第二章塑料成型的理论基础.ppt

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1、第二章第二章 塑料成型的塑料成型的理论基础理论基础聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 2.1 概述概述 为了更好地认识塑料成型方法依据的为了更好地认识塑料成型方法依据的原理，即工艺条件、设备、模具间的相互原理，即工艺条件、设备、模具间的相互关系，这就有必要把共同的部分加以分析关系，这就有必要把共同的部分加以分析讲解。讲解。这一章我们要重点讨论这一章我们要重点讨论聚合物聚合物塑塑料料在成型过程中的在成型过程中的流变行为流变行为、热行为热行为和和物物理化学行为理化学行为。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论

2、基础塑料成型的理论基础1、流变行为流变行为 流变学是研究介于流体与固体流变学是研究介于流体与固体之间的特殊物体之间的特殊物体粘弹体的流动粘弹体的流动与变形关系的科学，它既有流动，与变形关系的科学，它既有流动，又有弹性变形和粘性变形。又有弹性变形和粘性变形。我们用流变学来研究塑料在成我们用流变学来研究塑料在成型中的流变行为。型中的流变行为。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础2、热行为热行为 加热可以使塑料具有流动性和加热可以使塑料具有流动性和可塑性，在加热和冷却过程中其特可塑性，在加热和冷却过程中其特性参数将发生什么变化，这称为热性参数将

3、发生什么变化，这称为热行为。如端末效应、剪切影响等。行为。如端末效应、剪切影响等。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础3、物理化学行为物理化学行为 物理行为指加热成型过程中：粘度、物理行为指加热成型过程中：粘度、弹性、结晶过程以及结晶定向问题。弹性、结晶过程以及结晶定向问题。化学行为指加热成型过程中：空气、化学行为指加热成型过程中：空气、光、压力、剪切等外界条件的作用下所光、压力、剪切等外界条件的作用下所发生的化学变化。有些是分解、降解、发生的化学变化。有些是分解、降解、交联。交联。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章

4、塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 聚合物成型加工时不仅仅是形状聚合物成型加工时不仅仅是形状的改变，而且聚合物材料本身的结构的改变，而且聚合物材料本身的结构也会发生变化，材料的性质也随同一也会发生变化，材料的性质也随同一起改变。起改变。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础一、聚合物分子链结构及聚集态结构一、聚合物分子链结构及聚集态结构 聚合物结构的主要特点聚合物结构的主要特点 1、高分子链是由很大数目的结构单元、高分子链是由很大数目的结构单元组成，数量达到组成，数量达到 103105，通过共价键连成，通过共价键连成不同的结构。如：聚乙烯

5、不同的结构。如：聚乙烯-CH2-CH2-n 聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 聚合物分子结构有聚合物分子结构有：线形：线形、枝化、枝化、星形星形、接枝、接枝、梯形、梯形、交联等。、交联等。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 2、一般高分子聚合物的主链都有一、一般高分子聚合物的主链都有一定的定的内旋转内旋转自由度，可以弯曲，这使高分自由度，可以弯曲，这使高分子长链具有柔性。子长链具有柔性。3、高分子链间一旦发生交联反应，、高分子链间一旦发生交联反应，则聚合物表现为不溶、不熔。则聚

6、合物表现为不溶、不熔。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 4、高分子聚合物结构单元之间的范、高分子聚合物结构单元之间的范德华力对高分子聚合物的力学性能有着重德华力对高分子聚合物的力学性能有着重要影响。要影响。5、高分子聚合物的分子聚集态结构、高分子聚合物的分子聚集态结构存在有晶态和非晶态。存在有晶态和非晶态。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础高分子聚合物的聚集态结构高分子聚合物的聚集态结构 1、高分子聚合物的聚集态及转变、高分子聚合物的聚集态及转变 （1）高分子聚合物的聚集态）高

