塑料成型工艺学第二章2

1、2.2 52.2 5、弹性、弹性 聚合物熔体聚合物熔体: 不仅具有非牛顿性，而不仅具有非牛顿性，而且还具有固体般的弹性。且还具有固体般的弹性。聚合物分散体聚合物分散体: 也具有弹性，但表观也具有弹性，但表观粘度较小成型过中不很重要，表观形式粘度较小成型过中不很重要，表观形式近似熔体。近似熔体。2.2聚合物的流变行为聚合物的流变行为当熔体受有应力时，一部分能量消耗于粘性形变在应力解除后不能恢复，一部分变形的能量则将会被熔体储存，一旦外界应力移去，就得到恢复，例如：实践证明： 弹性形变的回复不是不是瞬间完成的，因为聚合物熔体弹性形变的实质是大分子长链的弯曲和延伸，应力解除后，这种弯曲和延伸部分的回

2、复需要克服内在的粘性阻滞。因此，在后的直径聚合物加工过程中的弹性形变及其随后的回复，对制品的外观、尺寸，对产量和质量都有重要影响。 聚合物熔体随着所受应力不同而表现的弹性也有剪切和拉伸等的区别。 1剪切弹性 物料所受剪切应力，对其发生的剪切弹性变形R，（亦称可以回复的剪切变形）的比称为剪切弹性模量G G/R （213）绝大多数聚合物熔体的剪切模量在定温下都是随应力的增大而上升的。在应力低于106Pa 时剪切弹性模量约为103106Pa。当应力继续增大时，熔体模量有上升的趋势，即高聚物 熔体往往出现应变硬化的情况。 几种热塑性塑料的剪切弹性模量和剪切应力的关系见图29。 影响剪切弹性模量的因素温

3、度、压力和相对分子质量对聚合物熔体的剪切弹性模量的影响都很有限。影响比较显著的是相对分子质量分布，相对分子质量分布宽的具有较小的模量和大而缓的弹性回复，相对分子质量分布窄的则相反。 有关聚合物的粘性和弹性：聚合物熔体在受有应力时，粘性和弹性两种变形都有发生。两种之中以哪一种占优势，这在成型过程中应当加以考虑。 作为一种粗略的估计： 粘性变形粘性变形 ：凡是变形经历的时间大于“松弛时间”（定义为聚合熔体受到应力作用表观粘度对弹性模量的比值，即aG）的体系则粘性变形将占优势。 机理： 聚会物熔体在受到应力作用的过程中，一方面有分子被拉直, 既分子线团被解缠。另一方面又有已被拉直的分子在发生卷曲和缠

4、结，它是一个动态过程动态过程。 如果在时间上允许分子重新卷曲和缠结进展得多一些，则最后变形中弹性变形部分势必退居次要地位。因为粘性变形部分没有回复的可能，而弹性变形部分则可以回复。 例1：在注射温度为230和注射时间为2S的条件下注射聚甲基丙烯酸甲酯。如果按表21所列数据，最大剪切速率为105S1，则其相应的剪切应力即可从图25中查得为0.9MPa，表观粘度为9Pas。又从图29中查得其相应的剪切模量为021MPa，由此计算出松弛时间为43 10-5 s，同注射时间相比较则实微不足道，因此，在注射过程中的弹性变形是很小的。 例2：如果用相同材料在相同温度下挤出棒材，则最大剪切速率为103s1，

5、剪切应力为3 105Pa，相应的松弛时间为25 103 s。如果熔融塑料通过口模的时间为20s，则最后的弹性变形部分仍然较小，但已比注射成型要大得多。 应该注意的是，尽管弹性变形很小，但仍能使熔体产生流动缺陷，从而影响制品质量，甚至出现废品。2拉伸弹性 物料所受拉伸应力。，对其发生的拉伸弹性变形的比称之为拉伸弹性模量E； E/r 聚合物熔体的E在单向拉伸应力低于1MPa时，相当于剪切弹性模量的三倍； E3G拉伸弹性变形r 的最高限值约为2。 成型过程中，决定熔体由拉伸应力引起的变形, 属于粘性还是弹性占优势的依据仍然是松弛时间。例如，挂在口模上的乙丙共聚物吹塑型坯，其温度为230，吹胀前经历的

