第十五章塑料成型的理論基礎

第十五章塑料成型的理論基礎第一頁，共五十五頁，2022年，8月28日第一節(jié)塑料的基本性質一、高分子材料的基本概念高分子材料是以高分子化合物為主要組分的材料。常稱聚合物或高聚物。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。工業(yè)用高分子材料主要是人工合成的。第十五章塑料成型的理論基礎第二頁，共五十五頁，2022年，8月28日（一）、高分子化合物的組成由簡單的結構單元重復連接而成。如由乙烯合成聚乙烯:CH2=CH2+CH2=CH2+→-CH2-CH2-CH2-CH2-,[CH2–CH2]n可簡寫成nCH2=CH2→。

組成聚合物的低分子化合物稱為單體。聚合物的分子為很長的鏈條，稱為大分子鏈。[CH2–CH2]n大分子鏈中重復結構單元(如聚乙烯中

)稱為鏈節(jié)。

聚乙烯分子鏈第三頁，共五十五頁，2022年，8月28日（二）高分子化合物的聚合1加聚反應

由一種或多種單體相互加成，或由環(huán)狀化合物開環(huán)相互結合成聚合物的反應。2縮聚反應

由一種或多種單體互相縮合生成聚合物，同時析出其他低分子化合物(如水、氨、醇、鹵化氫等)的反應。第四頁，共五十五頁，2022年，8月28日（三）高分子化合物的分類及命名1、高分子材料的分類⑴按用途分塑料、橡膠、纖維、膠粘劑、涂料等。⑵按聚合物反應類型分為加聚物和縮聚物。⑶按聚合物的熱行為分為熱塑性聚合物和熱固性聚合物⑷按主鏈上的化學組成分為碳鏈聚合物、雜鏈聚合物和元素有機聚合物

第五頁，共五十五頁，2022年，8月28日2.高分子化合物的命名

大多數采用習慣命名法，在單體前面加“聚”字；或在原料名稱后加“樹脂”二字，如酚醛樹脂等。第六頁，共五十五頁，2022年，8月28日二、塑料的結構（一）、高分子鏈的結構(分子內結構)1.高分子鏈結構單元的化學組成

在元素周期表中只有ⅢA、ⅣA、ⅤA、ⅥA中部分非金屬、亞金屬元素才能形成高分子鏈。第七頁，共五十五頁，2022年，8月28日2.高分子鏈的形狀按照大分子鏈的幾何形狀，可將塑料結構分為線型結構、支鏈型結構和體型結構。線型結構高聚物的彈性、塑性好，硬度低，是熱塑性材料。支鏈型結構近于線型結構。體型結構高聚物硬度高，脆性大，無彈性和塑性，是熱固性材料。第八頁，共五十五頁，2022年，8月28日（二）高分子的聚集態(tài)結構(分子間結構)固態(tài)高聚物分為晶態(tài)和非晶態(tài)兩大類，晶態(tài)為分子鏈排列規(guī)則的部分，而排列不規(guī)則的部分為非晶態(tài)。一個大分子鏈可以穿過幾個晶區(qū)和非晶區(qū)。晶區(qū)熔點、密度、強度、硬度、剛性、耐熱性、化學穩(wěn)定性高，而彈性、塑性、沖擊強度下降。第九頁，共五十五頁，2022年，8月28日三、塑料的加工性能

