塑料成型的理论基础 (2)讲稿.ppt
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1、塑料成型的理论基础(2)第一页,讲稿共九十页哦按照塑料的按照塑料的按照塑料的按照塑料的热行为热行为热行为热行为:热塑性塑料热塑性塑料热塑性塑料热塑性塑料(如聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙等)和(如聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙等)和(如聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙等)和(如聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙等)和热热热热固性塑料固性塑料固性塑料固性塑料(如酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂等)。(如酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂等)。(如酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂等)。(如酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂等)。如如如如果果果果按按按按照照照照塑塑塑塑料料料料聚聚聚聚集集集集态态态态结结结结构构构构中中中中分分分分子子子子排排排排列列列列
2、的的的的有有有有序序序序程程程程度度度度又又又又可可可可分分分分为为为为结结结结晶晶晶晶性性性性塑塑塑塑料料料料(如如如如聚聚聚聚乙乙乙乙烯烯烯烯、聚聚聚聚丙丙丙丙烯烯烯烯、聚聚聚聚甲甲甲甲醛醛醛醛等等等等)和和和和非非非非结结结结晶晶晶晶性性性性或或或或称称称称无无无无定定定定形形形形塑塑塑塑料料料料(如如如如聚聚聚聚苯苯苯苯乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯等)。乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯等)。乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯等)。乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯等)。1概述概述塑塑料料成成型型过过程程主主要要是是将将固固体体聚聚合合物物(粉粉状状、粒粒状状、片片状状)转转变变为为可可流流动动状状态态(熔熔体体或或溶
3、溶液液)使使其其表表现现出出可可塑塑性性,固固定定其其形形状状并并生生产产出出具有使用性能的产品。具有使用性能的产品。成成型型过过程程与与聚聚合合物物的的固固体体状状材材料料性性质质、流流动动性性质质以以及及热热物物理理性性质质密密切切相关,这些性质从某种意义上相关,这些性质从某种意义上决定着塑料成型设备设计和成型工艺。决定着塑料成型设备设计和成型工艺。第二页,讲稿共九十页哦表观密度是指料粒在无外压下包含空隙时的密度表观密度是指料粒在无外压下包含空隙时的密度表观密度是指料粒在无外压下包含空隙时的密度表观密度是指料粒在无外压下包含空隙时的密度。它的大小直接影响它的大小直接影响着材料的输送过程,过
4、低的密度(着材料的输送过程,过低的密度(200kg/m200kg/m3 3)难以均匀进料,)难以均匀进料,从而从而影响输送效率和塑化质量的稳定性。影响输送效率和塑化质量的稳定性。影响输送效率和塑化质量的稳定性。影响输送效率和塑化质量的稳定性。固体聚合物在压力作用下的密度变化也是了解物料输送行为的固体聚合物在压力作用下的密度变化也是了解物料输送行为的重要参数,它反映了材料的重要参数,它反映了材料的可压缩性可压缩性可压缩性可压缩性。2固体聚合物性质固体聚合物性质2.1表观密度表观密度粒料尺寸是指它的直径或等效直径大小粒料尺寸是指它的直径或等效直径大小。固体粒料的输送难易常常由粒料的尺寸所决定固体粒
