塑料成型工藝學第二章演示文稿目前一頁\總數四十四頁\編于十九點塑料成型工藝學第二章目前二頁\總數四十四頁\編于十九點塑料成型是工程技術，將塑料轉變為具有使用價值、保持原有性能，或超過原有性能的材料和制品。過程中的變化，物理變化、化學變化，形態結構改變，表現性能改變。必須對這些變化有所認識。研究目的：原料配方，工藝、設備提出合理的要求。對材料進行結構和性能設計，構造出能滿足不同場合需要的材料和制品。內容：聚合物的流變、傳熱、結晶、定向和化學反應等現象。其它的一些內容，則將分散在以后各章中討論。目前三頁\總數四十四頁\編于十九點2.2

聚合物的流變行為目前四頁\總數四十四頁\編于十九點一、剪切粘度和牛頓流動

熔體與分散體：常態（結晶態、玻璃態），高彈態，粘流態。應用種類：液體的流動和變形都是在受有應力的情況下得以實現的。重要的應力有剪切、拉伸和壓縮應力三種。目前五頁\總數四十四頁\編于十九點剪切應力：剪切使流體克服阻力而流動設備中，模具中；一般把流體看成許多層，層與層之間的作用力。拉伸應力：與剪切應力共同出現的，（聚合物流體的特性之一）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的流動，及單絲的生產等等。

壓縮應力：聚合物是可壓縮流體，某些情況出現影響。（理論研究缺乏）目前六頁\總數四十四頁\編于十九點牛頓流體層流：液體主體的流動是按許多彼此平行的流層進行的，同一流層之間的各點速度彼此相同，但各層之間的速度卻不一定相等，而且各層之間也無可見的擾動。湍流：流動速度增大且超過臨界值時則流動轉變為湍流。臨界：目前七頁\總數四十四頁\編于十九點式中D為管道直徑，v為液體流動的平均速度，ρ為流體的密度。η為流體的剪切粘度。對通過流體而言，凡Re<2100~2300，均為層流；當Re＝2300～4000時，為過渡流；當Re>4000時則為湍流。聚合物流體的粘度大，流速低，在成型中其Re<10,一般為層流。目前八頁\總數四十四頁\編于十九點目前九頁\總數四十四頁\編于十九點牛頓流體：描述流體層流的最簡單規律是牛頓流動定律。該定律稱：當有剪切應力τ（用N/m2或Pa表示）于定溫下施加到兩個相距為辦的流體平行層面并以相對速度dv運動（見圖2－1），則剪切應力與剪切速率dv／dr（s－）之間呈直線關系，可表示如式：

式中η為比例常數，稱為切變粘度系數或牛頓粘度，簡稱粘度，單位為Pa.S。目前十頁\總數四十四頁\編于十九點

牛頓型流體的流動曲線是通過原點的直線，該直線與r軸夾角θ的正切值是牛頓粘度值（圖2－2）。

高聚物的熔體：大部分只能在剪切應力很小時才能符合牛頓流體，大部分不符合牛頓流體；聚合物分散體溶液在成型過程中也不是牛頓流體。非牛流體

目前十一頁\總數四十四頁\編于十九點二、非牛頓型流體及流動

非牛頓型流體：流動行為不遵從牛頓流動定律的，均稱為。表觀粘度：剪切應力和剪切速率的比值不再稱為粘度而稱為，

在一定溫度下并不是一個常數，可隨剪切應力、剪切速率而變化，甚至有些還隨時間而變化。忽略聚合物熔體的彈性（這將在以后討論），將非牛頓流體歸為兩個系統。分別：粘性系統（主要），時間依賴系統。目前十二頁\總數四十四頁\編于十九點1．粘性系統

發生流動時的特性是:其剪切速率只依賴于所施加剪切應力的大小。

可分為賓哈流體、假塑性流體和膨脹性流體。目前十三頁\總數四十四頁\編于十九點

(1)

賓哈流體

與牛頓流體相同，其剪切應力和剪切速率的關系表現為直線。

不同:剪切應力高至一定值τy后才發生塑性流動。使流體產生流動的最小應力τy，稱為屈服應力。賓哈流體的流動方程為：

式中ηp稱為剛度系數，等于流動曲線的斜率。目前十四頁\總數四十四頁\編于十九點

賓哈流體機理：靜止時形成了凝膠結構，外力超過τy時這種三維結構即受到破壞。實例：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。目前十五頁\總數四十四頁\編于十九點（2）假塑性流體

