塑料成型加工原理-张辉2020.04.16

2020/4/29/45张辉石墨烯玻纤课题组塑料的成型加工原理《高分子加工原理》第六章（部分）1/45主要内容一、塑料成型加工概述二、塑料成型加工原材料的制备三、塑料成型加工工艺四、小结1.塑料的分类2.成型加工基本过程3.理论基础4.产品性能指标1.组成与配方2.配制方法3.加工前处理1.口模成型2.注射成型3.模塑与铸塑2/453主要内容一、塑料成型加工的过程二、塑料成型加工原材料的制备三、塑料成型加工工艺四、小结1.分类2.基本过程3.理论基础4.产品性能指标1.组成与配方2.配制方法3.加工前处理1.口模成型2.注射成型3.模塑与铸塑/45塑料是一种以高分子树脂为主要成分，在一定温度和压力下塑造成一定形状，并在常温下能保持既定形状的有机材料。塑料的分类按加工工艺从应用角度热塑性塑料热固性塑料加热冷却硬质软化加热冷却熔融流动加热热降解或燃烧碳化预聚物加热辐射软化交联化学反应固化：不融、不溶的三维网状大分子通用塑料：五大通用塑料，PE、PP、PVC、PS、ABS工程塑料通用工程塑料：PA、PC、PET/PBT、POM、PPO特种工程塑料：PPS、PI、PSF、PEEK、LCP1.1塑料的分类4/451.2基本过程塑料成型加工是根据塑料材料性能，利用各种成型加工手段，使其成为具有一定形状和使用价值的制件。原料的准备和配置•树脂合成•塑材配料•配方设计•挤出造粒/预聚体•干燥成型•成型方法•成型工艺•模具设计制作•设备参数后处理及加工•热处理•冷却•制品后处理•机械加工•性能测试塑材配料：根据所需的制品性能和加工工艺，加入各种助剂（如稳定剂、增塑剂、增强剂、着色剂、填料等），以改善成型工艺和制品的使用性能和降低成本；干燥：原材料在加工成型前需要进行干燥处理，避免熔融状态下水解。成型：塑料加工的关键环节，成型方法达三十多种；成型方法：根据塑料的类型（热塑或热固性）、起始形态以及制品的外显和尺寸选择，挤出和注射成型用得最多，是最基本的成型方法。后处理：部分结晶性制品需要热处理，改善力学性能、取向和收缩变形；后加工：塑件结合（焊接、粘接）、装配等。5/451.3理论基础聚合物的剪切流变行为各种流体的流动曲线1-牛顿流体2-切力变稀流体3-切力增稠流体4-宾汉流体5-屈服切力变稀流体6-屈服切力增稠流体聚合物流体的流动曲线聚合物在较低的γ范围内（零切粘度），表现为牛顿流体；γ增大到一定值后，表现为非牛顿流体；γ增大到较高范围时（极限粘度），聚合物流体又表现为牛顿流体。聚合物η受多重因素影响：T、P、分子结构（链结构、分子量及分布）等极限粘度零切粘度表观粘度)a(00eTT)-b(Ppp00ePT↑，η↓（指数函数级）P↑，η↑（指数函数级）理论解释：剪切作用使大分子链解缠连段在流场中发生取向对加工过程的影响：管壁滑移末端挤出胀大效应熔体破裂（弹性恢复）6/45聚合物的加热和冷却聚合物的热扩散系数pcK：导热系数Cp：定压热容ρ：密度聚合物热扩散系数低、推动传热速率的温差过高，易导致局部温度过高，引起降解和局部内应力；由于聚合物拉伸取向，会引起导热系数的各向异性。料筒加热区：电热瓦/电磁加热聚合物的摩擦热2a11JJQ：导热系数：剪切速率ηa：表观粘度J：热功当量聚合物加工过程中，由于粘度大，分子内部摩擦会产生显著热量；挤出机或注射机的螺杆、料筒及聚合物的相对运动产生摩擦热；聚合物的ηa随T和剪切速率升高而迅速下降，ηa降低导致摩擦减少，所以不会使熔体烧焦。以剪切热为主、外部加热为辅的方法可以提高塑化效率和均匀性，并且不易导致降解。