高分子材料加工基础思考题答案

高机091整理高机092校对1复习思考题一、高分子的基本概念、高分子的结构一.名词解释链段：从高分子链中划分出来能够独立运动的最小单元。柔顺性：大部分高分子链具有卷曲成不规则的无规线团状的倾向。高分子链能够通过内旋转作用改变其构象的性能。高分子链能形成的构象数越多，柔顺性越大。.单键的内旋转是使高分子链具有柔顺性的根本原因。均聚物：由一种单体聚合而成的高聚物。如聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等。共聚物：由两种或两种以上单体聚合而成的高聚物。如丁苯橡胶、酚醛树脂、乙丙橡胶等。近程结构:高分子链的化学组成,单体单元的键接方式,高分子的构型,高分子链的键合形状远程结构:高分子链的远程结构主要是指单个高分子的大小及高分子在空间所存在的各种形态。分为高分子的大小（分子量及分子量分布）和高分子链的柔顺性取向：在外力场作用下，分子链或链段沿外力作用方向做有序排列的现象。取向态结构：由于大分子链的取向而形成的聚集态结构。聚集态结构：高分子链之间的排列和堆砌结构，也称为超分子结构。构象：分子链中由单键内旋转所形成的原子（或基团）在空间的几何排列图像。构型：分子中由化学键所固定的原子或基团在空间的几何排列。这种排列是稳定的，要改变构型必须经过化学键的断裂和重组。二.问答题1.高分子有何特征?分子量很高或分子链很长——这是高分子化合物最根本的特点；高分子是由很大数目的结构单元通过共价键相连接而成的；（均聚物、共聚物）高分子的结构具有不均一性（多分散性）；大多数高分子的分子链具有一定的柔顺性。2.试分析线型、支链型、交联型高分子的结构和性能特点?线型:整条高分子犹如一条又细又长的线，大分子既可卷曲成团，也可舒展成直线，这取决于高分子链本身的柔性及所处的外部条件。通常各种橡胶、大多数的纤维、塑料等都属线形大分子。特点：既可溶解又可熔融，易于加工成型。支链型:链分子在二维空间键合增长所形成的高聚物。其主链上带有长短不一的支链，支链的形状有星型、梳型、无规支链型等几种。特点：与线形大分子相比，带短支链的高聚物更易溶解和熔融，且机械强度低。此外，支链型高聚物大分子上有叔碳原子，其反应活性高，所以热稳定性差，易老化变硬变脆。交联型:高分子链之间通过支链或某种化学键相键接，形成的三维网状大分子。热固性塑料、硫化橡胶都属于网状大分子。.特点：若分子间形成网状结构，则整个高聚物可看成一个大分子，既不溶解也不熔融，只能熔胀。随着分子间交联程度的增加，材料的弹性降低，但机械强度和硬度都增加。3.以丁二烯和苯乙烯共聚物为例，说明单体共聚方式对高聚物性能的影响。1)75%的丁二烯和25%的苯乙烯无规共聚，共聚物具有良好的弹性，是丁苯橡胶；2)20%的丁二烯和80%的苯乙烯接枝共聚，共聚物是韧性很好的耐冲击PS塑料；3)若苯乙烯与丁二烯进行嵌段共聚生成S-B-S三嵌段共聚物，其分子链中段是聚丁二烯，两端是聚苯乙烯链段，则为热塑性弹性体。4.说明下列各组高分子链柔顺性的差别并说明原因.1)PEPPPS按取代基体积2)PPPVCPAN按取代积极性大3)氯丁橡胶PPPVC4)BRSBRNR主链含非共轭双键5.什么叫结晶度?结晶度的大小对高聚物性能有哪些影响?结晶度：—聚合物中结晶部分所占的质量分数或体积分数。影响：力学性能：模量↑；硬度↑；伸长率↓；冲击强度↓；拉伸强度—（非晶区处于高弹态）↑；.力学性能也与结晶形态有关球晶尺度↑：伸长率↓；高机091整理高机092校对2冲击强度↓；模量↓；.其它性能：耐热性能↑；耐溶剂性↑；溶解性能↓；抗气透性↑；密度↑；光学透明性↓6.取向方式有哪些?对材料的力学性能各产生哪些影响?方式：无定形高聚物，结晶高聚物。影响：性能变化：取向前-各向同性；取向后-各向异性一般情况下，材料的力学性能（拉伸强度、弯曲强度等）在取向方向上显著增强，而在垂直于取向方向上则有所下降；结晶聚合物，取向后材料的密度和结晶度都会增大，使材料的使用温度得到提高；由于折射率在取向方向和垂直方向上有差别，取向后的材料还会出现双折射现象。