聚合物加工原理复习题.docx

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聚合物加工原理复习题

1.单轴取向：

取向单元沿着一个方向做平行排列而形成的取向状态

2.双轴取向：

取向单元沿着两个互相垂直的方向取向

3.降解：

聚合物分子主链断裂引起聚合度降低或发生分子内链转移反应的现象。

4.剪切变稀：

聚合物流体表现为假塑性流动的区域。

随着剪切速率增大，其表观粘度降低。

5.机械降解：

聚合物受到外力作用（如粉碎、塑炼、高速搅拌、塑化、挤出、注射等过程）引起聚合物的降解。

6.端末效应：

聚合物在管道中进行剪切流动时，流体流经截面变化的部位时发生的弹性收敛和膨胀运动。

7.入口效应：

由于流道截面变小，使流体压力降突然增大的现象。

8.离模膨胀效应：

聚合物流体离开口模后产生体积膨胀的现象。

9.注塑成型周期：

完成一次注塑所需的时间称为成型周期。

包括合模时间、注座前进时间、注射时间、保压时间、冷却时间、开模时间、制件顶出时间、以及下一成型周期的准备时间。

10.注塑成型塑化：

塑料在料筒内受热达到流动状态并具有良好可塑性的过程。

11.层压成型：

在一定温度和压力下，将多层浸有热塑性树脂或热固性树脂的薄片状材料黏结和熔合成为具有一定厚度的层压板材。

1．聚合物的结晶过程

①结晶温度范围：

Tg-Tm之间

②结晶过程：

晶核生成和晶体生长。

低温区为生成晶核，高温区为晶体生长。

2．物料混合的分类及混合设备

分类：

（1）按分散程度简单混合和分散混合；

（2）按混合过程的特点间歇混合和连续混合；（3）按混合形式层流剪切混合和固定混合。

设备：

转鼓式混合机、螺带式混合机、捏合机、高速混合机、密炼机、双辊混炼机、挤出机

3．螺杆冷却与加料斗冷却作用

螺杆冷却作用：

控制物料温度；降低物料与螺杆的摩擦系数，提高物料输送效率；

加料斗冷却作用：

防止物料在料斗中架桥而影响加料进入机筒。

4.注塑成型减少内应力措施（工艺上）：

①提高熔体温度和模具温度；②降低充模压力和充模速度；③缩短保压时间。

1．单轴拉伸和双轴拉伸取向概念及对制品性能的影响

单轴取向是指取向单元沿着一个方向做平行排列而形成的取向状态

双轴取向是指取向单元沿着两个互相垂直的方向取向

单轴拉伸和双轴拉伸取向导致制品中在性能上表现出各向异性，以提高制品的力学强度；有的取向会给制品带来不利影响，如易使制品发生翘曲、变形、开裂等现象。

取向过程是分子链或链段有序排列过程，拉伸取向是在Tg-Tm（或Tf）温度范围内发生，流动取向是在高于Tf温度发生。

取向后使制品沿取向方向拉伸强度增大，断裂伸长率下降。

根据拉伸取向方式不同，取向可分为单轴取向和双轴取向（如塑料绳、纤维的生产为单轴取向，双向拉伸薄膜生产为双轴取向）。

注塑制品主要发生流动取向，使制品产生内应力，易发生翘曲变形现象。

无定形聚合物的流动取向

2．假塑性流体的流变性质

聚合物流体表现为假塑性流动的区域。

随着剪切速率增大，其表观粘度降低，称为“剪切变稀”。

3．影响聚合物流变行为（粘度）的主要因素

（1）温度对粘度的影响（温度T↑,粘度↓）

（2）压力对剪切粘度的影响（压力增大使粘度增大、分子间作用力↑粘度↑）