表現的流動曲線是非直線的。但并不存在屈服應力。流體的表觀粘度隨剪切應力的增加而降低。

大多數聚合物的熔體，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。

目前十六頁\總數四十四頁\編于十九點圖2－4是在對數坐標上繪制的聚合物熔體的流動曲線。

目前十七頁\總數四十四頁\編于十九點

圖2－4是在對數坐標上繪制的聚合物熔體的流動曲線。A與B是分別在溫度Tl和T下所繪的曲線，T1＜T2。A與B兩條曲線均接近于直線。

曲線直線

如果將剪切應力或剪切速率的范圍縮小，則A和B將更接近于直線。近似的直線在剪切應力軸上所跨越的范圍約為一個數量級，而在剪切速率軸上則約為一個半到兩個數量級。由此可以得知：在任何給定范圍內，剪切應力和剪切速率的關系可用指數定律來描述，即：

目前十八頁\總數四十四頁\編于十九點

式中K與n均為常數（n＜1）。K是這種流體稠度的一種量度，流體粘稠性越大時，K值就越高；n是判定流體與牛頓流體的差別程度的。n值離整數1越遠時，流體的非牛頓性就越強；n為1時，流體即為牛頓流體。

目前十九頁\總數四十四頁\編于十九點

指數函數僅是描述假塑性流體流動行為的一種方式。從工程角度講，在解決具體問題時要求一個公式描述流體流動的剪切應力范圍并不十分寬，所以多采用簡單經驗性的指數函數。

表示假塑性流體流動行為的指數函數，還可以用另一種形式表示（2-5）

式中k與m也是常數（m＞1）。K稱為流動度或流動常數，k值越小時表明流體越粘稠，也是越不易流動。

目前二十頁\總數四十四頁\編于十九點各個參數的關系如下：目前二十一頁\總數四十四頁\編于十九點假塑性流體的粘度隨剪切應力或剪切速率的增加而下降的原因與流體分子的結構有關。機理如下：溶液，當它承受應力時，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力的增加而相應地縮小，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，但不一定是線性關系。目前二十二頁\總數四十四頁\編于十九點

熔體，原因在于其中大分子彼此之間的纏結。當纏結的大分子承受應力時，其纏結點就會被解開，同時還沿著流動的方向規則排列，因此就降低了粘度。纏結點被解開和大分子規則排列的程度是隨應力的增加而加大的。顯然，這種大分子纏結的學說，也可用以說明聚合物熔體粘度隨剪切應力增加而降低的原因。目前二十三頁\總數四十四頁\編于十九點

指數函數用式（2一5）描述聚合物熔體流動行為時，式中的m值一般在1.5至4的范圍內變化，但當剪切速率增高時，某些聚合物的m值可達至5。圖2－4中所示的流動曲線，其m值約為3。平均相對分子質量相同的同一種聚合物，其相對分子質量分布幅度大的流動性對所施應力的敏感性大。目前二十四頁\總數四十四頁\編于十九點幾種熱塑性塑料的表觀黏度與剪切應力的關系見圖2-5。也表示剪切力、剪切速率和表觀黏度之間的關系。目前二十五頁\總數四十四頁\編于十九點（3）膨脹性液體（高固含量的懸浮液）

這種流體的流動曲線也不是直線（圖2一3），而且也不存在屈服應力，但與假塑性流體不同的是它的表現粘度會隨剪切應力的增加而上升。膨脹性流體的流動行為也可以用式（2一4）或式（2－5）來描述，只是式（2－4）中的常數n大于1；式（2－5）中的常數則小于1。

目前二十六頁\總數四十四頁\編于十九點機理：

靜態時，體系中由固體粒子構成的空隙最小，其中流體只能勉強充滿這些空間。當施加于這一體系的剪切應力不大時，也就是剪切速率較小時，流體就可以在移動的固體粒子充當潤滑劑，因此，表觀粘度不高。剪切速率逐度漸增高時，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。

目前二十七頁\總數四十四頁\編于十九點

2．有時間依賴性的系統

特征：剪切速率不僅與所施加的剪切應力的大小有關，而且還依賴于應力施加時間的長短。應力不變時，這種流體在恒溫下的表觀粘度會隨著所施加應力的持續時間而逐漸上升或下降，上升或下降到一定值后達到平衡不再變化。變化是可逆性的，因為流體中的粒子或分子并沒有發生永久性的變化。表觀粘度隨剪切應力持續時間下降的流體稱為搖溶性（或觸變性）流體，與此相反的則稱為震凝性流體。目前二十八頁\總數四十四頁\編于十九點

搖溶性。某些聚合物的溶液。如涂料和油墨等；震凝性。某些漿狀物，如石膏的水溶液等。流動機理研究得不夠深透，目前認為與假塑性和膨脹性流體極為相似，所不同的只是在流動開始后需一定時間以達到平衡。盡管有些學者已對高分子材料的觸變機理作了探討，并提出了觸變結構模型，建立了觸變動力學方程，但要求得實質性的解，還有一定距離。

