高分子材料成型加工是將高分子材料轉變為實用材料或塑料製品的一門工程技術。在成型過程中，高分子材料將呈現出各種物理和化學變化行為，而這些行為與高分子材料的結構有關。充分認識高分子材料在各種外在條件下所表現出的物理化學行為，對合理設計配方、發展工藝以及對成型設備提出技術要求，都是非常重要的。
2.2.1高分子材料的熔融性能
高分子材料會因所處環境溫度的不同而表現出不同的力學狀態。高分子物理學根據分子運動特征將其劃分為力學三態：對非晶性高分子材料而言有玻璃態、高彈態和黏流態；對結晶性高分子材料而言，情況較為複雜，在結晶度較低時，可能出現三態，而在結晶度高時，材料有可能直接從結晶態轉變為黏流態。處於不同狀態下的高分子材料對外力的響應有很大的區別。玻璃態和結晶態是大多數高分子製品的使用狀態，高彈態是橡膠類製品的使用狀態，黏流態是大多數高分子材料的加工狀態，也有一些成型方法，如吹塑成型、雙向拉伸等是在高彈態下進行的。
眾所周知，傳導、對流和輻射是熱傳遞的三種形式。熱傳導是最常見和最重要的提高固體溫度並使之熔融的方式。在傳導熔融中，傳熱速率主要取決於熱導率、溫差以及熱源和熔融固體間的有效接觸麵積。根據高分子材料的物理特性、原料的形狀和成型方法，將高分子材料的熔融方法歸為以下五類。
（1）無熔體移走的傳導熔融
在這種場合，全部熱量通過與熱表麵直接接觸，或者通過對流輻射將熱能提供給被熔融固體，熔融速率隻由傳導項決定。例如，熱成型中，片(板)被加熱軟化就是這種方式。
（2）有強製熔體移走
這是由拖曳或壓力引起的傳導熔融。在這種情況下，一部分熱量通過接觸表麵以傳導方式提供，一部分熱量通過熔膜中的黏性耗散將機械能轉變為熱來提供。熔融速率由熱傳導速率以及熔體遷移和黏性耗散速率決定。例如，固體物料在螺杆擠出機中的熔融。
（3）耗散混合熔融
這是依靠由轉軸輸入的機械能轉化為熔融區的黏性耗散熱以及固體(或粒子)區的機械變形和初始階段粒子間摩擦轉變成的熱，輔以外壁上的熱傳導將固體熔融。如高分子材料在密煉機、連續混合機、輥式混煉機和某些擠出機中就是用這種方式熔融。
（4）利用電、化學或其他能源的耗散熔融
如在固體中引入高頻反複變形的超聲波加熱，它廣泛用於局部加熱和局部熔融，例如，焊接、熱合以及最近幾年發展起來的振動加工。
（5）壓縮熔融
它是由於單個粒子的變形以及粒子間的摩擦，從而在整個係統的體積中產生熱而使粒子熔融。不過粒子間的摩擦嚴格地講不是一個均勻源，因為它隻發生在遍布係統的粒子界麵上。隻有粒子係統發生強烈變形才能產生足夠的能量，這樣要用到非常高的壓力，因而限製了用這種熔融方法作為主要熔融方式，在實際應用中很少見。
高分子材料的熔融性能對成型加工影響最大，因為大多數高分子材料的成型加工都是在熔融態下進行的。高分子材料在熔融狀態下經過流動和變形成型為所希望的形狀以後，又麵臨著凝固(冷卻)的問題。高分子材料的熔融速度取決於其熱擴散係數。高分子材料的熱導率都比較小，因此，對高分子材料進行加熱和冷卻都不像對金屬那麼容易。加大溫差固然可以提高傳熱速率，但有受到局部高溫引起高分子材料降解變質的限製；同樣，在冷卻過程中，如果熔體與冷卻介質之間的溫差太大，也會因冷卻不勻而導致內應力的產生，從而使製品的力學性能受到影響。加上高分子材料組成和結構的複雜和多樣性，使其熔融過程更加複雜。在成型過程中為求得被加熱高分子材料的各部分在相差不長的時間內都達到同一溫度，常需要很複雜的設備或很大的勞動量。
由於高分子材料的熔體黏度很大，因此，在成型過程中的熔體流動過程中會因摩擦而產生顯著的熱量。
塑料注塑機和擠出機中，通過螺杆的轉動可產生較大的摩擦熱。利用這種熱量不僅使塑化均勻，而且可減小塑料熔體被燒焦的趨勢。
