第四章 塑料成型基礎(chǔ)(6學(xué)時(shí)).ppt

1、第四章塑料容器整形基礎(chǔ)，包裝容器制造概論，5小時(shí)1小時(shí)練習(xí)，教育重點(diǎn)：1，聚合物熱力學(xué)曲線2，聚合物加工工藝3，非牛頓流體流變方程(金志洙定律方程)4，溫度，壓力對聚合物粘度的影響5，聚合物整形中的物理和化學(xué)變化，第一節(jié)聚合物1。聚合物的分子結(jié)構(gòu)2，聚合物的熱力學(xué)性能和加工工藝，第二節(jié)聚合物流變量方程和分析，1，牛頓流體及其流變方程2，溫度和壓力對粘度的影響3，聚合物熔體的粘彈性4，熱塑性和熱固性聚合物流變形行為比較，第三節(jié)聚合物流整形過程中物理化學(xué)的變化，1。聚合物的結(jié)晶2，整形過程的取向作用3，聚合物的分解4，聚合物的交聯(lián)，1，聚合物的分子結(jié)構(gòu)1，樹脂和塑料2，聚合物和低分子3，聚合物的分

2、子結(jié)構(gòu)4，聚合物的聚合結(jié)構(gòu)和性能，第一節(jié)聚合物的分子結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性能，第二，聚合物的熱力學(xué)性能和加工工藝1，聚合物的加工1溫度和壓力對粘度的影響1、溫度對剪切粘度的影響2、壓力對剪切粘度的影響2、兩節(jié)聚合物流變量方程和分析、3、聚合物熔體粘彈性1、聚合物熔體粘彈現(xiàn)象2、粘彈性流體3、聚合物粘彈運(yùn)動分析4、粘彈性熔體的應(yīng)力變形曲線、兩節(jié)聚合4、熱塑性和熱固性聚合物流的應(yīng)變行為比較1 結(jié)晶概念和結(jié)晶溫度2，結(jié)晶過程3，溫度對結(jié)晶的影響4，結(jié)晶率，第三節(jié)聚合物整形中物理化學(xué)的變化，第二，整形過程中的取向作用1，取向作用概念2，取向作用對塑料部件的影響3，纖維填充材料的取向4，聚合物分子的取向5，聚合

3、物分子取向的影響因素，第三節(jié)聚合物的交叉1，交叉概念和分類2，交叉原因3，交叉和固化，3節(jié)聚合物整形過程中的物理化學(xué)變化，1，聚合物的分子結(jié)構(gòu)，1，裴秀智和塑料(1)裴秀智定義廣義上，所有可用作塑料產(chǎn)品加工原料的聚合物都稱為樹脂。樹脂有天然樹脂和合成樹脂的區(qū)別。天然樹脂是指從自然界的動植物分泌物中獲得的無定型有機(jī)物質(zhì)(如松香、南瓜、蟲子等)。合成樹脂是簡單的有機(jī)物通過化學(xué)合成或部分天然產(chǎn)物經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)過程獲得的裴秀智產(chǎn)物。苯酚裴秀智、聚乙烯等。1、聚合物的分子結(jié)構(gòu)、1、裴秀智和塑料(2)塑料定義：塑料將裴秀智(或在加工過程中直接聚合為單體)作為主要成分，使用增塑劑、填充物、潤滑劑、著色劑等添加

4、劑作為輔助成分，是加工過程中可成型的材料。1，聚合物的分子結(jié)構(gòu)，2，聚合物和低分子聚合物是原子數(shù)多，相對分子質(zhì)量高，分子長的大分子。聚合物和低分子之間有這么大的區(qū)別，因此聚合物有很多與低分子化合非常不同的特性。，1，聚合物的分子結(jié)構(gòu)，3，聚合物的分子結(jié)構(gòu)(1)概念結(jié)構(gòu)單元C2H4C2H4聚合度C2H4 (2)分類線型聚合物中含有遲滯的線型聚合物，熱塑性，熱硬化性，n，聚合物是一個(gè)巨大的，在大分子的鏈之間有徐璐交叉形成立體結(jié)構(gòu)的短鏈，這被稱為體形聚合物。1，聚合物的分子結(jié)構(gòu)，4，聚合物的聚合狀態(tài)結(jié)構(gòu)及性能聚合物，分子特別大，分子間作用力也是大小，因此很容易聚集成液體或固體，不形成氣體。(1)結(jié)晶

