高分子成形加工技术基础

第三章第三章LOGO 高分子材料：高分子材料：是分子量大于是分子量大于1 1万万以上的有机材料，实际上分子量一般以上的有机材料，实际上分子量一般在十几万乃至数十万以上，再大者可在十几万乃至数十万以上，再大者可达数百万。是通过聚合反应由低分子达数百万。是通过聚合反应由低分子化合物单质材料制得，故又称为化合物单质材料制得，故又称为高聚高聚物材料，或简称聚合物物材料，或简称聚合物。LOGO高分子高分子材料材料按来源按来源结构结构的多的多重加重加工性工性玻璃化玻璃化温度温度天然天然合成合成热塑性热塑性 热固性热固性结晶性结晶性塑料塑料橡胶橡胶结晶型结晶型非非结晶型结晶型结晶度为结晶度为10106060LOGO成型后再加热重成型后再加热重新软化加工而化新软化加工而化学组成不变的一学组成不变的一类塑料类塑料 可溶可溶可熔可熔 如聚氯乙烯如聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙、聚乙烯、聚丙烯等。烯等。成型后不能再加成型后不能再加热重新软化加工热重新软化加工的一类塑料的一类塑料不溶不熔不溶不熔 如酚醛树脂、氨如酚醛树脂、氨基树脂、不饱和基树脂、不饱和聚酯、环氧树脂聚酯、环氧树脂等。等。热塑性塑料固态时的线型结构热塑性塑料固态时的线型结构热固性塑料硬化后的体型网状结构热固性塑料硬化后的体型网状结构LOGO聚合物原料聚合物原料制品制品聚合物加工聚合物加工共混、改性、成型共混、改性、成型合成态是粉末合成态是粉末或颗粒或颗粒聚集状态聚集状态?具有一定的具有一定的几何形状几何形状 LOGO 随温度升高，聚合物将呈现玻璃态、高弹态、粘流态三种状态。随温度升高，聚合物将呈现玻璃态、高弹态、粘流态三种状态。1 1线性非结晶聚合物；线性非结晶聚合物；2 2线形聚合物；线形聚合物；3 3金属。金属。聚合物的物理状态与温度的关系聚合物的物理状态与温度的关系LOGO符号符号状态状态PVC()PVC()PP()PP()脆化温度脆化温度 TbTbT TTbTb脆硬态脆硬态-61-610 0玻璃化玻璃化温度温度 TgTgTbTbT TTgTg普弹态（玻璃态）普弹态（玻璃态）878710-1510-15粘流温度粘流温度TfTfTgTgT TTfTf高弹态高弹态136136熔融温度熔融温度 TmTmTdTdT TTfTf（TmTm）164-164-175175分解温度分解温度 TdTd140140300300粘流态是高分子粘流态是高分子材料材料主要主要的加工的加工态态聚氯乙烯聚氯乙烯聚丙烯聚丙烯成型温度要选在：成型温度要选在：fTLOGO结晶聚合物的温度结晶聚合物的温度-形变曲线形变曲线非晶与结晶聚合物的温度非晶与结晶聚合物的温度-形变曲线形变曲线 非晶态线型聚合物的非晶态线型聚合物的温度温度-形变曲线形变曲线对非晶的无定型聚合物而言，温度对非晶的无定型聚合物而言，温度高于粘流温度高于粘流温度T Tf f即进入粘流态。即进入粘流态。分子量低时，温度高于分子量低时，温度高于T Tm m 即进入粘流态；即进入粘流态；分子量高时，熔融后可能存在高弹态，需分子量高时，熔融后可能存在高弹态，需继续升温，高于流动温度继续升温，高于流动温度才才进入粘流态温进入粘流态温度高于度高于Tf Tf 才进入粘流态。才进入粘流态。LOGO成型温度要选在：成型温度要选在：fTHDPE100130170200300PP170175200220PS112146170190PVC165190170190140PMMA210240ABS180200dTfTdT适宜的成型温度要根据经验反复实践才能确定，适宜的成型温度要根据经验反复实践才能确定，与与 相差越远越有利于相差越远越有利于成型加工。成型加工。log高分子成形在粘流态，高分子熔体和溶液具有流变性，高分子成形在粘流态，高分子熔体和溶液具有流变性，处理粘流态下材料的问题需要运用流变学理论！