但此形变是可恢复的;加工的关键的是将制品温度迅速冷却到Tg以下;
T > Tf 粘流态 ,整个大分子运动, 滑移和解缠,外力作用下,主要为不可逆的粘性形变,产生宏观流动,可进行变形大,形状复杂的成型。
如熔融纺丝、注射、挤出等。
冷却后形变永久保存
7写出线型聚合物的总形变γ公式,画出聚合物在外力作用下的形变-时间曲线,分析各部分的性质特点;
8画出线性聚合物塑性拉伸的应力-应变曲线,并说明各阶段的应力-应变行为特点
1.直线o—a线段
普弹形变,模量高,由键角和键长拉伸引起,形变很小,
ab弯曲,形变加速,由普弹形变向高弹形变转变;
2.屈服点b点,水平曲线,屈服应力σy下,链段逐渐形变和位移,应变增大。
由高弹形变发展为塑性形变(大分子链解缠和滑移);
“应变软化”:
拉伸时材料发热(外力功→分子热运动能),温度升高变软,形变加速。
“细颈”现象:
拉应力下,材料形变加速,截面突然变细。
屈服应力下,聚合物中结构单元(链段、大分子和微晶)拉伸取向。
9聚合物加工技术分类及其过程
按材料分类
〔1〕化学纤维成型加工
熔体纺丝,溶液纺丝。
〔2〕塑料成型加工
注塑、挤塑、吹塑、模压、层压、传递模塑、浇铸、旋转成型、涂覆等。
〔3橡胶成型加工
工艺过程包括:
塑炼、混炼、压出(压延)、成型、硫化等过程
根据加工过程中的物理或化学变化
〔1〕主要是物理变化
热塑性聚合物:
加热软化或熔融-施压流动-冷却固化;
纤维或薄膜:
拉伸取向以及结晶;
〔2〕主要是化学变化
引发剂或热作用下,单体或低聚物的交联固化反应;
〔3〕兼有物理和化学变化
加热—流动,交联—固化。
热固性塑料的模压、注射和传递模塑成型、橡胶成型、反应挤出等。
10说明粘度对剪切速率和温度的敏感性在成型加工中的应用。
1〕在炼胶、压延、压出和注射成型中,提高剪切速率和温度,聚合物粘度降低,可改善加工流动性。
2〕外力解除或流动停止时〔材料或半成品停放过程中〕,降低温度,粘度增大,使半成品有良好的挺性,不易变形。
3〕可根据原材料特性,正确选择加工工艺〔剪切速率和温度〕
PS、PE、PP和PVC等的粘度对剪切速率敏感,通过提高剪切速率可降粘,改善加工流动性。
PS、PC、PMMA、CA、PET、PA等的粘度对温度敏感,通过提高加工温度可降粘,改善加工流动性。
POM、PC、PET和PA的粘度对剪切速率不敏感
4〕加工制品时,合理的加工剪切速率范围应选择在粘度对剪切速率不敏感区域〔400秒-1~600秒-1以上〕
11说明压力对熔体粘度的影响机理,压力-温度等效性原理。
增大压力,自由体积减小,大分子间距离缩小,链段活动范围减小,分子间作用力增加,熔体粘度增大。
但单纯通过增大压力提高熔体流量不恰当,过大压力造成功率消耗过大,设备磨损更大。
不同聚合物的压缩率不同,粘度对压力的敏感性不同压力从138公斤/厘米2升至173公斤/厘米2,HDPE和PP的粘度增加4~7倍,PS的粘度增加100倍
压力—温度等效性
加工温度范围,增加压力或降低温度,可使熔体获得同样的粘度变化。
压力增加到1000大气压,等效于降温30~50℃。
根据压力-温度等效性原理,加工中为维持粘度恒定,增加熔体压力的同时,应提高温度
12宾汉流体、牛顿流体、膨胀性流体、假塑性流体、触变性液体,震凝性液体
触变性液体:
在恒温和恒定的切变速率下,粘度随时间递减的流体。
震凝性流体:
在恒温和恒定的切变速率下,粘度随时间递增的流体。
宾汉流体:
与牛顿型流体的流动曲线均为直线,但它不通过原点,只有当剪切应力超过一定屈服应力值之后才开始塑性流动
13比较热塑性聚合物和热固性聚合物在加工过程中的流变行为特点;分析讨论温度对热固性聚合物流动性的影响
热固性与热塑性聚合物粘度变化的差异
(1) 热塑性聚合物加工主要为物理过程
多次塑化引起材料一定变化(部分降解或局部交联等),但未改变材料整体的可塑性。
〔2〕加热,材料熔融,压力作用下流动,获得所需形状;一定温度下,活性基团交联硬化,粘度变大,失去再次加热软化和流动能力。
温度对热固性聚合物粘度的影响
硬化时间H〔流动度降低到某一定值时所需的时间〕
温度升高,固化时间缩短,固化速度加快,粘度增高
热塑性聚合物热固性聚合物
加工温度对聚合物粘度的影响
14讨论热塑性聚合物分子量及其分布、剪切速率、熔体粘度的关系
分子量分布宽,剪切速率增大,熔体粘度迅速下降,表现更多假塑性;
分子量分布窄,在宽剪切速率范围内,熔体表现更多牛顿性。
分子量相同时,从加工性能〔熔体粘度〕考虑,聚合物分子量分布可适当宽些
15拖曳流动,收敛流动,管外拉伸流动的特点
收敛流动:
在流道截面尺寸逐渐变小的锥管或其它形状管道中的流动。
特点:
流动液体受剪切和拉伸两种作用。
拖曳流动:
管道或口模的一部分运动,使聚合物随管道或口模的运动部分产生拖曳流动。
特点:
剪切流动,液体压力降及流速分布受运动部分的影响。
管外拉伸流动:
非抑制性收敛流动〔拉伸流动〕,壁面速度不为0;收敛角很小;拉伸方向存在速度梯度dvz/dz;拉伸流动区,聚合物细流在径向不存在速度梯度,细流截面上各点的速度相同。
16评价聚合物流变性的常用仪器和方法有哪些?
