高分子材料成型加工唐颂超第三版第2-10章课后习题答案(仅供参考)

高分子材料成型加工Chapter2-10课后习题答案（仅供参考）Chapter2高分子材料学1.分别区分“通用塑料”和“工程塑料”、“热塑性塑料”和“热固性塑料”，并请各举2、3例。答：通用塑料：一般指产量大、用途广、成型性好、价廉的塑料。通用塑料有PE、PP、PVC、PS等工程塑料是指拉伸强度大于50MPa冲击强度大于6kJ/m2,长期耐热温度超过100℃，刚性好、蠕变小、自润滑、电绝缘、耐腐蚀等可代替金属用作结构件的塑料。工程塑料有PA、PET、PBT、POM等。热塑性塑料：加热时变软以至流动，冷却变硬。这种过程是可逆的、可以反复进行。如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚砜、聚苯醚好和氯化聚醚等都是热塑性塑料。热固性塑料：第一次加热时可以软化流动，加热到一定温度，产生化学反应一交链固化而变硬，这种变化是不可逆的。此后，再次加热时，已不能再变软流动了。正是借助这种特性进行成型加工，利用第一次加热时的塑化流动在压力下充满型腔，进而固化成为确定形状和尺寸的制品。这种材料称为热固性塑料。酚醛、脲醛、三聚氰胺甲醛、不饱和聚酯、有机硅等塑料都是热固性塑料。2.什么是聚合物的结晶和取向？它们有何不同？研究结晶和取向对高分子材料加工有何实际意义？聚合物的结晶：高聚物发生的分子链在三维空间形成局部区域的、高度有序的排列的过程。聚合物的取向：高聚物的分子链沿某特定方向作优势的平行排列的过程。包括分子链、链段和结晶高聚物的晶片、晶带沿特定方向择优排列。不同之处：（1）高分子的结晶属于高分子的一个物理特性，不是所有的高聚物都会结晶，而所有的高聚物都可以在合适的条件下发生取向。（2）结晶是某些局部区域内分子链在三维空间的规整排列，而取向一般是在一定程度上的一维或二维有序，是在外力作用下整个分子链沿特定方向发生较为规整排列。（3）结晶是在分子链内部和分子链之间的相互作用下发生的，外部作用也可以对结晶产生一定的影响；取向一般是在外力作用和环境中发生的，没有外力的作用，取向一般不会内部产生。（4）结晶主要发生在Tg~Tm范围内，而取向可以发生在Tg或Tm以上的任何温度（热拉伸或流动取向），也可以在室温下进行冷拉伸获得。（5）结晶单元为高分子链和链段，而取向单元还可以是微晶(晶粒)。结晶是结晶性高聚物加工成型过程中必然经历的过程，结晶直接影响到聚合物的成型加工和制品的性能。结晶温度越低，聚合物加工熔点越低且熔限越宽，结晶温度越高，熔点较高且熔限越窄。化学结构相似而结晶度较大的聚合物成型加工温度较高。结晶过程中结晶速度的快慢直接决定了制品的成型加工周期，结晶越快，冷却时间越短，而结晶越慢，加工成型周期变长。聚合物结晶颗粒的尺寸对制品的透明性、表观形态和机械性能也有非常大的影响。因此结晶在聚合物的成型加工过程中占有举足轻重的低位。取向是聚合物在加工过程中或者加工后处理阶段形成的，结晶聚合物和非晶聚合物均可以产生取向。非晶态高聚物的取向，包括链段的取向和大分子链的取向，而结晶态高分子的取向包括晶区的取向和非晶区的取向，晶区的取向发展很快，非晶区取向较慢。取向能提高拉伸制品的力学强度，还可使分子链有序性提高，这有利于结晶度的提高，从而提高其耐热性。在纤维和薄膜的生产中取向状况的控制显得特别重要。但对其他成型制品，如果流动过程中取向得以保存，则制品的力学强度会降低并易变型，严重时会造成内力不均而易开裂。3.请说出晶态与非晶态聚合物的熔融加工温度范围，并讨论两者作为材料的耐热性的好坏。晶态聚合物：（1）若聚合物的分子量较小，TmTf，则聚合物达到熔点时已进入粘流态，则熔融加工温度范围即为Tm～Td（热分解温度）；若聚合物的分子量较大，分子链相互作用力较大，当晶区熔融时，分子链还需要吸收更多能量克服分子间作用力，才能产生运动，因此聚合物的TmTf，则熔融加工温度范围为Tf～Td。非晶态聚合物：熔融加工温度范围为Tf～Td。