6、时间为经历的时间为5S5S，垂伸的弹性变形速率约为003 S1。在这种情况下熔体的拉伸粘度约为36 104 PaS，拉伸弹性模量约为46 103 Pa，通过计算知道：松弛时间为松弛时间为8s8s。因此型坯下垂的性质当以弹性为主。如果不加冷却限制，则会收缩。 注意：注意：聚合物熔体在锥形流道中流动时是受有拉应力的，故体系必然同时存在着拉伸变形和剪切变形，而且其效果将是迭加性质的。 拉伸弹性变形和剪切弹性变形一样，是一个动态过程。 熔体在截面不变的通道内流动时不存在拉伸变形，此时出模膨胀与拉伸弹性形变无关。 仍可以用松弛时间来区别熔体中弹性是剪切弹性还是拉伸弹性。具体的方法是根据熔体在成型中所经历

7、的过程分别求剪切和拉伸的松弛时间，在弹性变形中占优势的将是松弛时间数值较大的一种。根据大量实验结果证明：如果两种应力都不超过103 Pa，则两种松弛时间近似相等，应力较大时，拉伸松弛时间总是大于剪切松弛时间，其程度与聚合物的性质有关。导管（流道）成型过程中，经常需要让塑料通过管道（包括模具中的流道），以便对它加热、冷却、加压和成型。通过管道时塑料的状态可以是流体或固体，但前者居多。解决问题：塑料流体在流道内流动时的流率与压力降的关系； 沿着流道截面上的流速分布 ；目的：设计模具和设备了解已有设备的工作性能制定工艺规程目前能够计算的流道截面：圆形和狭缝形（即长方形，但其宽与高的比值须等于或大于1

8、0）截面的流道；与有联系的流道，如环隙形流道； 截面的形状是圆形与狭缝形的组合形状；矩形、椭圆形和等边三角形截面的流道。 可以分析计算 ，仅限于牛顿液体。1在圆形流道中的流动基本条件: 层流流动 等温、符合指数定律稳态流动剪切应力与剪切速率之间的关系当塑料熔体按上述情况在等截面圆管内流动时，它所受的剪切应力和真正剪切速率之间应存在如式所示的关系。 规定圆管的半径为R，管长为L，于是在任意半径r处所受剪切应力即为:式中P代表圆管两端的压力降。从一般液体在导管内流动的情况知，在管壁处的流动速度为零。即VrR0，不过聚合物熔体流动时并不为零由于它产生的效应不大，所以依然认为它是零将上述两式合并求其积

9、分，得液体在任意半径处的流速Vr为: 式2-17上式表示:定压下流动液体在圆管戳面上各点的流动速度;压力降与流动速度的关系。 图211是以VrVa(Va为平均流动速度)对r/R所作的图图中四条曲线分别表示四种不同m值的流速分布。 注意：只适合圆形流道液体在管中的容积速率q为：将此式代入（式217）并积分得：如果m1，牛顿流体。则：424LpRkq442pRLqk式2-18式2-19由毛细管流变仪所测的聚合物流体的流动曲线图， 是用层流最大剪切力为PR2L(也就是在管壁处的应力)和同这一剪切应力相应牛顿剪切速率4qR所作的图。用方程对应。与上式比较：所谓牛顿剪切速率就是将非牛顿液体看成牛顿液体时

10、的剪切速率，有时也称为“表现剪切速率这样，如果想用这种图来解决式(218)和(219)中的常数k就不是直接的，必须经过换算。 “表观流动常数表观流动常数k k的意义管壁处的真正剪切速率：式220式221重排（式219）得：3)3(2mmRmqLpk式222式2-19则33) 3() 3(2RmqRRmqmLpRkdrdvmmRr223将2-20重排：423kRqLpRm2-24代入上式：3334RmqkRqk得：43kmk式（224） 式220例题：某挤压机用为挤压聚乙烯棒状物的口模(事实上就是圆形导管)的内径为2厘米，长为8厘米，挤压温度为235聚乙烯在235的流动曲线见图212如果不计端末

