高分子材料成型加工原理课件1

1、第一篇 聚合物加工的理论基础第一章 材料的加工性质第一节 聚合物材料的加工性质可模塑性（Mouldability）1可挤压性 （Extrudability）2可纺性 （Spinnability)3可延性（Stretchability)4信息材料科学与工程系 聚合物是由许多单个的高分子链聚集而成，因而其结构有两方面的含义：（1）单个高分子链的结构；（2）许多高分子链聚在一起表现出来的聚集态结构。可分为以下几个层次：一级结构近程结构结构单元的化学组成、连接顺序、立体构型，以及支化、交联等二级结构远程结构高分子链的形态（构象）以及高分子的大小（分子量）链结构聚集态结构三级结构晶态、非晶态、取向态、液

2、晶态及织态等。聚合物的结构1.1.0聚合物的结构第一节 聚合物材料的加工性质信息材料科学与工程系 高分子链的运动是以链段为单元的，是蠕动。 高分子链在分子内旋转作用下可采取各种可能的形态，如取不同的构象，如伸直链、无规线团、折叠链、螺旋链等。 高分子链的构象第一节 聚合物材料的加工性质信息材料科学与工程系1.1.0 聚合物的力学三态及其转变 若对某一非晶态聚合物试样施加一恒定外力，观察试样在等速升温过程中发生的形变与温度的关系，便得到该聚合物试样的温度-形变曲线（或称热-机械曲线）。 非晶态聚合物典型的热-机械曲线如下图，存在两个斜率突变区，这两个突变区把热-机械曲线分为三个区域，分别对应于三

3、种不同的力学状态，三种状态的性能与分子运动特征各有不同。形变温度IIIIII第一节 聚合物材料的加工性质信息材料科学与工程系 在区域I，温度低，链段运动被冻结，只有侧基、链节、链长、键角等的局部运动，因此聚合物在外力作用下的形变小，具有虎克弹性行为：形变在瞬间完成，当外力除去后，形变又立即恢复，表现为质硬而脆，这种力学状态与无机玻璃相似，称为玻璃态。玻璃态温度形变IIIIII第一节 聚合物材料的加工性质信息材料科学与工程系 随着温度的升高，链段运动逐渐“解冻”，形变逐渐增大，当温度升高到某一程度时，链段运动得以充分发展，形变发生突变，进入区域II，这时即使在较小的外力作用下，也能迅速产生很大的

4、形变，并且当外力除去后，形变又可逐渐恢复。这种受力能产生很大的形变，除去外力后能恢复原状的性能称高弹性，相应的力学状态称高弹态。温度形变IIIIII玻璃态高弹态第一节 聚合物材料的加工性质信息材料科学与工程系 由玻璃态向高弹态发生突变的区域叫玻璃化转变区，玻璃态开始向高弹态转变的温度称为玻璃化转变温度（glass temperature)，以Tg表示。 当温度升到足够高时，在外力作用下，由于链段运动剧烈，导致整个分子链质量中心发生相对位移，聚合物完全变为粘性流体，其形变不可逆，这种力学状称为粘流态。高弹态开始向粘流态转变的温度称为粘流温度（flowing temperatrue)，以Tf表示，

5、其间的形变突变区域称为粘弹态转变区。温度继续升高，聚合物发生热分解，对应温度为热分解温度（decomposition temperatrue)，用Td表示。 玻璃态、高弹态和粘流态称为聚合物的力学三态。第一节 聚合物材料的加工性质形变温度IIIIII玻璃态高弹态玻璃化转变区Tg粘流态粘弹态转变区Tf粘弹态转变区Td信息材料科学与工程系第一节 聚合物材料的加工性质真空成型、压力成型、压延、弯曲成型等加工车、铣、刨、削等机械加工熔融纺丝、注射、挤出、吹塑、贴合等加工玻璃态高弹态粘流态信息材料科学与工程系第一节 聚合物材料的加工性质信息材料科学与工程系第一节 聚合物材料的加工性质什么是可挤压性？可挤

6、压性是指聚合物通过挤压作用形变时获得形状和保持形状的能力。发生地点：主要有挤出机、注塑机料筒、压延机辊筒间、模具中等聚合物力学状态：粘流态表征参数：熔融指数（Melt Flow Index，MI或MFI）1.1.1 聚合物的可挤压性信息材料科学与工程系第一节 聚合物材料的加工性质挤压过程聚合物熔体的流动速率随压力增大而增加(图1-2)，通过流动速率的测量可以决定加工时所需的压力和设备的几何尺寸。信息材料科学与工程系第一节 聚合物材料的加工性质什么是熔融指数？熔融指数，又称为熔体流动指数，是指在一定载荷下定温下10分钟内聚合物从出料口挤出的重量，单位是克。测试方法：熔融指数测定仪优点：方法简单，

