1塑料成型工艺学

塑料成型工艺学周建刚第一章绪论一.塑料及其特性1.三大合成材料:合成塑料(syntheticplastics),纤维(fiber)和橡胶(rubber).2.定义:以树脂(resin)为主要成分,加入能够改善其加工或使用性能的添加剂(additive),在一定温度,压力或溶剂等作用下,能够塑制成设计要求的形状,并可在常温常压下保持其形状的一类材料.3.分类:根据受热后材料的热行为不同分为热塑性塑料(thermoplastic)热固性塑料(thermoset)4.塑料总的特点质量轻(比重0.9~2.3,除泡沫塑料外,比重最大的是PTFE,最轻的是聚4-甲基-1-戊烯0.8)良好的绝缘性(用作雷达,半导体,电缆的包覆材料)耐腐蚀性好优良的耐磨性和自润滑性(如聚四氟乙烯PTFE,聚碳酸酯PC,聚甲醛POM做齿轮轴承材料)易成型加工不耐老化耐热性低(耐热温度60~300℃)二.塑料成型加工及其在塑料工业中的地位1.塑料工业概貌塑料工业可分为:塑料生产(树脂和半成品生产)塑料制品生产(也称塑料成型加工工业)图1-1从单体原料到塑料制品的生产流程示意图图1-2塑料制品生产系统的组成2.塑料成型加工成型:将各种形态的成型材料制成所需形状及尺寸的制品或坯件的过程.本书讨论的重点是塑料的成型过程3.我国塑料成型加工工业的发展建国初期:几乎空白,只在少数大城市有十几家小型塑料制品厂,年产几百吨的赛璐珞,酚醛胶木粉的日用塑料制品;上世纪50年代:平均每年以71%的高速增长,产品类别单一,主要是酚醛和脲醛等热固性塑料制品;60年代:由于50年代末大批量PVC树脂投产,转为生产热塑性塑料制品为主,产量以18.6%的速度递增;70年代:合成树脂产量大幅提高,产品结构变化大;80年代:应用扩展到国民经济的各个领域;90年代至今:品种及应用范围大幅扩展,许多新的成型方法和技术的应用,如CAD/CAE/CAM,使得塑料成型加工工业步入一个新的发展时期.4.重点需要解决的问题①共混技术的应用,以弥补聚合物的不足;②模具设计技术的改进(CAD/CAE/CAM);③节能及三废治理.三.本课程的主要内容成型加工中的基本原理,各种成型方法的工艺条件及生产控制过程(包括机械和模具等).第二章塑料成型的理论基础第一节概论聚合物成型加工时不仅形状,材料结构发生变化,材料的性质也会改变.一.聚合物的聚集态及加工性1.聚集态:成型材料的温度发生变化时,其所处的力学状态也会发生变化(主要表现在材料的变形能力上).2.聚合物的聚集态形式:主要有玻璃态,结晶态,粘流态和高弹态.无定型聚合物:玻璃态----高弹态-----粘流态如PS,PMMATTgTgTTfTTf结晶型聚合物:结晶态----粘流态如PE,PA,POM,PVC,PC等(真实情况下有高弹态,因为结晶度不可能是100%)重点:线性非结晶型聚合物(无定形聚合物)的力学状态3.聚集态与加工性的关系①TTg玻璃态适于机械加工,如车削,锉削,制孔,切螺纹等.加工使用的最低温度是脆化温度Tb.②TgTTf高弹态可进行较大变形的成型加工,如压延,中空吹塑,热成型等.但此形变是可恢复的.③TTf粘流态(Tf为粘流温度)可进行变形大,形状复杂的成型如注射,挤出等.此时的力学特点是,整个分子链的运动变为可能,在外力作用下,可发生不可逆的粘流持续形变.④TTd(降解温度),制品外观质量和力学性能下降.第二节聚合物的流变行为一.牛顿和非牛顿流体（一）.基础知识1.流体在流动和变形时主要受剪切,拉伸和压缩三种应力.注射挤出时主要受剪应力;吹塑,薄膜拉伸、中空吹塑、熔体在锥形流道内的流动、单丝的生产等成型时拉伸与剪切应力同时存在;压缩应力成型时一般不予考虑.2.液体在平直导管内受剪切应力而发生流动的形式有：层流和湍流两种。层流: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度彼此相同，但各层之间的速度不一定相等.