聚合物加工第一次课

1、2020/9/16,高分子材料加工原理及设备,1,高分子材料加工原理及设备Introduction to the Principle and Machinery of Polymer Processing,主讲： 马秀清 高分子材料加工机械教研室,2020/9/16,高分子材料加工原理及设备,2,学习本课程的目的： 掌握高分子材料加工的基本过程， 如固体输送、熔融、混合原理，认识 高分子材料的主要成型方法，如挤出 成型、注射成型、压延成型等的本质 规律，了解本领域的发展方向和最新 进展。,2020/9/16,高分子材料加工原理及设备,3,本课程的主要内容,高分子材料加工原理及设备综述 高分子材

2、料加工基本阶段 1、高分子材料基本知识 2、固体输送 3、熔融理论 4、混合和共混 5、聚合物加工基本阶段的补充内容 高分子材料成型原理及设备 1、挤出成型 2、注射和模塑成形 3、二次成型 4、压延和涂覆 5、其它成型方法 高分子材料加工的后处理,2020/9/16,高分子材料加工原理及设备,4,参考书目： 1、聚合物加工原理： Z.Tadmor and C.G.Gogos编著 耿孝正、阎琦、许澍华译 化学工业出版社 2、Principles of Polymer Processing: T.Fenner 3、聚合物加工基础： S.Middlemon 科学出版社,2020/9/16,高分子材

3、料加工原理及设备,5,成绩评定： 平时10%+笔试60%+课程论文30% 联系方式： 64433731(O) 64443651(H),2020/9/16,高分子材料加工原理及设备,6,绪 论,聚合物加工 聚合物加工是指“对聚合物材料或体系进行操作以扩大其用途的工程”，即把高分子材料变成实用制品或半制品时所采用的一些操作。 聚合物加工原理 聚合物加工原理，是利用高分子化学及物理的知识和以流体力学、塑性力学为基础建立起来的流变学理论论述加工问题。采用简化工程处理方法，建立加工中的物理模型和数学模型，融入表征材料结构的本构方程，经过数学解析，最终能定量或定性地表征流场中的物性及工艺参数的分布状态或变

4、化趋势，从而分析加工成型中材料的分子构象变化特点及相态结构形成机理，以便改进控制工艺条件和预测产品质量。,2020/9/16,高分子材料加工原理及设备,7,聚合物加工过程分析： 金属加工： 铁矿石 钢材 毛坯加工 成型加工 精加工,铸造 锻造 焊接,车、铣、刨、钻 磨,精磨 精车,聚合物成型加工：,石油 树脂 基本加工阶段 成型阶段 后加工,预塑加工、排气、造粒、混炼,挤出 注射 压延,植绒、印刷、焊接,2020/9/16,高分子材料加工原理及设备,8,聚合物成型加工,2020/9/16,高分子材料加工原理及设备,9,高分子化合物的加工性能及其影响因素,2020/9/16,高分子材料加工原理及

5、设备,10,常见的加工流程,2020/9/16,高分子材料加工原理及设备,11,各种成型方法的适应性,2020/9/16,高分子材料加工原理及设备,12,2020/9/16,高分子材料加工原理及设备,13,2020/9/16,高分子材料加工原理及设备,14,2020/9/16,高分子材料加工原理及设备,15,2020/9/16,高分子材料加工原理及设备,16,第一章 高分子材料的基本知识,本章主要内容： 1、聚合物的结构和性能 2、聚合物的力学三态与加工温度范围 3、聚合物热物理性质,2020/9/16,高分子材料加工原理及设备,17,第一节 聚合物的结构和性能,一、高分子材料 高分子材料指的

6、是分子量在104107范围内的高分子化合物。有天然存在的和人工合成的。由于可通过加聚或缩聚聚合反应得到高分子化合物，因而高分子材料又称为聚合物或高聚物。 1、高分子及分子链： 高分子是由某些单体分子通过主价键(共价键)彼此重复地结合起来的链状大分子。链状大分子中重复的结构单元称为链节，重复的次数称为聚合度DP。,2020/9/16,高分子材料加工原理及设备,18,2020/9/16,高分子材料加工原理及设备,19,通常，链状大分子的结构形状有线性的、支化的和三维交联网状的三种。由结构单元线性地连接起来的分子链，且互不相联的称为线性的；如果高分子主链上含有支链则称为支化的；如果一些分子链和另一些

7、分子链在相交点上由化学键彼此连接起来，形成一分子量无限大的三维网状结构，则称为交联网状的。,2020/9/16,高分子材料加工原理及设备,20,一般说来，线型和支化聚合物的特点是受热可以软化或熔融，也可以制成熔液，所以能够反复地用来进行加工成型，称为热塑性材料，如热塑性塑料、未硫化胶料等；交联网状聚合物则没有以上特点，只能在形成网状结构之前进行加工，成型以后就难以再重复利用，称为热固性材料，如热固性塑料、硫化橡胶等。,2020/9/16,高分子材料加工原理及设备,21,2、分子量： 聚合物的分子量、支化度、交联密度是随聚合反应条件的变化而变化的，加之聚合过程中还要受到大量偶然因素的影响，使得在

