热流道j型和k型温度差(塑料的物理性能，聚合物表面性能与相容性，塑料的流变性能)

Posted 2023-06-02

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热流道j型和k型温度差(塑料的物理性能，聚合物表面性能与相容性，塑料的流变性能)

第一节塑料的物理性能

物料的性能与注塑条件和制品质量有密切关系。注塑材料大部分是颗粒状，这些固体物料装入料斗时，一般要先经过预热，排除湿气，然后再经过螺杆的压缩输送和塑化作用，在料筒中需要经过较长的热历程才被螺杆推入模腔，经过压力保持阶段再冷却定型。影响这个过程的主要因素是物料，温度，料筒温度，充模压力，速度。高分子物料加工的工艺性能，分子链的内部结构，分子量大小及其分布，而且还取决高分子的外部结构。注塑的工艺性与高分子材料的相对密度，导热系数，比热容，玻璃化与结晶温度，熔化，分解温度以及加工中所表现的力学性能，流变性能等有密切关系。

一．一般物理性能

1总热容量

总热容量是指注塑物料在注塑工艺温度下的总热容量。

2 熔化热

熔化热又称熔化潜热，是结晶型聚合物在形成或熔化晶体时所需要的能量。这部分能量是用来熔化高分子结晶结构的，所以注塑结晶型聚合物时要比注塑非结晶型料达到指定熔化温度下所需的能量要多。

对于非结晶型聚合物无需熔化潜热。使POM达到注塑温度需热约452/g(100.8cal/g),PS只需要375J/g即可熔化。

3 比热容

比热容是单位重量的物料温度上升1度时所需热量[J/kg.k]。

不同高聚物的比热容是不同的，结晶型比非对面型要高。因为加热聚合物时，补充的热能不仅要消耗在温度升上，还要消耗在使高分子结构的变化上，结晶型必须补充熔化潜热所需的热泪盈眶量才能使物料熔化。

注塑过程中，塑料加热或冷却特性是由聚合物的热含量与温差所决定的。热传递速率正比于被加热材料和热源之间的温差。

一般冷却要比熔化快，因为大体上料筒与物料温差小，熔料与模具温差大。加热时间取决于料筒内壁与料层之间的温差和料层厚度。

4热扩散系数

热扩散系数是指温度在加热物料中传递的速度，又称导热系数其值是由单位质量的物料温度升高1度时所需的热量（比热容）和材料吸收热量的速度（导热系数）来决定。

压力对热扩散系数影响小，温度对其影响较大。

5导热系数

导热系数反映了材料传播热量的速度。导热系数愈高，材料内热传递愈快。由于聚合物导热系数很低，所以无论在料筒中加热还是其熔体在模具中冷却，均需花一定时间。为了提高加热和冷却效率，需采取一些技术措施。如：加热料筒要求有一定的厚度，这不仅是考虑强度，同时也是为了增加热惯性，保证物料能良好稳定地传热，有时还利用聚合物的低导热特性，采用热流道模具等。聚合物导热系数随温度升高而增加。结晶型塑料的导热系数对温度的依赖性要比非结晶型的显著。

6 密度与比容

密度增加会使制品中的气体和溶剂渗透率减少，但是使制品的拉伸强度，断裂伸长，刚度硬度以及软化温度提高；使压缩性，冲击强度，流动性，耐蠕变性能降低。

在注塑过程中，聚合物经历着冷却—加热—冷却反复的热过程温度，梯度和聚合物形态的变化都很大，所以密度也在不断地发生变化，这对注塑制品质量起着重要的影响。

比容反映了单位物质所占有的体积。这是一个衡量在不同工艺条件下高分子结构所占有的空间，各种状态下的膨胀与压缩，制品的尺寸收缩等方面是非常重要的参数。

7 膨胀系数与压缩系数

比容在恒压下由温度而引起的变化，即为膨胀系数。聚合物从高温到低温表现出比容逐渐减少的收缩特性。聚合物比容不仅取决于温度而且取决于压力。聚合物比容在不同温度下都随压力而变化，压力增高比容减小而密度加大。这种性质对于用压力来控制制品的质量和尺寸精度有重要意义。

二聚合物的热物理性能

1．玻璃化温度

聚合物的玻璃化温度是指线型非结晶型聚合物由玻璃态向高弹态或者由后者向前者的较变温度。就是大分子链段本身开始变形的温度当温度高于玻璃化温度时，大分子链开始自由活动，但还不是整个分子链段的运动。这时表现出高弹性的橡胶性能；当低于玻璃化温度时，链段被冻结变成坚硬的固态或玻璃态。橡胶的玻璃化温度低于室温。所以橡胶在常温下处于高弹态。而其它塑料在常温下是处于脆韧性的玻璃态。

