《聚合物加工工程》复习提要

什么是流变学？研究的对象是什么？传统概念的“液体”和“固体”的本质区别在哪里？论述非牛顿流体几个流变现象，并简要解释其原因。非牛顿流体主要有哪几个类型？论述假塑性流体的流动曲线。什么是幂律方程？其包含的内涵是什么？温度是如何影响高分子液体的粘度的？加工中如何利用？绝大多数高分子液体（溶液或熔体）为什么出现“剪切变稀”？论述影响高分子液体剪切粘度的因素高分子流变性能可以采用哪几个实验仪器进行测量？哪些测量参数可以表征高分子液体的弹性性能？聚合物加工工程前三章复习提要流变学部分高分子材料在加工过程中一般会发生哪些物理和化学变化？高分子材料加工过程中结晶对性能有什么影响？高分子材料加工过程中取向对性能有什么影响？如何避免和利用加工过程中的降解效应？加工过程中的物理与化学变化部分高分子液体有几种流动形式？什么是拖曳流动？什么是收敛流动？哪种加工方式是典型的收敛流动？什么是分布混合和分散混合典型的初混合和分散混合设备有哪些？如何提高常规单螺杆挤出机的混合效果？双螺杆挤出机主要特点和用途是什么？主要螺杆元件有哪些？各自的主要作用是什么？什么是塑料填充？塑料填充有哪些优点？什么是塑料合金？塑料共混的目的是什么？简要论述判断两种聚合物之间的相容性原则混合与混炼部分什么是塑料的一次成型和二次成型？挤出成型的优点有哪些？列举至少四个采用挤出成型的塑料制品如何确定挤出机的工作状态？挤出成型中机头有哪几部分组成？各自作用是什么？简单描述管材挤出成型的工艺流程全面论述单螺杆挤出机的常规螺杆挤出成型部分※1、什么是流变学？研究的对象是什么？传统概念的“液体”和“固体”的本质区别在哪里？研究流动与变形的科学就是流变学研究对象：非牛顿流体，特别是高分子液体（熔体或溶液）※2、论述非牛顿流体几个流变现象，并简要解释其原因①

高粘度和剪切变稀：高分子熔体的零剪切粘度η0

均在102－104Pa·s范围内，为水的粘度的106倍。②

Weissenberg效应：盛在容器中的高分子液体，当插入其中的圆棒旋转时，没有因惯性作用而甩向容器壁附近，反而环绕在旋转棒附近，出现沿棒向上爬的“爬杆”现象，这种现象称为Weissenberg效应。原因是由于高分子链在离心力的作用下，具有弹性的大分子链会沿着圆周方向取向，出现拉伸弹性变形，弹性变形要恢复，从而产生一种朝向轴心的压力，迫使液体沿棒爬升。③

挤出胀大现象：又称口型膨胀效应或Barus效应，是指高分子熔体被强迫挤出口模时，挤出物尺寸大于口模尺寸，截面形状也发生变化的现象。牛顿流体不具有这种效应或很弱，而高分子液体的Barus效应很明显。其产生的原因也归结为高分子液体具有弹性记忆效应所致。熔体在进入口模时，受到强烈的拉伸和剪切形变，其中拉伸形变属于弹性形变。这些形变在口模中只有部分得到回复，其余的弹性能在出口时产生弹性形变回复。※3、非牛顿流体主要有哪几个类型？论述假塑性流体的流动曲线

①Bingham塑性体

②假塑性流体

③胀塑性流体

④触变性流体

⑤震凝性流体假塑性流体从上图可以看出，流动曲线大致可以分为三个区域：

→0时，σ－呈线性关系，液体流动性质与牛顿型流体相仿，粘度趋于常数，称为零剪切粘度，这一区域称为线性流动区，或第一流动区。零剪切粘度是材料的一个重要常数，它与材料的平均分子量、粘流活化能、结构等有关。

当剪切速率超过某一临界剪切速率后，材料流动性质出现非牛顿性，剪切粘度（实际上是表观剪切粘度）随剪切速率的增大而下降，出现“剪切变稀”行为。这一区域是高分子材料加工的典型区域，也称为假塑性区，或非牛顿流动区，或剪切变稀区。

