高分子材料加工原理备课笔记

1、绪论 介绍基本定义，讲解高分子材料加工各种主要变化、基本成形方法，从而使大家对本书内容有一个大概的了解。一高分子材料加工定义（polymer processing define） 高分子材料加工是将高分子材料转变成使用材料或制品的一种工程技术（有时还加入各种添加剂（additive）、助剂（assistant）或改型材料等）通用高分子材料的种类：纤维：一种细长形状（长径比10mm）、截面积较小(0.05mm2)的物体塑料：以合成（或天然）的高分子化合物为基本成分、在加工中通过塑化流动或原位聚合而成型，状态为柔韧性或刚性固体橡胶：以合成（或天然）的高分子化合物为基本成分的高弹性的高分子材料涂料：应用于物体表面并能结成坚韧保护膜的物质的总称胶黏剂：能把各种材料黏合在一起的物质新型高分子材料的种类：高性能高分子材料：指材料的机械性能、耐热性、耐久性、耐腐蚀性等性能有较大提高的高分子材料。如：特种工程塑料、特种合成橡胶、高强高模合成纤维及其他的特种合成纤维（如防弹背心，碳纤维做成的自行车）。功能高分子材料：与常规高分子材料相比具有明显不同的物理化学性质，并具有某些特殊功能的高分子材料。如：物理

2、（光导、导电、储热、磁性）、化学、物理化学（高分子分离膜应用于海水淡化）、生物（人造器官包括肾、血管、关节、心脏瓣膜；手术缝线；人造皮肤）、特殊功能材料。智能高分子材料：能随着外部条件的变化，而进行相应动作的高分子。必须具备能感应外部刺激的感应器功能、能进行实际动作的动作器功能以及得到感应器的信号后而使动作器动作的过程器功能生态高分子材料：生态高分子材料与其他新型高分子材料的区分不是其性能，而是其与环境的关系。生态高分子材料资源可再生、生产过程清洁、废弃物可降解。二高分子材料加工的基本任务 研究高分子材料实现转变的方法（注塑、挤出、模压、甚至是机械加工）产品质量与各种因素的关系（加工条件、材料性质、设备状况）三高分子材料加工的进展（属课外内容，要求了解即可，扩展知识面）原材料发展成型方法的发展导致促进20世纪30年代20世纪50年代20世纪70年代20世纪80、90年代天然高分子AS、ABS、HDPEPET、复合材料PE功能高分子超细材料织、编、少部分采用现代常用的加工工工艺挤出、双向拉伸大型挤出、多螺杆挤出等相容性技术、反应挤出高分子材料和加工技术的发展历程四高分子材料加工高分子原材

3、料变形形状固化（保持形状）1加工方式： 不同的高分子材料其加工定型方式不同：高分子熔体：应用最广，热固性、热塑性、橡胶等距均可用此法加工；类橡胶状高分子：特殊成型方法及制品；高分子溶液：涂料等加工，湿、干法纺丝；低分子量高分子； 高分子悬浮液；高分子材料机械加工；2加工过程：混合、熔融和均化作用输送和挤压拉伸和吹塑（成型加工）冷却和固化注：不是必要步骤，如注塑和模压不需要经过步骤；热固性材料的加工不经过步骤的冷却。第一篇 高分子材料加工的理论基础提示：本篇为本书的核心内容，需具备高分子物理、高分子化学、物理化学等理论基础，着重于聚合五加工是表象及其影响因素，是后续章节的铺垫，要认真学习，同时也是考核的重点。第一章 材料的加工性质高分子材料加工性质：可模塑性、可挤压性、可纺性、可延性（使高分子材料的加工成为可能，使其得到广泛的应用）。本章讲授内容：与加工性密切相关的高分子材料的基本性质；高分子材料在加工过程中松驰过程的特点。第一节 高分子材料的加工性一聚集态指高分子链之间的排列和堆砌结构，也称超分子结构，其决定高分子本体的性质。高分子材料加工过程的性质和行为影响因素：长链结构、链缠结、聚

