塑料成型理论ppt课件.ppt

1、塑料成型理论,1,内容简介,塑料的粘弹性 塑料的基本力学模型 粘弹性模型 塑料的流变性 牛顿型流体 非牛顿型流体 影响粘度的因素 塑料加工过程中的物理和化学变化 聚合物的结晶 聚合物的取向 聚合物的降解 聚合物的交联,2,塑料的基本力学模型,塑料加工过程一般要经历玻璃态、高弹态和粘流态 玻璃态 与刚性材料类似，力与应变满足胡克定律 高弹态 既表现出固体性质（弹性），又表现出流体的性质（粘性）,描述塑料在高弹态下的粘弹性基本力学模型如图所示,a) 弹性模型 b) 粘性模型 c) Maxwell模型 d) Voigt-Kelvin模型,3,塑料的基本力学模型,弹性模型 符合胡克定律的弹性固体可以用

2、一个理想弹簧表示 粘性模型 符合牛顿定律的牛顿性流体可用盛有粘性牛顿流体的粘壶来表示 麦克斯威尔模型 由一个理想弹簧和一个粘壶串联而成 沃伊特-开尔文模型 由弹簧和粘壶串联而成,4,粘弹性模型,粘弹性模型是将麦克斯韦威尔模型与沃伊特-开尔文模型串联起来分析的模型,粘弹性模型,5,粘弹性模型,上述粘弹性模型可用以下属性表达式描述:,低温时，粘度 很高，材料表现为切边模量为 理想的弹性体 高温时，粘度 很低，材料处于粘流态，总变形表现为粘度 流动,材料的弹性形变,基于Maxwell模型的粘性流动,基于Voigt-Kelvin模型的延迟弹性,基于Maxwell模型的粘性流动,6,塑料的流变性,研究物

3、质形变与流动的科学称为流变学 聚合物的流变行为十分复杂，粘性流动不仅具有弹性效应，而且伴随有热效应。目前关于聚合物流变行为的解释仍有很多是定性的或者是经验性的，聚合物流变学依然是一门半经验的物理科学 有关流变学的概念对塑料材料的选择、成形工艺条件确定、模具和成形设备的设计以及提高塑料制品的质量都有着很重要的指导作用,7,牛顿型流体,牛顿在研究低分子流体时发现切应力与剪切速率之间存在着如下关系 液层单位表面上所施加的切应力与液层间的速度梯度成正比，此即著名的牛顿粘性定律。为比例常数，称为牛顿粘度 凡符合上式的流体称为牛顿型流体,8,非牛顿型流体,非牛顿型流体包括粘性流体、粘弹性流体和时间依赖性流

4、体 粘性流体的特点是在受力流动时，其剪切速率只依赖于切应力的大小，而与切应力的作用时间无关 粘性流体又分为宾哈流体、膨胀性流体和假塑性流体,不同类型流体的流动曲线 不同类型流体粘度与剪切速率的关系,9,影响粘度的因素,粘度是描述塑料熔体流变行为最重要的量度 影响粘度的因素 温度 压力 剪切速率 聚合物结构,10,非牛顿型流体的特点,宾哈流体只有当切应力增加到某一临界值时才开始流动，切应力与剪切速率呈线性关系 膨胀性流体的特点是高速作用下，流体体积产生膨胀。粘度随剪切速率的增加而升高（称为切力增稠现象） 假塑性流体的粘度与剪切速率曲线偏离牛顿型流体曲线向下弯曲，粘度随剪切速率的增大而降低（称为切

5、力变稀现象） 称为非牛顿型流体的表观粘度，对于假塑性流体，随着的提高按指数规律降低,11,温度的影响,热塑性塑料熔体的粘度随温度升高而呈指数规律降低 不同熔体的粘度对温度的敏感程度并不相同,12,压力的影响,在压力作用下，塑料熔体因受到压缩而体积减小，分子间作用力的增加致使粘度也随之增大 由于塑料熔体的压缩率不同，故不同熔体的粘度对压力的敏感性也不相同,例如： 当压力从 13.8MPa升高到 17.3MPa时，高密度聚乙烯 HDPE和聚丙烯PP的粘度要增加 47 倍，而聚苯乙烯PS的粘度甚至于可增加100倍,1PMMA 2PP 3LDPE 4PA66 5POM,13,剪切速率的影响,塑料熔体的

6、一个显著特征是具有非牛顿性，其表观粘度随剪切速率或切应力的增大而减小 不同种类的塑料对剪切速率的敏感性有差别,曲线越陡，说明什么情况？,剪切速率如何选择？曲率变化大的区域还是变化小的区域？,1PE，220 2PE，287 3CA，220,14,聚合物结构因素影响,粘度随聚合物相对分子质量的增加而增加 加入添加剂、填料等，一般会使熔体的粘度增大 各种因素对塑料熔体粘度的影响,1温度 2压力 3相对分子质量 4填充剂 5增塑剂或溶剂,15,塑料加工过程的物理和化学变化,在塑料加工过程中，聚合物会发生一些物理和化学变化 聚合物在一定条件下结晶或改变结晶度 在外力作用下产生分子取向 发生降解或交联反应

7、 物理和化学变化，不仅引起聚合物性质发生改变，而且对加工过程也有影响 了解聚合物在加工过程产生结晶、取向、降解和交联的特点以及加工条件对它们的影响，设法控制这些物理和化学变化，对塑料加工和应用有着很大的实际意义,16,塑料的结晶,热塑性塑料按其冷凝时无出现结晶现象可划分为结晶型塑料与非结晶型（又称无定形）塑料两大类 所谓结晶现象即塑料由熔融状态到冷凝状态时，分子由独立移动，完全处于无序状态，变成分子停止自由运动，按略微固定的位置，并有一个使分子排列成为正规模型的倾向的一种现象 聚合物结晶速度慢、结晶不完全、晶体不整齐，通常用结晶度来表示，由于聚合物达到完全结晶所需时间太长，有的需要几年甚至于几

