材料成型加工与工艺学-习题解答(1,2)

1、习题解答：第一章 1.分别定义“高分子材料”和“塑料”。高分子材料 以高分子化合物为基础的材料。塑料塑料根据加热后的情况又可分为热塑性塑料和热固性塑料。 加热后软化，形成高分子熔体的塑料成为热塑性塑料。主要的热塑性塑料有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP ）、聚苯乙烯（PS ）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，俗称有机玻璃）、聚氯乙烯（PVC）、尼龙（Nylon)、聚碳酸酯（PC）、聚氨酯（PU）、聚四氟乙烯（特富龙， PTFE）、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET，PETE )。加热后固化，形成交联的不熔结构的塑料称为热固性塑料。常见的有环氧树脂, 酚醛塑料， 聚酰亚胺,三聚氰氨甲醛树脂等。塑料的加工方法包

2、括注射，挤出，膜压，热压，吹塑等等。2.高分子材料成型加工的定义与实质.研究聚合物加工成型的原理与工艺. 材料是科学与工业技术发展的基础。加工过程中高分子表现出形状、结构、和性质等方面的变化。形状转变往往是为满足使用的最起码要求而进行的；材料的结构转变包括高分子的组成、组成方式、材料宏观与微观结构的变化等；高分子结晶和取向也引起材料聚集态变化，这种转变主要是为了满足对成品内在质量的要求而进行的，一般通过配方设计、材料的混合、采用不同加工方法和成型条件来实现。加工过程中材料结构的转变有些是材料本身固有的，亦或是有意进行的；有些则是不正常的加工方法或加工条件引起的。大多数情况下，高分子的加工通常包

3、括两个过程：首先使原材料产生变形或流动，并取得所需要的形状，然后设法保持取得的形状。高分子加工与成型通常有以下形式：高分子熔体的加工、类橡胶状聚合物的加工、高分子液体的加工、低分子聚合物或预聚物的加工、高分子悬浮体的加工以及高分子的机械加工。3.高分子材料工程特征的含义介绍高分子材料、成型加工工艺、材料及制品性能三者的关系，强调成型加工对制品性能的重要性，即高分子材料制品的性能即与材料本身的性质有关，又很大程度上受成型加工过程所产生的附加性质的影响。这就是本课程的主题思想-高分子材料的工程特征。第二章 部分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”,”简单组分高分子

4、材料”和”复杂组分高分子材料”,并请23例.根据塑料的用途不同分为通用塑料和工程塑料 通用塑料是指产量大,价格低,应用范围广的塑料,主要包括聚烯烃,聚氯乙烯,聚苯乙烯,酚醛塑料和氨基塑料五大品种.人们日常生活中使用的许多制品都是由这些通用塑料制成. 工程塑料是只拉伸强度大于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,等可作为工程结构材料和代替金属制造机器零部件等的塑料.例如聚酰胺,聚碳酸酯,聚甲醛,ABS树脂,聚四氟乙烯,聚酯,聚砜,聚酰亚胺等.工程塑料具有密度小,化学稳定性高,机械性能良好,电绝缘性优越,加工成型容易等特点,广泛应用

5、于汽车,电器,化工,机械,仪器,仪表等工业,也应用于宇宙航行,火箭,导弹等方面.根据受热后发生的形态变化，可将高分子化合物分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。热塑性塑料在受热后会从固体状态逐步转变为流动状态。这种转变理论上可重复无穷多次。或者说，热塑性高分子是可以再生的。聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和涤纶树脂等均为热塑性塑料。热固性塑料在受热后先转变为流动状态，进一步加热则转变为固体状态。这种转变是不可逆的。换言之，热固性高分子是不可再生的。 能通过加入固化剂使流体状转变为固体状的高分子，也称为热固性高分子。 典型的热固性塑料如：酚醛树脂、环氧树脂、氨基树脂、不饱和聚酯、聚氨酯、硫化橡胶等