二、高聚物的分子运动和热转变一.名词解释松弛时间：松弛时间t:形变量恢复到原长度的1/e时所需的时间；普弹性：大应力作用下材料分子中键长键角变化引起的小形变，形变瞬时完成，除去外力后，形变立即恢复的特性。所产生的形变称为普弹形变。高弹性：小应力作用下由于高分子链段运动而产生很大的可逆形变的性质。所产生的形变称为高弹形变。强迫高弹性：强迫高弹形变是指Tb-Tg时的高聚物的形变这时为玻璃态高聚物，其在大外力作用下发生形变。玻璃化转变温度：指非晶态高聚物从玻璃态到高弹态的转变。转变区对应的温度称为玻璃化温度，通常以Tg表示。粘流温度：指非晶态高聚物从高弹态到粘流态的转变，转变区对应的温度成为粘流温度。二.问答题1.高分子热运动的特点？分子运动的多样性，分子运动具有时间依赖性，分子运动具有温度依赖性2.画出非结晶性高聚物的热机械曲线（温度-形变曲线），并从分子运动的角度对曲线各阶段特征加以解释。3.画出结晶性高聚物的温度-形变曲线，并画图表示曲线形状与结晶度高低、分子量大小的关系。高机091整理高机092校对34.画出交联高聚物的温度-形变曲线，并画图表示出交联度高低对曲线形状的影响。5.试述影响高聚物玻璃化转变温度的因素。答：化学结构的影响：交联度的影响：增塑剂的影响，共聚共混的影响，作用力的影响，外力作用频率和升温速率的影响。6.影响结晶高聚物Tm的因素有哪些？答：1分子结构对Tm的影响，①分子间作用力，②分子链柔性的影响，③分子链的对称性和规整性④主链结构的组成，2结晶温度对熔点的影响，3拉伸对高聚物熔点的影响，4杂志的影响7.在选择高分子材料时，Tg有何参考价值？工艺意义是非晶热塑性塑料(如PS,PMMA和硬质PVC等)的使用。温度的上限是非晶性橡胶(如NR天然橡胶,BSRRubber丁苯橡胶等)使用温度的下限学术意义聚合物分子链柔性表征高聚物的特征指标三、高聚物的弹性和力学松弛现象一名词解释力学松弛：高聚物的力学性质随时间的变化。蠕变：恒温、恒负荷下，高聚物材料的形变随时间的延长逐渐增加的现象。应力松弛：恒温恒应变下，材料内部的应力随时间延长而逐渐衰减的现象。现象。包括：应力松弛、蠕变、滞后和力学损耗。高机091整理高机092校对4滞后现象：试样在交变应力作用下，应变的变化落后于应力的变化的现象内耗：聚合物在交变应力作用下，产生滞后现象，使机械能转变为热能的现象。二问答题1.高弹性的特点？弹性模量小形变量大弹性模量随温度上升而增大高弹形变有时间依赖性——力学松弛特性形变过程有明显的热效应2.画出线形高聚物和交联高聚物的应力松弛曲线和蠕变曲线。3.从分子运动的角度解释高聚物的蠕变、应力松弛、滞后及力学损耗产生的原因。（1）外力作用下，高分子链自身产生的缓慢构象重排和分子链滑移。（2）受到外力作用时，链段运动要受到内摩擦阻力的作用，链段通过热运动达到新平衡需要时间，由此引起应变落后于应力的现象。四、高聚物的断裂、屈服和强度1试画出高聚物材料典型的应力-应变曲线，并从分子运动的角度对曲线各阶段特征加以解释。弹性形变-屈服-应变软化-冷拉-应变硬化-断裂2试画出天然橡胶在不同的温度区间（T＜Tb,Tb＜T＜Tg,T＞Tg）可能出现的应力-应变曲线并简要分析其力学性能特征。高机091整理高机092校对53试解释材料的力学性能特点随外力作用速率的变化规律，并画图表示。在一定温度下，测定材料的断裂应力和屈服应力随应变速率的变化，作断裂应力和屈服应力与应变速率的关系曲线。应变速率越高，材料的屈服强度和断裂强度都增加，但屈服强度对应变速率更敏感。五、高聚物的流变性一名词解释流变性：物质在外力作用下的变形和流动性质,主要指加工过程中应力形变形变速率和粘度之间的联系。剪切变稀流体：橡胶、大多数热塑性塑料和高聚物溶液等挤出胀大：挤出机挤出的高聚物熔体直径比挤出模孔直径大的现象。切力增稠流体：常发生于各种分散体系中，如高聚物悬浮液、胶乳和高聚物-填料体系等。