第1章塑料成型基础知识

1、南昌大学科学技术学院理工部南昌大学科学技术学院理工部主讲人：主讲人： 罗华云罗华云第第1 1章章 塑料成型基础知识塑料成型基础知识 塑料成型塑料成型: :是将塑料材料转变成塑件的生产工艺过程。要实现这是将塑料材料转变成塑件的生产工艺过程。要实现这种转变，就要研究在转变过程中塑料的各种性质和行为与各种种转变，就要研究在转变过程中塑料的各种性质和行为与各种因素之间的关系，从而可以采用合理的工艺以获得质量良好的因素之间的关系，从而可以采用合理的工艺以获得质量良好的塑料制件。塑料制件。 1.1 1.1 聚合物的结构和性能聚合物的结构和性能 1.2 1.2 聚合物的流变性质聚合物的流变性质 1.3 1.

2、3 聚合物成型过程中的物理行为聚合物成型过程中的物理行为1.4 1.4 聚合物成型过程中的化学行为聚合物成型过程中的化学行为1.5 1.5 塑料组成、分类与用途塑料组成、分类与用途1.6 1.6 塑料成型工艺性能塑料成型工艺性能 塑料的概念塑料的概念 塑料中的必要和主要成分是树脂。树脂分为塑料中的必要和主要成分是树脂。树脂分为天然树脂天然树脂和和合成树脂合成树脂。合成树脂合成树脂是由一种或几种简单低分子化合物通过聚合反应而生成的一种高分子化合物是由一种或几种简单低分子化合物通过聚合反应而生成的一种高分子化合物 ，所以又叫聚合物或称高聚物。所以又叫聚合物或称高聚物。 塑料是以高分子聚合物为主要成

3、分，加入一定量添加剂而组成的一种混合物。塑料是以高分子聚合物为主要成分，加入一定量添加剂而组成的一种混合物。 1.1 1.1 聚合物的结构和性能聚合物的结构和性能 将低分子化合物将低分子化合物单体单体转变成转变成高分子物质高分子物质的过程叫做聚合反的过程叫做聚合反应，单体经过这种化学反应之后，其原子便以共价键的方式应，单体经过这种化学反应之后，其原子便以共价键的方式相结合，形成高分子结构。相结合，形成高分子结构。如乙烯经聚合成为聚乙烯如乙烯经聚合成为聚乙烯1.1.1 1.1.1 聚合物高分子的形成聚合物高分子的形成这种高分子又称为这种高分子又称为分子链分子链单体单体又称为链节又称为链节构成大分

4、子的单体数又称为构成大分子的单体数又称为链节数或聚合度链节数或聚合度 （1）原子数量多）原子数量多 一个高分子中含有几千个、几万个、甚至一个高分子中含有几千个、几万个、甚至几百万个原子。几百万个原子。（2）相对分子质量大）相对分子质量大 高分子化合物的分子量一般可自几万高分子化合物的分子量一般可自几万至几十万、几百万甚至上千万。例如尼龙分子的分子量为二万至几十万、几百万甚至上千万。例如尼龙分子的分子量为二万三千左右，天然橡胶的为四十万。三千左右，天然橡胶的为四十万。（3）分子长度相对于低分子长）分子长度相对于低分子长 例如低分子乙烯的长度约为例如低分子乙烯的长度约为0.0005m，而高分子聚乙

5、烯的长度则为，而高分子聚乙烯的长度则为6.8m，是前者的，是前者的13600倍。倍。聚合物高分子的特点聚合物高分子的特点 1.1.聚合物的长链结构聚合物的长链结构 （决定聚合物的基本性质）（决定聚合物的基本性质） 聚合物高分子呈链状结构，其链状结构有以下三种类型：聚合物高分子呈链状结构，其链状结构有以下三种类型：a)a)线型高分子线型高分子：像一根长长的链条，主链上无分枝，又称为热：像一根长长的链条，主链上无分枝，又称为热塑性聚合物。可以多次反复加热而仍具有可塑性的树脂。可塑性聚合物。可以多次反复加热而仍具有可塑性的树脂。可循环利用。循环利用。 （PEPE、PPPP、PVCPVC、PSPS、A

6、BSABS、PMMAPMMA、PAPA、 POMPOM、PCPC等）等）b)b)带支链的线型高分子：带支链的线型高分子：具有线型主链，主链上具有线型主链，主链上带有一些支链；可反复带有一些支链；可反复加热和冷却，可循环加热和冷却，可循环利用。利用。1.1.2 1.1.2 聚合物高分子的结构聚合物高分子的结构a) 线型高分子线型高分子b) 带有支链的线型高分子带有支链的线型高分子 c) 体型高分子：体型高分子：这种聚合物这种聚合物成型前也是线型结构成型前也是线型结构，受热熔化，受热熔化，溶剂中溶解；如果在聚合物中溶剂中溶解；如果在聚合物中加入交联剂加入交联剂，多个聚合物的支，多个聚合物的支链间便

7、产生化学反应，彼此相互连接，链间便产生化学反应，彼此相互连接，形成一种体型结构形成一种体型结构，或网状结构。又称为或网状结构。又称为热固性聚合物热固性聚合物。这种聚合物在化学（交。这种聚合物在化学（交联）反应后便形成一种硬的固体，一般有较高的耐热性和受联）反应后便形成一种硬的固体，一般有较高的耐热性和受压不变形，再高温加热也不软化直至分解压不变形，再高温加热也不软化直至分解 为止。如一旦毁坏，便不能再回收利用。为止。如一旦毁坏，便不能再回收利用。 （酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料、（酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料、 聚邻苯二甲酸、二烯丙酯、有机硅塑料、聚邻苯二甲酸、二烯丙酯、有机硅塑料、 硅酮塑料

8、）硅酮塑料）c) 体型高分子体型高分子 2. 聚合物的聚集态结构：聚合物的聚集态结构： 指聚合物分子链之间的排列和堆砌指聚合物分子链之间的排列和堆砌结构；结构； 分三类：分三类：1.1.2 1.1.2 聚合物高分子的结构聚合物高分子的结构非晶态非晶态晶态晶态部分晶态部分晶态 2. 聚合物的聚集态结构聚合物的聚集态结构 指聚合物分子链之间的排列和堆砌结构，指聚合物分子链之间的排列和堆砌结构， 分三类：分三类：（聚集状态有固（聚集状态有固态、粘流态（液态）而无气态，这里指的是固态的三种排列方式）态、粘流态（液态）而无气态，这里指的是固态的三种排列方式）晶态：晶态：分子链在空间的规则排列；分子链间吸