处理粘流态下材料的问题需要运用流变学理论！LOGOLOGO流变学的基本概念流变学的基本概念v 某一种物质对外力表现为弹性和粘性双重特性（某一种物质对外力表现为弹性和粘性双重特性（粘弹性粘弹性）。这）。这种性质称为种性质称为流变学性质流变学性质，对这种现象进行定量解析的学问称为，对这种现象进行定量解析的学问称为流变学流变学。流变性流变性流动流动变形变形粘性，粘性，不可逆过程，不可逆过程，耗散能量耗散能量弹性，弹性，可逆过程，可逆过程，储存能量储存能量非线性粘弹性非线性粘弹性LOGO =d/dt 式中：式中：为切应力；为切应力；为动力为动力粘度系数，单位是粘度系数，单位是ss；d d/dt/dt为切应变速率。为切应变速率。牛顿流动定律牛顿流动定律大多数小分子液体流动时，剪切应力与剪切速率成正比，大多数小分子液体流动时，剪切应力与剪切速率成正比，遵循牛顿流动定律。遵循牛顿流动定律。牛顿流体牛顿流体的流动曲线是一条通过原点的流动曲线是一条通过原点 的直线。的直线。直线斜率即直线斜率即剪切粘度剪切粘度，显然，显然是与剪切速率无关是与剪切速率无关 的材料常数。的材料常数。1、经典流变学（牛顿流变学）、经典流变学（牛顿流变学）d/dtLOGO非牛顿流动非牛顿流动u 非牛顿流体的剪切速度非牛顿流体的剪切速度d d/dt/dt和剪切应力和剪切应力的变化规律，经作图后的变化规律，经作图后可得四种曲线的类型：塑性流动、假塑性流动、胀形流动、触变流动可得四种曲线的类型：塑性流动、假塑性流动、胀形流动、触变流动。塑性流动塑性流动假塑性流动假塑性流动 胀性流动胀性流动 触变流动触变流动 实际上大多数液实际上大多数液体不符合牛顿粘体不符合牛顿粘度定律度定律LOGO在实际中，大多数聚合物熔体的粘度并不是一个常数，它与流体的在实际中，大多数聚合物熔体的粘度并不是一个常数，它与流体的温度、切应力、切应变速率有关。温度、切应力、切应变速率有关。经修正后为：经修正后为：=K=K（d d/dt/dt）式中，式中，为非牛顿指数，（为非牛顿指数，（）；）；K K为稠度（表观黏为稠度（表观黏度）度）。上式还可写成：上式还可写成：d d/dt/dt 式中，式中，为流动度；为流为流动度；为流动指数（动指数（1 1）。）。2、聚合物熔体的流变定律、聚合物熔体的流变定律粘度是描述塑料熔体流变行为最重要的参数。粘度是描述塑料熔体流变行为最重要的参数。LOGO（1 1）对牛顿型流体，）对牛顿型流体，n n=1=1，K K=；对假塑性流体，对假塑性流体，n n 1 1。n n 偏离偏离1 1的程度越大，表明材料的假塑性（非的程度越大，表明材料的假塑性（非牛顿性）越强；牛顿性）越强；n n与与1 1之差，反映了材料非线性性质的强弱。之差，反映了材料非线性性质的强弱。（2 2）同一种材料，在不同的剪切速率范围内，）同一种材料，在不同的剪切速率范围内，n n 值也不是常数。通常值也不是常数。通常剪切速率越大，材料的非牛顿性越显著，剪切速率越大，材料的非牛顿性越显著，n n 值越小。值越小。（3 3）温度下降、分子量增大、填料量增多等，都会使材料非线性性质温度下降、分子量增大、填料量增多等，都会使材料非线性性质增强，从而使增强，从而使n n 值下降；值下降；填入软化剂，增塑剂则使填入软化剂，增塑剂则使n n 值上升。值上升。简单讨论简单讨论LOGO假塑性高分子液体的流动曲线假塑性高分子液体的流动曲线表观粘度表观粘度-剪切速率曲线剪切速率曲线表观粘度是剪切速率（或剪切应力）的函数。剪切速率增大，表表观粘度是剪切速率（或剪切应力）的函数。剪切速率增大，表观粘度降低，呈观粘度降低，呈剪切变稀效应剪切变稀效应。我们称这类流体为。我们称这类流体为假塑性流体假塑性流体。