塑料成型工藝學(xué)課程

第一章緒論

內(nèi)容簡介

1、塑料發(fā)展歷史；

2、塑料的應(yīng)用；

3、塑料成型加工的方法；

4、本課程學(xué)習(xí)要求。

本章重點

1.1塑料制品生產(chǎn)的組成

一、塑料工業(yè)包含塑料原料的生產(chǎn)和塑料制品生產(chǎn)。

一

合

polyaorization

H~~」聚合反應(yīng)I成

樹成型材料

脂或塑料

monomer

resin?

-------------------------------

罌料生產(chǎn)-----------成型材制品生產(chǎn)

料準(zhǔn)備

二、塑料制品的生產(chǎn)是一種復(fù)雜的過程，它主要由原料準(zhǔn)備、成型、

機械加工、修飾和裝配等過程組成。

成型是將各種形態(tài)的塑料（粉料、粒料、溶液或分散體）制成所需形

樣的制品或坯件的過程，在整個過程中最為重要，是一切塑料制品或型

材生產(chǎn)的必經(jīng)過程。成型的種類很多，如各種模塑、層壓以及壓延等。

其它過程，通常都是根據(jù)制品的要求來取舍的，也就是說，不是每種制

品都須完整地經(jīng)過這些過程。機械加工是指在成型后的工件上鉆眼、切

螺紋、車削或銃削等，用來完成成型過程所不能完成或完成得不夠準(zhǔn)確

的一些工作。修飾主要是為美化塑料制品的表面或外觀。裝配是將各個

已經(jīng)完成的部件連接或配套使其成為一個完整制品的過程。后三種過程

有時統(tǒng)稱為二次加工或后加工。對比來說，二次加工過程常居于次要地

位。

在成型方法中，有壓縮模塑、擠出模塑、注射模塑、傳遞模

塑、吹塑、熱成型等三十多種塑料成型方法。

1.2塑料制品的應(yīng)用

一、塑料發(fā)展的歷史

塑料成型工業(yè)自1872年開始到現(xiàn)在已度過仿制、擴展和變革的時

期。塑料最初品種不多、對它們的本質(zhì)理解不足，在塑料制品生產(chǎn)技術(shù)

上，只能從塑料與某些材料如橡膠、木材、金屬和陶瓷等制品的生產(chǎn)有

若干相似之處而進行仿制。此后在本世紀的20年代，塑料品種漸多，

在生產(chǎn)技術(shù)和方法上都有顯著的改進。50年代以來，由于各項尖端科學(xué)

技術(shù)以及工業(yè)、農(nóng)業(yè)等發(fā)展的需要，對制品數(shù)量、結(jié)構(gòu)、尺寸和準(zhǔn)確程

度上也提出了更高的要求。通過對新型塑料和制品生產(chǎn)上進行創(chuàng)新變

革。至今，塑料制品的數(shù)量和應(yīng)用種類都有了顯著的增長，塑料制品的

生產(chǎn)已成為一個重要的生產(chǎn)部門。

二、塑料制品應(yīng)用的主要領(lǐng)域

1、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)：塑料在農(nóng)業(yè)方面常用的材料有薄膜、管道、片板、

繩索和編織袋等。塑料溫室，農(nóng)作物、肥料和藥物等的包裝，農(nóng)田水利

工程多選用塑料管，農(nóng)舍建筑、畜牧保護、農(nóng)業(yè)機械及器具、魚網(wǎng)、養(yǎng)

殖浮漂等。

2、包裝：塑料作為一種新型包裝材料，在包裝領(lǐng)域中已獲得廣泛應(yīng)

