《塑料成型工艺与设备》课件-项目一 聚合物成型理论基础

1.聚合物加工性质目录聚合物的聚集态与成型01聚合物的可挤压性02聚合物的可模塑性03聚合物的可延展性04目录聚合物的聚集态与成型01聚合物的可挤压性02聚合物的可模塑性03聚合物的可延展性04气态、液态、固态。一、聚合物的聚集态与成型玻璃态高弹态粘流态1—非晶型聚合物2—结晶型聚合物低分子聚集态:高分子聚集态:指高聚物材料整体的内部结构，即高分子链与链之间的排列和堆砌结构。通常所说的塑料、橡胶，正是按照Tm和Tg在室温之上或室温之下划分的：一、聚合物的聚集态与成型塑料晶态高聚物，处于部分结晶态，Tm是使用的上限温度。非晶态高聚物，处于玻璃态，Tg是使用的上限温度。橡胶只能是非晶态高聚物，处于高弹态。Tg是使用的下限温度，Tg应低于室温70℃以上；Tf是使用的上限温度。纤维大部分纤维是晶态高聚物，Tm应高于室温150℃以上。也有非晶态高聚物，分子排列要有一定规则和取向。线型聚合物的聚集态与加工方法的关系示意图一、聚合物的聚集态与成型玻璃态高弹态粘流态分子链及链段被冻结，只有键长及键角变化分子链段可运动大分子链可移动分子间作用力大，形变小形变大分子间力较小聚合物呈刚性聚合物柔软有弹性聚合物呈流动态可机械加工、焊、粘可二次加工、拉伸可挤出、注射、压延等一、聚合物的聚集态与成型目录聚合物的可挤压性02聚合物的可模塑性03聚合物的可延展性04聚合物的聚集态与成型01可挤压性是指塑料通过挤压作用变形时获得一定形状并保持这种形状的能力。广泛存在于塑料成型过程中，如挤出机和注塑机的料筒、压延机辊筒以及在模具中受到的挤压。条件：聚合物处于黏流态。熔体粘度对可挤压性的影响以及对塑料成型过程的影响。二、聚合物的可挤压性二、聚合物的可挤压性成型加工方法与适当的熔融指数范围的关系成型方法产品所需材料的MI/g·

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-1挤出成型管材片材、瓶、薄壁管材电线、电缆薄片、单丝多股丝或纤维瓶(高级玻璃)胶片<0.10.1~0.50.1~1.00.5~1.01.01~29-15注射成型模压制作1~2涂布薄壁制件涂敷纸3-69~15热成型制件0.2-0.5目录聚合物的可模塑性03聚合物的可挤压性02聚合物的可延展性04聚合物的聚集态与成型01可模塑性是指塑料在温度和压力作用下产生变形和在模具中模制成型的能力。取决于聚合物的流变性、热性能、物理机械性能以及工艺因素等。螺旋流动实验。三、聚合物的可模塑性目录聚合物的可延展性04聚合物的可模塑性03聚合物的可挤压性02聚合物的聚集态与成型01可延展性是指聚合物在受到压延或拉伸时变形的能力。四、聚合物的可延展性原因:聚合物大分子的长链结构和柔顺性。存在于:压延和拉伸工艺生产片材、薄膜和纤维。聚合物材料的加工性质性能名称定义备注可挤压性指聚合物通过挤压作用形变时获得形状和保持形状的能力。一般条件下，聚合物在固体状态下不能通过挤压而成型，只有当聚合物处于粘流态时才能通过挤压获得宏观而有用的形变。可模塑性指材料在温度和压力作用下形变和在模具中模制成型的能力。具有可模塑性的材料可通过注射、模压和挤出等成型方法制成各种形状的模塑制品。模塑条件不仅影响聚合物的可模塑性，对制品的力学性能、外观、收缩以及制品中的结晶和取向等都有重要影响。可延展性表示无定型或半结晶固体聚合物在一个方向或两个方向上受到压延或拉伸时变形的能力。聚合物固体材料在Tg~Tf

