高分子材料成型加工原理期末复习重点(升华提升版)

1聚合物主要有哪几种聚集态形式？玻璃态（结晶态）、高弹态和粘流态2线性无定形聚合物当加工温度T处于TbTTg，TgTTf，TfTTd时，分别适合进行何种形式的加工？聚合物加工的最低温度？TTg玻璃态——适应机械加工；聚合物使用的最低(下限)温度为脆化温度TbTgTTf高弹态，非晶聚合物TgTTf温度区间，靠近Tf一侧，粘性大，可进行真空、压力、压延和弯曲成型等；高弹形变有时间依赖性，加工中有可逆形变，加工的关键的是将制品温度迅速冷却到Tg以下；结晶或部分结晶聚合物在Tg～Tm,施加外力材料的屈服强度，可进行薄膜或纤维拉伸；聚合物加工的最低温度:玻璃化温度TgTTf(Tm)粘流态（熔体，液态）比Tf略高的温度，为类橡胶流动行为，可进行压延、挤出和吹塑成型。可进行熔融纺丝、注射、挤出、吹塑和贴合等加工3熔融指数？说明熔融指数与聚合物粘度、分子量和加工流动性的关系,挤出和注塑成型对材料的熔融指数要求有何不同？熔融指数（MeltFlowIndex）一定温度（TTf或Tm）和压力（通常为2.160kg）下，10分钟内从出料孔(Ø=2.095mm)挤出的聚合物重量（g∕10min）。a评价热塑性聚合物的挤压性;b评价熔体的流动度(流度φ=1/η),间接反映聚合物的分子量大小;c购买原料的重要参数。分子量高的聚合物，易缠结，分子间作用力大，分子体积大，流动阻力较大，熔体粘度大，流动度小，熔融指数低；加工性能较差。分子量高的聚合物的力学强度和硬度等较高。分子量较低的聚合物，流动度小，熔体粘度低，熔融指数大，加工流动性好。分子量较低的聚合物的力学强度和硬度等较低4解释：应变软化；应力硬化；塑性形变及其实质。Tb是塑料使用的下限温度;应变软化：材料在拉伸时发热，温度升高，以致形变明显加速，并出现形变的细颈现象。应力硬化：随着取向度的提高，分子间作用力增大，引起聚合物粘度升高，表现出“硬化”倾向，形变也趋于稳定而不再发展。塑性变形：材料在外力作用下产生不可逆的变形。实质：大分子链的解缠和滑移随温度升高，屈服强度和断裂强度均下降，两曲线在Tb相交。TTb时，断裂强度低于屈服强度，曲服前材料已断裂；材料因脆性而失去使用价值；温度在Tb～Tg，较大外力作用下，非晶高聚物产生强迫高弹形变，强迫高弹性是塑料具有韧性的原因5根据线性聚合物塑性拉伸的应力-应变曲线，可获得哪些性能参数?弹性模量，屈服强度（应力），定伸强度,抗张强度（应力），断裂伸长率，断裂能6分析讨论聚集态与成型加工的关系;TTg，玻璃态，链段冻结，自由体积小，内聚力较强，力学强度较大，为坚硬固体；外力作用下，大分子链的键角或键长发生变形，形变小，为可逆普弹形变，弹性模量高；适于机械加工,如车削,锉削,制孔,切螺纹等；TgTTf高弹态，高分子链段运动能力增大，形变增大，模量减少，可进行较大变形的成型,如压延，中空吹塑，热成型，薄膜或纤维拉伸等。但此形变是可恢复的；加工的关键的是将制品温度迅速冷却到Tg以下；TTf粘流态，整个大分子运动,滑移和解缠，外力作用下，主要为不可逆的粘性形变，产生宏观流动，可进行变形大，形状复杂的成型。如熔融纺丝、注射、挤出等。冷却后形变永久保存7写出线型聚合物的总形变γ公式，画出聚合物在外力作用下的形变-时间曲线,分析各部分的性质特点;8画出线性聚合物塑性拉伸的应力-应变曲线，并说明各阶段的应力-应变行为特点1.直线o—a线段普弹形变，模量高，由键角和键长拉伸引起，形变很小,ab弯曲，形变加速，由普弹形变向高弹形变转变；2.屈服点b点，水平曲线，屈服应力σy下，链段逐渐形变和位移，应变增大。由高弹形变发展为塑性形变(大分子链解缠和滑移)；“应变软化”：拉伸时材料发热(外力功→分子热运动能)，温度升高变软，形变加速。“细颈”现象：拉应力下，材料形变加速，截面突然变细。屈服应力下，聚合物中结构单元(链段、大分子和微晶)拉伸取向。9聚合物加工技术分类及其过程按材料分类（1）化学纤维成型加工熔体纺丝,溶液纺丝。