塑料成型工艺与设备,刘青山,绪论,一、高分子材料及其成型加工: 高分子材料: 塑料， 合成橡胶， 合成纤维，(黏合剂，涂料及其它材料) 1.塑料定义: “以树脂(有时用单体在加工过程中直接聚合)为主要成分，一般含有添加剂，并在加工过程中可流动成型的材料。但不包括弹性体” 组成:基体材料-合成树脂 辅助材料-助剂,2、成型加工: 高分子材料加工是将高分子材料转变成所需形状和性质的实用材料或制品的工程技术 须采用适当的方法来实现这种转变 “高分子材料加工”课程的基本任务：研究成型方法及所获得的产品质量与各种因素 (材料的流动和形变的行为以及其它性质、各种加工条件参数及设备结构等)的关系,二、高分子材料成型加工特性:,1.可挤压性: 聚合物通过挤压作用形变时获得形状和保持形状的能力 材料处于黏流态才可挤压变形， 挤压性质与聚合物的流变性、流动速率密切有关 如果挤压过程材料的黏度很低，虽有良好的流动性，但保持形状的能力较差 熔体的剪切黏度很高时则会造成流动和成型的困难 材料的挤压性质还与加工设备的结构有关,2.可模塑性: 材料在温度和压力作用下形变和在模具中模塑成型的能力 具有可模塑性的材料可通过注射、模压和挤出等成型方法制成各种形状的模塑制品 可模塑性主要取决于材料的流变性、热性质和其它物理力学性质;对热固性聚合物还与聚合物的化学反应性能有关,模塑条件影响聚合物的可模塑性， 且对制品的性能有影响 聚合物的热性能、模具的结构尺寸影响聚合物的模塑性,3.可延性: 表示无定形或半结晶固体聚合物在一个方向或二个方向上受到压延或拉伸时变形的能力 可延性为生产长径比(有时是长度对厚度)很大的产品提供了可能 利用聚合物的可延性，可通过压延或拉伸工艺生产薄膜、片材和纤维 可延性取决于材料产生塑性形变的能力和应变硬化作用,三、基本工艺在高分子材料成型加工中的作用,掌握成型过程中的基本原理和基本工艺,第一章 高分子成型理论基础,学习目的与要求： 1.掌握高分子流体流动性质 2.掌握高分子流体的流动与成型加工、制品性能之间的关系 3.掌握高分子成型加工过程中所发生的物理及化学变化,第一节 概述 塑料成型是将塑料（聚合物及所需助剂）转变为实用材料或塑料制品的一门工程技术 1.成形中塑料的转变 形状转变：为满足要求进行，通过流变来实现 结构与性能转变：包括材料组成方式、材料宏观与微观结构的变化等， 配方、混合、结晶、取向等,2.学习成型工艺前要学好成型理论基础 必须对成型过程中的这些变化有足够认识，才能设计出合理的配方，定出合理的工艺和对设备提出合理的要求；并在此基础上进一步对材料结构和性能设计，构造出满足不同需要的材料和制品 学习要求: 1.掌握高分子流体的流变行为对成型过程及制品性能的影响 2.掌握成型过程中聚合物的结晶、取向对成型及制品性能的影响,第二节 高分子流体的剪切流动 一、牛顿型流体及牛顿流动定律: 流动类型由雷诺数判断:,Re=02300： 层流.avi 23003000：过渡态 3000： 湍流.avi,高聚物成型过程中的流动多为层流,描述液体层流行为最简单的定律是牛顿流动定律： = 剪切应力，单位:N/ 剪切速率，单位:s-1 剪切黏度，单位:Ns/，即Pas 黏度:即由于液体分子之间受到运动的影响而产生的内摩擦力。,凡流动行为符合牛顿流动定律的流体，称为牛顿流体 牛顿流体的黏度仅与流体分子的结构和温度有关，与切应力和切变速率无关 高聚物中仅有PC、偏二氯乙烯-氯乙烯共聚物近似牛顿流体,二、非牛顿流动,凡不符合牛顿流动定律的流体，均为非牛顿流体 a:表观黏度 1.宾汉流体: 其流动方程为：-y= 凝胶性增塑糊属此类 2.假塑性流体: ()：a，即切力变稀体 大部分的高聚物熔体和浓溶液属此类 原因: (1)由于剪切力作用使分子缠结解开所造成 (2)由于大分子的长链结构，流动取向,3. 