注塑工藝設(shè)計-第二章材料

1、第二章 注塑材料注塑材料的組成 , 基本性能對于材料成型工藝的影響甚大 .不同的 材料由于結(jié)構(gòu)不同 , 其合理的成型范圍 , 關(guān)注的側(cè)重面也不同 . 因此, 這部分知識對于從事材料注塑成型的技術(shù)人員而言至關(guān)重要 , 尤其對 于了解材料材料知識甚少的機(jī)械類專業(yè)人士而言更是如此 .第一節(jié) 高分子的結(jié)構(gòu)組成高分子的形成從基本的化學(xué)知識可以知道 , 碳原子和氫原子在特定條件下排列 成一定結(jié)構(gòu)的鏈狀結(jié)構(gòu) ,形成呈現(xiàn)一定特性的分子 , 如甲烷、乙烷、丙 烷等; 而這些質(zhì)量稍大一點的分子還可進(jìn)一步反映生成質(zhì)量更多的分 子結(jié)構(gòu), 如乙烯和丙烯等 .因此可以認(rèn)為 ,高分子(聚合體)是由下面 的一些中間物生成的：

2、(1) . 甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等(2) . 這些基體首先必須轉(zhuǎn)化為：亞甲基、乙烯和丙烯這些中間物稱之為基體或單體 , 他們在經(jīng)過成為聚合反應(yīng)的過程 , 形成分子量更為巨大的分子 .如果超過 500 個這樣的單體聚合，結(jié)果 就會形成高分子 , 或者聚合物。由一種單體聚合形成的聚合物稱之為均聚物 ,如聚乙烯 (PE), 聚丙 烯(PP)等，也有由兩種或者以上的單體經(jīng)過聚合而形成的高分子，如ABS樹脂就是由丙烯氰，丁二烯和苯乙烯組成的三元共聚物這就是高分子形成的簡單過程，也是高分子名稱的由來.組成高分 子的單體不同，排列的鏈狀結(jié)構(gòu)不同，形成的材料也不相同，因而也呈 現(xiàn)出不同的物理和化學(xué)性能

3、.重要知識點：高分子的形成分子形態(tài)乙烷乙烯聚乙烯分子鏈分子數(shù)量高分子的重量高分子是超過500或者更多的單體形成的分子鏈，所有的分子不 可能包括相同數(shù)量的單體，但是，可以通過控制聚合過程，來控制分 子鏈的結(jié)構(gòu)和長度。聚合物可以通過平均的分子重量來區(qū)分， 這就產(chǎn) 生了特定微粒的分子重量分布。大多數(shù)的單體是氣體，短分子鏈的小分子是液體，大分子鏈的聚 合物就是固體。因此，甲烷、乙烷、丙烷等分子是氣體，而乙烯和丙 烯則是液體，聚乙烯和聚丙烯就是固體了 .分子量越大，材料的強(qiáng)度和剛度越大，但是大分子材料的黏度也 大。因此大分子熔體填充時需要的壓力就高，分子量越大，材料越難 以成型，超大分子材料是不能通過注

4、塑過程成型的。大分子材料的黏度一般很高，為了降低黏度，必須提高材料的加 工溫度，但是這會引起高分子材料的降解。因此，在加工高分子材料時，考慮到材料的熱穩(wěn)定性，一般規(guī)定了加工溫度和材料的熔化時間因此,高分子材料在注塑機(jī)的塑化單元中停留時間有一定限制，如果超過這個滯留時間，材料就可能發(fā)生降解。許多高分子材料由于長期暴露在氧氣和紫外線照射下發(fā)生降解， 防止發(fā)生降解就得提高分子重量。這意味著，在碳原子鏈中，少量的 分子鏈帶著較少的大單體。大而長的分子很難移動。大的分子即使降 解，產(chǎn)生的中等程度的分子也具有可以接受的材料特性， 在這一點上 比小分子要強(qiáng)。重要的知識點：分子的形態(tài)和重量表1分子的形態(tài)和重量

