高分子材料加工原理(1)(1)

第一章

2、工程塑料

简答及论述

1、聚合物熔融有哪几种方式，各方式的主控因素是什么？

答：（1）无熔体移走的传导熔融：熔融热=表面热传导，熔融速率仅由热传导决定。

（2）（主要）有强制熔体迁移（由拖拽或压力引起）的传导熔融：熔融热=接触表面的热传导+黏性耗散生热。熔融效率由热传导率、熔体迁移及黏性耗散生热速率共同决定

（3）耗散混合熔融：熔融热=整个体积内将机械能转化为聚合物内能。耗散混合熔融速率由整个外壁面上和混合物固体-熔体界面上辅热传导决定。

（4）利用电、化学或其他能源的耗散熔融

（5）压缩熔融

（6）振动诱导挤出熔融过程：熔融的主要能量来源于单纯使用振动力场

2、怎样利用溶度参数理论来选择溶剂？

答：当溶剂的内聚能密度或溶度参数与聚合物的内聚能密度或溶度参数相等或相近时，溶解过程的混合热焓等于或趋近于零，这时溶解过程能够自发进行。一般来说，当时，聚合物就不溶于该溶剂。

3、Brodkey的混合理论涉及的混合的基本运动形式有哪些？聚合物成型时熔融物料的混合以哪一种运动形式为主？为什么？

答：分子扩散、涡旋扩散、体积扩散

以体积扩散为主

原因（1）在聚合物加工中，由于聚合物熔体粘度一般很高，熔体与熔体间分子扩散挤满，因而分子扩散无实际意义。

（2）在聚合物加工中，由于物料的运动速度达不到紊流，而且黏度又高，故很少发生涡旋扩散

（3）聚合物加工中的混合与一般的混合不同，由于聚合物熔体的粘度通常高于100Pa*s，因此混合只能在层状领域产生层对流混合，即通过层流而使物料变形、包裹、分散，最终达到混合均匀。

4、什么是非分散混合，什么是分散混合，两者各主要通过何种物料运动和混合操作来实现？

答：非分散混合是通过少组分的重复排列，以增加少组分在混合物中空间分布的均匀性而不减小粒子初始尺寸的过程。在原理上可以把非均匀性减小到分子水平

分散混合发生在固-液之间或液-液之间，它是减小分散相粒子尺寸，同时提高组分均匀性的过程，即粒子既有粒度的变化又有位置的变化。

非分散混合的运动基本形式是通过对流来实现的。可以通过包括塞形流动和不需要物料连续形的简单体积排列和置换来达到的

分散混合主要是靠剪切应力和拉伸应力作用实现的。

5、

（1）第一牛顿区：剪切速率（）较低时，流动为牛顿流动区域，因为分子链间的缠结几乎不被破坏，粘度与剪切速率无关，此时的粘度为零切粘度。

（2）非牛顿区：当剪切速率升高至后，流体呈切力变稀现象。因为在剪切力的作用下聚合物的部分缠结解开，发生取向，粘度下降，此时的粘度为表观粘度。

（3）第二牛顿区：剪切速率继续提高（即时），此时，聚合物的缠结完全解开，完全取向，流体又表现为牛顿流动，流动进入第二牛顿区。黏度保持不变，此时的粘度为极限牛顿黏度。

6、影响聚合物流体剪切黏性的因素

答  （1）剪切速率对黏度的影响：在低剪切速率区，物理交联点破坏很少，黏度保持不变，高分子流体处于第一牛顿区；中等速率区，物理交联速度大于重建速度黏度开始下降，出现假塑性；在高剪切速率区，剪切速率继续增加到物理交联点被破坏完全来不及重建，黏度降到最小，并不再变化。

（2）分子量对黏度的影响：分子量增大，除了使材料黏度迅速升高外，还使材料开始发生剪切变稀，临界剪切速率变小，非牛顿性突出。

（3）分子量分布对黏度的影响:在较低剪切速率下，分子量分布越宽，其黏度越大;在较高剪切速率下，分子量分布越窄，其黏度越大。分子量分布宽的流体对剪切速率变化较敏感，黏度降低较多。

