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材料加工工程I 复习提要一、 分子材料基本概念1、 高分子材料的基本概念及其分类；2、常用高分子材料的英文缩写；高分子材料是以高分子化合物为基体组分的材料(以高分子化合物为主要成分，经化学处理和机械加工而成的有机材料）；分类：按高分子的来源：天然高分子/合成高分子；按化学组成：有机高分子材料/无机高分子材料；按材料的性能：通用高分子材料/新型高分子材料。PE/PP/PS/PMMA/PA66/PA6/POM/PI/PU/PC/PET/PBT/PTT/ABS/NBR/PBD/PVC/PVA/二、高聚物流体的流变性P.1351、什么是零切粘度，极限粘度，表观粘度，拉伸粘度？零切粘度：当剪切速率趋近于零时，非牛顿指数为1，剪切应力与剪切速率呈线性关系，表观粘度与剪切速率无关，流体流动性质与牛顿流体相仿，粘度趋于常数，称零切黏度；极限粘度：当提高剪切速率趋于无穷大时，流体又表现为牛顿流动，相应的粘度成为极限牛顿黏度；表观粘度：在剪切应力与剪切速率的流动曲线上，从原点连接曲线上任意一点的直线的斜率即为表观粘度；拉伸粘度：在拉伸流动中，当聚合物熔体从任何形式的管道中流出，垂直于流动方向的聚合物横断面积上所承受的拉伸应力与拉伸应变速率的比值称为拉伸黏度。2、 哪些因素影响聚合物流体的流动性能？链结构的影响：聚合物分子链柔性越大，缠结点越多，链的解缠和滑移越困难，聚合物流动时非牛顿性越强；当聚合物具有较短的支链时，聚合物的表观粘度低于具有相同相对分子质量的直链聚合物的表观粘度，支链长度增加，表观粘度随之上升，当支链长度增加到一定值时，表观粘度将急剧升高；相对分子质量的影响：相对分子质量增大，不同链段偶然位移抵消的机会增多，因此分子链重心转移减慢，要完成流动过程就需要更长的时间和更多的能量，所以高聚物的相对分子质量增大，其表观粘度增加；相对分子质量分布宽度的影响：（1）聚合物熔体的粘度岁相对分子质量分布宽度的增加而迅速下降，流动性及加工行为改善，因为此时分子链发生相对滑移的温度范围变宽，尤其低分子量级分起到增塑作用，使物料开始发生流动的温度跌落；（2）相对分子质量分布宽的试样，其非牛顿流变性较为显著。温度的影响：温度上升，分子热运动加剧，分子间距增大，较多的能量使材料内部形成更多的自由体积，使链段更易于活动，分子间的相互作用减小，粘度下降。聚合物溶液浓度对粘度的影响：聚合物浓度影响零切黏度，浓度越大，零切黏度越高（与浓度的3.4次方成正比）；浓度越高，非牛顿性越显著。对刚性链聚合物：a.在浓度较低的范围内，粘度随浓度的增大而增大（可看作时各向同性的聚合物浓溶液）；b.当粘度提高到极限浓度时（体系中形成交缠的网络结构），聚合物粘度达到最大值，继续增加浓度，粘度随浓度的提高而急剧下降（各向异性聚合物浓溶液，在流动中沿剪切力方向取向），下降至一定程度后，粘度又重新随浓度的增加而上升（大分子链发生高度聚集）。 3、 聚合物流体有几种流动类型？切力变稀流体随g增加粘度下降的原因是什么？有二种流动类型。牛顿流体；非牛顿流体：假塑性流体（即切力变稀流体）；胀塑性流体（即切力增稠流体）；宾汉流体；有二种流动类型，牛顿流体，非牛顿流体(切力变稀 切力增稠 宾哈姆流体) ；原因：大分子链间发生的缠结。位相几何缠绕作用和分子间力引起的键和作用。随着剪切应力增加，部分缠结点被拆除。缠结点浓度的下降相应的使表观粘度下降。链段的取向。当剪切速率增大时，缠结点间链段中的应力来不及松弛，链段在流场中发生取向。链段取向效应导致大分子链在流层间传递动量的能力减小，因而流层间的牵拽力也随之减小，表现为表观粘度下降。对于聚合物浓溶液来说，剪切应力增加时，大分子链发生脱溶剂化，使大分子链的有效尺寸变小，引起粘度下降。4、 聚合物流体有哪些弹性表现? 聚合物弹性的本质是什么？