塑料在流动时的取向机理

塑料在流动时的取向机理主要涉及以下几个方面：

一、分子链结构基础

塑料作为高分子材料，其基本构成单元是众多的高分子链。这些高分子链具有多样化的特征：

1. 链结构形态：分子链的形状各异，有线性、支化以及交联等不同形态。线性分子链相对较为规整且能较自由地活动；支化分子链因存在分支结构，其空间位阻增大，活动灵活性稍弱；交联分子链则通过化学键相互连接形成网络结构，整体刚性增强，活动受限程度更高。

链长与分子量分布：分子链长度不一，并且存在分子量分布情况。长链分子在材料中所占比例及分布状况会影响塑料的流变特性和取向行为。较长的分子链往往需要更大的外力作用才能实现取向，同时它们对材料整体性能的影响也更为显著，比如对材料的强度和韧性贡献较大。

2. 化学结构特性：分子链上的化学基团种类、排列顺序以及相互作用方式等化学结构特点同样关键。例如，含有极性基团的分子链间可能存在较强的相互作用力，这会影响分子链在未受外力时的初始状态以及在外力作用下的活动和取向难易程度。

二、流动诱导取向

1. 剪切作用下的取向：

剪切力产生机制：在塑料的加工成型过程中，如注塑、挤出、压延等，熔体处于流动状态时必然会受到剪切力作用。以注塑为例，塑料熔体从注塑机的料筒经螺杆推动，通过喷嘴进入模具的浇注系统，在狭窄的流道壁面以及不同直径、形状的流道变化处，熔体与流道壁之间会产生相对运动，从而形成剪切力。在挤出过程中，螺杆的旋转对物料的推动以及物料通过口模时也会产生类似的剪切作用。

分子链响应过程：当受到剪切力时，原本处于无序、卷曲缠绕状态的分子链开始做出响应。靠近流道壁面的分子链，由于受到的剪切作用最强，会率先沿着剪切方向被拉直、拉伸，逐渐按流动方向排列。随着距离壁面渐远，剪切力的影响逐渐减弱，但依然会促使分子链朝着流动方向有不同程度的排列，只是取向程度相对靠近壁面处更低。这种取向并非瞬间完成，而是随着熔体的持续流动，在剪切力的持续作用下不断调整和强化，最终形成一定的取向分布，从流道壁面向中心呈现出取向程度递减的梯度分布特点。

影响因素：剪切速率对取向程度影响显著，较高的剪切速率通常会使分子链更快、更充分地取向，但过高的剪切速率可能导致熔体不稳定，产生诸如熔体破裂等缺陷，影响制品质量。此外，流道的几何形状（如直径、粗糙度等）、塑料的黏度特性等也会与剪切力相互作用，进而影响分子链的取向行为。

2. 拉伸作用下的取向：

拉伸力来源及作用场景：在一些特定的成型工艺中，拉伸作用是促使分子链取向的重要因素。例如吹塑成型，先是通过挤出等方式获得塑料型坯，然后向处于软化状态的型坯内部通入压缩空气进行吹气拉伸，型坯在周向会因气体压力产生向外的拉伸力，在轴向则因气体推动而受到纵向拉伸力。在纤维纺丝过程中，从喷丝头挤出的熔体细流在牵引力的作用下被快速拉长，分子链在这个拉伸过程中沿着拉伸方向进行排列。

取向程度影响因素：拉伸比是决定取向程度的关键因素之一，拉伸比越大意味着分子链在拉伸方向上被拉长、排列的程度越高，其取向效果越明显。同时，拉伸速率也起着重要作用，较快的拉伸速率能使分子链在短时间内迅速响应并按拉伸方向排列，有助于形成高度取向的结构，但同样需要注意避免因过快拉伸导致材料局部应力过大而出现断裂等问题。另外，材料本身的温度、弹性模量等性能也会影响其在拉伸作用下的取向行为，较高温度下分子链相对更易被拉伸取向，而弹性模量则反映了材料抵抗变形的能力，与拉伸过程中的取向变化密切相关。

