材料成型加工复习资料

第一章 绪论1.“高分子材料”的定义。 高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料，是从应用的角度对高分子进行形的归类如，塑料、橡胶、纤维、涂料、黏合剂等。2.高分子材料成型加工的定义。 高分子材料（由高分子化合物和添加剂组成）是通过成型加工工艺得到具有实用性的材料或制品过程的工程技术。从高分子材料成型加工的工艺过程方面考虑，高分子材料的成型加工进一步定义为，要求通过共混、反应及分子组装等聚合物加工方法获得新的性能及功能，要求利用外场、温度、时间等组合控制材料非平衡态结构以获得特殊性能及功能。3.高分子材料工程特征的含义。 一方面，高分子材料结构上的特殊性，使得其性能是可变的，因此高分子材料成型加工方法具有多样性。即同样的高分子材料，通过不同的成型加工过程（包括加工工艺条件），制得高分子材料制品的性能是不一样的。另一方面，高分子材料的制品的性能决定于材料本身及成型过程中产生的附加性质，这些附加性质有些要加以利用，有些要进行限制。因此，高分子材料的成型加工方法具有多样性。 第二章 高分子材料学1分别区分“通用塑料”和“工程塑料”，“热塑性塑料”和“热固性塑料”，并请各举23例。 通用塑料：一般指产量大、用途广、成型性好、价廉的塑料。通用塑料有：PE，PP，PVC，PS等； 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、耐腐蚀等，可代替金属用作结构件的塑料。工程塑料有：PA，PET，PBT，POM等；工程塑料是指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料，是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。日本业界将它定义为“可以做为构造用及机械零件用的高性能塑料，耐热性在100以上，主要运用在工业上”。 热塑性塑料：加热时变软以至流动，冷却变硬，这种过程是可逆的，可以反复进行。聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚砜、聚苯醚，氯化聚醚等都是热塑性塑料。(热塑性塑料中树脂分子链都是线型或带支链的结构，分子链之间无化学键产生，加热时软化流动、冷却变硬的过程是物理变化；) 热固性塑料：第一次加热时可以软化流动，加热到一定温度，产生化学反应一交链固化而变硬，这种变化是不可逆的，此后，再次加热时，已不能再变软流动了。正是借助这种特性进行成型加工，利用第一次加热时的塑化流动，在压力下充满型腔，进而固化成为确定形状和尺寸的制品。这种材料称为热固性塑料。(热固性塑料的树脂固化前是线型或带支链的，固化后分子链之间形成化学键，成为三维的网状结构，不仅不能再熔触，在溶剂中也不能溶解。)酚醛、脲醛、三聚氰胺甲醛、不饱和聚酯、有机硅等塑料，都是热固性塑料。 2什么是聚合物的结晶和取向？它们有何不同？研究结晶和取向对高分子材料加工有何实际意义？ 聚合物的结晶： 高聚物发生的分子链在三维空间形成局部区域、 高度有序排列的过程。 聚合物的取向：聚合物在成型加工时，受到剪切和拉伸力的作用，聚合物分子链和结构单元按特定方向排列。 不同之处：（1） 高分子的结晶属于高分子的一个物理特性， 不是所有的高聚物都会结晶，而所有的高聚物都可以在合适的条件下发生取向。（2） 结晶是某些局部区域内分子链在三维空间的规整排列，而取向一般是在一定程度上的一维或二维有序，是在外力作用下整个分子链沿特定方向发生较为规整排列。（3）结晶是在分子链内部和分子链之间的相互作用下发生的，外部作用也可以对结晶产生一定的影响；取向一般是在外力作用和环境中发生的，没有外力的作用，取向一般不会内部产生。