注塑模具设计手册-第2章-塑料成型理论基础

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1、Company LOGO第2章 塑料成型理论基础 塑料成型是将塑料材料转变成塑件的生产工艺过程。要实现这种转变，就要研究在转变过程中塑料的各种性质和行为与各种因素之间的关系，从而可以采用合理的工艺以获得质量良好的塑料制件。高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO2.1 2.1 聚合物的分子结构及热力学性能聚合物的分子结构及热力学性能高分子聚合物的分子结构与低分子不同，其物理、力学性能与温度密切相关。温度变化时，聚合物的受力行为发生变化，呈现出不同的力学状态，表现出分阶段的力学性能特点。2.1.12.1.1 聚合物的分子结构聚合物的分子结构聚合物大分子的链状结构有以下三种类型。1.线

2、型大分子及其线型聚合物2.支链型大分子及其支链型聚合物3.体型大分子及其体型聚合物 高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO2.1.2 2.1.2 聚合物的热力学曲线及加工适应性聚合物的热力学曲线及加工适应性聚合物在不同条件下表现出的分子热运动特征称为聚合物的物理状态。聚合物的物理状态分为玻璃态(结晶聚合物称为结晶态)、高弹态和粘流态三种，它们在一定条件下可以发生转变。高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO 2.2 2.2 聚合物的流变学性质聚合物的流变学性质研究物质变形与流动的科学称为流变学。聚合物的成型都必须依靠聚合物自身的变形和流动来实现，所以就相应产生聚合物流

3、变学这样一门科学。它主要研究聚合物在外力作用下产生的应力、应变和应变速率等力学现象与自身粘度之间的关系以及影响这些关系的各种因素，如聚合物的结构、性能、温度、作用力的大小和作用时间、方式等。高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO2.2.1 2.2.1 牛顿流动规律牛顿流动规律流体在管道内流动时，可呈现层流和湍流两种不同的流动状态。层流的特征是流体的质点沿着平行于流道轴线的方向相对运动，与边壁等距离的液层以同一速度向前移动，不存在任何宏观的层间质点运动，因而所有质点的流线均相互平行，这种情况如图2.3(a)所示。高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO为研究流体以切变方

4、式流动时的性质，可将这种流体的流动看做许多层彼此相邻的薄液层沿外力作用的方向进行相对滑移，图2.4所示为流体层流模型。高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO2.2.2 2.2.2 指数流动规律和表观粘度指数流动规律和表观粘度聚合物的流动行为远比低分子流体的流动复杂，除聚碳酸酯、聚酰胺、氯乙烯-偏二氯乙烯共聚物和聚对苯二甲酸乙二醇酯等少数几种外，绝大多数聚合物流体在塑料成型条件下的流动行为与牛顿流体不符。1.指数流动规律高分子聚合物由于大分子的长链结构复杂，相互缠结，它们的流动规律远比低分子流体复杂，不符合式(2-4)的牛顿流动规律，在宽广的剪切速率范围内，它们流动时切应力和剪切速

5、率不再成线性关系，流体的粘度也不再是一个常数。通常，将这种流体的流动称为非牛顿流动，具有这种流动行为的流体称为非牛顿流体。高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO在聚合物流变学中凡是服从指数流动规律的非牛顿流体统称粘性流体。粘性流体中，当n1时称假塑性流体；当n1时则称膨胀性流体。图2.6表示了不同类型流体的表观粘度和剪切速率的关系。高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO2.假塑性流体的表观粘度前述各种粘性流体的非牛顿流体性能都是有前提条件的，也就是剪切速率不能太大，也不能太小，否则这些粘性流体也会出现牛顿流体的性质。在聚合物成型过程中影响表观粘度的因素有以下几方面。

6、1)聚合物的结构对表观粘度的影响 聚合物相对分子质量分布对熔体粘度的影响在不同剪切力和不同剪切速率下表现不同，平均相对分子质量相同时，随着剪切速率的增加，相对分子质量分布宽的要比相对分子质量窄的粘度下降快。高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO2)温度对表观粘度的影响高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO3)压力对表观粘度的影响4)剪切速率对表观粘度的影响高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO2.3 2.3 聚合物熔体的弹性聚合物熔体的弹性聚合物熔体在变形和流动中的弹性行为对注射成型影响很大，常常会使熔体在模内流动时产生端末效应和失稳流动等问题，最终导

