塑料在流動(dòng)時(shí)的取向機(jī)理主要涉及以下幾個(gè)方面：

一、分子鏈結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

塑料作為高分子材料，其基本構(gòu)成單元是眾多的高分子鏈。這些高分子鏈具有多樣化的特征：

1. 鏈結(jié)構(gòu)形態(tài)：分子鏈的形狀各異，有線性、支化以及交聯(lián)等不同形態(tài)。線性分子鏈相對(duì)較為規(guī)整且能較自由地活動(dòng)；支化分子鏈因存在分支結(jié)構(gòu)，其空間位阻增大，活動(dòng)靈活性稍弱；交聯(lián)分子鏈則通過化學(xué)鍵相互連接形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，整體剛性增強(qiáng)，活動(dòng)受限程度更高。

鏈長與分子量分布：分子鏈長度不一，并且存在分子量分布情況。長鏈分子在材料中所占比例及分布狀況會(huì)影響塑料的流變特性和取向行為。較長的分子鏈往往需要更大的外力作用才能實(shí)現(xiàn)取向，同時(shí)它們對(duì)材料整體性能的影響也更為顯著，比如對(duì)材料的強(qiáng)度和韌性貢獻(xiàn)較大。

2. 化學(xué)結(jié)構(gòu)特性：分子鏈上的化學(xué)基團(tuán)種類、排列順序以及相互作用方式等化學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)同樣關(guān)鍵。例如，含有極性基團(tuán)的分子鏈間可能存在較強(qiáng)的相互作用力，這會(huì)影響分子鏈在未受外力時(shí)的初始狀態(tài)以及在外力作用下的活動(dòng)和取向難易程度。

二、流動(dòng)誘導(dǎo)取向

1. 剪切作用下的取向：

剪切力產(chǎn)生機(jī)制：在塑料的加工成型過程中，如注塑、擠出、壓延等，熔體處于流動(dòng)狀態(tài)時(shí)必然會(huì)受到剪切力作用。以注塑為例，塑料熔體從注塑機(jī)的料筒經(jīng)螺桿推動(dòng)，通過噴嘴進(jìn)入模具的澆注系統(tǒng)，在狹窄的流道壁面以及不同直徑、形狀的流道變化處，熔體與流道壁之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而形成剪切力。在擠出過程中，螺桿的旋轉(zhuǎn)對(duì)物料的推動(dòng)以及物料通過口模時(shí)也會(huì)產(chǎn)生類似的剪切作用。

分子鏈響應(yīng)過程：當(dāng)受到剪切力時(shí)，原本處于無序、卷曲纏繞狀態(tài)的分子鏈開始做出響應(yīng)?？拷鞯辣诿娴姆肿渔湥捎谑艿降募羟凶饔米顝?qiáng)，會(huì)率先沿著剪切方向被拉直、拉伸，逐漸按流動(dòng)方向排列。隨著距離壁面漸遠(yuǎn)，剪切力的影響逐漸減弱，但依然會(huì)促使分子鏈朝著流動(dòng)方向有不同程度的排列，只是取向程度相對(duì)靠近壁面處更低。這種取向并非瞬間完成，而是隨著熔體的持續(xù)流動(dòng)，在剪切力的持續(xù)作用下不斷調(diào)整和強(qiáng)化，最終形成一定的取向分布，從流道壁面向中心呈現(xiàn)出取向程度遞減的梯度分布特點(diǎn)。

影響因素：剪切速率對(duì)取向程度影響顯著，較高的剪切速率通常會(huì)使分子鏈更快、更充分地取向，但過高的剪切速率可能導(dǎo)致熔體不穩(wěn)定，產(chǎn)生諸如熔體破裂等缺陷，影響制品質(zhì)量。此外，流道的幾何形狀（如直徑、粗糙度等）、塑料的黏度特性等也會(huì)與剪切力相互作用，進(jìn)而影響分子鏈的取向行為。

