高分子材料成型加工原理

1.按所属成型加工阶段划分，塑料成型加工可分为几种类型？分别说明其特点。

(1)一次成型技术  

一次成型技术，是指能将塑料原材料转变成有一定形状和尺寸制品或半制品的各种工艺操作方法。目前生产上广泛采用的挤塑、注塑、压延、压制、浇铸和涂覆等。

(2)二次成型技术

二次成型技术，是指既能改变一次成型所得塑料半制品(如型材和坯件等)的形状和尺寸，又不会使其整体性受到破坏的各种工艺操作方法。

目前生产上采用的只有双轴拉伸成型、中空吹塑成型和热成型等少数几种二次成型技术。

(3)二次加工技术

这是一类在保持一次成型或二次成型产物硬固状态不变的条件下，为改变其形状、尺寸和表观性质所进行的各种工艺操作方法。也称作“后加工技术”。大致可分为机械加工、连接加工和修饰加工三类方法。

2.成型工厂对生产设备的布置有几种类型？

(1)过程集中制

   生产设备集中；

   宜于品种多、产量小、变化快的制品；

   衔接生产工序时所需的运输设备多、费时、费工、不易连续化。

(2)产品集中制

   一种产品生产过程配套；

   宜于单一、量大、永久性强的制品、连续性强；

   物料运输方便，易实现机械化和自动化，成本降低。

3.塑料制品都应用到那些方面？

(1)农牧、渔业       (2)包装          (3)交通运输         (4)电气工业                      

(5)化学工业         (6)仪表工业      (7)建筑工业         (8)航空工业                   

(9)国防与尖端工业   (10)家具         (11)体育用品和日用百货

4.如何生产出一种新制品？

(1)熟悉该种制品在物理、机械、热、电及化学性能等方面所应具备的指标；

(2)根据要求，选定合适的塑料，从而决定成型方法；

(3)成本估算 ；

(4)试制并确定生产工艺规程、不断完善。

第二章  塑料成型的理论基础

1.什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？

2.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好坏。

晶态聚合物：Tm——Td；   非晶态聚合物：Tf——Td。

对于作为塑料使用的高聚物来说，在不结晶或结晶度低时最高使用温度是Tg，当结晶度达到40%以上时，晶区互相连接，形成贯穿整个材料的连接相，因此在Tg以上仍不会软化，其最高使用温度可提高到结晶熔点。

熔点（Tm）：是晶态高聚物熔融时的温度，表征晶态高聚物耐热性的好坏。

3.聚合物的加工性质有哪些，各与哪些因素有关？

(1)聚合物的可挤压性

聚合物的可挤压性仅与其分子结构、相对分子质量和组成有关，而且与温度、压力等成型条件有关。

(2)聚合物的可模塑性

可模塑性主要取决于聚合物本身的属性(如流变性、热性能、物理力学性能以及热固性塑料的化学反应性能等)，工艺因素(温度、压力、成型周期等)以及模具的结构尺寸。

(3)聚合物的可纺性

可纺性主要取决于聚合物材料的流变性，熔体粘度、拉伸比、喷丝孔尺寸和形状、挤出丝条与冷却介质之间传质和传热速率、熔体的热化学稳定性等。

(4)聚合物的可延性

聚合物的可延性取决于材料产生塑性变形的能力和应变硬化作用。

4.聚合物有哪几种结晶形式，结晶对材料性能有何影响？

5.何谓聚合物的二次结晶和后结晶？

(1)二次结晶

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。

(2)后结晶

一部分来不及结晶的区域，在成型后继续结晶的过程，在球晶的界面上不断形成新的结晶区域，即初结晶的继续。

6.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？

7.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？

答: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。

8.分析并讨论影响热塑性塑料成型加工中熔体粘度的因素。 

(1)温度对粘度的影响

(2)压力对粘度的影响

(3)剪切速率对粘度的影响

(4)聚合物结构因素和组成对粘度的影响

(5)各种添加剂对粘度的影响

第三章  成型用的物料及其配制

1.高分子材料中添加助剂的目的是什么？

2.什么是热稳定剂？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。

3.试述增塑剂的作用机理。

4.增塑剂作用的实质是什么？并请区分“增塑效率”、 “主增塑剂”、“副增塑剂”和“增塑剂相容性”四个概念。

5.内润滑与外润滑。

第四章  压缩模塑

1.试分析下列配方，要求：

(1)指出各成分在配方中的作用；

(2)判断制品基本性能，并说出相应的理由。

① PVC树脂（XS-4）100，邻苯二甲酸二辛酯 10，邻苯二甲酸二丁酯 8，环氧脂肪酸辛酯 3，液体钡－镉 2，硬脂酸钡 0.5，硬脂酸镉 0.3，硬脂酸 0.3，二氧化钛 3

