塑料物理性能 聚合物表面性能與相容性 塑料流變性能全套

塑料物理性能聚合物表面性能與相容性塑料流變性能第一節(jié)塑料的物理性能物料的性能與注塑條件和制品質(zhì)量有密切關(guān)系。注塑材料大部分是顆粒狀，這些固體物料裝入料斗時(shí)，一般要先經(jīng)過(guò)預(yù)熱，排除濕氣，然后再經(jīng)過(guò)螺桿的壓縮輸送和塑化作用，在料筒中需要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的熱歷程才被螺桿推入模腔，經(jīng)過(guò)壓力保持階段再冷卻定型。影響這個(gè)過(guò)程的主要因素是物料，溫度，料筒溫度，充模壓力，速度。高分子物料加工的工藝性能，分子鏈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分子量大小及其分布，而且還取決高分子的外部結(jié)構(gòu)。注塑的工藝性與高分子材料的相對(duì)密度，導(dǎo)熱系數(shù)，比熱容，玻璃化與結(jié)晶溫度，熔化，分解溫度以及加工中所表現(xiàn)的力學(xué)性能，流變性能等有密切關(guān)系。一．一般物理性能1總熱容量總熱容量是指注塑物料在注塑工藝溫度下的總熱容量。2熔化熱熔化熱又稱熔化潛熱，是結(jié)晶型聚合物在形成或熔化晶體時(shí)所需要的能量。這部分能量是用來(lái)熔化高分子結(jié)晶結(jié)構(gòu)的，所以注塑結(jié)晶型聚合物時(shí)要比注塑非結(jié)晶型料達(dá)到指定熔化溫度下所需的能量要多。對(duì)于非結(jié)晶型聚合物無(wú)需熔化潛熱。使POM達(dá)到注塑溫度需熱約452/g(100.8cal/g),PS只需要375J/g即可熔化。3比熱容比熱容是單位重量的物料溫度上升1度時(shí)所需熱量[J/kg.k]。不同高聚物的比熱容是不同的，結(jié)晶型比非對(duì)面型要高。因?yàn)榧訜峋酆衔飼r(shí)，補(bǔ)充的熱能不僅要消耗在溫度升上，還要消耗在使高分子結(jié)構(gòu)的變化上，結(jié)晶型必須補(bǔ)充熔化潛熱所需的熱淚盈眶量才能使物料熔化。注塑過(guò)程中，塑料加熱或冷卻特性是由聚合物的熱含量與溫差所決定的。熱傳遞速率正比于被加熱材料和熱源之間的溫差。一般冷卻要比熔化快，因?yàn)榇篌w上料筒與物料溫差小，熔料與模具溫差大。加熱時(shí)間取決于料筒內(nèi)壁與料層之間的溫差和料層厚度。4熱擴(kuò)散系數(shù)熱擴(kuò)散系數(shù)是指溫度在加熱物料中傳遞的速度，又稱導(dǎo)熱系數(shù)其值是由單位質(zhì)量的物料溫度升高1度時(shí)所需的熱量（比熱容）和材料吸收熱量的速度（導(dǎo)熱系數(shù)）來(lái)決定。壓力對(duì)熱擴(kuò)散系數(shù)影響小，溫度對(duì)其影響較大。5導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)反映了材料傳播熱量的速度。導(dǎo)熱系數(shù)愈高，材料內(nèi)熱傳遞愈快。由于聚合物導(dǎo)熱系數(shù)很低，所以無(wú)論在料筒中加熱還是其熔體在模具中冷卻，均需花一定時(shí)間。為了提高加熱和冷卻效率，需采取一些技術(shù)措施。如：加熱料筒要求有一定的厚度，這不僅是考慮強(qiáng)度，同時(shí)也是為了增加熱慣性，保證物料能良好穩(wěn)定地傳熱，有時(shí)還利用聚合物的低導(dǎo)熱特性，采用熱流道模具等。