塑料的成型与加工笔记

放在前面的话:

[]聚合物的力学三态——可能max(与下面的图连一起考,注意反问)

聚合物的力学状态特点:

玻璃态(<Tg):键长、键角可动,整链不能运动,链段也不能运动

变形难,加工难,链段能运动

高弹态(Tg-Tf):整链不能运动,链段能运动,

易形变,但弹性大、保持形状难,可进行热成型和热拉伸

粘流态(>Tf):整链能运动

易获得形变和易通过冷却保持形变,可进行挤出、注射和模压

[]热机械特性与加工关系——可能max(有图,你填空)


不重要

模塑温度面积图

压力过高会引起溢料内应力增大;压力过低则充模不足造成缺料成型困难

温度过高会使制品收缩率增大,甚至引起聚合物的分解;

温度过低则物料粘度大流动困难,成型差

聚合物的可延性


[]不重要

[]聚合物拉伸时应力应变曲线——可能性max

试样在拉伸时,当应力超过弹性极限,即使应力不再增加,而试样仍继续发生明显的塑性形变,称此现象为屈服,而产生屈服现象时最小应力值即为屈服点

材料因不能承受应力的作用而破坏,对应的应力称为抗张强度或极限强度


[]不重要

[]粘弹性形变

压延成型:一次成型——推迟高弹形变&黏性形变

中空吹塑:二次成型——高弹形变


重要

*牛顿流体:(PPT请抄在这里)——知识点画出来的图的题

[]非牛顿流体分类及其分别特点

[]解释剪切变稀和剪切增稠现象的原因。(作业题)

答:剪切变稀:随着剪切速率和剪切力的增大,随着流动方向分子取向,分子取向程度变大,分子缠结程度变小,缠结点少,粘度下降。剪切增稠:悬浮液在高剪切速率下,颗粒之间相互耦合进入闭合的轨迹,形成粒子簇。此时粒子簇的颗粒浓度较大,当体系受到剪切,消耗的能量增大从而导致粘度上升。 (标准)

剪切变稀的原因:

①高分子链的严重不对称;

②流动单元不是单个分子,而是超分子群集体,剪切速率增加,尺寸变小,表观粘度减小

③大分子的缠结,形成大分子的物理交联点,受到破坏后使得表观粘度下降。

剪切增稠的原因:

静态时、流体勉强充满固体粒子之间的小空隙,当剪应力不大时,流体可在移动的固体粒子间充当润滑剂,表观粘度不高,但当剪应力增高时,固体粒子间的紧密堆砌就被破坏,整个体系显得有些膨胀,润滑作用受到限制,表观粘度就增大。如:聚氯乙烯糊及少数含有固体物质的聚合物熔体。


[]在宽广的剪切范围内聚合物流体的行为

第一牛顿区:低γ范围,零切粘度η。解释:①聚合物结构未改变,粘度为常数。②大分子热运动强烈,削弱了应变对应力的依赖性,粘度不改变。

非牛顿区:中等y范围(10~ 104秒-1),表观粘度η。切力变稀一假塑性流体 大分子解缠和滑移切力增稠膨 胀性流体固体含量大的悬浮液

第二牛顿区:高γ范围,极限粘度η。解释:①形变达到极限,粘度已到最低值。②大分子构像来不及适应y的改变,粘度保持常数。


[]重要

[]简述温度、压力、剪切速率或剪切应力、聚合物结构和组成对聚合物粘度的影响(知识点)

决定聚合物熔体粘度的两个主要方面:链间缠结增加——粘度增大;自由体积增加——粘度减少(核心)

温度:在粘流温度以上,热塑性聚合物熔体的粘度随温度升高而呈指数关系降低。

压力:压力增高,材料流动性下降,粘度上升。

剪切速率:在通常加工条件下,大多数聚合物熔体都表现为假塑性流动。所以,加工条件下,剪切速率或剪应力对聚合物熔体粘度的影响主要表现为“剪切变稀”。

聚合物结构和组成:1.聚合物分子量增大,不同链段偶然位移相互抵消的机会增多,因而分子链重心移动减慢,要完成流动过程就需要更长的时间和更多的能量,聚合物的粘度随分子量增加而增大。2.与分子量相当的线型聚合物相比,支化聚合物的粘度要低些。3.填充补强材料加入到高分子材料后都使体系粘度上升,弹性下降,硬度和模量增大、流动性变差。4.软化增塑剂的作用则是减弱物料内大分子链间的相互牵制,使体系粘度下降,非牛顿性减弱,流动性得以改善。5.无机惰性填料,填充到高分子材料中主要起增容积作用以降低成本。它的加入使体系粘度增大,流动性下降,并且体系存在屈服现象。6.一般认为,软化增塑剂加入后,可增大分子链之间的间距,起到稀释作用和屏蔽大分子中极性基团,减少分子链间相互作用力。7.溶剂能削弱聚合物分子间的作用力,使分子间距增大,缠结减少,体系粘度降低,流动性增大。

