塑料成型工艺学第二章

塑料成型工艺学第二章第1页，课件共42页，创作于2023年2月塑料成型是工程技术，将塑料转变为具有使用价值、保持原有性能，或超过原有性能的材料和制品。过程中的变化，物理变化、化学变化，形态结构改变，表现性能改变。必须对这些变化有所认识。研究目的：原料配方，工艺、设备提出合理的要求。对材料进行结构和性能设计，构造出能满足不同场合需要的材料和制品。内容：聚合物的流变、传热、结晶、定向和化学反应等现象。其它的一些内容，则将分散在以后各章中讨论。第2页，课件共42页，创作于2023年2月2.2

聚合物的流变行为第3页，课件共42页，创作于2023年2月一、剪切粘度和牛顿流动

熔体与分散体：常态（结晶态、玻璃态），高弹态，粘流态。应用种类：液体的流动和变形都是在受有应力的情况下得以实现的。重要的应力有剪切、拉伸和压缩应力三种。第4页，课件共42页，创作于2023年2月剪切应力：剪切使流体克服阻力而流动设备中，模具中；一般把流体看成许多层，层与层之间的作用力。拉伸应力：与剪切应力共同出现的，（聚合物流体的特性之一）例如：吹塑中型坯的引伸，吹塑薄膜时泡管的膨胀，塑料熔体在锥形流道内的流动，及单丝的生产等等。

压缩应力：聚合物是可压缩流体，某些情况出现影响。（理论研究缺乏）第5页，课件共42页，创作于2023年2月牛顿流体层流：液体主体的流动是按许多彼此平行的流层进行的，同一流层之间的各点速度彼此相同，但各层之间的速度却不一定相等，而且各层之间也无可见的扰动。湍流：流动速度增大且超过临界值时则流动转变为湍流。临界：第6页，课件共42页，创作于2023年2月式中D为管道直径，v为液体流动的平均速度，ρ为流体的密度。η为流体的剪切粘度。对通过流体而言，凡Re<2100~2300，均为层流；当Re＝2300～4000时，为过渡流；当Re>4000时则为湍流。聚合物流体的粘度大，流速低，在成型中其Re<10,一般为层流。第7页，课件共42页，创作于2023年2月第8页，课件共42页，创作于2023年2月牛顿流体：描述流体层流的最简单规律是牛顿流动定律。该定律称：当有剪切应力τ（用N/m2或Pa表示）于定温下施加到两个相距为办的流体平行层面并以相对速度dv运动（见图2－1），则剪切应力与剪切速率dv／dr（s－）之间呈直线关系，可表示如式：

式中η为比例常数，称为切变粘度系数或牛顿粘度，简称粘度，单位为Pa.S。第9页，课件共42页，创作于2023年2月

牛顿型流体的流动曲线是通过原点的直线，该直线与r轴夹角θ的正切值是牛顿粘度值（图2－2）。

高聚物的熔体：大部分只能在剪切应力很小时才能符合牛顿流体，大部分不符合牛顿流体；聚合物分散体溶液在成型过程中也不是牛顿流体。非牛流体

第10页，课件共42页，创作于2023年2月二、非牛顿型流体及流动

非牛顿型流体：流动行为不遵从牛顿流动定律的，均称为。表观粘度：剪切应力和剪切速率的比值不再称为粘度而称为，

在一定温度下并不是一个常数，可随剪切应力、剪切速率而变化，甚至有些还随时间而变化。忽略聚合物熔体的弹性（这将在以后讨论），将非牛顿流体归为两个系统。分别：粘性系统（主要），时间依赖系统。第11页，课件共42页，创作于2023年2月1．粘性系统

发生流动时的特性是:其剪切速率只依赖于所施加剪切应力的大小。

可分为宾哈流体、假塑性流体和膨胀性流体。第12页，课件共42页，创作于2023年2月

(1)

宾哈流体

与牛顿流体相同，其剪切应力和剪切速率的关系表现为直线。

不同:剪切应力高至一定值τy后才发生塑性流动。使流体产生流动的最小应力τy，称为屈服应力。宾哈流体的流动方程为：

式中ηp称为刚度系数，等于流动曲线的斜率。第13页，课件共42页，创作于2023年2月

宾哈流体机理：静止时形成了凝胶结构，外力超过τy时这种三维结构即受到破坏。实例：牙膏、油漆、润滑脂、钻井用的泥浆、下水污泥、聚合物在良溶剂中的浓溶液和凝胶性糊塑料等属于或接近于宾哈流体。第14页，课件共42页，创作于2023年2月（2）假塑性流体

