聚合物加工原理工程分析基础

聚合物加工原理工程分析基础第1页，课件共58页，创作于2023年2月第一节高分子材料加工方法一、塑料制品成型二、橡胶制品加工成型三、合成纤维成型第2页，课件共58页，创作于2023年2月

混料挤出、注射、压延、真空吸塑等塑化成型修饰和装配

1、热塑性塑料制品成型工艺过程

一、塑料制品加工成型薄膜、管材、板材、各种杂件等。第3页，课件共58页，创作于2023年2月真空吸塑第4页，课件共58页，创作于2023年2月2、热固性塑料制品的成型例如，聚氨酯反应注射成型制备汽车零部件等酚醛树脂模塑制备板材、绝缘制品等

混料机械加工修饰装配压制交联反应注射浇注反应成型第5页，课件共58页，创作于2023年2月第6页，课件共58页，创作于2023年2月混合、混炼

复合成型

硫化

表面修饰热硫化常温硫化辐射硫化（微波、红外线、射线）轮胎、胶管、胶带、杂品等二、橡胶制品加工成型挤出压延注压贴层第7页，课件共58页，创作于2023年2月微波硫化第8页，课件共58页，创作于2023年2月电线电缆辐照硫化（Co60,EB）第9页，课件共58页，创作于2023年2月

三、合成纤维成型1、熔融纺丝混料熔融喷丝冷却牵伸卷取

聚合物加热到熔点以上，通过增压过滤，再从喷丝组件的喷丝板细孔中挤出，经牵伸、缠绕形成单丝。尼龙、聚酯、聚烯烃纤维均是熔纺的。第10页，课件共58页，创作于2023年2月2、溶液纺丝干法纺丝溶液过滤脱泡喷丝孔喷入热气体纺丝甬道溶剂回收冷却牵伸树脂溶解

卷取如，醋酸纤维素＋丙酮、聚丙烯腈＋DMF（二甲基甲酰胺）、氨纶纤维等采用干法纺丝。第11页，课件共58页，创作于2023年2月湿法纺丝树脂溶解（稀）溶液过滤溶液由喷丝孔喷入凝固池（凝固剂细丝扩散溶剂向凝固池扩散）凝固池中牵伸溶剂回收

卷取如，聚丙烯腈＋DMSO配成10～20％的溶液，水做凝固剂，还可选用NaSCN＋H2O体系。粘胶纤维为湿法纺丝。第12页，课件共58页，创作于2023年2月3、静电纺丝

静电纺丝法可以得到50-1000纳米的纤维,是得到纳米纤维最重要的方法。这一技术的核心是使带电荷的高分子溶液或熔体在静电场中流动与变形,然后经溶剂蒸发或熔体冷却而固化,于是得到纤维化物质。如，聚乙烯醇(PVA)/醋酸镁复合静电纺丝纳米纤维，壳聚糖/聚乙烯醇静电纺丝纳米纤维、聚乙烯吡咯烷酮静电纺丝纤维等。静电纺丝主要用于生物骨架材料、过滤材料、导电材料等。第13页，课件共58页，创作于2023年2月静电纺丝设备示意图第14页，课件共58页，创作于2023年2月静电纺丝TEM照片聚乙烯吡咯烷酮纤维第15页，课件共58页，创作于2023年2月/v_show/id_XNjY0MDU3Njc2.html/v_show/id_XNjY0MDYxODA4.html第16页，课件共58页，创作于2023年2月第17页，课件共58页，创作于2023年2月第18页，课件共58页，创作于2023年2月第19页，课件共58页，创作于2023年2月第20页，课件共58页，创作于2023年2月第21页，课件共58页，创作于2023年2月

第二节聚合物加工工程分析基础一、聚合物特性与加工的关系二、聚合物加工中的基本阶段三、聚合物加工中的传递现象第22页，课件共58页，创作于2023年2月一、聚合物特性与加工的关系（1）高粘度水0.01Pa•s

