第02章塑料成型理論基礎(chǔ) V02

1、第二章，塑料成型的理論基礎(chǔ)，2020年8月4日星期二，塑料成型模具設(shè)計(jì)，講師：袁，第二章，塑料成型的理論基礎(chǔ)，第四章，塑料成型過程中聚合物的化學(xué)反應(yīng)，第三章，塑料成型過程中聚合物的物理變化，第一章，聚合物的流變性能，第二章，聚合物熔體在模具中的流動(dòng)行為。層流(粘性流或流線流)特征：流體的顆粒沿平行于流道軸線的方向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，與側(cè)壁等距的液體層以相同的速度向前運(yùn)動(dòng)，沒有任何宏觀的層間點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，所有顆粒的流線相互平行。湍流(紊流)特性：除了向前運(yùn)動(dòng)外，流體中的顆粒也在主流的橫向上不規(guī)則地、任意地運(yùn)動(dòng)，顆粒的流線處于無序狀態(tài)。1.牛頓流動(dòng)定律，第一節(jié)聚合物的流變特性，流體流動(dòng)狀態(tài)從層流變?yōu)橥牧鞯臈l件：R

2、e=Dv/Rec，其中Re雷諾數(shù)是無量綱數(shù)群；d管道直徑。流體密度；流體速度；流體的剪切粘度；對(duì)于光滑的金屬圓管，與流道橫截面形狀和流道壁表面粗糙度相關(guān)的Rec臨界雷諾數(shù)等于2 0002 300。上述公式討論了Re與V成正比，與V成反比。V越小越大，湍流越小。牛頓流體：剪切應(yīng)力和剪切速率之間存在線性關(guān)系。非牛頓流體：剪切應(yīng)力和剪切速率之間存在非線性關(guān)系。流體的層流剪應(yīng)力分析：單位面積上的剪切力稱為剪應(yīng)力，用帕表示。速度梯度分析：設(shè)兩個(gè)液體層之間的徑向距離dr，移動(dòng)速度分別為v和(v 10dv ),液體層之間每單位距離的速度差dvdr(速度梯度)。液體層的移動(dòng)速度v=dxdt，速度梯度為，剪切應(yīng)

3、變分析：dxdr的兩個(gè)相鄰液體層之間的相對(duì)移動(dòng)距離，即流體在剪應(yīng)力作用下產(chǎn)生的剪切應(yīng)變，寫成=dxdr。上述公式可改寫為：其中單位時(shí)間內(nèi)流體產(chǎn)生的剪切應(yīng)變(剪切速率)為s1。(2-1)，牛頓流體的流變方程：其中，比例常數(shù)，牛頓粘度或絕對(duì)粘度(簡稱粘度)，帕。粘度越大，剪切變形和流動(dòng)越不容易，剪切應(yīng)力越大。(2-2)，(2-2)，(2)，指數(shù)流動(dòng)定律和表觀粘度。在注塑成型中，大多數(shù)聚合物熔體是非牛頓流體，近似服從指數(shù)流動(dòng)規(guī)律，即k，稠度，公式中與聚合物和溫度有關(guān)的常數(shù)反映了聚合物熔體的粘度。n，非牛頓指數(shù)，一個(gè)與聚合物和溫度相關(guān)的常數(shù)，反映了聚合物熔體偏離牛頓性質(zhì)的程度。(2-3)，比較牛頓流動(dòng)

4、定律，上述公式可改寫為，流動(dòng)方程：(2-4)，流變方程：(2-5)，其中，A，聚合物熔體的表觀粘度(或非牛頓粘度)，代表非牛頓流體(服從指數(shù)流動(dòng)定律)抵抗外力剪切變形的能力。表觀粘度不僅與流體本身的性質(zhì)和溫度有關(guān)，還受剪切速率的影響，即外力和時(shí)間也會(huì)改變流體的粘度。在指數(shù)流動(dòng)定律中，氮和鉀都可以通過實(shí)驗(yàn)來確定。討論：當(dāng)n=1，a=K=時(shí)，即非牛流體轉(zhuǎn)化為牛頓流體。在n1處，1n的絕對(duì)值越大，流體的非牛頓性越強(qiáng)，剪切速率對(duì)表觀粘度的影響越大。當(dāng)其他條件固定時(shí)，k值越大，流體的粘度越大，剪切變形和流動(dòng)的難度越大，需要更大的剪切應(yīng)力。有三種類型：n1稱為可膨脹液體；N=1，但只有當(dāng)剪切應(yīng)力達(dá)到或超過

