材料加工与成型

第一章

1.什么是高分子材料成型加工？

高分子材料成型加工：以高分子化合物为基体，再配有其它助剂（添加剂）

所构成的材料。

成型加工：将各种形态的高分子材料（粉料、粒料、溶液或分散体）制成所需形状的制品或坯件的过程，是一切塑料制品或型材生产的必经过程，也是整个制品生产中最为重要的过程。

高分子材料分类

塑料橡胶纤维粘胶剂涂料

高分子制品性能外观性能使用性能耐久性能材料的内在特性加工过程中产生的附加性质挤出成型适用于管、棒、板、片、薄膜等具有恒定截面制品的生产

注射成型主要适用于有复杂截面的热塑性制品生产

中空塑成型主要适用于各种中空容器的生产

模压成型主要适用于热固性塑料制品的生产

塑料制品的生产过程

单体助剂预处理后加工原料树脂制造树脂塑料制造塑料成型加工塑料制品

树脂：指的是高分子化合物。

塑料：则是为生产高分子制品，添加助剂后的树脂。

塑料制品：是有一定的形状，满足一定用途的高分子产品。

第二章

塑料成型的理论基础

聚合物的流变行为挤出胀大与熔体破裂成型过程中的结晶成型过程中的取向成型过程中的降解

2.1 聚合物熔体的流变行为

表征高聚物流动性的基本参数有两个：表观粘度和熔体流动速率。

表观粘度它反映熔体流动中流层之间的摩擦阻力，可定义为：

影响表观粘度的主要因素有分子量、温度、剪切速率、压力等。

2.1 聚合物熔体的流变行为

熔体流动速率熔体流动速率（MFR）是在一定的温度和载荷下，熔体每10min从标准的测定仪所挤出的物料质量。

熔体流动速率同种材料在相同条件下，MFR越大，流动性越好。

表观粘度与MFR成反比，高MFR对应于低粘度塑料熔体。

聚合物流体的分类

牛顿流体

非牛顿流体假塑性流体膨胀性流体宾汉流体

剪切稀化的原因

当缠结的大分子承受应力时，其缠结点就会被解开，同时还沿着流动方向取向，因此就降低了粘度。缠结点被解开和大分子规则排列的程度是随应力的增加而加大的。

2.2影响聚合物熔体流动行为的因素

熔体温度剪切速率分子链特性

熔体温度对粘度的影响升高温度可使聚合物大分子的热运动和分子间的距离增大, 从而降低熔体粘度。

剪切速率对粘度的影响

分子链特性对粘度的影响

1.极性越大，粘度越高，流动性越差。

2.分子量越大，粘度越高，流动性越差。

3.分子量分布宽比分布窄的，剪切速率提高，粘度下降变化明显。

聚合物熔体的粘弹行为

聚合物流体在流动过程中，既有剪切流动，而且存在拉伸流动。由于流动中的拉伸力，使聚合物分子产生弹性变形，这种弹性变形不能很快恢复，有一定的滞后时间。

挤出胀大挤出胀大是指塑料熔体被强迫挤出口模时，挤出物的尺寸大于口模尺寸，截面形状也发生变化的现象，这主要是由弹性形变的松弛引起的。挤出物胀大现象亦称巴拉斯效应或出口膨胀。