用.例如各種中空容器、注塑容器（周轉(zhuǎn)箱、集裝箱、桶等）.包裝膜、

編織袋、泡沫塑料、捆扎繩和打包帶等。

3、交通運輸：汽車、火車、輪船等交通工具及相應(yīng)的附屬設(shè)施所用

的塑料，按每輛或每艘計，逐年增加。品種有：燃油箱、保險杠、遮陽

板、車座、門把手、方向盤、儀表板等。

4、電氣工業(yè)：電線、電纜、絕緣體、家用電器、計算機及各種通訊

設(shè)備等。

5、化學(xué)工業(yè)：塑料耐腐蝕性使塑料化工設(shè)備方面得以廣泛應(yīng)用，如制

作塔器、貯槽、貯罐、反應(yīng)器、電鍍電解槽、熱交換器、煙囪、管道、

閥門、泵、襯里等

6、儀器儀表：制造各種部件

7、建筑工業(yè)：給水管系統(tǒng)，排水管系統(tǒng)，雨水管、槽系統(tǒng)，電氣護套

管系統(tǒng)，熱收縮管系統(tǒng)，塑料門窗系統(tǒng)，板材，壁紙，地板卷材，地板

氈，披疊板系統(tǒng)，平托盤，發(fā)泡與實芯硬PVC多種異型材，防水材料，

堵水材料，裝飾裝修材料，建筑涂料，外加劑，粘接劑，衛(wèi)生潔具，家

具等等。

8、航空工業(yè)：飛機用各種增強塑料作結(jié)構(gòu)和覆面材料，常規(guī)武器中各

種零部件。

9、國防和尖端工業(yè)：各種燒蝕材料、耐腐材料、增強材料等。

10、家具：家用、機關(guān)、工廠、學(xué)校和公共場所用家具。

11、體育用具：各種健身用品。

12、日用品：在人們的日常生活中，塑料的應(yīng)用更廣泛，如市場上銷

售的塑料涼鞋、拖鞋、雨衣、手提包、兒童玩具、牙刷、肥皂盒、熱水

瓶殼等等。目前在各種家用電器，如電視機、收錄機、電風(fēng)扇、洗衣機、

電冰箱等方面也獲得了廣泛的應(yīng)用。塑料作為一種新型包裝材料，在包

裝領(lǐng)域中已獲得廣泛應(yīng)用，例如各種中空容器、注塑容器（周轉(zhuǎn)箱、集

裝箱、桶等），包裝薄膜，編織袋、瓦楞箱、泡沫塑料、捆扎繩和打包

帶等。

13、醫(yī)療：醫(yī)用高分子分人工臟器、修復(fù)人體缺陷和制作醫(yī)療器械三

大類。如人工血管、心臟瓣膜、食道、氣管等；人工耳朵、人工皮膚、

人工關(guān)節(jié)等；輸液器、輸血袋、注射器、插管、檢驗用品、病人用具、

手術(shù)室用品等

1.3本課程學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容和要求

一、學(xué)習(xí)重點

本課程學(xué)習(xí)的重點章節(jié)是第二章、第五章和第六章。第二章塑料成

型的理論基礎(chǔ)，是指導(dǎo)制品生產(chǎn)的理論依據(jù)；第五章擠出成型和第六章

注射成型是最重要的塑料成型方法，絕大多數(shù)塑料制品都是用這兩種方

法成型的。其次是第三章、第四章、第七章、第九章、第十一章、第十

三章，第三章成型用的物料及其配制，涉及的是原料的配制；壓縮模塑、

中空吹塑、泡沫塑料成型、壓延成型和熱成型也是常見的成型加工方法。

其它成型方法比較少見，對其成型加工主要是了解工藝流程。

二、學(xué)習(xí)要求

在密切結(jié)合工藝過程的前提下盡可能地結(jié)每種工藝所依據(jù)的原理、

生產(chǎn)控制因素以及在工藝過程中塑料所發(fā)生的物理與化學(xué)變化和它們

對制品性能的影響具有清晰的概念，并進一步理解各種成型工藝所能適

應(yīng)的塑料品種及其優(yōu)缺點。

三、實踐教學(xué)

塑料成型工藝是一門實踐性很強的課程，除了課堂教學(xué)外，還需在

實驗、實訓(xùn)中聯(lián)系生產(chǎn)實際去理解和掌握，有些實際操作還需在實踐中

逐步熟悉和掌握，這樣學(xué)到的知識才能靈活運用，實際動手能力才能提

高。

第二章塑料成型的理論基礎(chǔ)

內(nèi)容簡介

本章介紹了塑料發(fā)展歷史、塑料的應(yīng)用、塑料成型加工的方法，

對本課程的學(xué)習(xí)提出了具體要求。

本章重點

2.1聚合物的流變行為；

2.3聚合物的結(jié)晶；

2.4成型過程中的定向作用；

學(xué)習(xí)目標(biāo)

1、掌握聚合物流體流變行為的類型和特點。

2、掌握影響流動的因素。

3、了解聚合物的彈性行為和不穩(wěn)定流動。

2.1聚合物的流變行為

本節(jié)內(nèi)容包括以下三部分：

2.1.1流動規(guī)律

2.1.2流動的影響因素

2.1.3流動中的彈性行為

2.1.1流動規(guī)律

大多數(shù)成型過程中都要求聚合物處于粘流狀態(tài)（塑化狀態(tài)），因為在這種

狀態(tài)下聚合物不僅易于流動，而且易于變形，這給它的輸送和成型都帶

來極大的方便。為使塑料在成型過程中易于流動和變形，并不限定用粘

流態(tài)的聚合物（聚合物熔體），采用聚合物的溶液或分散體（懸浮液）等也

是可以的，熔體和分散體都屬于液體的范疇。

液體的流動和變形都是在受有應(yīng)力的情況下得以實現(xiàn)的。重要的應(yīng)

