内容简介
《高分子注塑加工形态结构学》为“材料先进成型与加工技术丛书”之一。注塑成型是高分子加工成型中应用*为广泛的工艺之一。《高分子注塑加工形态结构学》围绕高分子注塑加工中形态结构生成规律以及结构性能关系，聚焦于注塑加工中高分子微观结构生成规律及结构性能关系这一注塑加工研究的关键科学问题，系统总结了作者团队多年在注塑加工方面的学术研究成果，并归纳目前相关的国际学术论文及专著，从微观结构及构效关系的角度介绍高分子注塑加工理论，可弥补从工艺技术及装备角度介绍注塑加工的不足。
精彩书摘
第1章注塑加工基础
1.1注塑加工基本工艺
注塑成型是高分子加工成型中应用*为广泛的工艺技术之一[1]。在注塑成型中，将高分子粒料或粉料从注塑机的料斗加入加热的料筒，经加热剪切熔化呈流动状态后，借助柱塞或螺杆的推动作用将高分子熔体经喷嘴注入闭合夹紧的模具，充满模腔的熔体在压力作用下，经冷却固化后保持模腔赋予的形状，*后打开模具取出高分子制品[2]。注塑成型工艺具有生产周期短、模具设计精密的特点，非常适合大批量制造形状复杂且尺寸精确的高分子制件[3]。
图1-1注塑机的结构示意图[3]
常用注塑机的主要组成部件如图1-1所示。注塑机的组成部分包括塑化装置、合模装置及模具。图1-2展示了高分子制件注塑成型过程，称为注塑周期。注塑成型是一个四步循环过程：①模具闭合，螺杆旋转将高分子熔化并塑化；②螺杆向前移动（称为往复式螺杆），将高分子熔体注入模腔；③在短暂的保压阶段，额外的熔体被注入模腔以补偿冷却收缩；④在高压保压条件下，高分子熔体完全冷却固化后，由顶出系统脱模，得到高分子制件。每完成一次完整的注塑成型循环，即完成一个操作周期。
图1-2注塑周期中的系列过程[3]
T为合模力；t为顶出力；Ω为螺杆转速；F为螺杆推力
图1-3给出了注塑成型循环过程的顺序。从图中可以看出，大部分循环时间用于制件在型腔内的冷却。总循环时间可由式（1-1）计算[3]：
（1-1）
其中，合模时间（tclose）和出模时间（tejection）可以持续几分之一秒到几秒，这取决于模具和机器的大小。通常，循环时间为15s到几分钟。
图1-3注塑周期[3]
1.2注塑加工装备
注塑加工的历史可以追溯到1872年，Hyatt兄弟申请了柱塞式注塑机的发明专利，用于赛璐珞的注塑成型[3]［图1-4（a）］。注塑机的核心技术主要来源于1956年获得专利的往复式螺杆注塑机。立式注塑机［图1-4（b）］通常集成于生产线中，具有结构紧凑、生产周期短和生产效率高的特点。而如今，卧式注塑机［图1-4（c）］更为普遍。通过注塑机制造商提供的产品目录和技术文档，可以评估机器是否适用于特定项目或注塑成型工艺要求的制件生产[4]。
1.2.1注塑机的塑化装置
注塑成型的塑化装置如图1-5所示。塑化装置的主要任务是将高分子熔化，在螺杆腔体内储存熔体，并通过注射将熔体注入模腔，同时在冷却过程中保持压力。塑化装置的主要元件如下。
图1-4（a）柱塞式注塑机[5]；（b）立式注塑机；（c）卧式注塑机
图1-5塑化装置示意图[3]
（1）料斗。用于储存粒料或粉料，能够自动将高分子原料喂进料筒中，属于加料装置。
（2）料筒。用于输送、塑化原料。
（3）螺杆。对原料进行输送、压实、排气和塑化。
（4）喷嘴。用于将塑料熔体注入型腔。其作用包括：预塑时，建立背压排气，防止熔料流延，提高塑化质量；注射时，保证喷嘴与模具主浇道接触，熔料不外溢；建立熔体压力，提高注射速率，加强混炼效果；保压时，便于向模内补料；可进行调温、保温和断料。