当剪切速率非常高，即→∞时，剪切粘度又会趋于另一个定值η∞

，称为无穷剪切粘度，这一区域有时称为第二牛顿区。这一区域通常很难达到，因为在此之前流动已变得极不稳定，甚至破坏。※4、什么是幂律方程？其包含的内涵是什么？大多数聚合物液体为剪切变稀，即在剪切力作用下，粘度变小，基本符合幂律方程：式中，ηa－表观粘度；n为非牛顿指数，反映偏离牛顿行为的程度；－剪切速率内涵：反映高分子液体流动的剪切变稀※5、温度是如何影响高分子液体的粘度的？加工中如何利用？一般来讲，温度越高，聚合物液体粘度越小。高分子熔体的粘度与温度的关系可以用Arrhenius方程很好地描述，即：K为材料常数，R为摩尔气体常数，Eη为粘流活化能，J/mol。由上式可以看出，温度升高，粘度下降。Eη是描述材料粘－温依赖性的物理量，它反映了材料流动的难易程度，更重要的反映了材料粘度随温度的变化的敏感性。Eη越大，则聚合物熔体粘度随温度变化而显著变化；反之，则反之。对Eη大的聚合物可以采用升高温度的办法来提高加工性，而对于Eη小的聚合物则不能一味地靠提高温度来降低加工粘度。

※6、绝大多数高分子液体（溶液或熔体）为什么出现“剪切变稀”？（1）构象改变理论

柔性链大分子在溶液或熔体中处于卷曲的无规线团状，大分子链呈或紧或松的卷曲状态，熔体处于平衡状态时，大分子链的构象接近于高斯链构象，构象数很大，所以粘度很大。体系流动时，由于外力作用，分子长链的构象被迫发生改变。同时由于大分子链运动具有松弛特性，被改变的构象还会局部或全部恢复。所以当剪切速率很低时，分子链的构象变化很小，分子链有足够的时间进行松弛，致使其构象数量从宏观上看几乎不发生变化，故体系粘度也基本不变，表现出牛顿流体特点。

但是当剪切速率较大时，一方面高分子链的构象发生明显减少，主要是沿流动方向取向，另一方面，流动过程快，体系也没有足够的时间松弛，结果长链大分子偏离平衡构象，取向的大分子对流动阻力明显减小，表现为宏观粘度下降。

（2）类橡胶液体理论

高分子存在一个临界分子量Mc，当分子量超过Mc后，一是大分子链很柔软，象无规线团相互纽结，二是大分子链是几何上高度不对称的，很容易形成强烈的物理作用而缠结（“交联”），由于分子链的缠结，使分子链运动受阻，体系粘度很大。这种缠结没有化学交联点，故称为“拟网状结构”，类似于橡胶的交联网络，故又称为“类橡胶液体”。在外力作用下，物理的缠结点被打开，“拟网状结构”消失，大分子链流动阻力大大减小，所以体系粘度大大下降。大分子链间的缠结因分子热运动产生，也因分子热运动破坏。在一定的外部条件下，缠结点的形成速率和破坏速率相等，处于动态平衡中。一旦外部条件发生改变，就会导致缠结点破坏速率大于形成速率，使体系的平均缠结点密度下降，出现剪切变稀。在新的条件下，经过一段时间，拟网状结构再度达到平衡，内部结构又会形成，粘度会部分或全部恢复，故高分子的粘性称为“结构粘性”※7、论述影响高分子液体剪切粘度的因素（1）、剪切应力和剪切速率：见前述（2）、温度：见前述（3）、分子量：分子量对聚合物粘度的影响可用下式表示：

Mc－临界缠结分子量当平均分子量小于临界缠结分子量时，聚合物的粘度与分子量基本成正比关系，分子间相互作用较弱。一旦分子量大到分子链间发生相互缠结，分子链间的相互作用因缠结而突然增强，则聚合物粘度持随分子量的3.4次方迅速增加。（4）分子量分布：一般说来，对相同Mw的树脂，分子量分布较宽的树脂流动性优于分子量分布较窄的树脂。因为低分子量部分可起到类润滑作用。（5）支链：短支链对剪切粘度影响较小，长支链对剪切粘度影响较大。分两种情况，长支链的支链分子量不是足够大，支链本身还未达到链缠结的长度时，剪切粘度小于不带支链的；如果支链长度长到本身已发生缠结，则剪切粘度大大增加。8、高分子流变性能可以采用哪几个实验仪器进行测量？哪些测量参数可以表征高分子液体的弹性性能？毛细管流变仪旋转流变仪动态粘弹仪（动态热机械分析仪，DMA）落球粘度计转矩流变仪表征高分子液体弹性性能的参数：法向应力、第一法向应力差、第二法向应力差储能模量、损耗模量、损耗角正切值挤出胀大比、出口压力降9、高分子材料在加工过程中一般会发生哪些物理和化学变化？物理变化：结晶、取向化学变化：降解、交联10、高分子材料加工过程中结晶对性能有什么影响？密度增大拉伸强度提高弯曲强度提高耐热性提高耐化学溶剂性提高冲击强度下降收缩率增大，制品尺寸不稳定11、高分子材料加工过程中取向对性能有什么影响？取向使聚合物在取向方向上强度增大取向使聚合物的Tg升高取向使聚合物的透明性提高在取向方向上，线膨胀系数增加※12、如何避免和利用加工过程中的降解效应？（1）避免：可从以下几个方面避免：确定合理的加工温度，在满足加工流动性的前提下，尽量采取较低的加工温度;确定适当的剪切力，剪切力太大，剪切生热大，聚合物易分解。对热敏性聚合物如PVC等，加工剪切力要小；

