高分子材料成型加工原理 期末复习重点Word文档下载推荐.docx

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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成纤聚合物的一般特性，纤维成型过程，纺丝液体的制备，工业生产主要纺丝成形方法。

1）分子量较高，分子间作用力（含强极性基团或氢键）较大；

可制成强度好的纤维；

2）无较长支链、交联结构和很大的取代基团，为线型结构，结晶性较好，使拉伸取向结晶后，纤维的强度和模量较高。

3）分子量分布窄：

低分子级份过多，纤维强度下降；

高分子级份太多，熔体粘度急剧增大，出现凝胶型颗粒，难于拉伸取向。

4）溶解或熔融后，液体具有适度的粘度；

5）良好的热稳定。

纤维成形过程包括：

液体纺丝及液体细流的冷却固化过程

纺丝液体的制备：

成纤聚合物的熔融/成纤聚合物的溶解：

溶剂同高聚物相互扩散、渗透、溶解的过程。

工业生产中，纤维纺丝成形的方法：

熔法纺丝、干法纺丝、湿法纺丝

5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。

Tb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

6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

7分析聚合物在贮存或使用过程中，制品变形和收缩的原因，提出稳定制品形状的方法。

原因：

1） 

成型时熔体的骤冷，使大分子堆积松散 

（自由体积大）；

2） 

贮存或使用中，大分子或链段重排运动，后结晶等，使堆积变紧密，密度增加，体积收缩。

随冷却速度增大，体积收缩程度增大。

3） 

骤冷对制件质量不利，降低制品尺寸和形状的稳定性，严重变形或收缩不匀形成的内应力，使制品开裂。

同时降低制品的综合性能 

改进方法：

在（Tg～Tf）对制品热处理，可缩短松弛时间，加速结晶，使制品形状较快稳定。

如PC, 

PS, 

PA, 

PVC等。

8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）

9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

10解释控制加工温度是调节热塑性聚合物熔体流动性的重要手段,但PE、PP、POM和天然橡胶等加工时，粘度对加工温度变化并不敏感。

11分别说明固体填充剂（以炭黑为例）、增塑剂或溶剂对聚合物粘度的影响。

通常，固体填料用量（ 

10%～50wt% 

）增加，粒径减小，表面活性增高，会阻碍大分子链段的运动，使聚合物熔体粘度增大。

尤其加入活性炭黑的橡胶。

炭黑粒子细、表面含有活性基团，与高聚物的亲合性极好，可形成化学或物理结点，阻碍大分子链的运动和滑移，使粘度大幅升高。

增塑剂类小分子或溶剂，会增大分子间距离，减小分子间作用力和流动阻力，使聚合物粘度降低。

液体或增塑剂的作用：

削弱聚合物分子间力，分子间距离增大，缠结减少，使聚合物粘度降低；

随溶剂含量增加，出现非牛顿流动的临界剪切速率升高，牛顿性增强。

相容性对粘度影响：

1）增塑剂与聚合物之间相溶性好 

随浓度增大，增塑剂/聚合物体系的粘度上升；

聚合物粒子被溶胀，形成软外层，剪切力增大时，容易变形滑过，表现假塑性流动；

2）增塑剂与聚合物之间相溶性差 

剪应力作用时，粒子间相互滑移困难，膨胀性流动行为。

12热固性聚合物加工工艺关键?

使热固性聚合物在交联之前，完成流动过程

热固性成型设备与模具温度的控制：

注射或挤出的温度控制：

粘度最低，不迅速交联的温度；

模具或后处理的温度控制：

有利于迅速硬化的温度。

13.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

14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?

对于每一种流体，各试举出一个例子，其中多数聚合物熔体属于哪一类流体？

牙膏，巧克力酱

牛顿流体：

酒，汽油

膨胀性流体：

淀粉溶液，蜂蜜

假塑性流体：

蛋黄酱，血液

油漆，护手霜

震凝性液体：

饱和聚酯

15影响聚合物粘度的环境因素有哪些?

粘度对剪切速率敏感的聚合物有哪几种?