6、。由一种单体聚合而成的聚合物称为均聚物或简单组分高分子材料。聚合物也可由两种或两种以上的单体共同聚合而成。如PE,PP, PC等由两种或两种以上单体聚合而成的聚合物称为共聚物或复杂组分高分子材料。根据各种单体单元在分子链中的排列状况，可将共聚物分为无规共聚物、交替共聚物、嵌段共聚物、接枝共聚物等。通过普通的聚合方法，只能得到无规共聚物和交替共聚物，嵌段共聚物和接枝共聚物必须通过特殊方法制备。 共聚是高分子化合物改性的重要方法之一。如ABS,PA6/滑石粉等.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?结晶 聚合物结晶过程与小分子化合物相似，要经历晶核

7、形成和晶粒生长两过程。温度高于熔点Tm，高分子处于熔融状态，晶核不易形成；低于Tg，高分子链运动困难，难以进行规整排列，晶核也不能生成，晶粒难以生长。高分子形成结晶的能力要比大分子弱得多。相当大的一部分高分子是不结晶或很难结晶的。能结晶的称为结晶性高分子，不能结晶的称为非结晶性高分子。要注意结晶性高分子与结晶高分子的区别，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯是结晶性高分子，但如果没有适当的结晶条件例如从熔体骤冷，得到的是非晶态，此时不能称为结晶高分子。也就是说结晶能力除了高分子的结构因素外还有温度等外界因素。结晶形态主要有球晶、单晶、伸直链晶片、纤维状晶、串晶、树枝晶等。球晶是其中最常见的一种形态。取向p

8、38 高分子和它的链段本身具有较大的长度，因此在空间上必然指向一定的方向。当高分子链段在空间随机取向时，由概率论可知，此时分子或分子链段指向各个方向的几率是相同的。在宏观上，高分子的这种取向方式使高分子聚合物在各个方向上呈现相同的品质，即各向同性性质。高分子链段也可能沿某些方向规整地周期性排列，从而形成高分子晶体。在一些条件下，如外力，流动等，相当数量的高分子链段会平行指向同一方向，由此形成的高分子聚集态结构被称作取向态结构。高分子链段平行地向同一方向排列的现象叫做高分子聚合物的取向。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.玻璃态高分子不宜进行引起大变形

9、的加工，表现为坚硬的固体，但可通过车、铣、削、刨等进行加工。在玻璃化温度Tg以下的某一温度，材料受力容易发生断裂破坏，这一温度称为脆化温度，它是材料使用的下限温度。在Tg以上的高弹态，高分子的模量减少很多，形变能力显著加大。在TgTf温度区靠近Tf，由于高分子的粘性很大，可进行某些材料的真空成型、压力成型、压延和弯曲成型等。把制品温度迅速冷却到Tg以下温度是这类加工过程的关键。Tg是选择合理应用材料的重要参数，同时也是大多数高分子加工的最低温度。在Tf以上，高分子化合物转变为粘流态，通常又将这种液体状态的高分子称为熔体。材料在Tf以上不高的温度范围表现出类橡胶流动行为。这一转变区域通常用来进行

10、压延成型、某些挤出成型和吹塑成型等。比Tf更高的温度使分子热运动大大激化，材料模量降到最低值，这时高分子熔体形变的特点是不大的外力就能引起宏观流动，这时形变中主要是不可逆的粘性变形，冷却高分子就能将形变永久保持下来，这一温度范围常用来进行熔融纺丝、注射、挤出、吹塑和贴合等加工。过高的温度将使高分子的粘度大大降低，不适当的增大流动性容易引起溢料、形状扭曲、毛丝断裂等现象。温度高到分解温度Td附近还会引起高分子化合物的分解，以致降低产品物理机械性能或引起外观不良。高分子在加工过程中常受到挤压作用，可挤压性是指高分子化合物通过挤压作用变形时获得形状和保持形状的能力。在挤压过程中，高分子熔体主要受到剪