聚合物導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增加。結(jié)晶型塑料的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)溫度的依賴性要比非結(jié)晶型的顯著。6密度與比容密度增加會(huì)使制品中的氣體和溶劑滲透率減少，但是使制品的拉伸強(qiáng)度，斷裂伸長(zhǎng)，剛度硬度以及軟化溫度提高；使壓縮性，沖擊強(qiáng)度，流動(dòng)性，耐蠕變性能降低。在注塑過(guò)程中，聚合物經(jīng)歷著冷卻—加熱—冷卻反復(fù)的熱過(guò)程溫度，梯度和聚合物形態(tài)的變化都很大，所以密度也在不斷地發(fā)生變化，這對(duì)注塑制品質(zhì)量起著重要的影響。比容反映了單位物質(zhì)所占有的體積。這是一個(gè)衡量在不同工藝條件下高分子結(jié)構(gòu)所占有的空間，各種狀態(tài)下的膨脹與壓縮，制品的尺寸收縮等方面是非常重要的參數(shù)。7膨脹系數(shù)與壓縮系數(shù)比容在恒壓下由溫度而引起的變化，即為膨脹系數(shù)。聚合物從高溫到低溫表現(xiàn)出比容逐漸減少的收縮特性。聚合物比容不僅取決于溫度而且取決于壓力。聚合物比容在不同溫度下都隨壓力而變化，壓力增高比容減小而密度加大。這種性質(zhì)對(duì)于用壓力來(lái)控制制品的質(zhì)量和尺寸精度有重要意義。二聚合物的熱物理性能1．玻璃化溫度聚合物的玻璃化溫度是指線型非結(jié)晶型聚合物由玻璃態(tài)向高彈態(tài)或者由后者向前者的較變溫度。就是大分子鏈段本身開始變形的溫度當(dāng)溫度高于玻璃化溫度時(shí)，大分子鏈開始自由活動(dòng)，但還不是整個(gè)分子鏈段的運(yùn)動(dòng)。這時(shí)表現(xiàn)出高彈性的橡膠性能；當(dāng)?shù)陀诓ＡЩ瘻囟葧r(shí)，鏈段被凍結(jié)變成堅(jiān)硬的固態(tài)或玻璃態(tài)。橡膠的玻璃化溫度低于室溫。所以橡膠在常溫下處于高彈態(tài)。而其它塑料在常溫下是處于脆韌性的玻璃態(tài)。高聚物的自由體積理論認(rèn)為，高聚物分子結(jié)構(gòu)所占有的整個(gè)體積分成兩部分。一部分是分子鏈所占有的空間，而另一部分是分子鏈之間的自由空間。當(dāng)溫度降低時(shí)分子鏈動(dòng)能減少，自由空間減少，當(dāng)溫度升高時(shí)，分子鏈段動(dòng)能增加，自由空間也增加：當(dāng)溫度達(dá)到玻璃化時(shí)，急劇產(chǎn)生內(nèi)聚力，聚合物膨脹，鏈段開始旋轉(zhuǎn)，鏈段擁有的能量足以使鏈段活動(dòng)起來(lái)所以自由空間的體積突然增加。高聚物在玻璃化溫度以上的總自由體積等于玻璃化溫度下的自由體積與熱膨脹系數(shù)乗以溫升之和。在預(yù)塑化時(shí)，位于螺槽中的高分子固態(tài)物料，在升至玻璃化溫度以后，隨著溫度的升高物料自由體積會(huì)增加，其比容也會(huì)加大，但由于螺槽容積的限制會(huì)使物料產(chǎn)生內(nèi)壓，并有加速固體床的作用。當(dāng)高聚物的物理形態(tài)發(fā)生變化時(shí)，許多物理性質(zhì)如比熱容，比容，密度，導(dǎo)熱系數(shù)，膨脹系數(shù)，折光指數(shù)，介電常數(shù)等都跟著變化，因此利用這些關(guān)系可以測(cè)定聚合物相變溫度和高聚物性質(zhì)。對(duì)于理解塑料在料筒中加熱，塑料化過(guò)程中從加料段向壓縮段物態(tài)轉(zhuǎn)變，溫升，溫升速率，螺桿轉(zhuǎn)速，背壓等工藝因素的影響將起重要作用。