模具塑料成型工艺

1、塑料成型工艺C A I课件吉林大学珠海学院机电系第二章塑料成型的理论基础21 概述 22聚合物的流动和流变行为221剪切粘度和非牛顿流动 如所周知的，液体在平直导管内受剪切应力而发生流动的形式有层流和湍流两种。 层流时，液体主体的流动是按许多彼此平行的流层进行的，同一流层之间的各点速度彼 此相同，但各层之间的速度却不一定相等，而且各层之间也无可见的骚扰。如果将流动 速度增大而使其超过一定的临界值，则流动即转为湍流，湍流时，液体点速度的大小和方向都随时间而变化，此时液体内即会出现骚扰。 层流和湍流的区分系以雷诺准数(Re)为准，它是由下式定义的：式中D为导管的直径；V为液体的平均速度：p为液体的

2、密度； 为液体的剪切粘度。对通常液体来说，凡Re21004000时均为层流，过此则为湍流。在成型过程中，聚合物熔体流动时的雷诺准数常小于l0，而聚合物分散体的则常不止此数，但也不会大于2100，所以它们的流动按照上述的说法应该都是层流，事实上亦正如此。但必须指出，在少数情况下容有例外，因为限定这些液体层流的条件不仅有雷诺准数，而且还有弹性雷诺准数(Re)。这将在226节讨论。 描述液体层流的最简单规律是牛顿流动定律。该定律称：当有剪切应力t(一般用达因-秒厘米2。表示)，于定温下，加于两个相距为dr的液体平行层面以相对速度dv移动时(见图2一1)，则剪切应力t与剪切速率dvdr(亦称应变速率，

3、流变速率或速度梯度，其单位为秒-1。dvdr也可表为 )之间即呈下列直线性的关系： 它是物料的一种基 本特性，依赖于物料的分子结构和温度，而不依赖于剪切应力和剪切速率。以。对dvdr所作的图称流动曲线图。凡液体层流时符合式(22)所示关系的通称牛顿液体，其流动曲线都是直线图(见图22)。 在客观事物中，真正属于牛顿液体的只是低分子化合物的液体或溶液。聚合物熔体，除聚碳酸酯和偏二氯乙烯一氯乙烯共聚物等少数几种与牛顿液体相近外，绝大多数都只能在剪切应力很小或很大时表现为牛顿液体。在成型过程中，通常对它们所施的剪切应力却远远不是很小或很大，所以它们表现的流动行为与牛顿液体不合。聚合物分散体在成型过程

4、中的流动行为同样也不是牛顿流动。 凡液体受力流动不服从式(22)规律的，均称为非牛顿液体。但是习惯上仍保持用“粘度”(严格地说应该是非牛顿粘度或表观粘度，通以 表示)一词借以表征该类液体的特征。这里所谓的“粘度”同样是测定该类液体流动时所施加的剪切应力和当时所发生的剪切速率的比值，与牛顿粘度一样，都是剪切粘度。不过非牛顿粘度与牛顿粘度不同，它在定温下是随所加剪切应力的情况而变的。由实践证明，变的情况是多种多样的，如果不考虑聚合物熔体的弹性(这将在以后讨论)，则可将其归为两个系统。 1 粘性系统 这一系统在受力流动时的特性是其剪切速率只依赖于所施剪应力的大小，但按其所表现的剪切应力一剪切速率的关

5、系，又可分为宾哈液体、假塑性液体和膨胀性液体三种。 (1)宾哈液体 这种液体与牛顿液体相同的是它在剪切应力剪切速率关系上也表现为直线，不同的是它的流动只有当剪切应力高至一定程度后才开始(图23)。需要使液体产生流动的最小应力 称为屈服应力。这种液体的流动方程可表为：式中 称为刚度系数，等于流动曲线的斜率。宾哈液体所以有这种行为，原因是液体在静止时内部存有凝胶性结构。这种结构当外加应力超过 时即完全崩溃。在实际中，几乎所有聚合物在其良性溶剂中的浓溶液和凝胶性糊塑料的流动行为，都与这种液体很接近。 (2)假塑性液体 这种液体是非牛顿液体中最为普通的一种，它所表现的流动曲线是非直线的(图23)，但并

6、不存在屈服应力。液体的表观粘度是随剪应力的增加而下降的。大多数聚合物的熔体，也就是塑料成型中处理最多的一类物料，以及所有聚合物在其良性溶剂中的溶液，其流动行为都倾向于这类假塑性液体。图24是在对数坐标上所绘的聚合物熔体流动曲线典型图。A与B是分别在温度T1和T2下所绘的曲线，T1T2。A，B两根曲线均接近于直线(图24中的破折线，是加画的直线，借以与A和B作比较)。从图可以看出：如果将剪切应力或剪切速率的范围缩小，则A和B将更为逼近直线。近似直线在剪应力轴上所跨越的范围约为一个数量级，而在剪切速率轴上则约为一个半到两个数量级。因此可以得知：在任何给定范围内，剪应力和剪切速率的关系可用指数定律来