胀流体(胀塑性流体): ()：a，即切力增稠体 PVC增塑糊、含填料的PA-6熔体属此类,第三节 高分子材料的拉伸流动,一、拉伸流动与拉伸黏度 流线收敛的流动即存在拉伸流动，就与拉伸黏度有关。 例： 纤维、单丝的拉伸；注射、挤出流道的变化 挤出物的牵引；吹塑 单轴拉伸：拉=/ ， =(1/L)dl/dt 平面双轴均等拉伸：=X=Y， XX= YY =拉,二、拉伸流动与剪切流动的比较,2.拉伸黏度剪切黏度,1.速度梯度方向不同,第四节 高分子熔体的黏性流动与弹性,一、高分子黏性流动的特点: (1)由链段的位移运动完成流动 链段越短，越易流动，柔性分子链段短，流动性好 (2)黏度()很大，且随分子量而显著 ：室温水:10-3 (PaS) 高聚物：103 104 (PaS) (3)流动中，伴有高弹形变发生 (4)大多数高聚物熔体不符合牛顿流动定律,二、高聚物流动性的表示: 流动曲线， 表观黏度 熔体流动速率(MFR): 一定温度及一定负荷下，在固定直径.固定长度的毛细管中l0min内挤出的高聚物熔体的重量克数，也称熔体指数(MI) 对于同一种高聚物， MFR值越大，说明流动性越好，分子量越小,不同加工方法，对材料MFR的要求不同:,不同MFR的HDPE的加工应用范围,三、影响高聚物剪切黏度的因素,成型加工必须考虑物料流动性 流动:以链段运动为基础，高分子链上各个链段运动沿外力方向传递、扩散而使大分子重心产生相对移动 故:影响链段活动能力、链段数目的因素都会影响黏度,1.高聚物结构对流动性的影响： (1)相对分子质量: M:分子间作用力，黏度(制品强度高，但成型加工困难) MM临时:M:黏度迅速 例:LDPE： 数均分子量 1.9X104 5.3X104 黏度 4.5X102 1.5X107 故:M不应过高，达制品性能要求即可,(2)分子量分布: 平均分子量相同时:分布宽:粘流温度低，流动性好，但制品强度 分子量分散性过大:不易混合均匀，塑化不均匀，且易漏料 故:在保持制品质量的前提下，选分子量分散性偏大的物料;或:在保持能顺利成型的前提下，选分子量分散性偏小的物料,(3)柔性: 其它条件相同时:柔性好，链段运动能力强，黏度小，流动性好 故:影响柔性的因素(主链结构，取代基的大小.数量、极性等)，都影响高聚物的流动性 例:PP、PVC、PC,2.温度: T：a，但下降幅度与分子结构有关: a=AeE/RT E粘流活化能:链段移动时，克服周围分子间作用力所需要的能量 E大， 则T时 a幅度大 刚性、极性分子E大 故:刚性、极性高聚物用T 来a更有效，但成型时应保持较稳定的温度，以减小温度波动对制品质量的影响 加热时间过长，可能使聚合物降解， a,3.压力: 压力：分子间空隙减少，分子间力 ，a 4.支化: 短支链:分子间距，黏度 支链过长:形成缠结，黏度急剧上升,5.剪切速率: 假塑性流体:：a，但a下降幅度与分子结构有关 (1)柔性: 柔性链:流动性好，随 a幅度大 (2)分子量: 同种聚合物，分子量高的对敏感(剪敏性) 实际应用: 剪敏性聚合物，可用螺杆转速、注射速度来 a，改善流动性，注射模具可用小浇口，为保持熔体稳定，成型时应控制 波动小,6.添加剂: (1)增塑剂: 分子间力：粘流温度及 a (2)填料: 常用CaCO3，为刚性颗粒， a (3)润滑剂: 用量很少，可减小物料分子间的摩擦力(内润滑剂)或减小物料与设备间的摩擦力(外润滑剂) a,(4)共混: 加入少量流动性好的聚合物，可a 例:PVC/ACR 7.熔体结构: 若高聚物熔体中有未熔化的颗粒结构，熔体流动时不是完全的剪切流动，有颗粒间的滑动， a,四、高聚物熔体的弹性效应,1. 