（一）熱塑性塑料的加工性能

1玻璃態(tài)：低溫下，鏈段不能運動。在外力作用下，只發(fā)生大分子原子的微量位移，產生少量彈性變形。高聚物呈玻璃態(tài)的最高溫度稱玻璃化溫度，用θg表示。用于這種狀態(tài)的材料有塑料和纖維。第十頁，共五十五頁，2022年，8月28日聚合物的玻璃化溫度是指線型非結晶聚合物由玻璃態(tài)(硬脆狀態(tài))向高彈態(tài)(橡膠彈性態(tài))、或由后者向前者轉變的溫度。當溫度低于玻璃化溫度時，聚合物中的大分子鏈段凝固成堅硬的固態(tài)。當溫度高于玻璃化溫度時，大分子鏈段就擁有了足夠的自由活動能量，但此時還不是整個大分子鏈段在運動，故表現(xiàn)出來的還是高彈性橡膠的性質，此時，聚合物中的自由容積會突然增加。玻璃化溫度主要與聚合物中大分子鍵的柔性有關。另外，大分子的交聯(lián)、結晶取向等都會使升高。第十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日2高彈態(tài)：溫度高于θg，分子活動能力增加，受力時產生很大彈性變形。用于這種狀態(tài)高聚物是橡膠。3粘流態(tài)：由于溫度高，分子活動能力很大，在外力作用下，大分子鏈可以相對滑動。粘流態(tài)是高分子材料的加工態(tài)，大分子鏈開始發(fā)生粘性流動的溫度稱粘流溫度，用θf表示。第十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日玻璃態(tài)是聚合物的使用狀態(tài),θg稱為玻璃化溫度,為衡量制品使用范圍的標致之一,θg越高，制品對環(huán)境溫度適應性越強；

θf為粘流溫度，是聚合物從高彈態(tài)轉為粘流態(tài)的溫度；

θm為熔點，是聚合物的熔融溫度；

θd為熱分解溫度，是聚合物高溫下開始分解的溫度；θf(θm)～θd溫度區(qū)間大時，塑料熔體的熱穩(wěn)定性好，可在較寬溫度范圍內變形和流動。第十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日（二）熱固性塑料的加工性能

常用熱固性塑料有酚醛、氨基（三聚氰胺、脲醛）聚酯、聚鄰苯二甲酸二丙烯酯等。主要用于壓塑、擠塑、注射成形。硅酮、環(huán)氧樹脂等塑料，目前主要作為低壓擠塑封裝電子元件及澆注成形等用。

熱塑性塑料：在加工過程中，一般只起物理變化。即在特定溫度范圍內能反復加熱軟化和冷卻硬化的塑料。

熱固性塑料：在加工過程中起化學變化，受熱時，開始被軟化而具有一定的可塑性，但隨著進一步加熱，樹脂就硬化定型，若再加熱也不會變軟或改變其形狀，不熔不溶性物料的樹脂，一般稱熱固性塑料。熱固性塑料通常耐高溫，一般不能重復再塑制，僅能粉碎后用作填料。

第十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日牛頓流動規(guī)律：溫度一定時，低分子液體流動時的切應力與切應變速率成正比，即：

式中，h為剪切粘度(Pa·s)符合上式的流體稱為牛頓流體，比例系數h稱為牛頓粘度，它是流體本身固有的性質，其數值表征了流體抵抗外力引起流動形變的能力。四、塑料的流變性

第十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日層流流速分布模型第十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日

塑料成形中，大多數塑料熔體都是非牛頓流體，它們中大部分近似服從指數流動規(guī)律：式中，K－稠度系數；

n－非牛頓系數。第十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日指數流動規(guī)律也可表示為：稱為聚合物熔體的表觀粘度。它表征的是非牛頓流體在外力作用下的抗切應變的能力。第十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日在聚合物流變學理論中，凡是服從指數流動規(guī)律的非牛頓流體統(tǒng)稱為粘性流體。根據n的取值范圍可將粘性流體分為三類：n<1時，稱為假塑性液體，絕大多數聚合物熔體與溶液的流動都接近于假塑性流體；n>1時，稱為膨脹性液體；n=1時，且只有切應力達到或超過一定值后才能流動的，稱為賓號體。第十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日不同類型流體的流動曲線

不同類型流體的流變曲線第二十頁，共五十五頁，2022年，8月28日粘度是描述塑料熔體流變行為最重要的參數。對于牛頓流體，其粘度為一個不變常量。對于非牛頓流體，其表觀粘度受多種因素影響，具體如下：