7、分子聚合物的聚集态 低分子聚集态：气态、液态、固态低分子聚集态：气态、液态、固态 高分子聚集态：玻璃态、高弹态、粘流高分子聚集态：玻璃态、高弹态、粘流态态聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础线性聚合物的热力学曲线线性聚合物的热力学曲线1 1非结晶性聚合物；非结晶性聚合物；非结晶性聚合物；非结晶性聚合物；2 2结晶性聚合物结晶性聚合物结晶性聚合物结晶性聚合物聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 （2）高分子聚合物聚集态的转变）高分子聚合物聚集态的转变 1）加热或冷却）加热或冷却冷却冷却

8、 冷却冷却玻璃态玻璃态 高弹态高弹态 粘流态粘流态 加热加热 加热加热聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 加热能使玻璃态高分子聚合物软化为加热能使玻璃态高分子聚合物软化为似橡胶类的高分子聚合物，此软化温度称似橡胶类的高分子聚合物，此软化温度称为玻璃化温度以为玻璃化温度以Tg表示。表示。继续升高温度高弹态逐渐转变为高粘继续升高温度高弹态逐渐转变为高粘性的流体，此时的转变温度称为粘流温度性的流体，此时的转变温度称为粘流温度Tf。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 2）制成溶液或去除溶

9、剂）制成溶液或去除溶剂 在恒定温度下，加入或去除溶剂（或在恒定温度下，加入或去除溶剂（或蒸发）而制备高分子聚合物溶液的过程。蒸发）而制备高分子聚合物溶液的过程。在这个过程中将发生着聚集态的转变，该在这个过程中将发生着聚集态的转变，该转变也能可逆进行。转变也能可逆进行。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础3）改变聚合度）改变聚合度 随着聚合度的变化，高分子随着聚合度的变化，高分子聚合物也会出现上述的三种聚集聚合物也会出现上述的三种聚集状态的变化。状态的变化。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的

10、理论基础高分子聚合物的玻璃化转变高分子聚合物的玻璃化转变 1、玻璃化转变的特征、玻璃化转变的特征 当玻璃态加热时可转变为粘流态（液当玻璃态加热时可转变为粘流态（液态），反之冷却降温可使液态（粘流态）态），反之冷却降温可使液态（粘流态）成为固态（玻璃态）。当液体冷却固化时成为固态（玻璃态）。当液体冷却固化时有两种情况：有两种情况：聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 一种情况是：分子按一定晶格重排成有一种情况是：分子按一定晶格重排成有规则结构，形成结晶。这个过程就称为结规则结构，形成结晶。这个过程就称为结晶化作用，此转化温度称为熔点晶化作用

11、，此转化温度称为熔点Tm，聚合，聚合物结晶化过程是产生相变，有明显的熔点、物结晶化过程是产生相变，有明显的熔点、比容和比热等性质发生突变。比容和比热等性质发生突变。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 另一种情况是：聚合物液体（熔体）冷另一种情况是：聚合物液体（熔体）冷却时分子或结构单元来不及重排，而粘度却时分子或结构单元来不及重排，而粘度已变得很大，以至液体结构被固定下来，已变得很大，以至液体结构被固定下来，而成液相固体，无定型态，这就是玻璃态而成液相固体，无定型态，这就是玻璃态或冷却液体，这种过程称为玻璃化，此过或冷却液体，这种过程称

12、为玻璃化，此过程中的比热、比容等性质是连续变化的，程中的比热、比容等性质是连续变化的，无突变现象。无突变现象。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 2、影响玻璃化温度的结构因素、影响玻璃化温度的结构因素 玻璃化温度可以进一步理解为这样一个玻璃化温度可以进一步理解为这样一个温度，在这个温度下，其动能足以克服链温度，在这个温度下，其动能足以克服链段间的吸力而内旋，可见，凡是影响柔性段间的吸力而内旋，可见，凡是影响柔性和分子间吸力的因素就是影响玻璃化温度和分子间吸力的因素就是影响玻璃化温度的因素。在这些因素中尤以极性基团和位的因素。在这些因素中

13、尤以极性基团和位置较大的基团的影响最为明显。置较大的基团的影响最为明显。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础（1）玻璃化温度与结构的关系玻璃化温度与结构的关系 非极性大分子内旋容易，非极性大分子内旋容易，柔性大，分子间吸力小，因柔性大，分子间吸力小，因此玻璃化温度低此玻璃化温度低。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础（2）分子量对玻璃化温度的影响分子量对玻璃化温度的影响 当分子量不太高时，玻璃化温度随分当分子量不太高时，玻璃化温度随分子量增加而不断增高。当分子量高达某一子量增加而不断