（3）剪切速率或剪切应力对表观粘度的影响（速率增加，粘度减小）

（4）聚合物结构因素的影响：

①分子链柔韧性（柔性大的粘度大）；②长支链（长支链的粘度大）；③侧基大小（侧基大的粘度大）；④分子量（分子量↑，粘度↑）；⑤分子量分布（分子量分布窄的粘度大）。

（5）添加剂对剪切粘度的影响（一般添加无机填充剂、纤维状填充剂会增加聚合物熔体粘度；而润滑剂、增塑剂则会降低熔体粘度）。

4．成型加工中降解形式及产生的原因

降解：

指聚合物分子主链断裂引起聚合度降低或发生分子内链转移反应的现象。

降解原因：

光、热、辐射、机械力等（物理因素）；氧、水、醇、酸、碱（化学因素）。

（1）热降解：

形式：

无规热降解（如PE、PP等）；链式降解（如PMMA）；消除反应（PVC、聚醋酸乙烯酯等）。

原因：

温度高于其分解温度或在分解温度下停留时间过长。

PVC、POM是典型的热敏性聚合物。

（2）机械降解

指聚合物受到外力作用（如粉碎、塑炼、高速搅拌、塑化、挤出、注射等过程）引起聚合物的降解。

（3）氧化降解

聚合物在氧存在下，同时伴随光、热、辐射作用易发生自由基降解，但也可能发生交联。

所以聚合物氧化机理比较复杂。

（4）水解

对于极性聚合物，由于其吸水性大，其极性基团在高温情况下易发生水解反应，使聚合物发生水解。

5.注塑成型的塑化分析及主要工艺参数

（1）注塑成型的塑化指塑料在料筒内受热达到流动状态并具有良好可塑性的过程。

塑料塑化受热包括料筒外加传导热和塑料的剪切生热。

a.塑化量：

指单位时间内注塑机熔化塑料的重量。

螺杆式注射机的塑化量比柱塞式注射机高。

b.热均匀性

螺杆式注射机的热均匀性比柱塞式注射机好。

（2）主要工艺参数：

温度：

注塑成型温度、模具温度；

压力：

注射压力、保压压力、预塑压力（背压）

时间：

注射时间、保压时间、冷却时间。

6．聚合物熔体弹性产生及影响因素

聚合物弹性形变由链段运动引起的，链段运动的能力由松弛时间τ决定。

（1）分子量及分子量分布分子量大、分子间作用力强，熔体粘度高，松弛时间长，弹性效应大，熔体易破碎；分子量分布宽，高分子量级分松弛时间长，熔体弹性行为强。

（2）温度与剪切速率温度升高，松弛时间缩短熔体破碎的临界剪切速率提高；剪切速率增大，熔体弹性行为增强。

（3）流道的几何尺寸管径突变，熔体弹性效应增加；口模长径比（L/D）增大，熔体弹性形变可得到充分松弛，使熔体弹性恢复变小。

7．聚合物流体流动过程中的端末效应

（1）端末效应指聚合物在管道中进行剪切流动时，流体流经截面变化的部位时发生的弹性收敛和膨胀运动。

（2）影响端末效应的因素：

入口效应：

由于流道截面变小，使流体压力降突然增大的现象；

离模膨胀效应：

聚合物流体离开口模后产生体积膨胀的现象。

①内因：

分子量高、分子量分布窄和非牛顿性强的聚合物，出口膨胀现象越显著。

②外因：

流道长度长、稳定流动时间长、增大流道直径或提高流道长径比（L/D）、提高流体温度，出口膨胀现象降低。

8．挤出成型工艺过程及主要工艺参数

工艺参数：

螺杆转速、挤出成型温度。

9．熔体在螺杆中的流动形式

a.正流：

物料沿螺槽向机头方向的流动，是螺杆旋转时螺棱的推力在螺槽z轴方向作用的结果。

b.逆流:

逆流方向与正流相反，由机头、口模、过滤网等对物料反压引起的流动。

c.漏流：

由口模、机头、过滤网等对物料的反压引起的，通过螺杆与机筒间隙δ沿螺杆轴向料斗方向的流动。

d横流：

物料沿螺纹斜棱相垂直方向的流动。

10．单螺杆挤出机的基本结构及作用

①挤出系统：

由螺杆和机筒组成，其作用使塑料塑化均匀，建立压力，使物料被螺杆连续、定压、定温、定量挤出机头。

②传动系统：

由电动机、调速装置及传动装置组成，其作用是驱动螺杆、保证螺杆在挤出过程所需的扭矩和转速。

③加热冷却系统：

由温控（加热圈、冷却水或鼓风）设备组成，其作用是通过加热和冷却，保证挤出系统的成型在工艺要求的温控范围内进行。

④控制系统：

由电器、仪表和执行机构组成，其作用是调节螺杆的转速、机筒温度和机头压力。

11．螺杆基本参数：

a.螺杆直径D：

是指螺杆外径，D越大，产量越高。

b.螺杆长径比L/D：

是指螺杆工作部分的有效长度与直径之比。

L/D越大，物料塑化、混合效果越好，挤出产量越大，通常在15~40。

c.压缩比ε：

指加料段第一个螺槽容积与均化段最后一个螺槽容积之比。

不同物料ε不同，只要起到压实物料作用。

12．挤出螺杆的主要功能及各段的主要作用

挤出螺杆的主要功能：

输送固体物料、压紧和熔化固体物料，均化、计量和产生足够压力以挤出熔融物料。

a加料段作用（固体输送区）：

此段螺槽为等深等距，随着螺杆转动，使物料受压、受热前移。

此段物料仍为固体，末端接近粘流温度，有些发粘。

b.压缩段作用（熔融区）：

此段螺杆螺槽容积逐渐变小，随着螺杆转动，物料被进一步剪切搅拌，压实，物料由固体转化为熔融体，并排除物料中的空气。

c.均化段作用（熔体输送区）：

使熔体进一步均化，将料流定量定压送入机头，使其在口模中成型。

13．PVC管材生产工艺流程

14.在挤出成型理论中，根据固体输送理论，固体输送的必要条件及提高固体输送效率的措施

必要条件：

①只有当FsFs），才能保证物料沿着螺槽方向向前输送。

措施：

提高螺杆固体输送效率，从挤出机结构和挤出工艺两方面采取措施。

a.挤出机结构：

增加螺槽深度、降低物料与螺杆的摩擦系数fs，增大物料与料筒的摩擦系数可提高固体输送率；b.挤出工艺角度：

螺杆通冷却水、增加料筒温度和降低螺杆温度都可提高固体输送率。

15．热固性层压板材成型的基本过程

①成型工艺过程：

叠料、进模、热压、脱模、加工和热处理。

叠料：

将附胶材料进行剪裁和层叠，层叠厚度确定制品要求确定。

叠料要求：

板坯两面加用2~4张表面专用附胶材料（含脱模剂），以改善板材表观质量；附胶材料叠放排列方向可互相垂直或同向。

叠好板坯压制单元顺序：

金属板—衬纸—单面钢板—板坯—单面钢板—衬纸—金属板。

进模：

将装好的压制单元分层推入多层压机的热板中，闭合压机，升温升压进行压制。

热压：

压制温度和压力控制分五段：

第一阶段为预热阶段：

从室温到硬化反应开始的温度。

此段树脂熔化，浸透玻璃布，排除挥发份，压力为总压力的1/3~1/2。

第二阶段为保温阶段：

树脂在低温下固化反应，直至板坯边缘的树脂不能被拉成丝，开始升温升压。

第三阶段为升温升压阶段：

温度和压力升值工艺规定值。

第四阶段为热压保温阶段：

树脂充分固化，制品达到最佳性能。

第五阶段为冷却阶段：

板坯充分固化后冷却，便于脱模。

脱模：

当压制好的板材温度降至60℃，卸压，依次推出板材。

加工：

除去压制好的板材的毛边。

热处理：

进一步固化树脂，消除内应力。

如环氧树脂和酚醛树脂层压板热处理温度120~130℃，时间120~150min。

16．聚乙烯单丝生产工艺流程、工艺及控制

工艺流程：

原料→挤出→喷丝板挤出→水冷→加热拉伸→定型热处理→卷取

工艺及控制：

①温度控制喷丝机头温度一般比挤出成型其他产品温度高，一般在220~240℃，聚合物分子量分布窄（如HDPE5000s）。

②冷却水温经喷丝板成型的丝坯立刻进入水箱冷却，主要是为了防止单丝粘连和降低聚乙烯结晶，有利于提高拉伸质量。

水温控制在25~35℃，水面距喷丝板距离15~30mm。

③拉伸温度和倍数拉伸时大分子链取向过程，为了便于快速分子链或链段取向，必须在接近其熔点温度附近进行。

HDPE单丝的拉伸温度接近100℃，一般采用热水加热，如高于100℃，可采用电热板加热。

拉伸温度越高，拉伸倍数越大，拉伸速度越快，力学强度越高，反之则相反。

拉伸倍数一般在6~10倍。

④热处理PE单丝拉伸后伸长率较大，受热容易热收缩。

为消除这一现象，需要对拉伸薄膜进行热处理。

热处理温度比拉伸温度稍高，使部分取向链段得到松弛，而消除内应力。

第三牵引辊比第二牵引辊线速度慢1%~1.5%.

17.注塑机注射系统的的作用及组成

注射系统作用：

主要起塑化和注射作用。

柱塞式分流梭其作用：

缩短传热过程，加大传热面积，提高熔化速率和塑化均匀性。

自锁式喷嘴：

主要用于粘度小塑料，防止流延。

不能用于粘度大、热稳定差的物料，如不能用于PVC。

螺杆式注射系统组成：

由加料装置、料筒、螺杆、喷嘴组成。

柱塞式注射机注射系统由加料装置、料筒、柱塞、分流梭、喷嘴组成。

18．注射成型工艺对取向度影响

主要根据作图分析注塑工艺对取向度的影响。

温度一定时，大分子链伸直取向与剪切应力、取向时间、熔体冷却速度有关。

冲模过程中模腔内不同部位取向程度不同。

取向度还与模具温度、制件厚度、注射压力、充模时间和料筒温度有关。

如图

19.注塑成型降低熔接痕措施：

①模具：

适当提高模具温度，增加流道尺寸，扩大冷料井；浇口开设尽量避免熔体在嵌件、孔洞的周围流动；发生喷射充模的浇口要设法修正、迁移或加挡块缓冲；尽量不用或少用多浇口；应开设、扩张或疏通排气通道。