5、料的输送难易常常由粒料的尺寸所决定。2.2固体粒料的形状与尺寸固体粒料的形状与尺寸第三页,讲稿共九十页哦它反映熔体流动中流层之间的摩擦阻力,可定义为:它反映熔体流动中流层之间的摩擦阻力,可定义为:影响表观粘度的主要因素有影响表观粘度的主要因素有分子量、温度、剪切速率、压力分子量、温度、剪切速率、压力分子量、温度、剪切速率、压力分子量、温度、剪切速率、压力等。等。3聚合物熔体的流动性质聚合物熔体的流动性质在实际应用中,表征高聚物流动性的基本参数有两个:表观粘度表观粘度和熔熔体流动速率体流动速率。3.1表观粘度表观粘度第四页,讲稿共九十页哦3.2熔体流动速率熔体流动速率熔体流动速率(熔体流动速率(
6、MFR)是在一定的)是在一定的温度和载荷下,熔体每温度和载荷下,熔体每10min从标从标准的测定仪所挤出的物料质量,单准的测定仪所挤出的物料质量,单位为:位为:g/10min,测试标准见,测试标准见ASTMD1238或或GB/T3682-00。第五页,讲稿共九十页哦同种材料在相同条件下,同种材料在相同条件下,同种材料在相同条件下,同种材料在相同条件下,MFRMFR越大,流动性越好越大,流动性越好越大,流动性越好越大,流动性越好。不同材料或。不同材料或。不同材料或。不同材料或选择的条件不同,不能用选择的条件不同,不能用选择的条件不同,不能用选择的条件不同,不能用MFRMFR的大小来比较它们之间的
7、流动的大小来比较它们之间的流动的大小来比较它们之间的流动的大小来比较它们之间的流动性好坏。性好坏。性好坏。性好坏。表观粘度(表观粘度(a a)与)与MFRMFR、熔体密度(、熔体密度()、载荷()、载荷(F F)的关系可)的关系可近似表示为:近似表示为:从上式中可以看出,从上式中可以看出,表观粘度与表观粘度与表观粘度与表观粘度与MFRMFRMFRMFR成反比,高成反比,高成反比,高成反比,高MFRMFRMFRMFR对应于低粘对应于低粘对应于低粘对应于低粘度塑料熔体。度塑料熔体。度塑料熔体。度塑料熔体。MFR实际上是测量低剪切速率下的熔体粘度,虽然比实际加工时的剪切速率低得多,但对表征高聚物在一
8、定条件下的流动性仍具有重要意义,而且试验方法简单,因此得到了普遍应用。第六页,讲稿共九十页哦流体的类型:流体的类型:成型过程中要求聚合物处于粘流状态(塑化状态),因成型过程中要求聚合物处于粘流状态(塑化状态),因成型过程中要求聚合物处于粘流状态(塑化状态),因成型过程中要求聚合物处于粘流状态(塑化状态),因为在这种状态下聚合物不仅易于流动,而且易于变形,为在这种状态下聚合物不仅易于流动,而且易于变形,为在这种状态下聚合物不仅易于流动,而且易于变形,为在这种状态下聚合物不仅易于流动,而且易于变形,这给它的输送和成型都带来极大的方便。为使塑料在成这给它的输送和成型都带来极大的方便。为使塑料在成这给
9、它的输送和成型都带来极大的方便。为使塑料在成这给它的输送和成型都带来极大的方便。为使塑料在成型过程中易于流动和变形,并不限定用粘流态的聚合物型过程中易于流动和变形,并不限定用粘流态的聚合物型过程中易于流动和变形,并不限定用粘流态的聚合物型过程中易于流动和变形,并不限定用粘流态的聚合物(聚合物熔体),采用聚合物的溶液或分散体(悬浮液)(聚合物熔体),采用聚合物的溶液或分散体(悬浮液)(聚合物熔体),采用聚合物的溶液或分散体(悬浮液)(聚合物熔体),采用聚合物的溶液或分散体(悬浮液)等也是可以的,熔体和分散体都属于液体的范畴。等也是可以的,熔体和分散体都属于液体的范畴。等也是可以的,熔体和分散体都