7、致塑件产生变形、扭曲以及熔体破裂等成型缺陷。2.3.1 2.3.1 端末效应端末效应聚合物熔体在管道入口端因出现收敛流动，使压力降突然增大的现象称为入口效应。高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO2.离模膨胀效应当聚合物熔体流出流道或浇口时，熔体发生体积膨胀的现象叫做离模膨胀效应，如图2.11所示。离模膨胀实际上是一种由弹性回复而引起的失稳流动，通常也叫做Barun效应。高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO2.3.2 2.3.2 失稳流动和熔体破裂失稳流动和熔体破裂 失稳流动和熔体破裂现象受以下因素影响。(1)聚合物的相对分子质量及其分布(2)温度(3)流道结构

8、高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO2.4 2.4 塑料成型过程中聚合物的物理变化塑料成型过程中聚合物的物理变化聚合物在塑料成型过程中发生的物理变化主要有结晶和取向，它们对塑件的性能和质量的影响非常大，生产中经常需要调整某些工艺参数，才能很好地控制结晶和取向过程。2.4.1 2.4.1 聚合物的结晶聚合物的结晶在所有聚合物中，可以分为结晶聚合物和非结晶聚合物(无定形聚合物)两种类型。1.结晶概念2.二次结晶和后结晶 高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO3.结晶速度和结晶度(1)结晶速度(2)结晶度 4.结晶对塑件性能的影响(1)密度(2)力学性能(3)热性能(4

9、)翘曲(5)表面粗糙度和透明度 高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO5.影响结晶的因素 (1)温度(2)压力和切应力(3)分子结构(4)添加剂 高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO2.4.2 2.4.2 聚合物的取向聚合物的取向聚合物的大分子及其链段或结晶聚合物的微晶粒子在应力作用下形成的有序排列称为取向结构。根据熔体流动性质不同，取向结构可分为单轴取向(见图2.14(a)和多轴取向或称平面取向(见图2.14(b)。高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO1.注射成型时的流动取向机理 注射成型中主要发生流动取向。1)聚合物的流动取向2)固体填充剂的流

10、动取向2.取向对聚合物性能的影响综上所述，聚合物取向对塑件的性能影响很大。在塑料成型生产中，可以利用聚合物的取向来提高塑件的性能，例如吹塑薄膜就是利用聚合物双轴取向原理来提高其性能的。但并非聚合物取向对塑件性能均有益处，在生产厚度较大的塑件(如模压塑件)时，就应该力图消除取向现象，使塑件不致发生翘曲变形或裂纹，从而保证塑件质量。高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO2.4.3 2.4.3 残余应力残余应力残余应力是塑料熔体在模内流动和冷却过程产生的。在注射和保压阶段，塑料受到不均衡的高剪切应力和正应力作用，导致塑件内产生残余应力，称残余流动应力。由于注射模温度不均匀，更因模内塑件

11、很快冷却固化，在温差作用下造成塑件的热应力，称为温度残余应力。高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO2.5 2.5 塑料成型过程中聚合物的化学变化塑料成型过程中聚合物的化学变化聚合物在塑料成型过程中发生的化学反应主要有降解和交联，它们与结晶和取向一样也对塑件性能和质量有重要影响。2.5.1 2.5.1 聚合物的降解聚合物的降解 1.降解的种类(1)热降解(2)氧化降解(3)水降解(4)应力降解 高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO2.避免降解的措施(1)严格控制原材料技术指标，避免因原材料不纯对降解发生催化作用。(2)成型前对物料采取必要的预热和干燥，严格控制其含

12、水量。(3)合理选择并严格控制成型工艺参数，保证聚合物在不易降解的条件下成型(4)成型设备与模具应具有良好的结构，与聚合物接触的部位不应有死角或缝隙，流道长度要适中，加热和冷却系统应有灵敏度高的显示装置，以保证良好的温度控制和冷却速率(5)对热、氧稳定性差的聚合物，可考虑在配方中加入稳定剂和抗氧剂等，以提高聚合物的抗降解能力。高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO2.5.2 2.5.2 聚合物的交联聚合物的交联聚合物由线型结构转变为体型结构的化学反应过程称为交联。经过交联后，聚合物的强度、耐热性、化学稳定性和尺寸稳定性均能比原来有所提高。检查硬化程度的方法很多，但由于硬化后的塑件

13、溶解度很小，各种化学方法都难令人满意，故目前生产中多采用物理方法。常用的方法有脱模后的硬度检测法、沸水试验法、萃取法、密度法、导电度检测法等。如有条件，也可采用超声波和红外线辐射法，其中以超声波方法为最好。高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO2.6 2.6 塑料的成型工艺性能塑料的成型工艺性能 塑料与成型工艺、成型质量有关的各种性能统称为塑料的成型工艺性能。这些性能有的直接影响成型方法和工艺参数的选择，有的只与操作有关。2.6.1 2.6.1 收缩性收缩性1.成型收缩的形式(1)线尺寸收缩(2)收缩的方向性(3)后收缩塑件脱模后，因各种残余应力的松弛将会产生时效变形，由时效变形

