第二章理论基础PPT讲稿.ppt
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1、第二章理论基础第1页,共134页,编辑于2022年,星期二2.1 2.1 概述概述塑料成型是将塑料塑料成型是将塑料(聚合物及所需助剂聚合物及所需助剂)转变为实用转变为实用材料或塑料制品的一门工程技术。材料或塑料制品的一门工程技术。本章内容:聚合物在成型加工过程中表现本章内容:聚合物在成型加工过程中表现的一些共同的基本物理和化学行为。的一些共同的基本物理和化学行为。包括:流变、传热、结晶、定向、化学反应等。包括:流变、传热、结晶、定向、化学反应等。第2页,共134页,编辑于2022年,星期二1.聚合物的可挤压性聚合物的可挤压性一、聚合物的加工性质一、聚合物的加工性质可挤压性是指聚合物通过挤压作用
2、形变时获得一定形状并可挤压性是指聚合物通过挤压作用形变时获得一定形状并保持这种形状的能力。保持这种形状的能力。在塑料成型过程中,常见的挤压作用有物料在挤出机和注射机料在塑料成型过程中,常见的挤压作用有物料在挤出机和注射机料筒中、压延机辊筒间以及在模具中所受到的挤压作用。筒中、压延机辊筒间以及在模具中所受到的挤压作用。衡量聚合物可挤压性的物理量是熔体的衡量聚合物可挤压性的物理量是熔体的粘度粘度(剪切粘度和拉伸剪切粘度和拉伸粘度粘度)。聚合物的可挤压性小仅与其聚合物的可挤压性小仅与其分子结构分子结构、相对分子质量相对分子质量和和组成组成有关,有关,而且与而且与温度温度、压力压力等成型条件有关。等成
3、型条件有关。第3页,共134页,编辑于2022年,星期二评价聚合物挤压性的方法,是测定聚合物的流动度评价聚合物挤压性的方法,是测定聚合物的流动度(粘度的倒数粘度的倒数),通常简便实用的方法是测定聚合物的熔体流动速率;通常简便实用的方法是测定聚合物的熔体流动速率;在给定温度和给定剪切应力在给定温度和给定剪切应力(定负荷定负荷)下,下,10min10min内聚合物经出料孔挤出的内聚合物经出料孔挤出的克数,以克数,以MFRMFR表示。表示。第4页,共134页,编辑于2022年,星期二第5页,共134页,编辑于2022年,星期二2.聚合物的可模塑性聚合物的可模塑性聚合物在温度和压力作用下发生形变并在模
4、具型腔中模制成聚合物在温度和压力作用下发生形变并在模具型腔中模制成型的能力,称为可模塑性。型的能力,称为可模塑性。注射、挤出、模压等成型方法对聚合物的可模塑性要求注射、挤出、模压等成型方法对聚合物的可模塑性要求是:能充满模具型腔获得制品所需尺寸精度,有一定的是:能充满模具型腔获得制品所需尺寸精度,有一定的密实度,满足制品合格的使用性能等。密实度,满足制品合格的使用性能等。可模塑性主要取决于聚合物本身的属性可模塑性主要取决于聚合物本身的属性(如流变性、热性能、如流变性、热性能、物理力学性能以及热固性塑料的化学反应性能等物理力学性能以及热固性塑料的化学反应性能等),工艺因,工艺因素素(温度、压力、
5、成型周期等温度、压力、成型周期等)以及模具的结构尺寸。以及模具的结构尺寸。第6页,共134页,编辑于2022年,星期二聚合物的可模塑性通常用下图所示的聚合物的可模塑性通常用下图所示的螺旋流动试验螺旋流动试验来判断。来判断。聚合物熔体在注射压力作用下,由阿基米德螺旋形槽的模聚合物熔体在注射压力作用下,由阿基米德螺旋形槽的模具的中部进入,经流动而逐渐冷却硬化为螺旋线以螺旋具的中部进入,经流动而逐渐冷却硬化为螺旋线以螺旋线的长度来判断聚合物流动件的优劣。线的长度来判断聚合物流动件的优劣。第7页,共134页,编辑于2022年,星期二聚合物的可模塑性聚合物的可模塑性(即即L L的长度的长度)与加工条件与
