塑料的物理, 力学性能与温度密切相关, 温度变化时塑料的受力行为发生变化, 呈现出不同的物理状态, 表现出分阶段的力学性能特点. 塑料在受热时的物理状态和力学性能对塑料的成型加工有着非常重要的意义.
塑料的热力学性能
塑料在不同的温度下所表现出来的分子热运动特征称为聚合物的物理状态.
热塑性塑料的物理状态分为玻璃态(结晶型聚合物亦称结晶态), 高弹态和粘流态. 图1所示为线型无定形聚合物受恒定压力时变形程度与温度关系的曲线, 也称热力学曲线.
1) 玻璃态
塑料在温度Tg以下的状态是坚硬的固体, 称之处于玻璃态, 它是大多数塑件的使用状态. 处于此状态的塑料, 在外力作用下分子链只能发生很小的弹性变形并且弹性变形服从胡克定律.
Tg称为玻璃化温度, 是聚合物从玻璃态转变为高弹态(或高弹态转变为玻璃态)的临界温度, 是多数塑料使用的上限温度, 也是合理选择塑料的重要参数.
聚合物在Tg以下还存在一个脆化温度Tx, 聚合物在此温度下受力很容易断裂, 所以Tx是塑料使用的下限温度. Tx~Tg的范围越宽, 表明塑料的使用温度范围越宽广.
2) 高弹态
当塑料受热温度超过Tf时, 由于聚合物的链段运动, 塑料进入高弹态. 处于这一状态的塑料类似橡胶状态的弹性体, 其形变能力显著增大, 但仍具有可逆的形变性质.
3) 粘流态
当塑料受热温度超过Tf时, 由于分子链的整体运动, 塑料开始有明显的流动, 塑料开始进入粘流态变成粘流液体, 通常也称之为熔体. 在这种状态下, 塑料熔体在不太大的外力作用下就能引起宏观流动, 此时形变主要是不可逆的塑性形变, 一经成型和冷却后, 其形变会永远保持下来.
Tf称为粘流温度, 是聚合物从高弹态转变为粘流态(或从粘流态转变为高弹态)的临界温度. 当塑料继续加热至温度Td时, 聚合物开始分解变色.
Td称为热分解温度, 是聚合物在高温下开始分解的临界温度, 聚合物的分解会降低产品的物理性能, 力学性能或产生外观不良等缺陷. Tf是塑料成型加工的重要的参考温度, Tf~Td的范围越宽, 塑料成型加工就越容易进行.