第十五章塑料成型的理论基础

第十五章塑料成型的理论基础第一页，共五十五页，编辑于2023年，星期五第一节塑料的基本性质一、高分子材料的基本概念高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。常称聚合物或高聚物。高分子化合物的分子量一般>104

。高分子化合物有天然的，也有人工合成的。工业用高分子材料主要是人工合成的。第十五章塑料成型的理论基础第二页，共五十五页，编辑于2023年，星期五（一）、高分子化合物的组成由简单的结构单元重复连接而成。如由乙烯合成聚乙烯:CH2=CH2+CH2=CH2+→-CH2-CH2-CH2-CH2-,[CH2–CH2]n可简写成nCH2=CH2→。

组成聚合物的低分子化合物称为单体。聚合物的分子为很长的链条，称为大分子链。[CH2–CH2]n大分子链中重复结构单元(如聚乙烯中

)称为链节。

聚乙烯分子链第三页，共五十五页，编辑于2023年，星期五（二）高分子化合物的聚合1加聚反应

由一种或多种单体相互加成，或由环状化合物开环相互结合成聚合物的反应。2缩聚反应

由一种或多种单体互相缩合生成聚合物，同时析出其他低分子化合物(如水、氨、醇、卤化氢等)的反应。第四页，共五十五页，编辑于2023年，星期五（三）高分子化合物的分类及命名1、高分子材料的分类⑴按用途分塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料等。⑵按聚合物反应类型分为加聚物和缩聚物。⑶按聚合物的热行为分为热塑性聚合物和热固性聚合物⑷按主链上的化学组成分为碳链聚合物、杂链聚合物和元素有机聚合物

第五页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2.高分子化合物的命名

大多数采用习惯命名法，在单体前面加“聚”字；或在原料名称后加“树脂”二字，如酚醛树脂等。第六页，共五十五页，编辑于2023年，星期五二、塑料的结构（一）、高分子链的结构(分子内结构)1.高分子链结构单元的化学组成

在元素周期表中只有ⅢA、ⅣA、ⅤA、ⅥA中部分非金属、亚金属元素才能形成高分子链。第七页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2.高分子链的形状按照大分子链的几何形状，可将塑料结构分为线型结构、支链型结构和体型结构。线型结构高聚物的弹性、塑性好，硬度低，是热塑性材料。支链型结构近于线型结构。体型结构高聚物硬度高，脆性大，无弹性和塑性，是热固性材料。第八页，共五十五页，编辑于2023年，星期五（二）高分子的聚集态结构(分子间结构)固态高聚物分为晶态和非晶态两大类，晶态为分子链排列规则的部分，而排列不规则的部分为非晶态。一个大分子链可以穿过几个晶区和非晶区。晶区熔点、密度、强度、硬度、刚性、耐热性、化学稳定性高，而弹性、塑性、冲击强度下降。第九页，共五十五页，编辑于2023年，星期五三、塑料的加工性能

（一）热塑性塑料的加工性能

1玻璃态：低温下，链段不能运动。在外力作用下，只发生大分子原子的微量位移，产生少量弹性变形。高聚物呈玻璃态的最高温度称玻璃化温度，用θg表示。用于这种状态的材料有塑料和纤维。第十页，共五十五页，编辑于2023年，星期五聚合物的玻璃化温度是指线型非结晶聚合物由玻璃态(硬脆状态)向高弹态(橡胶弹性态)、或由后者向前者转变的温度。当温度低于玻璃化温度时，聚合物中的大分子链段凝固成坚硬的固态。当温度高于玻璃化温度时，大分子链段就拥有了足够的自由活动能量，但此时还不是整个大分子链段在运动，故表现出来的还是高弹性橡胶的性质，此时，聚合物中的自由容积会突然增加。玻璃化温度主要与聚合物中大分子键的柔性有关。另外，大分子的交联、结晶取向等都会使升高。第十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2高弹态：温度高于θg，分子活动能力增加，受力时产生很大弹性变形。用于这种状态高聚物是橡胶。3粘流态：由于温度高，分子活动能力很大，在外力作用下，大分子链可以相对滑动。粘流态是高分子材料的加工态，大分子链开始发生粘性流动的温度称粘流温度，用θf表示。第十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期五玻璃态是聚合物的使用状态,θg称为玻璃化温度,为衡量制品使用范围的标致之一,θg越高，制品对环境温度适应性越强；