（4）结晶主要发生在 TgTm 范围内，而取向可以发生在 Tg 或 Tm 以上的任何温度（热拉伸或流动取向），也可以在室温下进行冷拉伸获得。（5） 结晶单元为高分子链和链段，而取向单元还可以是微晶(晶粒)。 结晶是结晶性高聚物加工成型过程中必然经历的过程，结晶直接影响到聚合物的成型加工和制品的性能。聚合物结晶结构的形成如下因素有关（1）熔融温度和熔融时间，熔融温度越高，熔融时间长，则残存的晶核少，熔体冷却时主要以均向成核形成晶核，故结晶速度慢，结晶尺寸大；反之，熔融温度越低，熔融时间短，则残存的晶核，熔体冷却时会引起异相成核作用，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。（2）成形压力；（3）冷却速度越快，结晶度越小；冷却速度慢，结晶度高，球晶尺寸大。因此，应按所需制品的性能要求，选择合适的成型工艺，控制不同的结晶度。 取向是聚合物在加工过程中或者加工后处理阶段形成，包括流动取向和拉伸取向。流动取向受成型制品各部位流动速度差异和各部位温度的影响，在成型件管壁到中心的取向不同，同时其还受制品形状尺寸、浇口位置等因素的影响。结晶聚合物和非聚合物均产生取向， 非晶态高聚物的取向，包括链段的取向和大分子链的取向两部分，结晶态高分子的取向包括晶区的取向和非晶区的取向，晶区的取向发展很快，非晶区取向发展较慢，晶区取向达到最大值时，其才达到中等程度。高分子材料取向后，拉伸强度、弹性模量、冲击强度、透气性等增加。单轴拉伸时，取向方向的强度增加，垂直取向方向强度减小。流动取向后纵向力学强度为横向的1-2.9倍，冲击强度可提高8倍。结晶性聚合物拉伸取向后，结晶度增加，玻璃化温度上升，对高度取向和高结晶度的聚合物，玻璃化温度约升高25 。3请说出晶态与非晶态聚合物的熔融加工温度范围，并讨论两者作为材料的耐热性好坏。 晶态聚合物：TmTd；非晶态聚合物：TfTd。对于作为塑料使用的高聚物来说，在不结晶或结晶度低时，最高使用温度是Tg，当结晶度增大时，晶区互相连接，形成贯穿整个材料的连续相，因此在Tg以上仍不会软化，其最高使用温度可提高到结晶熔点Tm。聚合物结晶，分子链成有序排列，聚合物体积收缩、密度增加，意味着分子链之间吸引力增加，聚合物的力学性能和热性能等相应提高。，因此，晶态聚合物耐热性更好。4为什么聚合物的结晶温度范围是TgTm？ 聚合物的结晶过程由成核速率和扩散速率两个因素控制，TTm分子热运动自由能大于内能，难以形成有序结构，即难于成核，而T交联倾向，一般经过预热的物料可使用较低的模压压力。6在高分子材料成型加工中，哪些地方要求交联？交联能赋予高聚物制品哪些性能？ 未硫化的橡胶 Tg 在室温以下，常温下发黏，强度很低，基本无使用价值。通过硫化(交联)， 才能使用。 酚醛树脂、氨基树脂、环氧树脂、不饱和聚酯等是具有活性官能团的低分子量的齐聚物，也只有通过交联，才能充分发挥它们的特性。 在聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯等泡沫塑料生产中，交联也是极为重要的工艺技术，交联有助于提高泡孔壁的强度。 交联后的性能取决于交联密度。交联密度高，相邻交联点之间相对分子质量小，链段活动性受到限制， Tg 随之增高。交联改善了高分子材料的力学性能、耐热性能、化学稳定性能和使用性能。7.试述天然橡胶以硫磺硫化后的制品大分子结构特征。 硫化后，橡胶大分子结构中各部位已程度不同地形成了网状结构，大分子链之间有主价键力的作用，使大分子链的相对运动受到一定的限制，在外力作用下，不易发生较大的位移，变形减小，强度增大，失去可溶性，只能有限溶胀。8试述橡胶硫化后的物理性能的变化，并解释之。 