《塑料成型加工与模具》课后习题答案

《塑料模具与设备》习题解陈吉平编第一章概论1、什么是合成树脂?什么是塑料?为什么塑料能得到日益广泛的应用?答：合成树脂是人们模仿天然树脂的成分，并克服了产量低、性能不理想的缺点，用化学方法人工制取的各种树脂。塑料是以高分子聚合物为主要成分，并在加工为制品的某阶段可流动成型的材料。塑料具有特殊的物理力学性能和化学稳定性能，以及优良的成型加工性能，在加热和压力下，利用不同的成型方法几乎可将塑料制成任何形状的制品。同时，塑料原料来源广泛，价格低廉，所以，随着塑料工业的迅速发展，塑料得到了日益广泛的应用。2、什么是热塑性塑料和热固性塑料?两者在本质上有何区别?答：热塑性塑料，主要由聚合树脂制成。其特点是受热后软化或熔融，此时可成型加工，冷却后固化，再加热仍可软化。热固性塑料，大多数是以缩聚树脂为主，加入各种添加剂制成的。其特点：开始受热时也可以软化或熔融，但是一旦固化成型就不会再软化。此时，即使加热到接近分解的温度也无法软化，且也不会溶解在溶剂中。两者本质上的区别在于分子结构的不同：热塑性塑料的分子结构呈链状或树枝状，为线性聚合物。这些分子通常互相缠绕但并不连结在一起，所以受热后具有可塑性；热固性塑料加热开始时也具有链状或树枝状结构，但在受热后这些链状或树枝状分子逐渐结合成网状结构(交联反应)，成为既不熔化又不熔解的体型聚合物。分子的链与链之间产生了化合反应，当再次加热时这类塑料便不能软化。3、试述热塑性塑料的状态与加工的关系?答：随着加工温度的逐渐升高，热塑性塑料将经历玻璃态、高弹态、黏流态直至分解。不同状态其性能不同，决定了对加工的适应性。①θg以下玻璃态，坚硬的固体。E高、γ∗小，不宜大变形加工，可车、铣、刨、钻等机械加工。②θg~θf高弹态，橡皮状弹性体。E显著减小，γ∗大大增强。a、无定形塑料在高弹态靠近聚θf一侧，材料的黏性很大，某些塑料可进行真空、压力、压延和弯曲成型等。形变是可逆的，制品温度迅速冷却到θg才能得到符合形状尺寸要求的制品。b、结晶形塑料，外力大于材料的屈服点时，可在θg至θm内进行薄膜或纤维的拉伸。③θf（熔点温度θm）开始，塑料呈黏流态（为熔体）。在θf以上不高的温度范围内压延、挤出和吹塑成型等。在θf以上较高的温度下，E降低到最低值，较小的外力就能引起熔体宏观流动。此时形变主要是不可逆的黏性变形，塑料在冷却后将形变永久保持下去。在这个温度范围内常进行熔融纺丝、注射、挤出和吹塑等加工。但，过高的温度容易引起制品产生溢料、翘曲等弊病，当温度高到分解温度θd会导致塑料分解，会降低制品的物理、力学性能，引起制品外观不良。4、热塑性塑料的主要成型方法有哪些?热固性塑料的主要成型方法有哪些?答：热塑性塑料的主要成型方法：注塑、挤塑、吹塑、固相成型；热固性塑料的主要成型方法：压缩、压注成型，有时也用注塑成型。第二章塑料成型理论基础1．什么是牛顿流动定律?牛顿流体?答：牛顿流动定律：•===γηγηητdtddrdv牛顿流体：流体以切变方式流动，切应力与剪切速率间呈线性关系。2．什么是非牛顿流体?什么是假塑性流体?η与ηa本质有何不同?答：非牛顿流体：流体以切变方式流动，切应力与剪切速率间呈非线性关系。假塑性流体：假塑性流体是非牛顿流体中最普遍、最常见的一种，近似服从幂律流动规律nndrdvKK)(==•γτ，且n1。η为牛顿黏度，是牛顿流体本身所固有的性质，与流体的分子结构及流体温度有关，其值大小表征牛顿流体抵抗力引起流动变形的能力；ηa为表观黏度，表征非牛顿流体在外力作用下抵抗其变形的能力，除与流体本身性质、温度有关之外，还受剪切速率影响，即外力大小及作用的时间也能改变流体的黏度。3．描述假塑性流体的公式中，K、n的意义?答：对于某一种假塑性流体而言，K、n均为常数。K（稠度）值愈高，流体黏度愈大；n（非牛指数，小于1）离整数1愈远，流体的非牛顿性愈强。4.在宽广的剪切速率范围内，聚合物熔体的η与•γ之间的关系会出现怎样的变化？答：⑴聚合物熔体在低剪切速率(•γ=1~102s—1)作用下呈现牛顿性质，η为零切牛顿黏度（ηo），在此区域η不随•γ变化；⑵熔体在高剪切速率(•γ≥106s—1)作用下也呈现牛顿性质，黏度η为极限牛顿黏度(η∞)，在此区域η也不随•γ变化；⑶熔体在中等剪切速率（102~106s—1）作用下呈非牛顿性质，在此区域η随•γ的增大呈幂律规律减小。