注射机螺杆设计的工艺学 和流变学基础 刘 颖 北京化工大学 2007年4月 注射机螺杆设计的工艺学 和流变学基础 刘 颖 北京化工大学 2007年4月

注射成型的预塑化过程

注射成型的预塑化过程 固体粒料或粉料经过加热、压实、剪切、混合，从玻璃态转变为均化的粘流态 均化：聚合物温度均化、粘度均化、密度均化和组分均化。－塑化质量高 塑化机理：热量来自料筒的外部加热，螺杆转动产生的摩擦热 预塑阶段提高塑化能力，塑化质量是关键

注射成型的预塑化过程 螺杆塑化能力的表征： 螺杆背压增加，则其熔体输送能力会下降，而熔体输送能力则随螺杆转速和计量段长度的增加而增加。

注射成型的预塑化过程 螺杆的后退速度：（与塑化能力相关） 螺杆后退速度与螺杆几何参数、加工物料的性能及加工工艺参数有关。

注射成型的预塑化过程 高聚物的性能由结构决定 影响因素： 螺杆几何参数、加工物料的性能及加工工艺参数有关 螺杆几何参数、加工工艺条件均与高分子材料的性能相关。 相关的聚合物性能： 聚合物的热性能，流动性能。 高聚物的性能由结构决定

高分子结构特点 分子量高－难溶，难熔，粘度高，无气态，力学强度高，高弹性等 分子量提高：拉伸强度，伸长率，冲击强度，耐低温脆性，耐环境应力开裂性，耐药品性提高，流动性下降。 例：聚乙烯，超高分子量聚乙烯

高分子结构特点

高分子结构特点

高分子结构特点 分子量具有多分散性－用平均分子量及分子量分布表示。 结构多分散性 分子量分布窄→宽：拉伸强度，冲击强度，熔体弹性，熔体粘度下降；耐低温脆性，耐应力开裂性提高。 结构多分散性 聚乙烯：低压聚乙烯，高压聚乙烯，线型低密度聚乙烯，超高分子量聚乙烯，交联聚乙烯

高聚物的结构层次 链结构（单个分子的结构与形态） 聚集态结构（高聚物整体的内部结构） 近程结构 （一级结构） 远程结构 （二级结构） 链中原子的种类和排列 取代基和端基的种类 单体单元排列顺序 支链的类型和长度 取代基在空间的排列 分子的大小和形态 链的柔顺性及构象 结晶结构 非结晶结构 取向结构 液晶结构 三级结构

高聚物的结构层次 聚集态结构 一次及二次结构 成型加工控制 高聚物性能

高聚物的结构决定其性能，而高聚物的聚集态结构通过加工可以改变。 高聚物的结构层次 高聚物的结构决定其性能，而高聚物的聚集态结构通过加工可以改变。

高聚物的结晶与非结晶结构 结晶结构 高聚物的分子高度有序、紧密堆砌在一起形成结晶结构。典型的结晶聚合物：高密度聚乙烯HDPE，聚丙烯PP，尼龙PA，聚酯等。 非结晶结构 高聚物分子无序紊乱堆砌在一起形成非结晶结构。典型的非结晶聚合物：聚氯乙烯PVC，聚苯乙烯PS，聚碳酸酯PC，聚甲基丙烯酸甲酯PMMA等。

W－重量，V－体积，c－结晶，a－非结晶 高聚物的结晶与非结晶结构 高聚物的结晶是不完全的，存在晶区和非晶区。 存在结晶度的概念，结晶型高聚物的结晶度一般为40％～90％。 结晶度：结晶部分含量的量度。通常用重量百分数或体积百分数来表示。 W－重量，V－体积，c－结晶，a－非结晶