包轴现象 又称为法向应力效应 一根旋转轴在高分子熔体或溶液中快速旋转时液体沿转轴慢慢上爬，在转轴上形成相当厚的包轴层,2.出口膨胀(挤出胀大)现象,指熔体挤出模口后，挤出物的直径比模口的直径大的现象 形成的原因: 熔体在外力下进入窄模口，受拉力而产生拉伸弹性形变，分子顺拉伸力临时取向，弹性形变在经过模口的时间内不能完全松弛，到出口后就要卷曲、回复 出口膨胀现象会直接影响制品的外观形状和尺寸，设计模口时要十分注意,3.不稳定流动熔体破裂现象,高聚物熔体在挤出时，当切应力大于105Pa左右， 将形成不稳定流动，使挤出物表面不光滑，起伏不平，呈鲨鱼皮形，竹节形，螺旋形等，甚至最后断裂，这种现象即为熔体破裂现象,注射时也可能存在熔体破裂,4.影响高分子熔体弹性的因素,(1)剪切速率: 弹性效应，因增大了弹性形变 (2)T:弹性效应，因被拉伸分子的松弛加快 (3)M:弹性效应，因加大了熔体的弹性形变 (4)L/d0:弹性效应，模口长度越长，弹性形变的分子松弛的时间较长，被挤出后回缩的程度就小,第五节 高分子材料加工中的聚集状态,一、加工过程中的结晶: 1.高分子的结晶能力: 分子结构规整性（空间排列规整性）不一定对称；足够的分子间力；分子适当柔性 外界条件：温度、时间,2.球晶形成速度与温度: 结晶温度范围:TgTm(熔点) 并在其间的某一温度下结晶最快，有结晶速度最快的温度Tcmax,Tcmax(0.80.85)Tm (K) Tcmax对实际生产有重大指导意义 3.结晶度C: 晶区所占的重量或体积百分比 不同方法测出不同结晶度，常用密度法 4.二次结晶、后结晶和退火处理： 二次结晶:在一次结晶完成之后，一些残留的非晶区和结晶不完善部分进一步结晶或完善的过程,生产实际中： 在线结晶：成型模具中的结晶 后结晶：离开成型设备后的结晶 退火处理： 对制品进行加热处理 热处理：非晶晶、C，小晶粒大晶粒 适当的热处理可提高制品性能:制品尺寸稳定性，降低内应力 但晶粒粗大脆；还推毁制品中分子取向 退火温度低于材料热变形温度1020 时间按制品厚度而定,二、成型结晶性能之间的关系,1.结晶性能的关系: (1)对制品密度: 结晶度:密度 (2)对力学性能: 结晶度:硬度，形变，拉伸强度 但晶粒过大时:不均匀，应力集中， 拉伸、冲击强度 (3)对制品尺寸稳定性: 结晶度:制品预收缩率，尺寸稳定性,结晶高聚物注射制品更易翘曲: 冷却不均匀，结晶度、晶粒大小不一，收缩不一致，从而翘曲 合格制品须有:合理造型的制品设计 适用的模具 适宜工艺条件 (4)对渗透性和溶解性的影响: 晶区:排列紧密，小分子不易渗透、溶解 结晶度:溶解性、渗透性,(5)对光学性能: 无定形高聚物:透明 结晶高聚物:两相结构，产生折射、散射，透光率， 晶粒大，透光越差 若晶粒小于波长的1/2时，不影响透光率 (6)对耐热性: TmTg， 结晶熔融须吸热 结晶度：熔点，耐热性,2.成型结晶的关系: (1)冷却速率的影响: 缓慢冷却: 易生成较大的晶粒，效率低 急冷: 结晶度低，结晶不完善，内应力大 中等冷却： 冷却介质控制在TgTmax之间，晶体生长好、结晶完整、稳定、力学性能,(2)熔融温度和熔融时间的影响: 熔融温度高及在熔融温度下停留时间长，残存晶核少，降低结晶速率 (3)应力的影响: 剪切、拉伸长串纤维晶体 低压大而完整球晶 高压小而形状不规则球晶 受压方式；螺杆注射均匀球晶；柱塞式小而不均晶体,(4)成核剂与结晶行为: 成核剂:可提高结晶聚合物的结晶度、加快结晶速率、完善晶体结构，有时也能改变晶体形态的物质 添加成核剂： 结晶度同时晶粒尺寸 故：性能（力学性能、透明度等） 成型周期,三、加工中的取向: 1.概述: (1)取向: 成型中，分子链、链段或其中几何形状不对称的固体粒子沿着外力作用的某一方向排列起来的现象 (2)取向类型: 流动取向:分子链