材料成型与加工原理复习

1. 第一章聚合物材料的加工性质：可模塑性、可挤压性、可纺性、可延性什么是可挤压性？答：可挤压性是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。发生地点：主要有挤出机、注塑机料筒、压延机辊筒间、模具中等聚合物力学状态：粘流态表征参数：熔融指数什么是可模塑性？答：可模塑性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。发生地点：主要有挤出机、注塑机、模具中等聚合物力学状态：高弹态、粘流态表征方法：螺旋流动试验在成型加工过程中，聚合物的可模塑性常用在一定温度、压力下熔体的流动长度来表示。2. 什么是可纺性？答：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。发生地点：主要有熔融纺丝聚合物力学状态：粘流态表征方法：纺丝实验什么是可延性？答：可延性表示无定型或半结晶聚合物在一个或两个方向上受到压延或拉伸时变形的能力。发生地点：压延或拉伸工艺聚合物力学状态：高弹态或玻璃态表征方法：拉伸试验（速率快慢、试样）可延性源于：3. 1）大分子结构非晶高聚物单个分子空间形态：无规线团；结晶高聚物：折叠链状；细而长的长链结构和巨大的长径比；2）大分子链的柔性什么是粘弹性？答：粘弹性是纯弹性和纯粘性的有机组合。1）粘性：物体受力后，形变随时间发生变化，除去外力后，形变不能回复。4. 2）弹性：物体受力后，发生形变，除去外力后，形变能回复（1）普弹性：物体受力后，瞬时发生形变，除去外力能迅速回复，与时间无关。（符合胡克定律）（2）髙弹性：物体受力后，瞬时发生形变，除去外力能回复，与时间有关。（不符合胡克定律什么是滞后效应？答：在外作用力下，聚合物分子链由于跟不上外力作用速度而造成的形变总是落后于外力作用速度的效应。形成原因：长链结构和大分子的运动具有逐步性，存在松弛过程，需要松弛时间。（聚合物的可挤压性：粘度流动性FR表征、表征意义及使用意义；聚合物的可模塑性：可模塑性的影响因素；聚合物的可延性：冷拉伸、热拉伸、可延性的表征聚合物加工过程中的粘弹行为：粘弹形变、滞后效应线型高聚物的聚集态与成型加工：力学三态的特征（分子运动状态、宏观力学状态）及适应的成型加工方法；重要的成型加工特征温度：TTTTT）b、g、m、f、d习题：1. 请用粘弹性的滞后效应相关理论解释塑料注射成型制品的变形收缩现象以及热处理的作用。答：1）粘弹性的滞后效应是指在外作用力下，聚合物分子链由于跟不上外力作用速度而造成的形变总是落后于外力作用速度的效应。2）当注射制件脱模时大分子的形变并非已经停止，在贮存和使用过程中，大分子重排运动的发展，以致密度增加，体积收缩。3）在Tg-Tf温度围对成型制品进行热处理（退火、正火），可以缩短大分子形态的松弛时间，加速结晶聚合物的结晶速度，使制品的形状能加快的稳定下来。2. 比较塑性形变和粘性形变的异同点。答：同：都是不可逆形变。异：1）温度区间不同，塑性形变温度区间为Tg-Tf；粘性形变温度区间为Tf以上。2）作用力和时间不同，塑性形变需较大外力和较长时间；粘性形变要很小的外力和时间。什么是聚合物的力学三态，各自的特点是什么？各适用于什么加工方法？答：力学三态：玻璃态，高弹态，粘流态（1）玻璃态（结晶态）聚合物模量高，形变小，故不宜进行大形变的成型加工。