5、聚合物(2)無定形聚合物(3)結(jié)晶對聚合物性能的影響，(1)結(jié)晶聚合物組成：結(jié)晶聚合物由“結(jié)晶區(qū)域”(分子有序緊密排列的區(qū)域)和“非結(jié)晶區(qū)域”(分子無序區(qū)域)結(jié)晶范圍：結(jié)晶僅發(fā)生在與線型聚合物沒有太多交叉結(jié)合的體形聚合物中。通常是聚合物的分子結(jié)構(gòu)，主鏈中的側(cè)基較小，對稱度高，分子間作用力大小大，有助于結(jié)晶。相反，不能對結(jié)晶不利或形成結(jié)晶區(qū)域。(2)不定形聚合物的結(jié)構(gòu)過去被認(rèn)為是分子排列混亂，徐璐糾纏。但是據(jù)電子顯微鏡觀測，發(fā)現(xiàn)無定型聚合物的質(zhì)點(diǎn)排列不是完全無序的，而是在大距離范圍內(nèi)無序的，小距離范圍內(nèi)有序的。也就是說，“遠(yuǎn)距離混亂，短程秩序”。體形聚合物在分子鏈之間有大量的交聯(lián)，因此很難有序排

6、列分子鏈，所以它們都有不定形結(jié)構(gòu)。(3)結(jié)晶對聚合物性能的影響結(jié)晶對聚合物性能的影響很大。結(jié)晶使分子緊密聚集，提高分子間的作用力，從而提高聚合物的強(qiáng)度、硬度、硬度和熔點(diǎn)、耐熱性和耐化學(xué)性等性能。與鏈運(yùn)動相關(guān)的性能(例如彈性、伸長、沖擊強(qiáng)度等)降低。2，聚合物的熱力學(xué)性能和加工工藝，1，聚合物的熱力學(xué)性能聚合物的物理、機(jī)械性能和溫度密切相關(guān)，隨著溫度的變化，聚合物的受力行為發(fā)生了變化，顯示了各種力學(xué)狀態(tài)，顯示了階段性力學(xué)性能特性。圖2-3中的曲線是聚合物受到恒定應(yīng)力時(shí)變形程度和溫度的關(guān)系曲線，也稱為熱力學(xué)曲線。圖23聚合物熱力學(xué)曲線，溫度，線型無定形聚合物，線型結(jié)晶聚合物，TG，TF，TD，TM

7、，玻璃化溫度，點(diǎn)流溫度，熱解溫度，熔點(diǎn)，Tb 1聚合物的熱力學(xué)性能(3)體聚合物高度交聯(lián)的體型聚合物(熱硬化性裴秀智)，分子運(yùn)動阻力大，通常隨著溫度發(fā)生的力學(xué)狀態(tài)變化很小，因此在占有或高炭狀態(tài)下，即遇到熱就不會溶解，而是在高溫下分解。2，聚合物的熱力學(xué)性能和加工工藝，2，聚合物的加工工藝(1)原理：聚合物的整形加工是在點(diǎn)流狀態(tài)下進(jìn)行的。也就是說，當(dāng)聚合物溫度高于Tf或Tm時(shí)，分子熱運(yùn)動將大幅激化，材料的楊氏模量()將降至最低值。此時(shí)聚合物熔體變形的特點(diǎn)是在較小的外力下會產(chǎn)生宏觀流動。此時(shí)變形主要是不可逆轉(zhuǎn)的粘性變形，冷卻聚合物可以永久保持變形。2，聚合物的熱力學(xué)性能和加工工藝，2，聚合物的加工