② PVC树脂（XS-5）100，三盐基性硫酸铅 5，二盐基性亚磷酸铅1.5，亚磷酸三苯脂 0.5，硬脂酸铅0.5，硬脂酸正丁酯 0.3，石蜡0.3，氧化锑 5

③ PVC树脂（XS-3）100，DOP 20，DBP 20，DOS 10，氯化石蜡 5，UV-9 0.1，滑石粉 1，氧化铁 0.2，二月桂酸二丁基锡 3 

④ 丁睛橡胶 100，硫磺1.5，促进剂M 1.5，促进剂TMTD 0.2， ZnO 5，硬脂酸 1，防老剂4010NA 1，半补强碳黑 60，陶土 30，沥青 5，石蜡1.5 

2.在生产宽1200mm，厚0.5mm的聚氯乙烯软膜时，采用以下配方：

聚氯乙烯树脂100，三盐基硫酸铅2，硬酯酸钡1.2，硬酯酸铅0.8，邻苯二甲酸二辛酯30，癸二酸二辛酯 10，环氧大豆油5，氯化石蜡5，硬酯酸0.8，碳酸钙8，钛箐兰0.5

问：配方中各组分的作用？配方中树脂、稳定剂、增塑剂、填充剂、润滑剂、颜料各占总量的百分之几？

3.简述模压成型的定义。

4.简述模压成型的工艺过程。

5.模压成型的影响因素有哪些，讨论其如何影响模压成型产品的质量。

6.分析并讨论模压成型过程中温度、压力、体积的变化趋势（以无凸肩模具为例）。

第五章  挤出成型

1.挤出机螺杆在结构上为何分段？分段的根据是什么？ 

答：根据物料在螺杆中的温度、压力、黏度等的变化特征，可将螺杆分为加料段、压缩段、压缩段三段。

2.挤出螺杆一般分为哪几段？每段各有什么作用？

加料段----对料斗送来的塑料进行加热，同时输送到压缩段。塑料在该段始终保持固体状态。

压缩段----对加料段来的料起挤压和剪切作用，同时使物料继续受热，由固体逐渐转变为熔融体，赶走塑料中的空气及其他挥发成分，增大塑料的密度，塑料通过压缩段后，应该成为完全塑化的黏流状态。

均化段----使熔融物料在均化段螺杆和机头回压作用进一步搅拌塑化均匀，并定量定压地通过机头口模挤出成型。

结晶型聚合物，熔化温度范围很窄，因而压缩段很短，应选择突变型螺杆。

3.什么叫压缩比？挤出机螺杆设计中的压缩比根据什么来确定？

(1)螺杆的压缩比是指螺杆加料段第一个螺槽的容积与均化段最后一个螺槽的容积之比，它表示塑料通过螺杆的全过程被压缩的程度。

(2) 压缩比的大小取决于挤出塑料的种类和形态，粉状塑料的相对密度小，夹带空气多，其压缩比应大于粒状塑料。另外挤出薄壁制品时，压缩比应比厚壁制品的大。

4.什么是挤出机螺杆的长径比？长径比的大小对塑料挤出成型有什么影响？长径比太大又会造成什么后果？

(1)挤出机螺杆的长径比是指螺杆工作部分的有效长度L与直径Ds之比。

(2) L/Ds大，能发送塑料的温度分布，混合更均匀，并可减少挤出时的逆流和漏流，提高挤出机的生产能力。L/Ds过小，对塑料的混合和塑化都不利。

(3) L/Ds太大，对热敏性塑料会因受热时间太长而易分解，同时螺杆的自重增加，自由端挠曲下垂，容易引起料筒和螺杆擦伤，制造和安装都困难，也增大了挤出机的功率消耗。

5.提高挤出机加料段固体输送能力，应对设备采取什么措施？指出其理论依据。

答案要点:

结构角度：(1)增加螺槽深度；               (2)降低物料与螺杆的摩擦系数；

(3)增加物料与料筒的摩擦系数；   (4)选择适当的螺旋角。

工艺角度：(1)增加料筒温度（fb↑）；        (2)降低螺杆温度（fs↓）。

6.塑料在挤出机中的熔化长度的意义是什么？

挤出机中从熔化开始到固体床的宽度降到零的总长度称为熔化长度，熔化长度的大小反映了固体的熔化速度，一般熔化速度越高则熔化长度越短。

7.塑料熔体在挤出机螺槽内有几种流动形式？造成这几种流动的主要原因是什么？

8.分析挤出成型时，螺杆均化段末端粘流态物料的压力与哪些因素有关？

9.各种挤出成型制品的生产线由各自的主、辅机组成，请归纳它们的工艺过程，用框图表示

10.塑料薄膜挤出生产工艺方法有哪几种？简要分析各种方法的工艺特点。不同成型方法所得的塑料薄膜性能有何不同的特点及应用情况如何？

11.管材挤出的工艺过程是什么？挤出管材如何定径？

第六章  注射成型

1.何谓注射成型，它有何特点？请用框图表示一个完整的注射成型工艺过程。 

2.塑料挤出机的螺杆与移动螺杆式注射机的螺杆在结构特点和各自的成型作用上有何异同？

挤出螺杆：

输送、塑化、计量。

均化段槽深h3浅、长径比L/D大、压缩比ε大。

加料段L1短，均化段长L3长。

平动＋转动（前移）。

螺杆头部形状多样。

物料熔融是一个稳态的连续过程。

注射螺杆：

预塑化、注射。

均化段槽深h3深、长径比L/D小、压缩比ε小。

加料段L1长，均化段长L3短。

平动＋转动（前移＋注射）。

螺杆头部为尖锥形。

物料熔融是一个非稳态的间歇过程。

3.请从加热效率出发，分析柱塞式注射机上必须使用分流梭的原因。

使用分流梭加快了热传导，有利于减少或避免塑料过热而引起的热分解现象。塑料熔体分流后，在分流梭与料筒间隙中流速增加，剪切速度增大，从而产生较大的摩擦热，料温升高，黏度下降，是塑料得到进一步的混合塑化，有效提高注塞式注射机的生产量及制品质量。