11、切作用，故可挤压性主要取决于熔体的剪切粘度和拉伸粘度。大多数高分子化合物熔体的粘度随剪切力或剪切速率增大而降低。如果挤压过程材料的粘度很低，虽然材料有良好的流动性，但保持形状的能力较差；相反，熔体的剪切粘度很高时则会造成流动和成型的困难。材料的挤压性质还与加工设备的结构有关。挤压过程高分子熔体的流动速率随压力增大而增加，通过流动速率的测量可决定加工时所需要的压力和设备的几何尺寸。材料的挤压性质与高分子的流变性，熔融指数和流变速率密切有关。5.什么是结晶度？结晶度的大小对聚合物性能有哪些影响？聚合物即使结晶，也不是分子链的所有结构单元都参与结晶，总有一部分高分子链或链的一部分处于非晶态，即在通常

12、条件下所获得的结晶性聚合物并不是100%的完全结晶的，即分子链的结晶多少称为结晶度。结晶性不同，性能也不一样，随结晶度提高，密度、熔点、拉伸强度、硬度增强，但拉伸率、冲击韧性下降。6.何谓聚合物的二次结晶和后结晶？二次结晶：是指一次结晶后，在一下残留的非结晶区和结晶不完整的部分区域内，继续结晶并逐步完善的过程。后结晶：是指聚合物加工过程中一部分来不及结晶的区域，在成型后继续结晶的过程。7.聚合物在成型加工过程中为何么会发生取向?成型时的取向产生的原因及形式有哪几种?取向对高分子材料制品的性能有何影响?P38 主要受到剪切與拉伸力的影響. 聚合物成型中的取向  一、聚合物的取向机理&#

13、160;   聚合物分子和某些纤维状填料，由于结构上悬殊的不对称性，在成型过程中受到剪切流动或受力拉伸时不可避免地沿受力方向作平行排列，称为取向作用。取向态与结晶态都与大分子的有序性有关，但它们的有序程度不同，取向是一维或二维有序，而结晶则是三维有序。取向有单轴取向和双轴取向之分。    聚合物大分子的取向(包括流动取向和拉伸取向)有链段取向和分子链取向两种类型。链段取向可以通过单键的内旋转造成的链段运动来完成，在高弹态就可进行；而整个大分子链的取向需要大分子各链段的协同运动才能实现，只有在粘流态才能进行。取向过程是链段运动的过程，必须克服聚合

14、物内部的粘滞阻力，链段与大分子链两种运动单元所受的阻力大小不同，因而取向过程的速度也不同。在外力作用下最早发生的是链段的取向，进一步才发展成为大分子链的取向。    取向过程是大分子链或链段的有序化过程，而热运动却是使大分子趋向紊乱无序，即解取向过程。取向需靠外力场的作用才得以实现，而解取向却是一个自发过程。取向态在热力学卜是一种非平衡态，一旦除去外力，链段或分子链便自发解取向而恢复原状。因此，欲获得取向材料，必须在取向后迅速降温到玻璃化温度以下，将分子链或链段的运动冻结起来。当然，这种冻结属于热力学非平衡态，只有相对的稳定性，时间拉长、特别是温度升高或聚合物被溶

15、剂溶胀时，仍然要发生解取向。对结晶聚合物来说，除了非晶区可能发生分子链或链段的取向外的取向。二、流动取向和拉伸取向    取向过程可分为两种，一是大分子链、链段和纤维填料在剪切流动过程中沿流动方向的流动取向，另一种是分子链、链段、晶片、晶带等结构单元在拉伸应力作用下沿受力方向的拉伸取向。    1、流动取向    流动取向是伴随聚合物熔体或浓溶液的流动而产生的，无论哪种成型方法，影响取向的外界因素以及因取向在制品中造成的后果基本上是一致的。    图1-12所示的是注射模塑长