适用：二次加工：（2）高弹态产生较大的可逆形变；聚合物粘性大，且具有一定的强度。适用：较大变形的成型工艺。（3）粘流态很大的不可逆形变；熔体黏度低。适用：流动性要求较高的成型加工技术。形变玻璃态玻璃化转态評/,i.Ts温度TzI；3. 聚合物具有一些特有的加工性质，如具有良好的（可模塑性）（可挤压性）（可纺性）和（可延性）4. （熔融指数）是评价聚合物材料的可挤压性这一加工性质的一种简单实用的方法。而（螺旋流动实验）是评价聚合物材料可模塑性这一加工性质的方法。5. 在通常加工条件下，聚合物的形变主要由（高弹形变）（粘流形变）所组成，从形变性质来看，包括（可逆变形）（不可逆变形）两种成分，只是由于加工条件不同而存在两种成分的相差异。6. 聚合物的粘弹性行为与加工温度T有密切关系，当（TTf?）时，主要发生粘性形变，也有弹性效应，当（TTg?）时，主要发生弹性形变，也有粘性形变。7. 按照经典的粘弹性理论，加工过程线型聚合物的总形变可以看成是（普弹性变）、（推迟高弹性变）和（粘性形变）三部分所组成。图为典型的模塑面积图，请结合该图说明注射产品质量和温度、注射压力的关系。（必考，分析）阁1-5極蜩两积圉爲一施型田如丄一濒济不:赳如H械密I知v甘卿孙a缺啊承图中四条线所构成的面积（交叉线区）为模塑的最佳区域。分析：（1）温度：过高的温度，虽然熔体流动性大，易于成型，但会引起分解;制品收缩率大；低温，流动难，成型性差，制品产生熔接不良；若低温下增加压力，强迫分子发生变形，制品部存在应力，开模后，制品尺寸、形状不稳定。（2）压力压力过高：将引起溢料并使制品应力增大；压力过低：造成缺料，制品成型不全；第二章牛顿流体：剪切应力与剪切速率成线性关系的流体称为牛顿流体（各种版本都行）类型：层流流动、湍流流动非牛顿流体：不遵从牛顿流动定律的流体的统称。非牛顿流体类型：宾汉流体、膨胀性流体、假塑性流体、复合型流体PS、PC、PMMA等刚性聚合物对T比较敏感。PE、PP、PVC、POM等柔性链分子对剪切速率敏感，PS、PC、PA、PET等刚性分子对剪切速率不敏感。作业：1、画出几种典型流体的剪切力-剪切速率流动曲线，并简单说明各自的流变行为特征（必考）1）宾汉流体：与牛顿流体相同，剪切速率剪切应力的关系也是一条直线，不同处：它的流动只有当T髙到一定程度后才开始。（需要使液体产生流动的最小应力Ty称为屈服应力。当tVty时，完全不流动）2）假塑性流体：流体的表观粘度随剪切应力的增加而降低。也即切力变稀现象。3）膨胀性流体：流体的表观粘度随剪切应力的增加而增加，也即切力增稠现象。4）牛顿流体：在一维剪切流动情况下，当有剪切应力于定温下施加到两个相距dr的流体平行层面并以相对速度v运动，剪切应力与剪切速率成线性关系的流体称为牛顿流体.2、怎么样根据聚合物粘度的温敏特性以及切敏特性选择加工条件？（仅供参考）1）对于对T敏感的物料来说，在成型过程中提髙熔体的温度，可以有效降低粘度，对成型有利；2）对于对T不太敏感的聚合物来说，仅凭增加温度来增加其流动性而要使它成型是错误的。因为:1）温度幅度增加很大，而它的表观粘度却降低有限（PP、PE、POM）。2）大幅度的增加温度很可能使它降解，从而降低产品质量，能量设备损耗加大，工件条件恶化。3）在加工时，如果聚合物熔体的粘度在很宽的剪切速率围部是可用的，则选择在粘度对剪切速率不敏感的区域下操作更为合适。3、在成型加工怎样才能有效地调节聚碳酸酯和聚甲醛的流动性？