8、一种聚合物样品中很难找出同样长度、同样支化度的链状大分子，这一现象称为高分子化合物的多分散性。,数均分子量：,重均分子量：,3、均聚物和共聚物： 聚合物可以由一种或多种单体聚合而成，一种单体构成的聚合物为均聚物，两种或两种以上单体构成的聚合物为共聚物。共聚物是两种或多种单体同时聚合的结果，不是两种或多种均聚物的机械共混物，共聚物分子结构的形状，可以是无规的、接枝的和交替的、嵌段的。共聚物可得到合乎需要的每种均聚物的理想性质的某种精细混合，而机械共混物却不能得到合乎需要的每种均聚物性质的精细混合。如：,2020/9/16,高分子材料加工原理及设备,22,丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS(Acr

9、ylonitrile-Butadiene-Styrene)，其中丙烯腈表面硬度高，丁二烯韧性好，苯乙烯加工性好，染色性好。 共混物: PP+尼龙、PEEVA、PVCEVA等等。 无规共聚：AA B A B B B A B B A A B A 接枝共聚：A A A A A A A A A A A A | B B B B B B B 嵌段共聚：A A A A A B B B B B A A A A 交替共聚：A B A B A B A B A B A B,4、高分子的构象： 高分子的构象是指单个分子在空间中存在的各种状态，一个高分子链由于单键的内旋状和分子的热运动，总是存在着一系列不同的形状，如伸

10、展的直链、卷曲的无规线团和卷曲的有规则排列的形状等等。,2020/9/16,高分子材料加工原理及设备,23,5、高分子的聚集态结构： 高分子的聚集态结构是指大分子与大分子之间的几何排列，聚集态结构强烈地受高分子构象和加工条件的影响，同时又直接影响聚合物的性能，按照高分子的聚集态结构，聚合物分为结晶型和无定形两类。结晶型聚合物的分子链排列整齐有序，而无定形聚合物的分子链排列杂乱无章，实际上也存在由晶相和非晶相组成的部分结晶聚合物。无定形聚合物和部分结晶聚合物有三种力学状态玻璃态、高弹态和粘流态，而结晶型聚合物只有固态和粘流态。,2020/9/16,高分子材料加工原理及设备,24,6、聚合物的取向

11、结构： 聚合物的取向结构是在拉伸或剪切流动等加工过程中形成的，指的是在应力场的作用下，聚合物的结构单元有沿力的作用方向进行有序排布的倾向，处于取向状态的聚合物，材料各个方向的性能各异。,2020/9/16,高分子材料加工原理及设备,25,添加剂的分类,2020/9/16,高分子材料加工原理及设备,26,第二节 聚合物的力学三态与加工温度范围,温度变化时，聚合物的运动单元具有多重性，它可以是链节、支链、链段、整个分子链。各个运动单元的运动是受温度等条件制约的。 玻璃态：当温度很低时，分子热运动的能量很低，不足以激发起链段的运动，链段处于被冻结的状态，只有较小的运动单元，如链节和支链能够运动。这时

12、高分子链不能实现从一种构象到另一种构象的转变。当受到外力后，只有主链的键长和键角有微小的改变，形变和受力大小成正比，并且当外力去除后形变能立即恢复，这时，聚合物所表现出来的力学性质和低分子的固体物质相似，处于普弹的状态，对于无定形聚合物和部分结晶型聚合物，称为玻璃态，对于结晶型聚合物称为固体晶态。 高弹态：随着温度的升高，分子热运动能量增加，当达到某一温度时，分子热运动能量已达到足以发生链段运动，链段可以通过绕主键上的单键的内旋转来不断改变构象，甚至部分链段可以产生滑动，但整个分子链仍处于被冻结的状态。这时，当聚合物受外力拉伸时，分子链可以通过主链上的单键的内旋转和链段运动来改变构象，以适应外

13、力的作用，即分子链被拉直了。外力解除后，被拉直的分子链又会通过内旋转和链段运动回复到原来的卷曲状态，高分子链从卷曲状态到拉直，形变是很大的，而且形变和回复都不是瞬时完成的，需要一定的时间。因而把受力后形变很大而且经过一定时间又能回复的这种力学性质称为高弹性，把具有高弹性的状态称为高弹态。高弹性是聚合物区别于低分子物质的一个重要性质。,2020/9/16,高分子材料加工原理及设备,27,粘流态：当温度继续升高时，不仅链段能运动，而且整个分子链都能运动。这时聚 合物受到外力作用时，它和低分子物质的液体相似，分子和分子之间能产生蚯蚓式的蠕动，即呈现粘性流动，这种流动是不可逆的，当外力消除后，形变不能

14、回复，具有粘性流动特征的状态称为粘流态。,加工温度范围：热塑性塑料的加工温度多数在略高于粘流温度的范围内，对于橡胶加工，一般不能达到粘流温度，其加工温度的上限通常是110 115,2020/9/16,高分子材料加工原理及设备,28,第三节 聚合物的热物理性质,与聚合物加工关系密切的热物理性质有：压缩与热膨胀系数、密度和比容、热容、熔融潜热、导热系数和导温系数。 1、压缩性与热胀性： 材料的压缩性和热胀性，是宏观物体在一定压力或温度作用下体积变化或几何尺寸变化的性质。 (1)压缩系数：材料的压缩性是用体积压缩系数k来表征的，定义为： (2)热膨胀系数：材料的热胀性可用体膨胀系数和线膨胀系数来表示，分别定义为：,2020/9/16,高分子材料加工原理及设备,29,2、热容：热容是每千克物质温度升高1 C所需的热量。它不仅取决于材料本身，而且还与