力有剪切、拉伸和壓縮應(yīng)力三種。三種應(yīng)力中，剪切應(yīng)力對塑料的成型

最為重要，因為成型時聚合物熔體或分散體在設(shè)備和模具中流動的壓力

降、所需功率以及制品的質(zhì)量等都受到它的制約。拉伸應(yīng)力在塑料成型

中也較重要，經(jīng)常是與剪切應(yīng)力共同出現(xiàn)的，例如吹塑中型坯的引伸，

吹塑薄膜時泡管的膨脹，塑料熔體在錐形流道內(nèi)的流動以及單絲的生產(chǎn)

等等。壓縮應(yīng)力一般不是很重要，可以忽略不計。但這種應(yīng)力對聚合物

的其它性能卻有一定的影響，例如熔體的粘度等，所以在某些情況下應(yīng)

給予考慮。

流體在平直管內(nèi)受剪切應(yīng)力而引發(fā)的流動形式有層流和湍流兩種，

聚合物流體由于粘度較大屬于層流。聚合物流體根據(jù)其流動特點可以分

為以下兒類：

1、牛頓流體：剪切應(yīng)力與剪切速率呈直線關(guān)系，粘度依賴于流體

的分子結(jié)構(gòu)和其它外界條件，與剪切應(yīng)力和剪切速率的變化無關(guān)。事實

上，真正屬于流體的只是低分子化合物的液體或溶液，聚合物熔體除聚

碳酸酯和偏二氯乙烯一氯乙烯共聚物少數(shù)兒種與牛頓液體相近以外，絕

大數(shù)都只能在剪切應(yīng)力很小或很大時表現(xiàn)為牛頓流體。

2、賓漢流體：這種流體與牛頓流體相同的是，其剪切應(yīng)力和剪切

速率的關(guān)系表現(xiàn)為直線，不同的是它的流動只有當(dāng)剪切應(yīng)力高至于一定

值Ty后才發(fā)生塑性流動。賓漢流體所以有這種形為，是因為流體在靜

止時形成了凝膠結(jié)構(gòu)，外力超過Ty時這種三維結(jié)構(gòu)即受以破壞。牙膏、

油漆、潤滑脂、鉆井用的泥漿、下水污泥、聚合物在良溶劑中的濃溶液

和凝膠性糊塑料等屬于或接近于賓哈流體。

3、假塑性流體：這種流體是非牛頓流體中最為普通的一種，它所

表現(xiàn)的流動曲線是非直線的。流體的表觀粘度隨剪切應(yīng)力的增加而降

低。多數(shù)聚合物的熔體，也是塑料成型中處理最多的一類物料，以及所

有聚合物在良溶劑中的溶液，其流動行為都具有假塑性流體的特征。

典型的聚合物熔體流動曲線

假塑性流體的粘度隨剪切應(yīng)力或剪切速率的增加而下降的原因與

流體分子的結(jié)構(gòu)有關(guān)。對聚合物溶液來說，當(dāng)它承受應(yīng)力時，原來由溶

劑化作用而被封閉在粒子或大分子盤繞空穴內(nèi)的小分子就會被擠出，這

樣，粒子或盤繞大分子的有效直徑即隨應(yīng)力的增加而相應(yīng)地縮小，從而

使流體粘度下降。因為粘度大小與粒子或大分子的平均大小成正比，但

不一定是線性關(guān)系。對聚合物熔體來說，造成粘度下降的原因在于其中

大分子彼此之間的纏結(jié)。當(dāng)纏結(jié)的大分子承受應(yīng)力時，其纏結(jié)點就會被

解開，同時還沿著流動的方向規(guī)則排列，因此就降低了粘度。纏結(jié)點被

解開和大分子規(guī)則排列的程度是隨應(yīng)力的增加而加大的。顯然，這種大

分子纏結(jié)的學(xué)說，也可用以說明聚合物熔體粘度隨剪切應(yīng)力增加而降低

的原因。

幾種熱塑性塑料的表觀粘度與剪切應(yīng)力關(guān)系

A低密度聚乙烯(170℃)；B一乙丙共聚物(230℃)；C一聚甲基丙烯

酸甲酯(230℃；

D一甲醛共聚物(200℃)；E一尼龍一66(285℃)

