熱塑性塑料加與力學(xué)性能綜合實驗講義

1、熱塑性塑料加工與力學(xué)性能綜合實驗塑料加工與力學(xué)性能綜合實驗是材料學(xué)院設(shè)置的基礎(chǔ)實驗課專業(yè)實驗 （2）的內(nèi)容之一，要求學(xué)生針對高分子材料的加工性能特征進行自我設(shè)計加工 工藝和加工條件， 完成工藝的全過程， 并對產(chǎn)品的力學(xué)性能進行表征和分析。 讓 學(xué)生掌握高分子材料加工原理及常用的高分子材料的加工設(shè)備的操作方法， 培養(yǎng) 學(xué)生實際動手能力，同時為其畢業(yè)設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。（一）熱塑性塑料擠出造粒高分子材料的成型加工方法：（1）橡膠：煉膠機（雙輥塑煉機、密煉機和平板硫化機）（2）塑料：熱塑性塑料：擠出機和注塑機熱固性塑料：模壓或者擠出（3）纖維：熔融紡絲：高聚物加熱熔融后噴絲、冷卻、拉絲 溶液紡絲：溶

2、劑溶解高聚物成溶液、噴絲、拉絲（ 4） 膠粘劑和涂料：攪拌1. 實驗?zāi)康模海?）通過本實驗，應(yīng)熟悉擠出成型的原理，了解擠出工藝參數(shù)對塑料制品性能的影響（2）了解擠出機的基本結(jié)構(gòu)及各部分的作用，掌握擠出成型基本操作2. 實驗原理（ 1）塑料造粒：合成出來的樹脂大多數(shù)呈粉末狀，粒徑小成型加工不方便，而且合成樹 脂中又經(jīng)常需要加入各種助劑才能滿足制品的要求， 為此就要將樹脂與助劑混合， 制成顆粒， 這步工序稱作“造?！?。樹脂中加入功能性助劑可以造功能性母粒。造出來的顆粒是塑料成 型加工的原料。使用顆粒料成型加工的主要優(yōu)點有：顆粒料比粉料加料方便，無需強制加料器；顆 粒料比粉料密度大， 制品質(zhì)量好；

3、揮發(fā)物及空氣含量少，制品不易產(chǎn)生氣泡；使用功能 性母料比直接添加功能性助劑更容易分散。塑料造?？梢允褂幂亯悍ɑ鞜?，塑煉出片后切粒，也可以使用擠出塑煉，塑化擠出后切 粒。本實驗采用擠出冷卻后造粒的工藝。（2）擠出成型原料及應(yīng)用熱塑性塑料的擠出成型是主要的成型方法之一， 塑料的擠出成型就是塑料在擠出機中， 在一定的溫度和一定的壓力下熔融塑化， 并連續(xù)通過有固定截面 的模型， 得到具有特定截面形狀連續(xù)型材的加工方法。 不論擠出造粒還是擠出制品， 都分兩 個階段， 第一階段， 固體狀樹脂原料在機筒中， 借助于料筒外部的加熱和螺桿轉(zhuǎn)動的剪切轉(zhuǎn) 動的剪切擠壓作用而熔融， 同時熔體在壓力的推動下被連續(xù)擠出口

4、模； 第二階段是被擠出的 型材失去塑性變?yōu)楣腆w即制品，可以分條狀、片狀、棒狀、筒狀等。因此，應(yīng)用擠出的方法 既可以造粒也能夠生產(chǎn)型材或異材。3、擠出成型工藝粒狀或粉狀塑料 或混合物預(yù)熱和干燥配料加料調(diào)整擠出工藝成型擠出機加熱一開動螺桿4、擠出機構(gòu)造圖1單螺桿擠出機結(jié)構(gòu)示意圖1電動機；2 減速裝置； 3 冷卻水入口； 4 冷卻水夾套；5 料斗；6溫度計；7 加熱套；8 螺桿；9 濾網(wǎng)；10多孔板；11機頭和口模；12 機座(1) 傳動裝置：由電動機、減速機構(gòu)和軸承等組成， 具有保證擠出過程中螺桿轉(zhuǎn)速恒定、 制品質(zhì)量的穩(wěn)定以及保證能夠變速作用。(2) 加料裝置：無論原料是粒狀、粉狀和片狀，加料裝置