目前二十九頁\總數四十四頁\編于十九點時間依賴的流體圖示：目前三十頁\總數四十四頁\編于十九點3.成型操作中的剪切速率

幾種主要的成型操作中，塑料所受到的剪切速率范圍見表2—1

目前三十一頁\總數四十四頁\編于十九點

對給定的塑料來說，如果通過實驗求得了在這種范圍內的粘度數據（即流動曲），則對這種塑料在指定成型方法中的操作難易程度就能作出初步判斷。例如在注射模塑時，如果某一塑料熔體在溫度在不大于其陣解溫度而于剪切速率103s－1的情況下測得其表觀粕度為50-500Pa.S；則注射中將不會發生困難。表觀粘度過大，則塑模的大小與設計就受有較的限制，同時成型制品很易出現缺陷；過小時，溢模的現象比較嚴重，制品的質量也以保證．通常所見塑料熔體粘度范圍為10－107Ps.S；、分散體的粘度約在1Ps.S左右。目前三十二頁\總數四十四頁\編于十九點三、拉伸粘度

由拉伸應力而引起的流動，而不是由剪切應力仿照下式：

則有：目前三十三頁\總數四十四頁\編于十九點

式中?為拉伸速率變化，λ粘度：σ為拉伸應力，是以拉伸時真正斷面積計算的。拉伸流動的概念可由圖2—6來說明，一個流體單元由位（1）變至（2）時，形狀發生了不同于剪切流動的變化:

由此可見，剪切流動是與拉伸流動有區別的，前者是液體中一個平面在另一個平口上的滑動，而后者則是一個平面兩個質點間的距離拉長．此外．拉伸粘度還隨所拉應力是單向、雙向等而異，這是剪切粘度所沒有的。λ目前三十四頁\總數四十四頁\編于十九點

假塑性流體的拉伸黏度λ隨著ε拉伸應變速率的增加可能的變化:

降低（由于解纏結），如HDPE,PP等高聚合度線型高聚物，局部弱點拉伸過程引起熔體破裂．

升高（拉直與沿著拉伸取向），LDPE,PS，聚異丁烯等支化聚合物，拉伸過程的局部弱點均化，拉伸應變硬化（拉直排列和取向）

不變（兩種效應相抵），PMMA,ABS,PA,POM,PET等低聚合度的線型高聚物.特點：拉伸黏度隨應力變化一般以增加為主要現象，即使有的下降也很小（相對于剪切黏度）．小分子：λ＝3η，聚合物大應力：λ＝100η拉伸應力具有較大的影響．中空加工黏度上升，制品均勻，較少應力集中．目前三十五頁\總數四十四頁\編于十九點

幾種熱塑性塑料的拉伸應力-拉伸黏度的實測數據：圖2-7。目前三十六頁\總數四十四頁\編于十九點

從圖注意：有些塑料的拉伸粘度甚至在拉伸應力高至106牛頓/米時并無任何變化，有些隨拉伸應力的增大而出現上升或下降．其原因還不清楚．成型中物料所受拉伸應力的分析以及由實驗提供的拉伸粘度數據，在成型工藝和設備設計，都富有指導意義，并正在進一步研究它們與塑料成型之間的關系

目前三十七頁\總數四十四頁\編于十九點四、溫度和壓力對粘度的影響

對流體粘度起作用的因素有溫度、壓力、施加的應力和應變速度等。后兩者對粘度的關系已經論及，這里便討論前兩者對粘度的影響。

1．溫度對剪切粘度的影響溫度與流體剪切粘度（包括表觀粘度）的關系可用式（2－12）表示：目前三十八頁\總數四十四頁\編于十九點式中η為流體在T℃時的剪切粘度，η0為某一基準溫度T0℃時的剪切粘度，e為自然對數的底，a為常數。從實驗知，式（—12）中的a，在溫度范圍不大于50℃時，對大多數流體來說都是常數，超出此范圍則誤差較大。

目前三十九頁\總數四十四頁\編于十九點注意：①如果將式（2－12）用于剪切粘度對剪切應力（或剪切速率）有敏感性的流體時，則該式只有當剪切應力（或剪切速率）保持恒定時才是準確的。②式（2—12）雖然對聚合物的熔體、溶液和糊都適用，但是必須指出，當用于聚合物糊時，應以在所涉及溫度范圍內聚合物沒有發生溶脹與溶解的情況為準。

目前四十頁\總數四十四頁\編于十九點表2－2幾種常用熱塑性塑料熔