第一章高分子材料的成形品质资料课件.ppt
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- 第一章 高分子材料 成形 品质 资料 课件
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1、第一篇第一篇 高分子成形基础理论高分子成形基础理论第一章第一章 高分子材料的成形品质高分子材料的成形品质l1.1 高分子材料的可成形性高分子材料的可成形性l1.2 高分子成形的形变学特性高分子成形的形变学特性l1.3 高分子成形的热学特性高分子成形的热学特性1.1 高分子材料的可成形性高分子材料的可成形性 l1.1.1 可挤出性可挤出性l1.1.2 可纺性可纺性l1.1.3 可模塑性可模塑性l1.1.4 可延性可延性1.1.1 可挤出性可挤出性l可挤出性可挤出性:指液态聚合物通过挤压作用获得形状改变的能力l挤压作用挤压作用:挤出机和注塑机料筒及喷嘴、压延机辊筒间以及模具内n固体状态难以通过挤压
2、而成形,液态(包括熔融态和溶液)才能挤压n挤压过程主要受剪切作用,可挤出性主要取决于流动性一、影响因素一、影响因素l可挤出性因素因素:聚合物内在性质、成形加工条件和加工设备结构l内在性质内在性质:包括聚合物的分子结构、分子量及其分布、体系组成等l成形加工条件成形加工条件:成形温度、成形压力和剪切速率等n聚合物分子极性越大、分子量越高、存在氢键以及大分子主链上取代基的体积越大等,则可挤出性越差n多组分物料的影响规律较为复杂F低分子物(如增塑剂、溶剂等)含量增大,则物料的流动性和可挤出性提高F固态的填充物(如填料)含量增大,则物料的流动性和可挤出性变差n温度和挤压压力增加,可挤出性提高n大多数聚合
3、物流动性随剪切速率(即挤出速度)的增加而迅速提高n挤压设备或模具的结构越复杂,几何尺寸越小,则可挤出性越差二、评价方法二、评价方法l评价方法方法:熔融指数、流动速率和流变性能l流变性能流变性能:聚合物的黏度随剪应力或剪切速率的变化特性l熔融指数熔融指数(MI或MFI):测定给定剪应力下聚合物熔体的流动度测定方法测定方法:2.16kg,10min,2.095mm毛细孔熔融指数越大,则可挤出性越好 图图1.1 熔融指数测定仪结构示意图熔融指数测定仪结构示意图1出料孔出料孔2保温层保温层3加热器加热器4柱塞柱塞5重锤重锤6热电偶测温管热电偶测温管7料筒料筒重锤+柱塞=2160g优点优点:熔融指数测定
4、仪结构简单、方法简便F测定时剪切速率值仅仅约10-210-1s-1范围缺点缺点:实际注射或挤出成形102104s-1,因此 MI通常不能完全代表意义意义:对聚合物成形时材料的选择和工艺条件的设定有一定的参考价值n制品结构不同和成形方法不同,通常应选用熔融指数不同的聚合物F挤出成形挤出成形管材管材:MI0.1 纤维纤维:MI1 瓶状物瓶状物:MI约12F注射成形注射成形:厚制品MI约12,薄制品MI约361.1.2 可纺性可纺性l可纺性可纺性:指液态聚合物流体通过喷丝板毛细孔挤出、并能承受单轴拉伸形变作用而形成连续的固态细长丝条的能力|良好可纺性是保证纺丝过程持续不断的基本要求,是成纤聚合物的必
5、要条件|可纺性的实质是单抽拉伸流动的流变学问题一、可纺性因素挤出细流类型类型:液滴型、漫流型、胀大型和破裂型4种液滴型液滴型:不能成为连续细流,显然无法形成纤维漫流型漫流型:能形成连续细流,但细流间易相互粘连破裂型破裂型:初生纤维外表不规则甚至断裂,纺丝过程必须避免胀大型胀大型:正常纺丝细流类型,胀大比控制在适当范围内图图1.2 挤出细流的类型挤出细流的类型(a)液滴型液滴型(b)漫流型漫流型(c)胀大型胀大型(d)破裂型破裂型l 越大,越大,越小,则细流缩小表面积成为液滴的倾向越大越小,则细流缩小表面积成为液滴的倾向越大l 在在104s/m以上时,形成液滴型可能性随以上时,形成液滴型可能性随