（4）分子形状对黏度的影响：

A、一般说，短支链（梳形支化）对材料黏度的影响甚微：对高分子材料黏度影响大的是长支链（星形支化）的形态和长度

B、若支链虽长，但其长度还不足以使支链本身发生缠结，这时分子链的结构往往因支化而显得紧凑，使分子间距增大，分子间相互作用减弱，与分子量相当的线型聚合物相比，支化聚合物的黏度反而要降低

C、若支链相当长，支链本身发生缠结，支化聚合物的流变性质更为复杂：

——在高剪切速率下，支化聚合物比分子量相当的线型聚合物的黏度低，但其牛顿性较强

——在较低剪切速率下，与分子量相当的线型聚合物相比，支化聚合物的零切黏度或者要低些或者要高些

（5）其他因素：

A、极性基团和侧基的存在会降低高分子熔体的黏度对剪切速率的敏感性

B、分子量相当的高分子，含有柔性链的黏度比刚性链的低

C、此外，如氢键、离子键等能使玻璃化温度提高的因素也能使黏度增大

（6）黏度的时间依赖性：从本质上讲，产生不均匀流动是由于流体中存在两个或两个以上产生局部扰动的相互作用的相。

（7）压力对黏度的影响：压力越高，黏度越大

（8）温度对黏度的影响：温度越高，黏度越小

7、聚合物流体的弹性表现：

（3）孔口胀大效应：孔口胀大效应（也称挤出胀大效应或Barus效应）是指聚合物流体被迫挤出口模时，挤出物尺寸大于口模尺寸，截面形状也发生变化的现象。

（4）“爬杆”效应（Weissenberg）：与牛顿流体不同，盛在容器中的聚合物流体，当插入其中的圆棒旋转时，没有因惯性作用而甩向容器壁附近，在搅拌轴周围为凹面，反而环绕在旋转棒附近，出现在沿棒向上的爬杆现象。

（5）无管虹吸现象：对牛顿流体，当虹吸管提高到离开液面时，虹吸现象立即终止。对聚合物流体，当虹吸管升离液面后，杯中液体仍能源源不断地从虹吸管流出，这种现象称为无管虹吸现象，也称开口虹吸现象。

（9）触变性和震凝性流体：在等温条件下，一些聚合物的流动黏度随外力作用时间的延长而减小的现象称为触变性；流动黏度随外力作用时间的延长而增大的现象称为震凝性。这两种流体都具有时间依赖性。触变性流体是具有时间依赖性的假塑性流体，而假塑性流体只有剪切变稀，无时间依赖性。

（10）熔体破裂：在高剪切速率或剪切应力下，挤出物产生表面出现不规则的现象，甚至使内在的质量遭到破坏的现象

8、聚合物流体有哪些弹性表现？聚合物弹性的本质是什么？

答：表现：（1）流体的弹性回缩（2）聚合物流体的蠕变松弛（3）孔口胀大效应与剩余压力效应（4）“爬杆”效应（5）无管虹吸现象（6）各种次级流动（7）孔压误差和弯流压差（8）湍流减阻效应（9）触变性和震凝性流体（10）熔体破裂

本质：聚合物流体的弹性的本质是一种熵弹性

9、PS和HDPE在挤出成型时，PS的粘流活化能较高该如何调整参数，使其挤出成型？

     答:一般先看温度，HDPE在高温时易降解和交联，所以应增大剪切速率，PS升高温度，粘度降低，还应增大剪切速率（主要）。

10、

11、已知PET异型纤维截面接近等边三角形，已知细度为5000公支，求纤维截面边长，纤维细度为多少旦？

12、已知某纤维厂生产涤纶长丝，规格为128公支/36根，试计算：

（1）该长丝的旦数，50m的卷重

（2）单根纤维的旦数，公支数

（3）单根纤维的断面直径是多少？（PET ）

解：（1）         

（2）单根纤维公支数=

单根纤维旦数=

（3）L=100cm，m=1.95/9=0.000217g，

13、挤出细流的类型

（1）液滴型：液滴型不能成为连续细流，显然无法形成纤维。这正是毛细破坏现象。流体表面张力越大，则细流缩小其表面积成为液滴的倾向也越大。此外，黏度的下降也促使液滴的生成。液滴型形成与否还要由具体的挤出条件来决定。喷丝孔径R和挤出速度v减小时，形成液滴的可能性增大。