16、方形制品采用双折射法实测的取向分布规律；在矩形试样的纵向，取向程度从浇口起顺着料流方向逐渐升高，达最大点(靠近浇口一边)后又逐渐减小；在矩形试样的横向，取向程度由中心向四周递增，但取向最大处不是模壁的表层而是介于中心与表层的次表层。  流动取向是与剪切应力有关的流动的速度梯度诱导而成的。当外力消失或减弱时，分子的取向又会被分子热运动所摧毁，聚合物大分子的取向在各点上的差异是这两种对立效应的净结果。当塑料熔体由浇口压入模腔时，与模壁接触的一层，因模温较低而冻结。从纵向看，由于导致塑料流动的压力在入模处最高，而在料流的前锋最低，因而由压力梯度所决定的剪切应力势必将诱导大分子的定

17、向程度在模腔纵向呈递减分布。但定向最大处却不在浇口四周，而在距浇门不远的位置上，因为塑料熔体注入模腔后最先充满此处，有较长的冷却时间，冻结层形成后，分子在这里受到的剪切应力也最大，所以取向程度也最高。从横向看，由于剪切应力的横向分布规律是靠壁处最大，中心处最小其取向程度的分布本应在靠壁处最大，中心处最小，但由于取向程度低的前锋料遇到模壁被迅速冷却而形成无取向或取向甚小的冻结层，从而使得横向取向程度最大处不在表层而是次表层。为了改善制品的性能，在聚合物中常加入一些纤维状或粉状填料，由于这些填料几何形状的不对称性，在注射模塑或传递模塑的流动过程中，纤维轴与流动方向总会形成一定夹角，其各部位所处的剪

18、切应力不同，直至填料的长袖方向与流动方向完全相同为止而取向。关于纤维状填料的取向，以压制扇形儿状物为例来说明，见图1-12。经测试表明，扇形试样在切向方向上的抗拉强度总是大于径向方向上的，而在切向力向上的收缩率和后收缩率又往往小于径向。基于实测和显微分析的结果，可推断出填料在模压过程中的位置变更情况是按图1-12中的1至6的顺序进行的：含有纤维状填料的流体的流线自浇口处沿半径方向散开，在模腔的中心部分流速最大，当熔体前沿遇到阻断力(如模壁)后，其流动方向改变为与阻断力垂直，最后填料形成同心环似的排列。   2、拉伸取向    聚合物在拉伸应力作

19、用下的普弹形变是由其分子的键角扭变和分子链的伸长所造成在应力消除后形变马上消失，是一种形变值较小的可逆形变在拉伸取向时可忽略高弹拉伸发生在玻璃化温度附近及拉伸应力小于屈服应力的情况下，拉伸时的取向主要是链段的形变和位移，这种链段取向程度低(见图1-13)，取向结构不稳定。     当拉伸应力大于屈服应力时，塑性拉伸在玻璃化温度附近即可发生，此时，拉伸应力部分用于克服屈服应力，剩余应力是引起塑性拉伸的有效应力，它迫使高弹态下大分子作为独立结构单元发生解缠和滑移，使材料由弹性形变发展为塑性形变，从而得到高而稳定的取向结构。在工程技术，塑性拉伸多在玻璃化温度到

20、熔融温度之间，随着温度的升高，材料的模量和屈服应力均降低，所以在较高的温度下可降低拉伸应力和增大拉伸率。温度足够高时，材料的屈服强度几乎不显，在较小的外力下即可得到均匀而稳定的取向结构，粘性拉伸发生在tf (或tm)以上，此时很小的应力就能引起大分子链的解缠和滑移；由于在高温下解取向发展很快的缘故，有效取向程度低。粘性拉伸与剪切流功引起的取向作用有相似性但两者的应力与速度梯度的方向迥然不同：剪切应力作用时，速度梯度在垂直于流线方向上；拉应力作用时，速度梯度在拉伸方向上。    拉伸过程中，材料变细，沿拉应力方向上的拉伸速度是递增的，聚合物的三种拉伸示意图1-14中。     结晶聚合物拉伸取向通常在适当的温度下进行。由于结晶聚合物成型时要生长球晶，所以结晶聚合物的拉伸过程实际上是球晶的形变过程。在受力初期弹性形变阶段，球晶形变而为椭球形。继续