6、加工条件P/tP/t有关,也有关,也与聚合物的流变性、热性能与聚合物的流变性、热性能HH有关,还与螺槽的截有关,还与螺槽的截面尺寸、形状面尺寸、形状(cd(cd2 2)有关,螺旋线愈长聚合物的流动性愈好。有关,螺旋线愈长聚合物的流动性愈好。螺旋流动实验的螺旋流动实验的意义在于意义在于帮助人们了解聚合物的流变性质,帮助人们了解聚合物的流变性质,确定压力、温度、模塑周期等最佳工艺条件,反映聚合物相确定压力、温度、模塑周期等最佳工艺条件,反映聚合物相对分子质量和配方中各助剂的成分和用量以及模具结构,尺对分子质量和配方中各助剂的成分和用量以及模具结构,尺寸对聚合物可模塑性的影响。寸对聚合物可模塑性的影
7、响。为求得较好的可模塑性,要注意各影响因素之间的相互匹配为求得较好的可模塑性,要注意各影响因素之间的相互匹配和相互制约的关系;在提高可模塑性的同时,要兼顾到诸因和相互制约的关系;在提高可模塑性的同时,要兼顾到诸因素对制品使用性能的影响。素对制品使用性能的影响。第8页,共134页,编辑于2022年,星期二压力过高会引起溢料,压力过高会引起溢料,压力过低则充模不足成型困难;压力过低则充模不足成型困难;温度过高会使制品收缩率增大,甚温度过高会使制品收缩率增大,甚至引起聚合物的分解,至引起聚合物的分解,温度过低则物料流动困难,交联反温度过低则物料流动困难,交联反应不足,制品性能变劣。应不足,制品性能变
8、劣。四条曲线所构成的面积,才是模塑的最佳区域。四条曲线所构成的面积,才是模塑的最佳区域。第9页,共134页,编辑于2022年,星期二3.聚合物的可纺性聚合物的可纺性常规的纺丝方法有三种,即熔体纺丝、湿法纺丝和干法常规的纺丝方法有三种,即熔体纺丝、湿法纺丝和干法纺丝。纺丝。聚合物的可纺性是指材料经成型加工为连续的固态纤维的能力。聚合物的可纺性是指材料经成型加工为连续的固态纤维的能力。可纺性主要取决于聚合物材料的流变性,熔体粘度、拉伸可纺性主要取决于聚合物材料的流变性,熔体粘度、拉伸比、喷丝孔尺寸和形状、比、喷丝孔尺寸和形状、挤出丝条与冷却介质之间传质和传热速率、熔体的热化学挤出丝条与冷却介质之间
9、传质和传热速率、熔体的热化学稳定性等。稳定性等。第10页,共134页,编辑于2022年,星期二当熔体以速度当熔体以速度从喷丝板毛细孔流出后,形成稳定细流。从喷丝板毛细孔流出后,形成稳定细流。细流的稳定性可用下式表示:细流的稳定性可用下式表示:可以看出,聚合物具有可纺性,在于其熔体粘度较高可以看出,聚合物具有可纺性,在于其熔体粘度较高(约约104Pas)、表面张力较小表面张力较小(约为约为0.025Nm)所致。纺丝过程中,由于拉伸所致。纺丝过程中,由于拉伸定向以及随着冷却作用而使熔体粘度增大,都有利于拉丝熔体定向以及随着冷却作用而使熔体粘度增大,都有利于拉丝熔体强度的提高,从面提高熔体绍流的稳定
10、性。强度的提高,从面提高熔体绍流的稳定性。在纤维工业中,还常用在纤维工业中,还常用拉伸比的最大值拉伸比的最大值表示材料的可纺性。表示材料的可纺性。第11页,共134页,编辑于2022年,星期二4.聚合物的可延性聚合物的可延性非晶或半结晶聚合物在受到压延成拉伸时变形的能力称为可非晶或半结晶聚合物在受到压延成拉伸时变形的能力称为可延性,利用聚合物的可延性,通过压延和拉伸工艺可生产片延性,利用聚合物的可延性,通过压延和拉伸工艺可生产片材、薄膜和纤维。材、薄膜和纤维。聚合物的可延性取决于材料产生塑性变形的能力和应变硬聚合物的可延性取决于材料产生塑性变形的能力和应变硬化作用。化作用。形变能力与固态聚合物