5.聚合物熔体的黏度随剪切速率的变化对塑料成型加工有何指导意义?答：大多数热塑性聚合物熔体都近似具有假塑性液体的流变学性质，熔体的表观黏度随剪切速率增大呈幂律规律减小。但在较低和较高的剪切速率范围内，黏度的变化梯度(即对剪切速率的敏感性)不同。在较低的剪切速率区域，•γ发生任何微小的变化都会使黏度出现很大的波动，这会给注射控制造成极大困难，即引起工艺条件不稳定、充模料流不稳定、制件密度不均、残余应力过大、收缩不均匀等问题；而在较高的剪切速率区域，改变剪切速率，黏度变化很小，不能有效地改善流动性能。因此，在塑料成型加工中应根据流变曲线选择对黏度影响既不太大也不太小的剪切速率进行操作，保证聚合物熔体不致因黏度过大而影响流动成型，同时也不会因黏度过小而影响制品的成型质量。6.牛顿与非牛顿流体在圆形管道、狭缝形管道中的切应力、剪切速率和体积流率的表达式。答：①在圆形管道中牛顿与非牛顿流体的切应力任一半径处τ=rΔp/2L管壁处τR=RΔp/2L牛顿流体剪切速率任一半径处Lprηγ2∆=•管壁处LpRRηγ2∆=•非牛顿流体剪切速率任一半径处nKLpr12⎟⎠⎞⎜⎝⎛∆=•γ管壁处nRKLpR12⎟⎠⎞⎜⎝⎛∆=•γ牛顿流体体积流率LpRqvηπ84∆=（34RqvRπγ=•）非牛顿流体体积流率nnnvRKLpnnq131213+⎟⎠⎞⎜⎝⎛∆+=π（313RqnnvRπγ⎟⎠⎞⎜⎝⎛+=•）②在平行板狭缝管道中牛顿与非牛顿流体的切应力任一液层处τh=hΔp/L上、下壁面处LpHH∆=τ牛顿流体剪切速率任一液层处⎟⎠⎞⎜⎝⎛∆=•LKphhγ上、下壁面处⎟⎠⎞⎜⎝⎛∆=•LKpHHγ非牛顿流体剪切速率任一液层处nhLKph/1⎟⎠⎞⎜⎝⎛∆=•γ上、下壁面处nHLKpH/1⎟⎠⎞⎜⎝⎛∆=•γ牛顿流体体积流率LpWHqvη323∆=非牛顿流体体积流率⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⎟⎠⎞⎜⎝⎛∆+=+nnnvWHKLpnnq1211227.一种聚合物熔体在5MPa压力降作用下通过直径2mm、长12mm的等截面圆形管道时，测得的体积流率为0．072cm3／s。若该聚合物熔体的流变行为同于牛顿流体，求管壁处的最大切应力、剪切速率和牛顿黏度。解：最大切应力τR=RΔp/2L=1×5×106/（2×12）=2.08×105(Pa)最大剪切速率44RqvRπγ=•=4×0.072×103/(3.14×14)=91.7(s-1)牛顿黏度据LpRRηγ2∆=•有•∆=RLpRγη2=1×5×105/（2×12×91.7）=2.3×102(Pa.s)答：最大切应力、剪切速率、牛顿黏度分别为2.08×105Pa、91.7s-1、2.3×102Pa.s。8.一聚合物熔体以1MPa的压力降通过直径2mm、长8mm的等截面圆管时，测得的体积流率为0，05cm3／s，在温度不变的情况下以5MPa压力降测试时体积流率增大到0．5cm3／s，试从以上测试结果分析该熔体在圆管中的流动是牛顿型还是非牛顿型，并建立表征这种聚合物熔体流动行为的流动方程。解：（1）若此聚合物熔体为牛顿流体，则其熔体黏度不随剪切速率变化，将两组数据带入求牛顿流体剪切速率的公式时所得黏度不变。据LpRqvηπ84∆=，有LRLRLqpRv433641141105.21005.081018πππη×=××××=∆=LRLRLqpRv4336422421025.1105.081058πππη×=××××=∆=从上两式可以看出21ηη≠，即此熔体不是牛顿流体，是非牛顿型流体。（2）据非牛流体nnnvRKLpnnq131213+⎟⎠⎞⎜⎝⎛∆+=π，将两组数据带入，则：nnnRKLnn131632101131005.0+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛×+=×π（a）nnnRKLnn13163210513105.0+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛×+=×π(b)将(b)除以（a），得()n1510=，n=0.699。