9、引力大，分子链移分子链在空间的规则排列；分子链间吸引力大，分子链移动困难，因此，密度大，强度、硬度高，刚度好，熔点高，热稳动困难，因此，密度大，强度、硬度高，刚度好，熔点高，热稳定性好，化学稳定性好，定性好，化学稳定性好，非晶态：非晶态：分子链在空间的无规则排列；分子链间活动能力大，弹分子链在空间的无规则排列；分子链间活动能力大，弹性、伸长率及韧性好性、伸长率及韧性好部分晶态部分晶态：分子链在空间部分规则排列；介于晶态与非晶态之间：分子链在空间部分规则排列；介于晶态与非晶态之间结晶度：结晶度：表示聚合物的结晶程度，是指聚合物中结晶区所占的体表示聚合物的结晶程度，是指聚合物中结晶区所占的体积或质

10、量的百分数。聚合物的结晶度一般为积或质量的百分数。聚合物的结晶度一般为 30%90% ，特殊，特殊情况达情况达 98%随结晶度提高其强度、刚度提高；塑性、韧性下降。随结晶度提高其强度、刚度提高；塑性、韧性下降。1.1.2 1.1.2 聚合物高分子的结构聚合物高分子的结构 1.1.3 1.1.3 聚合物高分子的物理状态、力学及加工适应聚合物高分子的物理状态、力学及加工适应性性1.非结晶高聚物的温度、力学状态及成型加工的关系非结晶高聚物的温度、力学状态及成型加工的关系图图1-3 聚合物物理状态与温度的关系聚合物物理状态与温度的关系线型非结线型非结晶聚合物晶聚合物线型结晶线型结晶聚合物聚合物根据物理

11、状态与温度关系根据物理状态与温度关系分为：分为：玻璃态玻璃态高弹态高弹态 粘流态粘流态 1.1.3 1.1.3 聚合物高分子的物理状态、力学及加工适应聚合物高分子的物理状态、力学及加工适应性性1.非结晶高聚物的温度、力学状态及成型加工的关系非结晶高聚物的温度、力学状态及成型加工的关系玻璃态：玻璃态： 塑料处于温度塑料处于温度Tg 以下的状态，为坚硬的固体，是大多以下的状态，为坚硬的固体，是大多数塑件的使用状态。数塑件的使用状态。Tg 称为玻璃化温度，是多数塑料使用称为玻璃化温度，是多数塑料使用温度的上限。（如有机玻璃）温度的上限。（如有机玻璃）高弹态：高弹态： 塑料处于温度塑料处于温度Tg 和

12、和 Tf 之间的状态，类似橡胶状态的之间的状态，类似橡胶状态的弹性体，仍具有可逆的形变性质。（如橡胶）弹性体，仍具有可逆的形变性质。（如橡胶） 1.1.3 1.1.3 聚合物高分子的物理状态、力学及加工适应性聚合物高分子的物理状态、力学及加工适应性1.非结晶（无定型）高聚物的温度、力学状态及成型加工的关系非结晶（无定型）高聚物的温度、力学状态及成型加工的关系粘流态：粘流态： 当塑料受热温度超过当塑料受热温度超过Tf 时，由于分子链的整体运动，塑料时，由于分子链的整体运动，塑料开始有明显的流动，塑料开始进入粘流态变成粘流液体，通常我开始有明显的流动，塑料开始进入粘流态变成粘流液体，通常我们也称之

13、为熔体。塑料在这种状态下的变形不具可逆性质，一经们也称之为熔体。塑料在这种状态下的变形不具可逆性质，一经成型和冷却后，其形状永远保持下来。成型和冷却后，其形状永远保持下来。Tf 称为粘流化温度，是称为粘流化温度，是聚合物从高弹态转变为粘流态（或粘流态转变为高弹态）的临界聚合物从高弹态转变为粘流态（或粘流态转变为高弹态）的临界温度。当塑料继续加热，温度至温度。当塑料继续加热，温度至T d 时，聚合物开始分解变色，时，聚合物开始分解变色，Td 称为热分解温度，是聚合物在高温下开始分解的临界温度。称为热分解温度，是聚合物在高温下开始分解的临界温度。 1.非结晶高聚物的温度、力学状态及成型加工的关系非

14、结晶高聚物的温度、力学状态及成型加工的关系 2. 线性结晶聚合物的物理状态、力学性能及加工状态线性结晶聚合物的物理状态、力学性能及加工状态图图1-3 聚合物物理状态与温度的关系聚合物物理状态与温度的关系相对分子质量相对分子质量较低（较低（TmTf） 相对分子质量相对分子质量较高（较高（Tm40%40%， 熔点前曲线不出现转折；无高弹态，熔化后直熔点前曲线不出现转折；无高弹态，熔化后直接进入粘流态接进入粘流态 晶区熔化后是否直接进入粘流态视相对分子质量而定。晶区熔化后是否直接进入粘流态视相对分子质量而定。相对分子质量较低（相对分子质量较低（T Tm m T Tf f），晶区熔化后直接进入粘流态。

15、），晶区熔化后直接进入粘流态。相对分子质量足够大（相对分子质量足够大（T Tm m T Tf f），晶区熔化后出现转折；出现高弹），晶区熔化后出现转折；出现高弹态。温度进一步升高至态。温度进一步升高至T Tf f 才进入粘流态。才进入粘流态。 这样需提高加工温度；高温下出现高弹态，给加工带来困难。这样需提高加工温度；高温下出现高弹态，给加工带来困难。因此晶态聚合物相对分子质量选得较低一些，以满足力学性能因此晶态聚合物相对分子质量选得较低一些，以满足力学性能为宜。为宜。 晶态聚合物随结晶度不同在此阶段仍可产生一定变形，可进行晶态聚合物随结晶度不同在此阶段仍可产生一定变形，可进行薄膜、泠热拉深成型

