【干貨】塑料三態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)和工藝特性
已有人閱讀此文 - -一、玻璃態(tài)
處于玻璃態(tài)下的塑料分子,鏈段運(yùn)動(dòng)基本上處于停止的狀態(tài),分子在自身的位置上振動(dòng),分子鏈纏繞成團(tuán)狀或卷曲狀,相互交錯(cuò),紊亂無(wú)序。在玻璃態(tài)時(shí)分子的聚集狀態(tài)如下圖所示:
當(dāng)受到外力作用時(shí),分子鏈段將作瞬間微小伸縮和鍵角改變。整個(gè)塑料形體具有一定的剛性和強(qiáng)度(抗張強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等)。在這種形態(tài)下,塑膠件可以被使用或進(jìn)行機(jī)械加工(如:切削、鉆孔、銑刨等)。
一般非結(jié)晶形塑料(如:聚苯乙烯、有機(jī)玻璃、聚碳酸酯等),其玻璃化溫度高于室溫,我們可以將原料顆粒、定型了的制件視為玻璃態(tài)。至于聚乙烯、聚丙烯等“軟”性塑料,事實(shí)上也存在著“硬”性的玻璃態(tài)。
這類塑料中的非結(jié)晶部分,玻璃態(tài)溫度比室溫低很多(-123~85℃),在玻璃態(tài)度溫度以上處于高彈態(tài),表現(xiàn)為柔性,而結(jié)晶部分熔點(diǎn)又比室溫為高(137℃),因晶格能的束縛,鏈段不能自由活動(dòng),表現(xiàn)為剛性,所以也能作為具有固定形狀的塑料使用。
二、高彈態(tài)
處于高彈態(tài)下的塑料分子,動(dòng)能增加,鏈段展開(kāi)成網(wǎng)狀,但分子 的運(yùn)動(dòng)仍維持在小鏈段的旋轉(zhuǎn),鏈與鏈之間不發(fā)生位置移動(dòng)。受外力作用時(shí)可產(chǎn)生緩慢形變,當(dāng)外力除去后,又是慢慢恢復(fù)原狀。在這種狀態(tài)下,塑料具有一種類似橡膠的彈性,所以又稱橡膠態(tài)。通常稱為彈性或橡膠體的高聚物,便函是在室溫下處于高彈態(tài)的高聚物。
高彈態(tài)有兩個(gè)特點(diǎn)
(1)在較小作用力下可產(chǎn)生較大變形,外力解除后能恢復(fù)原狀。
(2)高彈形變并非瞬間發(fā)生,而是隨時(shí)間逐漸發(fā)展。與普通的彈性形變不同,在同樣外力作用下,形變要延遲一段時(shí)間才能完成,而且形變量大,松弛性也較明顯。
塑料的高彈態(tài)其實(shí)只有在熱加工過(guò)程中才出現(xiàn)。
三、粘流性
處于粘流態(tài)下的塑料分子,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)已經(jīng)解體,大分子鏈與鏈之間,鏈段與鏈段之間都有能夠自由移動(dòng)??梢哉f(shuō),這是塑料的“液體”存在的形式,只是粘性大,物理構(gòu)成不同,力學(xué)性質(zhì)不同。當(dāng)給予外力時(shí),分子間很容易相互滑動(dòng),造成塑性體的變形,除去外力便不再恢復(fù)原狀。
塑料熱成型過(guò)程可以這樣描述:通過(guò)熱和力的作用,讓塑料從室溫的玻璃態(tài),經(jīng)歷程高彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài),注射入具有一定形狀的封閉模腔,然后在模腔內(nèi)逐漸冷卻,從粘流態(tài)轉(zhuǎn)回玻璃態(tài),最后形成與模腔形狀一致的制品。
塑料只能在粘流態(tài)下才能注射充填成型,即是說(shuō),塑料的加工溫度范圍只能是從粘流溫度(或結(jié)晶型塑料的熔點(diǎn))到分解溫度之間。如果這個(gè)范圍寬,加工將比較容易,如果這個(gè)范圍窄,可選擇的加工溫度限制就大,加工就較為困難。前者以聚乙烯為代表,后者以聚氯乙烯為代表。經(jīng)常應(yīng)用的聚苯乙烯、ABS等亦屬于范圍寬的一類,所以在設(shè)定注塑機(jī)料筒溫度時(shí),能夠比較隨意;如果不需考慮色粉對(duì)高溫的敏感性,溫度調(diào)高些或調(diào)低些,對(duì)生產(chǎn)影響不大。
塑料在加熱料筒中經(jīng)歷的熱力學(xué)變化如圖C所示:
從圖中可以看出,在熱的作用下,塑料是從玻璃態(tài)經(jīng)歷高彈態(tài)轉(zhuǎn)化為粘流態(tài)。正常的加工溫度應(yīng)保證這種轉(zhuǎn)化順利進(jìn)行,從進(jìn)料段往前到射嘴段,溫度逐漸遞增,如若破壞了這種遞增,將使操作不穩(wěn)定。即使有時(shí)在實(shí)際生產(chǎn)中,調(diào)校的射嘴溫度比其前段料筒溫度略低,但前段料筒位置內(nèi)的料事實(shí)上已完全進(jìn)入粘流態(tài),稍低溫度的射嘴起著保溫及出料均勻的作用。
塑料的粘流態(tài)溫度范圍有一定極限,超過(guò)了這種極限,即超過(guò)了分解溫度,塑料產(chǎn)生分解,會(huì)破壞原來(lái)的化學(xué)結(jié)構(gòu),成為低分子化合物,甚至碳化。有時(shí)噴嘴對(duì)空注射發(fā)生爆鳴聲,就是由于氣態(tài)低分子生成物從料筒內(nèi)的高壓突然轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪哼M(jìn)入大氣,瞬間膨脹造成。這種現(xiàn)象的出現(xiàn),說(shuō)明料筒內(nèi)部分塑料不堪高溫或長(zhǎng)時(shí)間受熱而發(fā)生了分解。
正常生產(chǎn)過(guò)程中的塑料,不般不會(huì)超過(guò)分解溫度,但如果料筒內(nèi)壁或螺桿損傷后有死角,造成長(zhǎng)時(shí)間停滯或受到劇烈的擠壓剪切,就有可能發(fā)生分解,注塑出來(lái)的制件,往往帶有焰火狀黃斑。