高分子材料加工工艺复习 习题答案.docx

1、高分子材料加工工艺复习 习题答案高分子材料加工工艺第一章 绪论1.材料的四要素是什么？相互关系如何？答：材料的四要素是：材料的制备(加工)、材料的结构、材料的性能和材料的使用性能。这四个要素是相互关联、相互制约的，可以认为：1)材料的性质与现象是新材料创造、发展及生产过程中，人们最关注的中心问题。2)材料的结构与成分决定了它的性质和使用性能，也影响着它的加工性能。而为了实现某种性质和使用性能，又提出了材料结构与成分的可设计性。3)材料的结构与成分受材料合成和加工所制约。4)为完成某一特定的使用目的制造的材料(制品)，必须是最经济的，且符合社会的规范和具有可持续发展件。在材料的制备(加工)方法上

2、，在材料的结构与性能关系的研究上，在材料的使用上，各种材料都是相互借鉴、相互渗透、相互补充的。2.什么是工程塑料？区分“通用塑料”和“工程塑料”，“热塑性塑料”和“热固性塑料”。 答：按用途和性能分，又可将塑料分为通用塑料和工程塑料。产量大、价格低、用途广、影响面宽的一些塑料品种习惯称之为通用塑料。工程塑料是指拉伸强度大于50MPa，冲击强度大于6kJ/m2，长期耐热温度超过100的、刚性好、蠕变小、自润滑、电绝缘、耐腐蚀性优良等的、可替代金属用作结构件的塑料。但这种分类并不十分严格，随着通用塑料工程化(亦称优质化)技术的进展，通过改性或合金化的通用塑料，已可在某些应用领域替代工程塑料。 热塑

3、性塑料一般是线型高分子，在溶剂可溶，受热软化、熔融、可塑制成一定形状，冷却后固化定型；当再次受热，仍可软化、熔融，反复多次加工。例如：PE、PP、PVC、ABS、PMMA、PA、PC、POM、PET、PBT。 热固性塑料一般由线型分子变为体型分子，在溶剂中不能溶解，未成型前受热软化、熔融，可塑制成一定形状，在热或固化剂作用下，一次硬化成型；一当成型后，再次受热不熔融，达到一定温度分解破坏，不能反复加工。如PF（酚醛树脂）、UF（脲醛树脂）、MF（三聚氰胺甲醛树脂）、EP（环氧树脂）、UP（不饱和树脂）等。3.与其它材料相比，高分子材料具有那些特征（以塑料为例）？答：与其他材料相比，高分子材料有

4、以下特性(以塑料为例)。(1)质轻。通常密度在900-2300kg/m3之间。当制成泡沫塑料时，其密度更低，在10-50kg/m3之间。(2)拉伸强度和拉伸模量较低，韧性较优良。而塑料，尤其是纤维增强的比强度（强度与密度之比）接近或超过金属材料。(3)传热系数小(约为金属的1/100-1/1000)，可用作优良的绝热材料。泡沫塑料的绝热性能更为优良，被广泛用于冷藏、建筑、节能及其他绝热工程上。(4)电气绝缘性优良。体积电阻率在1013?1018 ?cm ，介电常数一般小于2，介电损耗小于l0-4，常用作电气绝缘材料。缺点是易产生并积累静电。(5)成型加工性优良。适应各种成型方法，多数情况下可以

5、一次成型，毋须经过车、铣、刨等加工工序。必要时也可进行二次加工，但难于制得高精度的制品，且成型条件对制品物理性能的影响较大。(6)减震、消音性能良好。可作减震、消音材料。(7)某些塑料具有优良的减磨、耐磨和自润滑性能。但由于其导热性较差、线膨胀系数大，采取有效的散热措施，防止摩擦过程中热量积聚十分必要。(8)耐腐蚀性能优良。有较好的化学稳定性，对酸、碱、盐溶液、蒸汽、水、有机溶剂等的稳定性能也较好(因品种而异)，优于金属材料。(9)透光性良好可作透明或半透明材料。(10)着色性良好。可制成色彩鲜艳的制品。(11)可赋予各种特殊的功能如透气性、难燃性、粘结性、离子交换性、生物降解性以及光、热、电