4、集态所处力学状态。二高分子材料的聚集态与性质、加工性能的关系：1高分子材料的加工适应性高分子材料的三态：玻璃态、高弹态、粘流态，玻璃化温度T起决定作用。不同温度不同的行为不同的加工适应性（方法）2.高分子聚集态与材料性质、加工性能的关系状态 材料性质加工性能玻璃态TTg坚硬固体主价键和次价键形成的内聚力，有一定的变形能力、可逆；弹性模量高、形变小。可通过机械加工（车、铣、削、刨），不宜进行大形变的加工；在Tg以下某温度（脆化温度）材料受力容易发生脆性断裂高弹态TgTTf固态与液态的中间态可做大形变变形，可逆性存在，由于高弹性形变的平衡和材料恢复形变不是瞬时（存在延后），为了定型，需迅速冷却在Tg以下。非晶高分子：接近Tf的温度区间内，可真空、压力、压延和弯曲成型结晶高分子：Tg与Tm之间可进行薄膜或纤维拉伸。粘流态TfTTd液态（熔体）稍高于Tf材料类橡胶流动行为，较为适宜的流动性压延、基础、吹塑、生胶塑炼等，比Tf更高温度，分子热运动大大激化，模量降低很快，材料易流动，不可逆粘性形变熔融纺丝、注射、挤出、吹塑、贴合，过高的温度已造成：注射时溢料；挤出时制品扭曲等TTd液态粘度降低很快

5、，易引起材料分解材料分解，物理机械性能降低，外观不理想，不适合加工注：Tf（Tm）与Tg一样都是聚合物材料成型加工的重要参考温度，对于结晶聚合物Tg与Tm有一定关系，例如链结构不对称的结晶聚合物Tm(K):Tg(K)3:2。一. 聚合物的可挤压性1. 定义：聚合物通过挤压作用形变是获得形状和保持形状的能力。通过研究高分子材料的可挤压性质能对制品的材料和加工工艺作出正确的选择和控制。2. 影响聚合物的可挤压性的因素通常固态状态下的聚合物不能通过挤压成型，只有聚合物处于粘流态时才能通过挤压获得宏观有用的形变。（1）（聚合物的流变性）在挤压过程中聚合物主要受剪切作用，故而聚合物的可挤压性主要取决于聚合物熔体的剪切粘度和拉伸粘度。大多聚合物熔体的粘体随剪切力或剪切速率增大而降低（即剪切变稀，例：两种粘度相等静止的液体，一种为牛顿性液体如甘油的水溶液，一种为聚合物溶液如聚丙烯胺水溶液。如令其在短管中流出时，由于粘度相等，几乎同时流尽；而令从长管中流出时，会发生高聚物溶液流体先流尽的现象，这是重力作用形成的剪切变稀的缘故。聚合物材料加工流变学 梁基照，国防工业出版社 2008 P3）。在挤压过程中

6、聚合物的粘度很低，虽然具有良好的流动性，但保持形状的能力较差；如粘度太高则又会造成流动和成型的困难。（粘度，流动性，保持形状能力；，造成流动和成型困难）（2）材料的挤压性能与加工设备的结构有关。挤压过程中聚合物熔体流动速率随压力增大而增加，可通过测定聚合物熔体的流动速率决定加工是所需的压力和设备的尺寸因此材料的挤压性质与聚合物的流变性，熔融指数和流动速度密切相关3. 测定聚合物可挤压性的方法仪器：熔融指数仪，只测定给定剪应力（2.16kg重锤和柱塞的重量）下聚合物的流动度（流度，粘度的倒数）。用定温下10分钟内聚合物从出料孔（直径3.095mm）挤出的重量（克）来表示，其数值就称为熔体流动指数（Melt Flow Index）,通常称熔融指数，简写为MI或MFI。根据Flory经验式，聚合物的粘度与重均分子量有如下关系：。式中A和B均为常数，决定于聚合物的特性和温度。因此测定的流度实质反映了聚合物分子量的大小。熔融指数测定仪的优点：结构简单，方法方便；缺点：属于低剪切速率（秒）下的流动，远低于加工过程中的剪切速率（秒），因此测定的MI不能说明加工过程中聚合物的实际流动性能。二. 聚合物