粘度对温度敏感的聚合物有哪几种?

温度、应力、应变速率、低分子物（溶剂）等

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

16影响聚合物粘度的结构因素有哪些?

如何用熔融指数仪辨别聚合物分子量大小及其分布?

聚合物结构（链结构和极性、分子量、分子量分布和组成等）流动粘度源于分子间内摩擦，分之间作用力小，分子链柔性高，相对位移容易，粘度低，流动性好。

（1）链柔性大，缠结点多，解缠和滑移困难，非牛顿性愈强；

（2）链刚性或分子间力大（极性和结晶），粘度高，加工难；

粘度的温敏性增加，升温可增大流动性（PC、PS、PET、PA）；

（3）长支链高分子中，主链及支链均形成缠结结构，其粘度大于直链高分子粘度，其粘度对剪切速率的敏感性增大。

短支链高分子,大分子缠结减小，分子间距离增大，分子间作用力降低,其粘度低于直链高分子粘度。

（4）分子中含大侧基，自由体积增大，粘度对压力和温度敏感性增加，升温和升压均能改变流动性（PMMA，PS）

流动是分子链间发生相对位移，分子量增大，分子的缠结程度提高，分子间作用力增大，分子链重心移动愈慢，流动需更长时间和更多能量，粘度增大

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

17聚合物流体有几种流动类型?

什么是零切粘度、极限粘度、表观粘度?

零切粘度，就是当剪切速率趋于零时，非牛顿指数n=1，表观粘度与剪切速率无关，流体流动性之与牛顿性流体相仿，粘度趋于常数，称零切粘度

表观黏度，是指在一定速度梯度下，用相应的剪切应力除以剪切速率所得的商。

表观黏度有可能大于真实黏度也有可能小于真实黏度

极限黏度

18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。

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。

19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。

20非牛顿液体在管壁上产生滑移的原因。

判断各种因素对入口效应和离模膨胀的影响。

理论上，管壁液体流速为零。

实际上，管壁上液体产生滑移。

流动过程中聚合物分子量的分级效应；

聚合物中低分子物导致的分层流动

影响入口效应和离模膨胀的各种因素

与流动中的弹性成分增加密切相关（聚合物性质，应力或应变速率，温度以及管道形状等）。

（1）分子量高、分子量分布窄和非牛顿性强的聚合物流动中储存的可逆弹性成分多，松弛时间长，离模膨胀明显；

（2）高弹性模量的聚合物流动中可逆弹性应变少，离模膨胀降低；

PA，POM，PET，Df/D=1.5；

PP，PE，Df/D=3～4.5

（3）应力或应变速率的提高使流动中法向应力差和可逆弹性应变增加，出口膨胀严重；

（4）熔体温度的影响：

低剪切速率下，降低熔体温度，使入口区弹性应变增加，松弛时间延长，离模膨胀变大；

超过临界剪切速率，膨胀比反而降低，为不稳定流动。

（5）管子流道尺寸和形状的影响：

增大管径D或管长径比（L／D），减小入口端收敛角，能降低液体中的可逆弹性应变，使离模膨胀降低。

管道形状的影响：

窄缝口模厚度方向的膨胀比＞其水平方向膨胀比圆形口模

21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。

22端末效应对加工主要有哪些不利影响?

减小或消除端末效应和不稳定流动的主要方法。

端末效应：

:

不管是那种截面流道的流动方程，都只能用于稳态流动的流体，但总有不稳态流动。

（包括入口效应和离模膨胀）

加工中如何减小入口效应和离模膨胀的影响

注射、挤出和纺丝中，入口效应和离模膨胀导致产品变形和扭曲，降低尺寸稳定性，增大内应力，降低机械性能。

增加（L／D）或口模平直段长度Ls，减小收敛角；

降低加工应力，提高加工温度，适当速度的牵引拉伸；

在保证产品性能的前提上，选用分子量较低、分子量分布较宽的树脂。

？

？

23“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。

24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。

25聚合物结构和固体杂质对聚合物结晶的影响;

