第十五章塑料成型的理论基础

充填相流动特点
充填相的流动前沿
前沿区流速分布示意图
充填时的取向和残余应力
在补偿相中，熔 体的流动是不稳 定的，流动形态 与河流三角洲的 流道很相似
补偿相流动简图
形成这种流动图像的原因有以下几个方面。
（１）温度的变化 来自注塑机料筒的熔体其本身温度就不均匀，可以测出，在特 殊情况下，此温差可以达到约40℃。温度高的熔体粘度低，流速快， 使得更多的熔体流入此高温区，造成此区熔体温度进一步升高，进 一步促进了该区域的流动，最后形成了类似河流三角洲的图像。 （２）熔体内部温度的不稳定性 若熔体中某一部分较其余部分温度稍高，则该部分就会因粘度 低而流速高，这样就会将更多的熔体带入该区，使该区得以维持较 高的温度、较低的粘度和较快的流速。因为河道外熔体大块的温度 较河道中熔体的温度低，因而会先于流道中熔体而凝固并收缩。而 河道内熔体不但温度稍高，取向和收缩率亦大，冷却凝固时受到已 凝固的河道外材料的限制而形成拉伸残余应力，而河道外材料则形 成压缩残余应力，这种不均匀收缩而造成的残余应力也是造成制品 翘曲的重要原因之一。
• 固态塑料的第二个力学特性是应力松弛。
– 如果在板的两端加上拉应力或者压应力并使之 保持在一定的长度,同样在放置了一个较长的时 间后,就会发现所加的应力在逐渐变小甚至变为 零,我们把这种现象叫做应力松弛.
• 固态塑料的第三个力学特性是应变速率保 持为常数时的拉伸特性。
六、 塑料成形过程的物理和化学变化
第十五章 塑料成型的 理论基础
第一节 塑料的基本性质 一、高分子材料的基本概念
• 高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。 常称聚合物或高聚物。 • 高分子化合物的分子量一般>104 。 • 高分子化合物有天然的，也有人工合成的。工业 用高分子材料主要是人工合成的。
（一）、高分子化合物的组成
• 由简单的结构单元重复连接而成。如由乙烯合成聚乙 烯: CH2=CH2+CH2=CH2+→-CH2-CH2-CH2-CH2- ,
物开环相互结合成聚合物的反应。
• 2 缩聚反应
由一种或多种单体互相缩合生成聚合物，同时
析出其他低分子化合物(如水、氨、醇、卤化氢等)的
反应。
（三）高分子化合物的分类及命名
1、高分子材料的分类 • ⑴ 按用途分塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料等。 • ⑵ 按聚合物反应类型分为加聚物和缩聚物。 • ⑶ 按聚合物的热行为分为热塑性聚合物和热固性 聚合物
• 2 高弹态：温度高于θg，分子活动能力增加，受力时
产生很大弹性变形。用于这种状态高聚物是橡胶。 • 3 粘流态：由于温度高，分子活动能力很大，在外力 作用下，大分子链可以相对滑动。粘流态是高分
子材料的加工
态，大分子链开 始发生粘性流动 的温度称粘流温 度，用θf表示。
玻璃态是聚合物的使用状态,θg称为玻璃化温度, 为衡量制品使用范围的标致之一,θg越高，制品对环 境温度适应性越强；
• ⑷ 按主链上的化学组成分为碳链聚合物、杂链聚
合物和元素有机聚合物
2. 高分子化合物的命名
大多数采用习惯命名法，在单体 前面加“聚”字；或在原料名称后 加“树脂”二字，如酚醛树脂等。
二、塑料的结构 （一）、高分子链的结构 (分子内结构)
1. 高分子链结构单元的化学组成 • 在元素周期表中只有ⅢA、ⅣA、ⅤA、ⅥA 中部分非金属、亚金属元素才能形成高分子 链。
聚合物的玻璃化温度是指线型非结晶聚合物由 玻璃态(硬脆状态)向高弹态(橡胶弹性态)、或由后 者向前者转变的温度。当温度低于玻璃化温度时， 聚合物中的大分子链段凝固成坚硬的固态。当温 度高于玻璃化温度时，大分子链段就拥有了足够 的自由活动能量，但此时还不是整个大分子链段 在运动，故表现出来的还是高弹性橡胶的性质， 此时，聚合物中的自由容积会突然增加。玻璃化 温度主要与聚合物中大分子键的柔性有关。另外， 大分子的交联、结晶取向等都会使升高。
层流流速分布模型
塑料成形中，大多数塑料熔体都 是非牛顿流体，它们中大部分近似服 从指数流动规律：
式中，K－稠度系数； n－非牛顿系数。
指数流动规律也可表示为：
称为聚合物熔体的表观粘度。它表 征的是非牛顿流体在外力作用下的抗 切应变的能力。
在聚合物流变学理论中，凡是服从指数 流动规律的非牛顿流体统称为粘性流体。根 据n的取值范围可将粘性流体分为三类：
四、塑料的流变性
牛顿流动规律：温度一定时，低 分子液体流动时的切应力与切应变速 率成正比，即： d dv h h h dt dr 式中，h为剪切粘度(Pa· s)
符合上式的流体称为牛顿流体，比例系数h称为 牛顿粘度，它是流体本身固有的性质，其数值 表征了流体抵抗外力引起流动形变的能力。
注射进入温度较低的闭合模具中。熔体在压力作用下充满型 腔并被压实，经过一段保压后柱塞或螺杆回程。此时，熔体 可能从型腔向浇注系统倒流。冷却定型后开启模具，制品便 可从模腔中脱出。
注塑成型过程 a)加热熔融塑化 b)充模、压实、保压、 倒流 c)冷却定型、脱模 1－料斗 2－机筒 3－喷嘴 4－分流锥 5－柱塞
使制品密度和强度都相应提高。另外，取向程度的提高会使线
收缩率增加，线膨胀系数也随之变化。
取向的影响因素有：
塑料熔体的加工温度，提高加工温度有利于产生解除取 向效应； 聚合物分子松弛时间，结晶型塑料松弛时间短容易使取 向冻结，其取向程度高于无定形塑料; 模具温度低时熔体冷却速度加快，冷冻取向效应提高； 塑料比热大，热导率低会降低熔体冷却速度，有利于取 向的解除； 注射压力可提高熔体的切应力和剪切速率，有助于分子 取向； 大浇口冷却慢，浇口封闭晚，取向作用加强； 快速充模使制品表面层分子取向增高，中心部位取向减 弱。
2. 高分子链的形状
• 按照大分子链的几何形状，可将塑料结构 分为线型结构、支链型结构和体型结构。
• 线型结构高聚物的弹性、塑性好，硬度低，是 热塑性材料。支链型结构近于线型结构 。体型 结构高聚物硬度高，脆性大，无弹性和塑性， 是热固性材料。
（二）高分子的聚集态结构 (分子间结构) • 固态高聚物分为晶态和非晶态两大类，晶态为分子 链排列规则的部分，而排列不规则的部分为非晶态。
硅酮、环氧树脂等塑料，目前主要作为低压挤塑封装电子元
件及浇注成形等用。 热塑性塑料：在加工过程中，一般只起物理变化。即在 特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料。 热固性塑料：在加工过程中起化学变化，受热时，开始 被软化而具有一定的可塑性，但随着进一步加热，树脂就硬 化定型，若再加热也不会变软或改变其形状，不熔不溶性物 料的树脂，一般称热固性塑料。热固性塑料通常耐高温，一 般不能重复再塑制，仅能粉碎后用作填料。

