注塑模具设计手册之塑料成型理论基础

第2章塑料成型理论基础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塑料制件。高等学校应用型特色规划教材2.1聚合物的分子结构及热力学性能高分子聚合物的分子结构与低分子不同，其物理、力学性能与温度密切相关。温度变化时，聚合物的受力行为发生变化，呈现出不同的力学状态，表现出分阶段的力学性能特点。2.1.1

聚合物的分子结构 聚合物大分子的链状结构有以下三种类型。1.线型大分子及其线型聚合物2.支链型大分子及其支链型聚合物3.体型大分子及其体型聚合物高等学校应用型特色规划教材2.1.2聚合物的热力学曲线及加工适应性聚合物在不同条件下表现出的分子热运动特征称为聚合物的物理状态。聚合物的物理状态分为玻璃态(结晶聚合物称为结晶态)、高弹态和粘流态三种，它们在一定条件下可以发生转变。高等学校应用型特色规划教材2.2聚合物的流变学性质研究物质变形与流动的科学称为流变学。聚合物的成型都必须依靠聚合物自身的变形和流动来实现，所以就相应产生聚合物流变学这样一门科学。它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这些关系的各种因素，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。高等学校应用型特色规划教材2.2.1牛顿流动规律流体在管道内流动时，可呈现层流和湍流两种不同的流动状态。层流的特征是流体的质点沿着平行于流道轴线的方向相对运动，与边壁等距离的液层以同一速度向前移动，不存在任何宏观的层间质点运动，因而所有质点的流线均相互平行，这种情况如图2.3(a)所示。高等学校应用型特色规划教材 为研究流体以切变方式流动时的性质，可将这种流体的流动看做许多层彼此相邻的薄液层沿外力作用的方向进行相对滑移，图2.4所示为流体层流模型。高等学校应用型特色规划教材2.2.2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流动复杂，除聚碳酸酯、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外，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。1.指数流动规律 高分子聚合物由于大分子的长链结构复杂，相互缠结，它们的流动规律远比低分子流体复杂，不符合式(2-4)的牛顿流动规律，在宽广的剪切速率范围内，它们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非牛顿流动，具有这种流动行为的流体称为非牛顿流体。高等学校应用型特色规划教材在聚合物流变学中凡是服从指数流动规律的非牛顿流体统称粘性流体。粘性流体中，当n＜1时称假塑性流体；当n＞1时则称膨胀性流体。图2.6表示了不同类型流体的表观粘度和剪切速率的关系。高等学校应用型特色规划教材2.假塑性流体的表观粘度前述各种粘性流体的非牛顿流体性能都是有前提条件的，也就是剪切速率不能太大，也不能太小，否则这些粘性流体也会出现牛顿流体的性质。在聚合物成型过程中影响表观粘度的因素有以下几方面。1)聚合物的结构对表观粘度的影响聚合物相对分子质量分布对熔体粘度的影响在不同剪切力和不同剪切速率下表现不同，平均相对分子质量相同时，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量窄的粘度下降快。高等学校应用型特色规划教材2)温度对表观粘度的影响高等学校应用型特色规划教材3)压力对表观粘粘度的影响4)剪切速率对表表观粘度的影影响高等学校应用用型特色规划划教材2.3聚合物熔体的的弹性聚合物熔体在在变形和流动动中的弹性行行为对注射成成型影响很大大，常常会使使熔体在模内内流动时产生生端末效应和和失稳流动等等问题，最终终导致塑件产产生变形、扭扭曲以及熔体体破裂等成型型缺陷。