5、氣體小分子液體大分子固體高分子乙烷乙烯聚乙烯丙烷丙烯聚丙烯高分子的分類高分子可以劃分為熱固性材料，彈性體(人造橡膠)和熱塑性材料 三大類,下面分別介紹(1).熱固性材料熱固性材料是鏈狀結(jié)構(gòu)有交叉的聚合物，其最終的分子結(jié)構(gòu)是在 熱和壓力的作用下通過化學(xué)反應(yīng)形成的。一旦這種反應(yīng)完成，熱固性材料就不能通過熱和壓力的進(jìn)一步作用而改變。也就是說，這種材料的使用都是一次性的.常見的熱固性材料有 : 聚酯 (UP) 和環(huán)氧樹脂 (EP) 等 . 熱固性材料一般不能通過注塑成型過程來成型 , 但它可以通過常 溫下的化學(xué)反應(yīng)來成型 .(2). 彈性體(人造橡膠) 彈性體是鏈狀結(jié)構(gòu)有一定程度交聯(lián)的高分子。這種材料

6、在應(yīng)力的 作用下很容易變形，并且在應(yīng)力去處后，很快恢復(fù)原來的形狀。(3) . 熱塑性材料 熱塑性材料由不互相交織在一起的長鏈分子組成。其特性是當(dāng)溫 度超過其軟化溫度時， 可以通過注射來成型， 而當(dāng)冷卻到其凝固點以 下時，可以成型出需要的形狀來。 這個過程理論上可以無限制地重復(fù)， 但是事實上，受到材料老化等穩(wěn)定性的影響。這意味著，在經(jīng)過幾次 加工后，材料的原始特性因為產(chǎn)生的應(yīng)力而變化。注塑成型常用的材料如聚乙烯 (PE), PP, 聚丙烯 (PS), ABS, 尼龍 (PA)等都是熱塑性材料。本書介紹的高分子材料以注塑成型工業(yè)用到的熱塑性材料為主 , 在本書的以后章節(jié)中 , 不加區(qū)分地統(tǒng)稱為塑料

7、 .常用塑料都有一個名稱和材料代號 . 名稱基本上是根據(jù)材料的單 體而命名的 , 符合則是英文名稱的縮寫 .重要的知識點 :(1) . 熱固性塑料和熱塑性塑料的形態(tài)比較(2) .常用材料的名稱和代號表格2常用材料的名稱和代號序號材料代號俗名性質(zhì)1PE聚乙烯結(jié)晶性2PP聚丙烯結(jié)晶性3PA尼龍(聚酰胺)結(jié)晶性4POM聚甲醛結(jié)晶性5PC聚碳酸酯非結(jié)晶性6PS聚苯乙烯非結(jié)晶性7ABS非結(jié)晶性8PVC聚氯乙烯非結(jié)晶性9PMMA聚甲基丙烯酸甲酯非結(jié)晶性結(jié)晶型性塑料和非結(jié)晶型塑料聚合物中相鄰分子鏈的幾何排列順序，結(jié)構(gòu)形式不同，因此也呈現(xiàn) 出不同的特性。一般來說，有以下三種不同的分子排列順序分子隨機(jī)纏繞和交織

8、的聚合物。這種材料由于分子鏈的排列沒有 呈現(xiàn)隨機(jī)分布的規(guī)律 , 沒有明顯的方向性 , 因此材料在各個方向上表 現(xiàn)出的力學(xué)特性是相同的 ,即他們是各向同性的 . 這類高分子稱之為 無定形聚合物 ,.聚苯乙烯（PS、丙烯酸、聚苯氧基樹脂（聚苯醚樹脂，PPO、聚 碳酸酯（PC等是典型的無定形聚合物。無定形的熱塑性材料一般是非結(jié)晶型塑料 . 非結(jié)晶型材料的透明 度要好.相反, 結(jié)晶性材料具有很規(guī)則的格子狀的分子排列方式， 在聚合物 分子的每個截面上的特定點處， 重復(fù)出現(xiàn)特定的結(jié)構(gòu)。 然而沒有任何 一種聚合物是完全晶體的。高度晶體化的分子有 HDPE， PP， Acetal ， 熱固性高分子，尼龍等。結(jié)

9、晶型材料的透明度很差 . 成型的透明塑料制品在光線下有發(fā)污 的感覺 .還有一種定向型聚合物 , 他們一般呈現(xiàn)很強(qiáng)的各項異性， 即在不同 的方向上具有明顯不同的性質(zhì)。非結(jié)晶性材料具有很寬的軟化范圍，形態(tài)類似于橡膠；結(jié)晶性材 料則類似于冰塊，加熱后會熔化，溫度范圍相對較窄。下圖 a， b 分 別為無定形材料和結(jié)晶性材料剛度隨著溫度的變化曲線。 重要的知識點 :（3）. 結(jié)晶和非結(jié)晶性材料的形態(tài)比較 （ 一）圖2結(jié)晶性材料的形態(tài)圖1非結(jié)晶性材料的形態(tài)(4) .結(jié)晶和非結(jié)晶性材料的形態(tài)比較(二)圖5結(jié)晶型材料中類似于冰塊的晶體狀結(jié)構(gòu)圖5非結(jié)晶型材料類橡膠結(jié)構(gòu)(5) .結(jié)晶和非結(jié)晶性材料隨溫度的變化特性