措施:可通过降低温度使粘度增大，或增大泵供量使初速度增大而避免液滴型细流出现。

（2）漫流型：随着η，R,V的增加和的减小，挤出细流由液滴型向漫流型过渡。

措施:通常在喷丝头表面涂以硅树脂或适当改变喷丝头的材料性质，以降低纺丝流体与喷丝板间的界面张力；或适当降低流体的温度，以提高其黏度；或增大泵供量，使V0增大，从而减轻或避免漫流型细流的出现。

（3）胀大型（利于成型）：胀大型与漫流型不同，纺丝细流在孔口发生胀大，但不流附于喷丝头（板）表面。

（4）破裂型：在胀大型的挤出上，如继续提高切变速率（特别是纺丝流体黏度很高的情况下，提高），挤出细流会因均匀性的破坏而转化为破裂型。

14、单螺杆适合聚合物的塑化挤出，适合颗粒料的挤出加工。对聚合物的剪切降解小。但物料在挤出机中停留时间长；双螺杆具有很有很好的混炼塑化能力，物料在挤出机中停留时间短，适合粉料加工。

15、简述单螺杆挤出机的螺杆的几个功能段的作用

答：加料段：自塑料物料入口向前延伸的一段称为加料段。在加料段中，物料依然是固体，主要作用是使物料受压，受热前移，螺槽一般等距等深等。压缩段：压缩段的螺槽容积是逐渐减小的，也叫熔融区。压缩段的主要作用是压实物料，使物料由固体转化为熔融体，并排除物料中的空气。均化段：均化段是螺杆的最后一段，也称为计量段、挤出段。其作用是使熔体进一步塑化均匀，并将料流定量、定压地送入机头，使其在口膜中成型。

16、各种初生纤维的应力应变曲线

名词解释（包含选择填空）

1、内聚能密度：克服分子间作用力，1mol的凝聚体汽化时所需要的能量。

2、内聚能：凝聚态物质消除分子间作用力气化所需要的能量。

3、溶度参数：内聚能密度的平方根。

4、溶解:指溶质分子通过扩散与溶剂分子均匀混合成分散的均相体系。

5、添加剂的协同作用：指配方中两种或两种以上的添加剂一起加入时的效果高于其单独加入效果的平均值。（不同添加剂之间产生协同作用的原因主要是它们之间产生了物理或化学作用）

6、添加剂的对抗作用：指配方中两种或两种以上的添加剂一起加入时的效果低于其单独加入效果的平均值。

7、添加剂的加和作用（叠加或搭配作用）：指配方中两种或两种以上不同的添加剂一起加入时的效果等于其单独加入效果的平均值。

8、分子扩散：由浓度梯度驱使自发地发生的一种过程，各组分的微粒子由浓度较大的区域迁移到浓度较小的区域，从而达到各组分的均化。

9、涡旋扩散：即紊流扩散。在化工生产过程中，流体的混合一般是靠系统内产生紊流实现的

10、体积扩散：即对流混合，指流体质点、液滴或固体粒子由系统的一个空间向另一个空间位置的运动，或两种以及多种组分在相互占有的空间内发生运动，以期达到各组分的均布。