天然橡胶在硫化过程中，随着线型大分子逐渐变为网状结构，可塑性减小，拉伸强度、定伸强度、硬度、弹性增加，而伸长率、永久变形、疲劳生热等相应减小，但若继续硫化，则出现拉伸强度、弹性逐渐下降，伸长率、永久变形反而会上升的现象。这些现象都是线形大分子转变为网状结构的特征。9生胶和硫化胶在分子结构及性能上有何不同？ 硫化前：结构：线性大分子，分子与分子之间无价键力；性能：可塑性大，伸长率高，具可溶性。 硫化后：结构： 1）化学键； 2）交联键的位置； 3）交联程度； 4）交联性能： 1）力学性能（定伸强度、硬度、拉伸强度、伸长率、弹性）；2）物理性能； 3）化学稳定性10橡胶的硫化历程分为几个阶段？各阶段的实质和意义是什么？ （ 1）焦烧期硫化起步阶段， 是指橡胶在硫化开始前的延迟作用时间，在此阶段胶料尚未开始交联，胶料在模型内有良好的流动性。 （ 对于模型硫化制品，胶料的流动、 充模必须在此阶段完成，否则就发生焦烧出现制品花纹不清，缺胶等缺陷。 ）意义： 焦烧期的长短决定了胶料的焦烧性及操作安全性。这一阶段的长短取决于配合剂的种类和数量。 （ 2）欠硫期预硫阶段， 焦烧期以后橡胶开始交联的阶段。在此阶段，随着交联反应的进行，橡胶的交联程度逐渐增加，并形成网状结构橡胶的物理机械性能逐渐上升，但尚未达到预期的水平但有些性能如抗撕裂性、耐磨性等却优于正硫化阶段时的胶料。意义： 预硫时间的长短反映了硫化反应速度的快慢（ ，主要取决于配方） 。 （ 3）正硫期正硫化阶段，正硫化是胶料的各项性能在一个阶段基本上保持恒定或变化很少，也称硫化平坦期。意义： 这个阶段橡胶的综合性能最好，是选取正硫化时间的范围。 （ 硫化平坦期的宽窄取决于：配方、温度等） （ 4）过硫期过硫阶段， 橡胶的交联反应达到一定的程度，此时的各项物理机械性能均达到或接近最佳值，其综合性能最佳。此时交联键发生重排、裂解等反应。意义： 过硫阶段的性能变化情况反映了硫化平坦期的长短，不仅表明了胶料热稳定性的高低，而且对硫化工艺的安全性及制品硫化质量有直接影响。11橡胶制品生产过程中，残余焦烧时间的长短与橡胶制品的类型有什么关系？ 不同的硫化方法和制品，对焦烧时间的长短亦有不同要求。在硫化模压制品时，总是希望有较长的焦烧期，使胶料有充分时间在模型内进行流动，而不致使制品出现花纹不清晰或缺胶等缺陷。在非模型硫化中，则应要求硫化起步应尽可能早一些，因为胶料起步快而迅速变硬，有利于防止制品因受热变软而发生变形。不过在大多数情况下，仍希望有较长的焦烧时间以保证操作的安全性。12何谓返原性胶料和非返原性胶料？ 天然橡胶等主链为线形大分子结构， 在过硫阶段中断链多于交联， 机械性能下降， 这种胶料称为返原性胶料；大部分合成橡胶，如丁苯、 丁腈橡胶， 在过硫阶段中易产生氧化支化反应和环化结构，胶料的物理机械性能变化很小，甚至保持恒定，这种胶料称为非返原性胶料。13何谓硫化三要素？对硫化三要素控制不当会造成什么后果？ 硫化三要素是指硫化的压力、温度和时间。 模型硫化时必须施以压力。 压力过低，胶料流动性差，不能充满模腔，制品容易产生泡，胶料不够致密，机械性能下降；但过高压力对橡胶的性能也不利，高压会对橡胶分子链的热降解有加速作用；对于含纤维织物的胶料，高压会使织物材料的结构被破坏，导致耐屈挠性能下降。 硫化温度是橡胶发生成化反应的基本条件，它直接影响硫化速度和产品质量。硫化温度太高，硫化速度太快，胶料刚受热即交联而流动性下降，得不到所需要的产品，且高温易引起橡胶分子链裂解，乃至发生硫化返原现象，结果导致强伸性能下降；反之， 硫化温度低，硫化速度慢，生产效率低，直至不硫化。 在一定的硫化温度和压力下，橡胶有一最适宜的硫化时间，时间太长则过硫，时间太短则欠硫，对产品性能都不利14何谓正硫化和正硫化时间？正硫化时间的测定方法有哪几种？各有何特点？ 正硫化是胶料的各项性能在一个阶段基本上保持恒定或变化很少，也称硫化平坦期。