14、增高。当分子量高达某一数量时，继续增加分子量时，玻璃化温度数量时，继续增加分子量时，玻璃化温度已不再继续升高，而趋向定值，当玻璃化已不再继续升高，而趋向定值，当玻璃化温度达到定值时，相应的分子量称为临界温度达到定值时，相应的分子量称为临界分子量。分子量。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础（3）交联对玻璃化的影响交联对玻璃化的影响 交联属于化学键，其键能远较交联属于化学键，其键能远较物理键能大，因此，交联的引入将物理键能大，因此，交联的引入将妨碍链段的运动，使玻璃化温度大妨碍链段的运动，使玻璃化温度大大提高。大提高。聚合物成型原理及工艺聚

15、合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础（4）增塑剂的影响）增塑剂的影响 高分子聚合物中加入增塑剂高分子聚合物中加入增塑剂后，掩盖了极性基团的作用，并后，掩盖了极性基团的作用，并且使分子间距离增大，因此玻璃且使分子间距离增大，因此玻璃化温度将降低。化温度将降低。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础聚集态与加工性的关系聚集态与加工性的关系 T Tg 玻璃态玻璃态 适于机械加工，如适于机械加工，如车削、锉削、钻孔、切螺纹等。加工使用车削、锉削、钻孔、切螺纹等。加工使用的最低温度是脆化温度的最低温度是脆化温度Tb。

16、TgTTf 粘流态（粘流态（Tf 为粘流温度）可为粘流温度）可进行变形大，形状复杂的成型如注射、挤进行变形大，形状复杂的成型如注射、挤出等。此时的力学特点是整个分子链的运出等。此时的力学特点是整个分子链的运动变为可能，在外力作用下，可发生不可动变为可能，在外力作用下，可发生不可逆的粘流持续形变。逆的粘流持续形变。TTd（降解温度），制品外观质（降解温度），制品外观质量和力学性能下降。量和力学性能下降。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础聚合物状态聚合物状态玻璃态玻璃态高弹态高弹态粘流态粘流态大分子运动情大分子运动情况况 主、支链都不主、支

17、链都不能动能动 吸收能量后使吸收能量后使支链或大分子的支链或大分子的链段可以运动链段可以运动 使大分子主、使大分子主、支链都能运动，支链都能运动，在一定的条件下在一定的条件下都会发生不可逆都会发生不可逆的变形的变形从流变角度看从流变角度看 似玻璃，只有似玻璃，只有少数有一定韧性，少数有一定韧性，但不是绝对没有但不是绝对没有变形，实际上是变形，实际上是有变形、流动的有变形、流动的似橡胶似橡胶 出现明显的弹出现明显的弹性变形、粘性变性变形、粘性变形，它是不可逆形，它是不可逆的的成型加工成型加工 只有机械加工只有机械加工（车、铣等）（车、铣等）吹塑薄膜、吹塑薄膜、热成型、拉伸、热成型、拉伸、弯曲成各

18、种制品弯曲成各种制品 大量的成型方大量的成型方法是在粘流态，法是在粘流态，挤出、注射、压挤出、注射、压制等制等聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础2.2 聚合物的流动和流变行为聚合物的流动和流变行为 聚合物成型的充分必要条件：聚合物成型的充分必要条件：（1）有可塑性）有可塑性 （2）有力的作用）有力的作用 只有让聚合物处于粘流态才具有可塑性，只有让聚合物处于粘流态才具有可塑性，才能成型。还必须有力的作用，才能得到才能成型。还必须有力的作用，才能得到需要的形状，并使形状固定。需要的形状，并使形状固定。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺

19、 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 力的作用有：剪应力、拉伸应力、压应力的作用有：剪应力、拉伸应力、压应力。力。剪应力在成型中是最重要的，塑料受剪剪应力在成型中是最重要的，塑料受剪切应力的作用才能流动、定型。切应力的作用才能流动、定型。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础1、剪切粘度与非牛顿流体、剪切粘度与非牛顿流体基本概念：基本概念：在低分子流体中，处于稳定流动在低分子流体中，处于稳定流动的条件下（保持一定的温度）这时出的条件下（保持一定的温度）这时出现的是层流。当压力加大到一定值时现的是层流。当压力加大到一定值时就会

20、出现湍流。就会出现湍流。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 层流层流：液体主体的流动是按许多彼此：液体主体的流动是按许多彼此平行的流层进行，同一流层之间各点的速平行的流层进行，同一流层之间各点的速度彼此相同，但各层之间的速度不一定相度彼此相同，但各层之间的速度不一定相等。等。湍流湍流:当流速超过临界值时，流体会当流速超过临界值时，流体会出现扰动，再大会变为湍流。出现扰动，再大会变为湍流。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 用雷诺准数用雷诺准数R e来区分层流与湍流：来区分层流与湍

21、流：R e=DV/式中：式中：D 管道直径管道直径 V 液体流速液体流速 液体密度液体密度 剪切粘度剪切粘度 当当R e2300时为层流；时为层流；R e4000时为时为湍流；湍流；2300R e4000时为过渡流。时为过渡流。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 聚合物的成型过程中，其熔体的粘度聚合物的成型过程中，其熔体的粘度为为102109 泊，而管道直径泊，而管道直径D、液体流速、液体流速V 和液体密度和液体密度都很有限，所以上述公式计算都很有限，所以上述公式计算出的雷诺准数出的雷诺准数R e2300，因此聚合物成，因此聚合物成型时

22、的流动都是型时的流动都是层流层流。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础剪应力和剪切速率的概念剪应力和剪切速率的概念 剪应力：剪应力：单位面积所受的剪切力单位面积所受的剪切力 =P/A （N/m2 或或Pa）聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 大量的低分子流体在一定温度下的层流大量的低分子流体在一定温度下的层流有速度差称为速度梯度有速度差称为速度梯度 。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 流体流动管道中心处的剪力流体流动管道中

23、心处的剪力F 最大，流最大，流速速V 最快。最快。式中：式中：dv 速度增量；速度增量；dr 半径增量半径增量 管中心处剪应力：管中心处剪应力：=F/A 式中：式中：F 中心处剪力；中心处剪力；A 中心处面积中心处面积聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 描述流体层流采用描述流体层流采用描述流体层流采用描述流体层流采用牛顿流动定律牛顿流动定律牛顿流动定律牛顿流动定律，该定律称：，该定律称：，该定律称：，该定律称：当有剪切应力当有剪切应力当有剪切应力当有剪切应力 于定温下施加到两个相距为于定温下施加到两个相距为于定温下施加到两个相距为于定温

24、下施加到两个相距为d dr r 的流的流的流的流体平行层面并以相对速度体平行层面并以相对速度体平行层面并以相对速度体平行层面并以相对速度d dv v 运动，则剪切应力与运动，则剪切应力与运动，则剪切应力与运动，则剪切应力与剪切速率剪切速率剪切速率剪切速率 d dv v/d/dr r之间呈直线关系。可用下式表示：之间呈直线关系。可用下式表示：之间呈直线关系。可用下式表示：之间呈直线关系。可用下式表示：该式称为：该式称为：该式称为：该式称为：牛顿流体流动方程牛顿流体流动方程牛顿流体流动方程牛顿流体流动方程聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础牛

25、顿流体的流动曲线牛顿流体的流动曲线聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础非牛顿流体非牛顿流体 凡是流体的流动性行为不遵从牛顿流凡是流体的流动性行为不遵从牛顿流动定律的，均称为动定律的，均称为非牛顿流体非牛顿流体。聚合物成型过程中表现的流动性一般聚合物成型过程中表现的流动性一般为非牛顿流体的流动行为。为非牛顿流体的流动行为。如果不考虑聚合物熔体的弹性，我们如果不考虑聚合物熔体的弹性，我们将非牛顿流体归纳为将非牛顿流体归纳为粘性系统和有时间依粘性系统和有时间依赖性的系统。赖性的系统。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成

