把塑料原料轉(zhuǎn)變成制件的過(guò)程稱為成型加工,塑料往往具有較好的成型加工性能。塑料的可加工性可從其溫度形變曲線來(lái)理解。
取一種非結(jié)晶的聚合物試樣,對(duì)它施加一恒定的力,觀察試樣發(fā)生的形變與溫度的關(guān)系,可以得到如圖1-2 所示的曲線2,通常稱為溫度形變曲線或熱機(jī)械曲線。當(dāng)溫度較低時(shí),試樣為剛性固體,在外力作用下只發(fā)生很小的變形,當(dāng)溫度升到某一范圍后,試樣的變形明顯增加,并在隨后的溫度區(qū)間內(nèi)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的變形,試樣變成柔軟的彈性體,溫度繼續(xù)升高,變形基本上保持不變,溫度再進(jìn)一步升高,則變形量又逐漸增大,試樣變成黏性的流體。
根據(jù)試樣的溫度形變曲線,可以把非結(jié)晶聚合物按溫度區(qū)域劃為三種力學(xué)狀態(tài):玻璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài)。玻璃態(tài)與高彈態(tài)之間的轉(zhuǎn)變,稱為玻璃化轉(zhuǎn)變,對(duì)應(yīng)的溫度稱為玻璃化溫度,常用Tg表示,而高彈態(tài)與黏流態(tài)之間的轉(zhuǎn)變溫度稱為黏流溫度,常用Tf表示。
對(duì)于結(jié)晶聚合物來(lái)說(shuō),非結(jié)晶部分在不同溫度條件下,也一樣要發(fā)生上述兩種轉(zhuǎn)變。然而,隨著結(jié)晶程度的不同,其溫度形變的宏觀表現(xiàn)是不一樣的。結(jié)晶程度較低的聚合物仍然存在明顯的玻璃化轉(zhuǎn)變,也一樣有以上所述的三種力學(xué)狀態(tài):玻璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài)。但隨著相對(duì)分子質(zhì)量的不同,其溫度形變曲線也稍有區(qū)別,如圖1-2 中曲線3 和4 所不,曲線3比曲線4的相對(duì)分子質(zhì)量低。曲線3 所示的非晶區(qū)的黏流溫度低于晶區(qū)的熔點(diǎn)Tm,晶區(qū)熔融后整個(gè)聚合物便成為黏性流體,而曲線4所示的材料,晶區(qū)熔融后進(jìn)人高彈態(tài),直到溫度進(jìn)一步上升到Tf 以上才進(jìn)入黏流態(tài)。從可加工性來(lái)看,曲線4是不希望看到的,因?yàn)檫@樣的聚合物材料往往加工性能較差,一般需要提高溫度才適宜加工。
結(jié)晶程度較大的聚合物,微晶體之間彼此銜接,形成貫穿整個(gè)材料的連續(xù)結(jié)晶相,此時(shí)結(jié)晶相承受的應(yīng)力要比非結(jié)晶相大得多,材料變得堅(jiān)硬,宏觀上覺察不到明顯的玻璃化轉(zhuǎn)變,其溫度形變曲線在熔點(diǎn)Tm 以前不出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折,如圖1-2 中的曲線2 所示,其溫度形變曲線基本只表現(xiàn)為兩個(gè)區(qū)域: 固態(tài)和熔融狀態(tài),缺少高彈態(tài)。
從材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)來(lái)看,聚合物隨著溫度變化出現(xiàn)的這幾種力學(xué)狀態(tài)均是內(nèi)部分子處于不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的宏觀表現(xiàn)。
以上溫度形變特點(diǎn)決定了對(duì)于聚合物熔體來(lái)說(shuō),隨著溫度的增加其成型加工的方法與特點(diǎn)。非結(jié)晶聚合物在玻璃態(tài)下不能進(jìn)行大變形的成型加工,只適于機(jī)械加工,所以玻璃化溫度是大多數(shù)非結(jié)晶聚合物成型加工的低溫度,同時(shí),也是多數(shù)塑料制件的使用上限溫度;在高彈態(tài)下,可利用材料在此溫度區(qū)域內(nèi)的高彈特性進(jìn)行壓力成型、熱成型以及中空成型等,對(duì)于很多橡膠來(lái)說(shuō),其使用溫度區(qū)間就在此區(qū)域;在黏流態(tài)下,聚合物的變形很大,可進(jìn)行擠出、注射等加工。對(duì)于結(jié)晶聚合物來(lái)說(shuō),其玻璃化溫度和熔融溫度之間基本不呈現(xiàn)高彈態(tài),則有益于提高材料的使用溫度,它的成型加工通常在其熔點(diǎn)以上進(jìn)行。
不管是否結(jié)晶,在溫度過(guò)高時(shí),材料都可能發(fā)生分解,此時(shí)溫度為分解溫度的Td,材料的黏流溫度或熔點(diǎn)到分解溫度的溫度區(qū)間越大,聚合物熔體的熱穩(wěn)定性越好,可以較寬的溫度范圍內(nèi)流動(dòng),則其成型加工越容易進(jìn)行。
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