高分子102～109Pa•s

η高，流体流动时的驱动力高，但速度慢，不易出现湍流流动；

η高，流动-变形时，基体内摩擦生热高，聚合物温升高。1、粘度特性第23页，课件共58页，创作于2023年2月（2）粘度对工艺条件具有很强的依赖性

i.对剪切速率增高，

η降低。流变性强，即具有很强的非牛顿性。•ii.对温度T升高η。对温度具有敏感性。iii.对压力压力梯度与粘度成正比，压力梯度升高,粘度变大。粘度主要产生于液体液层之间运动时的相互摩擦力（阻滞力），所以，当液体承受的压力增大时，液层之间的阻滞力也将增大，粘度也将增大

第24页，课件共58页，创作于2023年2月

热扩散系数：10－7m2/s，比金属铜小几个数量级，故聚合物的加热、冷却需较长时间，热交换对材料厚度的依赖性强。如片材换热0.1mm0.1s1mm10s2、低热扩散性第25页，课件共58页，创作于2023年2月

一些加工设备的设计必须以形成薄层聚合物为基础。挤出机螺槽中聚合物熔化时出现熔膜，就是所谓的“薄层原理”。塑化段时：（1）螺槽深度要小，夹层的物料温度梯度大，传热速度快（2）增大剪切。(3)压力大，物料密实。

第26页，课件共58页，创作于2023年2月

固体物料在螺槽中的熔融过程

1-熔膜2-熔池3-迁移面4-熔融的固体粒子5-未熔融的固体粒子第27页，课件共58页，创作于2023年2月

高粘度（可控制弹性变形）和低热扩散性（不致快速冷却至软化点之下，便于牵伸）相结合，使有些口模的后加工成为可能，如纺丝、薄膜吹塑、片材成型。第28页，课件共58页，创作于2023年2月粘弹性对加工的影响（1）制品的表观、尺寸和模型的尺寸有差异3、熔体具有粘弹性挤出方向第29页，课件共58页，创作于2023年2月挤出口模和制品的断面形状第30页，课件共58页，创作于2023年2月（2）粘弹性有利于聚合物的单轴和双轴拉伸稳定，使高应变速率下的成型成为可能。（3）吹塑和热成型中，粘弹性对制品壁厚均匀性有调节作用。第31页，课件共58页，创作于2023年2月

流场、温度场、力场诱导聚合物材料的形态结构变化。材料结构与外界条件紧密相关4、聚合物的形态结构与加工密切相关加工条件分子结构聚合物固有属性结构参数凝聚态结构相转变温度传递特性T、P、V设备传热状况材料再形成聚集态结构制品性能第32页，课件共58页，创作于2023年2月

聚合物的本征特性（结构、流变、传递特性）与加工条件（工艺参数、设备参数、流体的传递条件）密切相关，最终决定制品的性能。

总结第33页，课件共58页，创作于2023年2月

混合、混炼、输送

预加工操作熔融塑化、脱挥解吸（聚合物、配合剂）熔体增压、泵送

挤出成型

模塑成型

成型过程压延成型

真空袋压成型

二次成型（热成型、吸塑成型）

材料预加工操作成型过程制品（后处理、检测）二、聚合物加工的基本阶段（共性）第34页，课件共58页，创作于2023年2月吸塑成型真空吸塑成型第35页，课件共58页，创作于2023年2月