這些對(duì)于控制制品脫模時(shí)的物性狀態(tài)，頂出溫度和頂出時(shí)間是重要的。2熔化溫度（熔點(diǎn)）熔化溫度是指結(jié)晶型聚合物從高分子鏈結(jié)構(gòu)的三維有序態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序的粘流態(tài)時(shí)的溫度。轉(zhuǎn)變點(diǎn)（熔點(diǎn)）對(duì)于低分子材料來(lái)說(shuō)，熔化過(guò)程是非常窄的，有較明顯的熔點(diǎn)；而對(duì)于結(jié)晶型高聚物來(lái)說(shuō)，從達(dá)到玻璃化溫度就開始軟化，但從高彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)的液相時(shí)卻沒(méi)有明顯的熔點(diǎn)，而是有一個(gè)向粘流態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度范圍。對(duì)高聚物來(lái)說(shuō)，玻璃化溫度，熔化溫度或溫度范圍都是變相點(diǎn)。有較明顯的變化范圍，從分子結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)看，都是大鏈段運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。一般有增塑劑的聚合物熔點(diǎn)要比無(wú)增塑劑的要低，共聚物的熔點(diǎn)要比組成共聚物中較高均聚物的熔點(diǎn)要低些。注塑時(shí)，料筒的第三段溫度（靠近嘴溫的溫度）都要設(shè)定在熔點(diǎn)以上，然后以降低15~20度的溫度梯度依次設(shè)定第二段和第一段的料筒溫度為宜。3分解溫度及燃燒特性熱分解溫度是指在氧氣存在條件下，高聚物受熱后開始分解的溫度范圍。依聚合物化學(xué)結(jié)構(gòu)式不同而有顯著的差異，此外還與物料的形態(tài)有關(guān)。在注塑過(guò)程中，無(wú)論是在預(yù)塑階段還是在注射階段，只要聚合物局部溫度達(dá)到分解溫度，高分子物料就會(huì)訊速生成低分子量的可燃性物質(zhì)。聚合物的熱分解在氧氣充足條件下是放熱反應(yīng)，產(chǎn)生的熱會(huì)繼續(xù)加熱聚合物。當(dāng)聚合物達(dá)到燃點(diǎn)時(shí)就會(huì)燃燒，燃燒體系的溫度是否會(huì)上升，產(chǎn)生的燃燒熱是否和體系進(jìn)行對(duì)流，都與熱分解溫度，比熱容以及導(dǎo)熱系數(shù)等物理性能有密切關(guān)系。注塑時(shí)，對(duì)聚合物分解溫度的控制是十分重要的，否則分解出燃燒物質(zhì)不僅會(huì)影響制品質(zhì)量，還會(huì)腐蝕設(shè)備，危害人體。三．聚合物降解及熱穩(wěn)定性所謂降解，是指遞解分解作用，在高分子化學(xué)中，通常是指在化學(xué)或物理作用下，聚合物分子的聚合度降低過(guò)程，聚合物在熱，力，氧氣，水及光輻射等作用下往往發(fā)生降解。降解過(guò)程實(shí)質(zhì)量大分子鏈發(fā)生結(jié)構(gòu)變化。如發(fā)生彈性消失，強(qiáng)度降低，粘度減少或增加等現(xiàn)象。在注塑中力，水，氧通過(guò)溫度對(duì)聚降解起重要影響，在高溫時(shí)氧和水更能使聚合物分解。