1.3理论基础7/451.3理论基础8玻璃态高弹态粘流态Tg-玻璃化转变温度，Tm-结晶温度，Tf-熔融温度M1-结晶性聚合物，M2-无定型聚合物非晶聚合物温度、粘弹状态与加工成型方法适配性：/45聚合物的结晶聚合物结晶对产品性能的影响晶态透光性Tg密度非晶态透明状67℃1.33结晶态不透明81℃1.455PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）熔融T↑、t↑晶核少、结晶速度↓、结晶度↓成型压力P↑结晶速度↑、结晶度↑冷却速度↑结晶度↓成核剂结晶度↑成型工艺对结晶的影响退火：制品加热到Tm以下某一温度，一般为使用温度10-30℃，以等温或缓慢降温，完善结晶，有利于大分子链重排。淬火：快速冷却，使聚合物来不及结晶，改善制品的抗冲击性能1.3理论基础9/45成型过程中的取向两种取向过程：流动（剪切）取向，大分子或填料在剪切流动时，沿流动方向的取向；拉伸取向，聚合物受外力拉伸时，大分子、连段或微晶等结构单元沿受力方向取向。两种取向方式：单轴取向，取向的结构单元只朝一个方向；双轴取向，取向的结构单元同时朝两个方向。易发生取向的工段：喷嘴/喷丝板/浇口，管道截面小、流速大，紧靠管壁附近取向程度最高；模具型腔，压力逐渐降低，界面流速差别大，取向程度与压力降成正比。1.3理论基础填料（纤维）的流动取向注射成型产品的定向拉伸10/45取向对制品的影响：厚壁制件的取向会使之存在内应力，一般不希望制品存在取向。塑料拉伸强度/MPa伸长率/%横向纵向横向纵向聚苯乙烯（PS）20.045.00.91.6苯乙烯-丁二烯-丙烯氰共聚物（ABS）36.572.01.02.2高抗冲聚苯乙烯（HIPS）21.023.03.017.0高密度聚乙烯（HDPE）29.030.030.072聚碳酸酯（PC）65.156.5----纤维、薄膜和吹塑制品则需尽量进行取向以提高取向方向的强度。影响分子取向的影响因素：制品取向程度分布图影响取向的工艺因素1-模温2-制品厚度3-注射压力4-填料取向时间5-料筒温度1.3理论基础表-拉伸对产品性能的影响11/45聚合物的降解聚合物降解的类型：光、热、氧、水、力降解聚合物降解的实质：断链交联分子链结构改变侧基改变聚合物降解的原理：游离基链式降解：游离基形成、链转移、链终止，降解速度快逐步降解：加工高温下，微量水、酸碱等杂志存在时，易在C杂链处断裂，无规、逐步进行。加工过程降解作用的避免和利用：严格控制原材料技术指标和杂质；加工前进行干燥；确定合理的加工工艺和加工条件；加工设备和模具应有良好的结构；配方中加入稳定剂、抗氧化剂。医疗口罩用熔喷PP在加工过程中运用自由基降解机理：成分常规PP驻极母粒自由基型引发剂润滑剂抗氧剂复配型透明成核剂比例/%＞961-40.1-0.20.20.01-0.030-1.5聚合物准备-熔融混合-计量泵-熔喷模头-纤维拉伸-冷却-铺网-静电驻极-成品1-聚合物熔体，2-空气腔，3-毛细管，4-热空气流，5-喷嘴，6-空气盖板，7-纤维1.3理论基础12/45聚合物的交联热固性塑料和橡胶的加工过程都是交联过程。交联反应机理：游离基交联反应1）以不饱和单体为交联剂，以过氧化物作为引发剂2）硫化反应3）辐射交联、化学交联反应逐步交联反应环氧、酚酸、脲醛、聚氨酯影响聚合物大分子交联的因素温度交联反应时间分子结构（反应官能团数量）外部施加应力交联聚合物具有不融、不溶，仅部分溶胀的特性1.3理论基础13/45熔融指数（MI）热塑性塑料在一定温度和压力下，熔体在10分钟通过测试孔所流出的塑料重量。硬度塑料抵抗其它硬物压入的性能洛氏硬度（HR）：压痕试验方法，用规定的压头，先施加初实验力，再施加主实验力。用前后两次实验力作用下的压头压入试样的深度差求得。12HHHRH1、H2分别为第一次和第二层压头压入试样的深度布氏硬度（HB）：标准钢球在规定负荷作用下，压入试样并保持一段时间后，以压痕直径来计算单位面积上所承受的力来表示。hDPHBD-压痕直径；h-压痕深度1.4产品性能指标14/45拉伸性能拉伸强度：规定温度、湿度和拉伸速度下，对标准样品施加拉伸力，计算其破坏使的最大载荷与截面积的比值。