26、型的理论基础塑料成型的理论基础 （1）粘性系统）粘性系统 特征特征：在受到外力作用流动时其剪切：在受到外力作用流动时其剪切速率只依赖于所施加剪应力的大小。速率只依赖于所施加剪应力的大小。根据剪应力和剪切速率的关系，粘性根据剪应力和剪切速率的关系，粘性系统可分为系统可分为假塑性流体、膨胀性流体和宾假塑性流体、膨胀性流体和宾哈流体三种哈流体三种。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 聚合物的剪切应力与剪切速率是不恒定聚合物的剪切应力与剪切速率是不恒定的，如果还用粘度来表示的话，记作的，如果还用粘度来表示的话，记作表观表观粘度粘度a。表观粘度表

27、观粘度a 在一定温度下不再是常数，在一定温度下不再是常数，不仅依赖于流体的组成、结构和所处温度，不仅依赖于流体的组成、结构和所处温度，还随剪应力、剪切速率甚至时间而变。还随剪应力、剪切速率甚至时间而变。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 1）假塑性流体）假塑性流体 流动方程流动方程指数定律指数定律 另一种形式另一种形式聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 指数定律中：指数定律中：K 为熔体稠度的量度，为熔体稠度的量度，n为非牛顿指为非牛顿指数，数，m、k 为流动度为流动度 n 1，

28、其大小表示了该液体，其大小表示了该液体偏离牛顿液体的程度。偏离牛顿液体的程度。熔体的表观粘度随着剪切应力的增熔体的表观粘度随着剪切应力的增加而减小，这是聚合物流体中最常见的加而减小，这是聚合物流体中最常见的形态。形态。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 剪切变稀剪切变稀：假塑性流体其粘度随剪应：假塑性流体其粘度随剪应力或剪切速率的增加而减小的现象。力或剪切速率的增加而减小的现象。可能的可能的原因原因：A、高分子链的严重不对称；高分子链的严重不对称；B、流动单元不是单个分子，而是超流动单元不是单个分子，而是超分子群集体，剪切速率增加，使其

29、尺寸变分子群集体，剪切速率增加，使其尺寸变小，小，粘度减小粘度减小；C、大分子的缠结，形成大分子的物理、大分子的缠结，形成大分子的物理交链点，受到破坏后使得粘度下降。交链点，受到破坏后使得粘度下降。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 2）膨胀性流体）膨胀性流体特点特点：表观粘度随剪应力的增加而上升：表观粘度随剪应力的增加而上升流变方程流变方程：聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 原因原因：

30、静态时，流体勉强充满固体粒静态时，流体勉强充满固体粒子之间的小空隙，当剪应力不大时，流体子之间的小空隙，当剪应力不大时，流体可在移动的固体粒子间充当润滑剂，表观可在移动的固体粒子间充当润滑剂，表观粘度不高，但当剪应力增高时，固体粒子粘度不高，但当剪应力增高时，固体粒子间的紧密堆砌就被破坏，整个体系显得有间的紧密堆砌就被破坏，整个体系显得有些膨胀，润滑作用受到限制，表观粘度就些膨胀，润滑作用受到限制，表观粘度就增大。增大。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 3）宾哈流体）宾哈流体 特点特点：只有当剪应力高到屈服应力值：只有当剪应力高到屈服

31、应力值时才发生塑性流动，且时才发生塑性流动，且 与与 呈线性关呈线性关系系 流动方程流动方程：聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 式中：式中：为刚度系数，等于流动曲线为刚度系数，等于流动曲线的斜率。的斜率。宾哈流体当剪应力小于屈服应力时为固宾哈流体当剪应力小于屈服应力时为固体，一旦大于该值立刻呈现流动行为，原体，一旦大于该值立刻呈现流动行为，原因是流体静止时形成了凝胶结构，外力增因是流体静止时形成了凝胶结构，外力增大受到破坏开始流动。如牙膏、油漆、润大受到破坏开始流动。如牙膏、油漆、润滑脂、泥浆等都属于或接近宾哈流体。滑脂、泥浆等都属于