16、。薄膜、泠热拉深成型。 2. 线性结晶聚合物的物理状态、力学性能及加工状态线性结晶聚合物的物理状态、力学性能及加工状态总之总之：Tg 材料玻璃化温度，使用温度上限，温度越高，材料耐热性材料玻璃化温度，使用温度上限，温度越高，材料耐热性 好，对环境温度不敏感。好，对环境温度不敏感。Tf 粘流态温度，此温度低有利熔融，粘流态温度，此温度低有利熔融，Tf（Tm）Td为成型加工温度，温度范围越宽，成型加工越容为成型加工温度，温度范围越宽，成型加工越容易易 1.成型过程中的应力和应变成型过程中的应力和应变 2.聚合物变形流动时的粘弹性质聚合物变形流动时的粘弹性质 3.塑料变形的滞后效应与松弛塑料变形的滞

17、后效应与松弛 流变学流变学研究物质变形与流动的科学。研究物质变形与流动的科学。 粘流态的聚合物在外力作用下，相互交缠卷曲的大分子链粘流态的聚合物在外力作用下，相互交缠卷曲的大分子链将会沿受力方向发生解缠，伸直以及相对滑移，从而表现出一将会沿受力方向发生解缠，伸直以及相对滑移，从而表现出一种变形量很大的宏观流动。种变形量很大的宏观流动。 聚合物的流变学聚合物的流变学主要研究聚合物在外力作用下产生的应力、主要研究聚合物在外力作用下产生的应力、应变和应变速率等力学现象与自身粘度之间的关系，以及影响应变和应变速率等力学现象与自身粘度之间的关系，以及影响这些关系的各种因素。这些关系的各种因素。如聚合物的

18、结构、性能、温度、作用力如聚合物的结构、性能、温度、作用力的大小和作用时间、方式等。的大小和作用时间、方式等。 1.2.1 1.2.1 聚合物的粘弹性质聚合物的粘弹性质1.2 1.2 聚合物的流变性质聚合物的流变性质 1.成型过程中的应力和应变成型过程中的应力和应变 塑料在成型过程中受到力的作用，往往会产生塑料在成型过程中受到力的作用，往往会产生切应力和拉（压）应力切应力和拉（压）应力，在应，在应力作用下会产生形状和尺寸变化为力作用下会产生形状和尺寸变化为应变。切应力使流体产生变形和流动应变。切应力使流体产生变形和流动应应变变2.2.聚合物变形流动时的粘弹性质聚合物变形流动时的粘弹性质 聚合物

19、在变形流动时既有粘性又有弹性的性质称为粘弹性质聚合物在变形流动时既有粘性又有弹性的性质称为粘弹性质 或粘弹性行为或粘弹性行为3.3.塑料变形的滞后效应与松弛塑料变形的滞后效应与松弛聚合物高弹变形和粘性变形都与时间有关，聚合物熔体从开始变形到变形与聚合物高弹变形和粘性变形都与时间有关，聚合物熔体从开始变形到变形与应力相适应的平衡状态要经过一个时间过程；这种变形对应力的滞后响应称应力相适应的平衡状态要经过一个时间过程；这种变形对应力的滞后响应称为为滞后效应滞后效应。而变形与应力的适应过程称为。而变形与应力的适应过程称为松弛。松弛。聚合物在压力作用下快速泠却时，变形量与压力不适应；塑件脱模后存在较聚

20、合物在压力作用下快速泠却时，变形量与压力不适应；塑件脱模后存在较大的残余应力，这种应力随时间而逐渐释放；这种与松驰有关的现象称为时大的残余应力，这种应力随时间而逐渐释放；这种与松驰有关的现象称为时效变形。为防止过大的时效变形，塑件脱模后常要进行后处理如退火处理或效变形。为防止过大的时效变形，塑件脱模后常要进行后处理如退火处理或调湿处理。调湿处理。1.2.1 1.2.1 聚合物的粘弹性质聚合物的粘弹性质 1. 牛顿型流体牛顿型流体 1.2.2 1.2.2 聚合物的流动规律聚合物的流动规律图图1-3 聚合物物理状态与温度的关系聚合物物理状态与温度的关系)/(drdv 1. 牛顿型流体牛顿型流体 1

21、.2.2 1.2.2 聚合物的流动规律聚合物的流动规律)/(drdv牛顿在研究液体流动时发现，温度一定时，液体在流动时的切牛顿在研究液体流动时发现，温度一定时，液体在流动时的切应力和剪切速率之间存在着如下关系：应力和剪切速率之间存在着如下关系： 式中式中 液层之间的单位距离内的速度差，为速度梯度液层之间的单位距离内的速度差，为速度梯度 单位时间内的切应变，称为剪切速率。单位时间内的切应变，称为剪切速率。 比例常数，称为剪切粘度或牛顿粘度。比例常数，称为剪切粘度或牛顿粘度。凡是液体层流时符合牛顿流动规律的通称凡是液体层流时符合牛顿流动规律的通称牛顿流体，牛顿流体，其特征为其特征为应变随应力作用的

22、时间线性地增加，且粘度保持不变（定温情应变随应力作用的时间线性地增加，且粘度保持不变（定温情况下）。况下）。 drdv/ 2. 非牛顿型流体非牛顿型流体指数流动规律和表观粘度指数流动规律和表观粘度 聚合物的流动行为远比低分子流体的复杂，绝大多数聚合物聚合物的流动行为远比低分子流体的复杂，绝大多数聚合物流体在塑料成型条件下的流动行为与牛顿流体不符。（流体在塑料成型条件下的流动行为与牛顿流体不符。（除聚碳酸除聚碳酸酯、聚酰胺、氯乙烯酯、聚酰胺、氯乙烯-偏二氯乙烯共聚物和聚对苯二甲酸乙二醇酯等少数几种偏二氯乙烯共聚物和聚对苯二甲酸乙二醇酯等少数几种外）外） 1. 指数流动规律指数流动规律高分子聚合物

23、由于大分子的长链结构，相互缠结，它们高分子聚合物由于大分子的长链结构，相互缠结，它们的流动规律不符合牛顿流动规律，在宽广的剪切速率范围内，的流动规律不符合牛顿流动规律，在宽广的剪切速率范围内，流动时切应力和剪切速率不再成线性关系，流体的粘度也不再流动时切应力和剪切速率不再成线性关系，流体的粘度也不再是一个常数。通常，将这种流体的流动称为是一个常数。通常，将这种流体的流动称为非牛顿流动，非牛顿流动，具有具有这种流动行为的流体称为非牛顿流体。这种流动行为的流体称为非牛顿流体。1.2.2 1.2.2 聚合物的流动规律聚合物的流动规律 2. 非牛顿型流体非牛顿型流体 1.2.2 1.2.2 聚合物的流