②工艺：

适当提高注射压力、延长注射时间；优化注射速度；优化机筒和喷嘴温度；尽量不用或少用脱模剂。

③原料：

原料进行干燥处理，对热稳定性差的物料要适当添加稳定剂。

④制品设计：

壁厚不能过小、尽量避免嵌件位置不当引起的分流现象。

20．分析热固性塑料注塑成型特点

热固性塑料在受热过程中发生物理变化和化学变化。

热固性塑料固化前为分子量不大的线型结构聚合物，通过机筒加热变成为低黏度熔体，同时开始发生交联反应，分子量逐渐增大，黏度急剧上升，甚至失去流动性。

为此在交联反应前或刚开始时将熔体快速注入型腔，使其在加热型腔内继续交联反应至物理力学性能达到最佳时即可脱模。

21．压制成型工艺过程及工艺参数

压制成型主要工艺参数：

压制温度、压力和时间。

压缩成型前准备：

预压、预热。

预热：

对热固性塑料加热，除去水分和其他挥发物，缩短成型周期。

预压：

在室温下将松散的热固性塑料用预压模在压机上压成重量一定、形状一致的型坯，其形状与模具形状一致为宜，多为圆片状、长条状。

1．单轴拉伸和双轴拉伸取向概念及对制品性能的影响

图的解释：

a图：

沿着制品的厚（宽）度方向的取向，在制品的中心区和表层区，取向程度都不高，取向度向较高的区域是介于中心区和表层区之间的部分。

b图：

沿制品长度方向，从浇口开始顺着料流的方向，取向程度逐渐增加，在靠近浇口一侧的某一位置，取向度达到极大值，继续沿长度方向向前深入，则取向程度逐渐递减。

2．假塑性流体的流变性质

①第一牛顿区是聚合物低剪切应力或低剪切速率下表现为牛顿型流动区域，即粘度恒定。

如流延成型、乳胶刮涂、涂料涂刷等过程。

此区所对应粘度为零切粘度η0，不同聚合物的η0不同。

②假塑性区是聚合物流体表现为假塑性流动的区域。

由于剪切速率或剪切应力增高，流体中大分子构象、分子束发生改变，导致聚合物原有结构破坏或形成新的结构，导致粘度发生变化。

如粘度变化变低，称为“剪切变稀”；如果粘度变化变大，则称为“剪切变稠”。

剪切变稀机理：

对聚合物熔体当剪切速率增大时，大分子逐渐从网络结构中解缠和滑移，高弹形变相对减少，分子间作用力减弱，因此流动阻力降低；对聚合物溶液或分散体系，增大剪切速率，迫使低分子物质（溶剂）从原来稳定体系中分离出来，导致体系中的无规线团或粒子尺寸变小，并且使无规线团和粒子分布了更多溶液，使整个体系流动阻力降低。

③第二牛顿区当剪切速率达到更大时，表观粘度不在随τ和γ增大而变化，保持一个常数。

此时的粘度成为极限粘度η∞。

产生主要原因：

一可能是在很高τ或γ下，聚合物网络结构的破坏和高弹形变已达到极限状态，对熔体的结构不再产生影响，流体的粘度已达到最低值；二可能是在很高剪切时，大分子构象和双重运动的应变来不及适应τ或γ的改变，流体流动性为表现出牛顿型流体特征。

23．挤出成型的基本过程。

加料→输送→压缩→熔融→混合→排气

（1）加料：

物料加入料斗，在自重或强制加料情况下，定量进入螺杆螺槽空隙，在螺棱的推理下挤出向前。

（2）输送：

物料在螺杆转动产生的推力下向前输送。

（3）压缩：

随着物料不断向前输送，物料被逐渐压实，有利于物料传热塑化、排除物料间的气体、获得密实的制品。

物料被压实产生原因一是螺杆槽逐渐变浅，二是螺杆头部有分流板、过滤网、机头等阻力元件，三是螺杆、机筒对物料运动过程产生的摩擦阻力。

（4）熔融：

物料在被压实输送过程中，机筒上的加热器通过热传导将热量传递给物料，同时由于螺杆、机筒对物料产生的剪切热，使物料熔化成为熔体。

（5）混合：

物料螺杆转动作用下向前输送，在加料段物料呈固体状态，无相对运动，混合作用小，物料在压缩段开始熔化，物料各组分混合作用开始变大，物料在均化段完全融化，物料各组分混合作用最大，混合最均匀。

为保证物料混合均匀，螺杆均化段应保证足够长度。

（6）排气：

其过程主要排除物料中的挥发份或者是物料间夹杂的空气。

物料在螺杆输送过程中不断被压实，气体在排气口被排除。

如气体不排除夹杂在制品中会严重影响制品的强度和外观。

特别是未干燥的极性物料（如PVC、PA、PET）、含低分子物料需要排气。