8、工藝(2)溫度范圍：如果TfTd或TmTd過高，則很容易發(fā)生注射成型的流出、擠出塑料零件的形狀扭曲、收縮和輻射過程中纖維的毛細(xì)破裂等現(xiàn)象。溫度高到接近分解溫度Td時(shí)，會發(fā)生聚合物分解，從而降低產(chǎn)品的物理力學(xué)性能或外觀不良。聚合物流動性太低，容易發(fā)生充填壓力、充填不滿、熔體冷卻等情況。2，聚合物的熱力學(xué)性能和加工工藝，2，聚合物的加工工藝(3)加工工藝，1，牛頓流體及其流變方程，1，牛頓流體(1)流體力分析液體的流動和變形都是通過應(yīng)力作用實(shí)現(xiàn)的。剪切應(yīng)力拉伸應(yīng)力流體靜壓力P、剪切應(yīng)力對塑料成型最重要，因?yàn)槭芫酆衔锶垠w或分散體或模具中流動的壓力降、所需功率、塑料零件質(zhì)量等的限制。1，牛頓流體及其流

9、變方程，1，牛頓流體(2)流體流動形態(tài)層流：Re 4000，層流，液體流動由許多與徐璐平行的流動層組成。相同類別圖層之間的點(diǎn)速度徐璐相同，但圖層之間的速度不一定相同，圖層之間也沒有明顯的互動。湍流中液體各點(diǎn)速度的大小和方向隨時(shí)間的變化而變化。在整形過程中，聚合物熔體流動基本上是層流。1，牛頓流體及其流變方程，1，牛頓流體(3)牛頓流變方程為研究流體流動的性質(zhì)，可以將層流看作徐璐相鄰薄層液體沿外力作用方向相對滑動。含水層是徐璐完全平行的平面。圖2-4是液體通過流道流動時(shí)的速度梯度圖。含水層中的剪切應(yīng)力是F外部作用于整個(gè)液體的恒定剪切力，A是向兩端無限擴(kuò)展的含水層面積。如果兩個(gè)含水層間徑向距離為d

10、r的移動速度分別為V和vdv，則含水層間單位距離內(nèi)的速度差異為速度梯度dvdr。如果兩個(gè)含水層間徑向距離為dr的移動速度分別為V和vdv，則含水層間單位距離內(nèi)的速度差值為速度梯度dvdr。但是，含水層移動速度V是單位時(shí)間dt內(nèi)的含水層沿管道軸x-x移動的距離dx，即vdxdt，因此(2-2)，表達(dá)式中dx/dr一個(gè)含水層相對于另一個(gè)含水層移動的距離，dxdr是剪切力作用下該層液體產(chǎn)生的相切變形。格式(2-2)可以被稱為剪切速率(s-1)的單位時(shí)間內(nèi)的變形代替。牛頓在研究低分子液體的流動運(yùn)動時(shí)，發(fā)現(xiàn)剪應(yīng)力和剪切率之間存在一定的關(guān)系，可以說是與油層單位表面加入的切向應(yīng)力與油層間速度梯度(dv/dr

11、)成比例的比例常數(shù)，稱為牛頓黏度。牛頓流體流變方程，(23)，(24)，1，牛頓流體及其流變方程，2，非牛頓流體(1聚合物大部分在中等剪切速率范圍(=10104s-1)。牙齒時(shí)，大多數(shù)聚合物顯示為非牛頓流體。1，牛頓流體和流變方程，2，非牛頓流體(2)金志洙定律方程聚合物粘性流體在指定溫度下的指定剪切率范圍內(nèi)流動時(shí)，剪切應(yīng)力和剪切率具有指數(shù)函數(shù)關(guān)系。k是與聚合物和溫度相關(guān)的常數(shù)，反映聚合物熔體的粘度。這稱為密度系數(shù)。n與聚合物粘度相關(guān)的常數(shù)，反映聚合物熔體偏離牛頓流體特性的程度。叫做非牛頓指數(shù)。，(25)，樣式(2-5)轉(zhuǎn)換為：A非牛頓流體表觀粘度(Pas)，除了流體本身的特性和溫度以外，還受