θf为粘流温度，是聚合物从高弹态转为粘流态的温度；

θm为熔点，是聚合物的熔融温度；

θd为热分解温度，是聚合物高温下开始分解的温度；θf(θm)～θd温度区间大时，塑料熔体的热稳定性好，可在较宽温度范围内变形和流动。第十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期五（二）热固性塑料的加工性能

常用热固性塑料有酚醛、氨基（三聚氰胺、脲醛）聚酯、聚邻苯二甲酸二丙烯酯等。主要用于压塑、挤塑、注射成形。硅酮、环氧树脂等塑料，目前主要作为低压挤塑封装电子元件及浇注成形等用。

热塑性塑料：在加工过程中，一般只起物理变化。即在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料。

热固性塑料：在加工过程中起化学变化，受热时，开始被软化而具有一定的可塑性，但随着进一步加热，树脂就硬化定型，若再加热也不会变软或改变其形状，不熔不溶性物料的树脂，一般称热固性塑料。热固性塑料通常耐高温，一般不能重复再塑制，仅能粉碎后用作填料。

第十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期五牛顿流动规律：温度一定时，低分子液体流动时的切应力与切应变速率成正比，即：

式中，h为剪切粘度(Pa·s)符合上式的流体称为牛顿流体，比例系数h称为牛顿粘度，它是流体本身固有的性质，其数值表征了流体抵抗外力引起流动形变的能力。四、塑料的流变性

第十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期五层流流速分布模型第十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期五

塑料成形中，大多数塑料熔体都是非牛顿流体，它们中大部分近似服从指数流动规律：式中，K－稠度系数；

n－非牛顿系数。第十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期五指数流动规律也可表示为：称为聚合物熔体的表观粘度。它表征的是非牛顿流体在外力作用下的抗切应变的能力。第十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期五在聚合物流变学理论中，凡是服从指数流动规律的非牛顿流体统称为粘性流体。根据n的取值范围可将粘性流体分为三类：n<1时，称为假塑性液体，绝大多数聚合物熔体与溶液的流动都接近于假塑性流体；n>1时，称为膨胀性液体；n=1时，且只有切应力达到或超过一定值后才能流动的，称为宾号体。第十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期五不同类型流体的流动曲线

不同类型流体的流变曲线第二十页，共五十五页，编辑于2023年，星期五粘度是描述塑料熔体流变行为最重要的参数。对于牛顿流体，其粘度为一个不变常量。对于非牛顿流体，其表观粘度受多种因素影响，具体如下：

1）聚合物结构和其他组分的影响

聚合物相对分子质量越大，熔体的粘度和非牛顿性越大。

相对分子质量分布较宽的聚合物，其粘度对剪切速率的敏感性较大，非牛顿性也较强。

2）温度的影响

在粘流态，热塑性塑料熔体的粘度随温度升高而呈指数规律降低，但不同熔体粘度对温度的敏感程度不同。第二十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期五

3）压力的影响

随外部压力增大，熔体受压缩体积减少，分子间作用力增加致使粘度也随之增大。由于塑料熔体的压缩率不同，不同熔体的粘度对压力的敏感性也不同。

4）剪切速率的影响

塑料熔体的表观粘度随着剪切速率或切应力的增大而减少，不同种类的塑料对剪切速率的敏感性不同第二十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期五五、塑料的基本力学性质

固态塑料的第一个力学特性是蠕变特性。如果把一个由热塑性树脂制成的细长板的一端挂上重物,在放置了一个较长的时间后,就会发现板的长度在随着时间一点一点地增大,而且即使把重物取下来,板的长度也不会再恢复,我们把这种现象称为蠕变.第二十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期五固态塑料的第二个力学特性是应力松弛。如果在板的两端加上拉应力或者压应力并使之保持在一定的长度,同样在放置了一个较长的时间后,就会发现所加的应力在逐渐变小甚至变为零,我们把这种现象叫做应力松弛.固态塑料的第三个力学特性是应变速率保持为常数时的拉伸特性。第二十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期五1）聚合物的结晶

在一定的外界条件下，聚合物分子在空间作规则性的排列称为结晶。

聚合物结晶态与低分子物质结晶有很大区别，主要表现为晶体不整齐、结晶不完全、结晶速度慢、没有明晰的熔点等。其形态常为球晶，用结晶度来表示其程度。一般聚合物的结晶度为10％～60％。

结晶度的提高可增加聚合物密度、抗拉强度、刚度和热变形温度，但降低了聚合物冲击韧性。由于结晶时形成球晶，致使制品的透明度降低。另外结晶度提高会在制品内产生较高的附加应力而引起制品翘曲。