14、引起塑件尺寸缩小的现象称后收缩。(4)后处理收缩 高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO2.收缩率计算 高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO3.影响收缩率变化的因素1)塑料品种2)塑件结构3)模具结构4)成型工艺高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO2.6.2 2.6.2 流动性流动性塑料在一定温度和压力下充填模具型腔的能力称为流动性，它是比较塑料成型加工难易程度的一项指标。影响流动性的因素有以下几种。1.分子结构不同流动性能也不同2.模具结构的影响3.压力的影响4.温度的影响 高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO2.6.3 2.6.

15、3 结晶性结晶性在注射成型时，结晶型塑料有如下特点。(1)结晶型塑料必须要加热至熔点温度以上才能得到软化状态。(2)塑件在模内冷却时，结晶型塑料要比非结晶型塑料放出更多的热量。(3)结晶型塑料易产生缩孔和气孔。(4)结晶型塑料的结晶度与冷却速度密切相关，冷却速度快时结晶度低、收缩小。(5)结晶型塑料各向异性显著，内应力大，脱模后塑件内未结晶的分子有继续结晶的倾向，易使塑件变形和翘曲。(6)熔融温度Tm范围窄，注射机性能不良时，容易使未完全熔融的生料注入模具或堵塞浇口。高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO2.6.4 2.6.4 热敏性和水敏性热敏性和水敏性热敏性是指某些热稳定性差

16、的塑料，在料温高和受热时间长的情况下产生降解、分解、变色的特性，具有这种特性的塑料称为热敏性塑料。塑料的水敏性是指它在高温下对水降解的敏感性。典型的水敏性塑料有聚碳酸酯、聚酰胺等，对于它们必须在成型前进行干燥处理，以防止它们在高温成型过程中发生水降解。高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO2.6.5 2.6.5 应力开裂与熔体破裂应力开裂与熔体破裂有些塑料如聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚砜等对应力作用很敏感，成型后不仅容易在塑件中形成残余应力，而且还经常会在不大的外力或溶剂作用下脆化断裂，这种现象叫做应力开裂。由前可知，当切应力或剪切速率过大，表观粘度降至很低，会引起熔体破裂。为此，可以

17、选用熔体指数较大的塑料，或者适当地增大喷嘴、流道和浇口的截面积。另外，降低注射速度、提高熔体温度对于防止熔体破裂也有作用。高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO2.6.6 2.6.6 热性能热性能2.6.7 2.6.7 吸湿性和粘水性吸湿性和粘水性2.6.8 2.6.8 比容与压缩率比容与压缩率2.6.9 2.6.9 硬化速度硬化速度 高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO2.7 2.7 常用塑料的性能及应用常用塑料的性能及应用2.7.1 2.7.1 热塑性塑料热塑性塑料常用热塑性塑料的性能和用途如下。1.聚乙烯(PE)1)低密度聚乙烯(高压聚乙烯 LDPE)2)高

18、密度聚乙烯(低压聚乙烯 HDPE)3)线型低密度聚乙烯(LLDPE)4)超高分子量聚乙烯(UHMWPE)高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO2.聚氯乙烯(PVC)(1)硬聚氯乙烯(2)软聚氯乙烯4.聚丙烯(PP)5.丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)6.聚酰胺(PA)7.聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)8.聚甲醛(POM)9.聚碳酸酯(PC)高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO10.聚砜(PSU、PSF)11.聚苯醚(PPO)12.氯化聚醚13.氟塑料1)聚四氟乙烯(PTFE)2)聚三氟氯乙烯(PCTFE)3)聚全氟乙丙烯(FEP)4)14.热塑性聚酯(聚酯树脂)高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO2.7.2 2.7.2 热固性塑料热固性塑料常用热固性塑料的性能和用途如下。1.酚醛塑料(PF)2.氨基塑料3.环氧树脂(EP)高等学校应用型特色规划教材 Company LOGO思 考 题 1.什么是牛顿流体？什么是非牛顿流体？什么是假塑性流体？2.何谓失稳流动？何谓熔体破裂？如何克服？3.用什么衡量聚合物硬化程度，硬化速度受什么因素影响？4.塑料成型工艺性能主要包括哪些方面？高等学校应用型特色规划教材