高分子材料加工成型原理
题
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库
填空：
1． 聚合物具有一些特有的加工性质，如有良好的__可模塑性__，__可挤压性__，__可纺性__和__可延性__。正是这些加工性质为聚合物材料提供了适于多种多样加工技术的可能性。
2． __熔融指数__是评价聚合物材料的__可挤压性__这一加工性质的一种简单而又实用的方法，而__螺旋流动试验__是评价聚合物材料的__可模塑性__这一加工性质的一种简单而又实用的方法。
3． 在通常的加工条件下，聚合物形变主要由__高弹形变__和__粘性形变__所组成。从形变性质来看包括__可逆形变__和__不可逆形变__两种成分，只是由于加工条件不同而存在着两种成分的相对差异。
4． 聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚碳酸酯（PC）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚酰胺（PA）的缩写。
5． 聚合物的粘弹性行为与加工温度T有密切关系，当T>Tf时，主要发生__粘性形变__，也有弹性效应，当Tg
表
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观粘度：非牛顿流体流动时剪切应力和剪切速率的比值。用a (apparent viscosity) 表示。
宾汉液体：与牛顿流体相同， 剪切速率～ 剪切应力的关系也是一条直线，不同处：它的流动只有当 高到一定程度后才开始，需要使液体产生流动的最小应力y称为屈服应力。当 y时，完全不流动 。
假塑性液体：流体的表观粘度随剪切应力的增加而降低。也即切力变稀现象。
膨胀性液体：流体的表观粘度随剪切应力的增加而增加，也即切力增稠现象。
剪切速率：单位时间内流体所产生的剪切应变
端末效应：管子进口端与出口端与聚合物液体弹性行为有关的现象称为端末效应。
鲨鱼皮症：一般指“鲨鱼皮症”，是发生在挤出物熔体流柱表面上的一种缺陷现象，其特点是在挤出物表面形成很多细微的皱纹，类似于鲨鱼皮。
熔体破碎：也是一种不稳定流动现象，具体是挤出物表面出现凹凸不平，外形畸变支离断裂，内部和外部都产生破坏的现象。
结晶：是指晶体形成的具体过程。
取向：聚合物结构单元或纤维状填料在某种程度上顺着流动的方向作平行排列，这种排列常成为取向
降解：降解：聚合物分子量降低的作用。
交联：聚合物的加工过程，形成三向网状结构的反应称为交联
熔融指数：是指在一定载荷下定温下10分钟内聚合物从出料口挤出的重量，单位是克。
温度敏感指标：给定剪切速率下相差40℃的两个温度T1和T2的粘度比。
三、简答题：
1、请用粘弹性的滞后效应相关理论解释塑料注射成型制品的变形收缩现象以及热处理的作用。
答：
塑料注射成型制品的变形收缩。当注射制件脱模时，大分子的形变并非已经停止，在贮存和使用过程中，制件中大分子的进一步形变能使制件变形。制品收缩的主要原因是熔体成型时骤冷使大分子堆积得较松散（即存在“自由体积”）之故。在贮存和使用过程中，大分子的重排运动的发展，使堆积逐渐紧密，以致密度增加体积收缩。能结晶的聚合物则因逐渐形成结晶结构而使成型的制品体积收缩。制品体积收缩的程度是随冷却速度增大而变得严重，所以加工过程急冷（骤冷）对制件的质量通常是不利的。无论是变形或是体积收缩，都将降低制品的因次稳定性；严重的变形或收缩不均匀还会在制品中形成内应力，甚至引起制品开裂；同时并降低制品的综合性能。