①温度:温度增大,粘度减小(温度增大、分子热运动加快、分子增幅增大、自由体积增大)

②压力:压力增大,粘度增大(压力增大、自由体积减少)

③剪切力和剪切速率:假塑性流体:剪切速率增大,粘度减小

④聚合物结构和组成:链结构和链的柔性:柔性越大、缠结点越多、非牛顿性越强 长支链支化使熔体粘度显著提高;分子量和分子量分布:分子量增大,粘度增大


流体的流动方式

外力分——压力流动、收敛流动、拖曳流动

[]牛顿液体在简单圆筒中的流动(感觉不考)

画图:

剪切力:(注意一下)

管中心处: 管壁处:

流速:(注意一下)

管中心处: 管壁处:

流动性形状:

牛顿流体——抛物线;膨胀流体——锥型;假塑性流体——柱塞型

宾汉流体——柱塞流动特征:原因:剪切力有梯度;宾汉流体大于屈服应力才能流动

PVCPP柱塞流动;PE无柱塞流动

[]重要

[]例子+流动(上课重点)

挤出线缆包覆:一维流动&拖曳流动

挤出机螺杆:二三维流动&压力流动+拖曳流动

收敛流动

①抑制性收敛流动(管变小):

②非抑制性收敛流动(拉伸流动):

影响因素:收敛角、拉伸应变速率、温度、压力、拉伸方式


[]弹性行为(重点max)

端末效应:管子进口与出口端这种与聚合物液体弹性行为有紧密联系的现象就称为端末效应,分别称为:入口效应和模口膨胀效应

入口效应:流体由大管进入小管内时,流动不再稳定,流体中各点速度在大小和方向上都随时发生变化,速度分布成一条直线,流体进入导管后必须经过一定距离,稳定流动才能形成,这种效应叫入口效应。

模口膨胀效应:在出口端,假塑性流体先收缩后有出现膨胀,而且膨胀至比导管直径还大,这种现象叫模口膨胀效应。

聚合物流体在入口段会产生压力降试分析造成压力将的原因。

入口端产生压力降的原因

(1)剪切速率的增大和流速增大造成: V小管↑→动能↑→△P↑

(2)拉伸形变引起:V小管↑→τ↑→形变↑→分子取向↑ →高弹形变↑ →能耗↑→ △P↑

简述离模膨胀机理及其影响因素。

(1)正应力(法向应力)差

剪应力相垂直的两直角坐标上的正应力存在差值,促使液体流出管口后发生垂直于流动方向的膨胀。

(2)大分子在流动过程中取向

大分子流动过程中的伸展取向而产生的剪切弹性应变,此高弹形变具有可逆性,离模后产生弹性回复。

液体流出管口时,液流的直径并不等于管了出口端直径,出现两种情况:对低粘度牛顿流体通常液流缩小变细;对粘弹性聚合物熔体,液流直径增大膨胀。后一种现象称为挤出物胀大。膨胀比Df/D (膨胀的最大直径与管子出口端直径之比)

离模膨胀效应的弹性行为原因

1)正应力(法向应力)差:剪应力相垂直的两直角坐标上的正应力存在差值,促使液体流出管口后发生垂直于流动方向的膨胀。

2)大分子在流动过程中取向:大分子流动过程中的伸展取向而产生的剪切弹性应变,此高弹形变具有可逆性,离模后产生弹性回复。

影响端末效应的原因:

Le和Df/D是关联的,一般来说Le越大,Df/D也越大,影响因素一-致。

1)分子量:Mn↑?Le或Df/D↑

2)分子量分布:分布窄?Le或Df/D↑

3)非牛顿性:n↓?Le或Df/D↑

4)弹性模量E或剪切模量:E或G↑?Le或Df/D↓

5)温度:T↑?Le或Df/D↓

6)剪切速率:τ↑?Le或Df/D↑

7)管道长径比:L/D↑?Le或Df/D↓

端末效应危害与预防

危害:注射、挤出、纺丝过程中,导致产品变形扭曲,降低制品尺寸稳定性,并注入内应力,降低产品机械性能。

预防:提高加工温度、适当减小剪切应力、增大L/D、对挤出物加以适当牵引


不怎么考区

[]稳定流动和熔体破裂现象

聚合物熔体在低剪切速率的流动条件下,各种因素引起的小的扰动容易受到抑制。

定义:聚合物熔体在高剪切速率时,液体中的扰动难以抑制并易发展成不稳定流动,引起液流破坏,这种现象称为“熔体破裂出现“熔体破裂”时的应力或剪切速率称为临界应力和临界剪切速率。