26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＜Tm

27熔融温度和时间对成核、结晶和制品性能等影响;

1加工熔融温度

原料本身结晶度高，晶粒较完整，重新熔化需较高温度。

加工温度高，对原结晶结构破坏愈多，残存晶核愈少；

2熔融状态的停留时间

高温停留时间长，对原结晶结构破坏愈多，残存晶核愈少

3熔融温度和熔融时间对成核过程和制品性能的影响

熔融温度高和熔融时间长，冷却时，残存晶核少，结晶主要为均相成核，成核需要诱导期，结晶速度慢，结晶尺寸较大；

熔融温度低和熔融时间短，冷却时，残存晶核引起异相成核，

结晶速度快，晶体尺寸小而均匀，有利于提高力学强度、耐磨性和热畸变温度

28何谓高分子的取向?

取向和结晶有何异同?

取向对聚合物性能影响的利弊。

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。

结晶取向的异同

（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）。

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。

29聚合物中的低分子物（溶剂或增塑剂）对取向的影响

使Tg和Tf降低，高弹形变活化能减小，松弛时间缩短；

内摩擦减弱，聚合物形变加速，易于取向，且取向应力和温度降低；

但解取向速度增大。

取向后，去除溶剂或形成凝胶有利于保持取向结构。

30聚合物中不对称性固体物（纤维）的取向特点?

纤维取向方向与液流方向一致；

取向主要依赖于剪切力而非温度；

制品使用时，不发生解取向；

导致制品性能呈现各向异性。

31球晶拉伸形变过程有哪些阶段?