表现的流动曲线是非直线的。但并不存在屈服应力。流体的表观粘度随剪切应力的增加而降低。

大多数聚合物的熔体，也是塑料成型中处理最多的一类物料，以及所有聚合物在良溶剂中的溶液，其流动行为都具有假塑性流体的特征。

第15页，课件共42页，创作于2023年2月图2－4是在对数坐标上绘制的聚合物熔体的流动曲线。

第16页，课件共42页，创作于2023年2月

图2－4是在对数坐标上绘制的聚合物熔体的流动曲线。A与B是分别在温度Tl和T下所绘的曲线，T1＜T2。A与B两条曲线均接近于直线。

曲线直线

如果将剪切应力或剪切速率的范围缩小，则A和B将更接近于直线。近似的直线在剪切应力轴上所跨越的范围约为一个数量级，而在剪切速率轴上则约为一个半到两个数量级。由此可以得知：在任何给定范围内，剪切应力和剪切速率的关系可用指数定律来描述，即：

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式中K与n均为常数（n＜1）。K是这种流体稠度的一种量度，流体粘稠性越大时，K值就越高；n是判定流体与牛顿流体的差别程度的。n值离整数1越远时，流体的非牛顿性就越强；n为1时，流体即为牛顿流体。

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指数函数仅是描述假塑性流体流动行为的一种方式。从工程角度讲，在解决具体问题时要求一个公式描述流体流动的剪切应力范围并不十分宽，所以多采用简单经验性的指数函数。

表示假塑性流体流动行为的指数函数，还可以用另一种形式表示（2-5）

式中k与m也是常数（m＞1）。K称为流动度或流动常数，k值越小时表明流体越粘稠，也是越不易流动。

第19页，课件共42页，创作于2023年2月各个参数的关系如下：第20页，课件共42页，创作于2023年2月假塑性流体的粘度随剪切应力或剪切速率的增加而下降的原因与流体分子的结构有关。机理如下：溶液，当它承受应力时，原来由溶剂化作用而被封闭在粒子或大分子盘绕空穴内的小分子就会被挤出，这样，粒子或盘绕大分子的有效直径即随应力的增加而相应地缩小，从而使流体粘度下降。因为粘度大小与粒子或大分子的平均大小成正比，但不一定是线性关系。第21页，课件共42页，创作于2023年2月

熔体，原因在于其中大分子彼此之间的缠结。当缠结的大分子承受应力时，其缠结点就会被解开，同时还沿着流动的方向规则排列，因此就降低了粘度。缠结点被解开和大分子规则排列的程度是随应力的增加而加大的。显然，这种大分子缠结的学说，也可用以说明聚合物熔体粘度随剪切应力增加而降低的原因。第22页，课件共42页，创作于2023年2月

指数函数用式（2一5）描述聚合物熔体流动行为时，式中的m值一般在1.5至4的范围内变化，但当剪切速率增高时，某些聚合物的m值可达至5。图2－4中所示的流动曲线，其m值约为3。平均相对分子质量相同的同一种聚合物，其相对分子质量分布幅度大的流动性对所施应力的敏感性大。第23页，课件共42页，创作于2023年2月几种热塑性塑料的表观黏度与剪切应力的关系见图2-5。也表示剪切力、剪切速率和表观黏度之间的关系。第24页，课件共42页，创作于2023年2月（3）膨胀性液体（高固含量的悬浮液）

这种流体的流动曲线也不是直线（图2一3），而且也不存在屈服应力，但与假塑性流体不同的是它的表现粘度会随剪切应力的增加而上升。膨胀性流体的流动行为也可以用式（2一4）或式（2－5）来描述，只是式（2－4）中的常数n大于1；式（2－5）中的常数则小于1。

第25页，课件共42页，创作于2023年2月机理：

静态时，体系中由固体粒子构成的空隙最小，其中流体只能勉强充满这些空间。当施加于这一体系的剪切应力不大时，也就是剪切速率较小时，流体就可以在移动的固体粒子充当润滑剂，因此，表观粘度不高。剪切速率逐度渐增高时，固体粒子的紧密堆砌就次第被破坏，整个体系就显得有些膨胀。此时流体不再能充满所有的空隙，润滑作用因而受到限制，表观粘度就随着剪切速率的增长而增大。

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2．有时间依赖性的系统

特征：剪切速率不仅与所施加的剪切应力的大小有关，而且还依赖于应力施加时间的长短。应力不变时，这种流体在恒温下的表观粘度会随着所施加应力的持续时间而逐渐上升或下降，上升或下降到一定值后达到平衡不再变化。变化是可逆性的，因为流体中的粒子或分子并没有发生永久性的变化。表观粘度随剪切应力持续时间下降的流体称为摇溶性（或触变性）流体，与此相反的则称为震凝性流体。第27页，课件共42页，创作于2023年2月