在Tg~Tf的温度范围内对成型制品进行热处理，可以缩短大分子形变的松弛时间，加速结晶聚合物的结晶速度，使制品的形状能够较快地稳定下来。某些制品在热处理过程辅以溶胀作用（在水或溶剂中热处理或将制品置于溶剂蒸汽中热处理，更能缩短松弛时间）。例如在纤维拉伸定型的热处理中，若吹入瞬时水蒸气，有利于较快地消除纤维中的内应力，提高纤维使用的稳定性。通过热处理不仅可以使制品中的内应力降低，还能改善聚合物的物理机械性能，这对于那些链段的刚性较大、成型过程中容易冻结内应力的聚合物如聚碳酸酯、聚苯醚、聚苯乙烯等有很重要的意义。
2、分别阐述聚合物在高弹态和粘流态时的粘弹性形变特点。
即使在较小的外力作用下，也能迅速产生很大的形变，并且当外力除去后，形变又可逐渐恢复。这种受力能产生很大的形变，除去外力后能恢复原状的性能称高弹性，相应的力学状态称高弹态。
当温度升到足够高时，在外力作用下，由于链段运动剧烈，导致整个分子链质量中心发生相对位移，聚合物完全变为粘性流体，其形变不可逆，这种力学状称为粘流态。
3、什么是聚合物的力学三态，各自的特点是什么？各适用于什么加工方法？
玻璃态、高弹态和粘流态称为聚合物的力学三态。
聚合物在外力作用下的形变小，具有虎克弹性行为：形变在瞬间完成，当外力除去后，形变又立即恢复，表现为质硬而脆，这种力学状态与无机玻璃相似，称为玻璃态。
车、铣、刨、削等机械加工
这种受力能产生很大的形变，除去外力后能恢复原状的性能称高弹性，相应的力学状态称高弹态。
真空成型、压力成型、压延、弯曲成型等加工
聚合物完全变为粘性流体，其形变不可逆，这种力学状称为粘流态。
熔融纺丝、注射、挤出、吹塑、贴合等加工
4、画出几种典型流体的剪切力-剪切速率流动曲线，并简单说明各自的流变行为特征。
宾汉流体：
与牛顿流体相同， 剪切速率～ 剪切应力的关系也是一条直线，不同处：它的流动只有当 高到一定程度后才开始，需要使液体产生流动的最小应力y称为屈服应力。当 y时，完全不流动 。
假塑性流体：
流体的表观粘度随剪切应力的增加而降低。也即切力变稀现象。
膨胀性流体：
流体的表观粘度随剪切应力的增加而增加，也即切力增稠现象。
牛顿流体：
在一维剪切流动情况下，当有剪切应力于定温下施加到两个相距dr的流体平行层面并以相对速度dv运动，剪切应力与剪切速率成线性关系的流体称为牛顿流体.
5、怎么样根据聚合物粘度的温敏特性以及切敏特性选择加工条件？（仅供参考）
对于a对T敏感的物料来说，在成型过程中提高熔体的温度，可以有效降低粘度，对成型有利。
在成型操作中，对于a对T不太敏感的聚合物来说，仅凭增加温度来增加其流动性而要使它成型是错误的，因为:
1）温度幅度增加很大，而它的表观粘度却降低有限（PP、PE、POM）。
2）大幅度的增加温度很可能使它降解，从而降低产品质量，能量设备损耗加大，工件条件恶化
在加工时，如果聚合物熔体的粘度在很宽的剪切速率范围内部是可用的，则选择在粘度对剪切速率不敏感的区域下操作更为合适。
6、影响聚合物粘度的因素分别有哪些？
对于高聚物熔体来说，影响粘度的因素有许多，应力、应变速率、温度、压力、分子参数和结构、相对分子质量分布、支化和添加剂等。但归结起来有两个方面：
? (1)熔体内的自由体积因素，自由体积 粘度
? (2)大分子长链间的缠结，凡能减少缠结作用因素，都能加速分子运动，粘度
7、压力流动、收敛流动、拖拽流动的定义及各自常见发生场合。
? 压力流动：在简单的形状管道中因受压力作用而产生的流动。<受力:压力、剪切力>；聚合物成型时在管内的流动多属于压力梯度引起的剪切流动。如注射时流道内熔体的流动。
? 收敛流动：在截面积逐渐减小的流道中的流动。<受力:压力、剪切力、拉伸力>；多发生在在锥形管或其他截面积逐渐变小的管道中。