10、T I r F E R h T F： E圖6結(jié)晶性材料隨溫度高的變化曲線(6) .結(jié)晶和非結(jié)晶性材料隨溫度的變化形態(tài)固態(tài)軟化態(tài)熔體圖7非結(jié)晶性材料的隨溫度的變化形態(tài)固態(tài)軟化態(tài)熔體圖8 結(jié)晶性材料隨溫度的變化形態(tài)(7) .常用材料的結(jié)晶或非結(jié)晶性質(zhì) 見高分子的分類一節(jié).聚合物的混合為了獲得一定特性的塑料，常常通過特定的工藝方法將不同的材料按照一定的比例進(jìn)行混合，形成具有某種需要的特性的材料，這就是聚合物的混合.混合的過程既有物理的也有化學(xué)的根據(jù)混合成分和組分的不同，高分子混合物可以分為 3大類：高 分子-增塑劑混合物、高分子-填充劑混合物和高分子-高分子混合物。 第一類是增塑高聚物，例如添加增塑

11、劑的軟質(zhì) PVC第二類主要是增 強(qiáng)高聚物，例如碳酸鈣增強(qiáng) PP,波纖增強(qiáng)ABS等；第三類，通稱為 共混高聚物，例如PP-PE合成材料。重要的知識點：(1) .添加劑的作用增強(qiáng)材料的穩(wěn)定性，包括抗氧化性能，熱穩(wěn)定性能等；增加材料的 阻燃性能；顏色以及改善材料流動的添加劑等(2) .纖維增強(qiáng)型材料添加了碳纖維，玻璃纖維和金屬基等材料，以改善或者提高材料的 剛度，抗沖擊性能.但是,材料在改善剛度或者抗沖擊強(qiáng)度的同時，或許會降低其他方 面的機(jī)械性能.(3) .典型的增強(qiáng)型材料和性能一些典型的增強(qiáng)型材料的性能見下表.在實際使用中，材料的性能 參數(shù)一般都由材料供應(yīng)商提供.表格3 一些典型的增強(qiáng)性材料和性能

12、序號材料性能1PVC / Acrylic堅韌并且阻燃和抵抗化學(xué)腐蝕2PVC / ABS良好的抗沖擊和阻燃特性，并且容易加工3PC / ABS堅硬并且具有很高的熱扭曲溫度和抗沖擊強(qiáng) 度4ABS/ Polysulpha ne比常規(guī)PU便宜5PPO / HIPS改進(jìn)的加工性能并且成本降低6SAN / Olefi n良好的抗風(fēng)化能力7Nylone / Elastomer改善抗沖擊強(qiáng)度第二節(jié)高分子材料的流變學(xué)咼分子材料的有關(guān)性能高分子同其他材料一樣，都有強(qiáng)度，剛度,抗沖擊性能等機(jī)械性能， 這些性能隨著材料的成分組分不同而不同，它關(guān)系到材料的使用場 合,使用要求等.這些數(shù)據(jù)一般由材料供應(yīng)商提供，設(shè)計過程中

13、，工程 技術(shù)人員只需要根據(jù)實際情況選用即可.注塑過程是在一定的溫度和壓力下，將固態(tài)的塑料顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)槿?融態(tài)的流體，在一定的壓力和速度下完成充填而成型的.在整個過程中,材料呈現(xiàn)出許多特定的變化.了解塑料在一定溫度和壓力下的現(xiàn) 象和行為，對于掌握注塑流動的規(guī)律，設(shè)計注塑工藝過程，解決注塑過 程中出現(xiàn)的工藝問題很重要.有許多現(xiàn)象和參數(shù)表述材料的成型性能，但是與注塑成型過程關(guān) 系密切的重要概念包括：粘度,MFI,壓力-體積-溫度特性（pvT）,剪切 變薄效應(yīng),熱傳導(dǎo)性，材料的收縮以及材料的最大收縮特性.流變學(xué)（Rheology）是研究材料受力後的變形（對固體而言）及流動 ( 對流體而言 ) 行為。也就