三、温度影响下的取向

1. 高温对取向的影响：

在较高的加工温度下，塑料分子链的热运动加剧，活动能力显著增强。此时，分子链能够相对容易地克服自身的内摩擦力以及分子链间的相互作用力，按照外力（如剪切力、拉伸力）所引导的方向进行取向排列。例如在注塑过程中，适当提高料筒温度，能使熔体更流畅地通过浇注系统并在型腔中更好地实现分子链的取向。然而，如果温度过高，分子链过于活跃，已经形成的取向结构可能难以维持稳定，会发生松弛现象，即原本整齐排列的分子链又会在热运动的作用下逐渐趋向无序，导致取向程度降低，影响塑料制品最终的性能。

2. 低温对取向的影响：

当温度较低时，分子链的热运动受到抑制，活动变得迟缓。在这种情况下，即使存在外力作用，分子链也难以快速、有效地调整自身形态以顺应外力方向进行取向排列。比如在挤出成型时，如果料筒温度设置过低，熔体黏度会增大，流动性变差，分子链很难在流道内实现理想的取向，可能导致制品出现内部结构不均匀、性能各向异性不明显等问题。所以，选择合适的加工温度范围对于实现良好的取向效果至关重要，这个温度范围通常需要综合考虑塑料的种类、加工工艺特点以及制品对性能的要求等多方面因素来确定。

四、结晶影响下的取向

1. 取向对结晶的影响：

对于部分结晶性塑料，在流动过程中形成的取向结构会对后续结晶过程产生重要影响。分子链的取向方向往往会成为结晶生长的优先方向，因为在取向状态下，分子链排列更加规整有序，有利于结晶核在这些方向上形成并沿着取向的分子链进行生长、扩展，从而形成具有一定取向性的结晶结构。例如在注塑成型一些结晶性塑料制品时，熔体在型腔中流动形成的取向会引导结晶在相应方向上发展，使得结晶形态呈现出与取向相关的各向异性特点，对制品的力学性能、光学性能等都会产生影响。

2. 结晶对取向的影响：

反过来，结晶的形成和发展也会对分子链的进一步取向产生限制或引导作用。一旦结晶开始形成，结晶区域内的分子链被固定在晶格结构中，其活动能力大大受限，会阻碍新的取向过程在这些区域的进行。同时，结晶区域周围未结晶的分子链在继续受外力作用时，其取向行为可能会受到结晶区域的引导，朝着有利于结晶生长或与已有结晶结构相协调的方向进行取向。这种相互影响、相互作用的关系在结晶性塑料的成型过程中持续存在，共同塑造了塑料制品最终的微观结构和宏观性能。

五、取向的冻结与松弛

1. 取向冻结：

在塑料熔体经过流动、取向等一系列过程后，通过快速冷却等方式可以将分子链的取向状态 “冻结” 下来。例如在注塑成型时，当塑料熔体填充完模具型腔后，迅速对模具进行冷却，使熔体温度快速降低，分子链的热运动急剧减弱，从而将其在成型时所形成的取向结构固定住。这样，塑料制品就能够保持在成型时的取向结构特点，进而在性能上体现出各向异性，像在力学性能方面，沿着取向方向的拉伸强度、模量等往往会高于垂直于取向方向的相应性能，在光学性能上也可能出现各向异性，如双折射现象等。

2. 取向松弛：

然而，如果在成型后没有及时有效地进行冷却，或者塑料制品处于一定的高温环境、受到长时间外力作用等情况下，分子链的取向状态可能会发生松弛现象。原本整齐排列的分子链会在热运动、外力作用等因素影响下逐渐趋向无序，取向程度随之下降。比如一些塑料制品在高温环境下长时间放置后，其原本在取向方向上的强度优势会逐渐减弱，各向异性的性能表现也会变得不那么明显，这就是取向松弛导致的结果，它会改变塑料制品的性能，影响其使用效果和寿命。

综上所述，塑料在流动时的取向机理是一个复杂的、多因素综合作用的过程，涉及分子链自身众多特性、不同外力作用形式、温度条件、结晶情况以及后续的取向状态变化等多个环节，这些因素相互交织，共同对塑料制品的最终性能和质量起着决定性的作用。