24、动规律聚合物的流动规律nndrdvKK稠度系数稠度系数 非牛顿指数非牛顿指数 1naKa非牛顿流体熔体的表观黏度（或非牛顿黏度）非牛顿流体熔体的表观黏度（或非牛顿黏度） （流变方程）（流变方程）（流动方程）（流动方程）就表观粘度的力学性质而言，它与牛顿粘度相同。但是，表观粘度除与流体就表观粘度的力学性质而言，它与牛顿粘度相同。但是，表观粘度除与流体本身的性质以及温度有关以外，还受剪切速率的影响，这就意味着外力的大本身的性质以及温度有关以外，还受剪切速率的影响，这就意味着外力的大小及其作用时间也能改变流体的粘稠性。小及其作用时间也能改变流体的粘稠性。 2. 非牛顿型流体非牛顿型流体在聚合物流变学

25、中凡是服从指数流动规律的流体称为非牛顿流在聚合物流变学中凡是服从指数流动规律的流体称为非牛顿流体或统称粘性流体。体或统称粘性流体。讨论：讨论： n1时，时， 意味着非牛顿流体变为牛顿流体，所以，意味着非牛顿流体变为牛顿流体，所以，n 值可以用来反值可以用来反映非牛顿流体偏离牛顿流体性质的程度。映非牛顿流体偏离牛顿流体性质的程度。 n1时时 ，绝对值，绝对值 1n 越大，流体的非牛顿性越强，剪切越大，流体的非牛顿性越强，剪切速率对表观粘度的影响越强。速率对表观粘度的影响越强。 n1时，称为假塑性液体。时，称为假塑性液体。在中等剪切速率区域，大多数聚合物熔在中等剪切速率区域，大多数聚合物熔体均有近

26、似假塑性液体流变学的性质（在注射成型中，除了热固性聚合物和体均有近似假塑性液体流变学的性质（在注射成型中，除了热固性聚合物和少数热塑性聚合物外）少数热塑性聚合物外）假塑性液体的流变学性质为假塑性液体的流变学性质为： 1）切应力随剪切速率呈指数规律增大；）切应力随剪切速率呈指数规律增大； 2）液体的表观粘度随剪切速率变化，呈指数规律减小。这种现象称为假）液体的表观粘度随剪切速率变化，呈指数规律减小。这种现象称为假塑塑性液体的性液体的“剪切稀化剪切稀化” 2. 非牛顿型流体非牛顿型流体 n1时时，称为膨胀性液体。称为膨胀性液体。（是一些固体含量较高的聚合物悬乳液是一些固体含量较高的聚合物悬乳液）n

27、ndrdvKKyn0, 10, 10n0, 10n0, 10n不同类型流体的表观粘度和剪切速率的关系不同类型流体的表观粘度和剪切速率的关系。 3. 影响高分子聚合物黏度的因素影响高分子聚合物黏度的因素（1）聚合物结构和相对分子质量对粘度的影响）聚合物结构和相对分子质量对粘度的影响 分子结构分子结构：影响较复杂，大分子链柔顺性较大的聚合物，流动时的非牛顿影响较复杂，大分子链柔顺性较大的聚合物，流动时的非牛顿性较强，熔体粘度及其对剪切速率的敏感性较强。对大分子链刚硬性高及分子性较强，熔体粘度及其对剪切速率的敏感性较强。对大分子链刚硬性高及分子间吸引大的聚合物，流动时的非牛顿性减弱，熔体粘度对温度敏

28、感性增加。提间吸引大的聚合物，流动时的非牛顿性减弱，熔体粘度对温度敏感性增加。提高温度有利改善流动性。如高温度有利改善流动性。如 PA 、PS 、PC等等 相对分子质量相对分子质量：相对分子质量较大，滑移困难，粘度增加。需要较大的相对分子质量较大，滑移困难，粘度增加。需要较大的剪切速率和剪切时间使粘度降低。剪切速率和剪切时间使粘度降低。 相对分子质量分布相对分子质量分布（聚合物内大分子之间相对分子质量的差异（聚合物内大分子之间相对分子质量的差异-差异大，差异大，分布宽分布宽）聚合物相对分子质量分布较宽时，熔体的粘度较小；另聚合物相对分子质量分布较宽时，熔体的粘度较小；另 在平均相对分在平均相对

29、分子质量相同时，随着剪切速率的增加，相对分子质量分布宽的要比相对分子质子质量相同时，随着剪切速率的增加，相对分子质量分布宽的要比相对分子质量分布窄的粘度下降快。但塑件质量较差。量分布窄的粘度下降快。但塑件质量较差。 3. 影响高分子聚合物黏度的因素影响高分子聚合物黏度的因素（2）温度对粘度的影响）温度对粘度的影响 温度升高，分子间作用力减小，粘度降低。温度升高，分子间作用力减小，粘度降低。但不同聚合物，对温度敏感性不同，如但不同聚合物，对温度敏感性不同，如PMMA、PC、PA-66等等对温度极敏感，不需要增加很多温度而它们的粘度却下降不少。对温度极敏感，不需要增加很多温度而它们的粘度却下降不少

30、。注射成型生产中，主要适用于粘度对剪切速率不太敏感或其熔注射成型生产中，主要适用于粘度对剪切速率不太敏感或其熔体近似服从牛顿流动规律的聚合物。体近似服从牛顿流动规律的聚合物。 而而 PE、 PP、POM 对温度的敏感性要小一些对温度的敏感性要小一些（3）压力对粘度的影响）压力对粘度的影响 压力增加，分子间的距离减小；引力增加，粘度增加。粘压力增加，分子间的距离减小；引力增加，粘度增加。粘度对压力的敏感性会因聚合物不同而不同。通常认为，聚合物度对压力的敏感性会因聚合物不同而不同。通常认为，聚合物熔体的压缩率越大，其粘度对压力的敏感性越强熔体的压缩率越大，其粘度对压力的敏感性越强（4）助剂对粘度的