3、剪切变稀、剪切变稀LOGO关于关于“剪切变稀剪切变稀”行为的说明行为的说明 注射T大分子链在切应力作用下沿流动方向取向大分子链在切应力作用下沿流动方向取向取向的大分取向的大分子间相对流子间相对流动阻力减少动阻力减少LOGO（3 3）熔体流动时伴随高弹形变熔体流动时伴随高弹形变：因为在外力作用下，高分：因为在外力作用下，高分子链沿外力方向发生伸展，当外力消失后，分子链又由伸子链沿外力方向发生伸展，当外力消失后，分子链又由伸展变为卷曲，使形变部分恢复，表现出弹性行为。展变为卷曲，使形变部分恢复，表现出弹性行为。（1 1）粘度大，流动性差粘度大，流动性差:这是因为高分子链的流动是通过这是因为高分子链的流动是通过链段的相继位移来实现分子链的整体迁移，类似蚯蚓的蠕动。链段的相继位移来实现分子链的整体迁移，类似蚯蚓的蠕动。（2 2）不符合牛顿流动规律不符合牛顿流动规律：在流动过程中粘度随切变速率：在流动过程中粘度随切变速率的增加而下降（的增加而下降（剪切变稀剪切变稀）。）。聚合物熔体流动特点聚合物熔体流动特点粘性流粘性流动动弹性变弹性变形形LOGOq 高分子粘流过程中伴随着可逆的高弹形变，这是高分子高分子粘流过程中伴随着可逆的高弹形变，这是高分子熔体区别于低分子液体的重要特征之一。熔体区别于低分子液体的重要特征之一。q 原理原理:高分子熔体的流动是各链段运动的总结果，在外高分子熔体的流动是各链段运动的总结果，在外力作用下，高分子链顺流动方向取向，外力消失后，链力作用下，高分子链顺流动方向取向，外力消失后，链要重新蜷曲起来，因而整个形变要恢复一部分。要重新蜷曲起来，因而整个形变要恢复一部分。q 弹性效应的表现弹性效应的表现:q 包轴现象包轴现象q 挤出胀大挤出胀大q 不稳定流动不稳定流动q 无管虹吸无管虹吸LOGO1、挤出胀大现象挤出胀大现象 挤出胀大现象及其说明挤出胀大现象及其说明 挤出胀大现象又称口型膨胀效应或挤出胀大现象又称口型膨胀效应或BarusBarus效应，是指高分效应，是指高分子熔体被强迫挤出口模时，挤出物尺寸大于口模尺寸，截面形子熔体被强迫挤出口模时，挤出物尺寸大于口模尺寸，截面形状也发生变化的现象。状也发生变化的现象。LOGO2 2、不稳定流动和熔体破裂现象、不稳定流动和熔体破裂现象 高分子熔体高分子熔体从口模挤出时，从口模挤出时，当挤出速率（或当挤出速率（或剪切应力）超过剪切应力）超过某一临界剪切速某一临界剪切速率（或临界剪切率（或临界剪切应力），容易出应力），容易出现弹性湍流，导现弹性湍流，导致流动不稳定，致流动不稳定，挤出物表面粗糙。挤出物表面粗糙。鲨鱼皮形鲨鱼皮形波浪形波浪形竹节形竹节形螺旋形螺旋形不规则破裂不规则破裂LOGO3 3、“爬杆爬杆”现象现象高分子液体的高分子液体的“爬杆爬杆”效应效应 与牛顿型流体不同，盛在容器中的高分子液体，当插与牛顿型流体不同，盛在容器中的高分子液体，当插入其中的圆棒旋转时，没有因惯性作用而甩向容器壁附近，入其中的圆棒旋转时，没有因惯性作用而甩向容器壁附近，反而环绕在旋转棒附近，出现沿棒向上爬的反而环绕在旋转棒附近，出现沿棒向上爬的“爬杆爬杆”现象。现象。又称又称“包轴包轴”现象。现象。牛顿型流体牛顿型流体高分子液体高分子液体LOGO4 4、无管虹吸、无管虹吸图图6-16 无管虹吸效应无管虹吸效应 对牛顿型流体，当虹吸管提高到离开液面时，虹吸现象对牛顿型流体，当虹吸管提高到离开液面时，虹吸现象立即终止。对高分子液体，当虹吸管升离液面后，杯中液体立即终止。对高分子液体，当虹吸管升离液面后，杯中液体仍能源源不断地从虹吸管流出，这种现象称无管虹吸效应。仍能源源不断地从虹吸管流出，这种现象称无管虹吸效应。侧侧吸吸效效应应 该现象也与高分子液体的弹性行为有关。液体的这种弹性使之容易产生拉该现象也与高分子液体的弹性行为有关。液体的这种弹性使之容易产生拉伸流动，拉伸液流的自由表面相当稳定，因而具有良好的纺丝和成膜能力。伸流动，拉伸液流的自由表面相当稳定，因而具有良好的纺丝和成膜能力。