聚合物及其固体添加物的流动取向1

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1、聚合物及其固体添加物的流动取向成型加工过程中聚合物的取向聚合物在成型加工过程中不可避免地会有不同程度的取向作用。通常有两种取向过程：一种是聚合物熔 体或溶液中大分子、链段或其中几何形状不对称的固体粒子在剪切流动时沿流动方向的流动取向；另一种 是聚合物在受到外力拉伸时大分子、链段或微晶等这些结构单元沿受力方向取向。如果取向的结构单元只 朝两个方向的就称为双轴取向或平面取向。　聚合物及其固体添加物的流动取向加工过程聚合物熔体或浓溶液常常都必须在加工与成型设备的管道和型腔中流动。这是一种剪切流动， 剪切流动中，在速度梯度作用下，蜷曲状长链分子逐渐沿流动方向舒展

2、伸直和取向。另一方面，由于熔体 温度很高，分子热运动剧烈，故在大分子流动取向的同时必然存在着解取向作用。熔体流动过程中，取向结构的分布也有一定规律。从图3-14中可以看出二种情况：１：等温流动区域，由于管道截面小，故管壁处速度梯度最大，紧靠管壁附近的熔体中取向程度最高； 在非等温流动区域，熔体进入截面尺寸较大的模腔后压力逐渐降低，故熔体中的速度梯度也由浇口处最大 值逐渐降低到料流前沿的最小值。所以熔体前沿区域分子取向程度低。当这部分熔体首先与温度低得多的 模壁接触时，即被迅速冷却面形成取向结构少或无取向结构的冻结层（距表面约0.2~0.8毫米）的这部分 

3、熔体有很高的取向程度。模腔中心的熔体，流动中速度梯度小，取向程度低，同时由于温度速度慢，分子 的解取向有时时间发展，故最终的取向极低。２：模腔中，既然熔体中的速度梯度沿流动方向降低，故流动方向上分子的取向程度是逐渐减小的。但 取向程度最大的区域不在浇口处，而在距浇口不远的位置上。因为熔体进入模腔后最先充满此处，有较长 的冷却时间，冻结层厚，分子在这里受到剪切作用也最大，因此取向程度也最高。所以，注射与挤出成型 时，制品中的有效取向主要存在于较早冷却的次表面层。图3-15表示注射成型和矩形长工条试样中取向结 构的分布情况。流动取向可以是单轴的或是双轴的，主

4、要视制品的结构形态、尺寸和熔体在其中的流动情况而定。如果 沿流动方向制品有不变的横截面时，熔体将主要向一个方向盘流动，故取向主要是单轴的；如果沿流动方 向制品的截面有变化，则会出现向几个方向的同时流动，取向将是双轴（即平面取向）的或更为复杂的 （图3-16）。聚合物中有时为了改变制品的性能或其它目的还加入一些填充物，如短纤维状或粉末状不熔物如玻璃纤 维、木粉、二硫化钼等。由于这些填充物通常都具有几何形状的不对称性，其长轴与流动方向总会形成一 定的夹角，其各部位处于不同的速度梯度中。因而受到的剪切力不同。速度梯度在的地方剪切力不同。速 度梯度在地方剪切应力

5、大，移动得较快，直到填充物的长轴与流动方向相同（即平行时），填充物才停止 转动并沿流动方向取向。其取向过程如图3-17所示。　　　聚合物中填充物在注射模具型腔中流动时取向情况要 复杂得多。例如注射成型扇形薄片制件时，熔体的流线自浇口处沿半径方向散开，在扇形模腔的中心部分 熔体流速最大，当熔体前沿到达模壁被迫改变方向的流动，熔体中纤维状填料也随熔体流线改变方向，最 后填料形成同心环似的排列，尤以扇形边沿部分最为明显。可见填料的取向总是与流动方向一致（图3-18 ）。在扇形制件的情况下，填料的取向具有平面取向的性质。注射成型过程聚合物的流动取向是较为复杂的，

6、取向情况与制品形状尺寸和浇口位置因素有关。多数情 况下，制件中的分子或填料取向往往是单轴和双轴取向的复杂组合。　　下一页聚合物的拉伸取向非晶聚合物拉伸时可相继产生普弹形变、高弹形变、塑性形变或粘性形变。由于普弹形变值小，且在 高弹形变发生形变时便已消失，所以聚合物的取向主要由与上述独立结构单元的形变两个过程，两个过程 可以同时进行，但速率不同。外力作用下最早发生的是链段的取向，进一步的发展才引起大分子链的取向 （图3-19）。在玻璃化温度Tg附近，聚合物以进行高弹拉伸和塑性拉伸。拉伸时拉应力σ和应变ε之间有如下关系：σ-σy=Eε(3-3)E为杨氏模量，

7、σy为聚合物的屈服应力。当σ＜σy时，只能对材料产生高弹拉伸。拉伸中的取向为链 段形变和位移所贡献，所以取向程度低、取向结构不稳定。当σ>σy并持续作用于材料时，能对材料进 行塑性拉伸。式（3-3）说明应力σ中的一部分用于克服屈服应力后，剩余的部分（σ-σy）则是引起塑 性拉伸的有效应力。它迫使高弹态下大分子作为独立结构单元发生解缠和滑移，从而使材料由弹性形变发 展为以塑性形变为主的伸长。由于塑性形变具有不可逆性，所以塑性拉伸能获得稳定的取向结构和高的取 向度，由式（3-3）所作的应力-应变图如第一章图1-8所示．拉伸过程中，材料变细，材料沿拉力（即轴向

8、）方向的拉伸速度v是逐渐增加的，所以单位距离内的速 度变化即速度梯度（ε＝dv/