答：（1）当聚碳酸酯处于粘流温度以上不宽的温度围时，选择尽可能大的温度作为加工条件。当温度从Tg-Tm时，用方程计算此时的粘度选择加工条件。（2）根据切敏特性，加工过程中，通过调整敏感参数来实现对粘度的有效控制。对于聚甲醛可以通过调整熔体剪切速率（或剪切力）来改变熔体粘度。4、就流动性而言，PC对温度更敏感，而PE对切变速率更敏感，为什么？答：1）链的刚硬性增加和分子间吸引力愈大，熔体粘度对温度的敏感性增加，所以，PC对温度更敏感。2）长支链的存在增大了聚合物粘度对剪切速率的敏感性。所以PE对切变速率更敏感。5、影响聚合物粘度的因素分别有哪些？（不考）答：对于高聚物熔体来说，影响粘度的因素有许多，如温度、压力、剪切速率以及聚合物结构和相对分子质量分布等。但归结起来有两个方面：（1）熔体的自由体积因素，自由体积增大，粘度减小。（2）大分子长链间的缠结，凡能减少缠结作用因素，都能加速分子运动，粘度减小。6、影响聚合物流变形为的的主要因素有（应力）、（应变速率）、（温度）、（压力）和（分子、参数和结构）等。7、假塑性流体在较宽的剪切速率围的流动曲线，按照变化特征可以分为三个区域，分别是（第一牛顿区）（非牛顿区）（第二牛顿区）。第三章端末效应：入口效应和模口膨化效应管子进口端与出口端这种与聚合物液体弹性行为有紧密联系的现象就称为端末效应，亦可分别称为入口效应和模口膨化效应。不稳定流动和熔体破裂熔体破裂:聚合物熔体在高剪切速率时，液体中的扰动难以抑制并易发展成不稳定流动，引起液流破坏。出现“熔体破裂”时的应力或剪切速率称为临界应力和临界剪切速率。流变仪：用于测定聚合物流变性质的仪器一般称为流变仪或粘度计。作业：1. 聚合物液体在管和槽中的流动时，按照受力方式划分可以分为：压力流动、收敛流动和拖拽流动；按流动方向分布划分：一维流动、二维流动和三维流动。2. 用于测定聚合物流变性质的仪器一般称为流变仪或粘度计。目前用得最广泛的主要有毛细管粘度计、旋转粘度计、落球粘度计和锥板粘度计等几种。3. 聚合物流动行为最常见的弹性行为是端末效应和丕稳定流动，它们具体包括：入口效应、出口膨胀效应、鲨鱼皮现象和熔体破裂。4. 压力流动、收敛流动、拖拽流动的定义及各自常见发生场合。答：压力流动：在简单的形状管道中因受压力作用而产生的流动。收敛流动：在截面积逐渐减小的流道中的流动。拖拽流动：如果液体流动的管道或口模的一部分能以一定速度和规律进行运动而聚合物随管道和口模的运动部分而运动。在具有部分运动的流道中流动。5. 牛顿流体（必考）及非牛顿流体在圆管中的流动特征各是什么？剪切应力：管壁处剪切应力最大，中心处为零；剪切应力在液体中的分布与半径成正比，并呈直线关系。剪切应力：管壁处剪切应力最大冲心处为零;剪切应力在液体中的分布与半径成正比，并呈直线关系。（与牛顿流体相同）流体速度：对于膨胀性非牛顿液体nl）,速度分布曲线变得较为陡峭，值愈大，愈接近于锥形；对假塑性非牛顿液体VI）,分布曲线则较拋物线平坦;n愈小，管中心部分的速度分布愈平坦，曲线形状类似于柱塞管中心处的速率最大,管壁处为零，圆管中的等速线为一些同心圆。6. 聚合物加工中，对于尺寸变化的管道常采用一段有收敛作用的管道来连接，是何原因？1) 避免死角的存在，减少聚合物因过久停留而引起的分解2) 同时有利于降低流动过程中因强烈扰动带来的总压力降3) 减少能耗，减少流动缺陷7. 提高产品质量和设备生产能力入口效应和出口效应对聚合物加工有何不利？