预加工基本阶段口模、模塑（热压真空吸塑）、压延、浇注、涂覆、流延成型

成型前准备阶段固体颗粒的处理混合熔融增压达泵送成型阶段基本阶段＋成型阶段单元操作生产线第36页，课件共58页，创作于2023年2月三、聚合物加工中的传递现象

加工中材料由固态液态，继而流动成型。过程包括加热、冷却、混合、脱挥。所以必然伴随有三传，即热量、动量、质量传递1、三种尺度上的传递（1）分子尺度考察分子运动引起的动量、热量、质量传递。如牛顿粘度定律傅立叶热传导定律费克定律分子传递特性的参数（运动粘度系数、导热系数、分子扩散系数）第37页，课件共58页，创作于2023年2月牛顿粘度定律：运动粘度系数傅立叶热传导定律：热扩散系数Cp:单位质量的某种物质升高一摄氏度时需要吸收的热量第38页，课件共58页，创作于2023年2月费克定律：质量扩散系数－扩散通量。dCA/dy为浓度梯度。在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量（称为扩散通量Diffusionflux，用J表示）,与该截面处的浓度梯度(Concentrationgradient)成正比，也就是说，浓度梯度越大，扩散通量越大。第39页，课件共58页，创作于2023年2月（1）分子尺度动量热量质量传递＝扩散系数×动量热量质量梯度第40页，课件共58页，创作于2023年2月（2）微团尺度考察微团运动引起的传递，用连续函数的概念解析，得到流体的流动变形特点及工艺参数的量值及其分布，预测材料再形成的聚集态结构和物性。（3）设备尺度考察流体在设备中的主体运动所导致的传递，可进行总体衡量。用到的参数：摩擦阻力系数、对流给热系数、传质系数。研究中，将三种传递特性联立解析。第41页，课件共58页，创作于2023年2月（1）动量传递

η高，Re小，属于极慢的流动。在化学工程领域，边界层理论与湍流理论是经典的动量传递理论。而聚合物达不到湍流状态，边界层近似理论虽有应用，但较少。所以用爬行流和润滑近似来处理加工中的动量传递较合适。2、聚合物加工中传递现象的特点第42页，课件共58页，创作于2023年2月Hele-Shaw流动第43页，课件共58页，创作于2023年2月润滑近似假设hVVV第44页，课件共58页，创作于2023年2月

数学分析VyVzVxhVV速度分析第45页，课件共58页，创作于2023年2月hVV速度的变化分析第46页，课件共58页，创作于2023年2月

利用润滑近似假设后，可将三维运动简化为二维运动，即仅存在：简化了后续的计算。

数学分析第47页，课件共58页，创作于2023年2月

聚合物加工的不同工段，传热形式不同。

i.传热机理

传导热传递模腔加热、冷却

对流热传递半成品在空气和水槽中冷却

辐射热传递光、电、射线加热（2）热量传递

第48页，课件共58页，创作于2023年2月管材冷却第49页，课件共58页，创作于2023年2月第50页，课件共58页，创作于2023年2月ii.传热形式设计需考虑的问题传热速率很低，常设计为较大的温差。但要注意温度不能太高，会产生聚合物裂解。冷却速率直接影响到聚合物的结构，所以要考虑表皮与内部的温差问题。第51页，课件共58页，创作于2023年2月

i.质量传递机理分子扩散和对流扩散:

聚合物物系中有分子扩散，静止状态分子扩散系数很小。因为聚合物本身松弛很慢，自由体积的随机变化很小，分子间的扩散极慢。通过对流强化物质传递具有更重要的物理意义。

（3）质量传递（物质传递现象）第52页，课件共58页，创作于2023年2月ii.加工中物质传递的例子a.发泡材料制备过程中发泡剂在熔体中的扩散b.配合剂在聚合物基体中的分子和强制对流扩散c.干法纺丝中，大量溶剂需排除

湿法纺丝中，凝固剂纤维扩散纤维中溶剂凝固池中的扩散d.反应挤出过程中的脱挥处理第53页，课件共58页，创作于2023年2月iii.质量传递考虑的问题两方面的问题：

a.扩散物质的随机运动，浓度差引起的扩散；

b.基体物质的松弛特性对扩散的影响。

Alfrey引入了两个特征时间：基体的特征松弛时间λ和扩散物质特征扩散时间θ，定义Deborah数来表征扩散类型:

De＝λ/θ。第5