塑料成型工藝學(xué)第二章2

1、2.2 52.2 5、彈性、彈性 聚合物熔體聚合物熔體: 不僅具有非牛頓性，而不僅具有非牛頓性，而且還具有固體般的彈性。且還具有固體般的彈性。聚合物分散體聚合物分散體: 也具有彈性，但表觀也具有彈性，但表觀粘度較小成型過(guò)中不很重要，表觀形式粘度較小成型過(guò)中不很重要，表觀形式近似熔體。近似熔體。2.2聚合物的流變行為聚合物的流變行為當(dāng)熔體受有應(yīng)力時(shí)，一部分能量消耗于粘性形變?cè)趹?yīng)力解除后不能恢復(fù)，一部分變形的能量則將會(huì)被熔體儲(chǔ)存，一旦外界應(yīng)力移去，就得到恢復(fù)，例如：實(shí)踐證明： 彈性形變的回復(fù)不是不是瞬間完成的，因?yàn)榫酆衔锶垠w彈性形變的實(shí)質(zhì)是大分子長(zhǎng)鏈的彎曲和延伸，應(yīng)力解除后，這種彎曲和延伸部分的回

2、復(fù)需要克服內(nèi)在的粘性阻滯。因此，在后的直徑聚合物加工過(guò)程中的彈性形變及其隨后的回復(fù)，對(duì)制品的外觀、尺寸，對(duì)產(chǎn)量和質(zhì)量都有重要影響。 聚合物熔體隨著所受應(yīng)力不同而表現(xiàn)的彈性也有剪切和拉伸等的區(qū)別。 1剪切彈性 物料所受剪切應(yīng)力，對(duì)其發(fā)生的剪切彈性變形R，（亦稱(chēng)可以回復(fù)的剪切變形）的比稱(chēng)為剪切彈性模量G G/R （213）絕大多數(shù)聚合物熔體的剪切模量在定溫下都是隨應(yīng)力的增大而上升的。在應(yīng)力低于106Pa 時(shí)剪切彈性模量約為103106Pa。當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)增大時(shí)，熔體模量有上升的趨勢(shì)，即高聚物 熔體往往出現(xiàn)應(yīng)變硬化的情況。 幾種熱塑性塑料的剪切彈性模量和剪切應(yīng)力的關(guān)系見(jiàn)圖29。 影響剪切彈性模量的因素溫

3、度、壓力和相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)聚合物熔體的剪切彈性模量的影響都很有限。影響比較顯著的是相對(duì)分子質(zhì)量分布，相對(duì)分子質(zhì)量分布寬的具有較小的模量和大而緩的彈性回復(fù)，相對(duì)分子質(zhì)量分布窄的則相反。 有關(guān)聚合物的粘性和彈性：聚合物熔體在受有應(yīng)力時(shí)，粘性和彈性?xún)煞N變形都有發(fā)生。兩種之中以哪一種占優(yōu)勢(shì)，這在成型過(guò)程中應(yīng)當(dāng)加以考慮。 作為一種粗略的估計(jì)： 粘性變形粘性變形 ：凡是變形經(jīng)歷的時(shí)間大于“松弛時(shí)間”（定義為聚合熔體受到應(yīng)力作用表觀粘度對(duì)彈性模量的比值，即aG）的體系則粘性變形將占優(yōu)勢(shì)。 機(jī)理： 聚會(huì)物熔體在受到應(yīng)力作用的過(guò)程中，一方面有分子被拉直, 既分子線團(tuán)被解纏。另一方面又有已被拉直的分子在發(fā)生卷曲和纏

4、結(jié)，它是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程動(dòng)態(tài)過(guò)程。 如果在時(shí)間上允許分子重新卷曲和纏結(jié)進(jìn)展得多一些，則最后變形中彈性變形部分勢(shì)必退居次要地位。因?yàn)檎承宰冃尾糠譀](méi)有回復(fù)的可能，而彈性變形部分則可以回復(fù)。 例1：在注射溫度為230和注射時(shí)間為2S的條件下注射聚甲基丙烯酸甲酯。如果按表21所列數(shù)據(jù)，最大剪切速率為105S1，則其相應(yīng)的剪切應(yīng)力即可從圖25中查得為0.9MPa，表觀粘度為9Pas。又從圖29中查得其相應(yīng)的剪切模量為021MPa，由此計(jì)算出松弛時(shí)間為43 10-5 s，同注射時(shí)間相比較則實(shí)微不足道，因此，在注射過(guò)程中的彈性變形是很小的。 例2：如果用相同材料在相同溫度下擠出棒材，則最大剪切速率為103s1，