一般怎样去降低？答：在注射、挤出和纤维纺丝过程中，可能导致产品变形和扭曲，降低制品尺寸稳定，甚至引起制品应力，降低产品机械性能。办法：1) 适当降低加工应力，提高加工温度适当减小剪切应力增加L/D(增加管子长度、增加管径，减小入口端的收敛角)对挤出物加以适当牵引8.什么是鲨鱼皮症？试总结产生的原因(不考)。答：是指发生在挤出物熔体流柱表面上的一种缺陷现象，其特点是在挤出物表面形成很多细微的皱纹，类似于鲨鱼皮。第四章取向各;性强异增向降解聚合物的加工与应用彫响严譬中的輕性;差址变塑能作业：1.解释下列名词术语：结晶、取向、降解、交联。结晶：物质从液态或气态形成晶体的过程。取向：聚合物结构单元或纤维状填料在某种程度上顺着流动的方向作平行排列。交联：聚合物的加工过程，形成三向网状结构的反映。降解：分子量降低的作用为降解。2. 加工成型过程中影响结晶的因素。1）熔融温度和熔融时间：加工时的熔融温度高，或熔融时间长，则结晶速度慢结晶尺寸较大。（温度：T髙（低）一t长（短）一结晶速度慢（快）2）压力：应力有利于成核：应力一大分子取向一诱发成核（低压一生成大而完整的晶球；髙压一生成小而形状不很规整的晶球）3）冷却速度的影响：通常采用中等的冷却速度，冷却温度选择在Tg最大结晶速度的温度Tmax之间。Et缓冷，结晶度提高，晶球大；TCT骤冷大分子来不及重排，晶粒少，易产生应力；乞汽、中速冷，有利晶核生成和晶体长大，性能好F通常，采用中等的冷却速度，冷却温度选择在T厂最大结晶速度的温度皿之间4）低分子物和固体杂质的影响：阻碍或促进结晶作用。起促进作用的类似于晶核，能形成结晶中心，成为成核剂。3. 聚合物结晶对制件性能的影响有哪些？（强度、韧性）答：1）结晶对制品密度影响由于结晶时聚合物分子链做规则、紧密排列，所以晶区密度高于非晶区密度。制品密度随结晶度增加而增大。2) 结晶对制品力学性能的影响a. 一般随着结晶度的提髙，制品硬度提髙、弹性模量提髙、拉伸强度提髙、冲击强度下降、断裂伸长率等韧性指标下降。b. 结晶形态、晶粒尺寸和数量也对制品的力学性能产生影响。细小而均匀的晶粒结构，制品综合力学性能好。结晶对热及其它方面的影响聚合物成型加工过程中在管道或模具中取向结构分布规律？(为什么会出现这种情况？)熔体中心連捧井内低取向区域竺答:1) 在等温流动区域，由于管道截面小，故管壁处速度梯度增大，紧靠管壁附近的熔体中取向程度最髙；在非等温流动区域，熔体进入截面尺寸较大的模腔后压力逐渐降低，故熔体中的速度梯度也由浇口处的最大值逐渐降低到料流前沿的最小值。2) 在模腔中，既然熔体中的速度梯度沿流动方向降低，故流动方向上分子的取向程度是逐渐减小的。4. 聚合物取向对制件性能的影响有哪些？(各向异性)答：单轴取向：取向方向上制品的拉伸屈服强度f,模量f,压缩屈服强度(，非晶聚合物断裂伸长率f,结晶聚合物断裂伸长率非取向方向上性能变化和上述相反。 双轴取向：两个取向方向上制品的模量、抗拉强度和断裂伸长率f,但取向度小的取向方向上的性能变化程度低于另一个方向上的。5. 成型加工过程中如何避免聚合物的降解？(不考)答：(1)严格控制原材料技术指标,使用合格原材料；(2)使用前对聚合物进行严格干燥；(3)确定合理的加工工艺和加工条件,使聚合物能在不易产生降解的条件下加工成型；(4)加工设备和模具应有良好的结构；(5)在配方中考虑使用抗氧剂、稳定剂等以加强聚合物对降解的抵抗能力。