32聚合物结构对降解的影响。

加工时的能量≧共价键能；

从弱键开始降解

（1）

（2）—C—C＝C—，双键β位置上的单键不稳定，含不饱和双键的橡胶比饱和聚合物更易降解、

（3）极性大和分布规整的取代基，增加主链的稳定性；

不规整取代基，使聚合物稳定性降低。

（4）主链有芳环、饱和环、杂环，等规立构和结晶结构的聚合物，稳定性好。

（5）含碳—杂链结构的大分子，键能弱；

对杂质（微量水分、酸、碱等极性物）敏感，易发生无规降解，稳定性差。

33游离基链式降解过程中伴随聚合物结构的变化，其活性链转移和减短阶段会形成哪些产物；

其链终止阶段可能形成的降解产物有哪些。

初始游离基使相邻C—C键断裂，同时形成以下产物

1新游离基和分子链末端有双键的降解产物

（2）新游离基和单体

（3）游离基向邻近大分子转移，产生有支链的降解产物

链终止

游离基结合，链终止,过程中伴随聚合物结构的改变，

（1）形成线型降解产物

（2）形成支链型降解产物

（3）形成交联降解产物

（4）两游离基歧化，活性消失，分别形成不饱和和饱和产物。

34易发生水降解的聚合物有哪些。

水解的难易取决于聚合物结构中是否存在被水解的基团

35降解的实质，降解机理的分类。

降解的实质：

大分子的断链；

交联；

分子链结构的改变；

侧基的改变；

上述四种的综合作用。

分类：

链锁降解和无规降解。

聚合物以热降解为主；

力、氧和水引起的降解居其次；

光、超声波和核辐射的降解很少。

36加工过程中减小和避免聚合物降解的措施。

（1） 

严格控制原材料（双键，支链，多分散性等），减少杂质的催化降解作用；

（2）严格干燥，控制树脂 

（聚酯,聚酰胺,聚醚等） 

水含量（<

0.01％~ 

0.05％）；

（3） 

确定合理的加工工艺和加工条件；

（4）设备和模具应具有良好的结构；

（5） 

根据聚合物特性， 

在配方中添加抗氧剂、稳定剂等。

37交联度。

大分子上总的反应活性中心中已参与交联的分数

38影响聚合物大分子交联的因素。

温度的影响：

温度升高，硬化时间缩短，硬化速度加快。

初期，温度升高，流动性增大；

随温度升高，最大流动峰对应的时间提前；

温度升高，交联速度加快。

（2） 

硬化时间的影响：

随交联形成，聚合物流动性降低，大分子扩散运动减慢，交联反应愈来愈困难；

大分子中反应活性点或官能团浓度逐渐降低，交联速度降低，交联度<

100%，交联聚合物中保留有残存的活性点。

39环氧树脂交联的过程（阶段）。

3-3P211212

40PVC的非正常交联反应过程是如何进行的。

3-3p209-210

41应力对聚合物大分子交联有哪些影响。

增大加工过程中的扩散因素（流动，搅拌等）或剪切作用，能增加官能团或活性点间接触和反应的机会，加快交联反应速度；

引起应力活化作用，使大分子间反应活化能降低，反应速度增加。

42橡胶硫化（交联，固化）过程的四个阶段及其各阶段对橡胶性能的影响。

1硫化起步阶段（焦烧期或硫化诱导期）：

硫化时胶料开始变硬，到不能进行热塑性流动的那一段时间。

交联未开始，焦烧期内胶料在模具内具有流动性

2欠硫阶段（预硫）：

胶料的交联度很低，硫化胶力学性能较低，制品无实用意义。

3正硫阶段：

制品达到适当交联度，硫化胶综合机械性能最好。

对应硫化的正硫化温度和正硫化时间

4过硫阶段：

超过正硫化平坦期之后，由于断链多于交联，橡胶出现硫化返原现象而变软；

或因交联继续占优势和环化结构增多，橡胶变硬，伸长率降低，使橡胶性能受损。

43粉料和粒料的制备过程,混合、捏和与塑炼的区别

1）混合---固态组分间的混合，如粉状固体物；

2）捏和----液态与固体物料的浸渍和混合，捏合机中，借助剪切作用；

混合和捏和，T<

Tf，缓和的剪切速率下进行，物料各组分本质基本无变化；

3）塑炼----塑性物料与液体或固体物料的混合。

塑炼，T>

Tf，熔融状态下，较强剪切速率下进行，组分化学或物理性质有所

44初混合的目的，常用的初混合设备。

熔点以下，低剪切下的混合

1增加各组分微粒的无规排列程度，获得原料组份间的一定均匀性；

2增加塑炼前的各组分物料的均匀性，缩短塑炼时间，减轻降解；

设备：

转鼓式混合机、螺带混合机、Z型捏合机、高速混合机

45塑炼的目的，塑炼工艺控制因素，常用的塑炼设备。

1塑炼的目的：

使物料在剪切力作用下，热熔、剪切混合达到适当柔软度和可塑性，使各组分分散更趋均匀，同时驱出其中的挥发物，改变物料的性状，利于输送和成型。

2塑炼工艺控制：

塑炼时间、塑炼温度、剪切力

3塑炼设备双辊塑炼机，密炼机，挤出机

46内润滑剂，外润滑剂，润滑剂的作用机理

改进熔体流动性，减少或避免对设备的粘附，提高制品表面光洁度等（包括脱模剂）；

内润滑剂：

与聚合物有一定相溶性，可减少聚合物分子间的内聚力，削弱分子间内摩擦，降低熔体粘度。

硬酯酸及其盐类、硬酯酸丁酯、硬脂酰胺，油酰胺等。

外润滑剂：

与聚合物相溶性小，成型过程中易析出至表面，粘附于设备表面，形成润滑剂层，降低熔体和设备表面间的摩擦，防止熔体对设备的粘结，避免降解。

硬酯酸、石蜡、矿物物油及硅油等。

47树脂溶液配制所用设备和配料方法

溶解釜（强力搅拌，加热夹套）

方法：

慢加快搅和低温分散法，以不出现聚合物结块为度。

慢加快搅：

先加热溶剂至一定温度，高速搅拌下，缓慢投入粉状或片状聚合物。

48粉料和粒料的配制一般分为哪四步，混合过程一般是靠哪三种作用来完成。

答：

粉料和粒料的配制一般分为四步：

①原料的准备，包括原料的预处理、称量及输送。

初混合，是在聚合物熔点以下的温度