剪切力的作用會(huì)因高溫時(shí)聚合物粘度的降低而減小。熱降解是指某些聚合物在高溫下時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，發(fā)黃變色，降解，分解等現(xiàn)象。聚合物是否容易發(fā)生降解，依其分子內(nèi)部和分子外部結(jié)構(gòu)有關(guān)；是否有分解的雜質(zhì)有關(guān)；能引起高聚物降解的雜質(zhì)，一般都是熱降解的崔化劑，如：PVC分解的產(chǎn)物是氯化氫，POM分解產(chǎn)物是甲醛，它們有著加劇高聚物降解的作用。所謂熱穩(wěn)定性是指聚合物在高溫下分子鏈抗化學(xué)分解能力及耐化學(xué)變化的溫度熱降解溫度稱為穩(wěn)定性溫度略高于分解溫度。對(duì)于某些熱穩(wěn)定較差的聚合物，其溫度范圍只有5~15度。溫度的高低和變化范圍對(duì)聚合物的降解有影響外，還有在溫度場(chǎng)中所經(jīng)歷的反復(fù)加工次數(shù)有關(guān)。不同的聚合物在反復(fù)加工后熱降解和融熔指數(shù)有著較大的差異。在正常溫度下PS,PC,PP,經(jīng)數(shù)次加工后融熔指數(shù)升高的傾向。而PE，抗沖擊PS醋酸纖維素等有下降的現(xiàn)象。聚合物在剪切應(yīng)力作用下纏結(jié)著的大分子在外力作用下，沿力的方向上發(fā)生流動(dòng)，分子鏈之間發(fā)生解脫，當(dāng)解脫發(fā)生障礙時(shí)，分子鏈將受到很大的牽引力，當(dāng)超過(guò)鏈的強(qiáng)度就發(fā)生鏈斷裂。實(shí)驗(yàn)證明：剪切應(yīng)力.剪切速率越高，分子量降解速度越快，斷裂的鏈越短；當(dāng)提高加熱溫度或增塑劑含量時(shí)，力的降解作用會(huì)減小。注塑中某些塑料的水解作用是經(jīng)常發(fā)生的，水解作用是由于在聚合物中存在有可以水解的化學(xué)基團(tuán)。如：酰胺，酯，腈等，或在氧化作用下形成可被水解的基團(tuán)。如果這些基團(tuán)在分子的主鏈上，水解作用會(huì)使主鏈斷鏈而降解。由于某些聚合物有水解作用，因此對(duì)這些塑料的吸濕性應(yīng)加以注意。有的塑料具有吸濕或凝集水分傾向，因?yàn)樗鼈兒袠O性親水基團(tuán)，如ABS,PMMA,PA,PC,PPO等，在注塑中都需要干燥處理，防此水解。第二節(jié)聚合物表面性能與相容性一磨擦性能在塑料中常遇到磨擦性質(zhì)的問(wèn)題。如在注塑中物料在螺桿加料段的磨擦機(jī)理，磨擦系數(shù)對(duì)其螺桿的輸送效率有重要影響。物料從料斗進(jìn)入螺桿之后在螺桿旋轉(zhuǎn)下，使物料沿螺槽向前輸送顆粒料首先被壓成固體塞，在輸送過(guò)程中塑料固體塞和料筒及螺桿產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，各面承受著磨擦力的作用。這時(shí)磨擦將受到許多因素的影響，如塑料的物料性能，顆粒形狀及大小，料筒及螺桿表面的光潔度及材質(zhì)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度，塑料與金屬的接觸壓力及作用時(shí)間等等。不同的聚合物其磨擦系數(shù)是不同的。當(dāng)塑料與金屬磨擦?xí)r，磨擦系數(shù)與磨擦中的接觸面積，與塑料對(duì)金屬的附著力以及剪切強(qiáng)度有關(guān)。因此磨擦系數(shù)不僅與高聚物的物理性質(zhì)有關(guān)，而且與影響物理—機(jī)械性質(zhì)的外界壓力，速度和溫度有關(guān)。