11、的长链结构和柔性形变能力与固态聚合物的长链结构和柔性(内因内因)及其所处的环境温及其所处的环境温度度(外因外因)有关:而应变硬化作用则与聚合物的取向程度有关。有关:而应变硬化作用则与聚合物的取向程度有关。第12页,共134页,编辑于2022年,星期二等速拉仲条件下测得的非晶态聚合等速拉仲条件下测得的非晶态聚合物拉伸断裂状态图物拉伸断裂状态图第13页,共134页,编辑于2022年,星期二2.2 2.2 聚合物的流变行为聚合物的流变行为2.2.1 2.2.1 概述概述2.2.2 2.2.2 剪切粘度和非牛顿流动剪切粘度和非牛顿流动2.2.3 2.2.3 拉伸粘度拉伸粘度2.2.4 2.2.4 温度
12、和压力对粘度的影响温度和压力对粘度的影响2.2.5 2.2.5 弹性弹性2.2.6 2.2.6 流体在简单截面管道中的流动流体在简单截面管道中的流动2.2.7 2.2.7 流动的缺陷流动的缺陷第14页,共134页,编辑于2022年,星期二2.2.12.2.1 概述概述聚合物在成型加工过程中的形变是由于外力作用的结果,材料受力聚合物在成型加工过程中的形变是由于外力作用的结果,材料受力后内部产生与外力相平衡的应力。后内部产生与外力相平衡的应力。随受力方式的不同应力通常有三种类型:随受力方式的不同应力通常有三种类型:材料受力后产生的形变和尺寸改变(即几何形状的改变)称材料受力后产生的形变和尺寸改变(
13、即几何形状的改变)称为应变为应变。第15页,共134页,编辑于2022年,星期二在上述三种应力作用下的应变相应为简单的剪切、简单的拉伸和流在上述三种应力作用下的应变相应为简单的剪切、简单的拉伸和流体静压力的均匀压缩。体静压力的均匀压缩。聚合物加工时受到剪切力作用产生的流动称为剪切流动。如:聚合聚合物加工时受到剪切力作用产生的流动称为剪切流动。如:聚合物在挤出机、口模、注射机、喷嘴、流道等中的流动。物在挤出机、口模、注射机、喷嘴、流道等中的流动。聚合物在加工过程中受到拉应力作用引起的流动称为拉伸流动。如:聚合物在加工过程中受到拉应力作用引起的流动称为拉伸流动。如:拉幅生产薄膜、吹塑薄膜等。拉幅生
14、产薄膜、吹塑薄膜等。加工中流体静压力对流体流动性质的影响相对来说不及前两加工中流体静压力对流体流动性质的影响相对来说不及前两者显著,但它对粘度有影响。者显著,但它对粘度有影响。在实际加工过程中材料受力非常复杂,往往是三种简单应力的组在实际加工过程中材料受力非常复杂,往往是三种简单应力的组合。实际应变也是多种应变的迭加。合。实际应变也是多种应变的迭加。第16页,共134页,编辑于2022年,星期二加工过程中聚合物的流变性质主要表现为加工过程中聚合物的流变性质主要表现为粘度的变化,粘度的变化,所所以聚合物流体的粘度及其变化是聚合物加工过程最为重要以聚合物流体的粘度及其变化是聚合物加工过程最为重要的
15、参数。的参数。根据流动过程聚合物粘度与应力或应变速率的关系,根据流动过程聚合物粘度与应力或应变速率的关系,可以将聚合物的流动行为分为两大类:可以将聚合物的流动行为分为两大类:()牛顿流体牛顿流体,其流动行为称为牛顿型流动;,其流动行为称为牛顿型流动;()非牛顿流体非牛顿流体,其流动行为称为非牛顿型流动。,其流动行为称为非牛顿型流动。第17页,共134页,编辑于2022年,星期二2.2.2 2.2.2 剪切粘度和非牛顿流动剪切粘度和非牛顿流动一、基本流动类型一、基本流动类型聚合物流体由于在成型条件下的流速、外部作用力形式、流道几何形状聚合物流体由于在成型条件下的流速、外部作用力形式、流道几何形状