5、都米用加料斗，加料斗內(nèi)應(yīng)有 切斷料流、標(biāo)定料量和卸除余料等裝置。(3) 料筒： 料筒是擠出機的主要裝置之一，塑料的混合、塑化和加壓過程都在其中進行。擠壓時料筒內(nèi)的壓力可達 55Mpa，工作溫度一般為 150250oC，因此料筒是受壓和受 熱的容器，通常由高強度、堅韌耐磨和耐腐蝕的合金鋼制成。 料筒外部設(shè)有分區(qū)加熱和冷卻 的裝置，而且各自附有熱電偶和自動儀表等。(4) 螺桿：螺桿是擠出機的關(guān)鍵部件，一般螺桿的結(jié)構(gòu)如圖2所示。(5) 口模和機頭：機頭是口模與料件之間的過渡部分，其長度和形狀隨所用塑料的種類、制品的形狀加熱方法及擠出機的大小和類型而定。機頭和口模結(jié)構(gòu)的好壞，對制品的產(chǎn)量和 質(zhì)量影響很

6、大，其尺寸根據(jù)流變學(xué)和實踐經(jīng)驗確定。(6) 冷卻裝置：使熔融物料冷卻為固體(或產(chǎn)品)，以便于切割成?；虍a(chǎn)品。(7) 卷取(切割)：(8) 后處理：噴涂、絲印、表面處理等5、擠出機參數(shù)：(1) 螺桿直徑(Ds)：螺桿外徑，常用 60150mm，直徑增大，擠出機輸送能力增大，生 產(chǎn)能力提高。(2) 螺桿長徑比L/D s：工作部分的有效長度與直徑之比，通常為 2040,長徑比大，混合 均勻，減少逆流和漏流。要求塑化時間長，如硬質(zhì)塑料、粉狀塑料或結(jié)晶塑料，長徑比要求較大。熱敏性塑料，受熱易分解，長徑比較小。(3) 螺槽深度H : H小時，產(chǎn)生較高剪切力，有利于塑化，但擠出生產(chǎn)率降低。H較大，則反之。H

7、沿著螺桿軸向變化。(4) 螺旋角螺紋與螺桿橫截面之間夾角增大，生產(chǎn)能力提高，剪切作用減小。介 于1030度之間。(5) 螺紋棱部寬E:太小則漏流增加，產(chǎn)量降低；太大則易局部過熱。0.080.12 Ds。(6) 螺桿與料筒間隙：大小影響擠出機生產(chǎn)能力和塑化效果。較大時，剪切力變小、生產(chǎn)能力下降、物料熔融塑化慢。過小，強剪切力易引起物料受熱降解。0.10.65mm。圖2螺桿示意圖H1送料段螺槽深度；H2 計量段螺槽深度；D 螺桿直徑；Q螺旋角；L 螺桿長度；e螺棱寬度；S 螺距&螺桿作用：(1)輸送作用(2)傳熱塑化物料(3)混合均化物料螺桿各段作用：(1) 力口料段：物料固態(tài)，H為等深等

8、距的深槽螺紋，利于吃料。長度：結(jié)晶較長，60 %左右；無定形較短，1025%。(2) 壓縮段：起擠壓和剪切作用，物料由固體變?yōu)槿廴趹B(tài)。H逐漸減小，物料熔融程度 逐漸增大，末端基本熔融完全。無定形物料壓縮段較長，熔融溫度范圍寬塑料，如PVC,壓縮段為全長，熔融溫度范圍窄，如尼龍，壓縮段為12個螺距。(3) 均化段：進一步混合塑化，并定量定壓地輸送物料到機頭。螺距和槽深不變。H較小，利于塑化均勻。長度一般為螺桿全長的2025%。熱敏性塑料，均化段短；7. 配方設(shè)計原理7.1 實驗設(shè)備和原料原料：聚苯乙烯（PS）,加工助劑及功能性助劑。儀器：雙螺桿擠出機，切粒機。7.2 增韌 PS 配方（質(zhì)量比）1

9、000、 5、10、 15聚苯乙烯 PS增韌劑 SBSPE 蠟0.8硬脂酸鋅0.8抗氧劑 10100.47.3 增韌機理 彈性體增韌機理：銀紋剪切帶理論 彈性體粒子充當(dāng)應(yīng)力中心，誘發(fā)大量的銀紋和剪切帶，消耗大量的能量； 控制銀紋發(fā)展，及時終止銀紋。彈性體產(chǎn)生形變，剪切帶可減緩和終止銀紋。8. 實驗步驟（ 1）根據(jù)塑料的種類、配方設(shè)計及熔融指數(shù)，確定擠出溫度控制范圍及各段溫度。（ 2）檢查擠出機的各部分，確認設(shè)備正常，接通電源，打開冷卻水、加熱，待各段預(yù)熱 到要求溫度時，再次檢查并趁熱擰緊機頭各部分螺栓等銜接處，保溫10min 以上再加料。（ 3）開動主機螺桿， 待轉(zhuǎn)動正常后再開動喂料螺桿， 在