5、剪切應(yīng)力為3 105Pa，相應(yīng)的松弛時(shí)間為25 103 s。如果熔融塑料通過(guò)口模的時(shí)間為20s，則最后的彈性變形部分仍然較小，但已比注射成型要大得多。 應(yīng)該注意的是，盡管彈性變形很小，但仍能使熔體產(chǎn)生流動(dòng)缺陷，從而影響制品質(zhì)量，甚至出現(xiàn)廢品。2拉伸彈性 物料所受拉伸應(yīng)力。，對(duì)其發(fā)生的拉伸彈性變形的比稱(chēng)之為拉伸彈性模量E； E/r 聚合物熔體的E在單向拉伸應(yīng)力低于1MPa時(shí)，相當(dāng)于剪切彈性模量的三倍； E3G拉伸彈性變形r 的最高限值約為2。 成型過(guò)程中，決定熔體由拉伸應(yīng)力引起的變形, 屬于粘性還是彈性占優(yōu)勢(shì)的依據(jù)仍然是松弛時(shí)間。例如，掛在口模上的乙丙共聚物吹塑型坯，其溫度為230，吹脹前經(jīng)歷的

6、時(shí)間為經(jīng)歷的時(shí)間為5S5S，垂伸的彈性變形速率約為003 S1。在這種情況下熔體的拉伸粘度約為36 104 PaS，拉伸彈性模量約為46 103 Pa，通過(guò)計(jì)算知道：松弛時(shí)間為松弛時(shí)間為8s8s。因此型坯下垂的性質(zhì)當(dāng)以彈性為主。如果不加冷卻限制，則會(huì)收縮。 注意：注意：聚合物熔體在錐形流道中流動(dòng)時(shí)是受有拉應(yīng)力的，故體系必然同時(shí)存在著拉伸變形和剪切變形，而且其效果將是迭加性質(zhì)的。 拉伸彈性變形和剪切彈性變形一樣，是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。 熔體在截面不變的通道內(nèi)流動(dòng)時(shí)不存在拉伸變形，此時(shí)出模膨脹與拉伸彈性形變無(wú)關(guān)。 仍可以用松弛時(shí)間來(lái)區(qū)別熔體中彈性是剪切彈性還是拉伸彈性。具體的方法是根據(jù)熔體在成型中所經(jīng)歷

7、的過(guò)程分別求剪切和拉伸的松弛時(shí)間，在彈性變形中占優(yōu)勢(shì)的將是松弛時(shí)間數(shù)值較大的一種。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：如果兩種應(yīng)力都不超過(guò)103 Pa，則兩種松弛時(shí)間近似相等，應(yīng)力較大時(shí)，拉伸松弛時(shí)間總是大于剪切松弛時(shí)間，其程度與聚合物的性質(zhì)有關(guān)。導(dǎo)管（流道）成型過(guò)程中，經(jīng)常需要讓塑料通過(guò)管道（包括模具中的流道），以便對(duì)它加熱、冷卻、加壓和成型。通過(guò)管道時(shí)塑料的狀態(tài)可以是流體或固體，但前者居多。解決問(wèn)題：塑料流體在流道內(nèi)流動(dòng)時(shí)的流率與壓力降的關(guān)系； 沿著流道截面上的流速分布 ；目的：設(shè)計(jì)模具和設(shè)備了解已有設(shè)備的工作性能制定工藝規(guī)程目前能夠計(jì)算的流道截面：圓形和狹縫形（即長(zhǎng)方形，但其寬與高的比值須等于或大于1

