材料成形原理（第4版）第15章 塑料的性质及其注射成型

第四篇塑料成型理论基础第十五章塑料的性质及其注射成型第一节塑料的基本性质思考：为什么塑料的内部结构与金属"迥然不同"，这会如何影响其加工性能和制品质量？塑料=聚合物+添加剂聚合材料（Polymer）由千百个"单体"分子单元聚合而成的长链大分子。聚乙烯：乙烯单体打开双键，键合成长链。塑料（Plastics）聚合物+添加剂（稳定剂、润滑剂、色料等）添加剂用于改善材料的加工性能和使用性能。

核心要点：对工程技术人员而言，不需要详细了解化学结构，但必须知道：聚合物独特的分子结构→对熔体流动性和黏性有决定性影响。两大类塑料：热塑性vs热固性

热塑性塑料·长链分子间靠范德华力维系·受热软化→熔融→冷却凝固·加热-冷却循环可逆，可重复多次·典型：聚乙烯、聚丙烯、ABS、聚碳酸酯·分类：无定形/半结晶/液态结晶·缺点：对温度过于敏感

热固性塑料·通过化学反应生成，分两阶段·第一阶段：类似热塑性，生成长链·第二阶段：长链间化学反应→网状结构·不可逆：冷却后再加热不能软化·类似鸡蛋煮熟固化·典型：酚醛、氨基、环氧树脂长链分子结构：聚乙烯链的几何形态

聚乙烯模型

聚乙烯中的支链分子链的排列：结晶vs无定形两种结构区域：·三维有序（结晶区）·无序（非晶区）是否结晶取决于分子链结构→支链多则难结晶（如聚乙烯）

取向（Orientation）：受拉伸时，长链分子倾向于沿应力方向排列成直线。→导致力学性能各向异性→有利于纤维和薄膜生产注意区分：取向≠结晶。X射线衍射检测出取向的聚合物不一定存在结晶区；同样，聚合物可能结晶，但不一定有取向。两者是独立的结构特征。热塑性塑料常温下的热物理性质塑料比定压热容cp密度ρ热导率λ热扩散系数α玻璃化温度Tg熔化温度Tm聚苯乙烯1.34010500.1269100131-165ABS1.59111000.20913—130-160聚甲基丙烯酸甲酯1.46511800200硬聚氯乙烯1.84214000.2091587160-212聚碳酸酯1.25612000.19413149225-250聚砜1.25612400.26017190250-280特点：与金属相比，聚合物分子松散结合→密度较低、导热性差（热导率仅金属的几百分之一）。单位：cp[kJ/(kg·°C)]，ρ[kg/m³]，λ[W/(m·°C)]，α×10⁻⁷[m²/s]，温度单位°C两个关键温度：玻璃化温度与热稳定性

玻璃化温度Tg线型非晶聚合物由玻璃态（硬脆）向高弹态（橡胶弹性态）转变的温度。低于Tg：链段凝固→坚硬；高于Tg：链段可运动→弹性。

分解温度聚合物因受热迅速而分解为低分子可燃物质的温度。热稳定性：聚合物在高温条件下抵抗化学反应的能力。

加工温度区间：从黏流转变温度到分解温度之间的范围。·区间越小、温度越高→成型越困难·热降解：加工温度偏高或停留时间过长→平均分子量降低→黏度下降→制品飞边、气泡、银丝·常加入热稳定剂拓宽加工温度区间固态塑料的三个力学特性

①蠕变特性恒定轴向载荷下，应变随时间缓慢增长。·不像弹性体应变恒定·应力不变，应变持续增加·最终可能破坏

②应力松弛恒定应变下，应力随时间逐渐降低。·短圆柱压缩固定变形·弹性体应力恒定不变·塑料应力逐渐下降

③剪切速率保持为常数时的拉伸特征拉伸试验中，应力-应变关系与应变速率相关。·应变速率越高→初始斜率越陡·断裂应力也越高·弹性模量等概念不适用塑料熔体的流变性：牛顿流体vs非牛顿流体研究物质形变与流动的科学称为流变学（Rheology）。聚合物熔体的流变行为是塑料成型加工中最基本的工艺特征。

