塑料成型的理论基础ppt课件.ppt
( 4.5 )《塑料成型的理论基础ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《塑料成型的理论基础ppt课件.ppt（98页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、第二章第二章 塑料成型的理塑料成型的理论基础论基础2 21 1概述概述 塑料成型是一门工程技术，它所涉及的内容是将塑料转变为具有使用价值并能保持原有性能，甚至超过原有性能的材料和制品。 在所有的成型过程中，塑料都会发生物理和（或）化学变化，从而构成材料不同的形态结构，表现出不同的性能。因此，必须对这些变化有足够的认识，才能设计出合理的原料配方，确定出合理的成型工艺和对设备提出合理的要求。在此基础上进一步对材料进行结构和性能设计，构造出能满足不同场合需要的材料和制品。 本章将简要叙述塑料在成型过程中表现的一些共同的基本物理和化学行为聚合物的流变、传热、结晶、定向和化学反应等现象。其它的一些内容，
2、则将分散在以后各章中讨论。 2.22.2聚合物的流变行聚合物的流变行为为一、剪切粘度和牛顿流动 熔体与分散体： 常态（结晶态、玻璃态），高弹态，粘流态。应用种类： 液体的流动和变形都是在受有应力的情况下得以实现的。重要的应力有剪切、拉伸和压缩应力三种。 w剪切应力：剪切使流体克服阻力而流动设备中， 模具中；一般把流体看成许多层，层与层之间的作用力。w拉伸应力：拉伸应力在塑料成型中也较重要，经常是与剪切应力共同出现的，例如吹塑中型坯的引伸，吹塑薄膜时泡管的膨胀，塑料熔体在锥形流道内的流动以及单丝的生产等等。 牛顿流体w层流：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
3、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扰动。w湍流：流动速度增大且超过临界值时则流动转变为湍流。w临界：vDRew式中D为管道直径，v为液体流动的平均速度，为流体的密度。为流体的剪切粘度。对通过流体而言，凡Re4000时则为湍流。 w由于聚合物流体的粘度大，流速低，在成型中其Re10,一般为层流。牛顿流体：描述流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（用Nm2或Pa表示）于定温下施加到两个相距为办的流体平行层面并以相对速度dv运动（见图21），则剪切应力与剪切速率dvdr（s）之间呈直线关系，可表示如式 ：rdrdv 式中为比例常数，称为切变粘度系数或牛
4、顿粘度， 简称粘度，单位为Pa.S。 牛顿型流体的流动曲线是通过原点的直线，该直线与r轴夹角的正切值是牛顿粘度值（图22）。高聚物的熔体：大部分只能在剪切应力很小时才能符合牛顿流体，大部分不符合牛顿流体；聚合物分散体溶液在成型过程中也不是牛顿流体。二.非牛顿型流体及流动 凡流体的流动行为不遵从牛顿流动定律的，均称为非牛顿型流体。非牛顿型流体流动时剪切应力和剪切速率的比值不再称为粘度而称为表观粘度，用 表示表现粘度在一定温度下并不是一个常数，可随剪切应力、剪切速率而变化，甚至有些还随时间而变化。如果不考虑聚合物熔体的弹性（这将在以后讨论），可将非牛顿流体归为两个系统。1 1粘性系统粘性系统 这一
5、系统在受到外力作用而发生流动时的特性是其剪切速率只依赖于所施加剪切应力的大小。根据其剪切应力和剪切速率的关系。又可分为宾哈流体、假塑性流体和膨胀性流体三种。(1) 这种流体与牛顿流体相同，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一定值y后才发生塑性流动（图23）。使流体产生流动的最小应力y，称为屈服应力。宾哈流体的流动方程为：式中p称为刚度系数，等于流动曲线的斜率。机理：因为流体在静止时形成了凝胶结构，外力超过y时这种三维结构即受到破坏。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哈流体。rdrdvppy（2
6、）假塑性流体 它所表现的流动曲线是非直线的（图23），但并不存在屈服应力。流体的表观粘度随剪切应力的增加而降低。大多数聚合物的熔体，也是塑料成型中处理最多的一类物料，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。图24是在对数坐标上绘制的聚合物熔体 的流动曲线。 图24是在对数坐标上绘制的聚合物熔体的流动曲线。A与B是分别在温度Tl和T下所绘的曲线，T1T2。A与B两条曲线曲线均接近于直线直线。 曲线 直线 如果将剪切应力或剪切速率的范围缩小，则A和B将更接近于直线。近似的直线在剪切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。由此可以得知：
