塑料熔体的弹性和破裂特性分析

时间：2026-01-23 理论教育浅陌版权反馈

【摘要】：本节讨论塑料熔体弹性的原理和熔体的破裂。聚合物熔体流动中的弹性现象在加工成型的时间周期内，对熔体的弹性往往与黏性分别处理。因为相对分子质量高的熔体黏度高，并且相对分子质量的分布宽时，剪切弹性模量低，因此熔体所具有的松弛时间长。这种现象称为熔体破裂。

聚合物熔体不仅具有较高的黏性，还有明显的弹性。弹性也与塑料的成型加工密切相关。本节讨论塑料熔体弹性的原理和熔体的破裂。

1.熔体的弹性

固态或橡胶态的黏弹性材料在较长时间的变形过程中，黏性和弹性结合的研究已相当深入。聚合物熔体流动中的弹性现象在加工成型的时间周期内，对熔体的弹性往往与黏性分别处理。研究熔体的弹性，一般从应力的弹性回复入手。

聚合物熔体受剪切应力作用，不但有消耗能量的流动，同时也储存能量。一旦作用应力或边界约束去除，储存的弹性会产生可回复的形变。

对于聚合物熔体的剪切流动，剪切弹性模量G等于去除的剪切应力τ与可回复弹性剪切应变γ_R之比，即

图3-17所示为170℃某品级聚乙烯熔体的流动特性。横坐标的剪切应力τ的对数值对应对数剪切速率γ·的斜线。熔体的剪切黏度_η为

在纵坐标的对数轴上可读出对应的_η（N·s/m²），也可在纵坐标上读到剪切弹性模量G（N/m²），用对应横坐标上的剪切应力τ（N/m²）计算出回复弹性剪切应变γ_R。

从各种聚合物熔体的G和_η流动特性曲线可知，剪切弹性模量G随剪切应力τ的增加而增大，而剪切黏度η随剪切应力τ增大有明显下降。又从图3-17可知，聚合物熔体在低剪切应力（τ<10⁴Pa）时剪切模量G大致为常数，约在τ>10⁴Pa时剪切黏度_η急剧下降，熔体会出现不稳定流动。这是熔体内弹性能储存过大，弹性表现突出的原因。

图3-17 170℃某品级聚乙烯熔体的流动特性

虚线1—不稳定流动虚线2—熔体破裂

弹性变形在外力除去后的松弛回复快慢，由松弛时间λ=η/G所决定。如果实际变形的时间t比高聚物熔体的松弛时间λ大很多，则熔体的形变主要为黏性流动，这是因为弹性变形在此时间t内几乎都已松弛了。反之，如果实际变形的时间t比熔体的松弛时间λ小得多，则以弹性变形为主。

与剪切黏度相比，聚合物熔体的剪切模量对温度、压力和相对分子质量并不敏感，但显著地依赖于聚合物的相对分子质量的分布。聚合物熔体特征是在相对分子质量高、相对分子质量的分布宽时，弹性表现最为明显。因为相对分子质量高的熔体黏度高，并且相对分子质量的分布宽时，剪切弹性模量低，因此熔体所具有的松弛时间长。弹性变形的松弛过程漫长，弹性表现就充分。(https://www.xing528.com)

2.熔体的破裂

当挤出速率逐渐增加时，挤出物表面将出现不规则的现象，甚至使熔体内在质量受到破坏，此类现象统称为熔体破裂（Melt Fracture）。

聚合物熔体从小浇口对空注射过程中，在熔体剪切速率较低时挤出物具有光滑表面和均匀形状。当剪切速率达到某值时，挤出物表面失去光泽且表面粗糙，类似于橘皮纹。当挤压速率再升高时，挤出物表面出现众多的不规则的结节、扭曲或竹节纹，甚至支离和断裂成碎片或柱段。这种现象称为熔体破裂。这些现象说明，在低的剪切应力或速率下，各种因素引起的扰动被熔体黏性所抑制，而在高的剪切应力或速率下，流体的弹性恢复的扰动难以抑制，且发展成不稳定流动，引起流体的破裂，如图3-18所示。

熔体破裂不仅在挤出物的外观出现畸变、支离和断裂，而且破坏到挤出物内部。对产生此种严重破坏的原因有两种意见：一种意见认为熔体中贮存的弹性剪切应变能转变成表面自由能，破坏了挤出物；另一种看法是，浇口及其上游的通道内由于熔体各处受应力作用的历史不尽相同，因而离开浇口后所出现的弹性恢复就不可能一致，如果弹性恢复力不为熔体所容忍，就会引起熔体破裂。

图3-18 聚甲基丙烯酸甲酯于

170℃下不同剪切应力下所发生的不稳定流动的挤出物

熔体破裂现象是聚合物熔体产生弹性应变和弹性恢复的总结果，是一种综合现象。塑料熔体在注射模内流动过程中，不稳定的流动和熔体破裂将会在制品上出现流动痕迹，并损伤其力学和物理性能。熔体从小浇口射入大型腔，很容易形成蛇形流动和熔体破裂。通常注塑件都为薄壁结构，型腔间隙多为1～3mm。矩形浇口的高度约为制品壁厚的一半。射入的熔体在模具壁面间的窄缝中流动，阻力减小了熔料的能量，弹性恢复受到约束，让熔体稳定推进。注射模的浇口及其位置的设计，必须考虑避免不稳定流动。以下一些因素影响着熔体破裂的出现：

1）发生不稳定流动现象所确定的临界剪切应力为10⁵Pa（10N/cm²）数量级，并随着温度升高而略有增加。临界剪切速率随着浇口长径比的增加而增大，同时也随着温度升高而有增加。图3-19所示为PE熔体温度对临界剪切应力τ_cr和临界剪切速率的影响。