层处于拉伸的状态，而这种状态反过来又会使皮层受到压应力。使制品性能（弯曲强度、拉伸强度）下降(xijing)。而当制品存放一定时间后还会造成应力开裂。第79页/共125页第八十页，共126页。第80页/共125页第八十一页，共126页。时方可结晶；尼龙，分

21、子间存时方可结晶；尼龙，分子间存在在(cnzi)氢键，结晶能力强，氢键，结晶能力强，在在200晶粒还不受破坏。晶粒还不受破坏。第81页/共125页第八十二页，共126页。第82页/共125页第八十三页，共126页。结晶型的，也可以是无定形的，结晶型的，也可以是无定形的，这由加工条件决定，而且聚合物这由加工条件决定，而且聚合物的结晶是不完整的，并非的结晶是不完整的，并非100%。第83页/共125页第八十四页，共126页。第84页/共125页第八十五页，共126页。第85页/共125页第八十六页，共126页。品品(zhpn)力学性能提高，耐力学性能提高，耐热性理想。热性理想。第86页/共125页

22、第八十七页，共126页。度比不拉伸时快度比不拉伸时快1000倍。倍。第87页/共125页第八十八页，共126页。时，因早期形成过多结晶而改时，因早期形成过多结晶而改变熔体变熔体(rn t)流变性质，表流变性质，表现出膨胀性流体的剪切增稠现现出膨胀性流体的剪切增稠现象。象。第88页/共125页第八十九页，共126页。第89页/共125页第九十页，共126页。第90页/共125页第九十一页，共126页。第91页/共125页第九十二页，共126页。第92页/共125页第九十三页，共126页。第93页/共125页第九十四页，共126页。阻挡各种试剂的渗入，所以结阻挡各种试剂的渗入，所以结晶度提高，耐溶

23、剂性提高。晶度提高，耐溶剂性提高。第94页/共125页第九十五页，共126页。第95页/共125页第九十六页，共126页。第96页/共125页第九十七页，共126页。第97页/共125页第九十八页，共126页。热到Tf。否则取向将永远保留在制品中。纤维状填料的定向更大程度上依赖于剪切应力，对于温度的依赖性相对较小。除非特设，一般也应避免。第98页/共125页第九十九页，共126页。 b、拉伸流动中，如拉丝、打包带、拉伸流动中，如拉丝、打包带、定向薄膜等，高聚物在玻璃化温定向薄膜等，高聚物在玻璃化温度与熔点（或软化点）之间受外度与熔点（或软化点）之间受外力拉伸时，大分子链段或微晶等力拉伸时，大分

24、子链段或微晶等沿力的方向取向。沿拉伸方向的沿力的方向取向。沿拉伸方向的拉伸强度和抗蠕变性能得到提高。拉伸强度和抗蠕变性能得到提高。第99页/共125页第一百页，共126页。第100页/共125页第一百零一页，共126页。取向结构分布规律：分子定向从浇口处起顺着料流方向逐渐增加，达到取向结构分布规律：分子定向从浇口处起顺着料流方向逐渐增加，达到(d (d do)do)最大点后逐渐减小，中心区和邻近表面一层定向程度不高，中心区四最大点后逐渐减小，中心区和邻近表面一层定向程度不高，中心区四周定向程度高（根据实际试样用双折射法测量的结果）。周定向程度高（根据实际试样用双折射法测量的结果）。第101页/

25、共125页第一百零二页，共126页。成正比，而成正比，而与压力降成正与压力降成正比，所以分子定向程度也是在比，所以分子定向程度也是在入模处最高，而在料的前锋最入模处最高，而在料的前锋最低。低。第102页/共125页第一百零三页，共126页。第103页/共125页第一百零四页，共126页。第104页/共125页第一百零五页，共126页。第105页/共125页第一百零六页，共126页。制品中如果有定向分子，顺着制品中如果有定向分子，顺着定向方向（直向）的机械强度定向方向（直向）的机械强度总是大于垂直定向方向上（横总是大于垂直定向方向上（横向）的。收缩率也是直向大于向）的。收缩率也是直向大于横向。横向。第106页/共125页第一百零七页，共126页。第107页/共125页第一百零八页，共126页。第108页/共125页第一百零九页，共126页。第109页/共125页第一百一十页，共126页。第110页/共125页第一百一十一页，共126页。第111页/共125页第一百一十二页，共126页。第112页/共125页第一百一十三页，共126页。第113页/共125页第一百一十四页，共126页。聚合物聚合物产品产品形式形式TgTgTmTm拉伸温度拉伸温度热定型温热定型温度度PETPET薄膜薄膜6767（非晶）（非晶）27627678788080180180230230纤维纤维8