4、膨脹性流體：這種流體的流動曲線也不是直線，與假塑性流體

不同的是它的表觀粘度會隨剪切應(yīng)力的增加而上升。屬于這一類型的流

體大多數(shù)是固體含量高的懸浮液，處于較高剪切速率下的聚氯乙烯糊塑

料的流動行為就很接近這種流體。膨脹性流體所以有這樣的流動行為，

多數(shù)的解釋是：當(dāng)懸浮液處于靜態(tài)時，體系中由固體粒子構(gòu)成的空隙最

小，其中流體只能勉強充滿這些空間。當(dāng)施加于這一體系的剪切應(yīng)力不

大時，也就是剪切速率較小時,流體就可以在移動的固體粒子間充當(dāng)潤

滑劑，因此，表觀粘度不高。但當(dāng)剪切速率逐漸增高時，固體粒子的緊

密堆砌就次第被破壞，整個體系就顯得有些膨脹。此時流體不再能充滿

所有的空隙，潤滑作用因而受到限制，表觀粘度就隨著剪切速率的增長

而增大。

流動

流動規(guī)律符合的流體備注

類型

牛頓T-rj'Y

PC和PVDC接近低分子多為此類

流體（n為常數(shù)）

丁一丁y="/

賓漢凝膠糊、良溶劑的在剪切力增大到一定值

（Ty和n為常

流體濃溶液后才能流動。

數(shù)）

假塑

T=K?/…大多數(shù)聚合物熔剪切增加，粘度下降。

性流

n<l體、溶液、糊原因為分子“解纏”

體

膨脹r=K-y…

高固體含量的糊剪切增加，粘度升高。

性流n>l

剪切速率力s-t)

聚合物不同類型的流動曲線

2.1.2流動的影響因素

聚合物熔體粘度的大小直接影響塑料成型過程的難易。例如在注射

成型過程中，如果粘度過大，就要求有較高的注射壓力，制品的大小受

到限制，而且制品還容易出現(xiàn)缺陷；如果粘度過小，溢?，F(xiàn)象嚴重，產(chǎn)

品質(zhì)量也不容易保證。在擠出、壓延和其它成型工藝中，也同樣要求聚

合物有適宜的熔體粘度，粘度太大或太小都會給成型帶來困難。根據(jù)上

述影響熔體粘度的各種因素的分析，可按不同的聚合物選擇適當(dāng)?shù)墓に?/p>

條件，使熔體粘度達到成型操作的要求。

(―)外界因素:

1、溫度

升高溫度可使聚合物大分子的熱運動和分子間的距離增大，從而

降低熔體粘度。式中n為流體在re時的剪切粘度,

n0為某一基準(zhǔn)溫度T0℃時的剪切粘度，e為自然對數(shù)的底，a

為常數(shù)。從實驗知，在溫度范圍不大于50℃時，對大多數(shù)流體來說

都是常數(shù)，超出此范圍則誤差較大。

兒種熱塑性塑料的表觀粘度與剪切應(yīng)力的關(guān)系

意義：可以通過調(diào)節(jié)溫度來改變高分子的加工性。從表中可知：聚

合物分子鏈剛性越大和分子間的引力越大時，表觀粘度對溫度的敏感性

也越大。表觀粘度對溫度的敏感性一般比它對剪切應(yīng)力或剪切速率要強

些。在成型操作中，對一種表觀粘度隨溫度變化不大的聚合物來說，僅

憑增加溫度來增加其流動性是不適合的，因為溫度即使升幅很大，其表

觀粘度卻降低有限(如聚丙烯、聚乙烯、聚甲醛等)。另一方面，大

幅度地增加溫度很可能使它發(fā)生熱降解，從而降低制品質(zhì)量，此外成型

設(shè)備等的損耗也較大，并且會惡化工作條件。相對而言。在成型中利用

升溫來降低聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯和聚酰胺一66等聚合物熔體

的粘度是可行的，因為升溫不多即可使其表觀粘度下降較多。

溫敏性塑料：溫度升高粘度下降明顯的塑料，主要品種有PC、PMMA

等分子鏈剛性較大的聚合物。

2、剪切T=K?夕…

意義：可以通過調(diào)節(jié)剪切應(yīng)力或剪切速率來改變流動性。但注意如

果聚合物的熔體粘度對剪切作用很敏感，在操作中就必須嚴格控制螺桿

的轉(zhuǎn)速或壓力不變，否則剪切速率的微小變化都會引起粘度的顯著改

變，致使制品出現(xiàn)表面不良，充模不均，密度不勻或其它弊病。

剪敏性塑料：剪切速率或剪切應(yīng)力升高粘度明顯下降的塑料，主要

品種有PEPPPS等分子鏈柔性較大的聚合物。

3、壓力

一般低分子的壓縮性不很大，壓力增加對其粘度的影響不大。但是,

聚合物由于具有長鏈結(jié)構(gòu)和分子鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生空洞較多，所以在加工