湍流:当流速超过临界值时，流体会出现扰动，再大会变为湍流。雷诺准数Re=D作为层流和湍流的区分系数其中D为导管的直径，v为液体的平均速度,η为液体的剪切粘度.Re2100~4000层流通常Re4000湍流成型时的雷诺准数通常小于10，一般为层流/3.剪应力和剪切速率的概念剪应力：单位面积所受的剪切力=P/A（或Pa）2/Nm剪切速率:dv/dr()1s按照流体流动时剪切应力与剪切速率的关系可将流体分为牛顿和非牛顿流体两种.（二）、牛顿流体Newtonfluid描述流体层流最简单的规律是牛顿流动定律：当有剪切应力于定温下加于两个相距为dr的液体平行层面以相对速度dv移动时（见上页图），则剪应力与剪切速率dv/dr之间呈下列线性关系：牛顿流体流动方程牛顿粘度与分子结构和外界条件有关图2-2牛顿流体的流动曲线tan（三）、非牛顿流体凡是流体的流动性为不遵从牛顿流动定律的，均称为非牛顿型流体。聚合物成型过程时表现的流动性一般为非牛顿流体流动行为。如果不考虑聚合物熔体的弹性，我们将非牛顿流体归纳为粘性系统和有时间依赖性的系统。（Ⅰ）、粘性系统特征：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，根据剪应力和剪切速率的关系，又可分为假塑性流体、膨胀性流体和宾哈流体三种。表观粘度的定义：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，还随剪应力、剪切速率甚至时间而变。a1.假塑性流体pseudoplasticfluid（1）流动方程：指数定律另一种形式其中n1或m1K熔体稠度的量度，n非牛顿指数，mk流动度熔体的表观粘度随着剪切应力的增加而减小，聚合物流体中最常见的形态。1nnKKmkdrdvnmkn1,1K(2).剪切变稀：粘度随剪应力或剪切速率的增加而减小的现象可能的原因：①高分子链的严重不对称；②流动单元不是单个分子，而是超分子群集体，剪切速率增加，尺寸变小，减小③大分子的缠结，形成大分子的物理交链点，受到破坏后使得下降。的大小为：或aa1naKammmak112.膨胀性流体特点：表观粘度随剪应力的增加而上升流变方程：原因：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，表观粘度就增大。11,Kmnkmn或或3.宾哈流体特点：只有当剪应力高到屈服应力值时才发生塑性流动，且与呈线性关系流动方程：式中为刚度系数，等于流动曲线的斜率。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、润滑脂、泥浆等都属于或接近宾哈流体pyp三种粘性系统非牛顿流体的流动曲线（Ⅱ）、有时间依赖性的系统流体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短，又有摇溶性和振凝性流体两种1.摇溶性液体，又叫触变性流体特点：随剪切应力持续时间下降的流体为摇溶性流体，如涂料和油墨。(2).振凝性流体，与上述溶液性质相反的流体。如某些浆状物和石膏的水溶液。目前这两种流体的具体机理尚不清楚，几种可能的解释①静止时，粒子间形成一种非永久性的次价交链点，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，停止时，缔合又开始，粘度上升。②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，主要是溶液和聚合体又摇溶性现象，高聚物很少见。重点是掌握这几种流体的流变特点、流动方程和流动曲线形式二.弹性1.流体的三种基本形变由于在熔体流动时存在剪切应力、法向应力和拉伸应力，这些里都会产生弹性形变，所以在高聚物流体中存在三种基本形变，即能量耗散形变或粘性流动、储能弹性或可回复弹性形变和破裂。