7、在任何给定范围内，剪切应力和剪切速率的关系可用指数定律来描述，即：nnrKdrdvK. 式中K与n均为常数（n1）。K是这种流体稠度的一种量度，流体粘稠性越大时，K值就越高；n是判定流体与牛顿流体的差别程度的。n值离整数1越远时，流体的非牛顿性就越强；n为1时，流体即为牛顿流体。 指数函数仅是描述假塑性流体流动行为的一种方式。从工程角度讲，在解决具体问题时要求一个公式描述流体流动的剪切应力范围并不十分宽，所以多采用简单经验性的指数函数。表示假塑性流体流动行为的指数函数，还可以用另一种形式表示（2-5） 式中k与m也是常数（m1）。K称为流动度或流动常数，k值越小时表明流体越粘稠，也是越不易流动
8、。 mkrdrdv.nkK1.ra1.naKmk.mmmak1.1各个参数的关系如下：w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的结构有关。机理如下：机理： 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，但不一定是线性关系。 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，同时还沿着流动的方向规则排列，因此就降低了粘度。缠结点被解
9、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，也可用以说明聚合物熔体粘度随剪切应力增加而降低的原因。 指数函数用式（2一5）描述聚合物熔体流动行为时，式中的m值一般在1.5至4的范围内变化，但当剪切速率增高时，某些聚合物的m值可达至5。 图24中所示的流动曲线，其m值约为3。平均相对分子质量相同的同一种聚合物，其相对分子质量分布幅度大的流动性对所施应力的敏感性大。 w几种热塑性塑料的表关黏度与剪切应力的关系见图2-5。w也表示剪切力、剪切速率和表关黏度之间的关系。（3）膨胀性液体（高固含量的悬浮液） 这种流体的流动曲线也不是直线（图2一3），而且也不存在屈服应力，
10、但与假塑性流体不同的是它的表现粘度会随剪切应力的增加而上升。膨胀性流体的流动行为也可以用式（2一4）或式（25）来描述，只是式（24）中的常数n大于1；式（25）中的常数则小于1。 机理：当悬浮液处于静态时，体系中由固体粒子构成的空隙最小，其中流体只能勉强充满这些空间。当施加于这一体系的剪切应力不大时，也就是剪切速率较小时，流体就可以在移动的固体粒子充当润滑剂，因此，表观粘度不高。但当剪切速率逐度渐增高时，固体粒子的紧密堆砌就次第被破坏，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制，表观粘度就随着剪切速率的增长而增大。 2有时间依赖性的系统 属于这一系统的流体，其
11、剪切速率不仅与所施加的剪切应力的大小有关，而且还依赖于应力施加时间的长短。当所施加的应力不变时，这种流体在恒温下的表观粘度会随着所施加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达到平衡不再变化。这种变化是可逆的，因为流体中的粒子或分子并没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流体称为摇溶性（或触变性）流体，与此相反的则称为震凝性流体。 二者中摇溶性流体较为重要。属于摇溶性流体的有某些聚合物的溶液。如涂料和油墨等； 震凝性流体的有某些浆状物，如石膏的水溶液等。 关于这种系统的流动机理问题还研究得不够深透，目前认为与假塑性和膨胀性流体极为相似，所不同的只是在流动开始后需一
12、定时间以达到平衡。尽管有些学者已对高分子材料的触变机理作了探讨，并提出了触变结构模型，建立了触变动力学方程，但要求得实质性的解，还有一定距离。 对给定的塑料来说，如果通过实验求得了在这种范围内的粘度数据（即流动曲），则对这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。 例如在注射模塑时，如果某一塑料熔体在温度在不大于其阵解温度而于剪切速率103s1的情况下测得其表观粕度为50 - 500Pa.S；则注射中将不会发生困难。 表观枯度过大，则塑模的大小与设计就受有较的限制，同时成型制品很易出现缺陷；过小时，溢模的现象比较严重，制品的质量也以保证 通常所见塑料熔体粘度范围为10107Ps.S
13、；、分散体的粘度约在1 Ps.S左右。三、拉伸粘度 由拉伸应力而引起的流动，而不是由剪切应力仿照下式：rdrdv则有：w 式中为拉伸粘度：为拉伸应力，是以拉伸时真正断面积计算的。w 拉伸流动的概念可由图26来说明，一个流体单元由位（1）变至（2）时，形状发生了不同于剪切流动的变化:w 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口上的滑动，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拉应力是单向、双向等而异，这是剪切粘度所没有的 。假塑性流体的拉伸黏度随着 拉伸应变速率的增加可能的变化: 降低降低（由于解缠结），如HDPE, PP等高聚合度线型高聚物，局部
