高分子材料(纤维、塑料等)的基本概念及生产加工原理

高分子材料(纤维、塑料等)的基本概念及生产加工原理高分子材料加工原理I

高分子材料加工原理复习提要一

一、高分子材料基本概念

1、高分子材料的基本概念及其分类;

2、常用高分子材料的英文缩写

高分子材料是以高分子化合物为主要成分，经化学处理和机械加工而成的有机材料。可以分成纤维、塑料、橡胶、涂料、胶粘剂

聚乙烯PE高密度聚乙烯HDPE低密度聚乙烯LDPE聚丙烯PP聚丁烯PB聚苯乙烯PS丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS聚氯乙烯PVC聚氟乙烯PVF聚四氟乙烯PTFE聚乙烯醇PVA聚甲基丙烯酸甲酯PMMA聚丙烯腈PAN聚甲醛(聚氧化亚甲

基)POM聚苯醚PPO聚醚醚酮PEEK聚对苯二甲酸乙二(醇)酯PET聚对苯二甲酸丁二(醇)酯PBT聚碳酸酯PC聚酰胺(尼龙)PA聚苯硫醚PPS苯酚-甲醛树脂(电木、胶木)PF甲酚-甲醛树脂CF尿素-甲醛树脂(脲醛树脂、电木)UF不饱和聚酯(树脂)UP 环氧树脂EP聚氨基甲酸乙酯(聚氨酯)PU(R)聚酯-氨酯(聚酯型聚氨酯)AU聚醚-氨酯(聚醚型聚氨酯)EU天然橡胶NR异戊二烯橡胶(异戊橡胶)IR苯乙烯-丁二烯橡胶(丁苯橡胶)SBR聚丁二烯橡胶(顺丁或反丁基橡胶)BR乙烯-丙烯橡胶(乙丙橡胶)EPR 或EPM丙腈烯-丁二烯橡胶(丁腈橡胶)ABR氯丁二烯橡胶(氯丁橡胶)CR丁基橡胶IIR

线密度(tex):1000m长的纤维所具有的重量。1tex=1g/1000m。(表示纤维粗细程度的指标)(D):9000m长的纤维具有的重量。1 T=9 D

二、化学纤维的基本概念

三、化学纤维的生产方法

1.化学纤维的生产方法主要有哪几种?熔体纺丝、湿法纺丝、干法纺丝

2.成纤高聚物应具备哪些基本性质?聚合物大分子必须是线型的、能伸直的分子，支链尽可能少，没有庞大的侧基;聚合物分子之间有适当的相互作用力，或具有一定规律性的化学结构和空间结构;聚合物应具有适当高的平均分子量和较窄的分子量分布;聚合物具有一定得热稳定性，其熔点或软化点应比允许使用温度高得多。

3.化学纤维的的生产工序主要有哪几个?原料准备、纺前准备、纺丝、后加工

4.熔体纺丝可分为哪四个步骤??制备纺丝熔体(将成纤高聚物切片熔融或

);?熔体通过喷丝孔挤出形成熔体细流;?熔体细流冷却由连续聚合制得熔体固化形成初生纤维;?初生纤维上油和卷绕

5.简述三种化纤成型方法的基本特征。

6.解释名词术语:成纤高聚物、纺丝

成纤聚合物:用于化学纤维生产地高分子化合物，称为成纤高聚物。

纺丝:将成纤聚合物的熔体或浓溶液用纺丝泵(或称计量泵)连续、定量而均匀地从喷丝头(或喷丝板)的毛细孔中挤出。而成为液态细流，再在空气、水或特定的凝固浴中固化成为初生纤维的过程称做纤维的成型或称纺丝。