11、效应所引起的压力降，则当挤压速率为50厘米秒时聚乙烯熔体进入口模时的压力应为多少MPa? 解：求出描述235聚乙烯熔体的指数函数中的m与k的值由于挤压时塑料形体所受剪切速率约为102103秒1，故在图212的这一区域内引出直线(即图中的虚线)在直线上取两点的坐标如下： 算得:m2.76如果大气压力为l公斤/厘米2，则聚乙烯熔体进入口模时的压力P应为：2在狭缝形导管内的流动 当塑料流体按前面(1)节中所述条件在狭缝形导管内流动时，如果其中狭缝宽度w(见图213)大于狭缝厚度h十二倍，则狭缝形导管两端侧壁对流速的减缓作用即可略而不计又从分析知，流速当以沿狭缝形截面宽向中心线上的各点为最大，而在上下

12、两壁处为零这样，按照在圆管内流动相同的推理，当知流动的液体所受的剪切应力和真正剪切速率之间仍然保持式(25)或类似式(215)的关系，即： 式中y代表狭缝形截面上任意点离中心线的垂直距离于是，离中心线为y处而与中心层平行的流层所受的剪切应力即为： 代入式积分 ：又：故有：(2-28)同在圆管内的流动一样，如需利用一般流动曲线来解决式(227)和(228)中的常数k也须经过换算。已知液体在狭缝形导管上下两壁处所受的应力为(ph2L)则与此对应的牛顿剪切速串就可格式(228)中的m值定为1而求得，即(6qwh2)于是在这种情况下的宏观流动常数k即可按定义写为：2-29把式（228）重排有： 262

13、32WhqmLphkm（230） 比较二式可得： （231） 圆管中k：4)3(kmk则：这样，由一般的流动曲线按前述例题求出k和m，再求出k和k后，亦可处理非牛顿流体在夹缝流道中的流动问题。当然也可事先对剪切速率进行非牛顿性改正，从而得到真实的流变曲线。 塑料流体在环隙形流道流动时如果环隙的半径（外径Ro和内径Ri）很大，而其厚度（R。和Ri的差）却不大，则这种流动也可以按式（227）和（228）进行计算。因为当见和R趋向无穷大时，环隙形流道就是狭缝形流道。进行计算时，上述两式中hR0Ri，W（Ro+Ri）。注意最好在Ro或Ri大于20（Ro一Ri）的情况下，否则误差较大。对于不符合该条件的

14、，可以用两个圆形流道模型进行叠加作出数学模型计算。2.2.7 2.2.7 流动的缺陷流动的缺陷塑料流体在流道中流动时，常因种种原因塑料流体在流道中流动时，常因种种原因使流动出现不正常现象或缺陷。这种缺陷如果使流动出现不正常现象或缺陷。这种缺陷如果发生在成型中，则常会使制品的外观质量受到发生在成型中，则常会使制品的外观质量受到损伤。损伤。例如表面出现闷光、麻面、波纹以至裂例如表面出现闷光、麻面、波纹以至裂纹等，有时制品的强度或其它性能也会劣变。纹等，有时制品的强度或其它性能也会劣变。原因原因：l工艺条件、制品设计工艺条件、制品设计; ;l设备设计，通常是成型模具设备设计，通常是成型模具; ;l原

15、料选择不当原料选择不当; ;l其他等其他等 ; ;重要的几种缺陷：1管壁上的滑移 分析聚合物流体在流道内的流动时的前提：贴近管壁一层的流动是不流动的（如水和甘油等低分子物在管内的流动，就是这种情况）。但是许多实验证明，塑料熔体在高剪切应力下的流动并非如此，贴近管壁处的一层流体会发生间断的流动。或称滑移。这样管内的整个流动就成为不稳定流动，即在熔体流程特定点上的质点加速度不等于零。 0/tv特定点上质点加速度不等于零结果：影响流率的稳定 影响计算结果 挤出物出模膨胀不均 几何形状相同或相似的仪器测定的同一种 样品的流变数据不尽相同 实验证明，滑移的程度不仅与聚合物品种有关，而且还与采用的润滑剂和

16、管壁的性质有关。 稳定稳定流动与不稳定流动的速度分布流动与不稳定流动的速度分布(a)-稳定流动稳定流动(b) (c)-不稳定流动不稳定流动有弯曲状挤出物有弯曲状挤出物2 2端末效应端末效应不管是那种截面流道的流动方程，都只能用于稳态流动的流体，但总有不稳态流动。 对聚合物熔体而言，根据实验确定大约等于0.030.05ReD，Re为雷诺准数，D为管径。 这一段管长内的压力降总比计算算出的大，其原因在于：因为有不稳态流动 大小变化时，速度变化在一般情况下， L改为（L3D）来计算压力降 塑料熔体从流道流出时，料流有先收缩后膨胀的现象。牛顿流体则只有收缩而无膨胀。收缩的原因除了物料冷却外，还由于熔体