注塑机的料斗、加热区和螺杆与单螺杆挤出机类似，但注塑机的螺杆具有轴向位移功能，可实现熔体的储存与注射。这一特性使其被称为往复式螺杆，*大轴向行程通常为螺杆直径的3倍。注塑机中*常用的螺杆是三区塑化螺杆，其中的两级通气螺杆也较为常用，用于在熔化阶段之后吸取水分和单体气体。螺杆末端的止回阀可在注射和保压阶段充当柱塞作用，有效防止熔体回流至螺杆通道。高品质的止回阀可将注射和保压过程中的熔体回流量控制在5%以下。塑化装置末端的喷嘴在注射过程中与浇口衬套紧密接触，常见为开放式和封闭式两种类型，其中开放式喷嘴*简单，压力消耗*低。
1.2.2注塑机的合模装置
注塑机的合模装置负责开模和合模，并确保模具闭合严密，以防止充填和保压过程中产生飞边。注塑机主要采用两种合模方式：机械式和液压式。
图1-6展示了*肘系统在开模和闭模位置的状态。尽管*肘系统本质上是机械结构，但其驱动依赖于液压缸的作用。*肘系统的优点在于，当模具接近闭合时，其提供的闭合力逐渐增大，而闭合速度显著减缓，有助于精确控制模具闭合过程。
图1-6带有*肘系统的合模装置[3]
（a）合模关闭；（b）合模打开
图1-7显示了液压合模装置在闭合和开启位置的示意图。液压系统的主要优点是能够在任意合模位置提供*大的锁模力，并且可以灵活适应不同尺寸的模具，而无需进行大幅度的设备调整。
图1-7液压合模装置[3]
（a）闭合；（b）开启
1.2.3注塑机的模具系统
注塑机中*关键的组成是模具，其功能包括将高分子熔体分布到模腔内、成型制件、冷却熔体并*终顶出成品。如图1-8所示，该模具为定制模具，主要由以下部件组成。
目录
目录
总序
前言
第1章 注塑加工基础 1
1.1 注塑加工基本工艺 1
1.2 注塑加工装备 3
1.2.1 注塑机的塑化装置 3
1.2.2 注塑机的合模装置 5
1.2.3 注塑机的模具系统 6
1.3 注塑加工外场与模拟 9
1.3.1 流动场 9
1.3.2 压力场 14
1.3.3 温度场 17
1.3.4 多外场耦合模拟 24
1.4 外场下结晶动力学与形态 24
1.4.1 流动场下高分子结晶 25
1.4.2 压力场下高分子结晶 37
1.4.3 多外场耦合下高分子结晶 47
1.5 外场下相形态演变影响因素 60
1.5.1 相形态形成与演变基础 60
1.5.2 加工外场 65
参考文献 81
第2章 注塑加工中形态结构生成原理 90
2.1 注塑制品形态结构表征方法 90
2.1.1 离线表征技术 90
2.1.2 在线表征技术 103
2.1.3 注塑成型在线表征实例 106
2.2 注塑制品中晶体形态结构 111
2.2.1 球晶结构 111
2.2.2 串晶结构 113
2.2.3 取向片晶 118
2.2.4 子母晶 119
2.2.5 柱晶、横晶和串葫芦晶 119
2.3 注塑高分子合金相形态 121
2.3.1 海-岛结构 122
2.3.2 共连续结构 126
2.3.3 特殊相结构 132
2.4 高分子复合材料注塑制品的结构 135
2.4.1 高分子复合材料的注塑成型 135
2.4.2 填充型复合材料的注塑成型 136
2.4.3 纤维增强复合材料的注塑成型 145
参考文献 152
第3章 注塑制品的介观形态结构与性能 161
3.1 皮-芯结构/梯度结构 161
3.1.1 皮-芯结构的特点 161
3.1.2 皮-芯结构的影响因素 165
3.1.3 皮-芯结构与性能的关系 169
3.2 熔接痕结构 171
3.2.1 熔接痕的简要介绍 172
3.2.2 熔接痕形成机理 174
3.2.3 熔接痕的相形态及影响因素 176
3.2.4 熔接痕消除方法及结构性能关系 180
3.3 表面流痕结构 188
3.3.1 注塑制品表面流痕的特征及形成原因 188
3.3.2 注塑制品表面流痕的形成机理 190
3.3.3 注塑制品表面流痕的影响因素 194