14、是定量出材料受外力後的響應(yīng)情形。 在高分 子加工中， 可以狹義地定義作黏度的量測及定量。 一般而言在工業(yè)應(yīng) 用上往往利用螺旋狀模具流動 (spiral mold flow) 及融膠指數(shù) (melt index ，MI) 來定義塑料流動難易性，但這僅是粗略的資料，無法確實 說明塑料流動現(xiàn)象隨加工條件的變化情形。因此在進(jìn)行設(shè)計與分析 時，吾人須進(jìn)一步對塑料的黏度加以定量。黏度 (viscosity) 是流體 流動阻力的度量。黏度越高，流動阻力越大，流動越困難。對一般熱 塑性塑料，黏度是塑料成分、溫度、壓力及剪切率的函數(shù)。就溫度效 應(yīng)而言，熱塑性塑料的黏度一般隨溫度升高而有降低的情形。就剪切率 (s

15、hear rate) 的效應(yīng)而言，剪切率越高，代表加工變形 速率越大， 由於高分子鏈被排向的結(jié)果， 使大部份的塑料具有黏度隨 剪切率升高而下降的切變致稀性 (shear-thinning) 。黏度量測可選擇 使用 毛 細(xì) 管流 變儀 (Capillary viscometer) 、 平 行板 流 變 儀 (parallel-plate viscometer) 以及錐板式流變儀 (cone-and-plate viscometer) 進(jìn)行。下面分別介紹這些概念和性能 . 重要的知識點 : 聚合物熔體的性能 聚合物熔體的粘度 , 壓力- 體積- 溫度特性和剪切變薄效應(yīng)是注塑 成型中最重要的性能 .

16、剪切前已述及 ,塑料成型是在一定的溫度下和壓力下 , 通過一定的速度 將熔融的流體壓入型腔，進(jìn)行成型的工藝.熔體如果能夠發(fā)生流動，則 在流入和流出的一段必然存在壓力差，具體體現(xiàn)就是流體的內(nèi)部表面 上存在著力的作用.設(shè)想熔體可以劃分為均勻的薄層，塑料熔體在模具型腔中的流動 行為可以用下面的圖形形象說明.圖9塑料熔體的剪切當(dāng)力平行地作用在材料的表面上時，層與層之間存在的內(nèi)應(yīng)力或 者摩擦力就會阻止表層的相對運(yùn)動（內(nèi)應(yīng)力 二力/表面積），這就是剪 切應(yīng)力的概念.剪切應(yīng)力越大，說明層之間存在的阻力越大，為了使得 層之間產(chǎn)生相對滑動，就必須施加越大的作用力在力的作用下，如果一層材料r以速度V進(jìn)行移動，那么

17、速度梯 度定義為V / r.粘度粘度是高分子材料最重要的基本概念之一.從直觀的概念上講，粘 度就是塑料熔體的粘稠程度.在一定的溫度和壓力下，熔體的年度越 大，表明這種材料在這個狀態(tài)下月粘稠，因此流動起來越加困難；相反, 如果熔體的你粘度越小，則表明這種材料在這個狀態(tài)下越稀，因此流動起來越是容易根據(jù)上面剪切的定義，粘度還可以理解為：熔體試圖流動時，在熔 體層之間或者熔體內(nèi)部遇到的阻力大小。如同相互作用的固體表面存 在有摩擦力一樣，熔體內(nèi)部層與層之間的流動也受到摩擦力的影響。 當(dāng)熔體內(nèi)部的層之間存在相互運(yùn)動的趨勢時， 存在于熔體的內(nèi)部阻力 稱之為黏度。粘度越高，意味著流體越是粘稠，流動阻力也越大。

18、粘度是對于流體性能的一個度量，因此對于塑料成型過程而言這 一概念只適應(yīng)于高分子成為熔融的流體狀態(tài)以后.(1).粘度的數(shù)學(xué)描述考慮流過一根管道向前流動的液體。當(dāng)在管子的兩頭存在壓力差 時，液體就會流動。位于管子中心的流體會比其他各層的流動速度快。 這是因為層與層之間的摩擦力作用。因此在管子的壁部和中心之間存 在一個速度梯度。距離管子中心相同距離的流體速度是恒定的，這樣圖10層流的說明的流動稱之為層流；如果層是混雜的，就得到紋流或者稱為湍流。從數(shù)學(xué)的角度講，如果各點的切線總是沿著流動的方向，并且不相交,則這種流動就是層流.不滿足上述條件的，就是紊流.層之間的摩擦力正比例于速度梯度和摩擦力作用的面積