31、影响）助剂对粘度的影响 助剂的加入主要改变分子间的作用力，从而影响粘度。助剂助剂的加入主要改变分子间的作用力，从而影响粘度。助剂中的增塑剂和润滑剂降低粘度，填充剂则增加粘度。中的增塑剂和润滑剂降低粘度，填充剂则增加粘度。 3. 影响高分子聚合物黏度的因素影响高分子聚合物黏度的因素（5）剪切速率对粘度的影响）剪切速率对粘度的影响 如粗黑线所示：随剪切速率增加，粘度下降如粗黑线所示：随剪切速率增加，粘度下降1.2.2 1.2.2 聚合物的流动规律聚合物的流动规律温度温度增塑剂或溶剂增塑剂或溶剂填充剂填充剂相对分子量相对分子量压力压力 1.聚合物熔体的弹性类型聚合物熔体的弹性类型 （1）剪切弹性）剪

32、切弹性 成型物料所受的切应力与其发生的剪切弹成型物料所受的切应力与其发生的剪切弹性变形的比称为剪切弹性模量，简称性变形的比称为剪切弹性模量，简称“切变模量切变模量”。1.2.31.2.3高分子聚合物的弹性高分子聚合物的弹性（2）拉伸弹性）拉伸弹性 成型物料所受的拉应力与其发生的拉伸弹成型物料所受的拉应力与其发生的拉伸弹性变形的比称为拉伸弹性模量。性变形的比称为拉伸弹性模量。RGRE 2. 聚合物熔体流动过程中的弹性行为聚合物熔体流动过程中的弹性行为 对注射成型影响很大，常常会使熔体在模内流动时产生端末对注射成型影响很大，常常会使熔体在模内流动时产生端末效应和失稳流动等问题，最终导致塑件产生变形

33、、扭曲以及熔效应和失稳流动等问题，最终导致塑件产生变形、扭曲以及熔体破裂等成型缺陷。体破裂等成型缺陷。（1）端末效应）端末效应 在导管入口和出口端出现的与在导管入口和出口端出现的与熔体弹性行为有紧密联系的现象；熔体弹性行为有紧密联系的现象；聚合物熔体在管道入口端因出现聚合物熔体在管道入口端因出现收收敛流动，使压力降突然增大的敛流动，使压力降突然增大的现象称为现象称为入口效应入口效应。 在出口端在出口端出现体积膨胀的现象叫做出现体积膨胀的现象叫做出口出口膨胀效应（膨胀效应（Barun效应）效应）合称为合称为端末效端末效应，如图所示。应，如图所示。 2. 聚合物熔体流动过程中的弹性行为聚合物熔体流

34、动过程中的弹性行为产生入口效应的原因：产生入口效应的原因： 聚合物以收敛流动方式进入导管入口时，它必须变形，以适应压缩性聚合物以收敛流动方式进入导管入口时，它必须变形，以适应压缩性的流道内流动，但聚合物熔体具有弹性，也就是的流道内流动，但聚合物熔体具有弹性，也就是对变形具有抵抗力对变形具有抵抗力，因，因此，就必须消耗适当的能量，即消耗相当的压力降，来完成在这段管内此，就必须消耗适当的能量，即消耗相当的压力降，来完成在这段管内的变形。的变形。 熔体各点的速度在进入导管前后是不同的，为熔体各点的速度在进入导管前后是不同的，为调整速度调整速度，也要消耗一，也要消耗一定的压力降。定的压力降。产生出口膨

35、胀的原因：产生出口膨胀的原因： 聚合物熔体从导管中流出后，周围压力大大减小，甚至完全消失，聚聚合物熔体从导管中流出后，周围压力大大减小，甚至完全消失，聚合物内的大分子突然变得自由了，因此，前段流动中储存于大分子中的合物内的大分子突然变得自由了，因此，前段流动中储存于大分子中的弹性变形能量被释放出来，致使在流动变形中已经伸展开的大分子链重弹性变形能量被释放出来，致使在流动变形中已经伸展开的大分子链重新恢复卷曲，新恢复卷曲，各分子链的间距随着增大各分子链的间距随着增大，从而导致聚合物内自由空间增，从而导致聚合物内自由空间增大，于是体积相应发生膨胀。大，于是体积相应发生膨胀。 2.聚合物熔体流动过程

36、中的弹性行为聚合物熔体流动过程中的弹性行为入口效应和出口膨胀效应通常对塑料的成型都是不利的入口效应和出口膨胀效应通常对塑料的成型都是不利的，特别，特别是在注射成型、挤出成型和拉丝过程中，可能导致产品变形和是在注射成型、挤出成型和拉丝过程中，可能导致产品变形和扭曲，降低塑件的尺寸稳定性，并可能在塑件内产生内应力，扭曲，降低塑件的尺寸稳定性，并可能在塑件内产生内应力，降低塑件物理和力学性能。降低塑件物理和力学性能。增加管子或口模的平直部分长度，适当降低成型时的压力和提增加管子或口模的平直部分长度，适当降低成型时的压力和提高成型温度，并对挤出物加以适当速度的牵引或拉伸高成型温度，并对挤出物加以适当速

37、度的牵引或拉伸等，均有等，均有利于利于减小或消除端末效应减小或消除端末效应带来的不利影响。带来的不利影响。 2.聚合物熔体流动过程中的弹性行为聚合物熔体流动过程中的弹性行为 （2）不稳定流动和熔体破裂现象）不稳定流动和熔体破裂现象在高切应力和高剪切速率作用下，大分子链几乎被拉直，继续在高切应力和高剪切速率作用下，大分子链几乎被拉直，继续变形呈现很大的弹性性质，导致其熔体无法保持稳定的层流流变形呈现很大的弹性性质，导致其熔体无法保持稳定的层流流动，通常将这种现象称为动，通常将这种现象称为失稳流动。失稳流动。失稳流动时，挤出物表面粗糙、无光泽、失稳流动时，挤出物表面粗糙、无光泽、粗细不均和扭曲，严

38、重时会出现波浪形粗细不均和扭曲，严重时会出现波浪形和竹节形，甚至会出现和竹节形，甚至会出现破裂。破裂。 （2）不稳定流动和熔体破裂现象）不稳定流动和熔体破裂现象失稳流动和熔体破裂现象的影响因素失稳流动和熔体破裂现象的影响因素 1）分子结构）分子结构相对分子质量越大、分布越窄，弹性行为越突出，越易发生相对分子质量越大、分布越窄，弹性行为越突出，越易发生失稳流动失稳流动 2）温度）温度主要影响极限剪切应力和极限剪切速率，一般降低温度时，主要影响极限剪切应力和极限剪切速率，一般降低温度时，减小极限剪切应力，减小极限剪切速率有利于稳定流动。减小极限剪切应力，减小极限剪切速率有利于稳定流动。 3）流道结