[]在成型加工过程中聚合物会发生一些物理化学变化,这些变化有时是有利的,有时是有善的,如:

结晶:定型,增强:内应力,翘曲

取向:增强;各向异性

降解:塑化;性能变差

交联:硫化,增强性能;有些不能再加工


[]温度对结晶的影响(可能性max)

T>Tm,热运动显著,难形成有序结构。不能结晶。VT<Tg,运动冻结,不能形成分子的重排,也不能结晶。结晶区为Tg<T<Tm.接近Tm,自由能高,晶孩不稳定,成核慢;接近Tg,链段冻结,生长慢。Vmax介于Tg~Tm间;

冷却速度的影响

缓冷过程:

骤冷: tc<tg,骤冷过程,冷却速度快

①链段重排困难——结晶度不高;结晶温度低——结晶不完善。

②骤冷甚至不结晶,体积松散,收缩性大。

③厚制品,各处冷却温度速度不同,微晶生成,内应力大。

如PP、PE、POM结晶能力强但Tg低,制品的尺寸稳定性不好。

缓冷:tc?tmax;

△t小,结晶速度缓慢,接近于静态结晶。温度高,晶粒大,制品发脆,力学性能差;同时冷却速度慢,生产周期长,冷却程度不均习,制品易变形。

中等冷却:tc略大于tg,t不很大, 中等冷却程度

表层和内部都在Tg以上,结晶速度快,成核生长较快,结晶度高,结晶较完善,结构稳定;生产效率高。

最佳tc: tg~tmax

其他影响:自己写下

熔融温度

应力

低分子物、固体杂质和链结构


[]哪个地方取向度高,为什么(表层处、中心处)

聚合物在成型加工过程中不可避免地会有不同程度的取向作用,而一种是聚合物熔体或浓溶液中大分子、链段或其中几何形状不对称的固体粒子在剪切流动时沿流动方向的流动取向;另一种是聚合物在受到外力拉伸时大分子链段或微晶等沿受力方向拉伸取向。如果取向只朝一个方向的就称为单轴职向,如果取向单元同时朝两个方向的就称为双轴取向。取向结构的分布规律

1.在垂直于流动方向上取向度有差异

在等温流动区域,由于管道截面积小,管壁附近剪切力大,故紧靠管壁附近的熔体中取向度高;

在非等温区域,模腔截面积大,熔体与温度很低的模壁接触而冷却冻结,故表层取向度稍低;次表层靠近冻结层. (表层)的熔体仍然流动,粘度高,流动速度梯度大,:取向度较大;中心模腔中的熔体速度梯度低,取向度低,又由于温度高,易解取向,最终取向度极低。

2.流动方向上职向度有差异

模腔中,熔体中的速度梯度沿流动方向降低,流动方向上分子的取向程度是逐渐减小的。

取向程度最大的不在浇口处,而在距浇口不远的位置上,因为熔体进入模腔后最先充满此处,有较长冷却时间,冻结层厚,分子在这里剪切作用最大,取向程度最高。因此挤出成型中,有效取向主要存在较早冷却的次表层。


[]加工过程中自由基链式降解&逐步降解的区别

类型

自由基式链式降解

逐步降解

条件

热、剪切力提供能量

高温条件下,H2O、酸碱等杂质

位置

c-c、c-o、c-h(易产生游离基)

c-n、c-o、c-s、c-si(键能弱)

机理

类似于自由基的反应

类似于缩聚过程

特点

反应速度快、中间产物不能分离,讲解速率与分子量无关

各步反应独立、中间产物稳定、断链机会随分子量增大而提高

分子量的影响

分子量大、抗张强度大、蠕变减少,抗弯曲强度减小,热变形温度增大,总的力学性能和热学性能增大

分子量增大,粘度增大,流动性减小,成品收缩率减小,加工性能下降

分子量分布的影响,宽:流动性好、易加工 弊:影响配合的均匀性,出现“生料”


成型物料的配置和橡胶组成一起学

[] 增塑剂的作用

利处:增加塑料的柔韧性、耐寒性;使塑料的玻璃化温度、熔点、软化温度或流动温度降低;粘度减小,流动性增加,从而改善了塑料的加工性能。

坏处:抗张强度下降,硬度下降,模量下降

1、增塑剂的作用

利处:增加塑料的柔韧性、耐寒性;使塑料的玻璃化温度、熔点、软化温度或流动温度降低;粘度减小,流动性增加,从而改善了塑料的加工性能。

坏处:抗张强度下降,硬度下降,模量下降

增塑剂的作用机理外增塑作用:分子间距和分子间作用力

非极性增塑剂:主要作用是通过聚合物-增塑剂间的溶剂化作用,增大分子距离,从而削弱它们之间的作用力。

极性增塑剂:极性聚合物——极性增塑剂的增塑作用不是由于填充作用,而是增塑剂中极性基团与聚合物分子的极性基团相互作用,代替了极性分子间的作用。同时,增塑剂的非极性基团把聚合物中极性基屏蔽起来,这也减弱了分子间的作用力