高聚物的结晶与非结晶结构

高聚物的结晶与非结晶结构 聚合物晶体生长规律往往是沿螺旋位错中心不断盘旋生长变厚的。特点： 1、不同的高聚物的单晶外形不同，但晶片厚度几乎都在10nm左右。 2、晶片厚度与分子量无关。 3、晶片中分子链垂直于晶面。 4、高分子链在晶片中折迭排列，称为折迭链晶片。

高聚物的结晶与非结晶结构

高聚物的结晶与非结晶结构 高聚物的结晶过程

高聚物的结晶与非结晶结构 高聚物的结晶过程

高聚物的结晶与非结晶结构 Ⅰ 区：Tm以下10－30℃，成核速度极小，结晶速度实际等于零。 Ⅱ 区:从Ⅰ 区下限向下30－60℃，成核速度增大，晶体生长速度增大，结晶速度迅速增大。结晶速度由成核速度控制。 Ⅲ 区:最大结晶速度出现，熔体结晶的主要区域。 Ⅳ 区：晶体生长速度减慢，结晶速度下降。结晶速度由晶体生长速度控制。

高聚物的结晶与非结晶结构 结晶速度高的温度区域结晶，则聚合物的结晶度高，晶体结构完整。 结晶温度低，则形成较多的小球晶。 结晶温度过低，越过最大结晶速度区域，则球晶小，结晶度低，晶体结构不完善，结晶度低。

高聚物的结晶与非结晶结构 结晶度提高，密度增大，冷却体积收缩大。 拉伸强度提高，硬度增大，形变能力下降，模量提高。但晶粒尺寸过大，会使拉伸及冲击强度降低。 结晶度提高，结晶结构均匀，尺寸稳定性增加。 后处理可增加结晶度。

高聚物的结晶与非结晶结构 结晶度提高，渗透和溶解性降低。 结晶度提高，透光率降低，晶粒尺寸小于可见光波波长二分之一时，结晶不影响透光率。 结晶提高热变形温度，即提高耐热性。

高聚物的结晶与非结晶结构

加工过程中各种因素的改变可使高聚物的相态结构发生不同的变化。 高聚物相态结构的变化是通过分子运动实现的。 高 聚 物 的 热 转 变 加工过程中各种因素的改变可使高聚物的相态结构发生不同的变化。 高聚物相态结构的变化是通过分子运动实现的。

分子链的整体运动，链段的运动，链节的运动，侧基的运动，晶区的运动 分子运动的时间依赖性 松弛时间长，具有松弛时间谱 分子运动的温度依赖性 高 聚 物 的 热 转 变 高聚物分子运动的特点 运动单元的多重性 分子链的整体运动，链段的运动，链节的运动，侧基的运动，晶区的运动 分子运动的时间依赖性 松弛时间长，具有松弛时间谱 分子运动的温度依赖性 温度影响分子运动，进而松弛时间

高聚物由于温度改变（在一定应力下）呈现的力学状态变化可通过形变－温度曲线（热力学曲线）表示。 高 聚 物 的 热 转 变 高聚物由于温度改变（在一定应力下）呈现的力学状态变化可通过形变－温度曲线（热力学曲线）表示。

Tb-脆化温度；Tg-玻璃化温度；Tf-黏流温度 高 聚 物 的 热 转 变 A B C D E Tb Tg Tf T/℃ 形变% A-玻璃态；B-过渡区；C-高弹态；D-过渡区；E-黏流态 Tb-脆化温度；Tg-玻璃化温度；Tf-黏流温度 线型非晶态高聚物的形变-温度曲线

高 聚 物 的 热 转 变 特征温度： Tb－脆化温度 Tg－玻璃化转变温度 Tf－粘流温度 Td分解温度

高 聚 物 的 热 转 变 Tg以下： 普弹形变，形变小，可逆，弹性模量大。 当高聚物在室温下，处于玻璃态，称为塑料或纤维。 高弹态（Tg～Tf） 可逆的高弹形变（100～1000％），弹性模量小。 高聚物特有的力学状态 当高聚物室温下处于高弹态，称作橡胶 可进行拉伸成型，吹塑成型,吸塑成型或压制成型