1）聚合物結構和其他組分的影響

聚合物相對分子質量越大，熔體的粘度和非牛頓性越大。

相對分子質量分布較寬的聚合物，其粘度對剪切速率的敏感性較大，非牛頓性也較強。

2）溫度的影響

在粘流態(tài)，熱塑性塑料熔體的粘度隨溫度升高而呈指數規(guī)律降低，但不同熔體粘度對溫度的敏感程度不同。第二十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日

3）壓力的影響

隨外部壓力增大，熔體受壓縮體積減少，分子間作用力增加致使粘度也隨之增大。由于塑料熔體的壓縮率不同，不同熔體的粘度對壓力的敏感性也不同。

4）剪切速率的影響

塑料熔體的表觀粘度隨著剪切速率或切應力的增大而減少，不同種類的塑料對剪切速率的敏感性不同第二十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日五、塑料的基本力學性質

固態(tài)塑料的第一個力學特性是蠕變特性。如果把一個由熱塑性樹脂制成的細長板的一端掛上重物,在放置了一個較長的時間后,就會發(fā)現(xiàn)板的長度在隨著時間一點一點地增大,而且即使把重物取下來,板的長度也不會再恢復,我們把這種現(xiàn)象稱為蠕變.第二十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日固態(tài)塑料的第二個力學特性是應力松弛。如果在板的兩端加上拉應力或者壓應力并使之保持在一定的長度,同樣在放置了一個較長的時間后,就會發(fā)現(xiàn)所加的應力在逐漸變小甚至變?yōu)榱?我們把這種現(xiàn)象叫做應力松弛.固態(tài)塑料的第三個力學特性是應變速率保持為常數時的拉伸特性。第二十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日1）聚合物的結晶

在一定的外界條件下，聚合物分子在空間作規(guī)則性的排列稱為結晶。

聚合物結晶態(tài)與低分子物質結晶有很大區(qū)別，主要表現(xiàn)為晶體不整齊、結晶不完全、結晶速度慢、沒有明晰的熔點等。其形態(tài)常為球晶，用結晶度來表示其程度。一般聚合物的結晶度為10％～60％。

結晶度的提高可增加聚合物密度、抗拉強度、剛度和熱變形溫度，但降低了聚合物沖擊韌性。由于結晶時形成球晶，致使制品的透明度降低。另外結晶度提高會在制品內產生較高的附加應力而引起制品翹曲。

在塑性加工中影響結晶度的因素有：溫度及冷卻速度、熔融溫度與熔融時間和應力。六、塑料成形過程的物理和化學變化第二十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日2）聚合物取向

聚合物的大分子及其鏈段或結晶聚合物的微晶粒子在應力作用下形成的有序排列叫做取向。

塑料在成形過程中會發(fā)生不同類型的取向。一種是流動取向，另一種是拉伸取向。

取向會使制品產生明顯的各向異性:

其不利之處為增加了制品翹曲的可能性；有利之處為制品受力方向與取向方向一致可改善制品質量。同時使結晶提前，使制品密度和強度都相應提高。另外，取向程度的提高會使線收縮率增加，線膨脹系數也隨之變化。第二十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日

取向的影響因素有：塑料熔體的加工溫度，提高加工溫度有利于產生解除取向效應；聚合物分子松弛時間，結晶型塑料松弛時間短容易使取向凍結，其取向程度高于無定形塑料;模具溫度低時熔體冷卻速度加快，冷凍取向效應提高；塑料比熱大，熱導率低會降低熔體冷卻速度，有利于取向的解除；注射壓力可提高熔體的切應力和剪切速率，有助于分子取向；大澆口冷卻慢，澆口封閉晚，取向作用加強；快速充模使制品表面層分子取向增高，中心部位取向減弱。第二十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日3）聚合物的降解

聚合物相對分子質量降低的現(xiàn)象稱為聚合物的降解。

通常聚合物分子是在受到熱和應力或者微量水分、酸、堿等雜質及空氣中氧的作用而使大分子結構改變，產生降解。

降解是有害的，按輕重不同會使聚合物變色、出現(xiàn)氣泡和流紋、甚至焦化變黑。第二十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日塑料的成型方法注射（塑）成型擠出成型壓縮成型壓鑄成型吹塑成型等。