5、一定值時(shí)，它才能流動(dòng)，稱為賓哈液。粘性液體(遵循指數(shù)流動(dòng)定律的非牛頓流體)有哪些類型？在注射成型中，除了熱固性聚合物和一些熱塑性聚合物，大多數(shù)聚合物熔體具有類似于假塑性液體的流變性能。溶脹液和賓哈液主要是高固含量的聚合物懸浮液和凝膠結(jié)構(gòu)的聚合物溶液。假塑性液體的流變特性及相關(guān)問題1。假塑性液體的流變性質(zhì)，假塑性液體的非牛頓指數(shù)n1通常約為025067，但當(dāng)剪切速率較高時(shí)，N值可降至020。在低剪切速率(=1-102s1)的作用下，液體呈現(xiàn)牛頓特性(零剪切粘度區(qū)，零剪切粘度，表示為o)；在高剪切速率的作用下，液體呈現(xiàn)牛頓特性(106s1，極限粘度區(qū)，極限粘度，表示為，);粘性液體非牛頓性的前提是

6、剪切速率不能太高或太小，否則會(huì)出現(xiàn)牛頓特性。在中等剪切速率的作用下，液體是非牛頓的。注射成型的剪切速率通常是103105s1，在這個(gè)區(qū)域。假塑性液體的流動(dòng)曲線和流變曲線的討論：根據(jù)和繪制理論流動(dòng)曲線和流變曲線，圖2-6。什么是假塑性？對(duì)數(shù)方程對(duì)應(yīng)的線性流量曲線和流變曲線如圖2-7所示。對(duì)數(shù)流量方程： ln=lnk nln (2-10)和對(duì)數(shù)流變方程： lna=lnK (n-1) 1n (2-11)在方程(2-10)的兩邊微分，完成后得到(2-12)，表明非牛頓指數(shù)實(shí)際上等于對(duì)數(shù)流量曲線的斜率。(2)圖2-8和圖9分別給出了實(shí)驗(yàn)得到的幾種聚合物流變曲線(其中圖2-9為對(duì)數(shù)坐標(biāo))。與圖2-6(b)

7、和圖2-7(b)相比，實(shí)驗(yàn)曲線和理論曲線的變化趨勢基本相似，表明指數(shù)流動(dòng)規(guī)律基本適用于假塑性液體。結(jié)論：在中等剪切速率范圍內(nèi)，假塑性液體變形和流動(dòng)所需的剪切應(yīng)力隨剪切速率而變化，并呈指數(shù)增長；對(duì)變形和流動(dòng)的粘性阻力，即液體的表觀粘度隨剪切速率而變化，并呈指數(shù)下降(這種現(xiàn)象稱為假塑性液體的“剪切變稀”效應(yīng))。這是由于聚合物的大分子結(jié)構(gòu)及其可變形性。當(dāng)熔體假塑性流動(dòng)時(shí)，剪切速率的增加增加了熔體中的剪切應(yīng)力，因此大分子鏈從其聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中退繞、伸長和滑動(dòng)的運(yùn)動(dòng)加劇，鏈段的位移(高彈性變形)相對(duì)減小，分子之間的靜電引力將逐漸減弱，熔體中的自由空間增加，粘度降低，整個(gè)體系趨于稀釋，從而在宏觀上表現(xiàn)出表

8、觀粘度降低的力學(xué)性能。為什么聚合物熔體具有“剪切變稀”效應(yīng)？2、聚合物熔體粘度對(duì)剪切速率的依賴關(guān)系用恒定溫度下剪切速率相差10倍時(shí)的粘度比來表征，并表示熔體對(duì)剪切速率的敏感性指數(shù)。顯然，粘度越大，熔體粘度對(duì)剪切速率的依賴性越強(qiáng)。目前，各種聚合物不能根據(jù)它們的相對(duì)敏感性來分類，但是根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，可以認(rèn)為表2-1中較小的聚酰胺、共聚甲醛和聚碳酸酯對(duì)剪切速率不敏感，它們的熔體通常被認(rèn)為是牛頓流體，而其它塑料由于它們相對(duì)較大和敏感，可以被認(rèn)為是假塑性流體。結(jié)論：在注射成型中，如果要通過調(diào)節(jié)剪切速率來控制聚合物的熔體粘度，只能針對(duì)那些粘度對(duì)剪切速率敏感的聚合物。對(duì)于粘度對(duì)剪切速率不敏感的聚合物，一些更敏