6、、磁等各种特殊性能。(12)使用过程中易产生蠕变、疲劳、冷流、结晶等现象，长期使用性能较差。(13)热膨胀系数大。一般为10-4/K；而金属和玻璃、陶瓷分别为10-5/K和10-6/K。当与金属、陶瓷等复合时，必须充分考成两者热膨胀系数的差异。(14)耐热性（熔点、玻璃化转变温度）较低，使用温度不高。(15)易燃烧。燃烧时会产生大量黑烟和有毒气体。4.获取高分子的手段有那些？答：高分子化合物的制造：获取高分子化合物的方法大致可分为三种；聚合反应、利用高分子反向和复合化。a)聚合反应。利用聚合反应是制造高分子化合物的主要手段。迄今为止，聚合技术已进入成熟期，今后主要的任务是催化剂的改进(如茂金属

7、催化剂等)和更节约成本的聚合方法(如本体聚合、气相聚合等)的进一步推广。b)高分子反应。利用高分子化合物的化学反应性使之改性亦是一种获取预期性能高分子化合物的方法，今后的工作是功能性高分子的开发。c)复合化。复合化是制造高分子化合物的又一种方法。近年来有了显着的发展，特别是采用接枝反应、相容剂等制备的高分子合金，可以获得均聚物无法具备的性能，并能赋予功能性；高分子化合物/无机物填充中偶联剂的使用改善了两组分间界面的亲和能力，提高了材料的力学性能。此两种技术正处于成长期，对于后者，如何使填充剂聚集体分散成初级粒子，并均匀分散在聚合物中是个重要的课题。而超细颗粒的填充将有可能带来材料性能突破性的发

8、现，引发材料革命，其关键是分散问题。5.高分子成型加工的定义。答：通常是使固体状态(粉状或粒状)、糊状或溶液状态的高分子化合物熔融或变形，经过模具形成所需的形状，并保持其已经取得的形状，最终得到制品的工艺过程。6.简单阐述高分子材料热-机械特征及成型加工的关系。答：三种物理状态：玻璃态：Tf (Tm)在Tg以下，高分子材料处于普弹性状态(亦称玻璃态)，为坚硬的固体。受外力作用形变(普弹形变)很小，一旦外力消失，形变可以立即恢复。在Tg以上，高分子材料处于高弹态(亦称橡胶态)，与普弹态相比，只要较小的外力就可使其发生较大的形变(高弹形变)。但这种形变是可逆的。当达到Tf(Tm)时，高分子材料处于

9、粘流态(亦称流动态)，此时，只要不太大的外力就可使其发生形变，而且这种形变是不可逆的，外力除去后，仍将继续保持，无法自发恢复。达到Td，则高分子材料开始分解。7.了解高分子材料的研究设计方法。答：-高分子材料制备（配料、混合、粒化、粉化）-成型工艺（塑化，一次，二次成型）-制品（定型，后加工）8.高分子成型加工过程中可能发生那些物理和化学变化。答：第二章 高分子材料学1、高分子链结构中有利于结晶的因素有那些？答：高分子化合物的链结构指链的对称性，取代基类型、数量与对称性，链的规整性，柔韧性，分子间作用力等。有利于结晶性的因素有：1)链结构简单。重复结构单元较小，相对分子质量适中；2)主链上不带

10、或只带极少的支链；3)主链化学对称性好，取代基不大且对称；4)规整性好；5)高分子链的刚柔性及分子间作用力适中。2、为什么聚合物的结晶温度范围是Tg?Tm？答：当温度低于Tg时，大分子链段运动被冻结，不能发生分子重排和形成结晶结构；而当温度高于Tm时，由于大分子的热运动自由能大于内能，难以形成有序结构，因此，聚合物的结晶温度范围为Tg?Tm。3、影响结晶的主要成型条件是什么，影响如何？答：(1)熔融温度和熔融时间：熔体中残存的晶核数量和大小与成型温度有关，也影响结晶速度。成型温度越高，即熔融温度高，如熔融时间长，则残存的晶核少，熔体冷却时主要以均相成核形成晶核，故结晶速度慢，结晶尺寸较大；反之