高聚物的自由体积理论认为，高聚物分子结构所占有的整个体积分成两部分。一部分是分子链所占有的空间，而另一部分是分子链之间的自由空间。当温度降低时分子链动能减少，自由空间减少，当温度升高时，分子链段动能增加，自由空间也增加：当温度达到玻璃化时，急剧产生内聚力，聚合物膨胀，链段开始旋转，链段拥有的能量足以使链段活动起来所以自由空间的体积突然增加。

高聚物在玻璃化温度以上的总自由体积等于玻璃化温度下的自由体积与热膨胀系数乗以温升之和。在预塑化时，位于螺槽中的高分子固态物料，在升至玻璃化温度以后，随着温度的升高物料自由体积会增加，其比容也会加大，但由于螺槽容积的限制会使物料产生内压，并有加速固体床的作用。

当高聚物的物理形态发生变化时，许多物理性质如比热容，比容，密度，导热系数，膨胀系数，折光指数，介电常数等都跟着变化，因此利用这些关系可以测定聚合物相变温度和高聚物性质。

对于理解塑料在料筒中加热，塑料化过程中从加料段向压缩段物态转变，温升，温升速率，螺杆转速，背压等工艺因素的影响将起重要作用。这些对于控制制品脱模时的物性状态，顶出温度和顶出时间是重要的。

2 熔化温度（熔点）

熔化温度是指结晶型聚合物从高分子链结构的三维有序态转变为无序的粘流态时的温度。转变点（熔点）对于低分子材料来说，熔化过程是非常窄的，有较明显的熔点；而对于结晶型高聚物来说，从达到玻璃化温度就开始软化，但从高弹态转变为粘流态的液相时却没有明显的熔点，而是有一个向粘流态转变的温度范围。

对高聚物来说，玻璃化温度，熔化温度或温度范围都是变相点。有较明显的变化范围，从分子结构观点看，都是大链段运动的结果。

一般有增塑剂的聚合物熔点要比无增塑剂的要低，共聚物的熔点要比组成共聚物中较高均聚物的熔点要低些。

注塑时，料筒的第三段温度（靠近嘴温的温度）都要设定在熔点以上，然后以降低15~20度的温度梯度依次设定第二段和第一段的料筒温度为宜。

3 分解温度及燃烧特性

热分解温度是指在氧气存在条件下，高聚物受热后开始分解的温度范围。依聚合物化学结构式不同而有显著的差异，此外还与物料的形态有关。在注塑过程中，无论是在预塑阶段还是在注射阶段，只要聚合物局部温度达到分解温度，高分子物料就会讯速生成低分子量的可燃性物质。聚合物的热分解在氧气充足条件下是放热反应，产生的热会继续加热聚合物。当聚合物达到燃点时就会燃烧，燃烧体系的温度是否会上升，产生的燃烧热是否和体系进行对流，都与热分解温度，比热容以及导热系数等物理性能有密切关系。

注塑时，对聚合物分解温度的控制是十分重要的，否则分解出燃烧物质不仅会影响制品质量，还会腐蚀设备，危害人体。

三．聚合物降解及热稳定性

所谓降解，是指递解分解作用，在高分子化学中，通常是指在化学或物理作用下，聚合物分子的聚合度降低过程，聚合物在热，力，氧气，水及光辐射等作用下往往发生降解。降解过程实质量大分子链发生结构变化。如发生弹性消失，强度降低，粘度减少或增加等现象。

在注塑中力，水，氧通过温度对聚降解起重要影响，在高温时氧和水更能使聚合物分解。剪切力的作用会因高温时聚合物粘度的降低而减小。热降解是指某些聚合物在高温下时间过长，发黄变色，降解，分解等现象。

聚合物是否容易发生降解，依其分子内部和分子外部结构有关；是否有分解的杂质有关；能引起高聚物降解的杂质，一般都是热降解的崔化剂，如：PVC 分解的产物是氯化氢，POM分解产物是甲醛，它们有着加剧高聚物降解的作用。

所谓热稳定性是指聚合物在高温下分子链抗化学分解能力及耐化学变化的温度热降解温度称为稳定性温度略高于分解温度。对于某些热稳定较差的聚合物，其温度范围只有5~15度。

温度的高低和变化范围对聚合物的降解有影响外，还有在温度场中所经历的反复加工次数有关。不同的聚合物在反复加工后热降解和融熔指数有着较大的差异。在正常温度下PS, PC, PP,经数次加工后融熔指数升高的倾向。而PE，抗冲击PS醋酸纤维素等有下降的现象。