39、构）流道结构 从突然过渡改为平缓过渡有利于稳定流动从突然过渡改为平缓过渡有利于稳定流动 1.浇口和型腔对熔体充型流动的影响浇口和型腔对熔体充型流动的影响 1.2.41.2.4聚合物熔体的充型流动聚合物熔体的充型流动 充型流动：在型腔内流动和成型过程；要求：连续、平稳，充型流动：在型腔内流动和成型过程；要求：连续、平稳，否则影响表面质量、形状尺寸、力学性能。否则影响表面质量、形状尺寸、力学性能。 模具结构和注射工艺参数影响充型流动。模具结构和注射工艺参数影响充型流动。浇口的横截面高浇口的横截面高度和型腔的深度度和型腔的深度相差很大相差很大（高速（高速 ）喷射、蛇形流喷射、蛇形流表面粗糙、易破表面

40、粗糙、易破裂裂浇口的横截面高度浇口的横截面高度和型腔的深度相差和型腔的深度相差不大不大（中速）（中速）较平稳地扩展性流较平稳地扩展性流动动浇口的横截面浇口的横截面高度和型腔的高度和型腔的深度相差接近深度相差接近（低速）（低速）平稳地扩展性平稳地扩展性流动流动 2.扩张流动充型与熔接痕扩张流动充型与熔接痕（1）充型运动过程的三个典型阶段）充型运动过程的三个典型阶段 1)前锋料流呈辐射状流动的起始阶段前锋料流呈辐射状流动的起始阶段2)前锋料流呈圆弧状的过渡阶段前锋料流呈圆弧状的过渡阶段3)以黏流性熔膜为前锋料头的匀整运动主阶段。以黏流性熔膜为前锋料头的匀整运动主阶段。（2）熔接痕：）熔接痕： 两股

41、料流的汇合处产生的连接痕迹两股料流的汇合处产生的连接痕迹 当熔体在型腔中流动的过程中遇到型芯和嵌件等障碍物当熔体在型腔中流动的过程中遇到型芯和嵌件等障碍物时，或一型腔多个浇囗进料，则熔膜将被分成两股，最终时，或一型腔多个浇囗进料，则熔膜将被分成两股，最终在两股料流的汇合处产生熔接痕。在两股料流的汇合处产生熔接痕。熔体温度越低，熔接痕越明显，强度越低。熔体温度越低，熔接痕越明显，强度越低。 仅仅靠加热的方式来仅仅靠加热的方式来提高熔体的流动性往往会造成局部提高熔体的流动性往往会造成局部熔体的过热，从而导致聚合物的分解。一般将加热升温与熔体的过热，从而导致聚合物的分解。一般将加热升温与增加熔体的摩

42、擦生热结合起来才能获得比较满意的效果。增加熔体的摩擦生热结合起来才能获得比较满意的效果。过分加大冷却速度过分加大冷却速度也会由于塑件各部分由于冷却速度相也会由于塑件各部分由于冷却速度相差太大而造成很大的内应力。差太大而造成很大的内应力。 结晶型聚合物在受热转变成熔体的过程中会因为要结晶型聚合物在受热转变成熔体的过程中会因为要吸收吸收结晶潜热结晶潜热，而比非结晶型聚合物要消耗更多的热量。，而比非结晶型聚合物要消耗更多的热量。 1.3.1 1.3.1 聚合物的加热与冷却聚合物的加热与冷却 （导热能力差）（导热能力差）1.3 1.3 聚合物成型过程中的物理行为聚合物成型过程中的物理行为 1.聚合物的

43、结晶现象聚合物的结晶现象（1）结晶的概念）结晶的概念：聚合物在从高温熔体向低温固态转变的过程聚合物在从高温熔体向低温固态转变的过程中，若其分子链构型（结构形态）能够得到规整排列，则该聚中，若其分子链构型（结构形态）能够得到规整排列，则该聚合物为结晶聚合物。合物为结晶聚合物。 结晶型塑料结晶型塑料有有 PEPE、PPPP、PTFEPTFE、POMPOM、PAPA、CPTCPT等等 非结晶型塑料有非结晶型塑料有 PSPS、PMMAPMMA、PCPC、ABSABS、PSUPSU等等 与低分子结晶相比与低分子结晶相比：晶体不整齐、结晶不完全、结晶速度慢、：晶体不整齐、结晶不完全、结晶速度慢、没有明显的

44、熔点。没有明显的熔点。（2）二次结晶和后结晶）二次结晶和后结晶：二次结晶二次结晶：在初晶结构不完善的部位或非结晶区发生的现象。在初晶结构不完善的部位或非结晶区发生的现象。 后结晶：是在初晶界面上生长并发展，促使晶体进一步长大的后结晶：是在初晶界面上生长并发展，促使晶体进一步长大的现象。现象。 采用退火处理采用退火处理，加快其结晶速度，稳定尺寸和性能，加快其结晶速度，稳定尺寸和性能1.3.21.3.2聚合物的结晶聚合物的结晶 （3 3）结晶速度和结晶度）结晶速度和结晶度1 1）结晶速度：）结晶速度： 均均 匀形核率随温降而增大，生长速度随温降而减少，某温匀形核率随温降而增大，生长速度随温降而减少

45、，某温度下有一最大值。度下有一最大值。 用半结晶周期（结晶度达用半结晶周期（结晶度达50%50%所需时间）所需时间）来表示；或书中的结晶常数来表示；或书中的结晶常数 k k 表示。表示。 2 2）结晶度：）结晶度： 结晶型聚合物的结晶区在聚合物中所占的质量或体积百分数。结晶型聚合物的结晶区在聚合物中所占的质量或体积百分数。（大多数聚合物的结晶度约为（大多数聚合物的结晶度约为10%10%60%60%，但有些也可能达到，但有些也可能达到很高的数值，如很高的数值，如PPPP的结晶度达到的结晶度达到70%70%95%95%，HDPEHDPE和和PTFEPTFE的也的也能超过能超过90%90%） （4）