在高壓高速下塑料的熱傳導(dǎo)性能很差產(chǎn)生的熱量不易散出，使塑料發(fā)生大的變形表面破壞，因此壓力和速度對(duì)磨擦系數(shù)均有影響。一般情況下，塑料的磨擦系數(shù)隨載荷的加大而稍許降低。聚合物材料的干磨擦系數(shù)，隨著相對(duì)速度的提高有增加的趨勢(shì)。二相容性相容性是指兩種不同品級(jí)的聚合物在熔融狀態(tài)下能否相互混溶的一種性質(zhì)。相容性不好的聚合物混熔在一起，制品會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象。不同類型聚合物的相容性是不一樣的，這與分子結(jié)構(gòu)有一定關(guān)系；分子結(jié)構(gòu)相近者易相容；反之難容。例如，借助于聚碳酸酯和聚乙烯之間的互容性，在聚碳酸酯中加入30~50%聚乙烯可使伸長(zhǎng)率提高30%，沖擊強(qiáng)度提高４倍，并使熔體的粘度降低。近年來(lái)，利用聚合物之間的相容特性，使共混料品級(jí)日益增多，受到人們的普遍重視。三表觀密度大多數(shù)熱塑性塑料致密狀的相對(duì)密度為0.9~1.2g/cm3而粉料或顆粒料的表觀密度是0.3~0.6g/cm3。如果物料的表觀密度低，使均勻加料發(fā)生困難，就易出現(xiàn)“架橋”現(xiàn)象。這樣會(huì)影響輸送效率和塑化質(zhì)量的穩(wěn)定性。為此有的在料斗中設(shè)置有攪拌器，或者采用定量的加料調(diào)節(jié)裝置，對(duì)進(jìn)料量調(diào)節(jié)和控制，保證連續(xù)，均勻地加料。第二節(jié)聚合物的力學(xué)特性１形變與應(yīng)力關(guān)系材料的力學(xué)特性是指材料在外力的作用下，產(chǎn)生變形，流動(dòng)與破壞的性質(zhì)，反應(yīng)材料基本力學(xué)性質(zhì)的量主要有兩類；一類是反應(yīng)材料變形情況的量如模量或柔度，泊桑比；另一類是反應(yīng)材料破壞過(guò)程的量，如比例極限，拉伸強(qiáng)度，屈服應(yīng)力，拉伸斷裂等作用。從力學(xué)觀點(diǎn)看，材料破壞是一個(gè)過(guò)程而不是一個(gè)點(diǎn)。２應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系應(yīng)力對(duì)其作用時(shí)間的依賴性，這是聚合物材料主要特征之一。聚合物在較高溫度下力作用時(shí)間較短的應(yīng)力松馳行為和在溫度較低力作用時(shí)間較長(zhǎng)的應(yīng)力松馳行為是一致的。３形變與時(shí)間關(guān)系聚合物材料在一定溫度下承受恒定載荷時(shí)，將訊速地發(fā)生變形，然后在緩慢的速率下無(wú)限期地變形下去。若載荷足夠高時(shí)變形會(huì)繼續(xù)到斷裂為此。這種在溫度和載荷都是恒定的條件下，變形對(duì)時(shí)間依賴的性質(zhì)，即稱蠕變性質(zhì)。第三節(jié)聚合物的流變性能一概述注塑中把聚合物材料加熱到熔融狀態(tài)下進(jìn)行加工。這時(shí)可把熔體看成連續(xù)介質(zhì)，在機(jī)器某些部位上，如螺桿，料筒，噴嘴及模腔流道中形成流場(chǎng)。在流場(chǎng)中熔體受到應(yīng)力，時(shí)間，溫度的聯(lián)合作用發(fā)生形變或流動(dòng)。