聚合物在剪切应力作用下缠结着的大分子在外力作用下，沿力的方向上发生流动，分子链之间发生解脱，当解脱发生障碍时，分子链将受到很大的牵引力，当超过链的强度就发生链断裂。

实验证明：剪切应力.剪切速率越高，分子量降解速度越快，断裂的链越短；当提高加热温度或增塑剂含量时，力的降解作用会减小。

注塑中某些塑料的水解作用是经常发生的，水解作用是由于在聚合物中存在有可以水解的化学基团。如：酰胺，酯，腈等，或在氧化作用下形成可被水解的基团。如果这些基团在分子的主链上，水解作用会使主链断链而降解。由于某些聚合物有水解作用，因此对这些塑料的吸湿性应加以注意。

有的塑料具有吸湿或凝集水分倾向，因为它们含有极性亲水基团，如ABS, PMMA, PA, PC, PPO等，在注塑中都需要干燥处理，防此水解。

第二节聚合物表面性能与相容性

一磨擦性能

　在塑料中常遇到磨擦性质的问题。如在注塑中物料在螺杆加料段的磨擦机理，磨擦系数对其螺杆的输送效率有重要影响。物料从料斗进入螺杆之后在螺杆旋转下，使物料沿螺槽向前输送颗粒料首先被压成固体塞，在输送过程中塑料固体塞和料筒及螺杆　产生相对运动，各面承受着磨擦力的作用。这时磨擦将受到许多因素的影响，如塑料的物料性能，颗粒形状及大小，料筒及螺杆表面的光洁度及材质，相对运动的速度，塑料与金属的接触压力及作用时间等等。

不同的聚合物其磨擦系数是不同的。当塑料与金属磨擦时，磨擦系数与磨擦中的接触面积，与塑料对金属的附着力以及剪切强度有关。因此磨擦系数不仅与高聚物的物理性质有关，而且与影响物理—机械性质的外界压力，速度和温度有关。

在高压高速下塑料的热传导性能很差产生的热量不易散出，使塑料发生大的变形表面破坏，因此压力和速度对磨擦系数均有影响。

一般情况下，塑料的磨擦系数随载荷的加大而稍许降低。聚合物材料的干磨擦系数，随着相对速度的提高有增加的趋势。

二　相容性

相容性是指两种不同品级的聚合物在熔融状态下能否相互混溶的一种性质。相容性不好的聚合物混熔在一起，制品会出现分层现象。不同类型聚合物的相容性是不一样的，这与分子结构有一定关系；分子结构相近者易相容；反之难容。例如，借助于聚碳酸酯和聚乙烯之间的互容性，在聚碳酸酯中加入30~50%聚乙烯可使伸长率提高30%，冲击强度提高４倍，并使熔体的粘度降低。近年来，利用聚合物之间的相容特性，使共混料品级日益增多，受到人们的普遍重视。

三　表观密度

大多数热塑性塑料致密状的相对密度为0.9~1.2g/cm3而粉料或颗粒料的表观密度是0.3~0.6g/cm3。如果物料的表观密度低，使均匀加料发生困难，就易出现“架桥”现象。这样会影响输送效率和塑化质量的稳定性。为此有的在料斗中设置有搅拌器，或者采用定量的加料调节装置，对进料量调节和控制，保证连续，均匀地加料。

第二节聚合物的力学特性

１形变与应力关系

　材料的力学特性是指材料在外力的作用下，产生变形，流动与破坏的性质，反应材料基本力学性质的量主要有两类；一类是反应材料变形情况的量如模量或柔度，泊桑比；另一类是反应材料破坏过程的量，如比例极限，拉伸强度，屈服应力，拉伸断裂等作用。从力学观点看，材料破坏是一个过程而不是一个点。

２应力与时间的关系

　应力对其作用时间的依赖性，这是聚合物材料主要特征之一。聚合物在较高温度下力作用时间较短的应力松驰行为和在温度较低力作用时间较长的应力松驰行为是一致的。

３形变与时间关系

聚合物材料在一定温度下承受恒定载荷时，将讯速地发生变形，然后在缓慢的速率下无限期地变形下去。若载荷足够高时变形会继续到断裂为此。这种在温度和载荷都是恒定的条件下，变形对时间依赖的性质，即称蠕变性质。

第三节聚合物的流变性能

一概述

注塑中把聚合物材料加热到熔融状态下进行加工。这时可把熔体看成连续介质，在机器某些部位上，如螺杆，料筒，喷嘴及模腔流道中形成流场。在流场中熔体受到应力，时间，温度的联合作用发生形变或流动。这样聚合物熔体的流动就和机器某些几何参数和工艺参数发生密切的联系。