摇溶性。某些聚合物的溶液。如涂料和油墨等；震凝性。某些浆状物，如石膏的水溶液等。流动机理研究得不够深透，目前认为与假塑性和膨胀性流体极为相似，所不同的只是在流动开始后需一定时间以达到平衡。尽管有些学者已对高分子材料的触变机理作了探讨，并提出了触变结构模型，建立了触变动力学方程，但要求得实质性的解，还有一定距离。

第28页，课件共42页，创作于2023年2月时间依赖的流体图示：第29页，课件共42页，创作于2023年2月3.成型操作中的剪切速率

几种主要的成型操作中，塑料所受到的剪切速率范围见表2—1

第30页，课件共42页，创作于2023年2月

对给定的塑料来说，如果通过实验求得了在这种范围内的粘度数据（即流动曲），则对这种塑料在指定成型方法中的操作难易程度就能作出初步判断。例如在注射模塑时，如果某一塑料熔体在温度在不大于其阵解温度而于剪切速率103s－1的情况下测得其表观粕度为50-500Pa.S；则注射中将不会发生困难。表观粘度过大，则塑模的大小与设计就受有较的限制，同时成型制品很易出现缺陷；过小时，溢模的现象比较严重，制品的质量也以保证．通常所见塑料熔体粘度范围为10－107Ps.S；、分散体的粘度约在1Ps.S左右。第31页，课件共42页，创作于2023年2月三、拉伸粘度

由拉伸应力而引起的流动，而不是由剪切应力仿照下式：

则有：第32页，课件共42页，创作于2023年2月

式中έ为拉伸速率变化，λ粘度：σ为拉伸应力，是以拉伸时真正断面积计算的。拉伸流动的概念可由图2—6来说明，一个流体单元由位（1）变至（2）时，形状发生了不同于剪切流动的变化:

由此可见，剪切流动是与拉伸流动有区别的，前者是液体中一个平面在另一个平口上的滑动，而后者则是一个平面两个质点间的距离拉长．此外．拉伸粘度还随所拉应力是单向、双向等而异，这是剪切粘度所没有的。λ第33页，课件共42页，创作于2023年2月

假塑性流体的拉伸黏度λ随着ε拉伸应变速率的增加可能的变化:

降低（由于解缠结），如HDPE,PP等高聚合度线型高聚物，局部弱点拉伸过程引起熔体破裂．

升高（拉直与沿着拉伸取向），LDPE,PS，聚异丁烯等支化聚合物，拉伸过程的局部弱点均化，拉伸应变硬化（拉直排列和取向）

不变（两种效应相抵），PMMA,ABS,PA,POM,PET等低聚合度的线型高聚物.特点：拉伸黏度随应力变化一般以增加为主要现象，即使有的下降也很小（相对于剪切黏度）．小分子：λ＝3η，聚合物大应力：λ＝100η拉伸应力具有较大的影响．中空加工黏度上升，制品均匀，较少应力集中．第34页，课件共42页，创作于2023年2月

几种热塑性塑料的拉伸应力-拉伸黏度的实测数据：图2-7。第35页，课件共42页，创作于2023年2月

从图注意：有些塑料的拉伸粘度甚至在拉伸应力高至106牛顿/米时并无任何变化，有些随拉伸应力的增大而出现上升或下降．其原因还不清楚．成型中物料所受拉伸应力的分析以及由实验提供的拉伸粘度数据，在成型工艺和设备设计，都富有指导意义，并正在进一步研究它们与塑料成型之间的关系

第36页，课件共42页，创作于2023年2月四、温度和压力对粘度的影响

对流体粘度起作用的因素有温度、压力、施加的应力和应变速度等。后两者对粘度的关系已经论及，这里便讨论前两者对粘度的影响。

1．温度对剪切粘度的影响温度与流体剪切粘度（包括表观粘度）的关系可用式（2－12）表示：第37页，课件共42页，创作于2023年2月式中η为流体在T℃时的剪切粘度，η0为某一基准温度T0℃时的剪切粘度，e为自然对数的底，a为常数。从实验知，式（—12）中的a，在温度范围不大于50℃时，对大多数流体来说都是常数，超出此范围则误差较大。

第38页，课件共42页，创作于2023年2月注意：①如果将式（2－12）用于剪切粘度对剪切应力（或剪切速率）有敏感性的流体时，则该式只有当剪切应力（或剪切速率）保持恒定时才是准确的。②式（2—12）虽然对聚合物的熔体、溶液和糊都适用，但是必须指出，当用于聚合物糊时，应以在所涉及温度范围内聚合物没有发生溶胀与溶解的情况为准。

第39页，课件共42页，创作于2023年2