塑料成型工艺与模具试题

第一章 概论

1 什么是合成树脂?什么是塑料?为什么塑料能得到日益广泛的应用?

合成树脂是人们模仿天然树脂成分，并克服了产量低、性能不理想的缺点，用化学方法人工制取的各种树脂。塑料是以高分子聚合物为主要成分。并在加工为制品的某阶段可流动成型的材料。

塑料具有特殊的物理力学性能和化学稳定性能，以及优良的成型加工性能。

2 什么是热塑性塑料和热固性塑料？两者在本质上有何区别?888888

热塑性塑料是受热后软化或熔融，并能成型加工，冷却后固化，在加热仍然可软化的塑料。热固性塑料是受热后软化或熔融，但是一旦固化成型后就不会再软化的塑料。

两者本质区别：热塑性塑料的分子结构呈链状或树枝状，分子互相缠绕但不连结在一起，受热后具有可塑性。热固性塑料分子也具有链状或树枝状的结构，但在受热后这些链状或树枝状的分子逐渐结合成网状的结构，成为既不溶化也不溶解的物质。

3 试述热塑性塑料的状态与加工的关系?

处于玻璃态塑料，弹性模量高、形变率小，不宜进行大变形加工，但可以进行车、铣、刨、钻等机械加工；处于高弹态塑料，弹性模量显著减小，形变能力大大增强。对于某些无定形塑料在黏流温度一侧的区域内可进行真空成型、压力成型、压延和弯曲成型等；在黏流态的塑料成为熔体，在θf以上不同温度范围内常进行压延、挤出和吹塑成型等。在黏流态也可以进行熔融纺丝、注射、挤出等加工。

4 热塑性塑料的主要成型方法有哪些，热固性塑料的主要成型方法有哪些？

热塑性塑料的主要成型方法有：注射成型、挤出成型和中空成型；热固性塑料的主要成型方法有：压缩成型、压注成型和固相成型。

第二章 塑料成型理论基础

1. 什么是牛顿流动定律，牛顿流体？

牛顿流动定律：当有剪切应力τ（用N/m2或Pa表示）于定温下施加到两个相距为dr的流体平行层表面并以相对速度dv运动，则剪切应力与剪切速率dv/dr(s1)

之间呈直线关系。

大多数低分子流体以切变方式流动时，其切变力与剪切速率间存在线性关系，通常符合这种关系的流体称为牛顿流体。

2．什么是非牛顿流体?什么是假塑性流体？η与η2本质有何不同?

凡流体以切变方式流动但其切应力与剪切速率之间呈非线性关系的均称为非牛顿流体。凡是满足假塑性流体的流行为的指数函数的流体是假塑性流体。η是牛顿流体本身所固有的性质，其大小表征牛顿流体抵抗力引起流动变形的能力。η2表征的非牛顿流体（服从指数流动规律）在外力作用下抵抗变形的能力。

3. 描述假塑性流体的公式个，K、k．m、n的意义及关系?

K-与聚合物和温度有关的常数，可反应了聚合物熔体的粘稠性，称为黏度系数；n-与聚合物和温度有关的常数，可反映聚合物熔体偏离牛顿性质的程度，称之为非牛顿性质的指数；m-与聚合物和温度有关的常数，可反应了聚合物熔体的流动性，称之为流动系数；n-与聚合物和温度有关的常数，称为流动指数。

它们之间的关系如下：k=nK11,m=n1,

4. 在宽广的剪切速率范围内,聚合物熔体的η与.γ之间的关系会出现怎样的变化?

液体在低剪切速率(.γ＝l~1012s)作用下呈现牛顿性质的区域(剪切速率区间)称为零切牛顿黏度区，相应的强度叫做零切牛顿黏度(或零切黏度)，记作η0；液体在高剪切速率(.γ≥1016s)作用下呈现牛顿性质的区域称为极限黏度区，响应的极限黏度区叫做极限牛顿黏度（或极限黏度），记作η。注射成型所用的剪切速率通常为.γ＝103～1015s，一般位于非牛顿的中等剪切速率的区域为非牛顿性质的区域。

5. 聚合物熔体的黏度随剪切速率的变化对塑料成型加工有何指导意义?