3.3.4 预防注塑制品表面流痕的主要措施 197
参考文献 199
第4章 注塑加工非常规技术 203
4.1 动态保压注塑成型技术 203
4.1.1 动态保压注塑成型技术的基本原理 203
4.1.2 动态保压注塑成型模具 205
4.1.3 动态保压注塑成型对皮-芯结构的影响 205
4.1.4 动态保压注塑成型的相关研究 206
4.2 振动注塑成型技术 209
4.2.1 振动注塑成型技术的基本原理 209
4.2.2 振动注塑成型对皮-芯结构的影响 210
4.2.3 振动注塑成型设备及相关研究 211
4.2.4 振动注塑成型技术总结 215
4.3 电磁动态注塑成型技术 216
4.3.1 电磁动态注塑成型技术的基本原理 217
4.3.2 电磁动态注塑成型技术应用 217
4.3.3 电磁动态注塑成型技术总结 219
4.4 介质辅助注塑成型技术 219
4.4.1 气体辅助注塑成型技术的基本原理 220
4.4.2 气体辅助注塑成型对皮-芯结构的影响 222
4.4.3 气体辅助注塑成型技术的主要产品 223
4.4.4 气体辅助注塑成型技术的主要特点 223
4.4.5 水辅助注塑成型技术 224
4.5 高速注塑成型技术 225
4.5.1 高速注塑成型装备及工艺 226
4.5.2 高速注塑成型制品及原料 231
4.6 微型注塑成型技术 231
4.6.1 微型注塑成型装置 232
4.6.2 微型注塑成型工艺 235
4.6.3 微型注塑成型制品 236
4.7 其他非常规注塑成型技术 237
4.7.1 反应注塑成型技术 237
4.7.2 低压注塑成型技术 238
4.7.3 微发泡注塑成型技术 239
4.7.4 熔芯注塑成型技术 241
4.7.5 模内覆膜注塑成型技术 242
4.7.6 快速热循环注塑成型技术 243
参考文献 245
第5章 典型高分子注塑加工 250
5.1 聚乙烯注塑成型 250
5.1.1 聚乙烯简介 250
5.1.2 聚乙烯的注塑加工性能 254
5.1.3 主要注塑工艺参数 255
5.2 聚丙烯注塑成型 256
5.2.1 聚丙烯简介 256
5.2.2 聚丙烯的注塑加工性能 258
5.2.3 主要注塑工艺参数 259
5.3 聚苯乙烯注塑成型 261
5.3.1 聚苯乙烯简介 261
5.3.2 聚苯乙烯的注塑加工性能 264
5.3.3 主要注塑工艺参数 264
5.4 ABS注塑成型 266
5.4.1 ABS简介 266
5.4.2 ABS的注塑加工性能 268
5.4.3 主要注塑工艺参数 269
5.5 聚氯乙烯注塑成型 270
5.5.1 聚氯乙烯简介 270
5.5.2 聚氯乙烯的注塑加工性能 273
5.5.3 主要注塑工艺参数 273
5.6 聚甲基丙
试读
第1章注塑加工基础
1.1注塑加工基本工艺
注塑成型是高分子加工成型中应用*为广泛的工艺技术之一[1]。在注塑成型中，将高分子粒料或粉料从注塑机的料斗加入加热的料筒，经加热剪切熔化呈流动状态后，借助柱塞或螺杆的推动作用将高分子熔体经喷嘴注入闭合夹紧的模具，充满模腔的熔体在压力作用下，经冷却固化后保持模腔赋予的形状，*后打开模具取出高分子制品[2]。注塑成型工艺具有生产周期短、模具设计精密的特点，非常适合大批量制造形状复杂且尺寸精确的高分子制件[3]。
图1-1注塑机的结构示意图[3]
常用注塑机的主要组成部件如图1-1所示。注塑机的组成部分包括塑化装置、合模装置及模具。图1-2展示了高分子制件注塑成型过程，称为注塑周期。注塑成型是一个四步循环过程：①模具闭合，螺杆旋转将高分子熔化并塑化；②螺杆向前移动（称为往复式螺杆），将高分子熔体注入模腔；③在短暂的保压阶段，额外的熔体被注入模腔以补偿冷却收缩；④在高压保压条件下，高分子熔体完全冷却固化后，由顶出系统脱模，得到高分子制件。每完成一次完整的注塑成型循环，即完成一个操作周期。