（2）塑料成型加工注塑、挤塑、吹塑、模压、层压、传递模塑、浇铸、旋转成型、涂覆等。（3橡胶成型加工工艺过程包括：塑炼、混炼、压出(压延)、成型、硫化等过程根据加工过程中的物理或化学变化（1）主要是物理变化热塑性聚合物：加热软化或熔融-施压流动-冷却固化；纤维或薄膜：拉伸取向以及结晶；（2）主要是化学变化引发剂或热作用下，单体或低聚物的交联固化反应；（3）兼有物理和化学变化加热—流动，交联—固化。热固性塑料的模压、注射和传递模塑成型、橡胶成型、反应挤出等。10说明粘度对剪切速率和温度的敏感性在成型加工中的应用。1）在炼胶、压延、压出和注射成型中，提高剪切速率和温度，聚合物粘度降低，可改善加工流动性。2）外力解除或流动停止时（材料或半成品停放过程中），降低温度，粘度增大，使半成品有良好的挺性，不易变形。3）可根据原材料特性，正确选择加工工艺（剪切速率和温度）PS、PE、PP和PVC等的粘度对剪切速率敏感，通过提高剪切速率可降粘，改善加工流动性。PS、PC、PMMA、CA、PET、PA等的粘度对温度敏感，通过提高加工温度可降粘，改善加工流动性。POM、PC、PET和PA的粘度对剪切速率不敏感4）加工制品时，合理的加工剪切速率范围应选择在粘度对剪切速率不敏感区域（400秒-1～600秒-1以上）11说明压力对熔体粘度的影响机理，压力-温度等效性原理。增大压力，自由体积减小，大分子间距离缩小，链段活动范围减小，分子间作用力增加，熔体粘度增大。但单纯通过增大压力提高熔体流量不恰当，过大压力造成功率消耗过大，设备磨损更大。不同聚合物的压缩率不同，粘度对压力的敏感性不同压力从138公斤／厘米2升至173公斤／厘米2，HDPE和PP的粘度增加4～7倍，PS的粘度增加100倍压力—温度等效性加工温度范围，增加压力或降低温度，可使熔体获得同样的粘度变化。压力增加到1000大气压，等效于降温30～50℃。根据压力-温度等效性原理，加工中为维持粘度恒定，增加熔体压力的同时，应提高温度12宾汉流体、牛顿流体、膨胀性流体、假塑性流体、触变性液体，震凝性液体触变性液体：在恒温和恒定的切变速率下，粘度随时间递减的流体。震凝性流体：在恒温和恒定的切变速率下，粘度随时间递增的流体。宾汉流体：与牛顿型流体的流动曲线均为直线，但它不通过原点，只有当剪切应力超过一定屈服应力值之后才开始塑性流动13比较热塑性聚合物和热固性聚合物在加工过程中的流变行为特点；分析讨论温度对热固性聚合物流动性的影响热固性与热塑性聚合物粘度变化的差别(1)热塑性聚合物加工主要为物理过程多次塑化引起材料一定变化(部分降解或局部交联等)，但未改变材料整体的可塑性。（2）加热,材料熔融，压力作用下流动，获得所需形状；一定温度下,活性基团交联硬化，粘度变大，失去再次加热软化和流动能力。温度对热固性聚合物粘度的影响硬化时间H（流动度降低到某一定值时所需的时间）温度升高，固化时间缩短，固化速度加快，粘度增高热塑性聚合物热固性聚合物加工温度对聚合物粘度的影响14讨论热塑性聚合物分子量及其分布、剪切速率、熔体粘度的关系分子量分布宽，剪切速率增大，熔体粘度迅速下降，表现更多假塑性；分子量分布窄，在宽剪切速率范围内，熔体表现更多牛顿性。分子量相同时，从加工性能（熔体粘度）考虑，聚合物分子量分布可适当宽些15拖曳流动，收敛流动，管外拉伸流动的特点收敛流动：在流道截面尺寸逐渐变小的锥管或其它形状管道中的流动。特点：流动液体受剪切和拉伸两种作用。拖曳流动：管道或口模的一部分运动，使聚合物随管道或口模的运动部分产生拖曳流动。特点：剪切流动，液体压力降及流速分布受运动部分的影响。管外拉伸流动：非抑制性收敛流动（拉伸流动），壁面速度不为0；收敛角很小；拉伸方向存在速度梯度dvz/dz；拉伸流动区，聚合物细流在径向不存在速度梯度，细流截面上各点的速度相同。16评价聚合物流变性的常用仪器和方法有哪些?毛细管粘度计、旋转粘度计、落球粘度计、熔融指数仪、螺旋流动试验和转矩流变仪等。