溫度下的壓縮性比普通流體大得多。聚合物在高壓下（注射成型時受

壓達35?300MPa）體積收縮較大，分子間作用力增大，粘度增大，

有些甚至?xí)黾邮兑陨?，從而影響了流動性?/p>

聚合物結(jié)構(gòu)不同對壓力的敏感性不同。一般情況下帶有體積龐大的

苯基的聚合物，分子量較在、密度較低者其粘度受壓力的影響較大。但

壓力的影響比較復(fù)雜，規(guī)律并不明顯，所以在較低壓力下可忽略不計，

壓力較在時要具體情況具體對待。

（二）原料的影響

1、分子鏈的極性：極性越大，粘度越高，流動性越差。

2、分子量：分子量越大，粘度越高，流動性越差。

3、分子量分布：分子量分布寬比分布窄的，剪切速率提高，粘度下降

變化明顯。

4、添加劑（剛性添加劑，柔性添加劑）：剛性添加劑提高粘度，柔性

添加劑降低粘度。

2.1.3流動中的彈性行為

聚合物流體在流動過程中，不僅有剪切流動，而且存在拉伸流動。

由于流動中的拉伸力，使聚合物分子產(chǎn)生彈性變形，這種彈性變形不能

很快恢復(fù)，有一定的滯后時間。彈性形變恢復(fù)時會產(chǎn)生以下兒種彈性行

為。

1、擠出脹大

聚合物分子在流動中受到拉伸力的作用，彈性變形受到粘性阻滯,

出口模后才能恢復(fù)，對制品的外觀、尺寸，對產(chǎn)量和質(zhì)量都有影響。增

加管子或口模平直部分的長度（即增加口模的長徑比），適當(dāng)降低成型

時的壓力和提高成型溫度，采用強制定型裝置，并對擠出物加以適當(dāng)速

度的牽引或拉伸等，均有利于減小或消除彈性變形帶來的影響。

擠出機

2、“鯊魚皮癥”

“鯊魚皮癥”是發(fā)生在擠出物表而上的一種缺陷。這種缺陷可

自擠出物表面發(fā)生悶光起，變至表面呈現(xiàn)與流動方向垂直的許多具有規(guī)

則和相當(dāng)間距的細微棱脊為止。其起因有認為是擠出口模對擠出物表面

所產(chǎn)生的周期性張力，也有認為是口模對熔體發(fā)生時粘時滑的作用所帶

來的結(jié)果。根據(jù)研究得知：①這種癥狀不依賴于口模的進口角或直徑，

而且只能在擠出物的線速度達到臨界值時才出現(xiàn)；②這種癥狀在聚合物

相對分子質(zhì)量低、相對分子質(zhì)量分布寬，擠出溫度高和擠出速率低時不

容易出現(xiàn)；③提高E1模末端的溫度有利于減少這種癥狀，但與口模的

光滑程度和模具的材料關(guān)系不大。

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7

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穩(wěn)定流動與不穩(wěn)定流動的速度分布

3、熔體破碎

塑料的擠出或注射成列中?？吹竭@樣一種現(xiàn)象，在較低的剪切速

率范圍內(nèi)，擠出物的表而光滑，形狀均勻.但當(dāng)剪切速率過大超過一定

極限值時，從?？诔鰜淼臄D以物，其表面變得粗糙、失去光澤、粗細不

勻和彎曲，這種現(xiàn)象被稱為“鯊魚皮癥”。此時如再增大剪切速率，擠

出物會成為波浪形、竹節(jié)形或周期件螺旋形，在極端嚴重的情況下，會

斷裂。這種現(xiàn)象稱為“熔體破裂”。我們把以上出現(xiàn)的情況都稱為不穩(wěn)

定流動。目前對“熔體破裂”的解釋是，在流動中，中心部位的聚合物

受到拉伸，由于它的粘彈性，在流場中產(chǎn)生了可回復(fù)的彈性形變。形變

程度隨剪切速率的增大而增大。當(dāng)剪切速率增大到一定程度，彈性形變

到達極限，熔體再不能夠承受更大的形變了，于是流線發(fā)生周期性斷開,

造成“破裂”。另一種解釋是“粘一滑機理”，由于熔體與流道壁之間

缺乏粘著力，在某一臨界切應(yīng)力以上時，熔體產(chǎn)生滑動，流線出現(xiàn)不連

續(xù)性，使得有不同形變歷史的熔體段錯落交替地組成擠出物。①熔體

破碎只能在管壁處剪切應(yīng)力或剪切速率達到臨界值后才會發(fā)生；②臨界

值隨著口模的長徑比和擠出溫度的提高而上升；③對大多數(shù)塑料來說，

臨界剪切應(yīng)力約為10s?10ePao塑料品種和牌號不同，此臨界值有

所不同；④臨界剪切應(yīng)力隨著聚合物相對分子質(zhì)量的降低和相對分子質(zhì)