10、轉(zhuǎn)動下先加少量塑料，注意進料 和電流計情況， 待熔料擠出正常后， 將擠出物用手 （戴上手套）和鑷子慢慢引上冷卻牽引裝 置，同時開動切粒機切粒并收集產(chǎn)物。（ 4）擠出平穩(wěn)后，繼續(xù)加料，調(diào)整各部分，控制溫度等工藝條件，維持正常操作。（ 5）觀察擠出料條形狀和外觀質(zhì)量，記錄擠出物均勻、光滑時各段溫度等工藝條件，記 錄一定時間內(nèi)的擠出量，計算產(chǎn)率，重復(fù)加料，維持操作1h。（ 6）實驗完畢，用物料洗機，先關(guān)閉喂料螺桿，等螺桿剩余物料清理完畢后關(guān)閉主機螺 桿，趁熱消除機頭中殘留塑料，關(guān)閉切粒機、冷卻水和電源。9. 注意事項（ 1）熔體擠出前，任何人不得在機頭口模的正前方，擠出過程中，嚴防金屬雜質(zhì)、小工 具

11、等物落入料斗及進料口中。（ 2） 清理設(shè)備時， 只能使用鋼棒、 銅制刀等工具，切忌損壞螺桿和口模等處的光潔表面。（ 3） 擠出過程中，要密切注意工藝條件的穩(wěn)定，不得任意改動，如果發(fā)生不正?，F(xiàn)象， 應(yīng)立即停機，進行檢查處理后再恢復(fù)實驗。10. 實驗報告（ 1）列出實驗用擠出機的技術(shù)參數(shù)。螺桿直徑、長徑比、電機功率、加熱功率、螺桿轉(zhuǎn) 速、產(chǎn)率。（ 2） 報告實驗所用原料、配方及操作工藝條件，并計算擠出機產(chǎn)率。（ 3）取樣測試熔融指數(shù)和力學(xué)性能。（ 4）討論A 結(jié)合試樣性能檢驗結(jié)果，分析產(chǎn)物性能與原料、工藝條件及實驗設(shè)備操作的關(guān)系。B影響擠出物均勻性的主要原因有哪些，怎樣影響？如何控制？C實驗中，應(yīng)

12、控制哪些條件才能保證得到質(zhì)量好的樣品和制品？D擠出機的主要結(jié)構(gòu)有哪幾部分組成？E擠出時物料下料不順利，總是斷料，可能有哪些原因？（二）拉伸、沖擊樣條的制備1. 實驗?zāi)康模? ）掌握拉伸、沖擊樣條的制備方法和使用方法。（2）利用萬能制樣機或注塑機制備塑料拉伸、沖擊實驗樣條。2. 實驗原理可利用萬能制樣機或注塑機制備拉伸和沖擊實驗樣條。萬能制樣機能加工塑料以及非金屬材料的拉伸、沖擊性能等實驗用的標(biāo)準(zhǔn)樣條，能夠切斷、銃缺口、銃曲線型和平面加工。 注塑機能成型各種形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，工藝簡單，方便快捷。（1 ）拉伸試樣 形狀規(guī)格如圖3、4、5、6所示；尺寸規(guī)格 如表1、2、3、4所示圖3 I試樣表1I型試

13、樣尺寸公差符號名稱尺寸/mm公差/mm符號名稱尺寸/mm公差/mmL總長度（最小）150-W端部寬度20± 0.2H夾具間距離115± 5.0d厚度4-C中間平行部分長度60± 0.5b中間平行部分寬度10± 0.2G0標(biāo)距（或有效部分）50± 0.5R半徑（最?。?0-本實驗使用ZHY-W萬能制樣機，把擠出 PE粒料制成拉伸測試試樣 5根，試樣規(guī)格為I型（2）懸梁臂沖擊試樣沖擊試樣的尺寸規(guī)格如表5所示表5試樣類型及尺寸試樣類型長度L/mm寬度b/mm厚度h/mmI80.0 ± 210.0 ± 0.24.0 ± 0

14、.2n63.5 ± 212.7 ± 0.212.7 ± 0.2出6.4 ± 0.2IV3.2 ± 0.2 沖擊試樣的形狀及缺口形狀規(guī)格如圖7和表6所示«eU*円 G±(J.(X5)圖7沖擊試樣缺口形狀表6 I型試樣的缺口類型及尺寸缺口類型缺口底部半徑r/mm缺口底部剩余寬度 bn/mm無缺口-002DA0.25 ± 0.058.0 ± 0.2B1.0 ± 0.058.0 ± 0.2（三）試樣的拉伸強度及斷裂伸長率實驗1.實驗?zāi)康耐ㄟ^應(yīng)力一應(yīng)變曲線的了解高分子材料的拉伸強度及斷裂伸長率的

