高分子材料基本加工工艺课件1-3.ppt

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1、第四节第四节高分子熔体在简单截面导高分子熔体在简单截面导管中的流动管中的流动在高分子材料加工中，经常会遇到高分子熔在高分子材料加工中，经常会遇到高分子熔体在各种几何形状导管中的流动问题。如在注射体在各种几何形状导管中的流动问题。如在注射成型过程中，高分子熔体在注射机的料筒中被螺成型过程中，高分子熔体在注射机的料筒中被螺杆杆(或柱塞或柱塞)推向前进，通过喷嘴经流道、浇口被推向前进，通过喷嘴经流道、浇口被注入模具腔内；在挤出成型中高分子熔体被转动注入模具腔内；在挤出成型中高分子熔体被转动的螺杆挤入各种成型模具腔内，通过口模挤出成的螺杆挤入各种成型模具腔内，通过口模挤出成型等。了解熔体在流动过程中流

2、量与压力降的关型等。了解熔体在流动过程中流量与压力降的关系、剪切应力与剪切速率的关系等问题，对于控系、剪切应力与剪切速率的关系等问题，对于控制高分子材料的加工工艺、制品的产量与质量以制高分子材料的加工工艺、制品的产量与质量以及模具设计等都有直接的关系。及模具设计等都有直接的关系。一、高分子熔体在长圆管中的流动一、高分子熔体在长圆管中的流动1流动过程中的受力分析流动过程中的受力分析如图如图1-22所示，半径为所示，半径为R长度为长度为L的圆形导管的圆形导管水平放置时，取一半径为水平放置时，取一半径为r、长度为长度为dL的液体微圆柱的液体微圆柱体，简称微液柱。体，简称微液柱。在这微液柱上受到在这微

3、液柱上受到F1、F2和和F3三个力的作用。三个力的作用。F1是推动微液柱由是推动微液柱由A向向B端移动的动力，端移动的动力，F2是和是和F1方方向相反作用于微液柱另一端的阻力向相反作用于微液柱另一端的阻力(它来自于液体的它来自于液体的黏滞性黏滞性)，F3是微液柱外侧表面上由于剪切作用而产是微液柱外侧表面上由于剪切作用而产生的阻力。生的阻力。显然，液体中妨碍液体流动的阻力是沿管轴显然，液体中妨碍液体流动的阻力是沿管轴ZA-ZB方向而增加的，所以，克服这种流动阻力后，方向而增加的，所以，克服这种流动阻力后，推动液体的压力也沿推动液体的压力也沿ZA-ZB方向由方向由Pl降低到降低到P-Po，相相应于

4、微液柱上两端的压力也由应于微液柱上两端的压力也由P1降低到降低到Pl-P1。在在稳态层流时，作用于微液柱上的力都处于平衡状态稳态层流时，作用于微液柱上的力都处于平衡状态.F=F1+F2+F3几个公式几个公式剪切应力的表达式：剪切应力的表达式：r=（r2）(P1dL)(1-25)速度分布速度分布vr=kP(2L)mRm+1/（m+1）1-（r/R）m+1（1-33）Vo=kP(2L)mRm+1/（m+1）（1-34）Va=kRm+1/（m+3）（P）/（2L）m （1-39）Va=kRm+1/（m+3）（P）/（2L）m （1-40）速度分布曲线速度分布曲线柱塞流动柱塞流动柱塞流动的概念柱塞流动

5、的概念对生产的影响对生产的影响产生的原因产生的原因防止的措施防止的措施表观剪切速率和表观流动常数表观剪切速率和表观流动常数/a=（m+3）/4(1-47)k=ka(m+3)4(1-48)第五节第五节高分子材料加工中的聚集态高分子材料加工中的聚集态高高分分子子材材料料在在加加工工中中的的聚聚集集态态变变化化主主要要是指结晶结构和取向结构的变化。是指结晶结构和取向结构的变化。结结晶晶与与取取向向这这些些物物理理变变化化与与加加工工时时的的工工艺参数以及制品的性能关系极大。艺参数以及制品的性能关系极大。结晶的内因和外界条件结晶的内因和外界条件结晶能力只是高分子材料具有结晶倾向结晶能力只是高分子材料具