7、描述，即：式中K与n均为常数(n1)。k常称为流动度或流动常数(注意，k与K的意义是对立的)，顾名思义，k值越小时表明液体越粘稠，也就是越不容易流动。k和式、(24)。中的K的关系为： (1k)n=K (26)m所指的意义和n一样，但须指出：m并不等于n，而是等于ln。 k和K都是温度的函数。从式(26)可以看出：如果因为温度的变化而引起K或 k的变化，则k的变动幅度恒大于K。所以文献上常用k而少用K。 按前述表观粘度的定义知： 表观粘度= = (27)结合式(24)，当知服从指数定律的液体，其 应为： (28)结合式(25)时则为： (29) 几种热塑性塑料的表观粘度与剪切应力的关系见图25

8、。 （3）膨胀性液体 这种浓体的流动曲线也是非直线的（图23)。而且也不存在屈服应力但与假塑性液体不同的是它的表观帖度会随剪应力的增加而上升膨胀性液体的流动行为也可以用式24）或式（25）来描述，只是式（24）中的常数n大于1；式（25）中的常数m则小于1属于这一类型的液体大多敷是固体含量高的悬俘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液体，膨胀性液体所以有这样流动行力多数的解释是；当悬浮液处于静态时。体系中由固体粒子构成的空隙最小，其中液体成分只能免强充满这些空隙当加于这一体系的剪切应力不大时。也就是剪切速率较小时，液体就可以在移动的固体粒子间充当润滑剂，因此表观粘度不很高

9、、但当剪切速率逐渐增高时，固体粒子的紧密堆砌就被摧毁，整个体系就显得有些膨胀此时液体不再能充满所有空隙，润滑作用因而受到限制，表观钻度就随着剪切速率的增长而增大。 2有时间依赖性的系统 属于这一系统的液体。其剪切速率不仅与所施剪切应力的大小有关，而且还依赖于应力施加的时间长短。当所施的剪切应力不变时这种液体在恒温下的表观粘度会随着所施应力的持续时间而逐渐上升或下降。上升或下降到一定值后即行停止这意味着系统已达平衡这种变化是可逆的。因为液体中的粒子或分子并设有发生永久性的变化。表观粘度随剪切应力持续时间下降的液体称为摇溶性，（或触变性）液体。与此相反的则称为震凝性液体其中以前一种较为重要。属于摇

10、溶性液体的有些聚合物的溶液。如涂料与油墨等；属千震凝性液体的有某些浆状物，如石膏的水溶液等关于这些液体流动行力的物理机理，可能与假塑性和膨胀性液体极为相似，所不同的只在流动开始后需要一段时间以后达到平衡。由于对这类液体流动的研究还不很够，一时尚不能得出任何定量性的结论。 几种主要成型操作中，塑料所受剪切速率的范围见表21。对给定的塑料来说如果通过实验求得了在这种范围下的粘度数据（即流动曲线图），则对该种塑料在指定成型方法中的操作难易程度就能作出初步判断。譬如在注射模塑时，如果某一塑料（或聚合物）熔体的温度不大于其降解温度而于剪切速率为103秒-1的情况下测得其表观粘度为5005000泊。则在注

11、射中将不会发生困难表观粘度过大时，则塑模的大小与设计就受较大的限制，同时所压制品很易出现缺陷；过小时溢模的现象比较严重，制品质量也有问题 通常所见的熔融塑料的粘度范围为102104泊；分散体的粘的范围约为10泊左右。 由此可见，剪切流动是与拉伸流动有区别的，前者是液体中一个平面在另一个平面上的滑动，而后者则是一个平面两个质点间的距离拉长此外拉伸粘度还随所施拉伸应力是单向、双向等而异这是剪切粘度所没有的。 当所施加拉伸应力不大时，聚合物熔体的拉伸粘度并不随应力的大小而变化如果拉伸应力是单向的，拉伸粘度的值约为剪切粘度的三倍；如果是双向而又是相等的则为六倍拉伸应力增大时，几种热塑性塑料的拉伸应力拉