理论正硫化： 从硫化反应动力学原理来说， 正硫化应是胶料达到最大交联密度时的硫化状态，正硫化时间应由胶料达到最大交联密度所需的时间来确定比较合理。 工艺正硫化： 橡胶处在正硫化时，其物理机械性能或综合性能达到最佳值，预硫或过硫阶段胶料性能均不好。达到正硫化所需的时间为正硫化时间，而正硫化是一个阶段。 在实际应用中是根据某些主要性能指标(与交联密度成正比)来选择最佳点，确定正硫化时间（ 1）物理机械法 麻烦，不经济；（ 2）化学法 简单、方便，但误差较大，适应性不广，有一定限制， 不适于非硫黄硫化的胶料；（ 3） 专用仪器法 不仅具有方便、精确、经济、快速和重现性好等优点，并且能够连续测定与加工性能和硫化性能等有关的参数而且只需进行一次试验即可得到完整的硫化曲线。15某一胶料的硫化温度系数为 2，当硫化温度为 137时，测出其硫化时间为 80min，若将硫化温度提高到 143，求该胶料达正硫化所需要的时间？上述胶料的硫化温度时间缩短到 60min 时，求所选取的硫化温度是多少？解：依据范特霍夫方程已知K=2，令T1=137，t1=80min，T2=143，代入上式t2=若上述胶料的硫化温度时间缩短到60min，则由范特霍夫方程得 T2=14116某胶料的硫化温度系数为 2，在实验室中用试片测定，当硫化温度为 143时，硫化平坦时间为 2080min，该胶料在 140下于模型中硫化了 70min，问是否达到正硫化? 解：已知K=2,T2=143，硫化强度由可知，在硫化平坦时间 2080min范围内的硫化效应范围为 由于同一种胶料要在不同硫化条件下制得具有相同性能的硫化胶，就应使它们的硫化效应相同。因此，在140模型硫化70min计算的硫化效应应在E20 和E80之间 由于 E20 E70 E80 所以该胶料已达正硫化17绘出增强热固性塑料层压板成型时热压过程五个时期的温度和压力与时间的关系曲线，并说明各时期的温度和压力在成型中的作用。第八章 挤出成型1.挤出机螺杆在结构上为何分段？分段的根据是什么？因为挤出成型时，螺杆的运转产生输送物料、传热塑化物料、混合均化物料三种作用。螺杆对物料所产生的作用在螺杆全长范围内的各段是不同的。根据物料在螺杆中的温度、压力、 黏度等的变化特征，可将螺杆分为加料段、压缩段和均化段三段。2挤出螺杆一般分为哪几段？每段各有什么作用？对于晶态塑料的挤出成型， 应选择何种螺杆？其 L2 的长度有何特征，为什么？螺杆分为加料段、压缩段和均化段三段。加料段：对料斗送来的塑料进行加热，同时输送到压缩段。塑料在该段始终保持固体状态。压缩段：又叫相迁移段，对加料段送来的物料起挤压和剪切作用，螺杆与料筒配合使物料接触传热面不断更新，在料筒的外加热和螺杆摩擦作用下，固体物料逐渐软化、熔融为黏流态。同时赶走塑料中的空气及其他挥发成分，增大塑料的密度，塑料通过压缩段后，能够成为完全塑化的黏流状态。均化段：又叫计量段，起作用是塑化均匀的熔融物料在均化段螺杆与料筒和机头相配合所产生的强大剪切作用和回压作用下进一步搅拌塑化混合均匀，并定量定压地通过机头口模进行挤出成型。结晶型塑料（聚合物），应选择突变型螺杆。结晶型塑料，熔化温度范围较窄，压缩段较短，L2为35Ds，某些熔化温度很窄的结晶型塑料，如PA等，其压缩段更短，甚至仅为一个螺距的长度。3什么叫压缩比？ 挤出机螺杆设计中的压缩比根据什么来确定？螺杆的压缩比是指螺杆加料段第一个螺槽的容积与均化段最后一个螺槽的容积之比，它表示塑料通过螺杆的全过程被压缩的程度。压缩比一般在25之间，其大小取决于挤出塑料的种类和形态，粉状塑料的相对密度小，夹带空气多，其压缩比应大于粒状塑料。4什么是挤出机螺杆的长径比？长径比的大小对塑料挤出成型有什么影响？长径比太大又会造成什么后果？挤出机螺杆的长径比是指螺杆工作部分的有效长度 L 与直径 Ds 之比，此值通常为1525，近