10、属于液体的范畴。等也是可以的,熔体和分散体都属于液体的范畴。3.3聚合物的流变行为聚合物的流变行为第七页,讲稿共九十页哦剪切流动模型剪切流动模型液体的流动和变形受到的应力有剪切、拉伸和压缩三种应力。三种应液体的流动和变形受到的应力有剪切、拉伸和压缩三种应力。三种应力中,剪切应力对塑料的成型最为重要。力中,剪切应力对塑料的成型最为重要。通常流体在平直管内受剪切应力而引发的流动形式有层流和湍流两种,聚合物流体由于通常流体在平直管内受剪切应力而引发的流动形式有层流和湍流两种,聚合物流体由于粘度较大属于层流。粘度较大属于层流。第八页,讲稿共九十页哦聚合物流体根据其流动特点可以分为以下几类:聚合物流体根
11、据其流动特点可以分为以下几类:牛顿流体牛顿流体剪切应力与剪切速率呈直线关系,粘度依赖于流体的分子结构和其它外界条件,与剪切应力和剪切速率的变化无关。事实上,真正属于流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氯乙烯共聚物少数几种与牛顿液体相近以外,绝大数都只能在剪切应力很小或很大时表现为牛顿流体。宾汉流体宾汉流体宾汉流体与牛顿流体相同的是其剪切应力和剪切速率的关系表现宾汉流体与牛顿流体相同的是其剪切应力和剪切速率的关系表现为直线,不同的是它的流动只有当剪切应力高至于一定值为直线,不同的是它的流动只有当剪切应力高至于一定值y后后才发生塑性流动。宾汉流体所以有这种形为,是因
12、为流才发生塑性流动。宾汉流体所以有这种形为,是因为流体在静止时形成了凝胶结构,外力超过体在静止时形成了凝胶结构,外力超过y时这种三维结构时这种三维结构即受破坏。牙膏、油漆、润滑脂、钻井用的泥浆、下水污泥、聚即受破坏。牙膏、油漆、润滑脂、钻井用的泥浆、下水污泥、聚合物在良溶剂中的浓溶液和凝胶性糊塑料等属于或接近于宾汉流合物在良溶剂中的浓溶液和凝胶性糊塑料等属于或接近于宾汉流体。体。第九页,讲稿共九十页哦假塑性流体假塑性流体假塑性流体假塑性流体假塑性流体是非牛顿流体中最为普通的一种,它所表现的流动曲线是非直线的。流体的表假塑性流体是非牛顿流体中最为普通的一种,它所表现的流动曲线是非直线的。流体的表
13、观粘度随剪切应力的增加而降低。多数聚合物的熔体(是塑料成型加工过程中最多的一类观粘度随剪切应力的增加而降低。多数聚合物的熔体(是塑料成型加工过程中最多的一类物料)物料),以及所有聚合物在良溶剂中的溶液,其流动行为都具有假塑性流体的特征。,以及所有聚合物在良溶剂中的溶液,其流动行为都具有假塑性流体的特征。膨胀性流体膨胀性流体流体的表观粘度随剪切应力的增加而增加。只有极少数聚合物流体的表观粘度随剪切应力的增加而增加。只有极少数聚合物(如聚乙燃糊如聚乙燃糊)的流动行为的流动行为都具有膨胀性流体的特征。都具有膨胀性流体的特征。第十页,讲稿共九十页哦解缠理论解缠理论解缠理论解缠理论对聚合物溶液来说,当它
14、承受应力时,原来由溶剂化作用而被封对聚合物溶液来说,当它承受应力时,原来由溶剂化作用而被封闭在粒子或大分子盘绕空穴内的小分子就会被挤出,这样,粒子闭在粒子或大分子盘绕空穴内的小分子就会被挤出,这样,粒子或盘绕大分子的有效直径即随应力的增加而相应地缩小,从而使或盘绕大分子的有效直径即随应力的增加而相应地缩小,从而使流体粘度下降。因为粘度大小与粒子或大分子的平均大小成正比,流体粘度下降。因为粘度大小与粒子或大分子的平均大小成正比,但不一定是线性关系。但不一定是线性关系。假塑性流体的粘度随剪切应力或剪切速率的增加而下降的原因与流体假塑性流体的粘度随剪切应力或剪切速率的增加而下降的原因与流体分子结构有