在塑性加工中影响结晶度的因素有：温度及冷却速度、熔融温度与熔融时间和应力。六、塑料成形过程的物理和化学变化第二十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期五2）聚合物取向

聚合物的大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列叫做取向。

塑料在成形过程中会发生不同类型的取向。一种是流动取向，另一种是拉伸取向。

取向会使制品产生明显的各向异性:

其不利之处为增加了制品翘曲的可能性；有利之处为制品受力方向与取向方向一致可改善制品质量。同时使结晶提前，使制品密度和强度都相应提高。另外，取向程度的提高会使线收缩率增加，线膨胀系数也随之变化。第二十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期五

取向的影响因素有：塑料熔体的加工温度，提高加工温度有利于产生解除取向效应；聚合物分子松弛时间，结晶型塑料松弛时间短容易使取向冻结，其取向程度高于无定形塑料;模具温度低时熔体冷却速度加快，冷冻取向效应提高；塑料比热大，热导率低会降低熔体冷却速度，有利于取向的解除；注射压力可提高熔体的切应力和剪切速率，有助于分子取向；大浇口冷却慢，浇口封闭晚，取向作用加强；快速充模使制品表面层分子取向增高，中心部位取向减弱。第二十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期五3）聚合物的降解

聚合物相对分子质量降低的现象称为聚合物的降解。

通常聚合物分子是在受到热和应力或者微量水分、酸、碱等杂质及空气中氧的作用而使大分子结构改变，产生降解。

降解是有害的，按轻重不同会使聚合物变色、出现气泡和流纹、甚至焦化变黑。第二十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期五塑料的成型方法注射（塑）成型挤出成型压缩成型压铸成型吹塑成型等。

据统计，目前注射制品约占所有塑料制品总产量的30%，占工程塑料制品的80%，故注射成形是一种最主要的成型方法。第二十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期五第二节注射过程及塑料熔体在型腔中的流动下图是注射成型过程示意图。成型时，先将粉状或粒状物料从料斗送入高温机筒内加热熔融塑化使之成为粘流态熔体，然后在柱塞或螺杆的高压推动下以很大的流速通过喷嘴注射进入温度较低的闭合模具中。熔体在压力作用下充满型腔并被压实，经过一段保压后柱塞或螺杆回程。此时，熔体可能从型腔向浇注系统倒流。冷却定型后开启模具，制品便可从模腔中脱出。第三十页，共五十五页，编辑于2023年，星期五注塑成型过程a)加热熔融塑化b)充模、压实、保压、倒流c)冷却定型、脱模1－料斗2－机筒3－喷嘴4－分流锥5－柱塞第三十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期五塑料在注射机筒内经过加热、塑化达到流动状态后，由模具的浇注系统进入模具型腔，最终冷却定形的过程称为浇注过程。该过程可分为充模、压实、保压、倒流和冷却五个阶段。如图示为一个注射周期内压力随时间变化曲线。

OA段为塑料熔体在注射压力p1作用下，从料筒计量室流入型腔始端的时间；AB段熔体充满型腔，此时注射压力达到最大值；BC段是熔体的压实阶段,注射压力用于压实熔体；CD段为保压阶段；E时刻熔体在浇口处凝固,封断流动；EF段为冷却定形阶段。第三十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期五注射成形中的压力－时间曲线

1－注射压力曲线；2－喷嘴末端的压力曲线；

3－型腔始端的压力曲线；4－型腔末端的压力曲线。第三十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期五注塑周期中塑料熔体和模具温度随时间的变化曲线

1－熔体2－模具温度

当塑料熔体流入型腔时熔体温度稍有升高。当型腔压力迅速上升时熔体温度也上升到最高值。随着保压阶段的开始，熔体逐渐冷却，温度下降。第三十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期五塑料熔体在型腔中的流动型腔充填过程可以分为三个阶段，但为了避免和程序注塑中采用的阶段相混淆，习惯上不叫阶段，而称为相。（１）充填相在充填相中，注塑机的柱塞以稳定的速度向前运动，将塑料熔体注入型腔。充填相一直继续到型腔恰好充满为止。（２）增压相(或称压缩相)

在增压相，注塑机柱塞仍继续向前运动。塑料熔体仍不断注入型腔，一直到模具承受到一定压力为止。在增压相开始时，塑料熔体己将型腔充满，柱塞向前运动的速度也已下降，但仍要向前移动一段距离，这是因为塑料熔体有很大的可压缩性，在此相中约有15％的额外材料在压力作用下进入型腔。（３）补偿相塑料由熔态冷却至固态时体积变化约有25％，而在增压相最多只补充了约15％的材料，故补偿相总是必须的。第三十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期五充填相流动特点充填相的流动前沿