牛顿流体切应力与应变速率呈线性关系。黏度为常数，不随剪切速率变化。

非牛顿流体（绝大多数聚合物熔体）切应力与应变速率非线性，且伴随热效应。黏度随剪切速率变化。非牛顿流体的常见类型：·宾哈流体（Bingham）—有屈服应力，超过后线性流动·膨胀性流体—黏度随剪切速率增加而升高（切力增稠）·假塑性流体—黏度随剪切速率增加而降低（切力变稀），绝大多数聚合物熔体属于此类不同类型流体的流动曲线与黏度-剪切速率关系关键观察：假塑性流体（最常见）的黏度随剪切速率增大而降低——切力变稀现象。左图：切应力τ与剪切速率γ的关系曲线；右图：表观黏度随剪切速率的变化。幂律黏度模型（Ostwald-deWaele）

参数说明：·k—材料常数（稠度系数），k越大黏度越高·n—流动行为指数：n=1为牛顿流体；n<1为假塑性流体（切力变稀）；n>1为膨胀性流体（切力增稠）·黏度η是剪切速率γ的函数，不是常数Cross-Arrhenius黏度模型幂律模型仅适用于高剪切速率区域。Cross模型适用于更宽的剪切速率范围。

四参数模型(n,τ*,B,Tb)：·η₀—零剪切速率黏度（γ→0时的极限黏度）·τ*—特征切应力，描述"切力变稀"起始点·n—幂律指数，描述高剪切区斜率·B,Tb—温度敏感系数，描述η₀随温度的变化第二节注射过程及塑料熔体在型腔中的流动塑料制品质量主要取决于制造过程。同样的材料和形状，注射条件不同→内应力和收缩不同。注射工艺过程的五个阶段塑料在料筒内加热塑化后，由模具浇注系统进入型腔，全过程分为五个阶段：①充模螺杆从预塑位置向前运动，熔体经喷嘴、流道、浇口注入型腔②压实型腔充满后，熔体继续在压力作用下进入，增加密度③保压持续保持压力，补缩冷却收缩，保证制品致密④倒流保压结束后，浇口未冻结前熔体从型腔反向流出⑤冷却浇口冻结后，型腔内制品继续冷却固化关键认识：注射过程中聚合物的物理状态和外部条件（温度、压力、时间）都在不断变化。工艺性与材料的密度、比热容、热导率、玻璃化温度、熔化/分解温度以及流变性能密切相关。熔体流经流道充模过程流程路径：螺杆预塑计量室→喷嘴→模具主流道→分流道→浇口→型腔注射机螺杆以稳定速度向前运动，熔体在液压推力作用下充满整个模具型腔。熔体流经流道充模vi—螺杆速度

pi—型腔压力

A—计量室流程

B—喷嘴流程C—主流速

D—分流速

E—浇口

F—型腔注射周期中温度-时间变化曲线曲线解读：·曲线1（熔体）：注入时温度先升后降，型腔压力达最高时熔体温度也最高·曲线2（模具）：表面温度随熔体注入先升高，随后因冷却逐渐降低·模具冷却系统设计十分重要——温差直接影响制品表面质量和内应力注射周期中温度-时间曲线1—熔体2—模具（型腔）温度型腔充填过程的三个"相"