毛细管粘度计、旋转粘度计、落球粘度计、熔融指数仪、螺旋流动试验和转矩流变仪等。
1〕挤出式毛细管粘度计:
剪切速率,10-1~6秒-1,熔体和溶液,102~8泊
能观察熔体弹性行为和熔体破裂等现象。
2〕旋转粘度计:
剪切速率,10-3~105秒-1
转筒式适合浓溶液,锥板和平板式适合熔体。
能观测聚合物体系的弹性行为和松弛特性。
3)落球粘度计:
剪切速率。
10-2秒-1以下,溶液。
4〕熔融指数仪、螺旋流动试验和转矩流变仪等。
17分析管道中流动液体,管中心区域温度低,管壁附近区域温度高的原因。
〔1〕摩擦热 管中心,剪应力〔剪切速率〕低,摩擦热小; 随半径增大,剪应力和剪切速率增加,管壁区域的摩擦热最大。
〔2〕膨胀冷却效应 流体沿流动方向,存在压力降,体积逐渐膨胀,表观密度减小。
膨胀作用消耗液体中部分能量,产生冷却效应。
管壁:
限制和摩擦力较大,膨胀率小,冷却效应较小;管中心:
膨胀率大,冷却效应更大。
18“拉伸变硬”及其在加工中的应用。
吹塑薄膜或挤压中空容器型型坯时,采用“拉伸变硬”的物料,制品很少出现应力集中或局部强度变弱而破裂,可获得形变均匀的制品,有利于挤压中空容器型坯、纺丝、吹塑薄膜以及片材的热成型。
“拉伸变稀”会导致材料破坏。
19入口效应〔入口端产生更大压力降〕的原因
〔1〕大管小管〔液体收敛流动〕,流速和剪切速率增大,要消耗更多的能量才能相应提高剪应力和压力梯度;
〔2〕流速增大,液体动能增加,使能量消耗增多;
〔3〕液体剪切速率的增大,使大分子伸展取向更大,高弹形变增加,要克服分子内和分子间的作用作力,也要消耗能量。
导致液体进入小管时,能量消耗增多,压力降更大。
20画出螺槽中压力流动和拖曳流动的速度分布,讨论机头阻力的变化对螺槽中熔体流速和流率的影响;
总流速及分布V拖曳流动和压力流动的叠加,
流率:
Q=V*S,q=Qp/QD,Q=QD-Qp-QL
1〕机头开放,q=0,仅有拖曳流动,Q最大;
2〕机头对液体流动阻力增大,反压和逆流增大,在螺槽不同深度出现流动速度V由正变负,Q减小;
3〕机头完全封闭时,反压和逆流达最大,Q=0
21比较锥管中收敛流动和管外拉伸流动的特点,讨论锥管收敛流动在加工管道和模具设计中应用;〔PPT50〕
锥管中收敛流动特点:
径向和轴向都有速度梯度;
向方向,最大速度在锥管中心,锥管管壁流速为零;
轴向(液体流动)方向,最大速度在锥管的最小截面处;
锥管液体流动由剪切流动和收敛流动构成,两种流动成分的大小取决于收敛角。
收敛角减少,轴向速度差降低,收敛流动成分减少,剪切流动成分增多。
收敛流动使拉伸弹性应变增加,会储存更多弹性能,可能导致制品变形或扭曲。
锥管收敛流动在加工和模具设计中的应用
1〕锥管可降低流动扰动带来的压力降,减少流动缺陷,提高产品质量和生产能力。
2〕防止死角,减少物料