前沿区流速分布示意图

第三十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期五充填时的取向和残余应力

第三十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期五补偿相流动简图

在补偿相中，熔体的流动是不稳定的，流动形态与河流三角洲的流道很相似

第三十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期五形成这种流动图像的原因有以下几个方面。（１）温度的变化来自注塑机料筒的熔体其本身温度就不均匀，可以测出，在特殊情况下，此温差可以达到约40℃。温度高的熔体粘度低，流速快，使得更多的熔体流入此高温区，造成此区熔体温度进一步升高，进一步促进了该区域的流动，最后形成了类似河流三角洲的图像。（２）熔体内部温度的不稳定性若熔体中某一部分较其余部分温度稍高，则该部分就会因粘度低而流速高，这样就会将更多的熔体带入该区，使该区得以维持较高的温度、较低的粘度和较快的流速。因为河道外熔体大块的温度较河道中熔体的温度低，因而会先于流道中熔体而凝固并收缩。而河道内熔体不但温度稍高，取向和收缩率亦大，冷却凝固时受到已凝固的河道外材料的限制而形成拉伸残余应力，而河道外材料则形成压缩残余应力，这种不均匀收缩而造成的残余应力也是造成制品翘曲的重要原因之一。第三十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期五第三节注塑制品中的取向

注塑件厚度取向变化情况

第四十页，共五十五页，编辑于2023年，星期五等温条件下剪应力沿厚向的变化非等温条件下厚向取向分布

第四十一页，共五十五页，编辑于2023年，星期五松弛前后取向沿厚向的分布注塑件流动前沿为零级黑，表示流动前沿无取向；从流动前沿出发．逆流而上，取向级别逐渐升高，至浇口前一定距离处达列最大，之后，取向级别又逐渐降低。

第四十二页，共五十五页，编辑于2023年，星期五第四节注塑制品中的残余应力

残余应力(Residualstress)可以定义为无外力作用下存在于物体内部任意点的局部应力。残余应力所产生的合力或力矩必须为零。流动残余应力流动应力主要出现于型腔充填阶段，保压对流动应力只起到补充作用。注塑时，熔体中的高应变速率引起了剪应力和第一、第二正应力差。

第四十三页，共五十五页，编辑于2023年，星期五残余应力残余应力是塑料熔体在模内流动和冷却过程产生的。在注射和保压阶段，塑料受到不均衡的高剪切应力和正应力作用，导致塑件内产生残余应力，称残余流动应力。由于注射模温度不均匀，更因模内塑件很快冷却固化，在温差作用下造成塑件的热应力，称为温度残余应力。高等学校应用型特色规划教材第四十四页，共五十五页，编辑于2023年，星期五热残余应力图15-16厚度为0.3cm的PMMA板从170℃（曲线1）和130℃（曲线2）淬火至0℃，以及厚度为0.26cm的PS板从150℃（曲线3）和130℃（曲线4）淬火至23℃时厚向热应力分布图15-17厚度为0.3cm的PMMA板从170℃淬火至22℃（曲线1）和0℃（曲线2）时厚向热应力分布第四十五页，共五十五页，编辑于2023年，星期五第五节塑料熔体的复杂流动现象与缺陷

一、翘曲翘曲(Warp)是塑料制品的一个主要缺陷，大型薄壁精密注塑件的翘曲问题更加突出，造成注塑制品翘曲的原因很多，主要有收缩不均匀，结晶度不均匀，冷却不均匀，过度充填等四个方面。矩形注塑板的翘曲注塑制品厚度不同引起的不均匀收缩第四十六页，共五十五页，编辑于2023年，星期五冷却不均引起的翘曲第四十七页，共五十五页，编辑于2023年，星期五过度充填过度充填(Overfilling)是引起制品翘曲的最常见的原因之一。过度充填是由于流动不平衡所引起的。在型腔充填过程中，熔体总是首先流向最容易流动的部位，因此，当型腔中的某一区域较其余区域更容易流入时，熔体将首先充满此区域。由于塑料熔体是高度可压缩的，故在熔体充填其余区域的同时，将以逐渐降低的流速继续充填易流入区，使此区域密度加大，取向水平提高，这种情况称为过度充填。遭受过度充填的区域收缩率升高，使整个制品中各区域收缩率不同而引起翘曲。

第四十八页，共五十五页，编辑于2023年，星期五过度充填实例第四十九页，共五十五页，编辑于2023年，星期五快车道效应

快车道效应实