9、感的因素(如溫度等。)可用于控制聚合物的熔體粘度。如果熔體粘度對(duì)剪切速率太敏感，就不容易控制，剪切速率的任何微小變化都會(huì)導(dǎo)致粘度的顯著變化，不能保證產(chǎn)品的成型質(zhì)量。根據(jù)流變曲線，應(yīng)選擇對(duì)粘度影響不太大也不太小的剪切速率，以避免控制問題。(4)影響聚合物流變性能的因素：1)聚合物結(jié)構(gòu)和其它組分對(duì)粘度的影響；(1)分子結(jié)構(gòu)對(duì)分子結(jié)構(gòu)聚合物粘度的影響是復(fù)雜的：a)分子鏈柔性大的聚合物鏈間有許多纏結(jié)點(diǎn)，很難解開、延伸和滑移鏈，熔體流動(dòng)時(shí)是非牛頓的；對(duì)于具有強(qiáng)鏈剛性和分子間吸引力的聚合物，熔體粘度對(duì)溫度的敏感性增加，而非牛頓性質(zhì)降低。提高成型溫度有利于改善流動(dòng)性。支鏈結(jié)構(gòu)對(duì)聚合物大分子粘度的影響：a、支

10、化度增加，粘度增加，流動(dòng)性降低；如果聚合物大分子中有長支鏈，熔體粘度對(duì)剪切速率的敏感性將增加。當(dāng)零剪切粘度o相同時(shí)，長支鏈熔體進(jìn)入非牛頓區(qū)的臨界剪切速率低于無支鏈熔體。當(dāng)大分子含有大的側(cè)基時(shí)，聚合物中的自由空間將增加，從而增加熔體粘度對(duì)壓力和溫度的敏感性。(2)當(dāng)聚合物的相對(duì)分子量較大時(shí)：a)大分子鏈難以展開、拉伸和滑動(dòng)，這需要大的剪切速率和熔體流動(dòng)時(shí)的長剪切作用時(shí)間；熔體粘度和粘度對(duì)剪切速率(或非牛頓)的敏感性將增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)聚合物熔體非牛頓性的影響如下：聚合物熔體在低剪切速率下的零剪切粘度與其重均相對(duì)分子質(zhì)量有如下關(guān)系，即o=Co a (2-13)，或lgo=lgCo

11、alg (2-14)，Co的常數(shù)與聚合物和溫度有關(guān)；與重均相對(duì)分子質(zhì)量相關(guān)的常數(shù)。圖形分析；聚合物的重均相對(duì)分子質(zhì)量有一個(gè)臨界值(稱為纏結(jié)相對(duì)分子質(zhì)量)。當(dāng)，時(shí)，大分子鏈的纏結(jié)是輕的，這是近似牛頓的。當(dāng)大分子鏈嚴(yán)重纏結(jié)時(shí)，熔體是非牛頓的。通過與的比較，我們可以大致判斷用于注塑生產(chǎn)的聚合物是否具有非牛頓特性。隨著相對(duì)分子質(zhì)量的增加，熔體非牛頓流動(dòng)的臨界剪切速率c逐漸降低，即相對(duì)分子質(zhì)量越大，熔體越容易表現(xiàn)出非牛頓特性。應(yīng)用意義：注射成型工藝要求聚合物熔體必須具有良好的流動(dòng)性，相對(duì)分子量大的聚合物往往因粘度過大而存在成型問題。這時(shí)，可以向聚合物中加入一些低分子物質(zhì)(如增塑劑)，以降低相對(duì)分子量和粘

12、度值，并促進(jìn)流動(dòng)性的改善。(3)相對(duì)分子質(zhì)量分布什么是相對(duì)分子質(zhì)量分布？聚合物中大分子間的相對(duì)分子量差稱為相對(duì)質(zhì)子量分布。差異越大，分布越廣。表示方法：聚合物相對(duì)分子質(zhì)量分布的寬度通常用重均相對(duì)分子質(zhì)量與數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量的比值來表示。當(dāng)比值小于5時(shí)，表示分布窄，否則表示分布寬。實(shí)驗(yàn)表明：1 .當(dāng)平均相對(duì)分子質(zhì)量相同且相對(duì)分子質(zhì)量分布較寬時(shí)，聚合物熔體粘度較小，非牛頓性較強(qiáng)。相對(duì)分子質(zhì)量分布窄的聚合物熔體在較大的低剪切速率范圍內(nèi)表現(xiàn)出牛頓特性，牛頓區(qū)較大；在相同的剪切速率范圍內(nèi)，分子量分布較寬的熔體會(huì)提前表現(xiàn)出非牛頓性，牛頓區(qū)較小。應(yīng)用意義：在注射成型中，當(dāng)聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量分布較寬時(shí)，可以表

13、現(xiàn)出低粘度和良好流動(dòng)性的特點(diǎn)，但成型產(chǎn)品的性能較差。為了提高產(chǎn)品的性能，有必要盡量減少聚合物中的低分子物質(zhì)，盡可能使用相對(duì)分子質(zhì)量分布窄的材料。(4)添加劑為了保證性能或加工需要，大多數(shù)聚合物在使用前需要添加一些添加劑。當(dāng)添加劑加入到聚中時(shí)，大分子之間的相互作用力和熔體粘度將發(fā)生變化隨著聚合物溫度的升高，體積增大，大分子之間的自由空間增大，它們之間的靜電引力減小，有利于大分子的變形和流動(dòng)，即粘度降低。溫度對(duì)聚合物粘度的影響用方程描述：牛頓熔體，(2-16)，非牛頓熔體，(2-17)，牛頓粘度；k一致性系數(shù)；o分別是聚合物在初始狀態(tài)和最終狀態(tài)下的熱力學(xué)溫度；O and O分別是初始狀態(tài)下聚合物的