8、0）截面的流道；與有聯(lián)系的流道，如環(huán)隙形流道； 截面的形狀是圓形與狹縫形的組合形狀；矩形、橢圓形和等邊三角形截面的流道。 可以分析計(jì)算 ，僅限于牛頓液體。1在圓形流道中的流動(dòng)基本條件: 層流流動(dòng) 等溫、符合指數(shù)定律穩(wěn)態(tài)流動(dòng)剪切應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系當(dāng)塑料熔體按上述情況在等截面圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，它所受的剪切應(yīng)力和真正剪切速率之間應(yīng)存在如式所示的關(guān)系。 規(guī)定圓管的半徑為R，管長(zhǎng)為L(zhǎng)，于是在任意半徑r處所受剪切應(yīng)力即為:式中P代表圓管兩端的壓力降。從一般液體在導(dǎo)管內(nèi)流動(dòng)的情況知，在管壁處的流動(dòng)速度為零。即VrR0，不過(guò)聚合物熔體流動(dòng)時(shí)并不為零由于它產(chǎn)生的效應(yīng)不大，所以依然認(rèn)為它是零將上述兩式合并求其積

9、分，得液體在任意半徑處的流速Vr為: 式2-17上式表示:定壓下流動(dòng)液體在圓管戳面上各點(diǎn)的流動(dòng)速度;壓力降與流動(dòng)速度的關(guān)系。 圖211是以VrVa(Va為平均流動(dòng)速度)對(duì)r/R所作的圖圖中四條曲線分別表示四種不同m值的流速分布。 注意：只適合圓形流道液體在管中的容積速率q為：將此式代入（式217）并積分得：如果m1，牛頓流體。則：424LpRkq442pRLqk式2-18式2-19由毛細(xì)管流變儀所測(cè)的聚合物流體的流動(dòng)曲線圖， 是用層流最大剪切力為PR2L(也就是在管壁處的應(yīng)力)和同這一剪切應(yīng)力相應(yīng)牛頓剪切速率4qR所作的圖。用方程對(duì)應(yīng)。與上式比較：所謂牛頓剪切速率就是將非牛頓液體看成牛頓液體時(shí)

10、的剪切速率，有時(shí)也稱(chēng)為“表現(xiàn)剪切速率這樣，如果想用這種圖來(lái)解決式(218)和(219)中的常數(shù)k就不是直接的，必須經(jīng)過(guò)換算。 “表觀流動(dòng)常數(shù)表觀流動(dòng)常數(shù)k k的意義管壁處的真正剪切速率：式220式221重排（式219）得：3)3(2mmRmqLpk式222式2-19則33) 3() 3(2RmqRRmqmLpRkdrdvmmRr223將2-20重排：423kRqLpRm2-24代入上式：3334RmqkRqk得：43kmk式（224） 式220例題：某擠壓機(jī)用為擠壓聚乙烯棒狀物的口模(事實(shí)上就是圓形導(dǎo)管)的內(nèi)徑為2厘米，長(zhǎng)為8厘米，擠壓溫度為235聚乙烯在235的流動(dòng)曲線見(jiàn)圖212如果不計(jì)端末

11、效應(yīng)所引起的壓力降，則當(dāng)擠壓速率為50厘米秒時(shí)聚乙烯熔體進(jìn)入口模時(shí)的壓力應(yīng)為多少M(fèi)Pa? 解：求出描述235聚乙烯熔體的指數(shù)函數(shù)中的m與k的值由于擠壓時(shí)塑料形體所受剪切速率約為102103秒1，故在圖212的這一區(qū)域內(nèi)引出直線(即圖中的虛線)在直線上取兩點(diǎn)的坐標(biāo)如下： 算得:m2.76如果大氣壓力為l公斤/厘米2，則聚乙烯熔體進(jìn)入口模時(shí)的壓力P應(yīng)為：2在狹縫形導(dǎo)管內(nèi)的流動(dòng) 當(dāng)塑料流體按前面(1)節(jié)中所述條件在狹縫形導(dǎo)管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，如果其中狹縫寬度w(見(jiàn)圖213)大于狹縫厚度h十二倍，則狹縫形導(dǎo)管兩端側(cè)壁對(duì)流速的減緩作用即可略而不計(jì)又從分析知，流速當(dāng)以沿狹縫形截面寬向中心線上的各點(diǎn)為最大，而在上下