12、剪切速率的影響。(26)，(27)，在金志洙流定律中，非牛頓金志洙N和一致性系數(shù)K都可以通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測量。N=1時(shí)牛頓流體。N1點(diǎn)，可塑性液體。N1點(diǎn)，膨脹性液體。*塑料整形中的大多數(shù)聚合物具有與可塑性流體相似的流變特性。2，溫度和壓力對粘度的影響，1，溫度對剪切粘度的影響(28)溫度為時(shí)液體的剪切粘度0基準(zhǔn)溫度0的剪切粘度；常數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)測量，溫度范圍為50時(shí)，對于大多數(shù)液體是常數(shù)，超出牙齒范圍變化很大。公式設(shè)定條件：剪切速度常數(shù)、公式、2、溫度和壓力對粘度的影響、2、壓力對剪切請參閱圖28。原因：壓力分子之間的距離分子間作用力剪切粘度壓力溫度等效性：在聚合物處理過程中，可以更改壓力或溫度以

13、達(dá)到相同粘度變化的效果。溫度和壓力等效(/P)通常為0.30.9/1Mpa。3，聚合物熔體的粘性，1，聚合物熔體粘彈現(xiàn)象聚合物熔體(包括分散體)不僅具有粘性，還具有固體等彈性。也就是說，當(dāng)熔體受到應(yīng)力時(shí)，某些能量會被粘性變形(即流動)消耗。另一部分的變形能量存儲在熔體中，消除外部應(yīng)力后，塑料擠壓時(shí)恢復(fù)模具膨脹等變形(見圖29)。3，聚合物熔體的粘彈性，2，粘彈性流體粘彈現(xiàn)象在低分子液體中不存在。在粘性流動中，彈性行為不可忽視的液體稱為粘彈性液體。聚合物熔體屬于粘彈性流體。3，聚合物熔體的粘性，3，聚合物粘彈行為描述了流動過程中聚合物大分子結(jié)構(gòu)的變化(卷曲變成拉伸)引起的。大分子拉伸存儲彈性，消

14、除外部應(yīng)力后，大分子部分恢復(fù)原始卷曲形態(tài)，引起高彈變形，釋放彈性。事實(shí)證明，這種恢復(fù)彈性不是瞬間的。因?yàn)榇蠓肿咏Y(jié)構(gòu)的恢復(fù)過程需要克服內(nèi)在粘性的阻斷。3，聚合物熔體的粘性，3，聚合物粘彈行為說明流體流動是以粘性變形為主，還是以彈性變形為主。取決于外力作用時(shí)間T和松弛時(shí)間tS的關(guān)系。T tS時(shí)液體的總變形以粘性變形為主。T104s價(jià)：一般粘彈性聚合物熔膠tS 104104s。流動熔體的彈性變形與聚合物的相對分子量、外力作用速度或時(shí)間、熔體的溫度等有關(guān)。通常，隨著相對分子質(zhì)量的增加，外力的作用時(shí)間縮短(或作用速度加快)，當(dāng)熔體的溫度略高于材料熔點(diǎn)時(shí)，彈性現(xiàn)象尤為明顯。粘性熔體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖210所示。可逆部分(彈性)，不可逆部分(粘性)，4，熱塑性和熱固性聚合物流的可變行為比較，1，熱塑性和熱固性聚合物加工差異熱塑性聚合物：加熱使聚合物變成粘性流動(或軟化)，從而使成型更加容易，整個(gè)過程發(fā)生物理變化此外，具有活性基團(tuán)的基團(tuán)可以在足夠的溫度下引起交聯(lián)反應(yīng)，最終完成固化等化學(xué)反應(yīng)。2、熱塑性和熱固性聚合物流動行為比較，熱塑性聚合物、熱固性聚合物、max、化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)對粘度的影響。，1，聚合物結(jié)晶，1，結(jié)晶概念和結(jié)晶溫度(1)結(jié)晶概念聚合物(線型)從非晶轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)