高 聚 物 的 热 转 变 粘流态(Tf以上) 不可逆的永久变形－塑性形变或粘流形变 运动单元是链段和大分子链，大分子重心产生相对移动 室温下处于粘流态的高聚物用作涂料或粘合剂

高 聚 物 的 热 转 变 结晶态高聚物的物理状态 玻璃态 黏流态 高弹态 M较小 M很大 结晶高聚物的热转变

高 聚 物 的 热 转 变 1－结晶度高，分子量不太大的高聚物； 2－分子量很大；3－结晶度很低的高聚物

高 聚 物 的 热 转 变 结晶聚合物的熔点与熔限： 熔限 熔点 结晶高聚物体积－温度曲线 低分子体积－温度曲线

高 聚 物 的 热 转 变 高聚物的熔化和低分子熔化的相似点和区别： 相似点：熔化过程都有某种热力学函数的突变。 区别： 1）低分子晶体熔点几乎是一个常数；而结晶高聚物的熔化发生在一个较宽的温度范围内，称为熔限，把熔限的终点对应的温度叫熔点。 2）低分子晶体在熔化过程中温度不变；结晶高聚物在熔限范围内，边熔化边升温。 3）低分子反复熔化和结晶，熔点是固定的；结晶高聚物的熔点和熔限都受结晶温度的影响：结晶温度低，熔限宽，熔点低；结晶温度高，熔限窄，熔点高。

高 聚 物 的 热 转 变

高 聚 物 的 热 转 变 总结 非结晶（低结晶）聚合物的热转变过程或熔化过程具有较长的软化区间。 结晶（高结晶）聚合物在熔点Tm以下处于玻璃态，即熔融前模量高，不发生软化，到熔点后，很快变为粘流态，软化区间短。 结晶聚合物的紧密堆砌的结构改善了分子热振动的传递，即增加了热传导，其导热率比非结晶聚合物高。

高 聚 物 的 热 转 变 由于晶体存在相变，因此，结晶聚合物比非结晶聚合物需要吸收更多的热量才能熔化。结晶度提高，吸收的热量也会随之提高。 结晶聚合物在相态转变时，比热会有突变，而非结晶聚合物的比热变化则比较缓和。 无论是结晶还是非结晶聚合物，分子之间的极性同样会影响其热转变过程。

高 聚 物 的 热 转 变 聚乙烯（1）和聚苯乙烯（2）的热焓图

固体和熔体PE的比热与温度的关系 固体和熔体PS的比热与温度的关系 高 聚 物 的 热 转 变 固体和熔体PE的比热与温度的关系 固体和熔体PS的比热与温度的关系

高 聚 物 的 力 学 性 能 屈服应变 弹性 线性 B（屈服点） C断裂点 塑性

聚合物力学类型 软而弱 软而韧 硬而脆 硬而强 硬而韧 聚合物应力 —应变曲线 应 力 变 曲 线 特 点 模 量 （刚性） 低 高 屈服应力 （强度） 极限强度 中 断裂伸长 （延性） 中等 按屈服应力 应力应变曲线 下面积（韧） 小 大 实 例 聚合物凝胶 橡胶.增塑. PVC.PE.PTFE PS.PMMA.固 化酚醛树脂断 裂前无塑性形 变断裂前有银 纹 硬PVC ABS.PC. PA有明显的 屈服和塑性 形变.韧性好

高 聚 物 的 分 类 重要的碳链聚合物

高 聚 物 的 分 类 重要的杂链聚合物

高 聚 物 的 分 类 碳链高分子：这类高聚物不易水解，易加工，易燃烧，易老化，耐热性较差。一般用作通用塑料。 杂链高分子：主链带极性，易水解，醇解或酸解。优点：耐热性好，强度高。这类聚合物主要用作工程塑料