挤出胀大和熔体破裂

当口模为圆形时，挤出胀大现象可用胀大比B值来表征。 B值定义为挤出物最大直径值df与口模直径d0之比。

引发挤出胀大的两个因素

挤出物胀大现象是高分子熔体弹性的表现。1.高分子链就会由受拉伸的伸展状态重新回缩为卷曲状态。 2.分子链的解取向所产生

影响挤出胀大的因素

口模的形状与尺寸

成型工艺条件

高分子链结构

分子量和分子量分布

物料中的添加剂

熔体破裂

在当挤出速度达到一定值时，塑料挤出物表面会出现不光滑现象，诸如竹节状、鲨鱼皮状、无规则破裂等。

引起熔体破裂的两个主要原因

松弛行为的差异过大而造成的无规则畸变。由于模壁处的应力集中，当挤出速度过高时会造成熔体在模壁附近时滑时粘而产生有规则的畸变，如竹节状或呈套锥形等。

影响熔体破裂行为的主要因素

口模形状与尺寸工艺条件物料性质等

塑料成型的理论基础成型过程中的结晶成型过程中的取向成型过程中的降解

2.3 成型过程中的结晶

链束链带晶片球晶

结晶的必要条件

分子链结构的规整性化学结构的规整性

结晶的充分条件

大分子间的次价力（如偶极力、诱导偶极力、范德华力和氢键等）

高聚物结晶的影响因素

内因：（材料特性）分子量及分子量分布分子链的规整度分子链间的相互作用力

外因：加工条件成核剂

结晶的影响因素--分子量分布

1.分子量Mn越大结晶速度慢

2.链规整性

松散的结晶 DH DS 位阻增加、刚性增加 DS

3.温度

结晶温度越低，球晶数量越多，尺寸越小

成型过程对结晶的影响

冷却速率快，则高聚物的结晶时间短，结晶度低。

冷却速率慢，则生产周期长，结晶度高，制品易发脆。

成核剂的影响在聚合物中加入成核剂可提高结晶度，提高定型速度，减小晶粒

的直径，提高透明度。

退火

退火（热处理）能够使结晶聚合物的结晶趋于完善（结晶度增加），比较不稳定结晶结构转变为稳定的结晶结构，微小的晶粒转变为较大的晶粒等。

退火可使晶片厚度增加，熔点提高，但又可能导致制品“凹陷”或形成空洞及变脆。

退火也有利于大分子的解取向和消除注射成型等过程中制品的内应力。

结晶对性能的影响

1.由于结晶作用使大分子链段排列规整，分子间作用力增强，因而使制品的

密度、刚度、拉伸强度、硬度、耐热性、抗溶性、气密性和耐化学腐蚀性

等性能提高。

2.依赖于链段运动的有关性能，如弹性、断裂伸长率、冲击强度则有所下降。

2.4 成型过程中的取向

取向的概念

高聚物分子和某些纤维状填料，在成型过程中由于受到剪切流动或受拉伸时沿受力方向作平行排列的现象，称为取向。

取向的分类

流动取向流动取向是大分子链、链段和纤维填料在剪切流动过程中沿流动方向的流动取向（在流动时由剪切力诱发）。

拉伸取向拉伸取向是大分子链和链段等结构单元在拉伸应力作用下沿受力方向的拉伸取向（由拉伸力诱发）。

拉伸取向如果将没有取向的中间产品，在玻璃化温度与熔点的温度区域内，沿着一个方向拉伸到原来长度的几倍时，则其中的分子链将在很大程度上顺着拉伸方向作整齐的排列，即为拉伸取向。

拉伸取向通常发生在薄膜或单丝生产的过程中。

对于薄膜：

拉伸如果是在一个方向上进行的，则这种方法称为单轴拉伸（或单向拉伸）；

如果是在横直两个方向上进行的，则称为双轴拉伸（或双向拉伸）。

影响取向的因素

温度应力与时间

温度对取向的影响

温度对高聚物的取向和解取向有着相互矛盾的作用。

当温度升高时，大分子的热运动加剧，可促使形变很快发生利于取向，但同时又会缩短大分子的松弛时间，加快解取向的进程。

应力和时间对取向的影响

不管是流动取向还是拉伸取向，都是在有应力作用的情况下发生的，通常情况下，作用的应力越大，作用的时间越长，则制品的取向程度就越高。

塑料结构对取向的影响

1. 高聚物大分子的结构简单、柔性大、平均相对分子质量低，则取向比较容易；反之，则取向困难。

2. 取向容易的，解取向也容易；取向困难的，因需要在较大外力作用下取向，取向结构稳定，故解取向也困难，如聚碳酸酯等。

3. 晶态高聚物比非晶态高聚物在取向时需要更大的应力，但取向结构稳定。

应力开裂

应力开裂指塑料暴露于化学介质中,受到低于其屈服点的应力或者说低于其短期强度的应力(包