16、和热量传递等情况的不同,可表现出不同的流动类型和热量传递等情况的不同,可表现出不同的流动类型。(1)层流流体流动的特点:)层流流体流动的特点:液体主体的流动是按照许多彼此液体主体的流动是按照许多彼此平行的流层平行的流层进行的;进行的;同一流层之间的各点同一流层之间的各点速度彼此相同速度彼此相同;各层之间的速度不一定相等,各层之间各层之间的速度不一定相等,各层之间无可见的扰动无可见的扰动。聚合物流体的粘度大,流速低,聚合物流体的粘度大,流速低,Re4000聚合物流体和聚合物分散体的流动聚合物流体和聚合物分散体的流动Re2300,因此为层流。,因此为层流。聚合物流体在成型加工过程中,表现的流动行为
17、不遵从牛顿流动定聚合物流体在成型加工过程中,表现的流动行为不遵从牛顿流动定律,称为非牛顿型流体,其流动时剪切应力和剪切速率的比值称为表观律,称为非牛顿型流体,其流动时剪切应力和剪切速率的比值称为表观粘度粘度a。第21页,共134页,编辑于2022年,星期二2、稳态流动和非稳态流动、稳态流动和非稳态流动稳态流动,是指流体的流动状况不随时间而变化的流动,其主要稳态流动,是指流体的流动状况不随时间而变化的流动,其主要特征是引起流动的力与流体的粘性阻力相平衡,即流体的温度、特征是引起流动的力与流体的粘性阻力相平衡,即流体的温度、压力、流动速度、速度分布和剪切应变等都不随时间而变化。压力、流动速度、速度
18、分布和剪切应变等都不随时间而变化。反之,流体的流动状况随时间面变化者就称为非稳态流动。反之,流体的流动状况随时间面变化者就称为非稳态流动。聚合物熔体是一粘弹性流体,在弹性形变达到平衡之前,总形变速聚合物熔体是一粘弹性流体,在弹性形变达到平衡之前,总形变速率由大到小变化,呈非稳态流动;而在弹性变形达到平衡后,就只率由大到小变化,呈非稳态流动;而在弹性变形达到平衡后,就只有粘性形变随时间延长而均衡地发展,流动即进入稳定状态。有粘性形变随时间延长而均衡地发展,流动即进入稳定状态。对聚合物流体流变性的研究,一般都假定是在稳态条件下对聚合物流体流变性的研究,一般都假定是在稳态条件下进行的。进行的。第22
19、页,共134页,编辑于2022年,星期二3、等温流动和非等温流动、等温流动和非等温流动等温流动,是指在流体各处的温度保持不变情况下的流动。在等温等温流动,是指在流体各处的温度保持不变情况下的流动。在等温流动的情况下,流体与外界可以进行热量传递,但传入和传出的热流动的情况下,流体与外界可以进行热量传递,但传入和传出的热量应保持相等。量应保持相等。在塑料成型的实际条件下,聚合物流体的流动一般均呈现非等温状态。在塑料成型的实际条件下,聚合物流体的流动一般均呈现非等温状态。4、拉伸流动和剪切流动、拉伸流动和剪切流动质点速度仅沿流动方向发生变化,如图质点速度仅沿流动方向发生变化,如图22(a)所示,称为
20、拉伸流动,质点速)所示,称为拉伸流动,质点速度仅沿与流动方向垂直的方向发生变化,度仅沿与流动方向垂直的方向发生变化,如图如图22(b)所示,称为剪切流动。所示,称为剪切流动。第23页,共134页,编辑于2022年,星期二5、一维流动、二维流动和三维流动、一维流动、二维流动和三维流动在在一维流动一维流动中,流体内质点的速度仅在一个方向上变化,即中,流体内质点的速度仅在一个方向上变化,即在流通截面上任何一点的速度只需用一个垂直于流动方向的坐在流通截面上任何一点的速度只需用一个垂直于流动方向的坐标表示。标表示。例如,聚合物流体在等截面圆管内作层状流动时其速度分布例如,聚合物流体在等截面圆管内作层状流