據統(tǒng)計，目前注射制品約占所有塑料制品總產量的30%，占工程塑料制品的80%，故注射成形是一種最主要的成型方法。第二十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日第二節(jié)注射過程及塑料熔體在型腔中的流動下圖是注射成型過程示意圖。成型時，先將粉狀或粒狀物料從料斗送入高溫機筒內加熱熔融塑化使之成為粘流態(tài)熔體，然后在柱塞或螺桿的高壓推動下以很大的流速通過噴嘴注射進入溫度較低的閉合模具中。熔體在壓力作用下充滿型腔并被壓實，經過一段保壓后柱塞或螺桿回程。此時，熔體可能從型腔向澆注系統(tǒng)倒流。冷卻定型后開啟模具，制品便可從模腔中脫出。第三十頁，共五十五頁，2022年，8月28日注塑成型過程a)加熱熔融塑化b)充模、壓實、保壓、倒流c)冷卻定型、脫模1－料斗2－機筒3－噴嘴4－分流錐5－柱塞第三十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日塑料在注射機筒內經過加熱、塑化達到流動狀態(tài)后，由模具的澆注系統(tǒng)進入模具型腔，最終冷卻定形的過程稱為澆注過程。該過程可分為充模、壓實、保壓、倒流和冷卻五個階段。如圖示為一個注射周期內壓力隨時間變化曲線。

OA段為塑料熔體在注射壓力p1作用下，從料筒計量室流入型腔始端的時間；AB段熔體充滿型腔，此時注射壓力達到最大值；BC段是熔體的壓實階段,注射壓力用于壓實熔體；CD段為保壓階段；E時刻熔體在澆口處凝固,封斷流動；EF段為冷卻定形階段。第三十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日注射成形中的壓力－時間曲線

1－注射壓力曲線；2－噴嘴末端的壓力曲線；

3－型腔始端的壓力曲線；4－型腔末端的壓力曲線。第三十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日注塑周期中塑料熔體和模具溫度隨時間的變化曲線

1－熔體2－模具溫度

當塑料熔體流入型腔時熔體溫度稍有升高。當型腔壓力迅速上升時熔體溫度也上升到最高值。隨著保壓階段的開始，熔體逐漸冷卻，溫度下降。第三十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日塑料熔體在型腔中的流動型腔充填過程可以分為三個階段，但為了避免和程序注塑中采用的階段相混淆，習慣上不叫階段，而稱為相。（１）充填相在充填相中，注塑機的柱塞以穩(wěn)定的速度向前運動，將塑料熔體注入型腔。充填相一直繼續(xù)到型腔恰好充滿為止。（２）增壓相(或稱壓縮相)

在增壓相，注塑機柱塞仍繼續(xù)向前運動。塑料熔體仍不斷注入型腔，一直到模具承受到一定壓力為止。在增壓相開始時，塑料熔體己將型腔充滿，柱塞向前運動的速度也已下降，但仍要向前移動一段距離，這是因為塑料熔體有很大的可壓縮性，在此相中約有15％的額外材料在壓力作用下進入型腔。（３）補償相塑料由熔態(tài)冷卻至固態(tài)時體積變化約有25％，而在增壓相最多只補充了約15％的材料，故補償相總是必須的。第三十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日充填相流動特點充填相的流動前沿