1）挤出式毛细管粘度计：剪切速率，10-1～6秒-1，熔体和溶液，102～8泊能观察熔体弹性行为和熔体破裂等现象。2）旋转粘度计：剪切速率，10-3～105秒-1转筒式适合浓溶液，锥板和平板式适合熔体。能观测聚合物体系的弹性行为和松弛特性。3)落球粘度计：剪切速率。10-2秒-1以下，溶液。4）熔融指数仪、螺旋流动试验和转矩流变仪等。17分析管道中流动液体，管中心区域温度低，管壁附近区域温度高的原因。（1）摩擦热管中心，剪应力（剪切速率）低，摩擦热小；随半径增大，剪应力和剪切速率增加，管壁区域的摩擦热最大。（2）膨胀冷却效应流体沿流动方向，存在压力降，体积逐渐膨胀，表观密度减小。膨胀作用消耗液体中部分能量，产生冷却效应。管壁：限制和摩擦力较大，膨胀率小，冷却效应较小；管中心：膨胀率大，冷却效应更大。18“拉伸变硬”及其在加工中的应用。吹塑薄膜或挤压中空容器型型坯时，采用“拉伸变硬”的物料,制品很少出现应力集中或局部强度变弱而破裂，可获得形变均匀的制品，有利于挤压中空容器型坯、纺丝、吹塑薄膜以及片材的热成型。“拉伸变稀”会导致材料破坏。19入口效应（入口端产生更大压力降）的原因（1）大管小管（液体收敛流动），流速和剪切速率增大，要消耗更多的能量才能相应提高剪应力和压力梯度；（2）流速增大，液体动能增加，使能量消耗增多；（3）液体剪切速率的增大，使大分子伸展取向更大，高弹形变增加，要克服分子内和分子间的作用作力，也要消耗能量。导致液体进入小管时，能量消耗增多，压力降更大。20画出螺槽中压力流动和拖曳流动的速度分布，讨论机头阻力的变化对螺槽中熔体流速和流率的影响；总流速及分布V拖曳流动和压力流动的叠加，流率：Q＝V*S，q=Qp/QD，Q＝QD－Qp－QL1）机头开放，q＝0，仅有拖曳流动，Q最大；2）机头对液体流动阻力增大,反压和逆流增大，在螺槽不同深度出现流动速度V由正变负，Q减小；3）机头完全封闭时，反压和逆流达最大，Q=021比较锥管中收敛流动和管外拉伸流动的特点，讨论锥管收敛流动在加工管道和模具设计中应用；（PPT50）锥管中收敛流动特点：径向和轴向都有速度梯度；向方向，最大速度在锥管中心，锥管管壁流速为零；轴向(液体流动)方向，最大速度在锥管的最小截面处；锥管液体流动由剪切流动和收敛流动构成,两种流动成分的大小取决于收敛角。收敛角减少，轴向速度差降低，收敛流动成分减少，剪切流动成分增多。收敛流动使拉伸弹性应变增加，会储存更多弹性能，可能导致制品变形或扭曲。锥管收敛流动在加工和模具设计中的应用1）锥管可降低流动扰动带来的压力降，减少流动缺陷，提高产品质量和生产能力。2）避免死角，减少物料分解。3）合理设计收敛角（а100），减弱因拉伸弹性应变增加而储存的弹性能；4）设计合理的口模压缩比，可提高制品的密实度和强度压缩比过小，制品不密实，强度低；压缩比过大，机头体积大，挤出速度受限，受热不匀；大管的口模压缩比多为3～4；小管口模压缩比为4.5～8；管外拉伸流动非抑制性收敛流动（拉伸流动），壁面速度不为0；收敛角很小；拉伸方向存在速度梯度dvz/dz；拉伸流动区，聚合物细流在径向不存在速度梯度，细流截面上各点的速度相同。22聚合物结构和固体杂质对聚合物结晶的影响;少量固体杂质可作为成核剂，能促进聚合物结晶；过量的固体杂质阻碍聚合物结晶；分子量高，熔体粘度高，大分子及链段运动困难，结晶能力降低；大分子支化程度低，链结构简单、对称和规整，有利于结晶。23聚合物结晶的温度范围?结晶过程是大分子链段重排进入晶格，有无序变为有序的松弛过程。（1）重排需要一定的热运动能，当T＜Tg，大分子双重运动冻结，不能发生分子重排和结晶。(2）稳定结晶结构的形成需要足够内聚能，当T＞Tm，分子热运动的自由能大于内聚能，难形成有序结构。结晶所必需的热力学条件：热运动能和内聚能有适当比值结晶的温度范围在：Tg＜T＜Tm24熔融温度和时间对成核、结晶和制品性能等影响;1加工熔融