19、的乘積這一點對于液體和固體沒有差別摩擦力F=x A x速度梯度=x A x dV/dr粘度系數(shù)或粘度,A -面積.若定義單位面積上作用的應(yīng) 力為 F. A,則上式也可以表示為dVddrdt式中，為剪切速率，定義為剪切應(yīng)變對于時間的微分.這個定律稱之為牛頓粘性定律.稍加變換后，上式可以寫為,單位為-N2m Pa smm. s對于不同的流體，粘度值是不同的.這個值與分子的結(jié)構(gòu)和流體 的溫度有關(guān).(2).牛頓型流體和非牛頓流體如果流體的粘度不隨剪切速率的變化而變化，這種流體稱之為 牛頓流體；如果粘度 依賴于材料的剪切速率 ，則這樣的流體稱之為 非牛頓流體.以 對 作材料的流動曲線，可以明顯地看到牛頓

20、流體和非牛頓流圖11聚合物熔體的lg lg 曲線體的差別.從lg lg曲線可以看出，對于牛頓流體而言，粘度不隨剪切速率 的變化而變化；非牛頓流體的粘度隨著剪切速率的變化而變化但是,非牛頓流體也具有兩個牛頓流動區(qū)，那就是在剪切速率很大以及剪切 速率很小的區(qū)域.而在lg lg的曲線上,牛頓液體的剪切應(yīng)力和剪切應(yīng)變?yōu)榫€性關(guān) 系，而非牛頓流體的剪切應(yīng)力和剪切應(yīng)變呈現(xiàn)非線性關(guān)系，如圖示.真正屬于牛頓流體的氣體，低分子化合物的液體或溶液.多數(shù)聚合物熔體表現(xiàn)為非牛頓流體的特性(3).非牛頓流體的數(shù)學(xué)描述描述非牛頓流體一般都是用經(jīng)驗公式，具有使用價值的一般是迷率函數(shù).nT K dV K (n 1)drK n都

21、為常數(shù)。K稱之為流體的稠度，K值越高，稠度越大，n為 流體行為指數(shù)，是判斷流體與牛頓型流體差別程度的參數(shù).n距離整數(shù)1越遠(yuǎn),表明該流體的非牛頓性質(zhì)越強(qiáng)將上式變換成為dvdrdvdr(n 1)dvdr(n 1)a就是非牛頓流體的粘度.如果a為常量，則上式就成為牛頓流 體的表達(dá)式，此時a成為牛頓流體的絕對粘度.(4).聚合物熔體的剪切變稀非牛頓流體也有多種，聚合物在熔融狀態(tài)下表現(xiàn)出來的特性在圖13聚合物熔體的剪切變稀坐標(biāo)中，呈現(xiàn)的是一條線上升而后下降的曲線，并且不存在又屈 服應(yīng)力，這就是聚合物熔體剪切變稀的流動特性該點表明，剪切速率 的增加要比剪切應(yīng)力的增加來得快與之相對應(yīng)的是剪切變厚的現(xiàn)象.但是

22、常見的聚合物熔體都呈現(xiàn) 的是剪切變稀，也就是隨著剪切速率的增加，熔體的粘度要降低，粘度 降低有助于塑料熔體的在模具型腔中的流動和填充在注塑過程中，聚合物要通過料桶加熱，然后經(jīng)過注塑機(jī)的噴嘴， 進(jìn)入模具的主流道，流道以及模具的澆口，最后進(jìn)入型腔.熔體經(jīng)過各 個部分的剪切速率和粘度關(guān)系如圖所示.影響粘度的幾個因素影響粘度的因素有熔體溫度，壓力,剪切速率以及分子質(zhì)量等，下 面分別敘述.（1）.溫度的影響前面的分析已經(jīng)知道，聚合物的粘度是剪切速率的函數(shù)，但是，聚 合物的粘度同時也受到溫度的影響.所以,只有剪切速率恒定時，研究 溫度對粘度的影響才有實際意義.研究表明，隨著溫度的升高，聚合物熔體的年度呈指