15、意義及其測試方法, 測定，判斷不同高分子材料的性能特征。2.實驗原理將試樣夾持在專用夾具上，對試樣施加靜態(tài)拉伸負荷， 通過壓力傳感器、形變測量裝置以及計算機處理，測繪出試樣在拉伸變形過程中的拉伸應(yīng)力一應(yīng)變曲線，計算出曲線上的特征點如試樣直至斷裂為止所承受的最大拉伸應(yīng)力（拉伸強度）、試樣斷裂時的拉伸應(yīng)力（拉伸斷裂應(yīng)力）、在拉伸應(yīng)力一應(yīng)變曲線上屈服點處的應(yīng)力（拉伸屈服應(yīng)力）、應(yīng)力一應(yīng)變曲線偏離直線性達規(guī)定百分數(shù) （偏置）時的應(yīng)力（偏置屈服應(yīng)力）和試樣斷裂時標(biāo)線間距離的增 加量與初始標(biāo)距之比（斷裂伸長率，以百分數(shù)表示）。3. 實驗試樣的選擇及實驗條件3.1實驗試樣的選擇不同的材料由于尺寸效應(yīng)不同，故

16、應(yīng)盡量減少缺陷和結(jié)構(gòu)不均勻性對測定結(jié)果的影響, 按表7選用國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的拉伸試樣類型以及相應(yīng)的實驗速度表7拉伸試樣類型以及相應(yīng)的實驗速度試樣材料試樣類型試樣制備方法試樣最佳厚度試樣速度硬質(zhì)熱塑性塑料熱塑性增強塑料I注塑成型壓制成型4B C D E、F硬質(zhì)熱塑性塑料板熱固性 塑料板（包括層壓板）機械加工4A、B C、D、E、F軟質(zhì)熱塑性塑料 軟質(zhì)熱塑性塑料板n注塑成型壓制成型 板材機械加工2F、G H、I板材沖切加工熱固性塑料包括填充和纖維增強塑料出注塑成型壓制成型-C熱固性增強塑料板IV-B C DA: 1mm/min ± 50% B: 2mm/min± 20%C: 5mm

17、/min± 20%D: 10mm/min ± 20% E: 20mm/min ± 10%F: 50mm/min± 10%G: 100mm/min ± 10% H: 200mm/min ± 10%I: 500m m/min± 10%川試樣僅用來測試拉伸強度 實驗速度為以下九種：(1)(1)3.2實驗條件：實驗速度的選擇應(yīng)從表 7中與各試樣類型所對應(yīng)的實驗速度范圍內(nèi)選取，實驗速度應(yīng)為試樣在0.55min實驗時間內(nèi)斷裂的最低速度。實驗速度也允許按照產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定領(lǐng)選其他實驗速度。4. 實驗設(shè)備拉力試驗機及夾具()，游標(biāo)卡尺、直尺、

18、千分尺、記號筆5. 實驗步驟(1) 試樣的狀態(tài)調(diào)節(jié)和實驗環(huán)境按GB2918規(guī)定進行(2) 測量試樣中間平行部分的寬度和厚度，精確到0.01mm, II型試樣中間平行部分的寬度精確到0.05mm；每個試樣測量三點，取算術(shù)平均值。(3) 在試樣中間平行的部分作標(biāo)線示明標(biāo)距，此標(biāo)線對測試結(jié)果不應(yīng)有影響。(4) 夾持試樣，夾具夾持試樣時，要使試樣縱軸與上下夾具中心連線相重合，并且要 松勁適宜，以防止試樣滑脫或斷在夾具內(nèi)。(5) 選定實驗速度，進行實驗(6) 記錄屈服時的負荷，或斷裂負荷及標(biāo)距間深長，若試樣斷裂在中間平行部分之外 時，此試樣作廢，另選取試樣補做。(7)6實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)處理6.1理論計算和