2.3.1端末效应聚合物熔体在在管道入口端端因出现收敛敛流动，使压压力降突然增增大的现象称称为入口效应应。高等学校应用用型特色规划划教材2.离模膨胀效应应当聚合物熔体体流出流道或或浇口时，熔熔体发生体积积膨胀的现象象叫做离模膨膨胀效应，如如图2.11所示。离模膨膨胀实际上是是一种由弹性性回复而引起起的失稳流动动，通常也叫叫做Barun效应。高等学校应用用型特色规划划教材2.3.2失稳流动和熔熔体破裂失稳流动和熔熔体破裂现象象受以下因素素影响。(1)聚合物的相对对分子质量及及其分布(2)温度(3)流道结构高等学校应用用型特色规划划教材2.4塑料成型过程程中聚合物的的物理变化聚合物在塑料料成型过程中中发生的物理理变化主要有有结晶和取向向，它们对塑塑件的性能和和质量的影响响非常大，生生产中经常需需要调整某些些工艺参数，，才能很好地地控制结晶和和取向过程。。2.4.1聚合物的结晶晶在所有聚合物物中，可以分分为结晶聚合合物和非结晶晶聚合物(无定形聚合物物)两种类型。1.结晶概念2.二次结晶和后后结晶高等学校应用用型特色规划划教材3.结晶速度和结结晶度(1)结晶速度(2)结晶度4.结晶对塑件性性能的影响(1)密度(2)力学性能(3)热性能(4)翘曲(5)表面粗糙度和和透明度高等学校应用用型特色规划划教材5.影响结晶的因因素(1)温度(2)压力和切应力力(3)分子结构(4)添加剂高等学校应用用型特色规划划教材2.4.2聚合物的取向向聚合物的大分分子及其链段段或结晶聚合合物的微晶粒粒子在应力作作用下形成的的有序排列称称为取向结构构。根据熔熔体流动性质质不同，取向向结构可分为为单轴取向(见图2.14(a))和多轴取向或或称平面取向向(见图2.14(b))。高等学校应用用型特色规划划教材1.注射成型时的的流动取向机机理注射成型中主主要发生流动动取向。1)聚合物的流动动取向2)固体填充剂的的流动取向2.取向对聚合物物性能的影响响综上所述，聚聚合物取向对对塑件的性能能影响很大。。在塑料成型型生产中，可可以利用聚合合物的取向来来提高塑件的的性能，例如如吹塑薄膜就就是利用聚合合物双轴取向向原理来提高高其性能的。。但并非聚合合物取向对塑塑件性能均有有益处，在生生产厚度较大大的塑件(如模压塑件)时，就应该力力图消除取向向现象，使塑塑件不致发生生翘曲变形或或裂纹，从而而保证塑件质质量。高等学校应用用型特色规划划教材2.4.3残余应力残余应力是塑塑料熔体在模模内流动和冷冷却过程产生生的。在注射射和保压阶段段，塑料受到到不均衡的高高剪切应力和和正应力作用用，导致塑件件内产生残余余应力，称残残余流动应力力。由于注射射模温度不均均匀，更因模模内塑件很快快冷却固化，，在温差作用用下造成塑件件的热应力，，称为温度残残余应力。高等学校应用用型特色规划划教材2.5塑料成型过程程中聚合物的的化学变化聚合物在塑料料成型过程中中发生的化学学反应主要有有降解和交联联，它们与结结晶和取向一一样也对塑件件性能和质量量有重要影响响。2.5.1聚合物的降解解1.降解的种类(1)热降解(2)氧化降解(3)水降解(4)应力降解高等学校应用用型特色规划划教材2.避免降解的措措施(1)严格控制原材材料技术指标标，避免因原原材料不纯对对降解发生催催化作用。(2)成型前对物料料采取必要的的预热和干燥燥，严格控制制其含水量。。(3)合理选择并严严格控制成型型工艺参数，，保证聚合物物在不易降解解的条件下成成型(4)成型设备与模模具应具有良良好的结构，，与聚合物接接触的部位不不应有死角或或缝隙，流道道长度要适中中，加热和冷冷却系统应有有灵敏度高的的显示装置，，以保证良好好的温度控制制和冷却速率率(5)对热、氧稳定定性差的聚合合物，可考虑虑在配方中加加入稳定剂和和抗氧剂等，，以提高聚合合物的抗降解解能力。高等学校应用用型特色规划划教材2.5.2聚合物的交联联聚合物由线型型结构转变为为体型结构的的化学反应过过程称为交联联。经过交联联后，聚合物物的强度、耐耐热性、化学学稳定性和尺尺寸稳定性均均能比原来有有所提高。检查硬化程度度的方法很多多，但由于硬硬化后的塑件件溶解度很小小，各种化学学方法都难令令人满意，故故目前生产中中多采用物理理方法。