15、关。分子结构有关。对聚合物熔体来说,造成粘度下降的原因在于其中大分子彼此之间的缠结。对聚合物熔体来说,造成粘度下降的原因在于其中大分子彼此之间的缠结。当缠结的大分子承受应力时,其缠结点就会被解开,同时还沿着流动方向当缠结的大分子承受应力时,其缠结点就会被解开,同时还沿着流动方向规则排列,因此就降低了粘度。缠结点被解开和大分子规则排列的程度是规则排列,因此就降低了粘度。缠结点被解开和大分子规则排列的程度是随应力的增加而加大的。显然,这种大分子缠结的学说,也可用以说明聚随应力的增加而加大的。显然,这种大分子缠结的学说,也可用以说明聚合物熔体粘度随剪切应力增加而降低的原因。合物熔体粘度随剪切应力增加
16、而降低的原因。第十一页,讲稿共九十页哦分子解缠模型分子解缠模型解缠理论解缠理论对聚合物熔体来说,造成粘度下降的原因在于其中大分子彼此之间对聚合物熔体来说,造成粘度下降的原因在于其中大分子彼此之间的缠结。当缠结的大分子承受应力时,其缠结点就会被解开,同时的缠结。当缠结的大分子承受应力时,其缠结点就会被解开,同时还沿着流动方向规则排列,因此就降低了粘度。缠结点被解开和大还沿着流动方向规则排列,因此就降低了粘度。缠结点被解开和大分子规则排列的程度是随应力的增加而加大的。显然,这种大分子分子规则排列的程度是随应力的增加而加大的。显然,这种大分子缠结的学说,也可用以说明聚合物熔体粘度随剪切应力增加而降低
17、缠结的学说,也可用以说明聚合物熔体粘度随剪切应力增加而降低的原因。的原因。第十二页,讲稿共九十页哦膨胀性流体:膨胀性流体:膨胀性流体的流动曲线也不是直线,与假塑膨胀性流体的流动曲线也不是直线,与假塑性流体不同的是膨胀性流体的表观粘度会性流体不同的是膨胀性流体的表观粘度会随剪切应力的增加而上升。随剪切应力的增加而上升。属于这一类型的流体大多数是固体含量高的属于这一类型的流体大多数是固体含量高的悬浮液,处于较高剪切速率下的聚氯乙烯悬浮液,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流体。糊塑料的流动行为就很接近这种流体。第十三页,讲稿共九十页哦膨胀性流体模型第十四页,讲稿共九十页哦膨胀
18、性流体所以有这样的流动行为,多数的膨胀性流体所以有这样的流动行为,多数的解释是:当悬浮液处于静态时,体系中由解释是:当悬浮液处于静态时,体系中由固体粒子构成的空隙最小,其中流体只能固体粒子构成的空隙最小,其中流体只能勉强充满这些空间。当施加于这一体系的勉强充满这些空间。当施加于这一体系的剪切应力不大时,即剪切速率较小时,流剪切应力不大时,即剪切速率较小时,流体就可以在移动的固体粒子间充当润滑剂,体就可以在移动的固体粒子间充当润滑剂,因此表观粘度不高。但当剪切速率逐渐增因此表观粘度不高。但当剪切速率逐渐增高时,固体粒子的紧密堆砌就很快被破坏,高时,固体粒子的紧密堆砌就很快被破坏,整个体系就显得有
19、些膨胀。此时流体不再整个体系就显得有些膨胀。此时流体不再能充满所有的空隙,润滑作用因而受到限能充满所有的空隙,润滑作用因而受到限制,表观粘度就随着剪切速率的增长而增制,表观粘度就随着剪切速率的增长而增大。大。第十五页,讲稿共九十页哦聚合物流体总结聚合物流体总结流动类型流动类型流动规律流动规律符合的流体符合的流体备注备注牛顿流体牛顿流体(为常数)PC和和PVDC接近接近低分子多为此类低分子多为此类宾汉流体宾汉流体(y和为常数)凝胶糊、良溶剂凝胶糊、良溶剂的浓溶液的浓溶液在剪切力增大到一定值在剪切力增大到一定值后才能流动。后才能流动。假塑性流体假塑性流体n1高固体含量的糊高固体含量的糊剪切增加,粘
20、度升高。剪切增加,粘度升高。第十六页,讲稿共九十页哦聚合物不同类型的流动曲线第十七页,讲稿共九十页哦外界因素:l温度升高温度可使聚合物大分子的热运动和分子升高温度可使聚合物大分子的热运动和分子间的距离增大间的距离增大,从而降低熔体粘度。从而降低熔体粘度。3.4聚合物流动行为的影响因素聚合物流动行为的影响因素第十八页,讲稿共九十页哦聚合物分子链刚性越大和分子间的引力越大时,表观粘度对聚合物分子链刚性越大和分子间的引力越大时,表观粘度对温度的敏感性也越大。表观粘度对温度的敏感性一般比它对温度的敏感性也越大。表观粘度对温度的敏感性一般比它对剪切应力或剪切速率要强些。剪切应力或剪切速率要强些。在成型加