23、數(shù)函數(shù)方式下 降這是因為，溫度升高，必然使得分子之間，分子鏈之間的運(yùn)動加快， 從而使得聚合物分子鏈之間的纏繞降低 ，分子之間的距離增大，從而 導(dǎo)致粘度降低.但是不同的聚合物粘度對于溫度的敏感程度不同。聚甲醛（ POM 對溫度的變化最不敏感，其次是聚乙烯（PE,其次是聚丙烯（PP, 聚苯乙烯（PS）,最敏感的要數(shù)乙酸纖維素（CA。表4 些材料粘度受溫度的影響序號材料對溫度的敏感度1.CA最高2.PS較高3.PP高4.PE一般5.POM差在實用中，對于溫度敏感性好的熔體，可以考慮在成型過程中提高 材料的成型溫度來改善材料的流動性能，但是對于敏感性差的材料， 提咼溫度對于改善流動性能并不明顯，所以一

24、般不米用提咼溫度的辦 法來改進(jìn)其流動特性.還有,提高溫度必須受到一定條件的限制，就是 成型溫度必須在材料允許的成型溫度范圍之內(nèi)，否則,材料就發(fā)生降解了.壓力的影響聚合物熔體內(nèi)部的分子之間，分子鏈之間是有微小的空間的，因此 聚合物是可以壓縮的.注射過程中，聚合物（塑料）受到的外部壓力 最大可以達(dá)到150Mpa在此壓力作用下，大分子間的距離減小，鏈段活 動范圍減小，熔體的體積縮小，分子之間的作用力增加，致使熔體的粘 度增大.但是對于不同的塑料，在同樣的壓力下，粘度的增大程度并不相 同。聚苯乙烯（PS對于壓力的敏感程度最高，即增加壓力時，粘度 增加的很快。高密度聚乙烯（PE與低密度聚乙烯相比，壓力對

25、粘度 的影響較小，聚丙烯（PP受壓力的影響相當(dāng)于中等程度的聚乙烯。增加壓力引起粘度增加這一事實表明，單純通過增加壓力去提高 聚合物熔體的流量是不恰當(dāng)?shù)?過大的壓力不僅不能明顯地改善流體 的填充,而且由于粘度的增加，填充性能有時還會有下降的可能.此外, 壓力過高,還會出現(xiàn)制品變型等注塑缺陷，并造成功率的過渡消耗.結(jié)合溫度對于粘度的影響可以發(fā)現(xiàn)，在聚合物的正常加工參數(shù)范 圍之內(nèi)，增加壓力對聚合物熔體粘度的影響和降低材料粘度的影響效 果相似.例如對于很多聚合物，當(dāng)壓力增加到lOOMpa時,其粘度的變 化相當(dāng)于降低溫度3050攝氏度的作用.幾種材料粘度對于壓力的敏感程度如表所示。表格5壓力對聚合物熔體

26、粘度的影響序號名稱熔體溫度壓力變化范圍粘度增大倍數(shù)1.PS19601342.PS180141003.PE1490144.HPDE145.LPDE146.MPDE147.PP14.剪切速率的影響隨著剪切速率的加大，塑料的粘度一般要降低。一些材料在高剪 切速率 下的粘度甚至比低的剪切速率下的粘度低幾個數(shù)量級。在很低剪切速率下，聚合物熔體具有很低的粘度，在通?？梢赃_(dá)到的剪切 速率范圍內(nèi)，在雙對數(shù)坐標(biāo)中的粘度幾乎是隨著剪切速率的增加而呈 直線下降.這一點可以從圖9中的II段反映出來.在剪切速率很低或 者很高的情況下，熔體近似表現(xiàn)為牛頓流體，粘度不隨著剪切速率的 變化而變化.對于不同的塑料，在溫度和壓力

27、一定前提下，粘度的降低程度并 不相同?；蛘哒f，盡管大多數(shù)塑料熔體的粘度是隨著剪切速率的增加 而下降的，但是不同的塑料對剪切速率（剪切應(yīng)力）的敏感程度是不 一樣的。幾種常用塑料耐粘度對于剪切速率的敏感性如表所示。表格6聚合物熔體粘度對剪切速率的敏感度序號材料敏感度1.ABS（最敏感）最敏感2.PC3.PMMA4.PVC5.PA6.PP7.PS8.LDPE這一點在實用中給們的啟示是：在一定的剪切速率范圍內(nèi)，提高 剪切速率會顯著降低聚合物的粘度，改善其流動性能盡管如此，寧可 選擇熔體粘度對剪切速率不太敏感的范圍進(jìn)行工藝調(diào)整，因為這時剪 切速率的波動，不會造成塑料制品商量上的缺陷（4）.聚合物結(jié)構(gòu)的影