14、弱点拉伸过程引起熔体破裂升高升高（拉直与沿着拉伸取向），LDPE, PS，聚异丁烯等支化聚合物，拉伸过程的局部弱点均化，拉伸应变硬化（拉直排列和取向）不变不变（两种效应相抵），PMMA, ABS, PA, POM, PET等低聚合度的线型高聚物. 特点特点：拉伸黏度随应力变化一般以增加为主要现象，即使有的下降也很小（相对于剪切黏度）小分子：3 ，聚合物大应力：100拉伸应力具有较大的影响中空加工黏度上升，制品均匀，较少应力集中 几种热塑性塑料的拉伸应力-拉伸黏度的实测数据： 图2-7。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/米时并无任何变化，但有些却随拉伸应力的增大而出现
15、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，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 式中为流体在T时的剪切粘度，0为某一基准温度T0时的剪切粘度，e为自然对数的底，a为常数。从实验知，式（ 12）中的a，在温度范围不大于50时，对大多数流体来说都是常数，超出此范围则误差较大。 注意：如果将式（212）用于剪切粘度对剪切应力（或剪切速率）有敏感性的流体时，则该式只有当剪切应力（或剪切速率）保持恒定时才是准确的。式（212）虽然对聚合物的熔体、溶液和糊都适用，但是必须指出，当用于聚合物糊时，应以在所涉及温度范围内聚
16、合物没有发生溶胀与溶解的情况为准。 表22列出几种常用热塑性塑料熔体在恒定剪切速率下的表现粘度与温度关系的数据。 从表中可知：聚合物分子链刚性越大和分子间的引力越大时，表现粘度对温度的敏感性也越大。但这不是很肯定的结论，因为敏感程度还与聚合物相对分子质量和相对分子质量分布有关。 表现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。 在成型操作中，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
17、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、聚碳酸酯和聚酰胺一66等聚合物熔体的粘度是可行的，因为升温不多即可使其表现粘度下降较多。 2压力对剪切粘度的影响 机理： 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距离时，液体的剪切粘度总是增大。 低分子的液体，其压缩性都很有限，但是高分子聚合物熔体却不然，另外聚合物熔体加工压力通常都比较高，例如注塑150下，受压3503000Kgf/cm2，因此他们的压缩性是可观的。 从以上数据可以预计，聚合物熔体在受有压力时其粘度有所增加，实验也证明
18、这样的推论，在某些情况下表观粘度能增加一个数量级，因此就会呈现这种情况；分明一种塑料在寻常压力范围内是可以成型的，但当压力增大时就不容易流动，当然也就不能成型。 目前关于聚合物熔体在大范围内压力下的表观粘度数据还很少，因为难以测量。 除压力外同时还受剪切应力的影响，各种情况下压力相同，但粘度也会不同分散体的影响 压力对分散体的粘度影响比较小，因为分散体中有一部分属于低分子物3.温度和压力对拉伸粘度的影响 温度和压力对流体拉伸粘度的影响与对剪切粘度的影响相同，故不再赘述。影响剪切弹性模量的因素温度、压力和相对分子质量对聚合物熔体的剪切弹性模量的影响都很有限。影响比较显著的是相对分子质量分布，相对
19、分子质量分布宽的具有较小的模量和大而缓的弹性回复，相对分子质量分布窄的则相反。 有关聚合物的粘性和弹性：聚合物熔体在受有应力时，粘性和弹性两种变形都有发生。两种之中以哪一种占优势，这在成型过程中应当加以考虑。 作为一种粗略的估计： 粘性变形粘性变形 ：凡是变形经历的时间大于“松弛时间”（定义为聚合熔体受到应力作用表观粘度对弹性模量的比值，即aG）的体系则粘性变形将占优势。 机理： 聚会物熔体在受到应力作用的过程中，一方面有分子被拉直, 既分子线团被解缠。另一方面又有已被拉直的分子在发生卷曲和缠结，它是一个动态过程动态过程。 如果在时间上允许分子重新卷曲和缠结进展得多一些，则最后变形中弹性变形部
