聚合物成型加工习题答案

高分子材料加工工艺、 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，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。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 10131018 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、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。近年来有了显著的发展，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：T f (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 TgTm？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 TgTm。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，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 Tg1 m)、微观分相型高分子共混物(其分散相的粒径在 0.11m 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。可除去自由基的来源，抑制或减缓引发反应。故这类