第五章物料的组成： 由树脂和多种具有一定功能的辅助材料或添加剂组成。作业：1. 塑料制品中有哪些原材料和添加剂？2. 原料：聚合物或树脂添加剂：增塑剂、防老剂、填料、润滑剂、着色剂、固化剂分别指出理想的增塑剂和防老剂所具有的性质。（不考）1）理想增塑剂：增塑剂和聚合物有良好的相容性、塑化效率、高低挥发性、耐寒性好2）理想防老剂：防老效果好无着色性和污染性对硫化无影响挥发性小分散性好、无水解性无毒、无臭一般如何区分混合、捏合、塑炼这三种混合过程？答：1）混合和捏和是在低于聚合物的流动温度和较缓和的剪切速率下进行的，混合后的物料各组分本质基本上没有什么变化，2）塑炼是在髙于流动温度和较强的剪切速率下进行的，塑炼后的物料中各组分在化学性质（分子量（、交联）或物理性质上（粒度）会有所改变。3. 常见的混合设备有哪些？并说明每种设备主要采用什么作用实现混合的？答：1）主要用于初混合的有：捏合机、髙速混合机、管道式捏合机等，主要采用对流作用实现混合。2）主要用于混合塑炼的有：双辊塑炼机、密炼机和挤出机等，主要是利用剪切作用实现混合。补充：混合的定义：使原来两种或两种以上各自均匀分散的物料，从一种物料按照可接受的概率分布到另一种物料中去。（参考）第六章作业：1. 比较注塑螺杆和挤出螺杆在结构上的主要差别。答：长径比小，压缩比小，均化段短，加料段长，螺杆头尖，带止逆环。a）注塑螺杆长径比比挤出螺杆小；b）注塑螺杆均化段螺槽深度比挤出螺杆深；c）注塑螺杆压缩比比挤出螺杆小；d）注塑螺杆加料段长度比挤出螺杆长，而均化段长度比挤出螺杆短；e）挤出螺杆多为圆头或锥头，而注塑螺杆多为尖头并带有特殊结构。f）注塑螺杆只起预塑化和注射作用对塑化能力、压力稳定性以及操作连续性和稳定性没有挤出螺杆要求高。2. 根据图6-35中模腔中压力时间关系，分析注射过程的几个阶段。答： 柱塞空载期：在totl时间，物料在料桶中加热塑化，柱塞开始向前移动，但处于空载状态，物料高速经过喷嘴和浇口时，引起柱塞和喷嘴储压力增大。 充模期：时间t1时，塑料熔体开始注入型腔，压力迅速上升，值t2时，型腔被充满，膜腔压力达最大值。 保压期：t2t3时间，塑料仍为熔体，柱塞需保持对塑料的压力，使模腔中塑料得到压实和成型，并缓慢的向模腔中补压入少量塑料，以补充塑料冷却时的体积收缩。 反料期：柱塞从t3开始，逐渐后移，由于料筒喷嘴和浇口处压力下降，而模腔压力较高，尚未冻结的塑料熔体被模具压反推回浇口和喷嘴，出现倒流现象。 凝封期：t4t5，料温继续下降到凝结硬化温度时，浇口冻结倒流停止。 继冷期：在浇口冻结后的冷却期，实际上型腔塑料的冷却是从冲模结束后就开始的。3. 分析在注射成型中确定料筒温度的依据（不考）答：料筒温度选定的原则：保证塑料塑化良好，能顺利充模，不至于引起塑料的降解。一般Tf（m）T筒5选隹丁简时从以下几方面番虑：热敏性塑料：必须考虑塑料的rfCk）-1；的差.分子量及其分布町大的，T简高，怛应Td;分布宽的，T尙低。制品尺寸对同种塑料，制品尺寸小，冷却快，可选高T沪薄壁制品，熔体入橫阻力大，应选高丁窗。不同设备：移动螺杆式的T简v柱塞式的1筒*4.根据物料的变化特征可将螺杆分为几个阶段，它们各自的作用是什么？答:螺杆沿长度方向一般分为三段，各段的作用和结构是不同的：加料段（I）、压缩段（II）、均化段（III）加料段（I）作用：将料斗供给的料送往压缩段，塑料在移动过程中一般保持固体状态由于受热而部分熔化。