将n=0.699带入nnnvRKLpnnq131213+⎟⎠⎞⎜⎝⎛∆+=π中，有699.01699.03699.01631821051699.03699.014.3105.0+×⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛××+××=×K43.15310125.3709.0105.0⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛×=×K0.705×103=43.1510125.3⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛×KK=(解上面方程，具体答案略)其流动方程nKγτ=（将上面算得的结果代入，略）9．挤出硬质PVC圆棒时，已知口模处料温为177℃，口模直径为30mm，口模长为120mm，挤出速率为8．0cm3／s，现不考虑端末效应，试求PVC熔体进人口模时的压力和τ=0．5MPa时的黏度(见图2-40)。解：（1）熔体进人口模时的压力根据nvRqKLPR′′⎟⎠⎞⎜⎝⎛′=∆342π在图2-40的177℃曲线上得两组数据：2×105Pa,10s-1;5×105Pa,100s-1，代入上式，得()nK′′′=×101025（a）()nK′′′=×1001055(b)将(b)除以（a），得()n′′=105.2得n’=0.40,代入（a），得K’=（具体结果略）假设n=n’,且在34Rqvπ测定的数据范围内保持不变，则根据式nnnKK⎟⎠⎞⎜⎝⎛+=′413，即可求出该熔体的真正稠度K得K=（具体结果略）根据nnnvRKLpnnq131213+⎟⎠⎞⎜⎝⎛∆+=π算出熔体进人口模时的压力P∆（2）τ=0．5MPa时的黏度据假塑性流体的真实剪切速率R•γ与表观剪切速率a•γ之间的关系，有15.1371004.0414.03413−••=××+×=+=snnaRγγ假塑性流体在等截面圆管中流动时的表观黏度ηa36106.35.137105.0×=×==•RRaγτη10．温度、压力和时间如何影响热塑性塑料熔体的流动性?答：①聚合物熔体的温度升高后体积膨胀，大分子之间的自由空间随之增大，彼此间的范德华力减小，黏度下降，有利于大分子变形和流动，聚合物熔体的流动性增加。②聚合物熔体的压力增大，熔体所受到的剪切速率增加，而熔体的表观黏度随之减小，因而熔体的流动性增加。③聚合物熔体成型温度下长时间受热，会产生不同程度的降解，导致熔体黏度下降、流动性增加。11．不稳定流动区压力降增大的原因是什么?如何校正?答：不稳定流动区压力降突增的原因：①聚合物以收敛方式进入小直径管时，为保持体积流率不变，只有增大熔体内的速度梯度，才能满足调整流速的要求，为此只有消耗适当的能量才能增大速度梯度，加之随流速的增大，流动的动能也相应增大，这也使能量的消耗增多；②熔体内的剪切速率增大，迫使聚合物大分子更大和更快的变形，沿流动方向更充分地伸展，而且这种方式的形变过程从入口端开始并在一定的流动距离内持续地进行，而这种具有高弹性特征的形变，需克服分子内和分子间的作用力，也要消耗一定的能量。压力降突增的校正办法：将入口端额外压力降看成是与一段“相当长度”管道所引起的压力降，用Le表示这个“相当长度”，即将有入口效应时熔体流过长度为L的管道的压力降，当作没有入口效应时熔体流过（L+Le）长度的压力降。12．聚合物熔体流出流道或浇口时会发生什么变化?影响离模膨胀的因素有哪些?答：熔体会发生离模膨胀效应（体积膨胀的现象）。影响离模膨胀的因素有：①黏度大和非牛顿性强的聚合物熔体在流动过程中容易产生较大的弹性变形，且松弛过程也比较缓慢，故离模膨胀效应严重。②弹性模量大的聚合物在流动过程中产生的弹性变形小，离模膨胀效应比较小。③增大切应力和剪切速率(不能超过极限值)时，聚合物熔体在流动过程中的弹性变形随着增加，离模膨胀效应加剧。④在中等剪切速率范围内，降低温度不仅会增大入口效应