典型的弹性效应是聚合物在挤出时的离模膨胀，弹性形变的实质是大分子长链的弯曲和延伸，应力解除后，还须克服内部的粘性阻滞，因而需要一定的时间。2.离模膨胀(模口膨胀效应,Barus巴拉斯效应,出口膨胀)(1).定义：聚合物粘弹性熔体在压力下挤出模口或离开管道出口后,熔体流柱截面直径增大而长度缩小的现象.(2).特点:①从口模挤出的制品尺寸(直径或厚度)大于口模相应尺寸②若模口截面不规则,制品出现不均匀胀大,即沿截面周边各点胀大程度不同③稳定的挤出物尺寸及形状的获得是一个缓慢的松弛过程Barus效应的存在对成型很不利,导致制品变形,扭曲,引入内应力.可通过增加口模平直部分长度,适当降低成型压力和提高成型温度,对挤出物加以适当牵引和拉伸等方法进行改善聚合物熔体在流动时，由于大分子构象的变化，产生可回复的弹性形变，因而发生了弹性效应。如：出模膨胀(3).原因:①入口效应熔体从较大储器到较小模口时流速提高,压降突然增大,产生沿流动方向的纵向速度梯度,在纵向速度梯度拉伸下,分子链沿流动方向伸展开,产生高弹形变.(若流体在口模中停留时间足够长,在入口区由于拉伸流动产生的高弹形变会全部松弛掉,否则,来不及完全松弛的形变被带出口模再松弛膨大)②剪切流动流体流动,高分子构象发生变化,分子从未受剪切时的自由卷曲状态变为沿剪切方向伸展开状态的同时储存了高弹形变,被带出口模后松弛,表现为Braus效应3.粘性和弹性形变聚合物熔体在受有应力时，存在粘性和弹性两种形变(1)特点：粘性变形没有回复的可能，但弹性变形可以回复。(2)松弛过程：弹性变形的发展和恢复过程松弛时间：聚合物熔体受应力作用时表观粘度对弹性模量的比值(3)变形大小的量度：无论受剪应力还是拉伸应力作用变形经历时间松弛时间，不可回复的粘性变形为主变形经历时间松弛时间，可恢复的弹性形变为主例如锥形流到中既存在剪切形变也有拉伸形变，但流道越长，拉伸弹性变形的贡献越小，在截面不变的流道中不存在拉伸变形三.流体在圆形管道内的流动假设(1):恒温下的稳态流(2):管壁处无滑移(3):粘度服从指数定律受力分析及推导流体在简单截面管道中的流动尽管在塑料成型加工过程中，所使用的模具种类繁多、形式各异，但都不外乎是圆形和狭缝形通道两种情况，其它形状的流道都可视为这两种情况的组合。由于熔体流动时存在内部粘滞阻力和管道壁的摩擦阻力，这将使流动过程中出现明显的压力降和速度分布的变化，管道的截面形状和尺寸若有改变，也会引起熔体中的压力、流速分布和体积流率(单位时间内的体积流量)的变化，所有这些变化，对成型设备需提供的功率和生产效率及聚合物的成型工艺性等都会产生不可忽视的影响。由于大多数聚合物熔体的粘度很高，服从幂律函数，在通常情况下为稳态层流的流体，为简化分析及计算过程，作以下假设：（1）液体为不可压缩的；（2）流动是等温过程；（3）液体在管道壁面不产生滑动（即壁面速度等于零）；（4）液体的粘度不随时间而变化，并且其它性质也不变。实际上聚合物熔体在管道中的流动要复杂得多。流动的缺陷由于聚合物在流动时所表现的弹性行为不仅使前面所推出的一些流动方程的计算值与实际有出入，甚至会在不稳定流动中出现一系列不正常的流动缺陷。1、管壁上的滑移聚合物在导管中流动时，聚合物靠壁处的流速并不为零，而是发生间断的流动，或称滑移。原因：剪切速率的径向不均匀分布(靠管壁附近剪切速率最大)；流动中出现分级效应(即相对分子质量低的级分较多地集中在管壁附近)；管壁附近的弹性形变的不均匀性(管壁处弹性形变大)。四.端末效应端末效应:入口端有压力降,出口端熔体先收缩后膨胀的现象叫做端末效应.原因:(1).入口端,流体从大管到小管流动要变形,但聚合物有弹性,消耗一部分能量;流体从大管到小管流动时,流体速度有变化,也要消耗能量,使得入口端压力降较大.(2).出口端,由于突然间无阻力,平