对吸湿性聚合物，在加工之前要彻底干燥，避免水分引起大分子链的降解；添加抗氧剂或热稳定剂，降低高分子链的降解；确定合理的螺杆、机头和模具，避免存在流动死角，减少聚合物在高温下的停留时间，减少降解。（2）利用

橡胶塑炼是典型的例子。利用开炼机的剪切力，是分子量太大的橡胶产生降解，从而提高橡胶的加工性。

聚合物共混物：利用剪切效应产生的自由基，可使两种或多种聚合物产生接枝、共聚等反应，从而提高共混物的性能。13、高分子液体有几种流动形式？什么是拖曳流动？什么是收敛流动？哪种加工方式是典型的收敛流动？压力流动：聚合物液体在圆形等简单形状管道中因受压力作用而产生的流动。只有剪切流动收敛流动：聚合物液体在具有截面尺寸逐渐减小的锥形管道或其它形状管道中进行的流动。这种流动不仅有剪切作用而且有拉伸作用。拖曳流动：如果液体流动的管道或口模的一部分相对于其它静止部分以一定速度和规律进行运动，则聚合物液体还将随管道和口模的运动部分产生流动，这种流动称为拖曳流动。实质上是剪切流动纺丝是典型的收敛流动14、什么是分布混合和分散混合分布混合：就是聚合物和填料、添加剂等组分达到宏观上混合均匀的混合，即在混合体空间上任意点各组分都有相同的体积比或质量比。

分散混合：不仅在空间上各组分均匀分布，而且各组分的分散尺寸减少到微观或亚微观以下，形成微观的界面区域。15、典型的初混合设备和分散混合设备有哪些？初混合（分布混合）：

Z型捏合机转鼓混合机螺带式混合机高速混合机等分散混合设备：开炼机密炼机混炼型单螺杆挤出机双螺杆挤出机行星挤出机等16、如何提高常规单螺杆挤出机的混合效果？采用分离型螺杆增加屏障段增加销钉段采用波状螺杆17、双螺杆挤出机主要特点和用途是什么？主要螺杆元件有哪些？各自的主要作用是什么？主要特点：混合均匀、分散效果好，具有自洁性（易于更换物料）、使用物料种类多，生产效率高主要用途：用于聚合物的共混、填充、增强、阻燃等改性，使聚合物高性能化、精细化、功能化、系列化，制备专用料主要螺杆元件：