2. 拉伸作用下的取向：

拉伸力來源及作用場景：在一些特定的成型工藝中，拉伸作用是促使分子鏈取向的重要因素。例如吹塑成型，先是通過擠出等方式獲得塑料型坯，然后向處于軟化狀態(tài)的型坯內(nèi)部通入壓縮空氣進(jìn)行吹氣拉伸，型坯在周向會(huì)因氣體壓力產(chǎn)生向外的拉伸力，在軸向則因氣體推動(dòng)而受到縱向拉伸力。在纖維紡絲過程中，從噴絲頭擠出的熔體細(xì)流在牽引力的作用下被快速拉長，分子鏈在這個(gè)拉伸過程中沿著拉伸方向進(jìn)行排列。

取向程度影響因素：拉伸比是決定取向程度的關(guān)鍵因素之一，拉伸比越大意味著分子鏈在拉伸方向上被拉長、排列的程度越高，其取向效果越明顯。同時(shí)，拉伸速率也起著重要作用，較快的拉伸速率能使分子鏈在短時(shí)間內(nèi)迅速響應(yīng)并按拉伸方向排列，有助于形成高度取向的結(jié)構(gòu)，但同樣需要注意避免因過快拉伸導(dǎo)致材料局部應(yīng)力過大而出現(xiàn)斷裂等問題。另外，材料本身的溫度、彈性模量等性能也會(huì)影響其在拉伸作用下的取向行為，較高溫度下分子鏈相對(duì)更易被拉伸取向，而彈性模量則反映了材料抵抗變形的能力，與拉伸過程中的取向變化密切相關(guān)。

三、溫度影響下的取向

1. 高溫對(duì)取向的影響：

在較高的加工溫度下，塑料分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)加劇，活動(dòng)能力顯著增強(qiáng)。此時(shí)，分子鏈能夠相對(duì)容易地克服自身的內(nèi)摩擦力以及分子鏈間的相互作用力，按照外力（如剪切力、拉伸力）所引導(dǎo)的方向進(jìn)行取向排列。例如在注塑過程中，適當(dāng)提高料筒溫度，能使熔體更流暢地通過澆注系統(tǒng)并在型腔中更好地實(shí)現(xiàn)分子鏈的取向。然而，如果溫度過高，分子鏈過于活躍，已經(jīng)形成的取向結(jié)構(gòu)可能難以維持穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生松弛現(xiàn)象，即原本整齊排列的分子鏈又會(huì)在熱運(yùn)動(dòng)的作用下逐漸趨向無序，導(dǎo)致取向程度降低，影響塑料制品最終的性能。

2. 低溫對(duì)取向的影響：

當(dāng)溫度較低時(shí)，分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)受到抑制，活動(dòng)變得遲緩。在這種情況下，即使存在外力作用，分子鏈也難以快速、有效地調(diào)整自身形態(tài)以順應(yīng)外力方向進(jìn)行取向排列。比如在擠出成型時(shí)，如果料筒溫度設(shè)置過低，熔體黏度會(huì)增大，流動(dòng)性變差，分子鏈很難在流道內(nèi)實(shí)現(xiàn)理想的取向，可能導(dǎo)致制品出現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻、性能各向異性不明顯等問題。所以，選擇合適的加工溫度范圍對(duì)于實(shí)現(xiàn)良好的取向效果至關(guān)重要，這個(gè)溫度范圍通常需要綜合考慮塑料的種類、加工工藝特點(diǎn)以及制品對(duì)性能的要求等多方面因素來確定。