高分子材料晶體在受熱轉變為熔體時是具有相態轉變的，這種轉變需要較多的熱量。將含有部分結晶的高分子材料（如聚乙烯）轉變成熔體時，比轉變非晶性高分子材料（如聚苯乙烯）時要消耗更多的熱量；反過來，結晶性聚合物在冷卻時要排出更多的熱量。
2.2.2高分子材料的流變性能
分析高分子材料的加工過程可知，高分子材料的加工實際上是將固體樹脂經過加熱轉變為熔體後，熔體又經過了在流道和模具中的流動和變形，形成了製品的形狀，最後經過冷卻定型而成為固體製品。可見，高分子材料常規的加工過程實質上是一個傳熱和流變的過程，流變性能對高分子材料加工而言非常重要，也可以說，高分子材料流變學是塑料加工和技術創新的理論基礎。在高分子材料成型過程中，除少數幾種工藝外，均要求高分子材料處於液態(包括熔體和分散體)，以便改善其流動性和易於形變。高分子材料液體流動時，以黏性形變為主，兼有彈性形變，故稱之為彈黏體，它的流變行為強烈地依賴於高分子材料本身的結構、相對分子質量及其分布、溫度、壓力、時間、作用力的性質和大小等外界條件的影響。
2.2.2.1描述流體流變行為的主要參量
從高分子物理的知識我們了解到，純黏性流體的流動流變行為可用牛頓定律（Newton’s law）描述，理想彈性體的變形行為用虎克定律（Hooke’s law）描述，真實的物質通常是既有黏性又有彈性，高分子材料是典型的黏彈性材料。描述流體流變行為的主要參量有應力、應變、應變速率、黏度和模量等。
（1）應力
材料受外力作用後，內部產生與外力相平衡的力，稱為應力，或定義為單位麵積上所受的力。高分子材料在加工過程中的形變是由於外力作用的結果，隨受力方式的不同，應力通常分為三類，即剪切應力、拉伸應力和靜壓力。
（2）應變
材料受力後產生的形變（即幾何形狀的改變），稱為應變。隨受力方式的不同，應變也有拉伸應變和剪切應變之分。
（3）應變速率
單位時間內的應變稱為應變速率，單位：s-1。應變速率即速度梯度，故也可以寫成=dvx/dy。
（4）黏度
根據牛頓流動定律，液體流動時阻力的大小，與液層相互位移的速度成正比，這種阻力的增大是由於液體“缺乏潤滑”所致，定義“缺乏潤滑”的特性參數為黏度。
黏度是動力黏度、運動黏度和相對黏度的統稱。
相對黏度定義為流體的動力黏度與同溫度下的水的動力黏度之比。對高分子溶液而言，相對黏度定義為高分子溶液的動力黏度與同溫度下的純溶劑的動力黏度之比。
在黏度的表示法中，剪切黏度應用最為廣泛，我們習慣上把剪切黏度簡稱為黏度。
（5）模量
根據虎克定律，模量定義為應力與應變的比值。隨受力方式的不同，模量也有拉伸模量和剪切模量之分。
2.2.2.2流體流動的類型
區分流動類型將有助於掌握各種成型條件（流速、外部作用力形式、流道幾何形狀、熱量傳遞情況）下的流動規律。高分子材料熔體在不同的成型條件下，可表現出不同的流動類型。
（1）層流和湍流
高分子材料熔體黏度高，例如，低密度聚乙烯的黏度約0.3×102～1×103Pa·s；而且流速較低，在加工過程中剪切速率一般不大於104s-1，所以，高分子材料熔體在成型條件下的雷諾準數（Re）值很少大於1，但不能據此就判斷高分子材料熔體處於層流狀態。這是因為高分子材料內部有分子纏結，高分子材料熔體具有彈性，由於剪切應力過大等原因，會出現彈性湍流。因此，要借用彈性雷諾數（Nw）來判斷流體的流動狀態。
Nw又稱韋森堡值，該準數將熔體破裂的條件與分子本身的鬆弛時間和外界剪切速率關聯起來，量綱為一。
（2）穩定流動與不穩定流動
流體在任何部位的流動狀況保持恒定，不隨時間而變化（即一切影響流體流動的因素都不隨時間而改變），此種流動稱為穩定流動。例如，正常操作的擠出機中，塑料熔體沿螺杆螺槽向前流動屬穩定流動，其流速、流量、壓力和溫度分布等參數均不隨時間而變動。