12、兩壁處為零這樣，按照在圓管內(nèi)流動(dòng)相同的推理，當(dāng)知流動(dòng)的液體所受的剪切應(yīng)力和真正剪切速率之間仍然保持式(25)或類(lèi)似式(215)的關(guān)系，即： 式中y代表狹縫形截面上任意點(diǎn)離中心線的垂直距離于是，離中心線為y處而與中心層平行的流層所受的剪切應(yīng)力即為： 代入式積分 ：又：故有：(2-28)同在圓管內(nèi)的流動(dòng)一樣，如需利用一般流動(dòng)曲線來(lái)解決式(227)和(228)中的常數(shù)k也須經(jīng)過(guò)換算。已知液體在狹縫形導(dǎo)管上下兩壁處所受的應(yīng)力為(ph2L)則與此對(duì)應(yīng)的牛頓剪切速串就可格式(228)中的m值定為1而求得，即(6qwh2)于是在這種情況下的宏觀流動(dòng)常數(shù)k即可按定義寫(xiě)為：2-29把式（228）重排有： 262

13、32WhqmLphkm（230） 比較二式可得： （231） 圓管中k：4)3(kmk則：這樣，由一般的流動(dòng)曲線按前述例題求出k和m，再求出k和k后，亦可處理非牛頓流體在夾縫流道中的流動(dòng)問(wèn)題。當(dāng)然也可事先對(duì)剪切速率進(jìn)行非牛頓性改正，從而得到真實(shí)的流變曲線。 塑料流體在環(huán)隙形流道流動(dòng)時(shí)如果環(huán)隙的半徑（外徑Ro和內(nèi)徑Ri）很大，而其厚度（R。和Ri的差）卻不大，則這種流動(dòng)也可以按式（227）和（228）進(jìn)行計(jì)算。因?yàn)楫?dāng)見(jiàn)和R趨向無(wú)窮大時(shí)，環(huán)隙形流道就是狹縫形流道。進(jìn)行計(jì)算時(shí)，上述兩式中hR0Ri，W（Ro+Ri）。注意最好在Ro或Ri大于20（Ro一Ri）的情況下，否則誤差較大。對(duì)于不符合該條件的

14、，可以用兩個(gè)圓形流道模型進(jìn)行疊加作出數(shù)學(xué)模型計(jì)算。2.2.7 2.2.7 流動(dòng)的缺陷流動(dòng)的缺陷塑料流體在流道中流動(dòng)時(shí)，常因種種原因塑料流體在流道中流動(dòng)時(shí)，常因種種原因使流動(dòng)出現(xiàn)不正?，F(xiàn)象或缺陷。這種缺陷如果使流動(dòng)出現(xiàn)不正?，F(xiàn)象或缺陷。這種缺陷如果發(fā)生在成型中，則常會(huì)使制品的外觀質(zhì)量受到發(fā)生在成型中，則常會(huì)使制品的外觀質(zhì)量受到損傷。損傷。例如表面出現(xiàn)悶光、麻面、波紋以至裂例如表面出現(xiàn)悶光、麻面、波紋以至裂紋等，有時(shí)制品的強(qiáng)度或其它性能也會(huì)劣變。紋等，有時(shí)制品的強(qiáng)度或其它性能也會(huì)劣變。原因原因：l工藝條件、制品設(shè)計(jì)工藝條件、制品設(shè)計(jì); ;l設(shè)備設(shè)計(jì)，通常是成型模具設(shè)備設(shè)計(jì)，通常是成型模具; ;l原