11、，如熔融温度低，熔融时间短，则残存晶核，熔体冷却时会起到异相成核作用，结晶速度快，结晶尺寸小而均匀，有利于提高机械性能和热变形温度。所以：T高（低） t长（短） 结晶速度慢（快） (2)成型压力。成型压力增加，应力和应变增加，结晶度随之增加，晶体结构、形态、结晶大小等也发生变化。应力有利于成核：应力 大分子取向 诱发成核 低压：生成大而完整的球晶； 高压：生成小而形状不很完整的球晶(3)冷却速度。成型时的冷却速度(从Tm降低到了Tg以下温度的速度，主要看冷却介质的Tc)影响制品能否结晶、结晶速度、结晶度、结晶形态和大小等。Tc=Tmax，缓冷，结晶度提高，球晶大；TcTg，中速冷，有利晶核生成

12、和晶体张大，性能好。冷却速度越快，结晶度越小。通常，采用中等的冷却速度，冷却温度选择在Tg一最大结晶速度的温度Tmax之间。 因此，应按所需制品的特性，选择合适的成型工艺，控制不同的结晶度。4、何谓聚合物的二次结晶和后结晶？答：二次结晶：是指一次结晶后，在残留的非晶区和结晶不完整的部分区域内晶并逐步完善的过程。这个过程相当缓慢，有时可达几年，甚至几十年。 后结晶：是指一部分来不及结晶的区域，在成型后继续结晶的过程，存这一过程中，不形成新的结晶区域，而在球晶界面上使晶体进一步长大，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。5、聚合物在成型过程中为什么会发生取

13、向？成型时的取向产生的原因及形式有哪几种？ 答：在成型加工时，受到剪切和拉伸力的影响，高分子化合物的分子链将发生取向，依受力情况，取向作用可分为两类。流动取向系指在熔融成型或浓溶液成型中，高分子化合物的分子链、链段或其他添加剂，沿剪切流动的运动方向排列。拉伸取向系指高分子化合物的分子链、链段或微晶等受拉伸力的作用沿受力方向排列。仅受一个方向作用力引起的拉伸取向为单轴拉仲取向(单向拉伸)；同时受两个相互垂直方向的作用力引起的拉伸作用称双轴拉伸取向(双向拉伸)。6、要使聚合物在加工中通过拉伸获得取向结构，应在该聚合物的什么温度下拉伸？答：粘流拉伸：条件是TTf, 因为温度很高，解取向很快，所以有效

14、取向度低；又因为温度高，粘度低，易造成液流中断。所以，此范围内，拉伸要恒定，不停顿。此种拉伸主要存在于纺丝。塑性拉伸：条件是TgTTf , 温度接近Tf, 拉伸应力大于屈服应力，在高弹态，大分子作为独立结构单元发生解缠和滑移。主要存在于真空成型和热成型。高弹拉伸：条件是TgT1?m)、微观分相型高分子共混物(其分散相的粒径在1?m之间)和完全相容型高分子共混物。高分子合金即指后两者。 经过合金化，原来单一高分子化合物性能上的某些欠缺可以相互弥补，表现出均衡的综合性能，或可以使某些性能，如物理机械性能，尤其是冲击韧性、加工件能等得到较大的改善，也可赋予材料某些特殊的功能性。常用的合金化技术有以下

15、几种。 1)简单共混技术。对完全相容型体系有效；对不相容体系得不到理想的性能，效果很差。 2)接枝共聚技术。HIPS、ABS即属于此类。超韧性尼龙中顺酐化EPDM与尼龙的端氨基反应生成的起相容剂作用的接技物，也属此类。 3)多层乳液技术。乳液聚合中，通过聚合条件、单体加料程序的控制，可形成核、壳结构不同的多层乳胶微粒，如用于PVC改性的MBS、ACR等即属此类。 4)相容剂技术。用此法制得具有稳定做观分相型结构、性能优良的高分子合金。已较广泛的应用。5)互穿聚合物网络技术(IPN)。是指形成部分聚合物网络交织、缠结，部分形成微相分离状态的互穿聚合物网络的制备技术。有两个聚合物网络同时形成；先形

