【正文】 第二章 塑料成型的理論基礎 概述 聚合物的流變行為 聚合物的加熱與冷卻 聚合物的結晶 成型過程中的定向作用 聚合物的降解 聚合物的交聯(lián) J J J J J J J 概述 塑料成型是將塑料 (聚合物及所需助劑 )轉(zhuǎn)變?yōu)閷嵱貌牧匣蛩芰现破返囊婚T工程技術。 本章內(nèi)容：聚合物在成型加工過程中表現(xiàn)的一些共同的基本物理和化學行為。 包括：流變、傳熱、結晶、定向、化學反應等。 可擠壓性是指聚合物通過擠壓作用形變時獲得一定形狀并保持這種形狀的能力。在塑料成型過程中，常見的擠壓作用有物料在擠出機和注射機料筒中、壓延機輥筒間以及在模具中所受到的擠壓作用。 衡量聚合物可擠壓性的物理量是熔體的 粘度 (剪切粘度和拉伸粘度 )。聚合物的可擠壓性不僅與其 分子結構 、 相對分子質(zhì)量 和 組成 有關，而且與 溫度 、 壓力 等成型條件有關。 評價聚合物擠壓性的方法，是測定聚合物的流動度 (粘度的倒數(shù) )，通常簡便實用的方法是測定聚合物的熔體流動速率； 在給定溫度和給定剪切應力 (定負荷 )下， 10min內(nèi)聚合物經(jīng)出料孔擠出的克數(shù)，以 [MFR]表示。 聚合物在溫度和壓力作用下發(fā)生形變并在模具型腔中模制成型的能力，稱為可模塑性。 注射、擠出、模壓等成型方法對聚合物的可模塑性要求是：能充滿模具型腔獲得制品所需尺寸精度，有一定的密實度，滿足制品合格的使用性能等。 √ 可模塑性主要取決于 聚合物本身的屬性 (如流變性、熱性能、物理力學性能以及熱固性塑料的化學反應性能等 )， 工藝因素 (溫度、壓力、成型周期等 )以及 模具的結構尺寸 。 聚合物的可模塑性通常用下圖所示的 螺旋流動試驗來判斷。聚合物熔體在注射壓力作用下，由阿基米德螺旋形槽的模具的中部進入，經(jīng)流動而逐漸冷卻硬化為螺旋線．以螺旋線的長度來判斷聚合物流動件的優(yōu)劣。 聚合物的可模塑性 (即 L的長度 )與加工條件 ΔP/ Δt 有關，也與聚合物的流變性、熱性能 ρΔH ／ λη 有關，還與螺槽的截面尺寸、形狀 (cd2)有關，螺旋線愈長．聚合物的流動性愈好。 √ 螺旋流動實驗的意義在于幫助人們了解聚合物的流變性質(zhì)，確定壓力、溫度、模塑周期等最佳工藝條件，反映聚合物相對分子質(zhì)量和配方中各助劑的成分和用量以及模具結構，尺寸對聚合物可模塑性的影響。 為求得較好的可模塑性，要注意各影響因素之間的相互匹配和相互制約的關系；在提高可模塑性的同時，要兼顧到諸因素對制品使用性能的影響。 2022/5/27 8 聚合物的可模塑性通常用下圖所示的 螺旋流動試驗來判斷。聚合物熔體在注射壓力作用下，由阿基米德螺旋形槽的模具的中部進入，經(jīng)流動而逐漸冷卻硬化為螺旋線．以螺旋線的長度來判斷聚合物流動件的優(yōu)劣。 壓力過高會引起溢料， 壓力過低則充模不足成型困難； 溫度過高會使制品收縮率增大，甚至引起聚合物的分解， 溫度過低則物料流動困難，交聯(lián)反應不足，制品性能變劣。 四條曲線所構成的面積，才是模塑的最佳區(qū)域。 常規(guī)的紡絲方法有三種，即 熔體紡絲 、 濕法紡絲 和干法紡絲 。 聚合物的可紡性是指材料經(jīng)成型加工為連續(xù)的固態(tài)纖維的能力。 可紡性主要取決于 聚合物材料的流變性 、 熔體粘度、拉伸比、噴絲孔尺寸和形狀、擠出絲條與冷卻介質(zhì)之間傳質(zhì)和傳熱速率、熔體的熱化學穩(wěn)定性等。 當熔體以速度 υ從噴絲板毛細孔流出后，形成穩(wěn)定細流。 細流的穩(wěn)定性可用下式表示： 可以看出，聚合物具有可紡性，在于其熔體粘度較高(約 104Pas)、表面張力較小 (約為 ／ m)所致。紡絲過程中，由于拉伸定向以及隨著冷卻作用而使熔體粘度增大，都有利于拉絲熔體強度的提高，從面提高熔體紹流的穩(wěn)定性。 在纖維工業(yè)中，還常用 拉伸比的最大值 表示材料的可紡性。 非晶或半結晶聚合物在受到壓延成拉伸時變形的能力稱為可延性，利用聚合物的可延性，通過壓延和拉伸工藝可生產(chǎn)片材、薄膜和纖維。 √聚合物的可延性取決于材料產(chǎn)生 塑性變形的能力 和 應變硬化作用。 形變能力與固態(tài)聚合物的長鏈結構和柔性 (內(nèi)因 )及其所處的環(huán)境溫度 (外因 )有關：而應變硬化作用則與聚合物的取向程度有關。 等速拉仲條件下測得的非晶態(tài)聚合物拉伸斷裂狀態(tài)圖． 聚合物的流變行為 概述 剪切粘度和非牛頓流動 拉伸粘度 溫度和壓力對粘度的影響 彈性 流體在簡單截面管道中的流動 流動的缺陷 概述 聚合物在成型加工過程中的形變是由于外力作用的結果，材料受力后內(nèi)部產(chǎn)生與外力相平衡的應力。 