LOGOLOGO聚合物的聚集态聚合物的聚集态聚合物的物理特性聚合物的物理特性结晶性结晶性流动性流动性黏度黏度吸湿性和粘水性吸湿性和粘水性热敏性和水敏性热敏性和水敏性.收缩性收缩性LOGO聚合物的聚集态聚合物的聚集态切削加工切削加工T TTgTg普弹态普弹态压延、弯曲压延、弯曲及薄膜或及薄膜或纤维拉伸纤维拉伸Tg TTg TTfTf高弹态高弹态挤出、注射、挤出、注射、吹塑、粘合吹塑、粘合T TTfTf粘流态粘流态LOGO定义：定义：结晶型聚合物具有结晶现象的性质称为结晶性。结晶型聚合物具有结晶现象的性质称为结晶性。特点：特点：1 1、结晶型聚合物成形加工的温度更高。、结晶型聚合物成形加工的温度更高。2 2、冷凝时放热。、冷凝时放热。3 3、成形收缩量大。、成形收缩量大。4 4、由于分子的定向作用和收缩方向性，易变形、翘曲。、由于分子的定向作用和收缩方向性，易变形、翘曲。5 5、结晶度受冷却速度的影响大。、结晶度受冷却速度的影响大。6 6、结晶度大的聚合物制品其密度大，强度、硬度高，刚度、结晶度大的聚合物制品其密度大，强度、硬度高，刚度大，耐磨性好、耐化学性和电性能好。大，耐磨性好、耐化学性和电性能好。聚合物的物理特性聚合物的物理特性结晶性结晶性LOGO定义定义 ：聚合物的流动性与铸造合金的流动性概念相似，聚合物的流动性与铸造合金的流动性概念相似，即是指在一定温度与压力下聚合物充填模腔的能力。即是指在一定温度与压力下聚合物充填模腔的能力。影响因素：影响因素：1 1、工艺、工艺 2 2、聚合物结构、聚合物结构3 3、模具的影响、模具的影响 4 4、聚合物品质的影响、聚合物品质的影响流动性流动性黏度黏度加工条件加工条件温温 度度 剪切速率剪切速率剪切应力剪切应力压压 力力结构因素结构因素分子量分子量分子量分布分子量分布支支 化化熔体结构熔体结构LOGO1 1、定义：聚合物制品自模腔中取出冷却至室温后，其尺寸、定义：聚合物制品自模腔中取出冷却至室温后，其尺寸发生缩小的特性称之为收缩性。发生缩小的特性称之为收缩性。2 2、成形收缩形式：、成形收缩形式：（1 1）线尺寸收缩；）线尺寸收缩；（2 2）方向性收缩；）方向性收缩；（3 3）后收缩；）后收缩；（4 4）后处理收缩）后处理收缩 热处理（结晶型）热处理（结晶型）延料流方向收缩大，垂直方向小延料流方向收缩大，垂直方向小热塑热固；注塑、挤塑模压热塑热固；注塑、挤塑模压.收缩性收缩性LOGO3 3、影响成形收缩的因素、影响成形收缩的因素（1 1）聚合物品种的影响；）聚合物品种的影响；（2 2）聚合物制品特性的影响；）聚合物制品特性的影响；（3 3）模具的影响；）模具的影响；（4 4）成形条件的影响。）成形条件的影响。4 4、收缩率的计算、收缩率的计算（）式中，式中，为平均收缩率；为平均收缩率；为模腔在室温下的单向尺寸；为模腔在室温下的单向尺寸；为聚合物制品在室温下的单向尺寸。为聚合物制品在室温下的单向尺寸。热塑热固；热塑热固；结晶型非结晶型结晶型非结晶型LOGOv 作业作业:v 1 1、聚合物的物理状态与温度的关系？聚合物在不同、聚合物的物理状态与温度的关系？聚合物在不同物理状态下的加工技术有何不同？物理状态下的加工技术有何不同？v 2 2、聚合物熔体流动特点？、聚合物熔体流动特点？v 3 3、结晶型聚合物成形时需要注意什么？、结晶型聚合物成形时需要注意什么？v 4 4、PEPE、PPPP成型加工时，仅靠改变温度来增加其流动成型加工时，仅靠改变温度来增加其流动性是否有效？那么应该因此主要采取什么措施？性是否有效？那么应该因此主要采取什么措施？LOGOh h钢钢橡皮泥橡皮泥水水硅橡胶硅橡胶弹性弹性塑性塑性粘性粘性粘弹性粘弹性粘弹性粘弹性物质对外力表现为物质对外力表现为。