11、非分散混合是通过少组分的重复排列，以增加少组分在混合物中空间分布的均匀性而不减小粒子初始尺寸的过程。

非分散混合的运动基本形式是通过对流来实现的。可以通过包括塞形流动和不需要物料连续形的简单体积排列和置换来达到的。

12、聚合物流变学：研究聚合物形变与流动的科学。主要研究对象是认识应力作用下，聚合物产生弹性、塑型、粘性形变的行为，以及这些行为与个因素之间的关系。

13、宾汉流体：当所受的剪切应力超过临界剪切应力后，才能变形流动的流体，且一旦发生流动，其黏度保持不变，呈现牛顿行为。

14、假塑性流体：当015、胀塑性流体：当n>1时，表观黏度随剪切速率的增大而增大

16、屈服假塑性：

17、屈服胀塑性：

18、零切黏度：当剪切速率趋于零时，非牛顿指数n=1，表观黏度与剪切速率无关，流体流动性质与牛顿型流体相仿，黏度趋于常数。

19、极限黏度：当剪切速率趋于无穷大时，流体又变现为牛顿流动（即流体黏度与剪切速率无关）相应的黏度称为极限牛顿黏度。

21、表观黏度：在一定速度梯度下，相应的剪切应力除以剪切速率所得的商（非牛顿流体）

21、拉伸黏度：聚合物熔体从任何形式的管道中流出，垂直于流动方向的聚合物横断面积上所承受的拉伸应力与拉伸应变速率的比值。

23、挤出胀大比：聚合物熔体基挤出物的平衡面积与模口截面积之比。

24、熔体破裂：在高剪切速率或剪切应力下，挤出物产生表面出现不规则现象，甚至使内在质量遭到破坏的现象成为熔体破裂。

25、临界挤出速率：挤出物出现熔体破裂时所对应的挤出速率。

26、非牛顿指数：表征熔体的非牛顿特性的指数

27、临界分子量：聚合物出现缠结所需的最低分子量。

28、黏流活化能：流动过程中，流动单元用于克服位垒，由原位置跃迁到附近“空穴”所需的最小能量。

29、拉伸粘度:用来表示流体对拉伸流动的阻力。

熔体破裂：在高剪切速率或剪切应力下，挤出物产生表面出现不规则的现象，甚至使内在的质量遭到破坏的现象

30、熔融纺丝：采用成纤高分子的熔体进行纺丝

31、溶液纺丝：采用成纤高分子的浓溶液进行纺丝

32、固化点：纺丝细流固化下来的点

33、干法纺丝和湿法纺丝属于湿法纺丝。

34、后加工：主要的工序是拉伸和热定型

35、线密度：表示纤维的粗细程度

36、特克斯（tex）简称特：1000m长纤维重量的克数

37、分特克斯（dtex），简称分特，10000m长纤维重量的克数

38、旦：9000m长纤维重量的克数

39、公支：指单位质量1g的纤维所具有的长度（m）

40、干法纺丝：将成纤聚合物溶于挥发性溶剂中，通过喷丝孔喷出细流在热空气中形成纤维的方法

41、湿法纺丝：从喷丝头毛细孔中挤出纺丝溶液细流进入凝固浴，聚合物在凝固浴中析出而形成初生纤维的方法。

42、纺程：从喷丝孔到卷绕点之间的距离。

43、纺丝线：纺丝细流与固化纤维的总称。

44、初生纤维：指从喷丝孔挤出的聚合物细流在纺丝中固化成型的纤维。

45、喷丝孔：在纺丝时，纺丝溶液或熔体通过的微孔。

46、内聚破坏：对于黏弹性的拉伸流动，当储存的弹性能密度超过某临界值时，流动就会发生破坏。

47、毛细破坏：丝条的毛细破坏与表面张力引起的扰动及其滋长和传播导致毛细波发展到振幅等于自由表面无扰动丝条的半径时，液流便解体成滴而断裂。

48、冷却长度：通常为从喷丝板到丝条固化点之间的距离

49、双扩散：凝固浴中凝固剂向原液细流内部扩散，原液中的溶剂向凝固浴扩散。

50、皮芯结构：是部分天然纤维和湿法纺丝纺织得到的初生纤维形态结构上沿径向有结构上差异的一种结构。

51、调湿：将试样放在标准大气条件下一定时间，使其达到平衡回潮率。

