高分子材料成型原理

9．1．1 高聚物的物理状态

高聚物在不同温度下呈现出不同的物理状态，因而具有不同的性能，这对高聚物的成型加工和使用具有重要意义。线型非晶态高聚物在不同温度下呈现出3种物理状态：玻璃态、高弹态和黏流态，其变形温度曲线如图9．1所示。图中，Tx为脆化温度、Tg为玻璃化温度、Tf（Tm）为黏流温度、Td为分解温度。

图9．1 线性非晶态高聚物的变形温度曲线

①玻璃态（T＜Tg）。在较低的温度下，聚合物分子链处于冻结状态，受力时只能产生很小的弹性变形，具有较好的力学强度，质硬如玻璃，这种状态称为玻璃态。塑料即为常温下处于玻璃态的聚合物，通常Tg越高越好，这样在较高温度下仍能保持玻璃态。

②高弹态（Tg＜T＜Tf）。此时，非晶态聚合物分子链的部分链段开始解冻，高聚物在外力作用下就会产生较大的弹性变形，这种状态称为高弹态。高弹态是高聚物独有的状态，橡胶即为常温下处于高弹态的聚合物，通常Tg越低越好，这样可以在较低温度时仍不失去弹性。

③黏流态（T＞Tf）。当温度在Tf以上时，聚合物分子链完全解冻，在外力作用下极易发生分子链间的相对滑动，稍加外力即会产生明显的塑性变形，出现高分子的黏性流动，这种状态称为黏流态。流动树脂即为常温下处于黏流态的聚合物，可用作胶黏剂。

黏流态是高聚物加工成型的状态，将高聚物原料加热到黏流态后，通过喷丝、吹塑、注塑、挤压、模铸等方法，制成各种形状的零件、型材、纤维和薄膜等。

9．1．2 高聚合物的成型性能

（1）塑料的成型性能

塑料的工艺性能表现在许多方面，有些性能直接影响成型方法和工艺参数的选择，有的则只与操作有关。

1）收缩性

塑件自模具中取出冷却到室温后，发生尺寸收缩的特性称为收缩性。由于这种收缩不仅是树脂本身的热胀冷缩造成的，还与各种成型因素有关。因此，成型后塑件的收缩称为成型收缩，其大小可用收缩率来表示，即

式中 Sj——计算收缩率；

Ls——塑件在室温时的单向尺寸；

Lm——模具在室温时的单向尺寸。

因实际收缩率Ss与计算收缩率Sj数值相差很小，所以模具设计时常以计算收缩率为设计参数来计算型腔及型芯等的尺寸。

影响收缩率大小的因素很多，主要包括塑料品种、塑件结构、模具结构、成型工艺等。因此，收缩率不是一个固定值，而是在一定范围内变化的，收缩率的波动将引起塑件尺寸波动。因此，模具设计时应根据以上因素综合考虑选择塑料的收缩率，对精度高的塑件应选取收缩率波动范围小的塑料，并留有试模后修整的余量或适当改变工艺条件或按实际情况修正模具。

2）流动性

塑料在一定的温度和压力下填充模具型腔的能力称为流动性。热固性塑料的流动性可用拉西格试验值来表征，数值大则流动性好。热塑性塑料流动性常用熔体指数测定法和螺旋线长度试验法测定，熔体指数越大或流动长度越长，则流动性就越好。

流动性对塑件形状、模具设计和成型工艺都有很大影响。流动性小，将使填充不足，不易成型，成型压力大；流动性大，易使溢料过多，填充型腔不密实，塑件组织疏松，易黏模，脱模及清理困难，硬化过早。因此，选用塑料流动性必须与塑件要求、成型工艺及成型条件相适应，模具设计时应根据流动性来考虑浇注系统、分型面及进料方向等。

影响流动性的因素主要有温度、压力、模具结构、添加剂和成型工艺条件等。当填料粒度细且呈球状、湿度大、增塑剂和润滑剂含量高、预热及成型条件适当、模具型腔表面粗糙度小、模具结构适当等将使流动性提高。

3）热敏性

热敏性是指某些热稳定性差的塑料，在料温高和受热时间长的情况下就会产生降解、分解、变色的特性，具有这种特性的塑料称为热敏性塑料。为了防止热敏性塑料在成型加工过程中出现分解现象，应在塑料中加入热稳定剂，并选择合适的成型设备，正确控制成型加工温度和加工周期，同时应及时消除分解产物，设备和模具应采取防腐蚀措施等。

4）吸水性

塑料吸收水分的性质称为吸水性。若成型时塑料中的水分和挥发物过多，将使流动性增大，易产生溢料，成型周期长，收缩率大，塑件易产生气泡、组织疏松、翘曲变形、波皱等缺陷。此外，有的气体对模具有腐蚀作用，对人体有刺激作用，因此必须采取相应措施，消除或抑制有害气体，包括采取成型前对物料进行预热干燥处理、在模具中开设排气槽、模具表面镀铬等措施。

5）硬化特性

硬化特性是热固性塑料特有的性能，专指热固性塑料的交联反应。硬化程度与硬化速度不仅与塑料品种有关，而且与塑件形状、模具温度和成型工艺条件有关，因此必须严格控制工艺条件和改善模具结构，以避免塑件出现过熟或欠熟。

（2）橡胶的成型性能

1）流动性

橡胶在一定的温度、压力作用下，能够充满型腔各个部分的性能称为橡胶的流动性。橡胶的流动性对橡胶成型过程有着重要的影响，有时直接决定着成型的成败。橡胶成型时的压力、温度、模具和浇注系统的尺寸及参数等都与橡胶的流动性有关。

胶料的流动性一般用黏度和可塑性表示。影响橡胶流动性的因素有高聚物大分子链的温度、结构、剪切速率及切应力、配合剂等。

2）流变性

胶料的黏度随剪切速率的降低而降低的特性称为流变性。流变性对橡胶的加工过程有着重要的意义，当流动性差甚至流动停止时，胶料的黏度变得很大，使半成品有良好的挺直性而不易变形。在压出、注射成型时由于剪切速率很高，胶料的黏度低，流动性好。流变性与橡胶的分子量及压力、温度、成型速率等加工条件有关。

3）硫化性能

为改善橡胶的性能必须进行硫化。在硫化过程中橡胶的各种性能都随时间的增加而发生变化，胶料硫化性能的优劣主要体现在快速硫化、高交联率、焦烧安全性和存放稳定性等方面。

4）热物理性能

热物理性能的优劣直接影响橡胶制品的性质。热物理性能的影响因素是热导率、热扩散率和体积热容。