处于层流状态下的聚合物熔体，依本身的分子结构和加工条件可分近似牛顿型和非牛顿型流体它们的流变特性暂不予祥细介绍。

1 关于流变性能

（1）剪切速率，剪切应力对粘度的影响

通常，剪切应力随剪切速率提高而增加，而粘度却随剪切速率或剪切应力的增加而下降。

剪切粘度对剪切速率的依赖性越强，粘度随剪切速率的提高而讯速降低，这种聚合物称作剪性聚合物，这种剪切变稀的现象是聚合物固有的特征，但不同聚合物剪切变稀程度是不同的，了解这一点对注塑有重要意义。

（2）离模膨胀效应

当聚合物熔体离开流道口时，熔体流的直径，大于流道出口的直径，这种现象称为离模膨胀效应。

普遍认为这是由聚合物的粘弹效应所引起的膨胀效应，粘弹效应要影响膨胀比的大小，温度，剪切速率和流道几何形状等都能影响熔体的膨胀效应。所以膨胀效应是熔体流动过程中的弹性反映，这种行为与大分子沿流动方向的剪切应力作用和垂直于流动方向的法向应力作用有关。

在纯剪切流动中法向效应是较小的。粘弹性熔体的法向效应越大则离模膨胀效应越明显。流道的影响；假如流道长度很短，离模效应将受到入口效应的影响。这是因为进入浇口段的熔体要收剑流动，流动正处在速度重新分布的不稳定时期，如果浇口段很短，熔体料流会很快地出口，剪切应力的作用会突然消失，速度梯度也要消除，大分子发生蜷曲，产生弹性恢复，这会使离模膨胀效应加剧。如果流道足够长，则弹性应变能有足够的时间进行弹性松驰。这时影响离模膨胀效应的主要原因是稳定流动时的剪切弹性和法向效应的作用。

（3）剪切速率对不稳定流动的影响

剪切速率有三个流变区：低剪切速率区，在低剪切速率下被破坏的高分子链缠结能来得及恢复，所以表现出粘度不变的牛顿特性。中剪切区，随着剪切速率的提高，高分子链段缠结被顺开且来不及重新恢复。这样就助止了链段之间相对运动和内磨擦的减小。可使熔体粘度降低二至三个数量级，产生了剪切稀化作用。在高剪切区，当剪切速率很高粘度可降至最小，并且难以维持恒定，大分子链段缠结在高剪切下已全部被拉直，表现出牛顿流体的性质。如果剪切速率再提高，出现不稳定流动，这种不稳定流动形成弹性湍流熔体出现波纹，破裂现象是熔体不稳定的重要标志。

当剪切速率达到弹性湍流时，熔体不仅不会继续变稀，反而会变稠。这是因为熔体发生破裂。

（4）温度对粘度的影响

粘度依赖于温度的机理是分子链和“自由体积”与温度之间存在着关联。当在玻璃化温度以下时，自由体积保持恒定，体积随温度增长而大分子链开始振动。当温度超过玻璃化温度时，大链段开始移动，链段之间的自由体积增加，链段与链段之间作用力减小，粘度下降。不同的聚合物粘度对温度的敏感性有所不同。

（5）压力对粘度的影响

聚合物熔体在注塑时，无论是预塑阶段，还是注射阶段，熔体都要经受内部静压力和外部动压力的联合作用。保压补料阶段聚合物一般要经受1500~2000kgf/cm2压力作用，精密成型可高达4000kgf/cm2,在如此高的压力下，分子链段间的自由体积要受到压缩。由于分子链间自由体积减小，大分子链段的靠近使分子间作用力加强即表现粘度提高。

在加工温度一定时，聚合物熔体的压缩性比一般液体的压缩性要大，对粘度影响也较大。由于聚合物的压缩率不同，所以粘度对压力的敏感性也不同；压缩率大的敏感性大。

聚合物也由于压力提高会使粘度增加，能起到和降低熔体温度一样的等效作用。

（6）分子量对粘度的影响

一般情况下粘度随分子量增加而增加，由于分子量增加使分子链段加度，分子链重心移动越慢，链段间的相对们移抵消机会越多，分子链的柔性加大缠结点增多，链的解脱和滑移困难。使流动过程助力增大，需要的时间和能量也增加。

由于分子量增加引起聚合物流动降低，使注塑困难，因此常在高分子量的聚合物中加入一些低分子物质，如增塑剂等，来降低聚合物的分子量，以达到减小粘度，改善加工性能。