凡流體在輸送通道中流動時，其流動狀況都隨時間而變化（即影響流動的各種因素都隨時間而變動），此種流動稱之不穩定流動。如在注射模塑的充模過程中，塑料熔體的流動屬於不穩定流動，此時在模腔內的流動速率、溫度和壓力等各種影響流動的因素均隨時間變化。通常把熔體的充模流動看作典型的不穩定流動。
（3）等溫流動和非等溫流動
等溫流動是指流體在各處的溫度保持不變情況下的流動，否則，則為非等溫流動。在等溫流動情況下，流體與外界可以進行熱量傳遞，但傳入和輸出的熱量應保持相等。在高分子材料成型的實際條件下，高分子材料流體的流動一般均呈現非等溫狀態。這一方麵是由於成型工藝要求將流道各區域控製在不同的溫度下；另一方麵是由於黏性流動過程中有生熱和熱效應。這些都使其在流道徑向和軸向存在一定的溫度差。
（4）拉伸流動和剪切流動
流體流動時，即使其流動狀態為層狀穩態流動，流體內各處質點的速度並不完全相同。質點速度的變化方式稱為速度分布。按照流體內質點速度分布與流動方向關係，可將高分子材料加工時的熔體的流動分為拉伸流動和剪切流動。剪切流動是流體中一個平麵在另一個平麵的滑動；拉伸流動則是一個平麵上兩個質點間距離的拉長。拉伸流動中，質點速度的變化與流體流動方向一致；剪切流動中，質點速度僅沿著與流動方向垂直的方向發生變化的流動。
剪切流動幾乎存在於所有高分子材料的加工成型方法中。例如，高分子材料熔體注射成型時，在流道內的流動屬於壓力梯度引起的剪切流動。拉伸流動有單軸拉伸和雙軸拉伸之分。單軸拉伸的特點是一個方向被拉長，其餘兩個方向則相對縮短，如合成纖維的拉絲成型；雙軸拉伸時兩個方向被同時拉長，另一個方向則縮小，例如，塑料的中空吹塑、薄膜生產等。
（5）拖曳流動和壓力流動
所謂拖曳流動是指對流體不施加壓力梯度，而是靠邊界運動產生流動場，由於黏性作用使運動的邊界拖著流體跟它一起運動，這種流動又成為庫埃特（Couette）流動。如電線包覆成型中，導線從擠出機口模中穿插將帶動高分子材料熔體隨其一起運動，從而將其包覆發熱運動。
所謂壓力流動是指體係的流動邊界固定不動，流體因外力作用產生速度場而引起的流動。這種流動有時也被稱為泊肅葉（Poiseuille）流動。如管材和棒材的擠出等都屬於壓力流動。
（6）一維流動、二維流動和三維流動
當流體在流道內流動時，由於外力作用方式和流道幾何形狀的不同，流體內質點的速度分布具有不同特征。一維流動是指流體內質點的速度僅在一個方向上變化，即在流道截麵上任何一點的速度，這種流動隻需用一維坐標係表示。如高分子材料熔體在等截麵圓管內作層狀流動時，其速度分布僅是圓管半徑的函數，是一種典型的一維流動。二維流動是指流道截麵上各點的速度在兩個互相垂直的方向上均發生變化，因此，需要二維平麵坐標係表示。如流體在矩形截麵通道中流動時，其流速在通道的高度和寬度兩個方向均發生變化，是典型的二維流動。三維流動是指流體在截麵變化的通道中流動，其質點速度不僅沿通道截麵的縱橫兩個方向變化，而且也沿主流動方向變化，如流體在錐形通道中的流動，此時流體的流速要用三維立體坐標係來表示。
2.2.2.3高分子材料流體的黏性流變行為
根據流動過程高分子材料黏度與應力或應變速率的關係，可以將高分子材料的流動行為分為牛頓流體和非牛頓流體兩大類。
（1）牛頓流體與牛頓流動定律
1687年，牛頓研究了液體流動時阻力的大小，提出了著名的牛頓流動定律。牛頓流動定律指出，當有剪切應力（=F/A）於定溫下施加到兩個相距為dy的流體平行層麵並以相對速度dvx運動時，液體流動時阻力與液層相互位移的速度成正比。