? 拖拽流动：在具有部分动件的流道中的流动。<受力：拉伸力、剪切力>，如在挤出机螺槽中的聚合物流动以及线缆包覆物生产口模中。
8、牛顿流体及非牛顿流体在圆管中的流动特征各是什么？
牛顿流体在圆管中的流动特征:
? 剪切应力：管壁处剪切应力最大，中心处为零；剪切应力在液体中的分布与半径成正比，并呈直线关系。
? 流体速度：液体在圆形管道中的流动时具有抛物线型的速率分布；管中心处的速率最大，管壁处为零，圆管中的等速线为一些同心圆。
非牛顿流体流动的特征：
? 剪切应力：管壁处剪切应力最大，中心处为零；剪切应力在液体中的分布与半径成正比，并呈直线关系。（与牛顿流体相同）
? 流体速度：对于膨胀性非牛顿液体(n＞1)，速度分布曲线变得较为陡峭，n值愈大，愈接近于锥形；对假塑性非牛顿液体(n＜1)，分布曲线则较抛物线平坦；n愈小，管中心部分的速度分布愈平坦，曲线形状类似于柱塞。管中心处的速率最大，管壁处为零，圆管中的等速线为一些同心圆。
9、聚合物加工中，对于尺寸变化的管道中通常采用一段有收敛作用的管道来连接，是何原因？
答：避免任何死角的存在，减少聚合物因过久停留而引起的分解，同时有利于降低流动过程因强烈扰动带来的总压力降，减少能耗，减少流动缺陷，提高产品质量和设备生产能力。
10、入口效应和出口效应对聚合物加工有何不利？一般怎样去降低？
入口效应和离膜膨胀效应通常对聚合物加工来说都是不利的，特别是在注射、挤出和纤维纺丝过程中，可能导制产品变形和扭曲，降低制品尺寸稳定做并可能在制品内引入内应力，降低产品机械性能。
增加管子长度、增加管径、L/D增加，减小入口端的收敛角，适当降低加工应力、增加加工温度、给以牵伸力，减小弹性变形的不利因素。
11、什么是鲨鱼皮症？试总结产生的原因。
一般指“鲨鱼皮症”，是发生在挤出物熔体流柱表面上的一种缺陷现象，其特点是在挤出物表面形成很多细微的皱纹，类似于鲨鱼皮。
原因：
? 一方面主要是熔体在管壁上的滑移，熔体在管道中流动时，管壁附近速度梯度最大，其大分子伸展变形程度比中心大，在流动过程中因大分子伸展产生的弹性变形发生松弛，就会引起熔体流在管壁上出现周期性滑移。
? 另一方面，流道出口对熔体的拉伸作用也是时大时小，随着这种张力的周期性变化，熔体流柱表层的移动速度也时快时慢，流柱表面上就会出现不同形状的皱纹。
12、总结并简单
分析
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加工成型过程中影响结晶的因素。
1、冷却速度的影响
2、熔融温度和熔融时间的影响
3、应力作用的影响：
压力影响球晶的大小：压力低能生成大而完整的晶体；高压下形成小而形状不
规则
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的球晶。压应力会使聚合物的结晶温度提高。
4、低分子物和固体杂质的影响
13、聚合物结晶对制件性能的影响有哪些？
1、结晶对制品密度影响
由于结晶时聚合物分子链做规则、紧密排列，所以晶区密度高于非晶区密度。制品密度随结晶度增加而增大。
2、结晶对制品力学性能的影响
a.一般随着结晶度的提高，制品硬度提高、弹性模量提高、拉伸强度提高、冲击强度下降、断裂伸长率等韧性指标下降。
b.结晶形态、晶粒尺寸和数量也对制品的力学性能产生影响。细小而均匀的晶粒结构，制品综合力学性能好。
3、结晶对热及其它方面的影响
? 结晶有利于提高制品的耐热性，结晶度提高，耐热性提高。
? 结晶性聚合物，分子链排列规整、紧密，与无定形聚合物相比，能更好地阻挡各种试剂的渗入，所以结晶度提高，耐溶剂性提高。