四、結(jié)晶影響下的取向

1. 取向?qū)Y(jié)晶的影響：

對(duì)于部分結(jié)晶性塑料，在流動(dòng)過程中形成的取向結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)后續(xù)結(jié)晶過程產(chǎn)生重要影響。分子鏈的取向方向往往會(huì)成為結(jié)晶生長的優(yōu)先方向，因?yàn)樵谌∠驙顟B(tài)下，分子鏈排列更加規(guī)整有序，有利于結(jié)晶核在這些方向上形成并沿著取向的分子鏈進(jìn)行生長、擴(kuò)展，從而形成具有一定取向性的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。例如在注塑成型一些結(jié)晶性塑料制品時(shí)，熔體在型腔中流動(dòng)形成的取向會(huì)引導(dǎo)結(jié)晶在相應(yīng)方向上發(fā)展，使得結(jié)晶形態(tài)呈現(xiàn)出與取向相關(guān)的各向異性特點(diǎn)，對(duì)制品的力學(xué)性能、光學(xué)性能等都會(huì)產(chǎn)生影響。

2. 結(jié)晶對(duì)取向的影響：

反過來，結(jié)晶的形成和發(fā)展也會(huì)對(duì)分子鏈的進(jìn)一步取向產(chǎn)生限制或引導(dǎo)作用。一旦結(jié)晶開始形成，結(jié)晶區(qū)域內(nèi)的分子鏈被固定在晶格結(jié)構(gòu)中，其活動(dòng)能力大大受限，會(huì)阻礙新的取向過程在這些區(qū)域的進(jìn)行。同時(shí)，結(jié)晶區(qū)域周圍未結(jié)晶的分子鏈在繼續(xù)受外力作用時(shí)，其取向行為可能會(huì)受到結(jié)晶區(qū)域的引導(dǎo)，朝著有利于結(jié)晶生長或與已有結(jié)晶結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)的方向進(jìn)行取向。這種相互影響、相互作用的關(guān)系在結(jié)晶性塑料的成型過程中持續(xù)存在，共同塑造了塑料制品最終的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能。

五、取向的凍結(jié)與松弛

1. 取向凍結(jié)：

在塑料熔體經(jīng)過流動(dòng)、取向等一系列過程后，通過快速冷卻等方式可以將分子鏈的取向狀態(tài) “凍結(jié)” 下來。例如在注塑成型時(shí)，當(dāng)塑料熔體填充完模具型腔后，迅速對(duì)模具進(jìn)行冷卻，使熔體溫度快速降低，分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)急劇減弱，從而將其在成型時(shí)所形成的取向結(jié)構(gòu)固定住。這樣，塑料制品就能夠保持在成型時(shí)的取向結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)而在性能上體現(xiàn)出各向異性，像在力學(xué)性能方面，沿著取向方向的拉伸強(qiáng)度、模量等往往會(huì)高于垂直于取向方向的相應(yīng)性能，在光學(xué)性能上也可能出現(xiàn)各向異性，如雙折射現(xiàn)象等。

2. 取向松弛：

然而，如果在成型后沒有及時(shí)有效地進(jìn)行冷卻，或者塑料制品處于一定的高溫環(huán)境、受到長時(shí)間外力作用等情況下，分子鏈的取向狀態(tài)可能會(huì)發(fā)生松弛現(xiàn)象。原本整齊排列的分子鏈會(huì)在熱運(yùn)動(dòng)、外力作用等因素影響下逐漸趨向無序，取向程度隨之下降。比如一些塑料制品在高溫環(huán)境下長時(shí)間放置后，其原本在取向方向上的強(qiáng)度優(yōu)勢會(huì)逐漸減弱，各向異性的性能表現(xiàn)也會(huì)變得不那么明顯，這就是取向松弛導(dǎo)致的結(jié)果，它會(huì)改變塑料制品的性能，影響其使用效果和壽命。

綜上所述，塑料在流動(dòng)時(shí)的取向機(jī)理是一個(gè)復(fù)雜的、多因素綜合作用的過程，涉及分子鏈自身眾多特性、不同外力作用形式、溫度條件、結(jié)晶情況以及后續(xù)的取向狀態(tài)變化等多個(gè)環(huán)節(jié)，這些因素相互交織，共同對(duì)塑料制品的最終性能和質(zhì)量起著決定性的作用。