(或Tm)温度区间受到大于屈服强度的拉力作用时，将产生宏观的塑性延伸形变，其结构单元(链段、大分子和微晶)因拉伸而开始取向。随着取向程度的提高，大分子间作用力增大，引起聚合物粘度升高，使聚合物表现出“硬化”倾向，形变也趋于稳定而不再发展。取向过程的这种现象称为“应力硬化”。四、聚合物的可延展性2.聚合物成型过程中的结晶目录影响聚合物结晶的因素01聚合物的结晶度02结晶对聚合物性能的影响03成型工艺对结晶的影响04目录影响聚合物结晶的因素01聚合物的结晶度02结晶对聚合物性能的影响03成型工艺对结晶的影响041.化学结构的影响一、影响聚合物结晶的因素规整或接近规整即可结晶可结晶不可结晶线型高分子聚合物支链型高分子聚合物交联度不大的网状结构高分子聚合物体型结构的高分子聚合物一、影响聚合物结晶的因素大多数橡胶天然橡胶、古塔波胶聚异戊二烯橡胶、顺丁橡胶反式聚丁二烯橡胶、氯丁橡胶有规则的立体构型均能结晶少部分橡胶丁苯橡胶丁腈橡胶无规则的立体构型不能结晶1.化学结构的影响2.分子间作用力的影响分子间的作用力有利于将分子结合在晶体之中，从而提高了结晶的能力。例如，极性基团：氯丁橡胶、尼龙。一、影响聚合物结晶的因素3.分子链柔性和分子链节的影响高分子链能够通过内旋转作用改变其构象的性能。柔顺性：高分子链不易缠结；使得高分子链更能够找到合适的构象排入晶格，形成晶体。分子链节小，则易形成晶核。一、影响聚合物结晶的因素目录影响聚合物结晶的因素01聚合物的结晶度02结晶对聚合物性能的影响03成型工艺对结晶的影响041.聚合物结晶的不完整性二、聚合物的结晶度温度、压力、成核剂2.聚合物的熔融温度结晶聚合物都没有明晰的熔点，是一个范围。随聚合物结晶度的不同，熔融温度范围或熔点有所不同。熔体和溶液都不能获得完全结晶形态的晶体；结晶条件不同，同种聚合物结晶度也完全不同。3.不同聚合物的结晶度差异原生聚合物HDPE及PTFE最大可达90%；聚酰胺PA可达60%；聚对苯二甲酸乙二醇酯PET可达60%，高度拉伸取向时可达80%成型后结晶最多可达到原来的50~60%；经长期热处理结晶度增至80%，但还是达不到原有的结晶度。(1)分子链增长过程中混乱和卷曲程度不大，对结晶有利；(2)成型加工熔融冷却时，分子的热运动增加混乱和卷曲程度，妨碍晶体生长。二、聚合物的结晶度原因:量热法X射线衍射仪红外光谱法二、聚合物的结晶度4.结晶度的测量4.结晶度的测量密度法：二、聚合物的结晶度C：样品的结晶度；ρ：测试样品的密度；ρ1：完全结晶时晶体的密度，从X射线衍射分析中求得晶格中单位晶胞的尺寸计算得到；ρ2：完全不结晶时晶体的密度，将熔体密度与温度关系图上曲线外推而得到的。式中目录影响聚合物结晶的因素01聚合物的结晶度02结晶对聚合物性能的影响03成型工艺对结晶的影响04例子1：聚对苯二甲酸乙二醇酯非晶态：室温下呈透明状，玻璃化温度为67℃，密度为1.33。晶态：室温下不透明，玻璃化温度为81℃，密度为1.455。三、结晶对聚合物性能的影响例子2：聚乙烯结晶度从60%到80%的聚乙烯，其弹性模量从230MPa增至700MPa，其他力学性能如表面硬度和屈服应力的变化趋势也一样。例子3：聚四氟乙烯当结晶度从60%变至80%，其弹性模量从560MPa增至1120MPa。定性解释三、结晶对聚合物性能的影响结晶度不是100%的，就一个制件或试样，每个部分结晶度不相等，性能不均匀，严重时会造成翘曲与开裂现象出现。不同晶度的应力应变曲线如右图所示。晶态中分子集中而有序，有利于机械性能的提高；晶态分子比较固定。注意目录影响聚合物结晶的因素01聚合物的结晶度02结晶对聚合物性能的影响03成型工艺对结晶的影响041.熔融温度和熔融时间四、成型工艺对结晶的影响成型温度高且熔融时间长原来的结晶结构破坏较多，残存的晶核少，熔体冷却时主要以均相成核形成晶核，结晶速度慢，晶体尺寸大。成型温度低且熔融时间短残存的晶核多，熔体冷却时易异相成核，结晶速度快，晶体尺寸小而均匀。有利于提高机械强度和热变形温度。2.冷却速度成型加工时，聚合物要经历从Tm以上降温到Tg以下的过程。这期间，冷却速度是晶核形成和晶体生长的条件。聚合物在加工中能否结晶、结晶度的大小、晶体的形态和尺寸都与熔体冷却速度有关。冷却速度↑，结晶时间↓，结晶度↓。四、成型工艺对结晶的影响3.