15、料選擇不當(dāng)原料選擇不當(dāng); ;l其他等其他等 ; ;重要的幾種缺陷：1管壁上的滑移 分析聚合物流體在流道內(nèi)的流動(dòng)時(shí)的前提：貼近管壁一層的流動(dòng)是不流動(dòng)的（如水和甘油等低分子物在管內(nèi)的流動(dòng)，就是這種情況）。但是許多實(shí)驗(yàn)證明，塑料熔體在高剪切應(yīng)力下的流動(dòng)并非如此，貼近管壁處的一層流體會(huì)發(fā)生間斷的流動(dòng)?；蚍Q(chēng)滑移。這樣管內(nèi)的整個(gè)流動(dòng)就成為不穩(wěn)定流動(dòng)，即在熔體流程特定點(diǎn)上的質(zhì)點(diǎn)加速度不等于零。 0/tv特定點(diǎn)上質(zhì)點(diǎn)加速度不等于零結(jié)果：影響流率的穩(wěn)定 影響計(jì)算結(jié)果 擠出物出模膨脹不均 幾何形狀相同或相似的儀器測(cè)定的同一種 樣品的流變數(shù)據(jù)不盡相同 實(shí)驗(yàn)證明，滑移的程度不僅與聚合物品種有關(guān)，而且還與采用的潤(rùn)滑劑和

16、管壁的性質(zhì)有關(guān)。 穩(wěn)定穩(wěn)定流動(dòng)與不穩(wěn)定流動(dòng)的速度分布流動(dòng)與不穩(wěn)定流動(dòng)的速度分布(a)-穩(wěn)定流動(dòng)穩(wěn)定流動(dòng)(b) (c)-不穩(wěn)定流動(dòng)不穩(wěn)定流動(dòng)有彎曲狀擠出物有彎曲狀擠出物2 2端末效應(yīng)端末效應(yīng)不管是那種截面流道的流動(dòng)方程，都只能用于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的流體，但總有不穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。 對(duì)聚合物熔體而言，根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定大約等于0.030.05ReD，Re為雷諾準(zhǔn)數(shù)，D為管徑。 這一段管長(zhǎng)內(nèi)的壓力降總比計(jì)算算出的大，其原因在于：因?yàn)橛胁环€(wěn)態(tài)流動(dòng) 大小變化時(shí)，速度變化在一般情況下， L改為（L3D）來(lái)計(jì)算壓力降 塑料熔體從流道流出時(shí)，料流有先收縮后膨脹的現(xiàn)象。牛頓流體則只有收縮而無(wú)膨脹。收縮的原因除了物料冷卻外，還由于熔體

17、在流道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，料流經(jīng)向上各點(diǎn)的速度不相等，當(dāng)流出流道后須自行調(diào)整為相等的速度。這樣，料流的直徑就會(huì)發(fā)生收縮，理論上收縮的程度可用下式表示：式中Dc是料流在出口處的直徑，D為流道直徑，m為常數(shù)， 如果是假塑性流體，則收縮恒小于此值。擠出物的膨脹是由于彈性回復(fù)造成的。如果是單純的彈性回復(fù)而且熔體組分均勻，度恒定和符合流動(dòng)規(guī)律，則這種膨脹可以通過(guò)復(fù)雜計(jì)算求得。但是實(shí)際過(guò)程中這種情況極少。圓形流道中的聚合物熔體，其相對(duì)膨脹率約在30-100之間。 聚合物聚合物液體液體在管子入口在管子入口和出口區(qū)域和出口區(qū)域的流動(dòng)的流動(dòng)3 3彈性對(duì)層流的干擾彈性對(duì)層流的干擾 塑料熔體在成型過(guò)程中的雷諾準(zhǔn)數(shù)通常均小于1

18、0，故不應(yīng)出現(xiàn)湍流?？赡娴膹椥孕巫兪窃谥饾u回復(fù)的。如果回復(fù)太大或過(guò)快，則流動(dòng)單元的運(yùn)動(dòng)就不會(huì)限制在一個(gè)流動(dòng)層，勢(shì)必引起湍流。彈性湍流的發(fā)生也有一定規(guī)律，對(duì)塑料熔體的剪切流動(dòng)來(lái)說(shuō)，只有當(dāng)R的值超過(guò)4.55時(shí)才會(huì)發(fā)生。 4 4“鯊魚(yú)皮癥鯊魚(yú)皮癥 ” ”“鯊魚(yú)皮癥”是發(fā)生在擠出物表面上的一種缺陷。這種缺陷可自擠出物表面發(fā)生悶光起，變至表面呈現(xiàn)與流動(dòng)方向垂直的許多具有規(guī)則和相當(dāng)間距的細(xì)微棱脊為止。 起因 ：認(rèn)為是擠出口模對(duì)擠出物表面所產(chǎn)生的周期性張力也有認(rèn)為是目模對(duì)熔體發(fā)生時(shí)粘滑的作用所帶來(lái)的結(jié)果 研究結(jié)果標(biāo)明：這種癥狀不依賴(lài)于口模的進(jìn)口角或直徑，而只能在擠出物的線速度達(dá)到臨界值時(shí)才出現(xiàn)；這種癥狀在聚