6、有结晶倾向的内因；这些材料也只有在适宜的外界条件的内因；这些材料也只有在适宜的外界条件（即外因）下才能结晶。（即外因）下才能结晶。因此，结晶高分子材料在加工中既可以因此，结晶高分子材料在加工中既可以形成结晶型的材料，也可以形成非结晶型的形成结晶型的材料，也可以形成非结晶型的（或者说结晶度相当低的）材料。（或者说结晶度相当低的）材料。2、球晶形成速度与温度、球晶形成速度与温度 高高分分子子熔熔体体或或浓浓溶溶液液冷冷却却时时发发生生的的结结晶晶过过程程是是大大分分子子链链段段重重排排进进入入晶晶格格并并由由无无序序变变为为有有序序的松驰过程的松驰过程。大大分分子子链链进进行行重重排排运运动动需需

7、要要一一定定的的热热运运动动能能，要要形形成成结结晶晶结结构构又又需需要要分分子子间间有有足足够够的的内内聚聚能。能。所所以以，热热运运动动的的自自由由能能和和内内聚聚能能要要有有适适当当的比值是大分子进行结晶所必须的热力学条件。的比值是大分子进行结晶所必须的热力学条件。均相成核时，高分子材料结晶速度与均相成核时，高分子材料结晶速度与温度的关系温度的关系热运动的自由能和内聚能的关系热运动的自由能和内聚能的关系在均相成核的条件下，当温度很高时（在均相成核的条件下，当温度很高时（m），），分子热运动的自由能显著地大于内聚能，该体系分子热运动的自由能显著地大于内聚能，该体系中难以形成有序结构，故不能

8、结晶。当温度很低时中难以形成有序结构，故不能结晶。当温度很低时（g），），因分子链的双重运动处于冻结状态，不因分子链的双重运动处于冻结状态，不能发生分子链的重排运动，因而也不能形成结晶结构。能发生分子链的重排运动，因而也不能形成结晶结构。所以，高分子材料结晶过程只能在所以，高分子材料结晶过程只能在gm温度温度范围内发生。但在范围内发生。但在Tg-Tm区间，温度对这两个过程有区间，温度对这两个过程有不同的影响。在图不同的影响。在图1-29中中vi线可以看出，在接近线可以看出，在接近m的温度范围内，由于晶核的自由能高，晶核不稳定，的温度范围内，由于晶核的自由能高，晶核不稳定，故单位时间内成核的数量

9、少，成核的时间长，速率慢。故单位时间内成核的数量少，成核的时间长，速率慢。降低温度则自由能降低，成核数量和成核速率均增加。降低温度则自由能降低，成核数量和成核速率均增加。所以，成核速率最大时的温度偏向所以，成核速率最大时的温度偏向g一侧；在图一侧；在图1-29中中vc线，线，在在g-m之间晶体生长的速率取决于链之间晶体生长的速率取决于链段重排的速率，温度升高有利于链段运动，所以，晶段重排的速率，温度升高有利于链段运动，所以，晶体生长最快时的温度则偏向于体生长最快时的温度则偏向于m一侧。在一侧。在g和和m处成核速率和晶体生长速率均为零。处成核速率和晶体生长速率均为零。最大结晶速率的温度（最大结晶

10、速率的温度（max）max对实际生产有重大的指导意义：对实际生产有重大的指导意义：对某一高分子材料所制得的制品，如果对某一高分子材料所制得的制品，如果制品需要较高的结晶度（详细情况以下将讨论）制品需要较高的结晶度（详细情况以下将讨论），则在成型过程中，冷却时要在，则在成型过程中，冷却时要在max附近保附近保温一段时间；如果制品的结晶度要尽可能地低，温一段时间；如果制品的结晶度要尽可能地低，则在冷却时必须以最快的冷却速率偏离则在冷却时必须以最快的冷却速率偏离max。数值：数值：P35表表1-4计算式：计算式：max（0.80-0.85）mmax0.85mmax0.63m+0.37g-18.53.