28、響對于聚合物，在給定溫度下，隨著平均分子量的增大，材料的粘 度增大。這一點可以理解為，分子量越大，分子之間的纏繞也越嚴(yán)重， 材料的剛性也越大，密度也大，于是粘度也高.聚合物的分子量越小，粘度對于剪切速率的依賴程度越小；分子 量越大，粘度對于剪切速率的依賴程度越大。 重要的知識點：(1) .粘度熔體的流動性能可以用粘度來衡量.在同樣的溫度和壓力下，如果 熔體的粘度越大，說明該種材料的流動性能越差.一般來說，聚合物的 分子量越大，這種材料的粘度越高.(2) .如何改進(jìn)材料的流動性能除材料本身的影響外，熔體的溫度，壓力和剪切速率對于粘度的影 響很大.而剪切速率又取決于熔融體的推進(jìn)速度以及流過幾何體的

29、截 面尺寸和形狀.可以通過提高熔體溫度和增加熔體剪切速率的辦法來 改進(jìn)熔體的流動性能.不同熔體對于溫度和剪切速率的敏感程度不同 在實用上述方式改進(jìn)其流動性能時，要注意不要超過材料容許的加工 溫度和許可的剪切速率范圍.(3) .常用材料改進(jìn)流動性能的方式表格7常用材料改進(jìn)流動性能的方式序號材料代號俗名改進(jìn)方式1PE聚乙烯提高螺桿速度2PP聚丙烯提高螺桿速度3PA尼龍(聚酰胺)提高溫度4POM聚甲醛提高螺桿速度5PC聚碳酸酯提高溫度6PS聚苯乙烯非結(jié)晶性7ABS提高溫度8PVC聚氯乙烯提高溫度9PMMA聚甲基丙烯酸甲酯提高溫度第三節(jié)高分子材料的熱力學(xué)高分子材料的熱力學(xué)大部份的高分子加工僅涉及物理變

30、化，因此高分子材料的物理性質(zhì)是我們感興趣的。主要的物理性質(zhì)包括了機(jī)械性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、電 學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)和老化性質(zhì)。這里僅介紹與注射加工過程密切相關(guān) 的熱力學(xué)性質(zhì)，其它材料性質(zhì)內(nèi)容可以參閱相關(guān)書籍.材料的熱學(xué)性質(zhì)主要指材料熱物理特性(ThermophysicalProperties),具體包括體積特性(volumetric Properties),熱卡特 性(Calorimetric Properties) 以及轉(zhuǎn)變溫度特性(Transition Temperature).體積特性(1) . 比容(Specific Volume) 及密度(De nsity)比容是密度的倒數(shù)。在加工過程中由于相

31、變化的結(jié)果，如塑料由固態(tài)經(jīng)加熱熔融為液態(tài)，經(jīng)加工后又冷卻為固態(tài)成品。塑料的比容或 密度隨其相狀態(tài)(固態(tài)或液態(tài))有所不同，亦會隨溫度及壓力而改變。一般而言，液態(tài)的塑料由于高分子鏈活動較自由， 所占據(jù)之自由盤積 (free volume)較大，因此具有較大比容(較小密度);而固態(tài)的塑料由 于分子鏈聚集較為緊密，因此具有較小比容(較大密度)。液固態(tài)問之 比容(密度)差異是塑料加工后產(chǎn)生收縮(shrinhkage)的原因之一。對于結(jié)晶性(crystalline)塑料，如HDPE比容或密度在熔點附近會發(fā)生跳躍式變化，變化較大；而非晶性或不定形(amorphous)塑料，如 PS,比容或密度變化則是漸進(jìn)的

32、。密度與塑料微觀的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)， 一般而言結(jié)晶性塑料因結(jié)構(gòu)較為緊密，密度要較不定形者高，如圖所示。(2) . PVT關(guān)系(PVT Relatio nship)由于塑料的比容或密度是相狀態(tài)、溫度、壓力等的函數(shù)，一般而 言可利用狀態(tài)方程式(state equation)或PVT方程式加以定量化。一 但模式參數(shù)由實驗取得，代入此類半經(jīng)驗方程式中即可求得塑料在某 一溫度壓力下的比容或密度值。塑料的PVT變化情形可利用PVT量測 儀量測，并由數(shù)據(jù)求適取得 PVT模式參數(shù)。熱卡特性(1). 比熱(Specific Heat)或熱容量(Heat Capacity)比熱或熱容量定義作：欲將單位塑料溫度提高一