8、十年的时间。因此通常将结晶度达到50%的时间的倒数作为评定各种聚合物结晶速度的标准,17,结晶度对塑料制品的影响,密度 增大 抗拉强度 提高 冲击韧度 下降 刚度 增加 热性能 提高热变形温度 翘曲 增大 光泽 表面光亮度提高，透明度降低,18,影响结晶度的因素,结晶度对塑料制品的物理、力学性能影响很大 影响结晶度的主要因素 温度及冷却速度 熔融温度和熔融时间 应力,19,温度及冷却速度对结晶度的影响,在高温区晶核不稳定，单位时间成核数量少 在低温区能量低，结晶时间长，结晶速度慢，不能为成核创造有利条件,控制好冷却速度，取决于熔体温度和模具温度之间的温度差，将模具温度控制在玻璃化温度与最大结晶

9、速度的温度之间,20,熔融温度和熔融时间对结晶度的影响,熔融温度低和熔融时间短，导致残存的晶核多，结晶速度快，晶体尺寸小而均匀，有利于提高制品的力学性能和热变形温度,熔化温度Tm,Tm的停留时间,残存晶核的数量,21,应力对结晶度的影响,熔体压力的提高、剪切作用的加强，都会加速聚合物的结晶过程,长纤维状晶体,晶体熔点升高,应力,低压时生成大而完整的球晶,高压时生成小而不规则的球晶,压力,22,结晶型塑料在注射成形时特点,结晶型塑料必须要加热至熔点温度以上才能达到软化的状态。由于结晶熔解需要热量，结晶型塑料达到成形温度要比无定形塑料达到成形温度需要更多的热量 塑料制品在模内冷却时，结晶型塑料要比

10、无定形塑料放出更多的热量，因此结晶型塑料制品在模具内冷却时需要较长的冷却时间 结晶型塑料固态的密度与熔融时的密度相差较大，因此结晶型塑料的成形收缩率较大，达到0.53.0%，而无定形塑料的成形收缩率一般为0.40.6% 结晶型塑料的结晶度与冷却速切密切相关，在结晶型塑料成形时应按要求控制好模具的温度 结晶型塑料各向异性显著，内应力大，脱模后制品内未结晶的分子有继续结晶的倾向，易使制品变形,23,聚合物的取向,塑料在加工过程中会发生不同程度的取向 一种是流动取向，即聚合物分子和纤维状填料在剪切流动时沿流动方向作平行的排列 另一种是拉伸取向，即聚合物分子在受到外力拉伸时沿受力方向平行排列 取向的结

11、构单元若只朝着一个方向，称为单轴取向，若同时朝两个方向取向便称为双轴取向或平面取向,24,塑料的流动取向,熔体前沿径向流动产生的喷泉效应 分子取向由剪切流动引起，在凝固层剪切量高，因此导致最高的取向,25,矩形长条试样的取向分布,横断面：靠近表层的位置取向最大 轴向纵断面：什么位置取向最大？,横断面,轴向纵断面,26,填料对流动取向的影响,对于薄壁制品，填料的取向与熔体流动方向是一致的 例：纤维状填料在扇形制品中流动取向过程,27,拉伸取向,纺丝、吹塑等成形时，塑料主要依靠粘流拉伸来成形 粘流拉伸时，引起取向的为拉应力，速度梯度在拉伸方向上，而剪切流动时引起取向的为切应力，速度梯度在垂直于熔体

12、流动方向上,28,取向对制品性能的影响,沿取向方向制品的力学性能明显提高，而垂直于取向方向的力学性能明显降低 取向会使制品产生明显的各向异性，增加了制品翘曲的可能性，在制订工艺时要合理利用 结构复杂时，降低取向，可减小翘曲 结晶型塑料，提高取向，利于结晶 受力方向与制品取向方向一致,29,影响取向的因素,提高加工温度会使聚合物分子松弛时间加长，有助于产生解除取向效应 无定形塑料的松弛时间比结晶型塑料的要长（ ），因此结晶型塑料容易使取向冻结，其取向度高于无定形塑料 模温低，熔体冷却速度加快，则冻结取向效应提高，解除取向减弱,松弛时间： 无定形塑料聚合物分子的松弛时间是从熔体加工温度降至熔体玻璃

13、化温度所经历的时间，而结晶型塑料聚合物分子的松弛时间是从熔体加工温度降至熔点所经历的时间,30,影响取向的因素,比热容大、导热系数低都会降低熔体的冷却速度，有利于取向的解除 注射压力可提高熔体的切应力和剪切速率，有助于分子的取向 大浇口冷却较慢，浇口封闭晚，熔体流动时间延长，取向作用加强，尤其是浇口处的取向更为明显 快速充模使制品表面层分子取向增高，而使中心部位取向减弱,31,聚合物的降解,聚合物相对分子质量降低的现象称为聚合物的降解 降解难以完全避免，大多是有害的 在加工过程中，热降解是最主要的，主要是因为聚合物在高温下受热时间过长，或者加热温度过高,轻度降解 聚合物变色,分解出低分子物质，制品出现气泡和流纹等缺陷,严重降解使聚合物焦化变黑、然后分解,32,避免聚合物降解的措施,严格控制杂质含量，杂质是降解的催化剂 使用前对塑料进行严格干燥，尤其是吸湿性强的塑料 合理控制加工温度，特别是热稳定性较差，加工温度和分解温度比较接近的塑料 采用结构良好的