隨受力方式的不同應力通常有三種類型： 剪切應力 ： τ 拉伸應力 ： σ 流體靜壓力 ： P 材料受力后產(chǎn)生的形變和尺寸改變（即幾何形狀的改變）稱為應變 γ。 √ 在上述三種應力作用下的應變相應為簡單的剪切、簡單的拉伸和流體靜壓力的均勻壓縮。 合物加工時受到剪切力作用產(chǎn)生的流動稱為剪切流動。如：聚合物在擠出機、口模、注射機、噴嘴、流道等中的流動。 聚合物在加工過程中受到拉應力作用引起的流動稱為拉伸流動。如：拉幅生產(chǎn)薄膜、吹塑薄膜等。 加工中流體靜壓力對流體流動性質(zhì)的影響相對來說不及前兩者顯著，但它對粘度有影響。 在實際加工過程中材料受力非常復雜，往往是三種簡單應力的組合。實際應變也是多種應變的迭加。 加工過程中聚合物的流變性質(zhì)主要表現(xiàn)為粘度的變化，所以聚合物流體的粘度及其變化是聚合物加工過程最為重要的參數(shù)。 根據(jù)流動過程聚合物粘度與應力或應變速率的關系，可以將聚合物的流動行為分為兩大類： （ ⅰ ）牛頓流體，其流動行為稱為牛頓型流動； （ ⅱ ）非牛頓流體，其流動行為稱為非牛頓型流動。 剪切粘度和非牛頓流動 一、基本流動類型 聚合物流體由于在成型條件下的流速、外部作用力形式、流道幾何形狀和熱量傳遞等情況的不同，可表現(xiàn)出不同的流動類型 。 （ 1）層流流體流動的特點： 液體主體的流動是按照許多彼此平行的流層進行的；同一流層之間的各點速度彼此相同；各層之間的速度不一定相等，各層之間無可見的擾動。 聚合物流體的粘度大，流速低， Re10，一般為層流。 層流與湍流 當有剪切應力 τ（ N/m2或 Pa）于定溫下施加到兩個相距為dr的流體平行層面并以相對速度 dυ運動，則剪切應力與剪切速率 dυ/ dr（ s1）之間呈 直線關系 。 牛頓流體的流動曲線是通過原點的直線，該直線與 軸夾角 θ的正切值為牛頓粘度值。 ??圖 22 牛頓流體的流動曲線 （ 2）湍流（又稱紊流） 如果流動速度增大且超過臨界值時，則流動轉(zhuǎn)為湍流。湍流時，液體各點速度的 大小和方向 都 隨時間而變化 。此時流體內(nèi)會出現(xiàn)擾動。 雷諾數(shù)： Re4000 聚合物流體和聚合物分散體的流動 Re2300，因此為層流。 聚合物流體在成型加工過程中，表現(xiàn)的流動行為不遵從牛頓流動定律，稱為非牛頓型流體，其流動時剪切應力和剪切速率的比值稱為表觀粘度 ηa。 穩(wěn)態(tài)流動和非穩(wěn)態(tài)流動 √ 穩(wěn)態(tài)流動 是 指流體的流動狀況不隨時間而變化的流動，其主要特征是引起流動的力與流體的粘性阻力相平衡，即流體的溫度、壓力、流動速度、速度分布和剪切應變等都不隨時間而變化。 反之，流體的流動狀況隨時間面變化者就稱為非穩(wěn)態(tài)流動。 聚合物熔體是一粘彈性流體，在彈性形變達到平衡之前，總形變速率由大到小變化，呈非穩(wěn)態(tài)流動；而在彈性變形達到平衡后，就只有粘性形變隨時間延長而均衡地發(fā)展，流動即進入穩(wěn)定狀態(tài)。 對聚合物流體流變性的研究，一般都假定是在穩(wěn)態(tài)條件下進行的。 等溫流動和非等溫流動 等溫流動，是指在流體各處的溫度保持不變情況下的流動。在等溫流動的情況下，流體與外界可以進行熱量傳遞，但傳入和傳出的熱量應保持相等。 在塑料成型的實際條件下，聚合物流體的流動一般均呈現(xiàn)非等溫狀態(tài)。 拉伸流動和剪切流動 質(zhì)點速度僅沿流動方向發(fā)生變化，如圖 2— 2（ a）所示，稱為拉伸流動，質(zhì)點速度僅沿與流動方向垂直的方向發(fā)生變化，如圖 2— 2(b)所示，稱為剪切流動。 一維流動、二維流動和三維流動 在 一維流動 中，流體內(nèi)質(zhì)點的速度僅在一個方向上變化，即在流通截面上任何一點的速度只需用一個垂直于流動方向的坐標表示。例如，聚合物流體在等截面圓管內(nèi)作層狀流動時其速度分布僅是圓管半徑的函數(shù)，是一種典型的一維流動。 在二維流動中．流道截面上各點的速度需要用兩個垂直于流動方向的坐標表示。流體在矩形截面通道中流動時，其流速在通道的高度和寬度兩個方向上均發(fā)生變化，是典型的 二維流動 。 流體在錐形或其它截面呈逐漸縮小形狀通道中的流動，其質(zhì)點的速度不僅沿通道截面縱橫兩個方向變化，而且也沿主流動方向變化，即流體的流速要用三個相互垂直的坐標表示，因而稱為 三維流動 。 二、非牛頓型流體 粘性系統(tǒng)