12、伸粘度的实测数据见图27。从图可以看出，有些塑料的拉伸粘度甚至在拉伸应力高至106牛顿/米2时并无任何变化，但有些却随拉伸应力的增大而出现上升或下降，其原因还不清楚不过对成型中物料所受拉伸应力的分析以及由实验提供的拉伸粘度数据，在成型工艺和设备设计上都富有指导意义，并正在进一步研究它们与塑料成型之间的关系。就以图27所示物料的曲线类型来说，凡在吹塑薄膜或挤压中空容器型坯时，如果用的是拉伸粘度随拉伸应力增大而上升的物料，则很少会使制品或半制品出现应力集中或局部强度变弱的现象。反之，采用拉伸粘度随拉伸应力增大而下降的物料，这种现象就易于发生，甚至破裂。223 温度和压力对粘度的影响 对液体粘度起作

13、用的因素有温度、压力、施加的应力和应变速率等。后两者对粘度的关系已觅前述这里仅讨论前两者对粘度的影响 1温度对剪切粘度的影响 温度与液体剪切粘度(包括表观粘度，下同)的关系可用下式表示： 如果将(2一l 2)应用于剪切粘度对剪应力(或剪切速率)有敏感性的液体时，则该式只有当剪应力(或剪切速率)保持恒定时才是准确的。2 压力对剪切粘度的关系 由于液体的剪切粘度(包括表观粘度，下同)依赖于分子间的作用力，而作用力又与分子间的距离有关，因此当液体受有压力而达到减小分子间的距离时，液体的剪切粘度总是趋于增大。低分子物的液体，其压缩性都很有限，但是属于高分子的聚合物熔体却不然。另外，聚合物熔体的加工压力

14、通常都比较高，例如在注射模塑中，聚合物常须在l 50下受压达3503000公斤厘米2。，因此它们的压缩性是可观的。表2-3举出一些数据以供比较。224 弹性 聚合物熔体不仅具有非牛顿性，而且还具有如面体般的弹性。也就是说当熔体受有应力时，一部分能量消耗于粘性变形(亦称流动，已见前述，这部分变形在应力解除后不能恢复)；而另一部分变形的能量则将会被熔体储存，一旦外界应力移去，就将得到恢复。一个明显的实例就是塑料在挤压时的出模膨胀(见图28)，这种现象对低分子液体来说是没有的。1 剪切弹性 物料所受剪切应力，对其发生的剪切弹性变形下R(亦称可以恢复的剪切变形)的比通称为剪切弹性模量G。 G R (2

15、12) 绝大多致聚合物熔体的剪切模量在定温下都是随着应力的增大而上升的。 几种热塑性塑料的剪切弹性模量和剪切应力的关系见图29。2 拉伸弹性 物料所受拉伸应力，对其发生的拉伸弹性变形R的比通称为拉伸 弹性模量E。 E= R (2一14) 聚合物熔体的E，在单向拉伸应力不大于1兆牛顿米。时等于剪切弹性模量的三倍，拉 伸弹性变形的最高限值约为2。 成型过程中，决定熔体由拉伸应力引起的变形是粘性还是弹性占优势的概念依然是 松弛时间，例如：挂在口模上的乙丙共聚物吹塑型坯，其温度为230。吹胀前经历的时 间为5秒，垂伸的弹性变形速率约为OO 3秒-1。在这种情况下熔体的拉伸粘度约为36千牛 顿秒米2。(

16、见图27)；拉伸弹性模量约为46千牛顿米2，由此所得的松弛时间为8秒。 因此型坯下垂的性质当以弹性为主。 区别熔体中弹性属性(剪切性的还是拉伸性的)的概念仍然是松弛时间。具体的方 法是根据熔体在成型中所经历的过程分别求出剪切和拉伸的松弛时间，在弹性变形中占 优势的将是松弛时间数值较大的一种。根据大量实验结果证明：如果两种应力都不超过 1千牛顿米2。，则两种松弛时间近于相等；应力较大时，拉伸松弛时间总是大于剪切松弛时间，大出的程度每与聚合物的性质有关。 225在简单截面导管内的流动 成型过程中，经常需要使塑料通过导管(包括模具中的通道)，以便对它加热、冷却、加压和(或)成型。通过时的状态可以是液

17、体或固体，但以前者居多。 弄清液状塑料在导管内流动时的流率与压力降的关系，以及沿着导管截面上的流速分布等是很需要的，因为这些对设计模具和设备、了解已有设备的工作性能以及制定工艺规程都有很大的帮助，甚至就是一种根据。 不过就目前情况来说，有关这方面的知识，还不是对任何截面的导管内的流动都可以从理论进行计算，能够计算的等截面导管尚只限以下四种：(1)圆形和狭缝形(即长方形，但其宽与高的比值须等于或大于10)截面的导管；(2)与前列两种有联系的截面的导管(如环隙形导管)；(3)截面的形状是圆形与狭缝形的复合形状；(4)矩形、椭圆形和等边三角形截面的导管。上列四种中的前三种，不管是对牛顿或非牛顿液体都