21、工过程中,对一种表观粘度随温度变化不大的聚合物来说,仅凭增加温度来增加其流动性是不适合的,因为温度即使升幅很大,其表观粘度却降低有限(如聚丙烯、聚乙烯、聚甲醛等)。另一方面,大幅度地增加温度很可能使它发生热降解,从而降低制品质量,此外成型设备等的损耗也较大,并且会恶化工作条件。相对而言在成型中利用升温来降低聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯和尼龙66等聚合物熔体的粘度是可行的,因为升温不多即可使其表观粘度下降较多。第十九页,讲稿共九十页哦温敏性塑料温敏性塑料 温度升高粘度下降明显的塑料,主要品种有温度升高粘度下降明显的塑料,主要品种有温度升高粘度下降明显的塑料,主要品种有温度升高粘度下降明显的塑料,主
22、要品种有PCPCPCPC、PMMAPMMAPMMAPMMA等分子等分子等分子等分子链刚性较大的聚合物。链刚性较大的聚合物。链刚性较大的聚合物。链刚性较大的聚合物。第二十页,讲稿共九十页哦意义:意义:可以通过调节剪切应力或剪切速率来改变流动性。可以通过调节剪切应力或剪切速率来改变流动性。注意:如果聚合物的熔体粘度对剪切作用很敏感,在操作中就必须严注意:如果聚合物的熔体粘度对剪切作用很敏感,在操作中就必须严格控制螺杆的转速或压力不变,否则剪切速率的微小变化都会引起格控制螺杆的转速或压力不变,否则剪切速率的微小变化都会引起粘度的显著改变,致使制品出现表面不良,充模不均,密度不匀或粘度的显著改变,致使
23、制品出现表面不良,充模不均,密度不匀或其它弊病。其它弊病。剪切剪切剪切速率或剪切应力升高粘度明显下降的塑料,主要品种有PE、PP、PS等分子链柔性较大的聚合物。剪敏性塑料剪敏性塑料第二十一页,讲稿共九十页哦压力压力一般低分子的压缩性不很大,压力增加对其粘度的影响不大。但是,聚合物由于具有长链结构和分子链内旋转,产生空洞较多,所以在加工温度下的压缩性比普通流体大得多。聚合物在高压下(注射成型时受压达35-300MPa)体积收缩较大,分子间作用力增大,粘度增大,有些甚至会增加十倍以上,从而影响了流动性。聚合物结构不同对压力的敏感性不同。一般情况下带有体积庞大的苯基的聚合物,分子量较大、密度较低者其
24、粘度受压力的影响较大。但压力的影响比较复杂,规律并不明显,所以在较低压力下可忽略不计,压力较大时要具体情况具体对待。第二十二页,讲稿共九十页哦分子链的极性:极性越大,粘度越高,流动性越差。分子链的极性:极性越大,粘度越高,流动性越差。分子量:分子量越大,粘度越高,流动性越差。分子量:分子量越大,粘度越高,流动性越差。分子量分布:分子量分布宽比分布窄的,剪切速率提高,粘分子量分布:分子量分布宽比分布窄的,剪切速率提高,粘度下降变化明显。度下降变化明显。添加剂(刚性添加剂,柔性添加剂)添加剂(刚性添加剂,柔性添加剂):刚性添加剂提高粘度,柔性:刚性添加剂提高粘度,柔性添加剂降低粘度。添加剂降低粘度
25、。原料的影响原料的影响第二十三页,讲稿共九十页哦聚合物的弹性行为 聚合物流体在流动过程中,既有剪切流动,而且存在拉伸流动。聚合物流体在流动过程中,既有剪切流动,而且存在拉伸流动。由于流动中的拉伸力,使聚合物分子产生弹性变形,这种弹性由于流动中的拉伸力,使聚合物分子产生弹性变形,这种弹性变形不能很快恢复,有一定的滞后时间。变形不能很快恢复,有一定的滞后时间。聚合物熔体的粘弹性行为聚合物熔体的粘弹性行为第二十四页,讲稿共九十页哦粘流态聚合物熔体是粘性与高弹性两种性质并存的,在成型流动中粘流态聚合物熔体是粘性与高弹性两种性质并存的,在成型流动中常伴随有弹性反应,最突出的表现为常伴随有弹性反应,最突出
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