弹性表现：弹性回缩、蠕变松弛、孔口胀大效应、爬杆效应、剩余压力现象、孔道的虚构长度。本质：大分子在应力作用下构象熵减小，外力解除后，聚合物大分子会自动恢复至熵的最大平衡构象上来，因而表现出弹性回复。聚合物弹性的本质是熵弹性。5、 加工条件如何影响聚合物的弹性？（1） 温度的影响 升温有利于弛豫过程的进行，提高温度可明显降低熔体的挤出胀大效应。减小弹性表现程度；（2）浓度的影响 随浓度的升高，聚合物溶液出现显著的非牛顿性和法向应力效应，浓度越高，溶液弹性越突出；（3） 剪切速度的影响：剪切速率越大，流体入口压力降、法向压力差及长大比越大；（4）流动的几何条件影响：入口区形状决定了大部分弹性能储存。喷丝孔直径增大，挤出长大比明显减小，弹性效应明显减弱。毛细孔 长径比越大，流涕在喷丝孔中停留的时间越长，越有利于松弛过程的完成，其弹性表现较小。三、混合1、何为分散混合?混合的目的是什么? 分散混合：分散混合发生在固-液之间或液-液之间，它是减小分散相粒子尺寸，同时提高组分均匀性的过程，即粒子既有粒度的变化又有位置的变化。或将固体颗粒或结块的物料，加到聚合物中，以及降粘弹聚合物液滴混合到聚合物熔体中，这时要将他们分散开来，使结块和液滴破裂。 混合的目的：把少组分的颗粒和液相分散开来，成为最终粒子或液滴，并均匀的分布到多组分中。2、 掌握混合过程的三种基本运动形式。（1）分子扩散。分子扩散是由浓度(化学势能)梯度驱使自发地发生的一种过程，各组分的微粒子由浓度较大的区域迁移到浓度较小的区域，从而达到各组分的均化；（2）涡旋扩散。即紊流扩散。在聚合物加工中，由于物料的运动速度达不到紊流，而且粘度又高，固很少发生涡流扩散；（3）体积扩散。即对流扩散，指流体质点、液滴或固体粒子由系统的一个空间向另一个空间位置的运动，或两种以及多种组分在相互占有的空间内发生运动，以期达到各组分的均布。3 混合过程三要素压缩/剪切/分配置换 4、 高聚物流体的层流混合分几种?哪种混合更好些?为什么?（P54-P55）分二种：流变性均匀的层流混合；流变性非均匀的层流混合四、学纤维成型原理1、名词术语解释： 纺丝线 纺程 纺丝 可纺性 纺丝线:对纺丝流体挤出细流和固化初生纤维的总称。纺程:从喷丝板到卷绕点之间的距离。纺丝：是将成纤聚合物的熔体或浓溶液用纺丝泵（或称计量泵）连续定量而均匀地从喷丝头的毛细孔中挤出，从而成为液态细流，再在空气/水或特定的凝固浴中固化成初生纤维的过程。（纺丝液体以一定的流量从喷丝孔挤出，固化而成为纤维的过程。）可纺性：指流体承受稳定的拉伸操作所具有的形变能力。即流体在拉伸作用下形成细长丝条的能力。2、 纺丝过程有哪些基本规律?（1）在纺丝线的任何一点上，聚合物的流动是稳态的和连续的；（2）纺丝线上的主要成型区域内，占支配地位的形变是单轴拉伸；（3）纺丝过程是一个状态参数（温度，应力，组成）连续变化的非平衡态动力学过程；（4）纺丝动力学包括几个同时进行并相互联系的单元过程。3、试述纺丝线上的各种轴向力的物理意义,以熔纺为例。Fr (x) = Fr(0) + Fs + Fi + FfFgFg:重力场对纺丝线的作用力；Fs：纺丝线在纺程中需克服的表面张力； Fi：使纺丝线作轴向加速运动所需克服的惯性力；Ff：空气对运动着的纺丝线表面所产生的摩擦阻力；Fr (x)：x处纱条所受到的流变阻力。4、 纺丝过程的分子取向机理及发展。（1）处于熔体状态下的流动取向机理（2）纤维固化之后的形变取向机理发展：取向度沿纺程分布。流动形变区（在喷丝板下070cm的范围内），结晶取向区（在喷丝板下70130cm），塑性形变区（始于接近固化的末端，距离喷丝板大约130cm）。纺丝过程的分子取向发展：对于像PET这类在纺程上基本不结晶的聚合物，可以在很宽的纺速范围内充分发展卷绕丝取向。所以可以通过高速纺丝制取POY(预取向丝)/FOY（全取向丝）。流动形变区，双折射率略有增加；结晶取向区，双折射率迅速增加；塑性形变区，双折射率达到饱和值。