6、 增大增大而减小而减小l 聚合物熔体聚合物熔体 很大,很大,较小,较小,远大于远大于104s/m,因此,因此通常不出现液滴型通常不出现液滴型/液态细流最大稳定长度液态细流最大稳定长度:max36dvLl 喷丝孔径喷丝孔径 和挤出速度和挤出速度 增大,则形成液滴型的增大,则形成液滴型的可能性降低可能性降低l 随随 、和和 的增加及的增加及 的减小,挤出细流由液的减小,挤出细流由液滴型向漫流型过渡滴型向漫流型过渡l 从漫流型转变为胀大型的最低临界挤出速度从漫流型转变为胀大型的最低临界挤出速度 F 和和 越大,越大,则越小则越小dddv1crv1crvvu减轻或避免漫流型措施:减轻或避免漫流型措施:
7、喷丝头(板)表面喷涂硅油或适当改变喷丝头喷丝头(板)表面喷涂硅油或适当改变喷丝头材料性质材料性质适当降低纺丝流体的温度适当降低纺丝流体的温度 以提高其以提高其 增大泵供量使增大泵供量使 增大增大u胀大型胀大型:胀大比:胀大比B一般约在一般约在l2.5范围内,个别范围内,个别B值可达值可达7实际纺丝过程中实际纺丝过程中希望希望B接近接近1vTu纺丝挤出速度纺丝挤出速度 提高到另一临界提高到另一临界 ,则挤出细流转,则挤出细流转化为破裂型化为破裂型u纺丝流体出现挤出胀大和熔体破裂的根源均是纺丝流纺丝流体出现挤出胀大和熔体破裂的根源均是纺丝流体的弹性体的弹性u正常纺丝挤出细流应为胀大型,纺丝挤出速度
8、正常纺丝挤出细流应为胀大型,纺丝挤出速度 应该应该控制在控制在 之间之间(综上所述:综上所述:可纺性要求纺丝流体应有较高的黏度、较可纺性要求纺丝流体应有较高的黏度、较低的表面张力和合适的纺丝挤出速度,并且喷丝孔径低的表面张力和合适的纺丝挤出速度,并且喷丝孔径不能太细不能太细v2crv1crvv2crv拉伸和冷却作用拉伸和冷却作用都使纺丝液的黏度增大,因而有都使纺丝液的黏度增大,因而有利于提高纺丝稳定性利于提高纺丝稳定性l聚合物须有聚合物须有较高液态强度较高液态强度:纺速增大,细流受拉:纺速增大,细流受拉应力增加,可能断裂应力增加,可能断裂内聚能较小,则液态强度较低,而拉伸过程稳定,内聚能较小,
9、则液态强度较低,而拉伸过程稳定,容易造成细流断裂容易造成细流断裂液态强度一般随液态黏度的增大而提高液态强度一般随液态黏度的增大而提高l成纤聚合物还需有良好的成纤聚合物还需有良好的热和热和/或化学稳定性或化学稳定性熔体纺丝熔体纺丝:高温的熔体状态,并经受设备和毛细:高温的熔体状态,并经受设备和毛细孔中流动剪切作用孔中流动剪切作用溶液纺丝溶液纺丝:溶剂,凝固浴液,因而须良好化学稳:溶剂,凝固浴液,因而须良好化学稳定性定性二、可纺性理论u决定最大丝条长度 的断裂机理断裂机理(波兰学者Ziabicki)至少两种:内聚破坏(即脆性断裂)和毛细破坏l内聚破裂机理内聚破裂机理:拉伸流储存的弹性能密度超过内聚
10、能密度 则流动发生破坏F稳态流动下拉伸应力 随离开喷丝头的距离增加而逐渐增加F离开喷丝头的某个位置 等于 时,纺丝线将在此处中断112KEmaxL11K图图1.3 运动丝条的内聚断裂运动丝条的内聚断裂图图1.4 毛细破坏机理示意图毛细破坏机理示意图l毛细破坏机理毛细破坏机理:丝条的毛细破坏与表面张力引起的扰动及这种扰动(或称不稳定性)的滋长和传播有关,当某处毛细波振幅 发展到等于该处自由表面无扰动丝条的半径 时,液流便解体成滴而断裂u两种断裂机理都独立地对可纺性的中断起作用u哪种机理所决定的最大丝条长度 更小,即实际制约可纺性 x R xmaxLl 可作为是否出现毛细断裂的判据判据:熔纺和湿纺