dbPP-试样拉伸破坏最大载荷；b-试样长度；d-试样的宽度断裂伸长率：标准试样拉伸至断裂时长度变化与原始长度比值。00LLLYL0-标准试样原始长度；L-拉伸断裂时长度拉伸模量：将材料沿中心轴方向拉伸单位长度所需的力与其横截面积的比值。压缩性能压缩强度：在样品上施加压缩力，至破裂（脆性）或屈服时材料单位面积上所承受的载荷。0cSPP-试样压缩至破坏或屈服的最大载荷；S0-试样初始横截面积1.4产品性能指标15/45弯曲性能弯曲强度：样品放在两支点上，施加集中载荷，使样品变形或破裂时的强度。弯曲模量冲击性能冲击强度：样品受冲击破断时单位面积上所消耗的焦耳数，包括摆锤式冲击试验、高速拉伸冲击实验弯曲模量蠕变性能蠕变应变：在恒定温度、湿度条件下，塑料在固定的外力持续作用下材料应变随时间而变化的现象00LLLL0-施加应力前试样的原始标距；L-任意时刻试样的标距蠕变模量：tctE-t时的蠕变应变恢复应变：trrLL△Lr-移除应力后给定的任意时刻标距的减小值；Lt-出去应力瞬间试样的标准距t1.4产品性能指标16/45171.4产品性能指标电性能介电强度：材料抵抗电击穿能力的量度，以电容器极板间塑料试样为介质，击穿是电压值与厚度之比的测试和计算方法。介电常数：以塑料为介质与以真空为介质制成同尺寸电容器的电容量之比；介电损耗：置于交流电场中的电介质以内部发热形式表现出来的能力损耗，tanδ光性能透光率雾度：透明或半透明塑料内部或表面有光散射造成的云雾状浑浊外观，已散射的光通量与透过通量之比的百分率表示颜色d击穿VEV击穿-击穿电压/KV，d-试样厚度/mm/4518主要内容一、塑料成型加工的过程二、塑料成型加工原材料的制备三、塑料成型加工工艺四、小结1.分类2.基本过程3.理论基础4.产品性能指标1.组成与配方2.配制方法3.加工前处理1.口模成型2.注射成型3.模塑与铸塑/45成分占比/%作用形态化学结构树脂相30-100基体材料，连续海相粉状、粒状、溶液增强相0-40增强力学性能纤维玻纤、碳纤、芳纶、玄武岩纤维填料功能性填料0-50降本、防翘曲、刚性，可能降低力学性能和加工性能粉状、针形、微球形碳酸钙、滑石粉、云母、玻璃微珠等导电填料导电、防静电粉状导电炭黑、鳞片石墨等导热填料导热粉状、片状、微球形BN、Al2O3、MgO等电磁屏蔽填料电磁屏蔽粉状金属粉末、碳系、磁性材料助剂稳定剂0.1-1光/热/氧稳定剂粉状或溶液受阻胺、铅盐类、亚磷酸酯等偶联剂0.5-2改善基体与其它相界面性能液态硅烷类、钛酸酯类、络合物类增塑剂＜0.1（欧盟）降低分子间次价键，增加可塑性和韧性粉状或溶液邻苯二甲酯、邻苯二甲酸二（2-乙基己基）酯、多元醇等扩链剂0-0.5提高力学性能和工艺性能粉状或溶液1.4丁二醇、1.6己二醇等润滑剂＜1降低粘度、提高加工性能粉状或溶液硬脂酸、石蜡、聚乙烯蜡等成核剂＜0.5提高结晶能力、力学性能粉状滑石粉、二氧化钛、有机磷酸盐阻燃剂0-30提高阻燃等级粉状或母粒溴系、磷系；MgOH、Sb2O3着色剂＜1制品颜色色母粒材料工艺配方设备选材、搭配、用量、混合配方设计2.1组成与配方19/45热塑性塑料的配制热固性塑料的配制混合混合/搅拌/三辊机挤出螺杆挤出机切粒机切粒包装缩聚达到一定粘度/即一定分子量的树脂+助剂干燥粉碎过筛包装粉状原材料配料：•树脂•填料•助剂•单体•助剂团/块状原材料配料：缩聚树脂一定粘度的胶液溶剂纤维增强相团状料调节粘度包装•单体•助剂层压板/棒材原材料制备：浸渍增强相固化成型•单体•溶剂•固化剂•其它助剂纤维束、织物、毡预浸料预成型件铺层、模具加热、加压2.2配制方法溶剂20/45212.3加工前处理计量需要在加工前加入的原料各组分按配比计量，如色母粒、偶联剂、活性剂等干燥一般高聚物成型前需要干燥，避免高温水解混合相同或不同形态的物料均匀混合，固态（粉状、粒料