20、分势必退居次要地位。因为粘性变形部分没有回复的可能，而弹性变形部分则可以回复。 例1：在注射温度为230和注射时间为2S的条件下注射聚甲基丙烯酸甲酯。如果按表21所列数据，最大剪切速率为105S1，则其相应的剪切应力即可从图25中查得为0.9MPa，表观粘度为9Pas。又从图29中查得其相应的剪切模量为021MPa，由此计算出松弛时间为43 10-5 s，同注射时间相比较则实微不足道，因此，在注射过程中的弹性变形是很小的。 例2：如果用相同材料在相同温度下挤出棒材，则最大剪切速率为103s1，剪切应力为3 105Pa，相应的松弛时间为25 103 s。如果熔融塑料通过口模的时间为20s，则最后
21、的弹性变形部分仍然较小，但已比注射成型要大得多。 应该注意的是，尽管弹性变形很小，但仍能使熔体产生流动缺陷，从而影响制品质量，甚至出现废品。2拉伸弹性 物料所受拉伸应力。，对其发生的拉伸弹性变形的比称之为拉伸弹性模量E； E/r 聚合物熔体的E在单向拉伸应力低于1MPa时，相当于剪切弹性模量的三倍； E3G拉伸弹性变形r 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, 属于粘性还是弹性占优势的依据仍然是松弛时间。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经历的时间为5S5S，垂伸的弹性变形速率约为003 S1。在这种情况下熔体的拉伸粘度约为36 1
22、04 PaS，拉伸弹性模量约为46 103 Pa，通过计算知道：松弛时间为松弛时间为8s8s。因此型坯下垂的性质当以弹性为主。如果不加冷却限制，则会收缩。 注意：注意：聚合物熔体在锥形流道中流动时是受有拉应力的，故体系必然同时存在着拉伸变形和剪切变形，而且其效果将是迭加性质的。 拉伸弹性变形和剪切弹性变形一样，是一个动态过程。 熔体在截面不变的通道内流动时不存在拉伸变形，此时出模膨胀与拉伸弹性形变无关。 仍可以用松弛时间来区别熔体中弹性是剪切弹性还是拉伸弹性。具体的方法是根据熔体在成型中所经历的过程分别求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
23、：如果两种应力都不超过103 Pa，则两种松弛时间近似相等，应力较大时，拉伸松弛时间总是大于剪切松弛时间，其程度与聚合物的性质有关。2.2.6、流体在简单截面管道中的流动 导管（流道）成型过程中，经常需要让塑料通过管道（包括模具中的流道），以便对它加热、冷却、加压和成型。通过管道时塑料的状态可以是流体或固体，但前者居多。解决问题：塑料流体在流道内流动时的流率与压力降的关系； 沿着流道截面上的流速分布 ；目的：设计模具和设备了解已有设备的工作性能制定工艺规程目前能够计算的流道截面：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）截面的流道；与有联系的流道，如环隙形流道； 截面的形状是圆
24、形与狭缝形的组合形状；矩形、椭圆形和等边三角形截面的流道。 可以分析计算 ，仅限于牛顿液体。1在圆形流道中的流动基本条件: 层流流动 等温、符合指数定律稳态流动剪切应力与剪切速率之间的关系当塑料熔体按上述情况在等截面圆管内流动时，它所受的剪切应力和真正剪切速率之间应存在如式所示的关系。 规定圆管的半径为R，管长为L，于是在任意半径r处所受剪切应力即为:式中P代表圆管两端的压力降。从一般液体在导管内流动的情况知，在管壁处的流动速度为零。即VrR0，不过聚合物熔体流动时并不为零由于它产生的效应不大，所以依然认为它是零将上述两式合并求其积分，得液体在任意半径处的流速Vr为: 式2-17上式表示:定压
25、下流动液体在圆管戳面上各点的流动速度;压力降与流动速度的关系。 图211是以VrVa(Va为平均流动速度)对r/R所作的图图中四条曲线分别表示四种不同m值的流速分布。 注意：只适合圆形流道液体在管中的容积速率q为：将此式代入（式217）并积分得：如果m1，牛顿流体。则：424LpRkq442pRLqk式2-18式2-19由毛细管流变仪所测的聚合物流体的流动曲线图， 是用层流最大剪切力为PR2L(也就是在管壁处的应力)和同这一剪切应力相应牛顿剪切速率4qR所作的图。用方程对应。与上式比较：所谓牛顿剪切速率就是将非牛顿液体看成牛顿液体时的剪切速率，有时也称为“表现剪切速率这样，如果想用这种图来解决
- 配套讲稿：
如PPT文件的首页显示word图标，表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制：
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片，仅作为作品整体效果示例展示，禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词：
- 塑料 成型 理论基础 ppt 课件
淘文阁 - 分享文档赚钱的网站所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
限制150内