压缩成型
压铸成型 吹塑成型等。
据统计，目前注射制品约占所有塑料制品总产量的 30%，占工程塑料制品的80%，故注射成形是一种最主要的成
型方法。
第二节 注射过程及塑料熔体在型腔中 的流动
下图是注射成型过程示意图。成型时，先将粉状或粒状 物料从料斗送入高温机筒内加热熔融塑化使之成为粘流态熔
体，然后在柱塞或螺杆的高压推动下以很大的流速通过喷嘴
1）聚合物结构和其他组分的影响 聚合物相对分子质量越大，熔体的粘度和非牛顿性越 大。 相对分子质量分布较宽的聚合物，其粘度对剪切速率
的敏感性较大，非牛顿性也较强。 2）温度的影响 在粘流态，热塑性塑料熔体的粘度随温度升高而呈 指数规律降低，但不同熔体粘度对温度的敏感程度不同。
3）压力的影响
随外部压力增大，熔体受压缩体积减少，分子间 作用力增加致使粘度也随之增大。由于塑料熔体的压 缩率不同，不同熔体的粘度对压力的敏感性也不同。
注射成形中的压力－时间曲线
1－注射压力曲线；2－喷嘴末端的压力曲线； 3－型腔始端的压力曲线；4－型腔末端的压力曲线。
注塑周期中塑料熔体和模具温度随时间的变化曲线 1－熔体 2－模具温度 当塑料熔体流入型腔时熔体温度稍有升高。当型腔 压力迅速上升时熔体温度也上升到最高值。随着保压 阶段的开始，熔体逐渐冷却，温度下降。
塑料在注射机筒内经过加热、塑化达到流动状 态后，由模具的浇注系统进入模具型腔，最终冷却 定形的过程称为浇注过程。该过程可分为充模、压 实、保压、倒流和冷却五个阶段。如图示为一个注 射周期内压力随时间变化曲线。 OA段为塑料熔体在注射压力p1作用下，从料筒 计量室流入型腔始端的时间；AB段熔体充满型腔， 此时注射压力达到最大值；BC段是熔体的压实阶段, 注射压力用于压实熔体；CD段为保压阶段；E时刻 熔体在浇口处凝固,封断流动；EF段为冷却定形阶段。
θf为粘流温度，是聚合物从高弹态转为粘流态的
温度；
θm为熔点，是聚合物的熔融温度；
θd为热分解温度，是聚合物高温下开始分解的温
度；
θf(θm)～ θd温度区间大时，塑料熔体的热稳定性好， 可在较宽温度范围内变形和流动。
（二）热固性塑料的加工性能 常用热固性塑料有酚醛、氨基（三聚氰胺、脲醛）聚酯、 聚邻苯二甲酸二丙烯酯等。主要用于压塑、挤塑、注射成形。
4）剪切速率的影响
塑料熔体的表观粘度随着剪切速率或切应力的增 大而减少，不同种类的塑料对剪切速率的敏感性不同
五、塑料的基本力学性质
•固态塑料的第一个力学特性是蠕变特性。
• 如果把一个由热塑性树脂制成的细长板的一 端挂上重物,在放置了一个较长的时间后,就 会发现板的长度在随着时间一点一点地增大, 而且即使把重物取下来,板的长度也不会再恢 复,我们把这种现象称为蠕变.

3）聚合物的降解 聚合物相对分子质量降低的现象称为聚合物 的降解。 通常聚合物分子是在受到热和应力或者微量 水分、酸、碱等杂质及空气中氧的作用而使大分 子结构改变，产生降解。 降解是有害的，按轻重不同会使聚合物变色、 出现气泡和流纹、甚至焦化变黑。
塑料的成型方法

注射（塑）成型 挤出成型