46、影响结晶的因素）影响结晶的因素 温度温度 （前述）前述） 压力和切应力压力和切应力 增大压力可使聚合物在高于熔化温度发生结晶；切应力可增大压力可使聚合物在高于熔化温度发生结晶；切应力可导致微晶生成，产生均匀的微晶结构。导致微晶生成，产生均匀的微晶结构。 分子结构分子结构 聚合物分子结构越简单、越规整，结晶越快，结晶度越高，聚合物分子结构越简单、越规整，结晶越快，结晶度越高，同一种聚合物的最大结晶速率随相对分子质量的增大而减小。同一种聚合物的最大结晶速率随相对分子质量的增大而减小。 添加剂添加剂 成型结晶塑料时应注意下列问题成型结晶塑料时应注意下列问题 料温上升到成型温度所需的热量多，要用塑化能

47、力大的设备料温上升到成型温度所需的热量多，要用塑化能力大的设备 冷凝时放出热量大，要充分冷却冷凝时放出热量大，要充分冷却 熔态与固态的比重差大，成型收缩大，易发生缩孔、气孔熔态与固态的比重差大，成型收缩大，易发生缩孔、气孔 各向异性显著，内应力大各向异性显著，内应力大 结晶熔点范围窄，易发生未熔粉末注入模具或堵塞浇口结晶熔点范围窄，易发生未熔粉末注入模具或堵塞浇口 2.2.结晶对塑件质量的影响结晶对塑件质量的影响密度：密度：结晶度大的塑件密度大，密度随结晶度的增大而提高。结晶度大的塑件密度大，密度随结晶度的增大而提高。 力学性能力学性能 强度、硬度，刚度、耐磨性随结晶度的增大而提高；冲击韧强度

48、、硬度，刚度、耐磨性随结晶度的增大而提高；冲击韧性将下降；弹性模量将减小。性将下降；弹性模量将减小。 结晶度小的塑料，柔软性、伸长结晶度小的塑料，柔软性、伸长率和冲击韧度较大。率和冲击韧度较大。 热性能：热性能： 耐热性好，耐化学性和电性能好耐热性好，耐化学性和电性能好 ；结晶有助于提高聚合物的；结晶有助于提高聚合物的软化温度和热变形温度。软化温度和热变形温度。 翘曲翘曲 结晶程度越高，体积收缩越大，因此结晶态塑件比非结晶态结晶程度越高，体积收缩越大，因此结晶态塑件比非结晶态塑件更容易因收缩不均而发生翘曲。塑件更容易因收缩不均而发生翘曲。 表面粗糙度和透明度表面粗糙度和透明度 2.2.结晶对塑

49、件质量的影响结晶对塑件质量的影响 表面粗糙度和透明度表面粗糙度和透明度一般来说，结晶型塑料是不透明的或半透明的，非结晶型塑料是一般来说，结晶型塑料是不透明的或半透明的，非结晶型塑料是透明的。透明的。 特例：特例：聚聚4-甲基戊烯甲基戊烯-1为结晶型塑料却高度透明性；为结晶型塑料却高度透明性；ABS为为非结晶型塑料却不透明。非结晶型塑料却不透明。结晶后，塑件表面粗糙度将降低，而透明度会减小或丧失。结晶后，塑件表面粗糙度将降低，而透明度会减小或丧失。 1.取向及其机理取向及其机理 聚合物高分子及其链段或结晶聚合物的微晶粒子在应力作用聚合物高分子及其链段或结晶聚合物的微晶粒子在应力作用下形成的有序排

50、列即称为取向（或定向）。下形成的有序排列即称为取向（或定向）。取向的分类：取向的分类： 按应力性质不同分按应力性质不同分 拉伸取向拉伸取向由拉应力引起，取向方向与拉伸方向一致由拉应力引起，取向方向与拉伸方向一致 流动取向流动取向在切应力作用下沿着熔体流动方向形成的在切应力作用下沿着熔体流动方向形成的 按流动性质不同分按流动性质不同分 单轴取向单轴取向取向结构单元均沿着一个流动方向有序排列取向结构单元均沿着一个流动方向有序排列 多轴取向多轴取向结构单元可沿两个或两个以上流动方向有序排列结构单元可沿两个或两个以上流动方向有序排列 注射成型中主要发生流动取向注射成型中主要发生流动取向 按结晶与非结晶

51、聚合物分按结晶与非结晶聚合物分 结晶取向结晶取向 非结晶取向非结晶取向1.3.31.3.3聚合物的取向聚合物的取向 取向的分类：取向的分类： 2. 2. 影响取向的因素影响取向的因素 凡是能改变熔体流动速度梯度和熔体停止流动后在玻璃化凡是能改变熔体流动速度梯度和熔体停止流动后在玻璃化温度以上的停留时间等因素都会影响聚合物的取向程度和分布。温度以上的停留时间等因素都会影响聚合物的取向程度和分布。( (模温、注射压力、保压时间、模温、注射压力、保压时间、充型速度、充型速度、浇口浇口 ) ) 3.3.取向对聚合物性能的影响取向对聚合物性能的影响对单轴取向而言，对单轴取向而言，呈现出明显的各向异性，沿

52、取向方向力学性能呈现出明显的各向异性，沿取向方向力学性能显著提高，与取向方向垂直的方向力学性能显著下降。显著提高，与取向方向垂直的方向力学性能显著下降。利用取向来提高塑件的性能，例如吹塑薄膜就是利用聚合物双轴利用取向来提高塑件的性能，例如吹塑薄膜就是利用聚合物双轴取向原理来提高其性能的。取向原理来提高其性能的。双轴取向的薄片或薄膜在平面的任何方向上双轴取向的薄片或薄膜在平面的任何方向上均有较高的抗拉强度、断裂伸长率和冲击韧度，抗撕裂能力也有所提高。均有较高的抗拉强度、断裂伸长率和冲击韧度，抗撕裂能力也有所提高。但并非聚合物取向对塑件性能均有益处，在生产厚度较大的塑件但并非聚合物取向对塑件性能均