32、或接近宾哈流体。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础三种粘性系统非牛顿流体的流动曲线三种粘性系统非牛顿流体的流动曲线聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 （2）有时间依赖性的系统）有时间依赖性的系统 流体的剪切速率不仅与所施加的剪切流体的剪切速率不仅与所施加的剪切应力有关，还依赖于应力所施加时间的长应力有关，还依赖于应力所施加时间的长短，可分为摇溶性和振凝性流体两种短，可分为摇溶性和振凝性流体两种 1）摇溶性液体摇溶性液体（触变性流体触变性流体）特点特点：随剪切应力持续时间而粘度下：

33、随剪切应力持续时间而粘度下降的流体称为摇溶性流体，如：涂料和油降的流体称为摇溶性流体，如：涂料和油墨。墨。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 2）振凝性流体振凝性流体 与摇溶性液体的溶液性质相反的流体。与摇溶性液体的溶液性质相反的流体。如某些浆状物和石膏的水溶液。如某些浆状物和石膏的水溶液。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 目前这两种流体的具体机理尚不太清楚，目前这两种流体的具体机理尚不太清楚，几种几种可能的解释可能的解释 静止时，粒子间形成一种非永久性的静止时，粒子间形成一种

34、非永久性的次价交链点，是一种缔合现象，当受外力次价交链点，是一种缔合现象，当受外力作用时，交链点被破坏，表观粘度下降，作用时，交链点被破坏，表观粘度下降，停止时，缔合又开始，粘度上升。停止时，缔合又开始，粘度上升。振凝性解释类似，在搅动状态下形成振凝性解释类似，在搅动状态下形成缔合交链，与上边作用相反。含氢键的易缔合交链，与上边作用相反。含氢键的易形成次价交链点，以上两种变化均可逆，形成次价交链点，以上两种变化均可逆，尚未发生永久性变形，主要是溶液和聚合尚未发生永久性变形，主要是溶液和聚合体有摇溶性现象，高聚物很少见。体有摇溶性现象，高聚物很少见。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二

35、章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 聚合物的特性：聚合物的特性：（1）剪应力）剪应力 对剪切速率对剪切速率 的影响的影响 讨论是在有限的范围内进行的（讨论是在有限的范围内进行的（1105秒秒-1），实际上对于每一种塑料剪应力），实际上对于每一种塑料剪应力的的值仅在一个数量级之间。值仅在一个数量级之间。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 直线与曲线的偏差：直线与曲线的偏差：这个关系式是由大量的实验测得的经验这个关系式是由大量的实验测得的经验数据处理后确定的，不是严格地推导而来数据处理后确定的，不是严格地推导而来的。的。聚合物成

36、型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 对于牛顿液体对于牛顿液体 n=1 即是一条直线，其即是一条直线，其斜率为斜率为1。对于非牛顿液体。对于非牛顿液体n 1，即与直线，即与直线有一定的偏差，有一定的偏差，n 的大小表示了非牛顿性的大小表示了非牛顿性的强弱，的强弱，n 越小，非牛顿性就越强。越小，非牛顿性就越强。由于：由于：则：则：聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 这里这里K 是表示液体稠度的一种度量叫是表示液体稠度的一种度量叫牛顿常数。它相当于牛顿液体牛顿常数。它相当于牛顿液体的，的，K

37、 越大，越大，流动性越差。流动性越差。非牛顿体的另一种表达式：非牛顿体的另一种表达式：其中其中 k 表示流动度，表示流动度，k 越大，流动性越大，流动性越好越好聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 比较上式得比较上式得K=（1/k）n，令，令m=1/n。从这个式子可以看出，从这个式子可以看出，k的变化大，的变化大，K 的变的变化小。化小。K、k 都是随温度变化的，在一定温度都是随温度变化的，在一定温度下可视为常数。下可视为常数。m、n都是牛顿指数，是指该液体偏离都是牛顿指数，是指该液体偏离牛顿体的程度，牛顿体的程度，m=1/n，m1、n1