11、过程通常不会毛细破坏毛细破坏对可纺性的限制作用决定挤出速度 和喷丝孔直径 的下限值l内聚破裂机理发生作用的纺丝条件范围则比毛细破坏宽内聚破裂导致的丝条不稳定性决定卷绕速度和喷丝头拉伸率比的上限/vd三、评价方法特定纺丝设备上可达到的最大稳定纺丝速度特定纺丝条件下在一定时间内的断头次数1.1.3 可模塑性可模塑性可模塑性可模塑性:指压力作用发生形变而在模具中模制成形制品的能力一、影响因素一、影响因素聚合物的流动性越大,可模塑性越好u可模塑性因素可模塑性因素聚合物的流变性、模塑条件、热性质和其它物理力学性质等对于热固性聚合物还与交联反应性能有关l模塑条件模塑条件包括模塑温度和模塑压力,聚合物模塑时
12、温度和压力应适中模塑温度模塑温度提高,熔体的流动性大,可模塑性好F温度过高:明显热分解;成形收缩率大,制品易产生内应力、裂纹等缺陷F温度过低:流动困难,可模塑性不好;成形制品的形状稳定性差适当增加压力压力,通常能改善聚合物的流动性F压力过高:模具分型面之间出现溢料;制品出现较大的内应力F压力过低:缺料,使成形制品缺损不完整模塑最佳区域模塑最佳区域:粘弹性极限、热分解线、缺料线和溢料线所围成F模塑条件不仅影响聚合物的可模塑性,且对制品的力学性能、外观、收缩以及制品中的结晶和取向等都有较大的影响图图1.5 模塑面积图模塑面积图(A成形区域成形区域)a表面不良线表面不良线b溢料线溢料线c热分解线热分
13、解线d缺料线缺料线abcd表面不良线溢料变形分解线溢料线缺料线充模不足成形困难温度压力l聚合物热性能聚合物热性能:如导热系数 、热焓 、等压比热容 等,影响加热与冷却过程,从而影响聚合物制品的性质(如结晶、内应力、收缩、畸变等)l模具结构尺寸模具结构尺寸:影响聚合物的可模塑性,模具结构不良甚至会使成形失败l热固性聚合物热固性聚合物:交联反应速度、反应热及其反应活化能等都影响可模塑性HpC二、评价方法评价方法评价方法:测定聚合物流变性能;生产上常采用螺旋流动试验螺线越长,表明聚合物的流动性越好,可模塑性越好阿基米德螺旋形槽的横截面形状可根据成形设备和成形模具流道形状设计图图1.6 螺旋流动试验模
14、具示意图螺旋流动试验模具示意图(入口处在螺旋中央入口处在螺旋中央)螺旋流道截面螺线极限长度螺线极限长度:加工条件变数 聚合物流变性与热性能变数2(/)PdT(/)H22()()()()()LPdHPdHvdCCdTvTl 为螺槽横截面的有效直径,为熔体与螺槽壁间的温度差 ,为压力降,为固体聚合物的密度,为熔体和固体之间的热焓差,为固体聚合物的导热系数,为熔体黏度,为熔体平均线速度,为与螺线横截面的几何形状有关的常数dT0TTPHvC图图1.7 螺旋形槽中熔体的流动与硬化螺旋形槽中熔体的流动与硬化F随冷却速度(即熔体与螺槽壁间的温差 )的增加而减小F随挤压熔体的压力 增大而增大F挤压时间即注射时
15、间对螺线长度也有影响F随聚合物黏度的增加、导热性的增大和热焓量的减小,螺线长度减小F增大螺槽的几何尺寸,则螺线长度增大TP1.1.4 可延性可延性可延性可延性:受拉伸或压延时延展变形的能力薄膜、纤维和片材一、可延性特征一、可延性特征1拉伸曲线基本类型(1)凸形曲线()凸形曲线(a型)型):模量随着的发展而减小,(称 为屈服应力)后出现应力集中和细化点,不不可拉伸可拉伸220dEddddddd000000图图1.8 聚合物表观应力应变曲线基本类型聚合物表观应力应变曲线基本类型(2)先凸后凹形曲线()先凸后凹形曲线(b型)型)p非均匀拉伸非均匀拉伸,出现细颈,屈服点和拉伸平台区p区域区域:普弹变形
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