前沿區(qū)流速分布示意圖

第三十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日充填時的取向和殘余應力

第三十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日補償相流動簡圖

在補償相中，熔體的流動是不穩(wěn)定的，流動形態(tài)與河流三角洲的流道很相似

第三十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日形成這種流動圖像的原因有以下幾個方面。（１）溫度的變化來自注塑機料筒的熔體其本身溫度就不均勻，可以測出，在特殊情況下，此溫差可以達到約40℃。溫度高的熔體粘度低，流速快，使得更多的熔體流入此高溫區(qū)，造成此區(qū)熔體溫度進一步升高，進一步促進了該區(qū)域的流動，最后形成了類似河流三角洲的圖像。（２）熔體內部溫度的不穩(wěn)定性若熔體中某一部分較其余部分溫度稍高，則該部分就會因粘度低而流速高，這樣就會將更多的熔體帶入該區(qū)，使該區(qū)得以維持較高的溫度、較低的粘度和較快的流速。因為河道外熔體大塊的溫度較河道中熔體的溫度低，因而會先于流道中熔體而凝固并收縮。而河道內熔體不但溫度稍高，取向和收縮率亦大，冷卻凝固時受到已凝固的河道外材料的限制而形成拉伸殘余應力，而河道外材料則形成壓縮殘余應力，這種不均勻收縮而造成的殘余應力也是造成制品翹曲的重要原因之一。第三十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日第三節(jié)注塑制品中的取向

注塑件厚度取向變化情況

第四十頁，共五十五頁，2022年，8月28日等溫條件下剪應力沿厚向的變化非等溫條件下厚向取向分布

第四十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日松弛前后取向沿厚向的分布注塑件流動前沿為零級黑，表示流動前沿無取向；從流動前沿出發(fā)．逆流而上，取向級別逐漸升高，至澆口前一定距離處達列最大，之后，取向級別又逐漸降低。

第四十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日第四節(jié)注塑制品中的殘余應力

殘余應力(Residualstress)可以定義為無外力作用下存在于物體內部任意點的局部應力。殘余應力所產生的合力或力矩必須為零。流動殘余應力流動應力主要出現(xiàn)于型腔充填階段，保壓對流動應力只起到補充作用。注塑時，熔體中的高應變速率引起了剪應力和第一、第二正應力差。

第四十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日殘余應力殘余應力是塑料熔體在模內流動和冷卻過程產生的。在注射和保壓階段，塑料受到不均衡的高剪切應力和正應力作用，導致塑件內產生殘余應力，稱殘余流動應力。由于注射模溫度不均勻，更因模內塑件很快冷卻固化，在溫差作用下造成塑件的熱應力，稱為溫度殘余應力。高等學校應用型特色規(guī)劃教材第四十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日熱殘余應力圖15-16厚度為0.3cm的PMMA板從170℃（曲線1）和130℃（曲線2）淬火至0℃，以及厚度為0.26cm的PS板從150℃（曲線3）和130℃（曲線4）淬火至23℃時厚向熱應力分布圖15-17厚度為0.3cm的PMMA板從170℃淬火至22℃（曲線1）和0℃（曲線2）時厚向熱應力分布第四十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日第五節(jié)塑料熔體的復雜流動現(xiàn)象與缺陷

一、翹曲翹曲(Warp)是塑料制品的一個主要缺陷，大型薄壁精密注塑件的翹曲問題更加突出，造成注塑制品翹曲的原因很多，主要有收縮不均勻，結晶度不均勻，冷卻不均勻，過度充填等四個方面。矩形注塑板的翹曲注塑制品厚度不同引起的不均勻收縮第四十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日冷卻不均引起的翹曲第四十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日過度充填過度充填(Overfilling)是引起制品翹曲的最常見的原因之一。過度充填是由于流動不平衡所引起的。在型腔充填過程中，熔體總是首先流向最容易流動的部位，因此，當型腔中的某一區(qū)域較其余區(qū)域更容易流入時，熔體將首先充滿此區(qū)域。由于塑料熔體是高度可壓縮的，故在熔體充填其余區(qū)域的同時，將以逐漸降低的流速繼續(xù)充填易流入區(qū)，使此區(qū)域密度加大，取向水平提高，這種情況稱為過度充填。遭受過度充填的區(qū)域收縮率升高，使整個制品中各區(qū)域收縮率不同而引起翹曲。

第四十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日過度充填實例第四十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日快車道效應

快車道效應實