17、在流道内流动时，料流经向上各点的速度不相等，当流出流道后须自行调整为相等的速度。这样，料流的直径就会发生收缩，理论上收缩的程度可用下式表示：式中Dc是料流在出口处的直径，D为流道直径，m为常数， 如果是假塑性流体，则收缩恒小于此值。挤出物的膨胀是由于弹性回复造成的。如果是单纯的弹性回复而且熔体组分均匀，度恒定和符合流动规律，则这种膨胀可以通过复杂计算求得。但是实际过程中这种情况极少。圆形流道中的聚合物熔体，其相对膨胀率约在30-100之间。 聚合物聚合物液体液体在管子入口在管子入口和出口区域和出口区域的流动的流动3 3弹性对层流的干扰弹性对层流的干扰 塑料熔体在成型过程中的雷诺准数通常均小于1

18、0，故不应出现湍流。可逆的弹性形变是在逐渐回复的。如果回复太大或过快，则流动单元的运动就不会限制在一个流动层，势必引起湍流。弹性湍流的发生也有一定规律，对塑料熔体的剪切流动来说，只有当R的值超过4.55时才会发生。 4 4“鲨鱼皮症鲨鱼皮症 ” ”“鲨鱼皮症”是发生在挤出物表面上的一种缺陷。这种缺陷可自挤出物表面发生闷光起，变至表面呈现与流动方向垂直的许多具有规则和相当间距的细微棱脊为止。 起因 ：认为是挤出口模对挤出物表面所产生的周期性张力也有认为是目模对熔体发生时粘滑的作用所带来的结果 研究结果标明：这种症状不依赖于口模的进口角或直径，而只能在挤出物的线速度达到临界值时才出现；这种症状在聚

19、合物相对分子质量低、。对分子质量分布宽，挤出温度高和挤出速率低时不容易出现；提高口模末端的温度。利于减少这种症状，但与口模的光滑程度和模具的材料关系不大。 5、熔体破碎定义：熔体破碎是挤出物表面出现凹凸不平或外形发生畸变或断裂的总称。 解释：熔体在导管（流道）内流动时，各点所受应力作用的经历不尽相同，因此在离开导管后所出现的弹性恢复就不可能一致，如果弹性恢复的力不为熔体强度所容忍，则挤出物就会出现表面毛糙、螺旋型的大规则性、细微而密集的裂痕，一致成块地断裂。目前实验研究表明：熔体破碎只能在管壁处剪切应力或剪切速率达到临界值后才会发生；临界值随着口模的长径比和挤出温度的提高而上升；对大多数塑料来

20、说，临界剪切应力约为105106Pa。塑料品种和牌号不同，此临界值有所不同临界剪切应力随着聚合物相对分子质量的降低和相对分子质量分布幅度的增大而上升；熔体破碎与目模光滑程度的关系不大，但与模具材料的关系较大；如果使口模的进口区流线型化，常可以使临界剪切速度增大十倍或更多； 某些聚合物，尤其是高密度聚乙烯，显示有超流动区，即在剪切速率高出寻常临界值时挤出物并不出现熔体破碎的现象。因此，这些聚合物采用高速加工是可行的。 热扩散系数a式中k为导热系数，Cp为定压热容，为密度 聚合物在成型加工中为使流动和成型，加热和冷却是必须的。任何物料加热与冷却的难易是由温度或热量在物料中的传递速度决定的，而传递速度又决定于物料的固有性能一热扩散系数a 某些材料的热性能见表24。 1、热性能特点：基本稳定 表中所列的热扩散系数为常温状态下，上式中几个因素都随温度而变化。但是从实验数据统计结果可知，在较大温度范围内各种聚合物热扩散系数的变化幅度并不很大，通常不到两倍。虽然各种聚合物由玻璃态至熔融态的热扩散系数是逐渐下降的，但是在熔融状态下的较大温度范围内却几乎保持不变。与金属差别较大 各种聚合物的热扩散系数相差并不很大，但与铜和钢相比，则差得很多，几乎要小12个数量级。 传导为主 粘流态聚合物由于粘度很高、对流传热速