38、，对，对于牛顿体于牛顿体m=n=1。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础（2）剪切速率）剪切速率 对表观粘度对表观粘度 的影响的影响聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 结论结论:（1）对于假塑性液体，同一种聚合物）对于假塑性液体，同一种聚合物的的 随随 的增加而下降（这于实验结果相的增加而下降（这于实验结果相同）。同）。（2）对于不同的聚合物）对于不同的聚合物 随各种熔体随各种熔体m 值不同，而反映的非牛顿性不同，一般值不同，而反映的非牛顿性不同，一般m=14，最高，最高m可达可达

39、5。m越大，越大，随随 变变化的幅度大，即聚合物对化的幅度大，即聚合物对 敏感；敏感；m越小，越小，则则 随随 下降缓慢。下降缓慢。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础不同聚合物表观粘度与剪切速率的关系不同聚合物表观粘度与剪切速率的关系聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础聚苯乙烯聚苯乙烯聚甲基丙烯酸聚甲基丙烯酸甲酯甲酯 对于成型加工的指导意义：对于成型加工的指导意义：要得到良好的流动性对变化敏感的材要得到良好的流动性对变化敏感的材料，则采用提高料，则采用提高 ，以降低，以降低 ，便于

40、成型。，便于成型。而对于不敏感的材料，提高而对于不敏感的材料，提高 是不一定有是不一定有效果的。效果的。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 2、拉伸粘度、拉伸粘度 拉伸粘度定义拉伸粘度定义：在拉力作用下，拉应力：在拉力作用下，拉应力与拉伸后发生的拉伸应变速率的比值称为与拉伸后发生的拉伸应变速率的比值称为拉伸粘度。拉伸粘度。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 比较：比较：聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 （1）在实际生产中

41、，大部分成型过程）在实际生产中，大部分成型过程受剪应力，而有些受拉应力。如熔体流动受剪应力，而有些受拉应力。如熔体流动管道截面积变化（特别是指熔体从大管道管道截面积变化（特别是指熔体从大管道流入小管道），为保证流动的连续性，则流入小管道），为保证流动的连续性，则发生拉应力作用，这称为发生拉应力作用，这称为收敛流动收敛流动。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 熔体在一定拉伸应熔体在一定拉伸应力作用下，拉伸粘度有力作用下，拉伸粘度有所所增加增加（插图中（插图中A），），则这样的材料就便于吹则这样的材料就便于吹塑成型（不易破裂）。塑成型（不易

42、破裂）。如果拉伸粘度随应力如果拉伸粘度随应力下下降降的话，就不能吹塑成的话，就不能吹塑成型（插图中型（插图中B）。）。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础（2）大多数聚合物熔体：大多数聚合物熔体：则则a 则则（或（或基本不变）基本不变）聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 （3）剪切力总是成对且相互平行的，）剪切力总是成对且相互平行的，没有方向数；拉伸粘度有方向性：有单向没有方向数；拉伸粘度有方向性：有单向拉伸（如生产单丝、压延）、双向拉伸拉伸（如生产单丝、压延）、双向拉伸（吹塑薄膜

43、、中空制品）和三向拉伸（目（吹塑薄膜、中空制品）和三向拉伸（目前生产上还很难作到）。前生产上还很难作到）。在单向拉伸时：在单向拉伸时：3a 在双向拉伸时：在双向拉伸时：6a聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 3、假塑性液体剪切粘度与、假塑性液体剪切粘度与 温度、压温度、压力的关系力的关系 很多材料的粘度都与温度有关，在生很多材料的粘度都与温度有关，在生活中我们都是有这种体会。对聚合物从理活中我们都是有这种体会。对聚合物从理论上推导还不是十分精确的，大部分计算论上推导还不是十分精确的，大部分计算公式是由实验中总结出来的数学模型公式是由实验

44、中总结出来的数学模型。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 温度与流体剪切粘度的关系：温度与流体剪切粘度的关系：=a e（T0 0-T）粘度与压力的关系：粘度与压力的关系：p=p0 0 eb（P0 0-P）聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 不同的聚合物对温度变化的敏感程度不同的聚合物对温度变化的敏感程度是不同的，对于温度敏感大的聚合物，可是不同的，对于温度敏感大的聚合物，可以通过提高温度来降低粘度。对于热稳定以通过提高温度来降低粘度。对于热稳定性差的聚合物，不能通过提高温度来改善