在注射成型中，若要通过调整剪切速率的方法来控制聚合物的熔体黏度时，这种方法只能针对年度比较敏感于剪切速率的聚合物.如果熔体黏度对于剪切速率非常敏感，控制起来也容易，这就要求生产时必须严格控制注射机螺杆的转速并尽量的使注射压力、注射速度保持稳定，否则，任何微小的剪切速率变化都会导致年度显著改变，从而无法保证制品的成型质量。此外，如果注射成型工艺允许熔体黏度可以在很大的剪切速率范围内变化，则应根据流变曲线选择对黏度影响既不太大也不太小的剪切速率进行操作，这样可以避免上述控制问题。

6. 牛顿与非牛顿流体在圆形管道、狭窄形管道中的切应力、剪切速率和体积流率的表达式。

在圆形管道中：牛顿流体，2rpL，.2rpL，48vRpqL

非牛顿流体，2rpL，1.2nrpKL，131312nnnvnpqRnKL 狭窄形管道：牛顿流体，hpHL，1.nhhpLK，323vHWpqL

非牛顿流体, hpHL,1.nhhpLK,121221nnnvnpqWHnKL

7. 一种聚合物熔体在5MPa压力作用下通过直径2mm、长12mm的等截面圆形管道时，测得的体积流率为0.0722/cms。若该聚合物熔体的流变行为同于牛顿流体，求管壁处的最大切应力、剪切速率和牛顿黏度。

解：在管壁处（r=R）的切应力和剪切速率最大，为max150.22212RaRpMPL

..max2RRpL

由48vRpqL得，44233.141522.710880.0721012vRpPasqL

将带入上式得，最大剪切速率为9.18s1。

8. —聚合物熔体以1MPa的压力降通过直径2mm、长8mm的等截面圆管时，测得的体积流率为0.053/cms．在温度不变的情况下以5MPa压力降测试时体积流率增大到0.53/cms，试从以上测试结果分析该熔体在圆管中的流动是牛顿型还是非牛顿型，并建立表征这种聚合物熔体流动行为的流动方程。

解：(1)体为牛顿流体，将R=1mm,L=8mm, vq=0.053/cms,p=1Mpa代入公式48vRpqL得1=0.0098

再将R=1mm,L=8mm, vq=0.53/cms,p=5MPa代入得2=0.0049

因为12，所以该流体为非牛顿流体。

(2)式''nRaK表示为 ''342nvqRpKLR

由题得： ''1/1664nK (1)

''5/16640nK

(2)

解得： '0.70n '0.017K

因为该流体为非牛顿流体，所以有'nn '314nnKKn

则有：0.70n 0.015K 流动方程为：0.70.0.015

9. 挤出硬质PVC，已知口模处料温为177℃，口模直径为30mm,口模长为120mm．挤出速率为38.0/cms，现不考虑端未效应，试求PVC熔体进入口模时的压力和0.5MPa时的黏度 (见图2-40)

解：由公式2rpL和48vRpqL得：

10.将温度235℃时密度为0.783/gcm的PE熔体挤出通道直径为20 mm、长度为80mm的圆柱形口模，质量流率为50/gs，试计算模壁处真实的剪切速率和径入口改正的最大切应力(见图2-41)

解：

11.温度、压力和时间如何影响聚合物熔体的流动性？

聚合物熔体的流动性与熔体的表观黏度有关。聚合物分子链刚越大和分子间的引力越大时，表观黏度对温度的敏感也越大。也就是说升高温度可以降低熔体的表观黏度，提高熔体的流动性。对于聚合物流体来说，压力的增加相当于温度的降低。在温度和压力不变的情况下，流体的表观黏度，也就是熔体的流动性，会随着持续时间的逐渐的上升或下降，上升或下降到一定值后达到平衡不再变化。

12.不稳定流动区压力降增大的原因是什么?如何校正?

