材料成型加工高分子部分Word格式.docx

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聚合物（透明性好；

适当的折射率；

耐高温性；

强韧性）→纺丝→包层和拉伸→光缆加工→

具有特殊结构和功能的有机光纤（低损耗POF;

耐热POF;

耐湿POF）。

4、循环经济的定义

以资源的高效利用和循环利用为目标，以“减量化、再利用、资源化”为原则（“3R原则”），以物质闭路循环和能量梯次使用为特征，按照自然生态系统物质循环和能量流动方式运行的经济模式。

2、高分子加工绪论

1、高分子成型加工定义

将高分子原材料（高分子化合物+添加剂），采取一定的成型加工工艺，得到具有实用性的材料和制品这一工程技术。

2、高聚物的状态变化与成型加工的关系

T<

Tg

玻璃态

大分子链上仅键长、键角发生形变

模量高、形变极小，不宜大形变加工

只能进行机械加工

T=Tg—Tf

高弹态

链段能移动，大分子不能移动，形变可逆，非晶聚合物：

Tg—Tf近Tf侧，强力成型，Tg以下使用结晶聚合物：

Tg—Tm拉伸

T=Tf—Td

粘流态

整个大分子能移动，呈塑性，模量低，小外力大形变，形变不可逆

大多数成型方法在此温度范围

聚合物从一种状态到另一种状态的影响因素：

分子结构及体系的组成、应力、环境T、时间

聚合物聚集态不同内聚能不同性能不同聚合物对加工技术的适用性不同

3、成型加工方法和实质

高分子材料成型加工是一个复杂的物理-化学变化过程，流动性是必要条件。

加工技术从形变出发：

（1）熔体—塑性形变：

Tf（m）—Td，多用于一次成型

（2）橡胶态—弹性形变（残余形变）：

Tg—Tf，多用于二次成型

（3）溶液态：

用于浸渍、湿法或干法纺丝

（4）分散体（悬浮体、溶液、胶乳）：

搪塑

（5）单体或预聚体直接成型—化学加工：

浇注

（6）机械加工—后处理。

成型加工中发生的物理——化学变化

（1）物理变化为主：

热塑性塑料

材料→加热→流动→冷却→凝固

（2）化学变化为主：

浇注成型

单体或预聚体→加热或引发剂→聚合成型

（3）物理变化——化学变化兼有：

热固性塑料、橡胶

材料→加热→流动→交联（硫化）→成型

结论：

要获得一个优良的高分子材料，必须对高分子化合物的结构及其与性能的关系，加以研究。

材料的内在性质影响加工工艺，优化的加工工艺最大限度获得高分子材料的性能，也决定了高分子化合物的分子结构及其聚集状态，组成该材料的各种成分之间的混合程度。

4、高分子的结构特性影响因素

聚合物链结构:

线形和支链形进行大流动形变加工；

体型结构，变形有限，进行机械加工。

聚合物分子构成:

1）共价键的形式:

键能不同，成型稳定性、使用耐候性和降解性也不同

2）元素C−O、C−N、C−S：

易水解，加工时要干燥

3）侧基影响Tg、Tm、降解、老化、水解、耐热性、力学性能。

键接次序和构型:

1）键接次序（头尾）

2）构型等规立构:

间规立构：

无规立构

几何位置：

顺式、反式性能不一样。

聚集态结构：

分子排列规整性。

共聚物组成:

1）单体比例2）序列分布（无规、嵌段、接枝）

基团与端基:

无活性基团——热塑性塑料：

可反复多次成型

有活性基团——橡胶和热固性塑料：

只可一次成型

端基影响热性能和热稳定性，可进行改性和功能化。

支链：

影响加工性能、力学性能、结晶度、应力开裂等。

支链↑:

密度、拉伸强度、硬度和软化温度↓；

柔韧性、断裂伸长率、冲击韧性和透气率↑

分子量及分子量分布：

分子量↓，流动性↑，强度↓；

分子量分布宽，流动性好，但性能差

4、影响高分子材料性能的物理因素：

（1）聚合物的链结构与结晶关系

聚合物本身的结晶性能影响加工性能和材料性能。

有利于结晶性的因素：

链结构简单，重复结构单元较小，相对分子质量中；

主链上不带或只带极少的支链；

主链化学对称性好，取代基不大且对称

规整性好；

高分子链的刚柔性及分子间作用力适中

（2）成型加工与聚合物结晶的关系：

熔融温度和熔融时间：

T高（低）；

t长（短）；

结晶速度慢（快）

T高或t长，结晶结构被破坏得多，晶核少，均相成核速度慢，结晶尺寸较大。

T低或t短，残存晶核异相成核，结晶速度快，结晶尺寸小而均匀

成型压力：

应力，大分子取向，诱发成核

冷却温度：

Tc=Tmax，缓冷，结晶度提高，球晶大；

Tc<

Tg，骤冷，大分子来不及重排，晶粒少，易产生应力；

Tc>

=Tg，中速冷，有利晶核生成和晶体长大，性能好。

采用中等的冷却速度，冷却温度选择在Tg～最大结晶速度的温度Tmax之间。

（3）成型后后处理方法与结晶性（重点掌握）

二次结晶指一次结晶后，残留的非晶区和结晶不完善的晶体继续结晶并完善。

后结晶指来不及结晶的区域，在成型后继续结晶的过程。

不形成新的结晶区域，而在球晶界面继续长大，是初结晶的继续。

两者均对性能不利，可通过热处理，加速这两个过程的解决，但不彻底。

（4）成核剂与结晶性

加成核剂异相成核，可提高结晶速度，制品透明性提高。

（5）结晶性和物性

聚合物中的晶体（微晶）类似大分子的“物理交联点”。

受结晶度影响的物性有：

拉伸强度、弹性模量、冲击强度、耐热性（热变形温度）、耐化学药品性、吸水性、透明性、气体透过性、成型收缩率等。

（很大程度与结晶结构有关）

6、取向与解取向产生的原因

1）在流动中，由于在管道中沿垂直于流动方向上流度不同，存在速度梯度，卷曲的长链分子受到剪切力的作用，将沿流动方向舒展伸直和取向。

2）熔体温度很高，分子热运动剧烈，也存在解取向作用。

7、熔体粘度与成型性（影响熔体粘度因素）：

3、等离子体

等离子体的定义：

由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系

非束缚性：

异类带电粒子之间相互“自由”，等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（电子、离子），而不是其结合体。

粒子与电磁场的不可分割性：

等离子体中粒子的运动与电磁场（外场及粒子产生的自洽场）的运动紧密耦合，不可分割。

集体效应起主导作用：

等离子体中相互作用的电磁力是长程的。

物质的第四态:

固体,液体,气体;

等离子体

等离子加工技术的特点:

速度快、温度低、能量高、适应广、功能强、污染小、成本低

低温等离子处理技术在高分子材料加工中的应用：

（1）改变高分子材料表面亲（疏）水性

（2）增强高分子材料的粘接性

（3）改善高分子材料印染性能

（4）在生物医用材料上的应用

4、辐射加工

辐射化学:

研究电离辐射与物质相互作用引起的各种化学变化的学科。

辐射工艺学:

又称辐射加工,是利用电离辐射诱发材料发生物理、生物和化学变化从而达到加工改性的目的。

辐射加工的优点:

（1）一种节约能源的技术。

（2）一种有利于环境保护的绿色工业技术

（3）加工技术简单，可根据产品需要来调节辐照条件，可快速、高质量处理加工件

缺点:

设备投入高，容易引发副反应，产额低,适应性不广，消费者心理障碍

应用：

辐射接枝、辐射聚合、辐射交联、辐射接枝、辐射降解

4、纺丝加工

1、切片筛选、输送

切片筛选：

去除不合格超长切片，粉末及杂质，避免影响切片的可纺性。

切片输送：

多次转运输送，耗用大量劳力，用气流输送具有设备简单、管理方便、保养维修费用低，灵活机动等优点。

气流输送原理：

通过气流的输送速度大于切片的悬浮速度来实现的。

稀浓度的输送：

切片在高于其悬浮速度时用较高的风速来驱动切片输送。

可靠性强，管道不易堵塞；

动力损耗及输送费用较高，切片易于管道撞击而使其受损。

中浓度的输送：

阻力较大，费用昂贵，可靠性小，仅适于短距离输送

高浓度的脉冲输送：

将高浓度的切片，分割成小段，利用压缩空气将切片一股一股地输送。

呈现一段空气一段一段物料的脉冲现象。

2、切片干燥过程

原因：

在纺丝过程中切片含水易水解，使M下降，丝的质量下降，纺丝含水易造成染色不匀。

湿态切片结晶度低，软化点低，若直接进入螺杆挤出机，会因受热软化粘连，造成“环结”堵塞。

目的：

提高切片的干燥质量，使含水率尽可能低，尽可能减少纺丝过程中聚合物的粘度下降，保证纺丝的顺利进行和成品丝的质量。

脱除切片中的水分，提高结晶度，达到提高切片软化点的目的

切片干燥原理：

切片干燥是一个传热、传质的物理过程，除切片含水量的变化以外（结合水、自由水），切片结构也发生变化

3、熔体输送过程

螺杆发挥输送泵的作用，将完全熔融的聚合物在螺杆的推动下向挤压机出口运动，完成熔体输送。

聚合物熔体在螺槽内的流动，除受到粘性牵引力的作用外，还受到机头处阻力形成的反压力作用，这样熔体的实际流动形成很复杂的情形。

简单流动:

正流；

逆流；

净流；

漏流；

横流

4、螺杆挤出过程：

被加工的聚合物物料由螺杆挤出系统推送前进，以一定的压力从机头处挤出，物料在喂入到挤出系统时呈固态，经过机器加热系统和螺杆本身剪切热的作用被熔融流体状态。

三区：

固体输送区、熔融区、熔体输送区

5、过滤

熔体过滤器：

即预过滤器，主要用于在纺丝螺杆出口与纺丝箱体之间。

熔体在进入纺丝箱体经纺丝组件，在纺丝组件内还必须有一道过滤装置。

它是在熔体进入到箱体之前的一道过滤，所以也被称为预过滤器。

预过滤器作用

（1）过滤掉机械杂质和较大的凝聚粒子

（2）使熔体充分混合，

（3）分担组件的过滤作用，延长喷丝板的使用周期

（4）有利于获得质量均匀的丝条纺丝

6、纺丝

纺丝方法：

溶液纺丝；

熔体纺丝（直接纺丝；

切片纺丝）；

其它纺丝

纺丝过程基本：

纺丝熔体制备，熔体自喷丝孔挤出，熔体细流拉长变细和冷却固化，以及丝条的集束上油和卷绕。

熔体制备熔体挤出拉伸变细冷却固化

纺丝过程具体描述：

过滤后的熔体，通过熔体管道，进入纺丝箱体内的熔体分配管，由纺丝泵定量输送到纺丝组件，经喷丝板小孔喷出形成细流，经侧吹风冷却、固化而成丝束。

7、卷绕：

化纤长丝的生产，均需应用卷绕机构把丝条卷绕成为具有一定形状和容积的卷装。

卷绕的目的：

生产本身的不连续，上道工序的丝条只能做成卷装之后才能中间储存或送到下一道工序。

卷装的要求：

（1）形状稳定

（2）容量大（3）丝条分布均匀（4）张力均匀（5）退绕容易

8、后加工

5、熔融纺丝动力学模型优化及应用研究

1、熔融纺丝理论的研究意义：

（1）高聚物科学应该阐明各种纺丝技术原理，包括纤维结构的形成和性能在内的演变机理。

（2）在纺丝条件下，快速响应、更宽的形变和结晶条件，促进了高聚物流变学（对拉伸的粘弹效应），取向－结晶这些领域的基础研究，也有助于高聚物科学和纤维工艺学的发展。

　唯象理论：

数字（实验数据）→模型→数字（理论预测）

2、理论研究熔纺的问题

重复性较差、系统性缺少、体系少、参数不完整。

熔融纺丝过程中的主要理论问题：

（1）高速流动状况下的取向机理

（2）取向诱导结晶机理及动力学

（3）取向和结晶化的高聚物流变性质

（4）非等温结晶动力学

（5）皮芯结构及不对称冷却

（6）边界层的动力学

黑体表示需要改进的地方，下面需要回答为什么要改进，改进在哪里（有问题，自己发挥）

3、熔融纺丝成形理论―基本数学模型的建立：

一般的物理规律和假设：

1、一般说来，聚合物的流动是稳态和连续的；

2、在纺丝线的主要区域中，占优势的形变类型是单轴延伸；

3、纤维的结构在方程上连续的变化，即起始（挤压）和最终（卷绕）条件保持不变，成品纤维的结构和性能仍然强烈地依赖于状态的全部“历史”；

4、纺丝动力学包括若干个同时发生的而且相互关联的“单元过程”；

5、纤维为圆形截面；

（现在还可纺制各种异型纤维）

6、纺程是垂直的；

7、忽略相邻纤维间流体动力学和热的交互作用；

（实际纤维间纯在热交换作用）

8、忽略孔口膨化；

9、单根纤维横截面上温度分布均匀一致，即纤维径向不存在热阻；

（实际皮芯温差较大）

10、忽略纤维轴向热传导；

11、材料的流动为纯粘性流动；

（高分子是粘弹性体）

12、将辐射传热系数包括在表面对流热传递系数h内；

13、按经验公式来决定运行速度V和横向流动的空气流是Vy和h的关系。

4、三维纺丝动力学及应用

第9条改进、单根纤维横截面上温度分布均匀一致，即纤维径向不存在热阻；

（吹风不对称）

中空纤维的不对称冷却—三维卷曲，控制吹风起点及吹风速度可以得到最大的不对称冷却效果，生成三维卷曲纤维。

5、异形纤维纺丝动力学

在熔融纺丝基本数学模型的基础上，建立纺程上力平衡、温度分布等数学方程，并进一步拓展和建立异形纤维纺丝成形的基本数学模型，通过模拟用数学方式表征工艺条件对纺丝成形异形度的影响，从理论上分析了实际生产结果，为进一步优化异形纤维的生产工艺参数，实现异形度的可控，制备预期规格的异形纤维提供理论依据。

异性度=r/R（纤维内外半径比）

（异型纤维不在是圆形，各种形状都有）

（实际孔口膨化对纤维的形状的影响较大）

（异性纤维成型剧烈，使得dv/dx增大，传热加快，表面张力增加，温度冷却速度加快，缓冷处理使纤维更稳定）

14、表面能（通常异型纤维的表面积比较大，所以还需要考虑其表面能）

6、复丝纺丝动力学及工程应用

将纺丝理论与实际生产相结合，利用计算机模拟，研究工艺参数与产品质量的关系，建立取向度及倍半伸长率两者之间的指数关系，揭示生产工艺与产品质量之间的关系。

形成涤纶短纤维纺丝工程计算机仿真系统，指导生产，提高产能、提质降耗。

13条，第7条需改进、相邻纤维间流体动力学和热的交互作用；

（由于是复丝，各组分在同一个喷丝孔中相互的热交换作用一定要考虑，而且得到的各组分复丝的间相互作用也是比较重要的，都要考虑）