53、有益处，在生产厚度较大的塑件( (如模压塑件如模压塑件) )时，就应该力图消除取向现象，使塑件不致发生翘时，就应该力图消除取向现象，使塑件不致发生翘曲变形或裂纹，从而保证塑件质量。曲变形或裂纹，从而保证塑件质量。 残余应力残余应力是由塑料在型腔内流动和冷却的过程中产生的。是由塑料在型腔内流动和冷却的过程中产生的。 残余流动应力：残余流动应力：在注射和保压阶段，塑料受到不均衡在注射和保压阶段，塑料受到不均衡的剪切和正应力作用，产生了隐藏在塑件内部的残余应力。的剪切和正应力作用，产生了隐藏在塑件内部的残余应力。 温度残余应力温度残余应力：由于注射型腔内快速的不均匀冷却固：由于注射型腔内快速的不均匀

54、冷却固化而产生的热应力。化而产生的热应力。1.3.4 1.3.4 残余应力残余应力 定义：聚合物分子在受到热、应力、微量水、酸、碱等定义：聚合物分子在受到热、应力、微量水、酸、碱等杂质以及空气中的氧作用，导致聚合物链断裂、分子变小、杂质以及空气中的氧作用，导致聚合物链断裂、分子变小、相对分子质量降低的现象相对分子质量降低的现象 。 1.降解的种类降解的种类 （1）热降解）热降解 （2）氧化降解）氧化降解 （3）水降解）水降解 （4）应力降解）应力降解1.4.1 1.4.1 聚合物降解聚合物降解 1.4 1.4 聚合物成型过程中的化学行为聚合物成型过程中的化学行为 2. 防止降解的方法防止降解的

55、方法 （1）控制原料的技术指标，）控制原料的技术指标，避免原料不纯对降解发生催化作用；避免原料不纯对降解发生催化作用；（2）成型前对物料进行预热和干燥，）成型前对物料进行预热和干燥，严格控制其含水量；严格控制其含水量；（3）制定合理的成型工艺参数；）制定合理的成型工艺参数；保证在不易降解的条件下成型保证在不易降解的条件下成型 (4) 成型设备与模具应具有良好的结构成型设备与模具应具有良好的结构，与聚合物接触的部位不应有死角或，与聚合物接触的部位不应有死角或缝隙，流道长度要适中，加热和冷却系统应有灵敏度高的显示装置，以保证缝隙，流道长度要适中，加热和冷却系统应有灵敏度高的显示装置，以保证良好的温

56、度控制和冷却速率良好的温度控制和冷却速率 (5) 对热、氧稳定性差的聚合物，对热、氧稳定性差的聚合物，可考虑在配方中加入稳定剂和抗氧剂等可考虑在配方中加入稳定剂和抗氧剂等注：注：聚合物降解通常是有害的，但也聚合物降解通常是有害的，但也有例外，如通过机械降解（辊压和共有例外，如通过机械降解（辊压和共挤）作用使聚合物之间或两种聚合物挤）作用使聚合物之间或两种聚合物的弹体之间进行接枝或嵌段聚合物配的弹体之间进行接枝或嵌段聚合物配置共聚物，以改良聚合物性能并扩大置共聚物，以改良聚合物性能并扩大其应用范围就是一例。其应用范围就是一例。 (1)(1)交联交联 聚合物由线性结构转变为体形结构的化学反应过程。

57、聚合物由线性结构转变为体形结构的化学反应过程。 交联后，聚合物的强度、耐热性、化学稳定性和尺寸稳定性交联后，聚合物的强度、耐热性、化学稳定性和尺寸稳定性均有所提高。均有所提高。交联一词常用硬化、熟化两词所代替交联一词常用硬化、熟化两词所代替(2)(2)交联与硬化、熟化的关系交联与硬化、熟化的关系 “ “硬化的好硬化的好”、“熟化的好熟化的好”，并不意味着交联反应的完全，并不意味着交联反应的完全，而是指成型固化过程中的交联反应发展到了一种最为适宜的程而是指成型固化过程中的交联反应发展到了一种最为适宜的程度，在这种程度下，塑件能获得最佳的物理和力学性能。度，在这种程度下，塑件能获得最佳的物理和力学

58、性能。交联度交联度：为已反应的基团数占总基团数的百分比；：为已反应的基团数占总基团数的百分比；交联度没有交联度没有100%100%，但硬化程度可以达到甚至超过，但硬化程度可以达到甚至超过100%100%。硬化程硬化程度超过度超过100%的称为的称为过熟过熟；硬化程度小于；硬化程度小于100%的称为的称为欠熟欠熟。1.4.2 1.4.2 聚合物的交联聚合物的交联 1）硬化不足）硬化不足 塑件的机械强度、耐热、耐化学腐蚀性、电绝缘性等塑件的机械强度、耐热、耐化学腐蚀性、电绝缘性等会下降；热膨胀、内应力、受力时的蠕变量等会增加；塑会下降；热膨胀、内应力、受力时的蠕变量等会增加；塑件件缺少光泽缺少光泽

59、，容易发生，容易发生翘曲变形翘曲变形；有时甚至会产生；有时甚至会产生裂纹裂纹。2）过度硬化）过度硬化 塑件机械强度不高、塑件机械强度不高、变色、发脆变色、发脆，表面有时会出现密，表面有时会出现密集的集的小泡小泡；可使塑件产生可使塑件产生焦化和裂解焦化和裂解现象。现象。检查硬化程度的方法很多，目前生产中多采用物理方法。检查硬化程度的方法很多，目前生产中多采用物理方法。常用的方法有脱模后的硬度检测法、沸水试验法、萃取法、常用的方法有脱模后的硬度检测法、沸水试验法、萃取法、密度法、导电度检测法等。如有条件，也可采用超声波和密度法、导电度检测法等。如有条件，也可采用超声波和红外线辐射法，其中以超声波方

60、法为最好。红外线辐射法，其中以超声波方法为最好。 塑料的主要成分是合成树脂，其中还有许多有特定用塑料的主要成分是合成树脂，其中还有许多有特定用途的添加剂。途的添加剂。 （1）合成树脂：）合成树脂：是人工合成的高分子化合物，又称高聚是人工合成的高分子化合物，又称高聚物，它是塑料中最基本、最重要的组成成分，约占塑料质物，它是塑料中最基本、最重要的组成成分，约占塑料质量的量的40100，它决定了塑料的基本性质，各种塑料都，它决定了塑料的基本性质，各种塑料都是由树脂的名字来命名。是由树脂的名字来命名。作用：受热软化后可将塑料的其它组分加以粘合作用：受热软化后可将塑料的其它组分加以粘合1.5.1 1.5