图1-2注塑周期中的系列过程[3]
T为合模力；t为顶出力；Ω为螺杆转速；F为螺杆推力
图1-3给出了注塑成型循环过程的顺序。从图中可以看出，大部分循环时间用于制件在型腔内的冷却。总循环时间可由式（1-1）计算[3]：
（1-1）
其中，合模时间（tclose）和出模时间（tejection）可以持续几分之一秒到几秒，这取决于模具和机器的大小。通常，循环时间为15s到几分钟。
图1-3注塑周期[3]
1.2注塑加工装备
注塑加工的历史可以追溯到1872年，Hyatt兄弟申请了柱塞式注塑机的发明专利，用于赛璐珞的注塑成型[3]［图1-4（a）］。注塑机的核心技术主要来源于1956年获得专利的往复式螺杆注塑机。立式注塑机［图1-4（b）］通常集成于生产线中，具有结构紧凑、生产周期短和生产效率高的特点。而如今，卧式注塑机［图1-4（c）］更为普遍。通过注塑机制造商提供的产品目录和技术文档，可以评估机器是否适用于特定项目或注塑成型工艺要求的制件生产[4]。
1.2.1注塑机的塑化装置
注塑成型的塑化装置如图1-5所示。塑化装置的主要任务是将高分子熔化，在螺杆腔体内储存熔体，并通过注射将熔体注入模腔，同时在冷却过程中保持压力。塑化装置的主要元件如下。
图1-4（a）柱塞式注塑机[5]；（b）立式注塑机；（c）卧式注塑机
图1-5塑化装置示意图[3]
（1）料斗。用于储存粒料或粉料，能够自动将高分子原料喂进料筒中，属于加料装置。
（2）料筒。用于输送、塑化原料。
（3）螺杆。对原料进行输送、压实、排气和塑化。
（4）喷嘴。用于将塑料熔体注入型腔。其作用包括：预塑时，建立背压排气，防止熔料流延，提高塑化质量；注射时，保证喷嘴与模具主浇道接触，熔料不外溢；建立熔体压力，提高注射速率，加强混炼效果；保压时，便于向模内补料；可进行调温、保温和断料。
注塑机的料斗、加热区和螺杆与单螺杆挤出机类似，但注塑机的螺杆具有轴向位移功能，可实现熔体的储存与注射。这一特性使其被称为往复式螺杆，*大轴向行程通常为螺杆直径的3倍。注塑机中*常用的螺杆是三区塑化螺杆，其中的两级通气螺杆也较为常用，用于在熔化阶段之后吸取水分和单体气体。螺杆末端的止回阀可在注射和保压阶段充当柱塞作用，有效防止熔体回流至螺杆通道。高品质的止回阀可将注射和保压过程中的熔体回流量控制在5%以下。塑化装置末端的喷嘴在注射过程中与浇口衬套紧密接触，常见为开放式和封闭式两种类型，其中开放式喷嘴*简单，压力消耗*低。
1.2.2注塑机的合模装置
注塑机的合模装置负责开模和合模，并确保模具闭合严密，以防止充填和保压过程中产生飞边。注塑机主要采用两种合模方式：机械式和液压式。
图1-6展示了*肘系统在开模和闭模位置的状态。尽管*肘系统本质上是机械结构，但其驱动依赖于液压缸的作用。*肘系统的优点在于，当模具接近闭合时，其提供的闭合力逐渐增大，而闭合速度显著减缓，有助于精确控制模具闭合过程。
图1-6带有*肘系统的合模装置[3]
（a）合模关闭；（b）合模打开
图1-7显示了液压合模装置在闭合和开启位置的示意图。液压系统的主要优点是能够在任意合模位置提供*大的锁模力，并且可以灵活适应不同尺寸的模具，而无需进行大幅度的设备调整。
图1-7液压合模装置[3]
（a）闭合；（b）开启
1.2.3注塑机的模具系统
注塑机中*关键的组成是模具，其功能包括将高分子熔体分布到模腔内、成型制件、冷却熔体并*终顶出成品。如图1-8所示，该模具为定制模具，主要由以下部件组成。