16、成一个聚合物网络，再加入单体、交联剂等对其渗透、溶胀，然后引发交联形成第二个聚合物网络；可以是一个热塑性聚合物，一个交联的聚合物网络互相穿插、缠结；也可以是两个热塑性聚合物相互物理缠结而成。 6)反应挤出技术。是指在挤出机中实现的单体聚合反应或在高分子化合物熔融共混同时实现功能化、接技、交联(硫化)等化学反应，制备高分子合金的技术。通常采用双螺杆挤出机。因此亦应考虑螺杆转向、长径比、模块形式及排列方式、排气孔位置及配置等的影响。PA/EPDM超韧尼龙、PP/EPDM热塑性弹性体等均可列入此类。 7)分子复合技术。系将少量刚性链高分子化合物均匀分散在柔性链或半刚性链的高分子化合物基体中，形成分子

17、水平的复合，改善材料强度、模量和耐热性等的技术。 8)力化学技术。利用高剪切力作用下，高分子链的断裂或交联而形成接枝、镊段或交联高分子化合物制造高分子合金的方法。第三章 高分子用添加剂-作业及答案1、 高分子材料中添加助剂的目的是什么？答：满足性能上的要求；满足成型上的要求；满足经济上的要求。2、什么是热稳定剂？哪一类聚合物在成型加工中须使用热稳定剂？答：高分子材料在加工和应用的过程中，在外界因素热的作用下，会发生老化过程，发生表面状态、物理机械性能和结构的变化，甚至失去使用价值。为了防止或抑制由老化引起的破坏作用，可采用添加稳定剂使高分子材料稳定化，此法使用最普遍。热稳定剂主要用于PVC塑料

18、中，是生产PVC塑料最重要的添加剂。众所周知，PVC是热不稳定性的塑料，其加工温度与分解温度相当接近，只有加入热稳定剂才能实现在高温下的加工成型，制得性能优良的制品。3、抗氧剂的作用和分类是什么，一般在高分子材料中的用量为多少？答：抗氧剂是指可抑制或延缓高分子材料自动氧化速度，延长其使用寿命的物质。在橡胶工业中抗氧剂也被称为防老剂。抗氧剂可被分为两大类： (1)链终止型抗氧剂。可与自由基R和ROO反应，中断了自动氧化的链增长，ROO的消除抑制了ROOH的生成和分解，可以认为ROO自由基的消除是阻止降解的关键。所以这类抗氧剂又称主抗氧剂。常见的有受阻酚类、仲芳胺类。 (2)预防型抗氧剂。可除去自

19、由基的来源，抑制或减缓引发反应。故这类抗氧剂又称辅助抗氧剂。这类抗氧剂又可分为两类。 1)过氧化物分解剂：指能与过氧化物反应并使之转变成稳定的非自由基的物质，常见的有有机亚磷酸酯、硫代二丙酸酯、二硫代氨基甲酸金属盐类等。 2)金属离子钝化剂(铜抑制剂)：指能钝化金属离子，减缓氢过氧化物分解作用的物质，主要为酞胺类及酞肪类。 在塑料中抗氧剂的用量为%?1%，而在橡胶中的用量一般为l?5份。4、增塑剂的定义，按作用方式分类，增塑剂对高分子材料性能的影响？并请区分“主增塑剂”、“副增塑剂”和“增塑剂相容性”等三个概念。答：增塑剂是指用以使高分子材料制品塑性增加，改进其柔软性、延伸性和加工性的物质。增

20、塑剂主要用于PVC树脂中。按作用方式，有外增塑作用和内增塑作用之分。起外增塑作用的是低分子质量的化合物或聚合物，通常为高沸点的较难挥发的液体或低熔点的固体，且绝大多数为酯类有机化合物。起内增塑作用的通常为共聚树脂，即在均聚物Tg较高的单体中引入均聚物Tg较低的第二单体，进行共聚，降低高分子化合物的有序程度(即结晶度)，增加分子的柔软性，氯乙烯醋酸乙烯共聚树脂即为典型的一种。主增塑剂：在通常的温度范围内，能使高分子化合物迅速凝胶化，并不会从被增塑材料中渗出。常见的为苯二甲酸酯类和磷酸酯类，如邻苯二甲酸二丁酯 (DBP)，邻苯二甲酸二辛酯(DOP)。特点是：与PVC之比可达到150：100而没有渗