14、牛頓粘度和稠度系數(shù)。r一般氣體常數(shù)，r 8.32j/(mol . k)；聚合物的粘性流動(dòng)活化能。e與聚合物種類有關(guān)，可通過實(shí)驗(yàn)確定。e值：低溫時(shí)隨溫度變化變化很大；它在高溫下(玻璃化轉(zhuǎn)變溫度100)近似恒定。如果上述兩個(gè)公式在高溫下用對(duì)數(shù)微分，就可以得到(2-18)和(2-19)。從上式可以看出，E值對(duì)聚合物粘度與溫度的關(guān)系有影響，E值越大，粘度對(duì)溫度的變化率越大，即粘度對(duì)溫度變化敏感。判斷聚合物粘度對(duì)溫度的敏感性：e值；溫度敏感性指數(shù)o。注：上述溫度對(duì)粘度的影響沒有考慮時(shí)間因素；在注射成型中，降低熔體粘度以改善流動(dòng)性的過程控制方法主要適用于粘度對(duì)剪切速率不敏感或熔體遵循牛頓流動(dòng)規(guī)律的聚合物。

15、壓力對(duì)粘度的影響在靜水壓力的作用下，聚合物大分子之間的自由空間將被壓縮和縮小，這將表現(xiàn)為體積收縮，流動(dòng)阻力將相應(yīng)增加。因此，當(dāng)成型壓力增加時(shí)，熔體上的流體靜壓力也會(huì)增加，并且隨著熔體的體積收縮，其粘度也會(huì)增加(圖2-14)。聚合物熔體在高壓下的體積收縮可以用體積壓縮性表示，即(2-20)，其中k為體積壓縮性；v和v分別是加壓后的體積變化和比容變化；Vo和vo分別是初始體積和初始比容。根據(jù)“熔體空腔理論”，聚合物粘度和成型壓力之間的關(guān)系可以用以下方程表示：牛頓熔體=o e(ppo) (221)非牛頓熔體K=Ko e(ppo) (222)，其中，(223)，其中牛頓粘度；k一致性系數(shù)；P0和P0分

16、別是初始?jí)毫徒Y(jié)束壓力。O and O分別是初始狀態(tài)下的牛頓粘度和稠度系數(shù)。壓縮系數(shù)，與聚合物有關(guān)；v包含熔體流道或空腔的體積；r一般氣體常數(shù)；熱力學(xué)溫度。注：粘度對(duì)壓力的敏感度因不同聚合物而異。當(dāng)所有條件相同時(shí)，聚合物熔體的可壓縮性越大，粘度對(duì)壓力的敏感性越強(qiáng)。各種聚合物的熔體粘度對(duì)壓力具有不同的敏感性，因此在注射成型過程中僅通過提高注射壓力來提高熔體流動(dòng)速率或模具填充能力是不太合適的，因?yàn)檫^高的注射壓力會(huì)導(dǎo)致過高的能量消耗和注射機(jī)部件的過度磨損。成型時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況采用溫度和壓力相等的原則，通過提高溫度和降低粘度來增加流量，從而提高填充流量。當(dāng)粘度需要增加且不應(yīng)采取冷卻措施時(shí)，可考慮增加壓力的方法。結(jié)論：在注射成型中考慮壓力對(duì)粘度的影響時(shí)，關(guān)鍵問題在于如何綜合考慮生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性、設(shè)備和模具的可靠性以及零件的質(zhì)量，從而保證成型過程能有最佳的注射壓力和注射溫度。5.簡單幾何管道中流體流動(dòng)的分析。為什么要分析聚合物熔體在流道中的流動(dòng)規(guī)律？熔體流動(dòng)過程中壓降和速度分布變化的原因是什么？熔體流動(dòng)時(shí)，管道壁存在內(nèi)部粘滯阻力和摩擦阻力；導(dǎo)管的橫截面形狀和尺寸被改變。聚合物熔體在流道中流動(dòng)的假設(shè)條件如下：聚合物熔體為牛頓流體或假塑性流體，遵循冪律流動(dòng)定律；這種液體是等滲的驅(qū)動(dòng)力是壓降(P)和氣缸截面積(r2)的乘積，阻力等于剪應(yīng)力()和氣缸表面積(2rL)的乘