压缩段（II）作用：压实物料，使物料由固体转化为熔体，并排除物料中的空气。均化段（计量段）的作用：是将熔融物料，定容（定量）定压地送入机头使其在口模中成型。均化段的螺槽容积与加料一样恒定不变。4. 简单叙述挤出成型、注射成型、压制成型、压延成型各自的工艺过程。答：a）挤出成型工艺主要程序：物料的干燥，成型，定型与冷却，制品的牵引与卷取，制品的后处理。b）注射过程：塑化一充模一保压一冷却一脱模c）压制成型过程主要包括：加料、闭模、排气、固化、脱模与清理模具。d）压延工艺过程：供料阶段：捏合一塑化一供料；压延阶段：压延一牵引一刻花一冷却定型一输送一切割、卷取5. 有哪些成型方法属于一次成型？答：1、挤出成型2、注射成型3、模压成型4、压延成型5、铸塑成型6、传递模塑成型7、模压烧结成型和泡沫塑料和成型6. 分析在注射成型中确定模温的依据答：a）料筒末端温度要高于Tf或Tm，但不能超过分解温度Tdb）般地，螺杆式注射机的料筒温度要比柱塞式的i020oCc）薄制品采用较高料筒温度厚制品需要较低的料筒温度形状复杂或有嵌件的制品采用较高温度。8注射制品产生应力如何消除？（考）答：退火处理：1）使强迫冻结的分子链得到松弛，消除应力；2）提髙结晶度，稳定结晶结构。调湿处理：将刚从模具中脱出的塑件放在热水中（100120C）,隔绝空气，进行防氧化处理，且快速达到吸湿平衡。待调湿后缓慢冷却至室温。名词解释一次成型：通过材料的流动或塑性形变，伴有状态和相态转变，而将塑料制成各种形状的产品的方法。二次成型：在一定条件下，将一次成型得到的聚合物型材通过再次成型加工，以获得制品的最终型样。挤出成型：借助螺杆或柱塞的挤压作用，使受热融化的塑料在压力推动下，强行通过口模而成为具有恒定截面的连续型材的一种成型方法。分流梭：分流梭是装在料筒靠前端的中心部分，形状似鱼雷的金属部件。（作用：混合均匀：减少料层厚度；提髙流速：产生剪切，加强热扩散，增大传热面积。）第七章黎二次成型与一次成型的区别:成型对象成型温度形变一次成型粉料、粒料热固、热塑性材料均可T咸T以上粘流态流动或塑性形变二次成型热塑性塑料的型材口或几以下类橡胶状粘弹形变1. 中空吹塑成型和热成型各自主要的工艺方法有哪些？答：1、中空吹塑的主要的工艺方法：挤出吹塑成型、注射吹塑成型、注射拉伸吹塑成型。2、热成型的主要的工艺方法：真空成型、压力成型、覆盖成型、柱塞辅助成型、推气成型、对模成型。对于一次成型和二次成型中常见的成型方法各有哪些？每种方法各举出至少一例对应的制品。(考)答：一次成型：挤出成型：管材、板材、薄膜等注射成型：洗脸盆,暖壶外壳,手机外壳,显示器外壳,鼠标外壳等模压成型：拉线开关、闸刀开关上的塑料件等压延成型品：人造革、涂层纸铸造成型：有机玻璃模压烧结成型：聚四氟乙烯薄膜二次成型：1) 中空吹塑成型：桶、壶、儿童玩具热成型：电子仪表外壳、雷达罩、飞机罩、立体地图等拉幅薄膜的成型：管材、薄膜在拉幅薄膜生产中，如何控制工艺方法和条件以满足得到的薄膜中形成适度结晶与取向结构的要求。(应该不会考)答：要通过适当的方法和工艺条件，是薄膜中聚合物分子链能形成取向结构；未取向的无定形薄膜没有多大实用价值。结晶而未取向的薄膜脆性答，透明性差，同样使用价值不高；取向但不结晶或结晶不足的薄膜，对热收缩十分敏感，适用围受到限制；结晶适当(并且有微晶结构)而又取向的薄膜，不仅抗强度和模量高，而且透明性好，尺寸稳定，热收缩小，具有良好地使用性能。题型：名词解释、填空、简答、分析与论述