21、出现象。辅助增塑剂：凝胶化能力低，与高分子化合物之间的相容性有限，一般与主增塑剂并用。一般为脂肪族二元酸酯类和聚酯类增塑剂。相容性：一般要求溶解度参数相近，为了稳定性要求分子量大些。在实际使用中，以能混进去、不析出来为准则，而不管溶解度参数和分子量，效果好就可以了。5、内润滑与外润滑的作用机理有何差异。答：润滑剂是降低熔体与加工机械(如筒体、螺杆)之间和熔体内部相互同的摩擦和粘附，改善流动性，促进加工成型，提高生产能力和制品外观质量及光洁度等的一类添加剂。按作用机理可将润滑剂分为两大类。(1)内润滑剂。利用其与高分子化合物之间一定的相容性，少量可以进入高分子化合物的分子链之间，削弱分子链间的相

22、互作用力，引起滑动和旋转，同时又不过分降低高分子化合物的Tg。(2)外润滑剂。与高分子化合物相容性极差，只能附着在熔体或加工机械、模具的表面，降低熔体与加工机械之间的摩擦力。6、橡胶制品为何要使用配合剂？配合剂共分哪几类？答：橡胶的交联过程需要一定条件：主要是加入交联体系，并经过一定的温度、压力和时间。利用交联反应使线型或轻度支化型的高分子材料转变为体型结构的高分子材料，是制备具有实用价值、较高性能制品的常用手段，橡胶的硫化等等均属于此类。必须指出，由于历史的原因，橡胶的交联过程习惯称为硫化。橡胶制品的配合剂包括：交联剂、促进剂、活化剂及防焦剂。7、何谓硫化剂？分哪几类？各自适用的橡胶类型是什

23、么？答：硫化剂是使聚合物交联起来的配合剂。分为：硫磺（最古老的硫化剂，橡胶工业用得最多，用于含有双键的不饱和橡胶）、含硫化合物（在硫化过程中可以分解出活性硫的物质，作用与硫磺基本等同）、过氧化物（用于饱和橡胶的硫化）、金属氧化物（主要用于含有卤元素的橡胶）等。8、硫化促进剂的作用及类型？答：硫化促进剂：硫化促进剂可以缩短胶料硫化时间，提高硫化速度，减少硫磺用量，改善硫化胶物性的一类物质。促进剂多为有机促进剂。按化学结构分：噻唑类、秋兰姆类、胍类、次磺酰胺类、硫脲类等。按与硫化氢的反应性质分：酸性、碱性、中性。按促进能力分：超促进剂、强促进剂、中促进剂和弱促进剂。9、活性剂有什么作用？什么是防焦

24、剂？常用品种是什么？答：硫化活性剂(亦称活化剂、促进助剂)：用以增加胶料中有机促进剂的活性，充分发挥其效能，以减少促进剂用量或缩短硫化时间的一类物质。常见的是ZnO和硬脂酸。防焦剂(亦称硫化延缓剂)：焦烧是指胶料在硫化前的加工及贮存过程中发生的早期轻度硫化现象。显然，发生焦烧时间(即诱导期)愈长，胶料的操作安全性愈好。防焦剂足指少量加入即可防止或延迟胶料发生焦烧的物质。主要的品种有：(1)亚硝基化合物类，为目前广泛使用的防焦剂；(2)有机酸类；(3)硫氮类(又称SN类)。10、什么是填充剂和补强剂？它们的区别在哪里？答：按其所起的作用通常将填充剂分为两大类：一类称增量填充剂(亦称增量剂)，其主

25、要作用为增加制品的体积，降低成本。以粉状、球状填充剂为主。随着超细颗粒和纳米材料的出现以及各种表面改性技术的发展，尤其是有机无机复合材料的出现，单纯增量的功能日益减弱；一类是补强性填充剂(亦称补强剂、增强剂)，其作用主要为提高制品的力学性能，以纤维状、晶须、织物状填料为主。实际上，这两类之间并无严格的界线。四章 高分子材料的配方设计1试分析下列配方，要求：（1）指出各成分在配方中的作用；（2）判断制品基本性能，并说出相应的理由。 PVC树脂（XS-4）100，邻苯二甲酸二辛酯 10，邻苯二甲酸二丁酯 8，环氧脂肪酸辛酯 3，液体钡-镉 2，硬脂酸钡 ，硬脂酸镉 ，硬脂酸 ，二氧化钛 3PVC：