7、快捷局限性：不能说明注射或挤出时真实的流动状态1.1.1 聚合物的可挤压性信息材料科学与工程系第一节 聚合物材料的加工性质信息材料科学与工程系第一节 聚合物材料的加工性质信息材料科学与工程系第一节 聚合物材料的加工性质什么是可模塑性？可模塑性指材料在温度和压力作用下形变和在模具中模制成型的能力 。发生地点：主要有挤出机、注塑机、模具中等聚合物力学状态：高弹态、粘流态表征方法：螺旋流动试验1.1.2 聚合物的可模塑性信息材料科学与工程系第一节 聚合物材料的加工性质要求大家会分析这个图信息材料科学与工程系第一节 聚合物材料的加工性质螺旋流动试验信息材料科学与工程系第一节 聚合物材料的加工性质Hol

8、mes等人认为在高剪切速率(通常注塑条件)下，螺线的极限长度是加工条件和聚合物流变性与热性能两组变数的函数：式小d为螺槽横截面的有效直径；T为熔体与螺槽壁间的温度差； P为压力降;为固体聚合物的密度；H为熔体和固体之间的热热焓差；为固体聚合物的导热系数；为熔体粘度；v为熔体平均线速度。常数C由螺线横截面的几何形状决定。信息材料科学与工程系第一节 聚合物材料的加工性质通过螺旋流动试验可以了解：(1)聚合物在宽广的剪切应力和温度范围内的流变性质；(2)模塑时温度、压力和模塑周期等的最佳条件；(3)聚合物分子量和配方中各种添加剂成分和用量对模塑材料流动性和加工条件的影响关系：(4)成型模具浇口和模腔

9、形状与尺寸对材料流动性和模塑条件的影响。1.1.2 聚合物的可模塑性信息材料科学与工程系第一节 聚合物材料的加工性质什么是可纺性？可纺性是指聚合物材料通过加工形成连续的固态纤维的能力。发生地点：主要有熔融纺丝聚合物力学状态：粘流态表征方法：纺丝实验1.1.3 聚合物的可纺性信息材料科学与工程系第一节 聚合物材料的加工性质什么是可延性？可延性表示无定型或半结晶聚合物在一个或两个方向上受到压延或拉伸时变形的能力。 发生地点：压延或拉伸工艺聚合物力学状态：高弹态表征方法：拉伸试验1.1.4 聚合物的可延性信息材料科学与工程系第一节 聚合物材料的加工性质1.1.4 聚合物的可延性屈服点普弹形变区高弹形

10、变区应力硬化区信息材料科学与工程系第二节 聚合物在加工过程中的粘弹行为1.2.1 粘弹性形变与加工条件的关系什么是粘弹性？粘弹性是纯弹性和纯粘性的有机组合。信息材料科学与工程系第二节 聚合物在加工过程中的粘弹行为弹性：物体受力后，发生形变，除去外力后，形变能回复。粘弹性粘性：物体受力后，形变随时间发生变化，除去外力后，形变不能回复。普弹性：物体受力后，瞬时发生形变，除去外力能迅速回复，与时间无关。（符合胡克定律）高弹性：物体受力后，瞬时发生形变，除去外力能回复，与时间有关。（不符合胡克定律）信息材料科学与工程系第二节 聚合物在加工过程中的粘弹行为1.2.1 粘弹性形变与加工条件的关系聚合物的粘

11、弹性的四元模型： 形变原因： = E+ H+ V 普弹形变E：键的拉伸，键角变化。对晶态高聚物，为平衡态时的位移形变。 高弹形变H：大分子链段的形变和位移（构象变化） 粘性形变V：大分子链的解缠和滑动引起的。信息材料科学与工程系第二节 聚合物在加工过程中的粘弹行为1.2.1 粘弹性形变与加工条件的关系信息材料科学与工程系第二节 聚合物在加工过程中的粘弹行为1.2.1 粘弹性形变与加工条件的关系总= H+ E+ V =/E1+/E2(1-e-E2t/2)+t/3：外加力；E1：普弹模量；E2：高弹模量；2 ：高弹形变粘度；3 ：粘性形变粘度；t：外力作用时间 信息材料科学与工程系第二节 聚合物在加工过程中的粘弹行为1.2.1 粘弹性形变与加工条件的关系与加工温度的关系：TTf：主要发生粘性形变，也有弹性效应。TgT Tf ：主要发生弹性形变，也有粘性形变。T， H， V，且对V影响更大。与作用力的关系：， H， V作用时间的关系：t， H， V且对V影响更大。信息材料科学与工程系第二节 聚合物在加工过程中的粘弹行为1.2.2 粘弹性