应力作用成型加工过程中，聚合物受到高应力作用时，会加速结晶。高聚物受应力作用时，加速结晶过程，当高聚物受拉伸和剪切作用时，大分子沿受力方向伸直，且生成有序区，诱发成核，使得晶核形成时间缩短，晶核增加，结晶速度加快，且随拉伸和剪切速率的增加而增加。如：PP、PE纺丝拉伸时，结晶速度比不拉伸时快1000倍。四、成型工艺对结晶的影响4.成型后的后处理方法二次结晶：指一次结晶后，残留的非晶区域和结晶不完善区域继续结晶的过程。此过程很缓慢，可几年或几十年。后结晶：指一部分来不及结晶的区域，在成型加工后继续结晶的过程。此过程不形成新的结晶区域，而是在球晶的界面上使晶体进一步长大。四、成型工艺对结晶的影响4.成型后的后处理方法热处理（退火）*加速聚合物二次结晶和后结晶的过程。**退火温度小于热变形温度10~20℃。***退火时间长，有利于高分子链段的重排。淬火（骤冷）*快速冻结大分子的链段运动，避免二次结晶和后结晶。四、成型工艺对结晶的影响3.塑料成型中的物料混合目录物料混合种类01物料混合基本原理02物料混合程度判定03目录物料混合种类01物料混合基本原理02物料混合程度判定03一、物料混合种类按物料物理状态的不同，混合方法分为：干掺混、捏合、塑炼；按混合过程中分散粒子尺寸是否变化，混合方法分为：非分散混合（简单混合）、分散混合；按物料状态的不同，混合方法分为：固体与固体混合、液体与液体混合、液体与固体混合。1.干掺混转鼓式混合机螺带式混合机一、物料混合种类特点主要用于制备粉状成型物料两种或两种以上粉、粒状固体物低于流动温度或熔点剪切速率较缓和，非强烈混合增加各组分之间的无规则程度不改变颗粒尺寸设备转鼓式混合机桨叶式混合机螺带式混合机混合终点由经验定2.捏合捏合机高速混合机一、物料混合种类特点湿粉状、纤维状和糊状成型物料的制备低于流动温度或熔点剪切速率较缓和增加各组分之间的无规则程度不改变颗粒尺寸设备捏合机（S形和Z形）高速混合机混合终点由经验定3.塑炼开炼机挤出机一、物料混合种类特点塑性状态聚合物与液状、粉状等添加剂的塑性混合高于流动温度或熔点剪切速率较强烈升高的温度可以去除物料中的水分改变颗粒尺寸物料分散更均匀设备密炼机开炼机塑化挤出机混合终点由经验定密炼机4.非分散混合（简单混合）是通过重复地排列各组分，在原理上可减少非均匀性。一、物料混合种类1)运动基本形式是通过对流（体积对流混合）来实现，可以通过简单体积排列和置换来达到。2)5.分散混合是在混合过程中发生粒子尺寸减少到极限值，同时增加相界面和提高混合物组分均匀性的混合过程。一、物料混合种类1)2)目的是把少量组分的固体颗粒和液滴分散开来，成为最终粒子或允许的更小颗粒或液滴，并均匀地分布到多组分中。目录物料混合基本原理02物料混合程度判定03物料混合种类011.分子扩散二、物料混合基本原理在浓度梯度驱使下，各组分自发地由浓度较大的区域迁移到浓度较小的区域，从而达到各处组分均化的一种扩散形式。扩散速率：气-气＞液-液/液-固＞固-固提高扩散速率：①升高温度；②增加接触面；③减少料层厚度在聚合物加工中，熔体与熔体间分子扩散无实际意义；但若混合组分之一是低分子物质，则分子扩散可能是重要因素。2.涡旋扩散（湍流扩散）由系统内产生的紊流而实现流体混合的一种扩散形式。在聚合物加工中由于流速低、熔体黏度高，流动很难达到湍流状态；要实现紊流需要施加极大剪切力，必使熔体发生破裂，故很少发生涡旋扩散。二、物料混合基本原理3.体积扩散（对流扩散）指流体质点、液滴或固体粒子由系统的一个空间位置向另一空间位置的运动，或指两种或多种组分在相互占有的空间内发生运动，以期达到各组分的均匀分布。在聚合物加工中，体积扩散占支配地位。二、物料混合基本原理特点需有外力作用，迫使物料作不规则的运动，完成组分分布过程。目录物料混合程度判定03物料混合基本原理02物料混合种类011.物料组成均匀程度三、物料混合程度判定——指所抽取试样中，混入物占物料的比率与理论或总