常用用的方法有脱脱模后的硬度度检测法、沸沸水试验法、、萃取法、密密度法、导电电度检测法等等。如有条件件，也可采用用超声波和红红外线辐射法法，其中以超超声波方法为为最好。高等学校应用用型特色规划划教材2.6塑料的成型工工艺性能塑料与成型工工艺、成型质质量有关的各各种性能统称称为塑料的成成型工艺性能能。这些性能能有的直接影影响成型方法法和工艺参数数的选择，有有的只与操作作有关。2.6.1收缩性1.成型收缩的形形式(1)线尺寸收缩(2)收缩的方向性性(3)后收缩塑件脱脱模后，因各各种残余应力力的松弛将会会产生时效变变形，由时效效变形引起塑塑件尺寸缩小小的现象称后后收缩。(4)后处理收缩高等学校应用用型特色规划划教材2.收缩率计算高等学学校应应用型型特色色规划划教材材3.影响收收缩率率变化化的因因素1)塑料品品种2)塑件结结构3)模具结结构4)成型工工艺高等学学校应应用型型特色色规划划教材材2.6.2流动性性塑料在在一定定温度度和压压力下下充填填模具具型腔腔的能能力称称为流流动性性，它它是比比较塑塑料成成型加加工难难易程程度的的一项项指标标。影响流流动性性的因因素有有以下下几种种。1.分子结结构不不同流流动性性能也也不同同2.模具结结构的的影响响3.压力的的影响响4.温度的的影响响高等学学校应应用型型特色色规划划教材材2.6.3结晶性性在注射射成型型时，，结晶晶型塑塑料有有如下下特点点。(1)结晶型型塑料料必须须要加加热至至熔点点温度度以上上才能能得到到软化化状态态。(2)塑件在在模内内冷却却时，，结晶晶型塑塑料要要比非非结晶晶型塑塑料放放出更更多的的热量量。(3)结晶型型塑料料易产产生缩缩孔和和气孔孔。(4)结晶型型塑料料的结结晶度度与冷冷却速速度密密切相相关，，冷却却速度度快时时结晶晶度低低、收收缩小小。(5)结晶型型塑料料各向向异性性显著著，内内应力力大，，脱模模后塑塑件内内未结结晶的的分子子有继继续结结晶的的倾向向，易易使塑塑件变变形和和翘曲曲。(6)熔融温温度Tm范围窄窄，注注射机机性能能不良良时，，容易易使未未完全全熔融融的生生料注注入模模具或或堵塞塞浇口口。高等学学校应应用型型特色色规划划教材材2.6.4热敏性性和水水敏性性热敏性性是指指某些些热稳稳定性性差的的塑料料，在在料温温高和和受热热时间间长的的情况况下产产生降降解、、分解解、变变色的的特性性，具具有这这种特特性的的塑料料称为为热敏敏性塑塑料。。塑料的的水敏敏性是是指它它在高高温下下对水水降解解的敏敏感性性。典典型的的水敏敏性塑塑料有有聚碳碳酸酯酯、聚聚酰胺胺等，，对于于它们们必须须在成成型前前进行行干燥燥处理理，以以防止止它们们在高高温成成型过过程中中发生生水降降解。。高等学学校应应用型型特色色规划划教材材2.6.5应力开开裂与与熔体体破裂裂有些塑塑料如如聚苯苯乙烯烯、聚聚碳酸酸酯、、聚砜砜等对对应力力作用用很敏敏感，，成型型后不不仅容容易在在塑件件中形形成残残余应应力，，而且且还经经常会会在不不大的的外力力或溶溶剂作作用下下脆化化断裂裂，这这种现现象叫叫做应应力开开裂。。由前可可知，，当切切应力力或剪剪切速速率过过大，，表观观粘度度降至至很低低，会会引起起熔体体破裂裂。为为此，，可以以选用用熔体体指数数较大大的塑塑料，，或者者适当当地增增大喷喷嘴、、流道道和浇浇口的的截面面积。。另外外，降降低注注射速速度、、提高高熔体体温度度对于于防止止熔体体破裂裂也有有作用用。高等学学校应应用型型特色色规划划教材材2.6.6热性能能2.6.7吸湿性性和粘粘水性性2.6.8比容与与压缩缩率2.6.9硬化速速度高等学学校应应用型型特色色规划划教材材2.7常用塑料料的性能能及应用用2.7.1热塑性塑塑料常用热塑塑性塑料料的性能能和用途途如下。。1.聚乙烯(PE)1)低密度聚聚乙烯(高压聚乙乙烯LDPE)2)高密度聚聚乙烯(低压聚乙乙烯HDPE)3)线型低密密度聚乙乙烯(LLDPE)4)超高分子子量聚乙乙烯(UHMWPE)高等学校校应用型型特色规规划教材材2.聚氯乙烯烯(PVC)(1)硬聚氯乙乙烯(2)软聚氯乙乙烯4.聚丙烯(PP)5.