7、的可模塑性1. 定义：材料在温度和压力作用下形变和在模具中模制成型的能力。（通过注射、模压和挤出方法成形）2. 影响聚合物可模塑性因素材料的流变性、热性能和其他物理力学性能，热固性行聚合物的化学反应性。温度T流动性成型易分解，制品收缩率；温度T粘度流动性成型，弹性发展造成制品形状稳定性差；压力P流动性；压力P溢料，制品内应力；压力缺料。模塑条件（T，P）影响聚合物的可模塑性，且对制品的力学性能、外观、收缩以及制品的结晶和取向都有影响。聚合物的热性能（导热系数、热焓、比热）影响加热和冷却的过程，从而影响熔体的流动性和硬化速度，也会影响聚合物制品的性质（结晶、内应力、收缩、畸变）模具的结构尺寸也影响聚合物的模塑形，不良的模具结构甚至导致成型失败。3. 测定聚合物模塑形的方法方法：螺旋流动实验，通过一个阿基米德螺旋形槽的模具来实现。Holmes等人认为在高剪切速率（注塑条件）下，螺线的极限长度是加工条件和聚合物流变性与热性能两组变数的函数，并得到以下关系：式中d为螺旋横截面的有效直径；为熔体与螺槽壁间的温度差（）；为压力降；为固体聚合物的密度；为熔体与固件间的热焓差；为固体聚合物的导热系数；

8、为熔体粘度；为熔体平均线速度。常数C由螺线横截面的几何形状决定。影响螺线长度的因素：冷却速度（）增加，L减小；流动性（）增加，L减小；压力增大（），压力时间长，L增大；导热性大，热焓量小，L增大；螺槽几何尺寸（d）增大，L增大。螺旋流动实验的作用：(1). 聚合物在宽广的剪切应力和温度范围内的流变性质；(2). 模塑时温度、压力和模塑周期等的最佳条件；(3). 聚合物分子量和配方中各种添加剂成分和用量对模塑材料流动性和加工条件的影响关系；(4). 成型模具浇口和模腔形状与尺寸对材料流动性和模塑条件的影响。三. 聚合物的可纺性1. 定义：聚合物材料通过加工形成连续的固化纤维的能力。2.影响聚合物的可纺性的因素：材料的流变性、熔体粘度、熔体强度、熔体的热稳定性和化学稳定性。聚合物具有可纺性首先要求熔体从喷丝板毛细孔流出后能形成稳定细流。细流的稳定性通常与熔体从喷丝板得流出速度，熔体的粘度和表面张力组成的数群有关，可简单的表示为式中为熔体细流最大稳定长度；d为喷丝板毛细孔直径。增大纺丝速度提高细流的稳定性；由于熔体粘度较大表面张力较小 ，故值较大（聚合物具有可纺性的重要条件）；纺丝过程中的拉

9、伸和冷却作用熔体粘度增大提高细流的稳定性；熔体强度保证了在纺丝过程中细流的不断裂；不稳定的拉伸速度和材料本身的凝聚能较小容易造成纺丝细流断裂；对于一定聚合物，熔体强度随熔体粘度增大而增加。聚合物具有可纺性还要在纺丝条件下，聚合物有良好的热和化学稳定性。四. 聚合物的可延性1. 定义：表示无定形或半结晶固体聚合物在一个方向或二各方向上受到压延或拉伸是变形的能力。线性聚合物的可延性来自于大分子的长连结构和柔性。当固体材料在温度区间受到大于屈服强度的拉力作用时，就产生宏观的塑形延伸形变。在拉伸的同时变细或变薄、变窄。2.测定聚合物可延性的方法：拉伸应力法仪器：电子拉力机（可进行材料的压缩、弯曲、剪切、疲劳应力松弛等力学实验）3.应力应变曲线0a段：材料形变为普通弹性形变（类hooke形变），杨氏模量高、眼神形变值很小；ab段：材料抵抗形变的能力开始降低，出现加速形变的倾向，由普弹形变转变为高弹形变；b点为屈服点，对应的应力为屈服应力；bc段：材料形变逐渐由弹性形变发展为以大分子链的解缠和滑移为主的塑形形变，材料在拉伸的作用下发热，温度升高，形变明显加速出现“细颈”现象。（应变软化：因形变引起发热，使材料变软形变加速的作用；细颈：材料在拉应力作用下横截面形状突然变细的一个很短的区域。）细颈的出现说明：聚合物的结构单元（链段、大分子和微晶）因拉伸而开始取向

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