这种性质称为这种性质称为流动也视为一种非可逆性变形过程流动也视为一种非可逆性变形过程LOGOLOGOh haTPCPEPOMPS醋酸纤维醋酸纤维h haPEPSPC醋酸纤维醋酸纤维d/dt加工条件：加工条件：刚性链刚性链粘度对温度敏感粘度对温度敏感温敏材料温敏材料柔性链柔性链粘度对温度不敏感粘度对温度不敏感对剪切速率敏感对剪切速率敏感切敏材料切敏材料LOGO结构因素：结构因素：（1 1）不同加工方法对分子量有不同要求：）不同加工方法对分子量有不同要求：挤出成型要求分子量较高；挤出成型要求分子量较高；注射成型要求分子量较低；注射成型要求分子量较低；吹塑成型在挤出和注射两者之间。吹塑成型在挤出和注射两者之间。形变形变温度温度M1M2M3M4M1 M2 M3 M4LOGO（2 2）分子量范围）分子量范围橡胶橡胶MWD宜宽些，宜宽些，塑料塑料MWD不宜太宽，不宜太宽，纤维纤维MWD窄为好窄为好logh haHigh distributionSmall distributionLOGO(3)(3)分子链支化的影响分子链支化的影响 短支化时短支化时,相当于自由体积增大相当于自由体积增大,流动空间增大流动空间增大,从而粘度减小；从而粘度减小；长支化时长支化时,相当长链分子增多相当长链分子增多,易缠结易缠结,从而粘从而粘度增加度增加LOGO小结小结:聚合物原料聚合物原料制品制品聚合物加工聚合物加工共混、改性、成型共混、改性、成型合成态是粉末合成态是粉末或颗粒或颗粒聚集状态聚集状态?具有一定的具有一定的几何形状几何形状 LOGO符号符号状态状态PVC()PVC()PP()PP()脆化温度脆化温度 TbTbT TTbTb脆硬态脆硬态-61-610 0玻璃化玻璃化温度温度 TgTgTbTbT TTgTg普弹态（玻璃态）普弹态（玻璃态）878710-1510-15粘流温度粘流温度TfTfTgTgT TTfTf高弹态高弹态136136熔融温度熔融温度 TmTmTdTdT TTfTf（TmTm）164-164-175175分解温度分解温度 TdTd140140300300粘流态是高分子粘流态是高分子材料主要的加工材料主要的加工态态聚氯乙烯聚氯乙烯聚丙烯聚丙烯成型温度要选在：成型温度要选在：fTLOGO流变性流变性流动流动变形变形粘性，粘性，不可逆过程，不可逆过程，耗散能量耗散能量弹性，弹性，可逆过程，可逆过程，储存能量储存能量非线性粘弹性非线性粘弹性LOGOdfTTT成型牛顿流体与假塑性流体的流动曲线牛顿流体与假塑性流体的流动曲线在实际中，大多数聚合物熔体的粘度并不是一个常数，它与流体的在实际中，大多数聚合物熔体的粘度并不是一个常数，它与流体的温度、切应力、切应变速率有关。温度、切应力、切应变速率有关。经修正后为：经修正后为：=K=K（d d/dt/dt）式中，式中，为非牛顿指数为非牛顿指数，（）；，（）；K K为稠度（为稠度（表观黏度）表观黏度）。LOGOq 弹性效应的表现弹性效应的表现:q 包轴现象包轴现象q 挤出胀大挤出胀大q 不稳定流动不稳定流动q 无管虹吸无管虹吸LOGO（3 3）熔体流动时伴随高弹形变熔体流动时伴随高弹形变：因为在外力作用下，高分：因为在外力作用下，高分子链沿外力方向发生伸展，当外力消失后，分子链又由伸子链沿外力方向发生伸展，当外力消失后，分子链又由伸展变为卷曲，使形变部分恢复，表现出弹性行为。展变为卷曲，使形变部分恢复，表现出弹性行为。（1 1）粘度大，流动性差粘度大，流动性差:这是因为高分子链的流动是通过这是因为高分子链的流动是通过链段的相继位移来实现分子链的整体迁移，类似蚯蚓的蠕链段的相继位移来实现分子链的整体迁移，类似蚯蚓的蠕动。动。（2 2）不符合牛顿流动规律不符合牛顿流动规律：在流动过程中粘度随切变速率：在流动过程中粘度随切变速率的增加而下降（的增加而下降（剪切变稀剪切变稀）。）。聚合物熔体流动特点聚合物熔体流动特点LOGO聚合物的聚集态聚合物的聚集态聚合物的物理特性聚合物的物理特性结晶性结晶性流动性流动性黏度黏度吸湿性和粘水性吸湿性和粘水性热敏性和水敏性热敏性和水敏性.收缩性收缩性