比较结晶聚合物和非晶聚合物耐热性的好坏必须在两者化学结构相似的前提下。在两者化学结构相似时，结晶聚合物由于晶区分子链排列较为规整，聚合物由固态变为熔融状态时，需要先吸收热量使晶区变为非晶区，然后再进入粘流态，非晶态聚合物由于分子链刚性较大，链柔顺性较差或者规整度较低，因此结晶聚合物比非晶态聚合物能够耐更高的温度，作为材料使用时，其耐热性更好些。如结晶的等规聚苯乙烯的耐热性比非晶的无规聚苯乙烯高4.为什么聚合物的结晶温度范围是Tg～Tm？答：TTm分子热运动自由能大于内能，难以形成有序结构TTg大分子链段运动被冻结，不能发生分子重排和形成结晶结构5.什么是结晶度？结晶度的大小对聚合物性能有哪些影响1）力学性能结晶使塑料变脆（耐冲击强度下降），韧性较强，延展性较差。2）光学性能结晶使塑料不透明，因为晶区与非晶区的界面会发生光散射。减小球晶尺寸到一定程式度，不仅提高了塑料的强度（减小了晶间缺陷）而且提高了透明度，（当球晶尺寸小于光波长时不会产生散射）。3）热性能结晶性塑料在温度升高时不出现高弹态，温度升高至熔融温度TM时，呈现粘流态。因此结晶性塑料的使用温度从Tg（玻璃化温度）提高到TM（熔融温度）。4）耐溶剂性，渗透性等得到提高，因为结晶分排列更加紧密。6.何谓聚合物的二次结晶和后结晶？二次结晶：指一次结晶后，在残留的非晶区和结晶不完整的部分区域内，继续结晶并逐步完善的过程，此过程很缓慢,可能几年甚至几十年。后结晶：指一部分来不及结晶的区域，在成型后继续结晶的过程，不形成新的结晶区域，而在球晶界面上使晶体进一步张大，是初结晶的继续。7.聚合物在成型过程中为什么会发生取向？成型时的取向产生的原因及形式有哪几种？取向对高分子材料制品的性能有何影响？答：在成型加工时，受到剪切和拉伸力的影响，高分子化合物的分子链将发生取向，依受力情况，取向作用可分为两类：（1）流动取向由于在管道或型腔中沿垂直于流动方向上各不同部位的流动速度不相同，由于存在速度差，卷曲的分子力受到剪切力的作用，将沿流动方向舒展伸直和取向。（2）拉伸取向高分子化合物的分子链、链段或微晶等受拉伸力的作用沿受力方向排列，拉伸取向又分为单向拉伸和双向拉伸。高分子材料经取向后，拉伸强度、弹性模量、冲击强度、透气性等增加。8.要使聚合物在加工中通过拉伸获得取向结构�应在该聚合物的什么温度下拉伸？应该在聚合物的玻璃化温度和熔点之间进行�因为分子在高于Tg时才具有足够的活动，这样在拉应力的作用下�分子才能从无规线团中被拉伸应力拉开、拉直和在分子彼此之间发生移动。9.分析并讨论影响热塑性塑料成型加工中熔体粘度的因素。答：影响热塑性塑料成型加工熔体粘度的因素可分为内因和外因。内因：（1）聚合物主链结构的影响：聚合物分子链柔性越大，缠结点越多，链的解缠和滑移越困难，聚合物流动时非牛顿性越强。聚合物分子链刚性增加，分子间作用力愈大，粘度对剪切速率的敏感性减小，但粘度对温度的敏感性增加，提高这类聚合物的加工温度可有效改善其流动性。聚合物分子中支链结构的存在对粘度也有很大的影响。具有短支链的聚合物的粘度低于具有相同相对分子质量的直链聚合物的粘度；支链长度增加，粘度随之上升，支链长度增加到一定值，粘度急剧增高。在相对分子质量相同的条件下，支链越多，越短，流动时的空间位阻越小，粘度越低，越容易流动。较多的长支链可增加与临近分子的缠结几率，使流体流动阻力增加，粘度增大；长支链越多，粘度升高愈多，流动性愈差。（2）相对分子质量的影响：聚合物相对分子质量增大，不同链段偶然位移相互抵消的机会增多，因此分子链重心转移减慢，要完成流动过程就需要更长的时间和更多的能量，所以聚合物的粘度随相对分子质量的增大而增加。（3）相对分子质量分布的影响：相对分子质量分布宽的聚合物，对剪切敏感，即使在较低剪切速率或剪切应力下流动时，也比相对分子质量分布窄的聚合物更具有假塑性。外因：（1）温度的影响：粘流温度以上，高聚物的粘度与温度的关系符合如下关系：Lnη=lnA+ΔEη/RT分子链刚性越大，或分子间作用力越大，则高聚物的粘度对温度有较大的敏感性，可采用升高温度的方法降低成型加工粘度。