像PP在纺程上易结晶的聚合物，其结晶度在纺程上发展很快，从而使卷绕丝除发生液态的分子取向外，还发生微晶取向，因此，双折射很快达到饱和值。由于纺程上的应力水平不足以结晶聚合物进一步取向，因此继续提高纺速，双折射变化缓慢。显然，其高速纺丝效果不如PET显著。 5、 试述影响熔体纺丝初生纤维冷却长度Lk的影响因素。 Lk受冷却吹风时的传热系数、环境介质温度Ts、熔体的等压热容Cp、丝条直径d、丝条速度v、熔体的挤出温度T0等因素的影响，其中的影响最大，一般增大一倍，Lk减少一半。6、 纺丝线上的速度，速度梯度，拉伸黏度及直径的常规分布是怎样的? 初生纤维结构主要在何处形成? 丝条的加速运动并不是均匀的，再加上对挤出胀大区的考虑，在出口直径最大的截面之前，运动是减速的，经过最大直径以后又逐步加速，到固化后速度基本上维持恒定。一区，挤出胀大区(离喷丝板不超过10mm)，由于体积膨化，轴向速度梯度为负值，在细流最大直径处，轴向速度梯度为零；二区（形变细化区,长度通常为50150cm）在张力作用下，细流被拉长变细，速度沿纺程变化常呈S形曲线，由拐点分为a区和b区，在a区，轴向速度梯度为正值，在b区，轴向速度梯度为负值；三区()，以固化为初生纤维，不再有明显的流动发生。纤维不再细化，速度保持不变。初生纤维结构主要在二区（形变细化区）形成。五、纤维拉伸与热定型1、常用的拉伸方法有几种? 干拉伸：室温拉伸适用于玻璃化转变温度在室温附近的初生纤维；热拉伸适用于分解温度较高，拉伸应力较大或较粗的纤维，通过加热使纤维的温度升到玻璃化转变温度以上；蒸汽浴拉伸：由于加热和水分子的增塑作用，使纤维的拉伸应力有较大的下降；湿拉伸。 2、 PA6与PET长丝拉伸方法有何不同？为什么？PA6是室温拉伸，因为它的玻璃化温度低，结晶度低。PET是热拉伸，因为它的玻璃化温度高，结晶度低。3、 何谓细颈拉伸、冷拉伸、均匀拉伸? 细颈拉伸：处于不可拉伸与均匀拉伸之间的拉伸温度区域的拉伸；均匀拉伸：拉伸温度较高，达到细颈现象消失的程度，拉伸时不出现应力集中；冷拉伸：具有c型应力应变曲线的拉伸过程。a型：模量E随着应变的发展而减小，即当纤维克服了屈服应力而开始塑性形变时，就立即断裂；b型：模量随着应力的增大而增大，纤维在拉伸过程中发生自增强作用；c型:在小形变区内，即1时，形变是均匀且可逆的，相当于弹性形变；在12时，形变又是均匀的，拉伸应力逐渐增大，而形变也随之增大，直至断裂。4、 用蠕变方程解释纤维在拉伸中的形变机理。普弾形变：瞬间发生，是大分子主链的键角和键长受力后发生的形变。形变与应力同相位，形变能马上回复；弹性模量很大，形变值很小高弹形变：大分子链在应力作用下，由卷曲构象转化为伸展构象的宏观表现。形变滞后于应力，有明显的时间依赖性，是一种松弛过程。模量较小，形变量大。塑性形变：聚合物在外力作用下，大分子链间产生相对滑移的宏观表现。形变是完全不可回复的。5、 定长热定型与松弛热定型的结构以及性能的影响有何不同？A.热定型过程中纤维结构变化（1）结晶度的变化：定长热定型所得纤维的结晶度保持不变或比松弛热定型增加的较慢；（2）微晶尺寸和晶格结构的变化：松弛热定型一般会增大微晶的尺寸，特别是垂直于纤维取向方向上的尺寸；在张力下热定型时，平行于纤维取向方向上的微晶尺寸会大为增大，而垂直于纤维取向轴的尺寸只是略微增大，张力大时尺寸可能减小。（3）取向度的变化：在张力热定型下双折射保持不变或有所增大，而松弛热定型时，双折射随温度的增加而明显下降；（4）纤维的长周期和链折叠：纤维的长周期随着热定型温度的升高而增大；纤维有规折叠链的数目随温度升高有所增加，松弛热定型增加最快，定长型热定型次之。B.热定型对纤维物理-机械性质影响（1）热定型的温度/张力对纤维应力-应变行为的影响松弛热定时，随着定型温度的提高，纤维的断裂伸长有所增大，断裂强度，屈服应力和初始模量有所减少，断裂功有所增大