塑料三态的微观结构和工艺特性

浮亦

一
玻璃态

处于玻璃态下的塑料分子,链段运动基本上处于停止的状态,分子在自身的位置上振动,分子链缠绕成团状或卷曲状,相互交错,紊乱无序.在玻璃态时分子的聚集状态如下图所示:





当受到外力作用时,分子链段将作瞬间微小伸缩和键角改变.整个塑料形体具有一定的刚性和强度(抗张强度、抗弯强度等).在这种形态下,塑胶件可以被使用或进行机械加工(如:切削、钻孔、铣刨等).

一般非结晶形塑料(如:聚苯乙烯、有机玻璃、聚碳酸酯等),其玻璃化温度高于室温,我们可以将原料颗粒、定型了的制件视为玻璃态.至于聚乙烯、聚丙烯等“软”性塑料,事实上也存在着“硬”性的玻璃态.

这类塑料中的非结晶部分,玻璃态温度比室温低很多(－123～85℃),在玻璃态度温度以上处于高弹态,表现为柔性,而结晶部分熔点又比室温为高(137℃),因晶格能的束缚,链段不能自由活动,表现为刚性,所以也能作为具有固定形状的塑料使用.

二
高弹态

处于高弹态下的塑料分子,动能增加,链段展开成网状,但分子 的运动仍维持在小链段的旋转,链与链之间不发生位置移动.受外力作用时可产生缓慢形变,当外力除去后,又是慢慢恢复原状.在这种状态下,塑料具有一种类似橡胶的弹性,所以又称橡胶态.通常称为弹性或橡胶体的高聚物,便函是在室温下处于高弹态的高聚物.

高弹态有两个特点
(1)在较小作用力下可产生较大变形,外力解除后能恢复原状.
(2)高弹形变并非瞬间发生,而是随时间逐渐发展.与普通的弹性形变不同,在同样外力作用下,形变要延迟一段时间才能完成,而且形变量大,松弛性也较明显.

塑料的高弹态其实只有在热加工过程中才出现






三
粘流性

处于粘流态下的塑料分子,网状结构已经解体,大分子链与链之间,链段与链段之间都有能够自由移动.可以说,这是塑料的“液体”存在的形式,只是粘性大,物理构成不同,力学性质不同.当给予外力时,分子间很容易相互滑动,造成塑性体的变形,除去外力便不再恢复原状.

塑料热成型过程可以这样描述:通过热和力的作用,让塑料从室温的玻璃态,经历程高弹态转变为粘流态,注射入具有一定形状的封闭模腔,然后在模腔内逐渐冷却,从粘流态转回玻璃态,最后形成与模腔形状一致的制品.

塑料只能在粘流态下才能注射充填成型,即是说,塑料的加工温度范围只能是从粘流温度(或结晶型塑料的熔点)到分解温度之间.如果这个范围宽,加工将比较容易,如果这个范围窄,可选择的加工温度限制就大,加工就较为困难.前者以聚乙烯为代表,后者以聚氯乙烯为代表.经常应用的聚苯乙烯、ABS等亦属于范围宽的一类,所以在设定注塑机料筒温度时,能够比较随意;如果不需考虑色粉对高温的敏感性,温度调高些或调低些,对生产影响不大.

塑料在加热料筒中经历的热力学变化如图C所示:





从图中可以看出,在热的作用下,塑料是从玻璃态经历高弹态转化为粘流态.正常的加工温度应保证这种转化顺利进行,从进料段往前到射嘴段,温度逐渐递增,如若破坏了这种递增,将使操作不稳定.即使有时在实际生产中,调校的射嘴温度比其前段料筒温度略低,但前段料筒位置内的料事实上已完全进入粘流态,稍低温度的射嘴起着保温及出料均匀的作用.

塑料的粘流态温度范围有一定极限,超过了这种极限,即超过了分解温度,塑料产生分解,会破坏原来的化学结构,成为低分子化合物,甚至碳化.有时喷嘴对空注射发生爆鸣声,就是由于气态低分子生成物从料筒内的高压突然转变为低压进入大气,瞬间膨胀造成.这种现象的出现,说明料筒内部分塑料不堪高温或长时间受热而发生了分解.

正常生产过程中的塑料,不般不会超过分解温度,但如果料筒内壁或螺杆损伤后有死角,造成长时间停滞或受到剧烈的挤压剪切,就有可能发生分解,注塑出来的制件,往往带有焰火状黄斑.


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