量分布幅度的增大而上升；⑤熔體破碎與口模光滑程度的關(guān)系不大，但

與模具材料的關(guān)系較大；⑥如果使口模的進口區(qū)流線型化，常可以使臨

界剪切速度增大十倍或更多⑦某些聚合物，尤其是高密度聚乙烯，顯

示有超流動區(qū)，即在剪切速率高出尋常臨界值時擠出物并不出現(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。

BCDEF

l

-Z)

I?J

PAJ，1

.J

2.2聚合物的加熱與冷卻

學(xué)習(xí)目標(biāo)

1、掌握聚合物熱擴散系數(shù)對其加熱和冷卻的影響

2、注意結(jié)晶性聚合物熔融的特征

2.2聚合物的加熱與冷卻

i、塑料的熱擴散系數(shù)遠遠小于金屬、鋼材、玻璃等材料，這說明聚合

物熱傳導(dǎo)的速率很小，冷卻和加熱都不很容易。

某些材料的熱性能

材料Cp/cal(g,C)”k/10-"cal?cm-2?sC1Q/1。"■cm2"s'1

聚酰胺0.405.512

聚乙烯施密度）0.5511.513.5

聚乙烯（低密度）0.558.016

聚丙烯0.463.38

聚苯乙烯0.323.010

聚氯乙烯健）0.245.015

聚氯乙烯徽）0.3~0.53.0—4.08.5~6.0

ABS塑料0.385.011

聚甲基丙烯酸甲酯0.354.511

聚甲醛0355.511

聚碳酸酯0.304.613

聚砌0.36.216

酚甲鰲塑料沐粉埴充）0.355.511

盼甲醛塑料（T物埴充）0.301222

版甲醛塑料0.48.514

密胺塑料0.44.58

醋酸纖維素0.4612

玻璃0.22037

鋼材0.111100950

銅0.092100001200

意義：聚合物加熱時有一項限制，就是不能將推動傳熱速率的溫差

提得過高，因為聚合物的傳熱既然不好，則局部溫度就可能過高，會引

起降解。聚合物熔體在冷卻時也不能使冷卻介質(zhì)與熔體之間溫差太大，

否則就會因為冷卻過快而使其內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。因為聚合物熔體在快速

冷卻時，皮層的降溫速率遠比內(nèi)層為快，這樣就可能使皮層溫度已經(jīng)低

于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度而內(nèi)層依然在這一溫度之上。此時皮層就成為堅硬的

外殼，彈性模量遠遠超過內(nèi)層（大至103倍以上）。當(dāng)內(nèi)層獲得進

一步冷卻時一，必會因為收縮而使其處于拉伸的狀態(tài)，同時也使皮層受到

應(yīng)力的作用。這種冷卻情況下的聚合物制品，其物理機械性能，如彎曲

強度、拉伸強度等都比應(yīng)有的數(shù)值低。嚴重時.，制品會出現(xiàn)翹曲變形以

致開裂，成為廢品。

2、注意聚合物加熱中的外熱和內(nèi)部剪切熱的配合，防止局部過熱分解。

由于許多聚合物熔體的粘度都很大，因此在成型過程中發(fā)生流動

時，會因內(nèi)摩擦而產(chǎn)生顯著的熱量。此摩擦熱在單位體積的熔體中產(chǎn)生

的速率Q為：

3、結(jié)晶性聚合物在熔融時需要大量的熱，成型中要注意這一點。

2.3聚合物的結(jié)晶

學(xué)習(xí)目標(biāo)