18、能从理论分析求得其计算公式，而第(4)种还只限于牛顿液体。226流动的缺陷 液状塑料在导管内流动时，常因种种原因而使流动出现不正常的现象或缺陷。这种缺陷，如果发生在成型过程中，则常会使制品的外观质量受到损伤，例如表面出现闷光、麻面、波纹以至裂纹等，有时制品的强度或其他性能也会发生劣变。当然，这些现象都是在工艺条件、制品设计、设备设计或选料等方面不能符合客观要求所造成的。下面将简单地论列其中较为重要的原因。 1 管壁上的滑移 推证像式(2一18)等一类方程式的一个前提是：贴近管壁一层的液体是不流动的(如水和甘油等低分子物在管内流动时，就是这种情况)。但经许多研究证明，塑料熔体在高剪切应力下的流动

19、并不如此，也就是说贴近管壁的一层液体会发生间断的流动，或称滑移。这样，管内的整个流动就成为不稳定的(即在熔体流程特定点上的质点加速度不等于零，或V t0)。显然，这种滑移不仅会影响流率的稳定和按式(218)和(227)等所作的计算结果(比实际的结果小5左右)，同时还说明挤压过程中何以有时会发生挤出物出模膨胀不均以及几何形状相同或相似的仪器所测定的同一种样品的流变数据不尽符合等现象。经实践证明，滑移的程度不仅与聚合物的品种有关，而且还与采用的润滑剂和管壁的性质有关系。 2 端末效应 已如前说，不管是用于哪种截面导管的流动方程式都只能用于稳态流动，但这种流动是不存在于液体由大管或贮槽流入小管后最初

20、一段区域内的(见图2一14所示进口区)。这段管长Le，对聚合物熔体来说，根据实验确定大约等于003005(Re)(D)，Re代表雷诺准数；D代表管径。在这一段管长内的压力降总是比用式(2一18)算出的大，其原因在于。熔体由大管逼近小管时，它必须变形以适应它在新的且有适当压缩性的流道内流动，但是聚合物熔体具有弹性，也就是对变形具有抵抗力，因此就须消耗适当的能量，即消耗相当的压力降，来完成在这段管内的变形。其次，熔体各点的速度在大小管内是不同的，为调整速度，也要消耗一定的压力降。经实验证明，在一般情况下，如果将式(2一18)中L改为(L+3D)来计算压力降，则由上列两种原因所引起的压力降就可被包括

21、在内。 从图2一14可以看出，塑料熔体由导管流出，料流直径有先收缩和后膨胀的现象。 如果是牛顿液体则只有收缩而无膨胀。收缩的原因是：熔体在管内流动时，料流径向上各点的速度是不等的(参见式(2一17)，而当流出导管后即须自行调整为相等的速度。这样，料流的直径就会发生收缩。从理论上推证，收缩的程度(以De/D表示，De是料流出口处的直径；D为导管直径)可用下式表示:式中m是常数，其意义见式(25)。对牛顿液体来说，m=l，所以De/D =087，表明收缩率为1 3。如果是假塑性液体，则收缩率恒小于此值。由于后面紧接着有膨胀，因此收缩现象常不易发觉。 塑料熔体继收缩之后的膨胀，已如前说，是由于弹性恢

22、复造成的。如果是单纯的弹性恢复而且熔体组分均匀，温度恒定和符合流动规律的条件，则这种膨胀是可以通过复杂计算而求得的。不过实际中符合这种情况是极少的。这种膨胀，若就圆形导管流出的聚合物熔体来说，其程度约在30100(指(Ds-D)/D)之间。 3 弹性对层流的干扰 塑料熔体在成型过程中的雷诺准数通常均小于10，按常理说，它在成型过程中的流动都应该是层流而不是湍流。但事实却不尽然如此，因为它具有弹性。熔体在管内流动时，其可逆弹性是在逐渐恢复的。如果恢复的弹性过大或过快，则流动单元的活动将不会限制在一个层面上，势必引起湍流，通称为弹性湍流，弹性湍流的发生也有一定规律，经实验证明，对塑料熔体的剪切流动来说，只有当 R (见式(2-l 3)的值超过455时才有可能。 4 “鲨鱼皮症” “鲨鱼皮症”是发生在挤出物(熔体流柱)表面上的一种缺陷。这种缺陷可自挤出物表面发生闷光起，变至表面呈有与流动方向垂直的许多具有规则和相当间距的