充填相·螺杆以稳定速度向前运动·熔体注入型腔·直到型腔恰好充满为止·特点：体积充填·压力由零开始上升

增压相（压缩相）·型腔已充满·螺杆继续向前运动·熔体不断压入型腔·约15%额外材料在压力下进入·因为熔体可压缩

补偿相·熔融态冷却至固态体积收缩约25%·增压相只补偿约15%·螺杆继续蠕动，补充材料·补偿收缩是必需的充填相的"喷泉"流动流动特征：·熔体先充满流道和浇口·进入型腔后从中心向前"喷泉式"推进·前沿形成一个鼓起的包凝固层形成：·与冷模壁接触的熔体表面迅速凝固·中心区仍处于熔融状态·后续熔体不断替换中心区材料→形成向前向外的合成流动前沿流速分布：喷泉流动的流场要点：前沿区是速度重新分布区——中心熔体向前流速最快，到达前沿后转向壁面方向流动。凝固层内分子取向很低（因鼓包表面应力小、分子链不易伸展）。充填相中的温度变化与流动切应力

温度变化·新熔体不断注入→带入热量·熔体层间相互摩擦→温度升高·热量通过凝固层向模壁散失·凝固层厚度不断增加·注射速度慢→凝固层厚·注射速度快→凝固层薄

流动切应力·熔体与凝固层接触表面切应力最大·向型腔中心线方向逐渐降低为零·凝固层内侧切应力最大→取向最高·流动停止→应力"冻结"·中心区冷却慢→取向松弛充填时的取向和残余应力残余应力形成机制：取向程度不同→收缩率不同→互相约束→残余应力·表面取向高、收缩大→受拉应力·内部取向低、收缩小→受压应力残余应力是注射制品翘曲变形的主要原因之一。增压相和补偿相的流动补偿相流动特点：流动不稳定，类似河流三角洲。流道外熔体大、温度高→取向和收缩率大；冷却时受已凝固流道材料限制→形成拉伸残余应力。第三节注射制品中的取向聚合物分子取向→熔体黏度降低（"切力稀化"）且凝固时分子取向被"冻结"→制品各向异性。取向对工艺过程和制品质量都有重要影响。注塑件厚度方向的取向分布取向分布规律：型腔中心线上取向为零（零级黑）→沿厚度方向取向逐渐增大→型壁附近又降为零（未取向表皮）。双折射技术测量：取向由两部分组成——流动剪切力引起取向+剪切力降低后布朗运动引起取向缓解。切应力与取向：等温vs非等温条件左：等温条件下切应力沿厚度V形分布（中心最大，壁面为零）；右：非等温条件下取向呈双峰分布（壁面附近最大）。松弛效应对取向分布的影响虚线：松弛前的取向分布；实线：松弛后的最终取向分布。中心区温度高、松弛快→取向大幅降低。第四节注射制品中的残余应力残余应力：无外力作用下存在于物体内部的局部应力。其合力或合力矩必须为零。希望残余应力水平低、分布均匀，以避免制品翘曲。残余应力的两大来源

流动残余应力产生于型腔充填阶段。·高剪切速率引起切应力和正应力差·熔体中还承受拉应力·冷却时应力被冻结·与分子取向效应相关·可通过双折射间接测量

热残余应力产生于迅速冷却阶段。·聚合物冷却通过玻璃化温度时·不均匀密度变化和不均匀冷却→造成残余热应力·温度梯度越大→热残余应力越大热残余应力沿厚度方向的分布左：PS与PMMA板淬火后热应力分布；右：不同淬火温度对热应力的影响。最大压应力在表面，最大拉应力在中心线。第五节塑料熔体的复杂流动现象与缺陷熔体在几何形状复杂的型腔中流动时，会出现一系列特殊现象，有些直接导致制品缺陷。缺陷一：翘曲（Warp）与过度充填翘曲原因：收缩不均匀、结晶度不均匀、冷却不均匀、过度充填。·厚度不同→冷却速率不同→结晶度不同→收缩率不同→翘曲·过度充填：熔体先流向最易流动的部位，该区域密度加大、取向水平提高→收缩率升高→翘曲·解决：多浇口平衡浇注系统，使流动平衡其他常见流动现象与缺