原因有两个：一是当聚合物以收敛方式进入小直径管时，为保持体积流率不变，必须调整熔体中各部分的流速才能适应管径突然减小的情况．这时除管道中心部分的熔体流速增大外，还需要靠近管壁处的熔体能以比正常流速更高的速度移动，如果管壁处的流速仍然要保持为零就只有增大熔体内的速度梯度，才能满足调整流速的要求，为此只有消耗适当的能量才能增大速度梯度，加之随流速的增大，流动的动能也相应增大，这也使能量的消耗增多；其二是增大熔体内的剪切速率，将迫使聚合物大分子发展更大和更快的变形，使其能够沿流动方向更充分地伸展，而且这种方式的形变过程从入口端开始并在一定的流动距离内持续地进行，而为发展这种具有高弹性特征的形变，需克服分子内和分子间的作用力，也要消耗一定的能量。

校正的方法是将入口端的额外的压力降看成是与一段“相当长度”管道所引起的压力降相等。用eR表示这个“相当长度”，在设有确切的实验数据的情况下，取6R作为“相当长度”不会引起大的计算误差。

13.聚合物熔体流出流道或浇口时会发生什么变化?影响离模膨胀因素有哪些？

聚合物熔体流出流道或浇口时，熔体会发生体积膨胀，这种现象叫做离模膨胀效应。这实际上是一种由弹性回复而引起的失稳流动，通常也叫Barun效应。

影响离模膨胀的因素很多，归纳有如下几点：

(1)一般情况下，黏度大(或相对分子质量高、相对分子质量分布窄)和非牛顿性强的聚合物熔体在流动过程容易产生较大的弹性变形，且松弛过程也比较缓慢， 故离模膨胀效应严重。

(2)弹性模量大的聚合物在流动过程中产生的弹性变形小，离模膨胀效应会比较轻微些。例如，弹性模量较大的聚酰胶、聚对苯二甲酸乙二酯等工程塑料，离控膨胀比只有1.5左右，而聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯等通用塑料，因弹性模量小，离模膨胀比约为1.5~2.8左右，甚至可达3.0~4.5。

(3)增大切应力和剪切速率（不能超过极限值）时，聚合物熔体在流动过程中的弹性也会增加，从而使离模膨胀效应加剧。 ‘

(4)在中等剪切速率范围内，降低温度不仅会增大人口效应和延长松弛时间，同时还会因此而加剧离模膨胀效应。但当剪切速率超过稳定流动允许的极限剪切速率后，离模膨胀反而会随剪切速率增大而减小。

(5)增大流道直径和流道的长径比，以及减小流道人口处的收敛角，都能减小熔体流动过程中的弹性变形，从而减轻离模膨胀效应。例如，流道的长径比一般取16左右，如果过小，有可能使离模膨胀比增大。

14.何为失稳流动?何为熔体破裂?如何克服? 在追求低黏度的情况下，一味的提高剪切速率到.6110s。这样使大分子链在其稿的剪切速率的作用下完全被拉直，继续变形就会呈现很大的弹性性质，导致流动无法保持为稳定的层流，熔体陷入一种弹性紊乱状态，各点的流速将互相干扰，通常称此现象为失稳流动。

聚合物熔体在失稳状态下通过模内的流道后。将会变得精细不均，没有光泽，表面出现粗糙的鲨鱼皮状。在这种情况下．如果继续增大切应力或剪切速率，熔体格呈现波浪、竹节形或周期螺旋形，边严重时将互相断裂成不规则的碎片或小圆柱块。这种现象称为熔体破裂。

弹性紊乱是聚合物出现失稳流动和熔体破裂的标志，为此定义出一个弹性雷诺数Rre。利用弹性雷诺数可以判别聚合物熔体是否出现弹性紊乱或失稳流动。

15.试分析浇口截面尺寸对充模过程和塑件质量的影响。

聚合物熔体的充模流动是否平稳于连续，与浇口截面高度和模腔的深度（制件厚度）有关。浇口的截面高度都很小，下面根据它相对于模腔深度的大小进行讨论：1〉浇口截面高度与模胶深度相差很大