纤维生产原理聚合物加工的理论基础解析

纤维生产原理聚合物加工的理论基础解析第1页/共24页第二篇纤维生产的理论基础本章主要内容：聚合物材料的加工性及其与加工条件的关系；聚合物熔体的流变行为，影响聚合物流变行为的主要因素。重点、难点：聚合物流变性与加工条件的关系影响聚合物流变行为的主要因素。第一章聚合物的加工性质和流变性质第2页/共24页第一节聚合物材料的加工性一、聚合物的结构特点和力学性质玻璃态：T<Tg（结晶聚合物为结晶态）高弹态：Tg～Tf（Tm）

粘流态：T>Tf（Tm）

三种物理状态：聚合物加工性质：可挤压性、可模塑性、可纺性、可延性。1、聚合物的结构及其在加工过程中变化聚合物在加工过程所表的许多性质和行为都与聚合物的长链结构和缠结以及聚集态所处的力学状态有关。第3页/共24页聚合物从一种聚集态→另一种聚集态的影响因素：（1）聚合物的分子结构；（2）聚合物体系的组成；（3）聚合物所受应力；（4）环境温度；当聚合物组成一定时，在一定外力作用下，聚集态的转变主要与温度有关聚合物聚集态不同主价键次价键内聚能不同性能不同聚合物对加工技术的适用性不同第4页/共24页(1)玻璃态（Tb<T

<Tg）聚合物为坚硬固体聚合物的主价键和次价键形成的内聚能，使材料具有相当大的力学强度。外力作用下，大分子链上仅键长、键角发生形变，形变极小。不易大变形加工，只能进行机械加工。非晶态的塑料和纤维在此温度范围内可以应用。2、线性聚合物聚集态与加工方法的关系第5页/共24页(2)高弹态(Tg<T

<Tf)

聚合物为类橡胶状弹性体模量变小，形变能力显著增强，但仍可逆。非晶聚合物：在Tg-Tf温度区间近Tf侧，强力成型，Tg以下使用。结晶聚合物：Tg-Tm之间拉伸成型第6页/共24页(3)粘流态

Tf/

Tm<T

<

Td聚合物为熔体整个大分子能移动，呈塑性，模量最低，较小外力能引起宏观移动，形变不可逆。在Tf以上不高的温度，为类橡胶流动行为，可压延、挤出和吹塑成型等。比Tf更高温度，模量降到最低值，形变主要是不可逆的粘性形变，冷却能将形变永久保持下来，常用来熔纺、注射、挤出、吹塑和贴合等。当Td<T时易引起聚合物分解，降低产品的物理机械性能.第7页/共24页二、高分子材料的加工性（1）定义：指聚合物通过挤压作用形变时获得形状和保持形状的能力。（2）可挤压性特点及影响因素聚合物处于粘流态时才能通过挤压获得形变。挤压过程中，聚合物熔体主要受剪切作用--可挤压性主要取决于熔体的剪切粘度和拉伸粘度。大多数聚合物熔体的粘度随剪切力或剪切速率增大而降低。挤压性质与聚合物的流变性、熔融指数和流动速率密切有关。挤压过程聚合物熔体的流动速率随压力增大而增加，1、聚合物的可挤压性第8页/共24页毛细管直径：d=1.05毫米，L/d=4.75图PP在不同温度下的流动速率在同一温度下，压力增大，流动速率增大；在同一压力下，温度升高，流动速率增大

第9页/共24页熔融指数：在一定压力（通常是2160克）和一定温度下，10分钟内聚合物从出料孔挤出的重量。又称为熔体流动指数，简写为[MI]或[MFR]。用来评价热塑性聚合物挤压性的一种简单而实用的方法。用熔融指数仪测定。（3）可挤出性测定与表征

此仪器只测定给定剪应力下聚合物的流动度，简称流度φ，即粘度的倒数φ=1/η。第10页/共24页Flory的经验式：式中A和B均为常数[MI]实质反映聚合物分子量大小：分子量较高的聚合物比分子量较低的聚合物更易缠结，分子体积更大----流动阻力较大，表现出较高的粘度和低的流动度，[MI]低；反之，分子量低流动度高的聚合物[MI]值较大。用[MI]能方便的表示聚合物流动性的高低，对于成型加工中材料的选择和适用性有参考的实用价值第11页/共24页加工方法产品所需材料的（MI）加工方法产品所需材料的（MI）挤出成型管材片材、瓶薄壁管电线电缆薄片单丝绳多股丝或纤维<0.10.1-0.50.1-10.5-1≈1注射成型涂布真空成型瓶（玻璃状物）胶片（流涎薄膜）模压制件薄壁制件涂敷纸制件1-29-151-23-69-150.2-0.5某些加工方法适宜的熔融指数值第12页/共24页2、聚合物的可模塑性（1）定义：指材料在温度和压力作用下形变和在模具中模制成型的能力。具可模塑性的材料可通过注射、模压和挤出等成型方法制成各种形状的模塑制品。（2）影响因素：材料的流变性、热性质、化学反应性和其它物理力学性质等。