4.注射机的喷嘴有哪几种类型？各适合何种聚合物材料的注射成型？

5.以柱塞式注射机成型聚丙烯制品时，注射机料筒的加热效率为0.8，如果聚丙烯预热温度50℃，注射料温230℃，注射机的料筒最高温度应控制几度？

答:E= ，T0=50℃，T=230℃，E=0.8，代入得Tw=275℃

6.试分析注射成型中物料温度和注射压力之间的关系，并绘制成型区域示意图。

注射压力与料温是相互制约的，料温高时，注射压力减小；反之，所需注射压力大。

7.保压在热塑性塑料注射成型过程中的作用是什么？保压应有多少时间？何谓凝封？

(1)当注射成型塑料熔体充满模腔后，模具中熔体冷却收缩，继续保持施压状态的柱塞或螺杆，迫使浇口和喷嘴附近的熔体不断补充入模中（补塑），使模腔中的塑料能形成形状完整而致密的制品（压实）；保压适当的时间，可防止螺杆或柱塞退还时，因模具主流道处塑料尚未冷却凝固而发生模内熔融塑料倒流现象（防倒流）。

(2)保压时间一般约20-100s，大型和厚制品可达2-5min。

(3)塑料注射充模保压时，浇注系统的熔体先行冷却硬化的现象叫“凝封”，凝封可防止模

腔内尚未冷却的熔体向喷嘴方向倒流。

8.试述晶态聚合物注射成型时温度（包括料温和模温）对其结晶性能和力学性能的影响。

9.聚丙烯和聚苯乙烯注射成型时，考虑到产品的性能和生产效率，它们的模具温度应分别控制在哪个温度范围最适宜？为什么？（PP：Tg＝－10℃左右，PS：Tg＝80℃左右）

答：聚丙烯的结晶能力较强，提高模具温度有助于改善熔体在模内的流动性，减小内应力和分子的定向作用，增强制件的密度和结晶度甚至能够提前脱模；但制件的冷却时间、收缩率和脱模后的翘曲变形将增大。制品结晶度的增加，制件的表面粗糙度值也会随之减小。

综合考虑PP模具温度Tc>Tg，生产上常用温度为40-90℃。

无定形塑料注射充模后无相转变，故模温高低主要影响充模时间长短，较低的模温，冷却快，生产效率提高。PS熔融黏度较低，采用偏低的模温Tc10.试述注射成型制品易产生内应力的原因及解决的办法。

11.试分析注射成型过程中快速充模和慢速充模各有什么利弊。

充模速度↑，物料受剪切↑，生热↑，T ↑，黏度下降，充模压力↑，充模顺利，能提高制品的熔接缝强度，生产周期缩短；

但速度↑↑，料流为湍流，严重时引起喷射作用，卷入空气，可引起塑料局部烧伤及分解，使制品不均匀，内应力较大，表面常有裂纹。

慢速充模时，熔体以层流状态流动，顺利将模腔内的空气排出，制品质量较均匀；

但充模过慢，会使熔体在流道中冷却降温，引起黏度提高，流动性下降，引起充模不全，并出现分层和结合不好的熔接痕，影响制品强度和表面质量。

12.简述热固性塑料注射成型原理。

第七章  中空吹塑

1.简述挤出吹塑控制因素 。 

2.根据型坯生产特征，中空吹塑成型可分为哪两大类型？请用框图表示这两种成 型方法的工艺过程。

答：注坯吹塑、挤坯吹塑

注坯吹塑：

型坯注射成型→脱注射模→（型坯加热）→移入吹塑模→(型坯拉伸）→移入吹塑模→吹胀→冷却定型→脱模

挤坯吹塑：

型坯挤出→型坯垂挂直接入吹塑模→合模切断吹胀成型→保压冷却→开模脱出

3.用平挤逐次双向拉伸法成型PP薄膜时，挤出的厚片为何要急冷？冷却后的厚片在拉伸前为什么又要预热？

PP此类含有晶相的聚合物在拉伸过程中不容易使其定向程度提高，因此要保证其是无定形的，工艺上为达到这一要求，对PP结晶性聚合物采取方法是挤出后的熔融态厚片实行急冷，控制其结晶度在5%以下。

预热作用是将急冷的厚片重新拉伸到所需温度，以便二次成型。

4.简述影响双向拉伸薄膜成型的工艺因素。

第九章  浇铸

1.铸塑成型包括哪几种方法？有哪些工艺特点？

2.简述静态浇铸成型工艺的生产步骤。