塑料成型的理论基础

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1、第二章塑料成型的理论基础2-1概述2-2聚合物成型的流变行为2-3聚合物的加热和冷却2-4聚合物的结晶2-5成型过程中的定向作用2-1概述塑料成型是将塑料转变成具有使用价值并能保持原有性能，甚至超过原有材料性能的制品的一门工程技术。在成型过程中塑料发生物理变化：流动变形、结晶、定向、加热熔融、冷却硬化等。在成型过程中塑料发生化学变化：交联、降解等。2-2聚合物成型的流变行为几乎所有聚合物成型技术都是依靠外力作用下流动与变形的。流变学是研究材料流动和变形的科学，是固体力学和流体力学的有机结合。高分子材料加工过程中流动分三种形式：液体

2、流动（增塑剂输送）、熔体流动和固体流动。在流动过程中遵循能量守恒定律。一、基本流动类型层流和湍流稳态流动和非稳态流动等温流动和非等温流动一维流动、二维流动和三维流动拉伸流动和剪切流动1、层流和湍流层流也称粘性流动，其特征是流体的质点沿平行于流道轴线方向相对运动，与边壁等距离、以同一速度向前移动。湍流是在主流动的横心上作不规则的任意流动。光滑金属管临界雷诺准数Re2000～2300。Re与流速成正比，与粘度成反比。大多数聚合物流体，尤其是熔体，Re不大于10，一般为层流。但是，在特殊场合，如经小浇口注射进大型腔，由于剪切力过大等原因

3、，会出现弹性湍流。2、稳态流动和非稳态流动稳态流动是指流体的流动状态不随时间而变化的流动，其主要特征是引起流动的力与流体的粘性阻力相平衡，即流体的温度、压力、流动速度、速度分布和剪切应变等都不随时间而变化。如正常操作的挤出机中熔体的流动。非稳态流动是指流体的流动状态随时间而变化的流动。聚合物熔体是一弹性流体，在受到恒定外力作用时，同时有粘性形变和弹性形变发生。在弹性形变达到平衡之前，总形变由大到小变化，呈非稳态流动；而在弹性形变达到平衡后，就只有粘性形变随时间延长而均衡地发展，流动进入稳定状态。通常，注射充模时熔体的流动属非稳态流

4、动。3、等温流动和非等温流动等温流动：是指在流体各处的温度保持不变的情况下的流动。在等温流动的情况下流体与外界可以进行热量传递，但传入与传出的热量应保持相等。非等温流动：工艺要求各段温度不同；由于粘性液体流动过程中有能量耗散的生热效应、应力下降引起的流体体积膨胀产生吸热效应，这些都使流道轴向上产生温度差。在塑料成型的实际条件下，聚合物一般均呈非等温流动。但是在一定的流道长度及一定时间范围内，将聚合物的成型过程当做等温流动处理，不会引起过大偏差，可以使流动分析大为简化。4、一维流动、二维流动和三维流动一维流动中，流道内质点的速度仅在

5、一个方向上变化，如聚合物流体在等截面圆管内做层流时，其速度分布仅是圆管半径的函数，是一个典型的一维流动。二维流动中，流道截面上各点的速度需要用两个垂直于流动方向上的坐标表示。如流体在矩形流道内流动，其速度在高度和宽度方向都发生变化。三维流动，流体流速要用三个相互垂直的坐标表示。如流体在锥形流道或其它截面逐渐缩小的通道内流动，其质点的速度不仅沿通道截面纵横两个方向，而且也沿主流动方向发生变化。一维流动为重点。5、拉伸流动和剪切流动流体流动时，即使是层流，各点的流速也不会相同，我们把各点速度的变化方式称为速度分布。质点速度沿流动方向发

6、生变化，称为拉伸流动。拉伸流动分单轴拉伸和双轴拉伸。单轴拉伸特点是一个方向伸长，另两个方向缩短。如合成纤维、扁丝等。双轴拉伸特点是两个方向同时拉伸、另一个方向缩短。如中空吹塑、薄膜生产等。质点速度沿流动方向的垂直方向发生变化，称为剪切流动。剪切流动可能由管壁的表面对流体进行剪切摩擦而产生，即所谓的拖曳流动；也可以因压力梯度作用而产生，即所谓的压力流动，聚合物成型时在管内的流动多属于压力梯度引起的剪切流动。如注射时流道内熔体的流动。二、剪切粘度和非牛顿流体聚合物成型过程中，有熔体、分散体和溶液，都属于液体的范畴。聚合物受外力作用后内

7、部产生与外力相平衡的的力称为应力，单位为帕(Pa)。液体流动和变形所受的应力有三种：剪切应力、拉伸应力和压缩应力。其中剪切应力最重要，其次拉伸应力也常见，压缩应力不常用，但会影响熔体粘度。聚合物受力作用后产生的变形及尺寸的变化称为应变，单位时间内的应变称为应变速率（或速度梯度），单位为s-1。根据流体在剪切流动中的应力及应变速率的关系可将高聚物的流变行为分为牛顿流体和非牛顿流体。高分子流体有以下流动类型宾汉塑性流体牛顿流体与时间无关假塑性流体粘性流体膨胀性流体高分子流体摇溶性（触变性）流体与时间有关非牛顿流体震凝性流体粘弹性流体1

8、、牛顿流体描述流体层流的最简单规律是牛顿流动定律：在一维剪切流动情况下，当有剪切应力于定温下施加到两个相距dr的流体平行层面并以相对速度dv运动，剪切应力与剪切速率成线性关系的流体称为牛顿流体。牛顿流体的流变方程为：剪切应力是单位面积上所受的剪切力