（3）测定与表征：模塑面积图、螺旋流动实验。第13页/共24页◆温度过高，熔体流动性大，易成型，但会引起分解，制品收缩率大。◆温度过低，熔体粘度大，流动困难，成型性差，制品形状稳定性差。◆适当增加压力，能改善聚合物的流动性，但过高的压力将引起溢料、增大制品内应力。◆压力过低，造成缺料。a、模塑面积图模塑最佳区域。第14页/共24页b、螺旋流动试验熔体入口聚合物熔体在注射压力推动下，由中部注入模具中，伴随流动过程熔体逐渐冷却并硬化为螺线。螺线的长度反映不同种类或不同级别聚合物流动性的差异。Holmes认为：在高剪切速率下，螺线的极限长度是加工条件和聚合物流变性与热性能两组变数的函数：螺线愈长，聚合物的流动性愈好。第15页/共24页螺旋流动试验可获取的信息：聚合物在宽广的剪切应力和温度范围内的流变性质；模塑时温度、压力和模塑周期等的最佳条件；聚合物分子量和配方中各种添加剂成分和用量对模塑材料流动性和加工条件的影响关系；成型模具浇口和模腔形状与尺寸对材料流动性和模塑条件的影响。第16页/共24页3、聚合物的可纺性

可纺性是指聚合物材料通过加工形成连续的固态纤维的能力。可纺性要求：（1）熔体从喷丝板毛细孔流出后能形成稳定细流。熔体细流的稳定性:第17页/共24页聚合物的可纺性要求（2）具有可纺性的聚合物还须有较高的熔体强度。

纺丝细流的熔体强度与纺丝时拉伸速度的稳定性和材料的凝聚能密度有关。不稳定的拉伸速度、较小的材料凝聚能容易出现凝聚性断裂。对一定聚合物，熔体强度随熔体粘度增大而增加。（3）在纺丝条件下，具有良好的热和化学稳定性。第18页/共24页4、聚合物的可延性（1）定义：无定形或半结晶固体聚合物在一个方向或二个方向上受到压延或拉伸时变形的能力。（2）表征---应力--应变曲线聚合物拉伸时典型的应力-应变图oa--普弹形变，模量高，形变值小；ab---材料抵抗形变的能力开始降低，出现形变加速的倾向，由普弹形变转为高弹形变。在σy的持续作用下，形变由弹性形变发展为塑性形变。第19页/共24页材料拉伸发热，温度升高，形变加速，并出现细颈。应变软化：因形变引起发热，使材料变软形变加速的作用。细颈的出现说明在屈服应力下聚合物中结构单元因拉伸而开始取向。随取向程度提高，大分子间作用力增大，聚合物粘度升高，表现出“硬化”倾向，形变趋于稳定而不再发展--“应力硬化”--材料模量增加，抵抗形变能力增大，引起形变的应力也相应升高。应力达e点，材料因不能承受应力作用而破坏，σb称抗张强度，εb

称断裂伸长率。第20页/共24页半结晶聚合物拉伸在稍低于Tm温度进行，非晶聚合物在接近Tg温度进行。适当地升高温度，材料的可延伸性能进一步提高。拉伸过程的应力硬化限制聚合物分子的流动，阻止拉伸比的进一步提高。聚合物的可延性取决于材料产生塑性形变的能力和应变硬化作用。形变能力与固体聚合物所处的温度有关，在Tg～Tm/Tf温度区间聚合物分子在一定拉应力作用下能产生塑性流动。

（3）特点第21页/共24页三、聚合物在加工过程中的粘弹行为

聚合物在加工过程中于不同条件下会分别表现出固体和液体的性质，即表现出弹性和粘性。由于聚合物大分子的长链结构和大分子运动的逐步性，聚合物的形变和流动不可能是纯弹性的或纯粘性的，而是弹