56、热定型：利用热定型消除织物纤维在拉伸过程中产生的内应力，使大分子发生一定松弛，像编织纤维形状固定成型

57、凝固浴：制造化学纤维时，使纺丝原液经过喷丝头的细流，凝固或同时起化学变化而形成纤维的浴液

58、黏胶纤维：以“木”为原材料，从天然木纤维素中提取并重塑纤维分子而得到的纤维素纤维

59、口模成型（挤出成型）：指物料在熔融设备中通过加热、混合、加压，使物料以流动状态连续通过口膜进行成型的方法。挤出过程分为塑化和塑性体的挤出定型两个阶段

60、正流：即沿着螺槽向机头方向的流动

61、逆流：逆流的方向与正流的方向相反，它是由机头、口模、过滤网等对塑料反压所引起的反压流动，所以又称为压力流动

62、漏流：漏流是由于口模、机头、过滤网等对塑料的反压引起的，不过它是从螺杆与机筒的间隙，沿着螺杆轴向料斗方向的流动。

63、横流：沿x轴方向即与螺纹斜棱相垂直方向的流动。

、融膜:与机筒表面接触的固体粒子由于机筒的传导热和摩擦热的作用，首先融化，并形成一层薄膜，称为融膜。

65、融池:螺杆与机筒的相对运动作用下，不断向螺纹推进面汇集，从而形成漩涡状的流动区。

66、螺杆长径比：指螺杆工作部分有效长度与直径之比

选择填空

1、热塑性塑料主要有：聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯（包括ABS树脂）、聚丁烯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、纤维素等塑料

热固性塑料主要有：酚醛树脂、环氧树脂、不饱和聚酯塑料有机硅塑料

2、混合过程发生的主要作用：（1）剪切（2）分流、合并和置换（3）挤压（4）拉伸（5）聚集

3、特鲁顿黏度与零切黏度的关系与拉伸方式有关：

4、稠度系数K相同的假塑性流体A和胀塑性流体B表观黏度小于B的表观黏度（错）

5、宾汉流体其表观黏度肯定大于宾汉塑性黏度（对）

6、屈服假塑性流体表观黏度肯定小于屈服胀塑性流体表观黏度（错）

7、屈服胀塑性流体不可以用屈服假塑性流体定义

8、化学纤维成型加工三个阶段：

（1）基础阶段，包括原料制备与纺前准备（主要）（2）纺丝（成型阶段）（3）后加工

9、聚烯烃、聚酰胺和聚酯的熔点低于分解温度，可以进行熔体纺丝。聚丙烯腈、聚氯乙烯和聚乙烯醇的熔点与热分解温度接近，甚至高于热分解温度，而纤维素则观察不到熔点，像这类高分子只能采用溶液纺丝方法成型。目前，聚乙烯醇系纤维、黏胶纤维以及某些由刚性大分子构成的高分子主要采用湿法纺丝。醋酯纤维等主要采用干法纺丝。聚丙烯腈纤维、聚氯乙烯纤维等既可以采用湿法纺丝又可以用干法纺丝。聚氨酯纤维可以采用上述三种方法成型。

10、皮层致密，芯层疏松。

11、拉伸的目的：提高纤维取向度使纤维强度提高

12、后拉伸之后要有热定型，使可回复部分在热定型过程中消除，否则会在使用过程中变短。

13、由于纤维在这些工艺工程中所经历的时间很短，一些分子链处于松弛状态，另一些链段则处于紧张状态，即纤维内部存在着不均匀的反应。所以要热定型

14、一次成型：挤出成型、注射成型、模压成型、铸塑成型、模压烧结成型、传递模塑、压延成型

二次成型：中空吹塑成型、热成型、冷成型、拉副薄膜成型

15、连续法：挤出成型；半连续：注射成型

16、按原料——半成品——成品间关系分，塑料制品生产方法又有一次成型和二次成型之分

17、挤出设备：螺杆式挤出机（螺杆是挤出机的最主要部件）、柱塞式挤出机

18、压缩比：螺杆加料段第一个螺槽的容积与均化段最后一个螺槽容积之比；获得方法：（1）等距不等深（2）等深不等距（3）不等距等深

19、螺槽深度：螺槽深浅与物料的热稳定性、螺杆的塑化效率及压缩比有关