內容目錄
1. 塑膠的取向性
1.1 取向的概念
鏈狀大分子具有很大的長徑比,可以達到數百、數千、數萬甚至數十萬,這樣的分子在外力作用下,分子鏈會沿外力作用方向程某種方式和某種程度的平行排列,稱為取向。宏觀上取向一般分為拉伸取向和流動取向兩種類型。拉伸取向是由拉應力引起的,取向方位與取向應力作用方向一致;而流動取向是在解切應力作用下沿著熔體流動方向形成的。
1.2 取向的實質
高聚物的取向現象從微觀上來看,主要是高聚物分子的分子鏈、鏈段及結晶型高聚物的晶片、晶帶沿特定方向的擇優排列。因為高聚物分子有鏈段與高分子鏈兩種運動單元,因此微觀上非結晶型高聚物可以有鏈段和高分子鏈兩種取向。鏈段的取向在高彈態下便可完成,它主要通過單鍵的內旋轉來導致鏈段運動完成取向。而整個分子鏈的取向需要鏈段的協同運動來完成,因此只有當高聚物處於黏流態時才可完成。在外力作用下。高聚物一般先發生鏈段取向,然後才是整個分子的取向。總之,取向過程是一種分子的有序化過程。對於結晶型高聚物的取向,除了非晶區中可能發生鏈段取向與分子鏈取向外,還有可能發生晶粒的取向,在外力作用下,晶粒將沿外力方向做擇優取向。但是值得注意的是,取向態與結晶態雖然都與高分子的有序程度有關,但它們的有序程度不同,取向態勢一維或二維有序,而結晶態是三維有序。
1.3 解取向
說明1:
無論是鏈段取向還是整鏈取向,都是熱力學上的非平衡狀態。當外力解除後,都會由於分子的熱運動使鏈段或整鏈重新處於隨機狀態,稱為解取向。只有當取向後的鏈段或整鏈被迅速冷卻到玻璃轉變溫度時,取向才能被保留下來。這種”凍結”的取向也只有相對的穩定性,也會很緩慢地解取向。隨材料溫度的提高,解取向會迅速進行。
說明2:
解取向是指取向的逆過程,通過分子熱運動將原本有序排列的分子或結構元素恢復到無序狀態。解取向過程包括鏈段解取向和分子鏈的解取向。如果材料的取向速度較快,那麼解取向速度通常也會較快。另外,結晶聚合物的取向狀態通常比非晶聚合物的取向狀態更穩定,也就是說,結晶聚合物更難發生解取向。
1.4 取向對製品質量的影響
取向對製品的影響是產生性能的各項異性,取向方向的強度、模量等明顯增大,垂直於取向方向的強度、模量等明顯較小。這是因為在取向方向上分子鏈的各原子是以化學鍵相結合的,而在垂直於取向的方向上各分子鏈之間的作用力是凡得瓦力。取向還會造成製品兩方向收縮率、折射率等的不同。
1.5 取向的利用與應對
在射出製品生產過程中,常常利用取向來改善製品某個方向的力學性能。取向也會對製品產生不利影響,會使製品在工作過程中由於解取向的進行而改變尺寸,
產生變形甚至產生裂紋等(在垂直於取向的方向上)。針對這種情況,在製品成型后,應進行必要的處理,創造出使已取向的分子解取向的必要條件,避免”凍結”在製品中的分子鏈取向給製品工作帶來的上述弊病。射出件取向分布的特點見(圖1)。

● 射出與高分子取向案例
2. 分子取向性與溫度關係
射出成型分子取向是在溫度和壓力作用下的凍結取向。當模具打開時,模具內的型腔壓力全部消失,但製品一般不可能冷卻到常溫,等製品在模外冷卻到常溫這段時間,製品中的分子產生解取向,取向程度就下降。所以分子取向性與溫度變化有關,當塑膠熔體溫度提高,模具溫度升高,製品壁厚增厚,冷卻時間縮短,分子取向性下降,反之增大。在射出成型過程中分子有在等溫下流動取向和非等溫下流動取向。在等溫下分子流動取向的力和量是一樣的,但在非等溫分子流動取向力和量均不一致,易引起內應力的不一致,造成製品變形等品質問題。
3. 分子取向與壓力速度關係
塑膠分子取向因受力的形式和作用性質不同,可分為剪切應力分子取向,即流動取向和受牽引作用的拉伸取向。流動分子取向有單軸或雙軸取向,並沿著流動方向有序排列。分子取向是與作用力成正比。
射出成型分子取向性是將熔融塑膠在射出壓力的作用下,射入模具型腔,並在射出和保壓壓力的繼續作用下凍結,分子取向性大小與凍結時的壓力成正比。
4. 分子取向殘餘應力與驟冷應力
分子取向殘餘應力是製品成型冷卻時的凍結取向應力和構型體積應變應力。製品的凍結分子鏈在失壓下,並在使用溫度和環境溫度的變化中,成型製品中原拉直和拉長的鏈鍛要恢復到此時的自由狀態,分子鏈產生捲曲,製品就產生變形,這種情況會持續到該塑膠原始自由狀態,製品變形才停止。構型體積應變是由於製品的幾何形狀變化,造成不同的分子取向應力。製品內應力不同,收縮情況也不同。製品的凍結應力和型體應力,會造成製品的裂縫和受熱後尺寸不穩定等變化。
驟冷應力是製品在成型冷卻過程中,模溫極低,製品的冷卻速度極快情況下,造成分子取向力不一致,在厚製品上易出現氣泡或凹痕。
5. 結晶形塑膠與非結晶形塑膠的取向性
非結晶形塑膠取向鬆弛的時間從失壓到玻璃態,結晶形塑膠取向鬆弛的時間從失壓到熔點。因冷卻到熔點溫度比冷卻到玻璃態溫度,當然到熔點溫度高,所以冷卻時間短。因此在同等成型條件下,非結晶形塑膠解取向時間長,製品取向應力小,結晶型塑膠解取向時間短,不易解取向,取向性就大。
☆ 其他參考資料及文章
● 流動取向
https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E6%B5%81%E5%8A%A8%E5%8F%96%E5%90%91
● 高分子物理-高分子取向態結構
● 高聚物取向態結構
☆ 案例及資料下載
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