11、结晶度结晶度结晶度的计算式：结晶度的计算式：fcwWc/(Wc+Wa)100%fcvVc/(Vc+Va)100%式中式中W重量；重量；V体积；体积；c结晶部分；结晶部分；a非结晶部分。非结晶部分。结晶度的应用：结晶度的应用：结结晶晶度度能能描描述述高高分分子子材材料料的的聚聚集集态态结结构构或或加加工工中中结结构构的的变变化化情情况况,为为了了比比较较各各种种结结构构状状态态对对高高分分子子材材料料物物理理性性质质的影响的影响,结晶度是加工工艺中一项很有用的工艺参数。结晶度是加工工艺中一项很有用的工艺参数。结晶度的模糊性：结晶度的模糊性：P36及表及表1-5的数据的数据4、结晶速率结晶速率PP

12、在不同温度下结晶时的体积变化曲线在不同温度下结晶时的体积变化曲线结晶速率曲线的分析结晶速率曲线的分析结结晶晶速速率率曲曲线线为为S形形，PP在在不不同同温温度度下下结结晶晶时时的的体体积积变变化化曲曲线线见见图图1-30。这这表表明明:结结晶晶速速率率在在中中间间阶阶段段最最快快,结结晶晶后后期期速速度度愈愈来来愈愈慢慢;结结晶晶初初期期的的缓缓慢慢速速度度说说明明高高分分子子由由熔熔融融状状态态冷冷却到却到Tm以下以下,出现结晶诱导时间出现结晶诱导时间ti。由于高分子材料达到完全结晶需很长时由于高分子材料达到完全结晶需很长时间，因此，通常将结晶度达到间，因此，通常将结晶度达到50%的时间的时

13、间(t1/2)的倒数作为各种高分子材料结晶速率的比的倒数作为各种高分子材料结晶速率的比较标准较标准,称为结晶速率常数（称为结晶速率常数（K）。）。很明显很明显,t1/2小则小则K值大值大,结晶速率快。结晶速率快。5、二次结晶、后结晶和退火处理二次结晶、后结晶和退火处理二次结晶是在一次结晶完成之后在一些残留的非晶区和晶二次结晶是在一次结晶完成之后在一些残留的非晶区和晶体不完整的部分体不完整的部分(即晶体的缺陷或不完善区域即晶体的缺陷或不完善区域)继续进行结晶和继续进行结晶和进一步完整化的过程。进一步完整化的过程。在位结晶是指在成型模具中的结晶；而后结晶是高分子材在位结晶是指在成型模具中的结晶；而

14、后结晶是高分子材料在加工过程中一部分来不及结晶的区域在加工后料在加工过程中一部分来不及结晶的区域在加工后(一般是指离一般是指离开加工设备后开加工设备后)发生的继续结晶过程。发生的继续结晶过程。它发生在球晶的界面上，并不断地形成新的结晶区域它发生在球晶的界面上，并不断地形成新的结晶区域,使使晶体进一步长大，所以，后结晶是加工中在位结晶的继续。晶体进一步长大，所以，后结晶是加工中在位结晶的继续。在后结晶的前阶段仍属于一次结晶，只不过是制品离开加在后结晶的前阶段仍属于一次结晶，只不过是制品离开加工设备；在后结晶的后阶段基本是属于二次结晶过程。当然，工设备；在后结晶的后阶段基本是属于二次结晶过程。当然

15、，一次结晶过程和二次结晶过程之间尚无明显的界限。一次结晶过程和二次结晶过程之间尚无明显的界限。退火处理退火处理二二次次结结晶晶和和后后结结晶晶都都会会使使制制品品性性能能及及尺尺寸寸在在使使用用和和贮贮存存中中发发生生变变化化,有有时时也也影影响响制制品品的的正正常常使使用用。因因此此,常常在在Tg-Tm温温度度范范围围内内对对制制品品进进行行热热处处理理(即即退退火火处处理理),以以加加速速高高分分子子链链的的二二次次结结晶晶或或后后结结晶晶的的过过程程。退退火火处处理理实实质质上上分分子子链链的的松松弛弛过过程程。通通过过退退火火处处理理能能促促使使分分子子链链段段加加速速重重排排,以以提提高高结结晶晶度度并并使使晶晶体体结结构构趋趋完完善善，制制品品尺尺寸寸和和形形状状的的稳稳定定性性得得到到提提高，内应力降低。高，内应力降低。经过退火处理，制品的微观结构发生了变化。经过退火处理，制品的微观结构发生了变化。在实际生产中在实际生产中,退火处理的温度通常控制在这退火处理的温度通常控制在这种材料的热变形温度以下种材料的热变形温度以下1020,以保证制品在以保证制品在退火处理过程中不发生大的变形。退火处理过程中不发生大的变形。THEEND！THANKYOU！