33、度所需的熱量， 是塑料溫度容易改變與否的度量。比熱越高，塑料溫度越不容易變化，反之亦然。比熱可利用利用熱差掃描熱卡計(Differe ntialSea nningCalorimeterQSC)量測熱流與溫度變化情形加以取得。(2) . 熱傳導(dǎo)系數(shù)(Thermal Conductivity ,TC)熱傳導(dǎo)系數(shù)是塑料熱傳導(dǎo)(thermal conduction)特性的度量。熱傳導(dǎo)系數(shù)越高，熱傳導(dǎo)效果越佳，塑料于加工過程中溫度傾向均勻， 較不會因熱量局部堆積而有熱點(hot spot)產(chǎn)生。熱傳導(dǎo)系數(shù)及比熱 攸關(guān)塑料之熱傳、冷卻性質(zhì)，亦影響到冷卻時問長短。熱傳導(dǎo)系數(shù)可 利用PVT量測系統(tǒng)取得不同溫度

34、下塑料熱傳導(dǎo)系數(shù)值。由于塑料較低 的熱傳導(dǎo)系數(shù)，在設(shè)計時應(yīng)考慮散熱問題。絕緣澆道(in sulationrunner)的設(shè)計即為利用塑料較低的熱傳導(dǎo)系數(shù)保持澆道始終維持于 熔融狀態(tài)。(3) . 熔化及結(jié)晶熱(Heat of Fusion and Heat of Crystallization)熔化熱與結(jié)晶熱均屬于相轉(zhuǎn)移熱(heat of phase tran sitio n)。熔化熱代表將單位塑料由固態(tài)熔化為液態(tài)所需熱量 ；結(jié)晶熱則拮結(jié)晶 性塑料在結(jié)晶過程中所釋放的釋放熱量。熔化熱及結(jié)晶熱數(shù)值可由圖16塑料類型與熱焓的關(guān)系DSC量測而得。熔化熱是用來打散熔化塑料分子結(jié)構(gòu)的能量。由于結(jié) 晶性塑料

35、的分子結(jié)構(gòu)較為緊密結(jié)實， 打斷晶體結(jié)構(gòu)所需跨越的能量障 壁 (energy barrier) 明顯，因此熔化熱較為明顯。對于無定形非晶性 塑料而言則無顯著的熔化熱數(shù)據(jù)。結(jié)晶性及非晶性塑料的能量 ( 焓 ,enthalpy) 隨溫度變化關(guān)系，如圖所示。轉(zhuǎn)變溫度(1). 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 (Glass Transition Temperature ，Tg)玻璃轉(zhuǎn)移溫度是指塑料微觀高分子鏈開始具有大鏈節(jié) (segment) 運(yùn)動的溫度。 若應(yīng)用溫度低于玻璃轉(zhuǎn)移溫度， 分子鏈節(jié)運(yùn)動大部分被 凍結(jié) (frozen) ，塑料呈現(xiàn)剛性硬脆( brittle )之玻璃態(tài)( glassy state )；若應(yīng)用溫

36、度高于玻璃轉(zhuǎn)移溫度，分子鏈節(jié)可自由運(yùn)動，塑件 呈現(xiàn)柔軟繞曲因此玻璃轉(zhuǎn)移溫度為塑料發(fā)生玻璃態(tài) - 橡膠態(tài)相轉(zhuǎn)移的 溫度。此溫度與產(chǎn)品設(shè)計與運(yùn)用溫度范圍有莫大關(guān)系。 一般而言固體 塑件的應(yīng)用溫度范圍取在玻璃轉(zhuǎn)移溫度以下 ; 若對塑料繞曲柔軟性有 所需求，如橡膠，則應(yīng)用溫度取在玻璃以上。(2). 熔點 (Melting Temperature,Tm) 熔點指塑料由固態(tài)熔融成液態(tài)的溫度。對于結(jié)晶性塑料而言，有 一明顯熔 點存在;對于非晶性或不定形塑料，熔融發(fā)生在一溫度范 圍內(nèi)，僅有熔化溫度區(qū)域而無明顯熔點存在。 一般塑料加工溫度范圍 約于熔點附近為之。塑料之熔點及玻璃轉(zhuǎn)移溫度均可由 Dsc 量測取 得。對于大部分塑料，玻璃轉(zhuǎn)移溫度跟熔點之間存在以下關(guān)系 :一般添加增塑劑的塑料之 Tm較未添加者低；共