21、动时其速度分布仅是圆管半径的函数,是一种典型的一维流动。仅是圆管半径的函数,是一种典型的一维流动。在二维流动中流道截面上各点的速度需要用两个垂直于流动方向在二维流动中流道截面上各点的速度需要用两个垂直于流动方向的坐标表示。流体在矩形截面通道中流动时,其流速在通道的高度的坐标表示。流体在矩形截面通道中流动时,其流速在通道的高度和宽度两个方向上均发生变化,是典型的和宽度两个方向上均发生变化,是典型的二维流动二维流动。流体在锥形或其它截面呈逐渐缩小形状通道中的流动,其质点流体在锥形或其它截面呈逐渐缩小形状通道中的流动,其质点的速度不仅沿通道截面纵横两个方向变化,而且也沿主流动方的速度不仅沿通道截面纵
22、横两个方向变化,而且也沿主流动方向变化,即流体的流速要用三个相互垂直的坐标表示,因而称向变化,即流体的流速要用三个相互垂直的坐标表示,因而称为为三维流动三维流动。第24页,共134页,编辑于2022年,星期二二、非牛顿型流体二、非牛顿型流体1、粘性系统、粘性系统不同类型流体粘性流动时不同类型流体粘性流动时的的随随变化的关系曲线,变化的关系曲线,称为流动曲线或流变曲线。称为流动曲线或流变曲线。粘性系统在受到外力作用粘性系统在受到外力作用而发生流动时的特性是:而发生流动时的特性是:其剪切速率只依赖于所施加其剪切速率只依赖于所施加剪切应力的大小。剪切应力的大小。第25页,共134页,编辑于2022年
23、,星期二(1)宾哈流体)宾哈流体与牛顿流体相比,剪切应力与剪切速率之间也呈线性关系。但此直线与牛顿流体相比,剪切应力与剪切速率之间也呈线性关系。但此直线的起始点存在屈服应力的起始点存在屈服应力,只有当剪切应力高于,只有当剪切应力高于时,宾哈流体才开始流动。时,宾哈流体才开始流动。流动方程:流动方程:为宾哈粘度,为宾哈粘度,也称刚度系数。也称刚度系数。当当y时,呈现流动行为。时,呈现流动行为。如:牙膏、油漆、润滑脂、泥浆、下水污泥、聚合物浓溶液、凝胶性糊塑料等。如:牙膏、油漆、润滑脂、泥浆、下水污泥、聚合物浓溶液、凝胶性糊塑料等。宾哈流体因流动而产生的形变完全不能恢复而作为永久变形保存下来,即宾
24、哈流体因流动而产生的形变完全不能恢复而作为永久变形保存下来,即这种流动变形具有典型塑性形变的特征,故又常将宾哈流体称为塑性流体。这种流动变形具有典型塑性形变的特征,故又常将宾哈流体称为塑性流体。第26页,共134页,编辑于2022年,星期二(2)假塑性流体)假塑性流体非牛顿流体中最为普通的一种。非牛顿流体中最为普通的一种。流动曲线:流动曲线:流动曲线不是直线,而是一条斜率先迅速变大而后又流动曲线不是直线,而是一条斜率先迅速变大而后又逐渐变小的曲线,而且不存在屈服应力。逐渐变小的曲线,而且不存在屈服应力。流体的表观粘度随剪切应力的增加而降低。即:流体的表观粘度随剪切应力的增加而降低。即:剪切变稀
25、。剪切变稀。如:橡胶、绝大多数聚合物、塑料的熔体和溶液。如:橡胶、绝大多数聚合物、塑料的熔体和溶液。(3)膨胀性流体)膨胀性流体流动曲线:流动曲线:非直线的非直线的 ,斜率先逐渐变小而后又逐渐变大的曲线,斜率先逐渐变小而后又逐渐变大的曲线,也不存在屈服应力。也不存在屈服应力。表观粘度会随剪切应力的增加而上升。即:表观粘度会随剪切应力的增加而上升。即:剪切变稠。剪切变稠。如:固体含量高的悬浮液、较高剪切速率下的如:固体含量高的悬浮液、较高剪切速率下的PVCPVC糊塑料。糊塑料。第27页,共134页,编辑于2022年,星期二(4)幂律函数方程)幂律函数方程描述假塑性和膨胀性的非牛顿流体的流变行为,
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