19、表示(1)拉伸強度或拉伸斷裂應(yīng)力或拉伸屈服應(yīng)力或偏離屈服應(yīng)力bt按式(1)進行計算:_P_ bd式中CT t抗拉伸強度或拉伸斷裂應(yīng)力或拉伸屈服應(yīng)力或偏離屈服應(yīng)力,MPa(1)p 最大負荷或斷裂負荷或屈服負荷或偏離屈服負荷，N;b 試樣寬度，mm; d 試樣厚度， mm各應(yīng)力值在拉伸應(yīng)力一一應(yīng)變曲線的位置如圖8所示。(1)圖8拉伸應(yīng)力一應(yīng)變曲線b t1-拉伸強度；b t2-拉伸斷裂應(yīng)力；b t3 -拉伸屈服應(yīng)力；b t4 -偏置屈服應(yīng)力；£t1 -拉伸最大強度時的應(yīng)變；£t2 斷裂時的應(yīng)變；& t3 屈服時的應(yīng)變；£ t4 偏置屈服時的應(yīng)變A-脆性材料；B-

20、具有屈服點的韌性材料；C-無屈服點的韌性材料(2)斷裂伸長率£ t按式(2)計算GGoGo100%(2)式中£t斷裂伸長率，; G0試樣原始標(biāo)距， mm G試樣斷裂時標(biāo)線間距， mm(3) 標(biāo)準(zhǔn)偏差值S按式(3)的計算(3)式中s標(biāo)準(zhǔn)偏；X單個測定值； X 一組測定值的算術(shù)平均值；n測定個數(shù)(4) 計算結(jié)果以算術(shù)平均值表示，bt取三位有效數(shù)字，£t取兩位有效數(shù)字，S取兩位有效數(shù)字。6.2 實驗記錄與數(shù)據(jù)處理結(jié)果把測試的所得各結(jié)果列入下表8中表8拉伸實驗的測試結(jié)果與數(shù)據(jù)處理結(jié)果試樣名稱：拉伸速度：溫度：濕度:編號d/cmb/cmd b/cm2P/NG0/cmG/cm

21、b t/Pa£ t123457.實驗報告與思考題(1) 7.1實驗報告包括以下內(nèi)容 材料名稱、規(guī)格、來源及生產(chǎn)廠家； 試樣類型、尺寸、制備方法和試樣的主軸方向； 實驗溫度、濕度及試樣狀態(tài)的調(diào)節(jié)；試驗機型號，實驗速度； 拉伸強度和斷裂伸長率； 拉伸斷裂應(yīng)力、偏置屈服應(yīng)力和拉伸屈服應(yīng)力；解答思考題（2）思考題： 分析試樣斷裂在線外的原因 如何用據(jù)應(yīng)力一一應(yīng)變曲線來判斷材料的適應(yīng)性能？ 拉伸速度對測試結(jié)果有和影響？ 同樣是PS試樣，為什么測試的拉伸性能（強度、斷裂伸長率、模量）有差異？（四）試樣的沖擊實驗沖擊實驗式測定塑料材料和制品在高速沖擊狀態(tài)下的韌性或?qū)嗔训牡挚鼓芰?，這一實 驗對研究

22、塑料在經(jīng)受沖擊載荷時力學(xué)行為有一定的實際意義。塑料制品在使用的過程中， 經(jīng)常受到外加沖擊作用致使受到破壞。因此，在塑料材料的力學(xué)性能測試中，只進行靜力實驗時不能滿足材料使用要求的，所以必須對塑料材料進行運動載荷實驗，這一點在其工程設(shè)計中尤其重要。沖擊強度是塑料韌度的主要指標(biāo)，測量沖擊強度有兩種實驗方法，一種是擺錘式?jīng)_擊試 驗，另一種是落球式?jīng)_擊試驗，最常用的式擺錘式?jīng)_擊試驗。擺錘式又分懸臂梁式和簡支梁 式?jīng)_擊試驗。本實驗采用懸臂梁式?jīng)_擊試驗。1. 實驗?zāi)康恼莆沼脩冶蹧_擊實驗機測試高分子材料沖擊性能的方法、操作及其實驗結(jié)果處理；了解測試條件對測試結(jié)果的影響2. 實驗原理本方法式用懸臂量沖擊試驗機對試樣施加一次沖擊彎曲負荷，以試樣破壞斷裂時的單位 面積所消耗的能量來衡量材料的沖擊韌性。3. 實驗材料本實驗前面制備的PS樣條IV，試樣長度63.5 ± 2mm寬度為12.7 ± 0.2mm,厚度為3.2± 0.2mm,試樣側(cè)面中部帶有45°土 1°、底部曲率半徑（r）為0.25 ± 0.025mm的缺口，缺口處試樣的剩余厚度為 10.16 ± 0.05mm4. 實驗設(shè)備：擺錘式懸臂梁沖擊試驗機（UJ-40懸臂梁沖擊試驗機）5. 實驗步驟（1） 按試樣標(biāo)準(zhǔn)制樣，每組5個樣（例如硬質(zhì) PV