1、了解聚合物的結(jié)晶過程

2、明確結(jié)晶度的概念

3、明確結(jié)晶對性能影響

4、注意成型中如何控制結(jié)晶

2.3聚合物的結(jié)晶

一、聚合物的結(jié)晶能力：聚合物分子結(jié)構(gòu)的規(guī)整性、分子鏈節(jié)的柔順

性、分子間的作用力對結(jié)晶能力都有影響。常見的結(jié)晶性聚合物有：

PE、PP、PA、PVDC、POM、PET等。

二、結(jié)晶過程的推測

鏈?zhǔn)绘湈б痪粏尉б磺蚓?/p>

三、結(jié)晶度：由于聚合物結(jié)晶的復(fù)雜性，所以聚合物不能完全結(jié)晶，

存在一定的結(jié)晶度。

聚合物結(jié)晶度％

LDPE45~74

HDPE65?95

PP55?60

PET20?60

測定聚合物結(jié)晶度的常用方法有量熱法、X射線衍射法，密度法,

紅外光譜法以及核磁共振法等。

四、結(jié)晶對性能的影響：

由于結(jié)晶作用使大分子鏈段排列規(guī)整，分子間作用力增強，因而

使制品的密度、剛度、拉伸強度、硬度、耐熱性、抗溶性、氣密性和

耐化學(xué)腐蝕性等性能提高，而依賴于鏈段運動的有關(guān)性能，如彈性、

斷裂伸長率、沖擊強度則有所下降。制品中含一定量的無定形部分，

可增加結(jié)晶制品的韌性和力學(xué)強度，但能使制品各部分的性能不均

勻，甚至?xí)?dǎo)致制品翹曲和開裂。結(jié)晶度升高耐化學(xué)性、熔點也均

有所提高，透明性下降。

晶粒對透明性影響很大，小的球晶，透明性好。

五、成型中影響結(jié)晶的因素：

1、冷卻速度慢，聚合物的結(jié)晶過程接近于等溫靜態(tài)過程，結(jié)晶從均

相成核作用開始，在制品中容易形成大的球晶。而大的球晶結(jié)構(gòu)使制

品發(fā)脆，力學(xué)性能下降，同時冷卻速度慢，加大了成型周期，并因冷

卻程度不夠而易使制品扭曲變形。故大多數(shù)成型過程很少采用緩慢的

冷卻速度。

冷卻速度快，熔體的過冷程度大，驟冷甚至使聚合物來不及結(jié)晶

而成為過冷液體的非晶結(jié)構(gòu)，使制品體積松散。而在厚制品內(nèi)部仍可

形成微晶結(jié)構(gòu)，這樣由于內(nèi)外結(jié)晶程度不均勻，會使制品產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

同時由于制品中的微晶和過冷液體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，成型后的繼續(xù)結(jié)晶會

改變制品的形狀尺寸和力學(xué)性能。

2、塑料在擠出、注射、壓延、模壓和薄膜拉伸等成型過程中，由于

受到高應(yīng)力的作用而使聚合物的結(jié)晶作用加快。這是因為在應(yīng)力作用

下聚合物熔體的取向，起到了誘發(fā)成核的作用（在拉伸和剪切應(yīng)力

作用下，大分子沿力方向伸直并排成有序排列，有利于晶核形成和晶

體的生長），使結(jié)晶速度增加。熔體的結(jié)晶度還隨壓力的增加而提高,

并且壓力能使熔體結(jié)晶溫度升高。

此外，應(yīng)力對晶體的結(jié)構(gòu)和形態(tài)也有影響。例如在剪切應(yīng)力或拉

伸應(yīng)力作用下，塑料熔體中往往生成一長串的纖維狀晶體。壓力也能

影響球晶的大小和形狀，低壓下形成的是大而完整的球晶，高壓下則

生成小而形狀不規(guī)則的球晶。

3、在聚合物中加入成核劑可提高結(jié)晶度，提高定型速度，減小晶粒

的直徑，提高透明度。

4、退火（熱處理）的方法能夠使結(jié)晶聚合物的結(jié)晶趨于完善

（結(jié)晶度增加），比較不穩(wěn)定結(jié)晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，微

小的晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)檩^大的晶粒等。退火可明顯使晶片厚度增加，熔點提

高，但在某些性能提高的同時又可能導(dǎo)致制品“凹陷”或形成空洞及

變脆。此外退火也有利于大分子的解取向和消除注射成型等過程中制

品的凍結(jié)應(yīng)力。

2.4成型過程中的定向作用

學(xué)習(xí)目標(biāo)