熔融指数：全称熔液流动指数，或熔体流动指数，是一种表示塑胶材料加工时的流动性的数值。门尼粘度：橡胶工业常用门尼粘度的大小来衡量胶料流动性的好坏。测定：在一定温度（100℃）和一定的转子转速（2N/min）条件下，测定未硫化橡胶对转子的转动阻力。门尼粘度越小，胶料流动性越好。可塑度：在橡胶加工厂常用威氏可塑度来表示胶料的流动性，从而快速确定胶料的塑炼程度及评价胶料加工性能的好坏。是指被测试样在一定外力作用下产生压缩形变的大小和除去外力后保持形变的能力。一般是可塑度越高，流动性越好。二问答题1.与低分子相比，高聚物的粘性流动有何特点？粘度大，流动性差高分子流动是通过链段的位移运动来完成的熔体流动时伴随高弹形变2液体流动曲线有几种类型？大多数高聚物流体属于哪种类型？牛顿流体宾汉（姆）流体假塑性流体膨胀性流体。大多数高聚物流体属于假塑性流体3高聚物流动性的表征方法有哪些？熔体流动速率（MFR）门尼粘度可塑度拉伸粘度4何为挤出胀大？产生原因是什么？如何预防？挤出机挤出的高聚物熔体直径比挤出模孔直径大的现象。引起聚合物弹性形变储能剧烈变化区域为：模孔入口处，毛细管壁和模孔出口处。预防：分子量减小，分子量分布宽度减小。温度增加，剪切速率降低。流道的几何尺寸，流线型增加，长径比增加。六、橡胶和塑料原材料1橡胶、塑料材料的结构特征有哪些？大分子链具有足够的柔顺性，Tg远低于室温；在使用条件下不结晶或结晶度很小；分子具有适当的化学反应活性；具有较高的分子量及较宽的分子量分布。2了解橡胶和塑料的主要分类方法。按来源分类天然橡胶：从自然界植物中得到的橡胶。合成橡胶：由低分子物质经过各种化学反应制成的高分子弹性体物质。按用途分类通用橡胶：大多数物理机械性能和加工性能良好，能广泛用于轮胎及其他大多数橡胶制品的橡胶。特种橡胶：只有某一项或几项物理机械性能特别优越，专门用于具有某些特殊性能要求的制品的橡胶。按形态分类固体橡胶（块状、片状、粒状）液体橡胶粉末橡胶3常用橡胶、塑料原材料的结构及主要性能特点？（由于过多请看课件）七、配合剂高机091整理高机092校对61橡胶制品为什么要使用配合剂？共分哪几大类？各自的作用是什么？（1）改善或提高制品的物理机械性能及使用性能；改善材料的工艺加工性能；节约聚合物原材料或降低制品成本。（2）硫化体系、补强填充体系、防护体系、增塑体系和其它专用配合剂。（3）硫化体系：促使橡胶大分子发生硫化（或交联反应）的配合体系。补强填充体系：在胶料中主要能显著提高硫化胶的物理机械性能，如拉伸强度、耐撕裂强度和耐磨耗强度等，即起到补强作用的配合剂。在胶料中主要起增加胶料的容积的作用，以节约生胶和降低成本的配合剂。防护体系：为了防止橡胶老化变质，延长制品的使用性能，常用的防护方法是在橡胶中加入某些配合剂，来抑制或延缓橡胶的老化过程，这些配合剂统称为防老剂。增塑体系：能够降低橡胶分子链间的作用力，改善加工工艺性能，并能提高胶料的物理机械性能，降低成本的一类低分子量化合物。2了解各种塑料添加剂的作用？为改善塑料的使用性能和加工性能而添加的物质，也称为助剂。（详见课件）八、塑炼、混炼工艺1.什么叫塑炼？塑炼的目的及其实质是什么？答：塑炼：通过机械应力、热、氧或加入某些化学试剂等方式，使橡胶由强韧的高弹性状态转变为柔软而富有可塑性状态的工艺过程。塑炼的目的减小弹性，提高可塑性；降低粘度，改善流动性；提高胶料溶解性和成型粘着性。塑炼的本质粘度的降低，可塑性的提高是通过分子量的降低来实现的。2.开炼机塑炼和密炼机塑炼的原理是什么？各有什么优缺点？原理：开炼机：开炼机在炼胶过程中主要是依靠两个相对回转的辊筒对胶料产生挤压、剪切作用，经过多次捏炼，以及捏炼过程中伴随的化学作用，将橡胶内部的大分子链打断，使胶料内部的各种成分掺和均匀，而最后达到炼胶的目的。优缺点：优点：结构简单、加工适应性强、胶种变换方便。缺点：劳动条件差，劳动强度大，胶料易氧化等密炼机：密炼机，全称密闭式炼胶机，是在开炼机基础上发展起来的一种高强