正向螺纹元件：用于加料及熔体输送

反向螺纹：用于反流混合均匀，在排气段前建立压力

捏合块：提供高剪切速率，用于加强分散混合

齿形元件：提供分流，用于加强分布混合※18、什么是塑料填充？塑料填充有哪些优点？塑料填充改性就是填料与塑料、树脂的复合，一般填料的填充量较大，有时甚至可达几百份（以树脂100份计算），因此填料是塑料工业重要的、不可缺少的辅助材料。降低成本：一般填料均比树脂便宜，因此添加填料可大幅度地降低塑料的成本，具有明显的经济效益；改善塑料的耐热性：一般塑料的耐热性较低，而大部分填料属于无机物质，耐热性较高。因此这些填料添加到塑料中后可以明显地提高塑料的耐热性。改善塑料的刚性：一般塑料的刚性较差，如纯PP的弯曲模量在1000MPa左右，远不能满足一些部件的使用要求；添加滑石粉后，其弯曲模量大大增加，增刚作用明显；改善塑料的成型加工性：一些填料可改善塑料的加工性，如硫酸钡、玻璃微珠等，可以提高树脂的流动性，从而可以改善其加工性；提高塑料制品尺寸稳定性：有些塑料结晶收缩大，导致其制品收缩率大，尺寸不稳定；而添加填料后，可大大降低塑料的收缩率，从而提高塑料制品及部件的尺寸稳定性；改善塑料表面硬度：一般塑料硬度较低，表面易划伤。无机填料的硬度均比塑料的高，添加无机填料后，可大大提高塑料的表面硬度；提高强度：通用塑料本身的拉伸强度不高。添加无机填料后，在填充量适量的范围内，可以提高塑料的拉伸强度和弯曲强度；赋予塑料某些功能，提高塑料的附加值：有些填料可以赋予塑料一些功能，如添加滑石粉、碳酸钙后，可以改善PP的抗静电性能和印刷性能；中空玻璃微珠添加到塑料中后，可以提高塑料的保温性能；19、什么是塑料合金？塑料共混的目的是什么？简要论述判断两种聚合物之间的相容性原则塑料合金（聚合物共混物）是指两种或两种以上均聚物或共聚物的混合物。聚合物共混物中各聚合物组分之间主要是物理结合，因此聚合物共混物与共聚高分子是有区别的。相容性原则（1）溶解度参数相近原则：聚合物相容规律为|δ1－δ2|<0.5。（2）极性相近原则：即体系中组分之间的极性越相近，则相容性就好。（3）结构相近原则：体系中各组分的结构相似，则相容性就好。（4）结晶能力相近原则：当共混体系为结晶聚合物时，多组分的结晶能力即结晶难易程度与最大结晶相近时，其相容性就好。而晶态/非晶态、晶态/晶态体系的相容性较差。两种非晶态体系相容性较好（5）表面张力γ相近原则：体系中各组分的表面张力越接近，其相容性越好。共混物在熔融时，与乳状液相似，其稳定性及分散度受两相表面张力的控制。γ越相近，两相间的浸润、接触与扩散就越好，界面的结合也越好。（6）粘度相近原则：体系中各组分的粘度相近，有利于组分间的浸润与扩散，形成稳定的互溶区，所以相容性就好。20、什么是塑料的一次成型和二次成型？挤出成型的优点有哪些？列举至少四个采用挤出成型的塑料制品一次成型：通过一次成型就制备出塑料制品的工艺二次成型：在一次成型品的基础上，再进行成型制备出最终塑料制品的工艺挤出成型优点：①连续化，效率高，质量稳定②应用范围广③设备简单，投资少，见效快④生产环境卫生，劳动强度低⑤适于大批量生产典型挤出成型制品：塑料管材塑料薄膜塑料板塑料棒塑料片电线电缆塑料网塑料门窗异型材。21、如何确定挤出机的工作状态？通过口模特性曲线和螺杆特性曲线来确定挤出机的最佳工作状态※22、挤出成型中机头有哪几部分组成？各自作用是什么？挤出成型机头由多孔板、滤网、分流梭（锥）和口模。多孔板：是将从螺杆来的螺旋料流变为直线料流，支撑过滤网，建立压力分流锥：是将实心的料流分为圆环形的料流。口模的作用是提供管材的初始形状和尺寸，但不是最终尺寸。过滤网：过滤掉凝胶、黑点等杂质口模：是提供管材的初始形状和尺寸，但不是最终尺寸23、简单描述管材挤出成型的工艺流程管材工艺流程：关键工艺：定型(定径)作用：将机头挤出材料的形状稳定下来，得到更为精确的截面形状、尺寸和表面粗糙度，有内定径和外定径法两种。外定型：真空定型、内压定型（内通压缩空气）※24、全面论述单螺杆挤出机的常规螺杆（1）三段式螺杆常规螺杆为三段式螺杆，即：加料段、熔融段、计量段。加料段：是将物料带入螺杆和料筒形成的密闭容器中；熔融段又称压缩段：作用是提供剪切力，是塑料熔融塑化，从固体变为液体；计量段又称均化段：作用是进一步将塑料熔化，将已熔化的熔体混合（组分和温度）均匀，同时建立压力，可使均匀熔体定量地挤出。（2）螺杆参数

螺杆直径：指螺纹的外径，螺杆直径越大，产量越大；

长径比：指螺杆的有效长度和螺杆直径之比；螺杆长径比越大，混