? 结晶度提高，产品收缩率增加。
14、聚合物成型加工过程中在管道或模具中取向结构分布规律？
分子取向从浇口处起顺着料流方向逐渐增加，达到最大点后逐渐减小，中心区和表面层取向程度不高，中心区四周取向程度高。
15、聚合物取向对制件性能的影响有哪些？（详细在课本P82）
① 单轴取向：取向方向上制品的拉伸屈服强度↑，模量↑，压缩屈服强度↓，非晶聚合物断裂伸长率↑，结晶聚合物断裂伸长率↓；非取向方向上性能变化和上述相反。
② 双轴取向：两个取向方向上制品的模量、抗拉强度和断裂伸长率↑，但取向度小的取向方向上的性能变化程度低于另一个方向上的。
16、成型加工过程中如何避免聚合物的降解？
(1)严格控制原材料技术指标，使用合格原材料；
(2)使用前对聚合物进行严格干燥；
(3)确定合理的加工工艺和加工条件，使聚合物能在不易产生降解的条件下加工成型；
(4)加工设备和模具应有良好的结构；
(5)在配方中考虑使用抗氧剂、稳定剂等以加强聚合物对降解的抵抗能力。
17、塑料制品中有哪些原材料和添加剂？其各自的作用？
聚合物是塑料的主要成分
主要添加剂有：
增塑剂 作用：降低塑料的软化温度范围、提高其加工性、柔韧性或延展性
防老剂 防老剂的作用：
（1）抑制聚合物的降解作用：稳定剂——去除聚合物中原有的和新形成的活性中心，以抑制聚合物继续降解。
（2）抑制聚合物的氧化作用：抗氧剂——能代替易受氧化分解的聚合物与氧反应，防止或推迟氧对聚合物的影响，抑制聚合物的氧化。
填料 作用：
① 降低成本，减少聚合物消耗；
② 提高制品性能。
润滑剂 作用：是减少分子之间、聚合物粒子之间、树脂和填料之间的摩擦，以及熔体和设备、制品和模具之间的摩擦，以改善加工流动和脱模性。
着色剂作用：使制品获得鲜艳的色彩，增进美观。
固化剂 使树脂完成或加快交联反应的物质。
18、常见的混合设备有哪些？并说明每种设备主要采用什么作用实现混合的？
? 初混合：捏合机、高速混合机、管道式捏合机等；
? 混合塑炼：双辊塑炼机、密炼机、挤出机等。
作用：。。。。。。。。
19、简述单螺杆挤出机的基本结构，螺杆的基本参数，机头和口模的组成部件。
基本结构主要包括：传动装置、加料装置、料筒、螺杆、机头与口模。
螺杆的主要参数：直径、长径比、压缩比、螺距螺槽深度、螺旋角、杆筒间隙
机头与口模： 主要组成：滤网、多孔板、分流器、模芯、口模和机颈等。
20、分析主要螺杆参数对加工过程的影响。
直径：D↑，加工能力↑。挤出机生产率∝D2，D通常为45~150mm；
长径比：L/D↑，改善物料温度分布，有利于混合及塑化，生产能力↑；
但L/D过大，物料可能发生热降解，螺杆也可能因自重而弯曲，功耗增大；L过小则塑化不良。L/D通常为18~25；
螺槽深度： 螺槽深度↓，剪切速率↑，传热效率↑，混合及塑化效率↑，生产率↓。故热敏性塑料宜用深螺槽，而熔体粘度低且热稳定性好的塑料宜用浅螺槽。
螺旋角： 螺旋角↑，生产能力↑，对塑料的剪切作用和挤压力↓。
21、根据物料的变化特征可将螺杆分为几个阶段，它们各自的作用是什么？
加料段（Ⅰ）、压缩段（Ⅱ）、均化段（Ⅲ）
加料段（Ⅰ）作用：将料斗供给的料送往压缩段，塑料在移动过程中一般保持固体状态由于受热而部分熔化。
压缩段（Ⅱ）作用：压实物料，使物料由固体转化为熔体，并排除物料中的空气。
均化段(计量段)的作用：是将熔融物料，定容(定量)定压地送入机头使其在口模中成型。均化段的螺槽容积与加料一样恒定不变。
22、简单叙述挤出成型、注射成型、压制成型、压延成型各自的工艺过程。
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