而柔性分子链的高聚物的粘度对温度敏感性较差。（2）剪切速率的影响：在低和高剪切速率区，高聚物熔体的剪切粘度不随剪切速率而改变，而在中间剪切速率区，粘度随着剪切速率增加而降低。柔性分子链的表观粘度随着剪切速率的增加明显下降，而刚性分子链粘度下降不多。因此可采用提高转速的方法增加剪切速率，从而降低熔体粘度。（3）压力的影响：压力增加，自由体积减小，分子间的相互作用增大，熔体粘度升高。（4）添加剂的影响：增塑剂、润滑剂、稳定剂等小分子改性剂的加入，使聚合物共混物的粘度有所下降；而大量无机填料的添加会增加熔体的粘度。Chapter3添加剂1.高分子材料中加入添加剂的目的是什么？添加剂可分为哪些主要类型？①满足性能上的要求②满足成型加工上的要求③满足经济上的要求添加剂可分为稳定剂、增塑剂、润滑剂、交联剂、填充剂等2.什么是热稳定剂？热稳定剂可分为哪些主要类型？其中那些品种可用于食品和医药包装材料热稳定剂是一类能防止或减少聚合物在加工使用过程中受热而发生降解或交联,延长复合材料使用寿命的添加剂。可分为铅盐类、金属皂类、有机锡类、有机锑类、有机辅助、复合稳定剂和稀土类稳定剂。食药包装：有机锡类、有机锑类、复合稳定剂和稀土类稳定剂。3．什么是热稳定剂？哪一类聚合物在成型加工中须使用热稳定剂？对于加有较多增塑剂和不加增塑剂的两种塑料配方，如何考虑热稳定剂的加入量？请阐明理由。热稳定剂是指在加工塑料制品时为防止加工时的热降解或者防止制品在长期使用过程中老化而添加的物质。热稳定剂主要用于PVC塑料中，PVC是热不稳定性的塑料，其加工温度与分解温度相当接近，只有加入热稳定剂才能实现在高温下的加工成型，制得性能优良的制品。含较多增塑剂的塑料不加或少加热稳定剂，不加增塑剂的塑料应多加热稳定剂。加入增塑剂的塑料降低了聚合物分子之间的作用力，制品的玻璃化温度和软化温度均降低，故可少加热稳定剂。4.什么是抗氧剂和抗臭氧剂？其对高分子材料制品的作用机理有何不同？抗氧剂：可以阻止或者延缓高材自动氧化速度，延长其使用寿命的物质。抗臭氧剂：可以阻止或者延缓高材发生臭氧破坏的化学物质。不同：抗氧化剂抑制扩散到制品内部的氧，而抗氧化剂只是在制品表面上发挥作用。5.什么是光稳定剂？提高聚合催化剂的活性对聚丙烯的光稳定性有何影响？光稳定剂：可有效地抑制光致降解物理和化学过程的一类添加剂。影响：光敏催化剂，这种聚合物能够吸收一定波长的光线进入激发态，然后将吸收的能量转递给其他分子发生光化学反应，所以提高聚合催化剂的活性会使PP更易光降解。6.什么是增塑剂?根据塑化效率可分为哪些类型?其各自的特点如何?增塑剂是能够降低聚合物Tg并提高其塑性的添加剂。根据塑化效率可分为主增塑剂、辅助增塑剂、增量剂。主增塑剂：与聚合物的相容性好，凝胶能力很强，可大量添加并单独使用主要有邻苯二甲酸酯类和磷酸酯类增塑剂。辅助增塑剂：与聚合物的相容性有限，凝胶能力较低，只能与主增塑剂并用，但往往起到功能性作用。主要品种有环氧大豆油。聚酯增塑剂、耐寒性增塑剂。增量剂：与聚合物的相容性很差，凝胶能力较差，不可单独使用，只可限量使用，以减少主增塑剂的用量。主要有烷基磺酸苯酯。7.增塑剂的作用机理？增塑剂是指用以使高分子材料制品塑性增加，改进其柔软性、延伸性和加工性的物质。按作用机理不同，有外增塑和内增塑之分。（1）起外增塑作用的是低相对分子质量的化合物或聚合物，通常为高沸点的较难挥发的液体或低熔点的固体，且绝大多数为酯类有机化合物。以PVC为例，增塑剂分子上的极性基团与PVC上的氯原子相互吸引，减少了PVC分子间的相互作用，即减少了物理交联点。此外，增塑剂的分子比PVC要小得多，活动较容易，增加了PVC分子链段活动的空间，从而使PVC的Tg下降，塑性增加。这类增塑剂生产较简单，性能较全面，其增塑作用可在较大范围内依加入增塑剂的品种和数量进行调节。其缺点是耐久性较差，易挥发、迁移和抽出。（2）起内增塑作用的通常为共聚树脂，即