45、性差的聚合物，不能通过提高温度来改善流动性。流动性。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 聚合物受压力时，分子间自由体积空间聚合物受压力时，分子间自由体积空间将减少，在静压力作用下聚合物剪切粘度将减少，在静压力作用下聚合物剪切粘度要增加。这就说明了为什么在挤出、注射要增加。这就说明了为什么在挤出、注射生产中，有时增加压力反而会使产量下降，生产中，有时增加压力反而会使产量下降，或型腔不易充满的道理。或型腔不易充满的道理。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 有些聚合物，压力的增加会使其

46、粘度有些聚合物，压力的增加会使其粘度产生骤变，如产生骤变，如PS，压力由，压力由500kg/cm2 增至增至1800 kg/cm2 时其粘度增加时其粘度增加1.35倍。而对于倍。而对于PE，同样条件下仅增加，同样条件下仅增加0.57倍。倍。一般的说：在温度增加一般的说：在温度增加 50或压力增或压力增加加1000 kg/cm2 时，聚合物粘度的变化都会时，聚合物粘度的变化都会达到一个数量级。达到一个数量级。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 总结：总结：（1）凡是能够增加熔体自由体积的因）凡是能够增加熔体自由体积的因素，如压力素，如压力

47、P下降、温度下降、温度T上升，都能活跃上升，都能活跃大分子链的运动，使粘度大分子链的运动，使粘度下降。下降。（2）凡是能减少大分子缠结作用的因）凡是能减少大分子缠结作用的因素（素（、）都能加速大分子链的运动，使粘）都能加速大分子链的运动，使粘度度下降。下降。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 （3）对分散体（溶液）向其中添加溶）对分散体（溶液）向其中添加溶剂会使粘度剂会使粘度下降；加填料会使粘度下降；加填料会使粘度上升上升（填料会使大分子间摩擦加大）。（填料会使大分子间摩擦加大）。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章

48、塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 4、聚合物熔体的弹性、聚合物熔体的弹性 高分子聚合物熔体流过管道在出口处有高分子聚合物熔体流过管道在出口处有明显的增粗（表现出弹性）这称为出模膨明显的增粗（表现出弹性）这称为出模膨胀。这是因为高聚物是粘弹体，因此受一胀。这是因为高聚物是粘弹体，因此受一定的应力作用会产生粘性变形和弹性变形。定的应力作用会产生粘性变形和弹性变形。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础粘性变形粘性变形 弹性变形弹性变形 高分子聚合物发生流动高分子聚合物发生流动时，产生不可逆的变形，能时，产生不可逆的变形，能量被消耗了。量被消

49、耗了。可以恢复的可逆变形，可以恢复的可逆变形，有部分能量被储存起来，当有部分能量被储存起来，当应力取消后，储存的能量被应力取消后，储存的能量被释放，则恢复它原来的形状。释放，则恢复它原来的形状。聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 粘弹体的恢复有一定的时间称为粘弹体的恢复有一定的时间称为松弛时松弛时间间，这个过程称为，这个过程称为松弛过程松弛过程，这是由大分，这是由大分子内存在的粘性阻滞造成的。子内存在的粘性阻滞造成的。松弛时间：松弛时间：t=a/G 式中：式中：a 表观粘度；表观粘度；G 剪切弹性模量。剪切弹性模量。聚合物成型原理及工艺

50、聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 （1）剪切弹性变形：度量的物理量叫剪）剪切弹性变形：度量的物理量叫剪切弹性模量切弹性模量G，它的单位（量纲）与应力是，它的单位（量纲）与应力是一致的，为：力一致的，为：力/面积。从其意义上来讲面积。从其意义上来讲G反映了该熔液体抵抗弹性变形的能力。反映了该熔液体抵抗弹性变形的能力。G=/rR rR 剪切弹性变形产生的剪切位移剪切弹性变形产生的剪切位移梯度梯度聚合物成型原理及工艺聚合物成型原理及工艺 第二章第二章 塑料成型的理论基础塑料成型的理论基础 rR=（x2-x1）/dR=dx/dR dx 相邻两层液体位移差相邻两层