26、基体材料；邻苯二甲酸二辛酯 10，邻苯二甲酸二丁酯 8：增塑剂；环氧脂肪酸辛酯：适用于 PVC加工过程中的增塑剂和稳定剂，具优异的耐寒性，与PVC的相溶性好，该品的分子内环氧基团可吸收PVC分解出的HCl，从而起到耐热性和耐光稳定的作用。液体钡-镉：液体稳定剂；并可减少加工时的粉尘污染；硬脂酸钡 ：热稳定剂兼润滑剂；硬脂酸镉 ：用作聚氯乙烯树脂加工中的耐热光透明稳定剂；硬脂酸：润滑剂；二氧化钛：颜料。材料的基本性能：具有一定柔韧性的增塑后的塑料。 丁腈橡胶 100，硫磺，促进剂M ，促进剂TMTD ， ZnO 5，硬脂酸 1，防老剂4010NA 1，半补强碳黑 60，陶土 30，沥青 5，石蜡

27、 丁腈橡胶：基体材料；硫磺：交联剂；促进剂M：2-硫醇基苯并噻唑，通用型促进剂；促进剂TMTD：二硫化四甲基秋兰姆，超促进剂；ZnO 5，硬脂酸 1：活化剂；防老剂4010NA：橡胶防老剂；半补强碳黑 60：补强作用；陶土 30：填充剂；沥青 5，石蜡：橡胶软化剂。基本性能：一种补强的硫化橡胶，在室温下处于高弹态度。2在生产宽1200：mm，厚的聚氯乙烯软膜时，采用以下配方：聚氯乙烯树脂100，三盐基硫酸铅2，硬酯酸钡，硬酯酸铅，邻苯二甲酸二辛酯30，癸二酸二辛酯 10，环氧大豆油5，氯化石蜡5，硬酯酸，碳酸钙8，钛箐兰问：配方中各组分的作用？配方中树脂、稳定剂、增塑剂、填充剂、润滑剂、颜料各

28、是什么？聚氯乙烯树脂：基体材料；三盐基硫酸铅：又名三碱式硫酸铅，3PbOPbSO4H2O，热稳定剂；硬酯酸钡：金属皂类稳定剂，兼有润滑剂作用，相容性差，有多容易喷霜；硬酯酸铅：稳定剂兼润滑剂作用；邻苯二甲酸二辛酯30，癸二酸二辛酯 10，环氧大豆油5，氯化石蜡5：增塑剂；碳酸钙：填充剂；钛箐兰：颜料。3高分子材料进行配方设计的一般原则和步骤各是什么？答：配方设门必须满足以下基本原则：1)制品的性能要求；2)成型加工性能的要求；3)选用的原材料来源容易，产地较近，质量稳定可靠，价格合理；4)配方成本应在满足上述三条的前提下，尽量选用质量稳定可靠、价格低的原材料；必要时采用不同品种和价格的原材料复

29、配；适当加入填充剂，降低成本。配方设计的一般步骤为：1)在确定制品性能和用途的基础上，收集高分子化食物和添加剂等各种原材料的资料，初定产外形状、尺寸及各部件的作用及成型加工方法。如能利用已经建成的数据库，则资料将更充整，且获取时也更便捷。2)初选材料，并进行配方设计及试验，先可设计若干个配方，进行小样压片试验过性能测试初定合格的配方，再进行扩大试验，确定加工性能。3)依获得的材料性能数据或凭经验，进行结构设计(壁厚及其他尺寸)。4)制成实物模型，进行实样试验或模拟试验。5)再设计与再试验。如性能不合格，需再筛选配方。6)依模型试验相制品成本，进行最终选材和配方设计。7)材料规范化(原材料规格、牌号、产地、验收标淮、监测项目和监测方法等)。4配方有哪几种表示方法？各有何作用？ 答：配方的表示方法：常用以下两种方法表示配方。1、以高分子化合物为100份的配方表示法：即以高分子化合物质量为100份，其他组分则以相对于高分子化合物的质量份数表示，此法计量容易，应用广泛，适于工业生产，也是大多数科研论文和报告巾的配方表示方法。2、以混合料为100份的配方表示法即以高分子化合物及各种添加剂的混合料总质量为100份，各组分以质量分数表示。除此之外，还有： 1)以混合料体积为100份表示的配方。 当己知各种组分密