内增塑作用:如果用化学方法,在分子链.上引入其它取代基,或在分子链上或分子链中引入短的链段,从而降低了大分子间的吸引力,也可达到使刚性分子链变软和易于活动的目的,这种增塑称为内增塑。

[]混合的形式

混合过程有三类:混合、捏和、塑炼混合是指粉状固体物的混合

捏和是指液体和粉状(纤维状)固体物料的浸渍与混合

塑炼则指塑性物料与液体或固体物料的混合水混合过程一般是靠扩散、对流、剪切三种作用来完成的


[]橡胶配方体系(联系上面两个灰的复习下)(10分)

[]橡胶配方的体系普遍有哪些,简述每个体系在橡胶中的作用。

答:(1)生胶体系.天然橡胶、合成橡胶、再生胶,主要起到提供弹性的作用。(2)硫化体系. 硫化剂,在一定条件下使橡胶发生交联的物质。硫化促进剂,加快硫化速度、缩短硫化时间的物质,能起到减少硫化剂用量、降低硫化温度的作用。硫化活性剂,能够提高硫化促进剂活性的物质。(3)填充与增强体系. 提高橡胶力学性能,改善加工性能,降低成本。(4)软化增塑体系,降低橡胶分子间的作用力,使粉末状的配合剂能很好的与橡胶浸润,改善混炼性能.(5)防护体系,延缓橡胶老化,延长制品使用寿命

1、生胶体系;2、硫化体系;3、填充与增强体系;4、软化增塑体系;5、防护体系

生胶体系:(天然橡胶、合成橡胶、再生胶)提供弹性,连接物料

硫化体系:(硫化剂、硫化促进剂、硫化活性剂)

A硫化剂——在一定条件下使橡胶发生交联的物质——硫磺、含硫化合物、过氧化物、醌类化合物等

B.硫化促进剂——加快硫化速度、缩短硫化时间的物质,能起到减少碗化剂用量、降低硫化温度的作用——医唑类、秋兰姆类、次磺酰胺类等:

C.硫化活性剂——能够提高硫化促进剂活性的物质——氧化锌等;

填充与增强体系:提高橡胶力学性能,改善加工性能,降低成本:——炭黑、白炭黑、矿物材料

软化增塑体系:降低橡胶分子间的作用力,使粉末状的配合剂能很好的与橡胶浸润,改善混炼性能

防护体系:延缓橡胶老化,延长制品使用寿命

[]采用何种措施提高丁苯橡胶的耐应力开裂性能?并阐述原理。

(自己手写上!!)

答:丁苯橡胶分子链由软缎和硬段构成。其中硬段是由丁二烯1,2加成聚合和苯乙烯聚合而成,侧基有乙烯基和苯基,导致分子链位阻效应大,分子链松弛速度降低,易使制品应力开裂。


[]塑化

①塑化:是指塑料在料筒内经加热达到流动状态并具有良好的可塑性的全过程。

②决定塑化质量的因素:(1)物料的受热情况:料筒对塑料的加热;(2)所受到的剪切作用:机械力强化混合和塑化,摩擦热。

③对塑化的要求:(1)塑料熔体在进入模腔之前要充分塑化;既要达到规定的成型温度又要使塑化料各处的温度尽量均匀一致,使热分解物的含量达最小值。(2)提供上述质量的足够的熔融塑料以保证生产连续而顺利地进行。总之:与塑料的特性、工艺条件的控制、注射机塑化装置的结构有关。

[]塑料的一次成型与二次成型

1、一次成型:

塑料配料?加热(Tm或Tf以上)?粘流态流动、成型和冷却硬化(或交联固化)?所需形状

2、二次成型:

一次成型塑料成品?加热(Tg~Tm或Tf之间)类橡胶态?通过外力作用?形变?简单形状冷却定型?产品


[]超级重点

[]重点必考题:

挤出成型概念:

也称挤压模塑或挤塑,即借助螺杆或柱塞的挤压作用,使受热熔化(或溶解)的塑料在压力推动下,强行通过口模而成为具有恒定截面的连续型材的一种成型方法。

应用范围:能成型所有热塑性塑料和某些热固性塑料。

②螺杆——关键部件,直接关系到挤出机的应用范围和生产率

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