這樣聚合物熔體的流動(dòng)就和機(jī)器某些幾何參數(shù)和工藝參數(shù)發(fā)生密切的聯(lián)系。處于層流狀態(tài)下的聚合物熔體，依本身的分子結(jié)構(gòu)和加工條件可分近似牛頓型和非牛頓型流體它們的流變特性暫不予祥細(xì)介紹。1關(guān)于流變性能（1）剪切速率，剪切應(yīng)力對(duì)粘度的影響通常，剪切應(yīng)力隨剪切速率提高而增加，而粘度卻隨剪切速率或剪切應(yīng)力的增加而下降。剪切粘度對(duì)剪切速率的依賴性越強(qiáng)，粘度隨剪切速率的提高而訊速降低，這種聚合物稱作剪性聚合物，這種剪切變稀的現(xiàn)象是聚合物固有的特征，但不同聚合物剪切變稀程度是不同的，了解這一點(diǎn)對(duì)注塑有重要意義。（2）離模膨脹效應(yīng)當(dāng)聚合物熔體離開流道口時(shí)，熔體流的直徑，大于流道出口的直徑，這種現(xiàn)象稱為離模膨脹效應(yīng)。普遍認(rèn)為這是由聚合物的粘彈效應(yīng)所引起的膨脹效應(yīng)，粘彈效應(yīng)要影響膨脹比的大小，溫度，剪切速率和流道幾何形狀等都能影響熔體的膨脹效應(yīng)。所以膨脹效應(yīng)是熔體流動(dòng)過(guò)程中的彈性反映，這種行為與大分子沿流動(dòng)方向的剪切應(yīng)力作用和垂直于流動(dòng)方向的法向應(yīng)力作用有關(guān)。在純剪切流動(dòng)中法向效應(yīng)是較小的。粘彈性熔體的法向效應(yīng)越大則離模膨脹效應(yīng)越明顯。流道的影響；假如流道長(zhǎng)度很短，離模效應(yīng)將受到入口效應(yīng)的影響。這是因?yàn)檫M(jìn)入澆口段的熔體要收劍流動(dòng)，流動(dòng)正處在速度重新分布的不穩(wěn)定時(shí)期，如果澆口段很短，熔體料流會(huì)很快地出口，剪切應(yīng)力的作用會(huì)突然消失，速度梯度也要消除，大分子發(fā)生蜷曲，產(chǎn)生彈性恢復(fù)，這會(huì)使離模膨脹效應(yīng)加劇。如果流道足夠長(zhǎng)，則彈性應(yīng)變能有足夠的時(shí)間進(jìn)行彈性松馳。這時(shí)影響離模膨脹效應(yīng)的主要原因是穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的剪切彈性和法向效應(yīng)的作用。（3）剪切速率對(duì)不穩(wěn)定流動(dòng)的影響剪切速率有三個(gè)流變區(qū)：低剪切速率區(qū)，在低剪切速率下被破壞的高分子鏈纏結(jié)能來(lái)得及恢復(fù)，所以表現(xiàn)出粘度不變的牛頓特性。中剪切區(qū)，隨著剪切速率的提高，高分子鏈段纏結(jié)被順開且來(lái)不及重新恢復(fù)。這樣就助止了鏈段之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)和內(nèi)磨擦的減小?？墒谷垠w粘度降低二至三個(gè)數(shù)量級(jí)，產(chǎn)生了剪切稀化作用。在高剪切區(qū)，當(dāng)剪切速率很高粘度可降至最小，并且難以維持恒定，大分子鏈段纏結(jié)在高剪切下已全部被拉直，表現(xiàn)出牛頓流體的性質(zhì)。如果剪切速率再提高，出現(xiàn)不穩(wěn)定流動(dòng)，這種不穩(wěn)定流動(dòng)形成彈性湍流熔體出現(xiàn)波紋，破裂現(xiàn)象是熔體不穩(wěn)定的重要標(biāo)志。當(dāng)剪切速率達(dá)到彈性湍流時(shí)，熔體不僅不會(huì)繼續(xù)變稀，反