1、能夠分析制品的流動取向程度及對制品性能影響

2、掌握拉伸取向的影響因素

3、注意拉伸制品的生產(chǎn)原理

2.4成型過程中的定向作用

1、熱固性塑料模壓制品中纖維狀填料的定向

為探討填料的定向，可用成型扇形（1/4圓形，見圖2—25）

片狀物為例來說明。實驗證明，扇形片狀試樣切線方向的機械強度總

是大于徑線方向，而在切線方向的收縮率又往往小于徑向。基于這種

測定和顯微分析的結(jié)果并結(jié)合以上討論的情況，可推斷出填料在模壓

過程中的位置變更基本上是按照圖示順次進行的?？梢钥闯?，填料排

列的方向主要是順著流動方向的，碰上阻斷力（如模壁等）后，它

的流動就改成與阻斷力成垂直的方向。

2、熱塑性塑料成型過程中聚合物分子的定向

用熱塑性塑料生產(chǎn)制品時，只要在生產(chǎn)過程中存在著熔體流動，

幾乎都有聚合物分子定向的問題，不管生產(chǎn)方法如何變化，影響定向

的外界因素以及因定向在制品中造成的后果基本上也是一致的。

圖示是長條形注射模塑制品的定向情況。從圖可以看出，分子定

向程度從澆口處起順著料流的方向逐漸增加，達至最大點（偏近澆

口一邊）后又逐漸減弱。中心區(qū)與鄰近表面的一層，其定向程度都

不很高，定向程度較高的區(qū)域是在中心兩側(cè)次表層一帶。以上各區(qū)的

定向程度都是根據(jù)實際試樣用雙折射法測量的結(jié)果

3、以長條形試樣為例分析流動取向度。

聚向程度取決于剪切力大小、作用時間和解取向的程度。（1）分

子定向是流動速度梯度誘導(dǎo)而成的，而這種梯度又是剪應(yīng)力造成的：

（2）當(dāng)所加應(yīng)力已經(jīng)停止或減弱時，分子定向又會被分子熱運動所摧

毀（解取向）。分子定向在各點上的差異應(yīng)該是這兩種對立效應(yīng)的凈

結(jié)果。

分析過程：現(xiàn)在就以圖2—26所示試樣來分析這種情況。當(dāng)熔

融塑料由料筒通向澆口而向塑模流入時，凡與模壁（模壁溫度較

低）接觸的一層都會凍結(jié)。導(dǎo)致塑料流動的壓力在入模處應(yīng)是最高,

而在料的前鋒應(yīng)是最低，即為常壓。由于誘導(dǎo)分子定向的剪應(yīng)力是與

料流中壓力梯度成正比的，所以分子定向程度也是在入模處最高，而

在料的前鋒最低。這樣前鋒料在承受高壓（承受高壓應(yīng)在塑料充滿

模腔之后）之前，與模壁相遇并行凍結(jié)時，凍結(jié)層中的分子定向就

不會很大，甚至沒有。緊接表層的內(nèi)層，由于冷卻較慢，因此當(dāng)它在

中心層和表層問淤積而又沒有凍結(jié)的時間內(nèi)是有機會受到剪應(yīng)力的

（在型腔為塑料充滿之后），所以臨近表層處，分子就會發(fā)生定向。

其次，再考慮型腔橫截面上各點剪應(yīng)力的變化情況。如果模壁與塑料

的溫度相等，則模壁處的剪應(yīng)力應(yīng)該最大，而中心層應(yīng)是最小。但從

貼近模壁一層已經(jīng)凍結(jié)的實際情況來看，在型腔橫截面上能受剪應(yīng)力

作用而造成分子定向的料層僅限于塑料仍處于熔態(tài)的中間一部分。這

部分承受剪應(yīng)力最大的位置，是在熔態(tài)塑料柱的邊緣，即表層與中心

層的界面上。由此當(dāng)不難想到分子定向程度最大的區(qū)域應(yīng)該像圖示的

區(qū)域，而越向中心定向程度應(yīng)該越低。再次，塑料注入型腔后，首先

在橫截面上堵滿的地位既不會在型腔的盡頭，也不會在澆口的四周，

而是在這兩者之間，這是很明顯的。最先充滿的區(qū)域，它的凍結(jié)層應(yīng)

是最厚（以塑料充滿型腔的瞬時計），而且承受剪應(yīng)力的機會也最

多，因為在充滿區(qū)的中間還要讓塑料通過，這就是圖示定向程度最大

的地方。

2、流動取向會造成制品各向異性，存在內(nèi)應(yīng)力，一般不希望在制品

中存在取向。

塑料試樣在分子定向的力學(xué)強度

拉伸強度/MPa伸觸/N

塑料

橫向直向搔向商向

聚苯乙烯20.045.00.91.6

苯乙烯一丁二烯一丙烯脂共聚物36.572.01.02.2

高沖擊聚苯乙烯21023.03.017.0

高密度聚乙烯29.030?030.072

聚碳酸酯65.066.5——

影響取向的因素主要有：①隨著塑模溫度、制品厚度（即型腔

的深度）、塑料進模時的溫度等的增加，分子定向程度即有減弱的

趨勢；②增加澆口長度、壓力和充滿塑模的時問，分子定向程度也隨

之增加；③分子定向程度與澆口安設(shè)的位置和形狀有很大關(guān)系，為減

少分子定向程度，澆口最好設(shè)在型腔深度較大的部位。

下圖為利用流動取向的“錢鏈”形制品

流

動

取

向

部

位

取向

拉伸

物的

聚合

二、

度

的溫

之間

熔點

度與

化溫

玻璃

子在

物分

聚合

果將

中如

過程

成型

著拉

上沿

程度

很大

將在

子鏈

的分

其中

，則

向拉伸

一個方

，沿著

區(qū)域內(nèi)

向

由于定

向。

了定

出現(xiàn)

程中

伸過

在拉

分子

也就是

排列，

作整齊

伸方向

室溫

冷至

迅速

并經(jīng)

拉伸