一、玻璃態
處于玻璃態下的塑料分子,鏈段運動基本上處于停止的狀態,分子在自身的位置上振動,分子鏈纏繞成團狀或卷曲狀,相互交錯,紊亂無序。在玻璃態時分子的聚集狀態如下圖所示:
當受到外力作用時,分子鏈段將作瞬間微小伸縮和鍵角改變。整個塑料形體具有一定的剛性和強度(抗張強度、抗彎強度等)。在這種形態下,塑膠件可以被使用或進行機械加工(如:切削、鉆孔、銑刨等)。
一般非結晶形塑料(如:聚苯乙烯、有機玻璃、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。至于聚乙烯、聚丙烯等“軟”性塑料,事實上也存在著“硬”性的玻璃態。
這類塑料中的非結晶部分,玻璃態溫度比室溫低很多(——123——85℃),在玻璃態度溫度以上處于高彈態,表現為柔性,而結晶部分熔點又比室溫為高(137℃),因晶格能的束縛,鏈段不能自由活動,表現為剛性,所以也能作為具有固定形狀的塑料使用。
二、高彈態
處于高彈態下的塑料分子,動能增加,鏈段展開成網狀,但分子的運動仍維持在小鏈段的旋轉,鏈與鏈之間不發生位置移動。受外力作用時可產生緩慢形變,當外力除去后,又是慢慢恢復原狀。在這種狀態下,塑料具有一種類似橡膠的彈性,所以又稱橡膠態。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的高聚物。
高彈態有兩個特點(1)在較小作用力下可產生較大變形,外力解除后能恢復原狀。
(2)高彈形變并非瞬間發生,而是隨時間逐漸發展。與普通的彈性形變不同,在同樣外力作用下,形變要延遲一段時間才能完成,而且形變量大,松弛性也較明顯。
塑料的高彈態其實只有在熱加工過程中才出現:
三、粘流性
處于粘流態下的塑料分子,網狀結構已經解體,大分子鏈與鏈之間,鏈段與鏈段之間都有能夠自由移動。可以說,這是塑料的“液體”存在的形式,只是粘性大,物理構成不同,力學性質不同。當給予外力時,分子間很容易相互滑動,造成塑性體的變形,除去外力便不再恢復原狀。
塑料熱成型過程可以這樣描述:通過熱和力的作用,讓塑料從室溫的玻璃態,經歷程高彈態轉變為粘流態,注射入具有一定形狀的封閉模腔,然后在模腔內逐漸冷卻,從粘流態轉回玻璃態,最后形成與模腔形狀一致的制品。
塑料只能在粘流態下才能注射充填成型,即是說,塑料的加工溫度范圍只能是從粘流溫度(或結晶型塑料的熔點)到分解溫度之間。如果這個范圍寬,加工將比較容易,如果這個范圍窄,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。經常應用的聚苯乙烯、ABS等亦屬于范圍寬的一類,所以在設定注塑機料筒溫度時,能夠比較隨意;如果不需考慮色粉對高溫的敏感性,溫度調高些或調低些,對生產影響不大。
塑料在加熱料筒中經歷的熱力學變化如圖所示:
從圖中可以看出,在熱的作用下,塑料是從玻璃態經歷高彈態轉化為粘流態。正常的加工溫度應保證這種轉化順利進行,從進料段往前到射嘴段,溫度逐漸遞增,如若破壞了這種遞增,將使操作不穩定。即使有時在實際生產中,調校的射嘴溫度比其前段料筒溫度略低,但前段料筒位置內的料事實上已完全進入粘流態,稍低溫度的射嘴起著保溫及出料均勻的作用。
塑料的粘流態溫度范圍有一定極限,超過了這種極限,即超過了分解溫度,塑料產生分解,會破壞原來的化學結構,成為低分子化合物,甚至碳化。有時噴嘴對空注射發生爆鳴聲,就是由于氣態低分子生成物從料筒內的高壓突然轉變為低壓進入大氣,瞬間膨脹造成。這種現象的出現,說明料筒內部分塑料不堪高溫或長時間受熱而發生了分解。
正常生產過程中的塑料,不般不會超過分解溫度,但如果料筒內壁或螺桿損傷后有死角,造成長時間停滯或受到劇烈的擠壓剪切,就有可能發生分解,注塑出來的制件,往往帶有焰火狀黃斑。
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