19、合物相對(duì)分子質(zhì)量低、。對(duì)分子質(zhì)量分布寬，擠出溫度高和擠出速率低時(shí)不容易出現(xiàn)；提高口模末端的溫度。利于減少這種癥狀，但與口模的光滑程度和模具的材料關(guān)系不大。 5、熔體破碎定義：熔體破碎是擠出物表面出現(xiàn)凹凸不平或外形發(fā)生畸變或斷裂的總稱(chēng)。 解釋?zhuān)喝垠w在導(dǎo)管（流道）內(nèi)流動(dòng)時(shí)，各點(diǎn)所受應(yīng)力作用的經(jīng)歷不盡相同，因此在離開(kāi)導(dǎo)管后所出現(xiàn)的彈性恢復(fù)就不可能一致，如果彈性恢復(fù)的力不為熔體強(qiáng)度所容忍，則擠出物就會(huì)出現(xiàn)表面毛糙、螺旋型的大規(guī)則性、細(xì)微而密集的裂痕，一致成塊地?cái)嗔?。目前?shí)驗(yàn)研究表明：熔體破碎只能在管壁處剪切應(yīng)力或剪切速率達(dá)到臨界值后才會(huì)發(fā)生；臨界值隨著口模的長(zhǎng)徑比和擠出溫度的提高而上升；對(duì)大多數(shù)塑料來(lái)

20、說(shuō)，臨界剪切應(yīng)力約為105106Pa。塑料品種和牌號(hào)不同，此臨界值有所不同臨界剪切應(yīng)力隨著聚合物相對(duì)分子質(zhì)量的降低和相對(duì)分子質(zhì)量分布幅度的增大而上升；熔體破碎與目模光滑程度的關(guān)系不大，但與模具材料的關(guān)系較大；如果使口模的進(jìn)口區(qū)流線型化，?？梢允古R界剪切速度增大十倍或更多； 某些聚合物，尤其是高密度聚乙烯，顯示有超流動(dòng)區(qū)，即在剪切速率高出尋常臨界值時(shí)擠出物并不出現(xiàn)熔體破碎的現(xiàn)象。因此，這些聚合物采用高速加工是可行的。 熱擴(kuò)散系數(shù)a式中k為導(dǎo)熱系數(shù)，Cp為定壓熱容，為密度 聚合物在成型加工中為使流動(dòng)和成型，加熱和冷卻是必須的。任何物料加熱與冷卻的難易是由溫度或熱量在物料中的傳遞速度決定的，而傳遞速度又決定于物料的固有性能一熱擴(kuò)散系數(shù)a 某些材料的熱性能見(jiàn)表24。 1、熱性能特點(diǎn)：基本穩(wěn)定 表中所列的熱擴(kuò)散系數(shù)為常溫狀態(tài)下，上式中幾個(gè)因素都隨溫度而變化。但是從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，在較大溫度范圍內(nèi)各種聚合物熱擴(kuò)散系數(shù)的變化幅度并不很大，通常不到兩倍。雖然各種聚合物由玻璃態(tài)至熔融態(tài)的熱擴(kuò)散系數(shù)是逐漸下降的，但是在熔融狀態(tài)下的較大溫度范圍內(nèi)卻幾乎保持不變。與金屬差別較大 各種聚合物的熱擴(kuò)散系數(shù)相差并不很大，但與銅和鋼相比，則差得很多，幾乎要小12個(gè)數(shù)量級(jí)。 傳導(dǎo)為主 粘流態(tài)聚合物由于粘度很高、對(duì)流傳熱速