四、化学纤维的品质指标及其意义

a.纤维的强度、断裂伸长率、断裂功、回弹性等指标的含义p76

断裂强力以试样拉伸至断裂时所能承受的最大负荷来表示，单位为牛

断裂强度:相对强度:试样单位线密度的纤维或纱线的断裂强力，可由绝对强力与线密度之比求得，单位为牛顿每特

断裂长度。以自身重量拉断试样所具有的长度，单位为千米

强度极限.试样单位截面所能承受的最大强力。单位为帕

此外还有打结强度和钩接强度

断裂伸长率:绝对伸长与初始试样长度的比值。值大--手感柔软

断裂功:材料拉伸至断裂时外力所做的功，反映了纤维的韧性，表征纤维及其制品耐冲击耐磨性能。

回弹性*:材料在外力作用下(拉伸或压缩)产生的形变，在外力去除后，

恢复到原来状态的能力。回弹性高---织物不易起皱，挺括。

b.用测长仪摇取某纤维100米，称其重量为1.670g,计算该纤维密度

Nt=1000w/l=1000*1.67/100=16.7tex=167dtex Nd=9Nt=150.3d

公支数=1000/16.7=59.9公支

五.高聚物流体的流变性P.135 1.什么是零切粘度，极限粘度，表观粘度，拉伸粘度?P.136 P.154

零切粘度:在低剪切速率时，非牛顿流体可以表现出牛顿性，因此由对曲线的初始斜率可得到牛顿粘度，亦称零切粘度，用表示。意为剪切速率趋于零的粘度。表观粘度:对和之比不是常数的非牛顿流体，仍与牛顿粘度相类比，取此比值定义为表观粘度。=K极限粘度:当继续提高剪切速率时，流体由非牛顿流动转为牛顿流动时的相与的粘度称为极限牛顿粘度，此时，流动进入第二牛顿区。拉伸粘度:拉伸粘度用来表示流体对拉伸流动的阻力。

2、哪些因素影响聚合物流体的流动性能?P.140~154

一)聚合物分子结构对粘度的影响聚合物分子结构包括链结构、平均分子量、分子量分布1、链结构的影响?柔性越大，非牛顿性越强?刚性增加，分子间作用越大，缠绕越多，对剪切速率的敏感度下降?支化度:分子量相同时，具有短支链的聚合物的比直链低，支链越长，增加。2、平均分子量的影响聚合物的粘度随平均分子量的增大而增加。当聚合物在临界平均分子量以上时，由于大分子链间发生缠结，其流体粘度随平均分子量的增加而急剧增大。3、分子量分布的影响在平均分子量相同、分子量分布不同时，聚合物熔体的粘度随分子

量分布宽度而迅速下降，其流动行为表现出更多的非牛顿性。分子量分布窄的聚合物在较宽的剪切速率范围内流动时，表现出更多的牛顿特性。二)聚合物溶液浓度对粘度的影响浓度越高，非牛顿性越显著对刚性链聚合物:1、在浓度较低的范围内，粘度随浓度的增大而增大2、当体系中形成交缠的网络结构时，粘度有极大值，相应的浓度为临界浓度3、当C(极限浓度)时，出现各向异性，各向异性溶液的粘度较各向同性粘度低，随溶液浓度的提高，粘度继续下降。4、在浓度进一步提高时，大分子链发生高度聚集，因而粘度在通过低谷值之后，又复增加。三)温度对粘度的影响聚合物流体的粘度随温度的提高呈指数关系下降，符合Arrhenius 方程式。四)溶剂性质对粘度的影响?溶剂粘度?，同样浓度聚合物的粘度?，良溶剂，则同样浓度下粘度??溶剂的溶解能力强，体系的相对粘度小。(溶液的结构化程度用相对粘度/来表示)?体系中混入杂质，则

混合对粘度的影响1、共混物组成对粘度的影响共混物流体为会改变溶液的五) 切力变稀流体，其粘度随剪切应力增加而减少。2、粒子填充剂对粘度的影响?一般固体物质的加入会使聚合物的剪切粘度有所增大，?在聚合物中加入有限的溶剂或增塑剂时，分子间距离增大，缠结减少，体系粘度下降。六)流体静压流体的剪切粘度大小与分子间的作用力密切相关，因为它决定了分子间的动量传递，压力使流体体积收缩，从而减小了分子间的间距而增强了流体分子间的作用力，故流体静压力导致流体粘度增高。

3、聚合物流体有几种流动类型?切力变稀流体随g增加粘度下降的原因是什么?P.135~137流动类型:牛顿流体非牛顿流体(假塑性流体(切力变稀流体)、胀流性流体(切力增稠流体)、宾厄姆流体)表观粘度随剪切速率增大而减小n 1表观粘度随剪切速率增大而增大n 1宾厄姆流体必须克服某仪临界剪切应力才能使其产生牛顿流动。聚合物流体切力变稀的原因在于?大分子链间发生的缠结。?链段的取向链段的取向效应导致大分子链在流层间传递动量的能力减少，因而流层间的牵曳力

也随之减小，表现为表观粘度下降;链段取向的另一个后果是瞬变网络结构因贮存内应力而产生弹性形变，因而非牛顿粘弹性体往往是在切力变稀的同时显现弹性现象?当剪切应力增大时，大分子链发生脱溶剂化，使大分子链有效尺寸变小，引起粘度下降

4、聚合物流体有哪些弹性表现?P.159聚合物弹性的本质是什么?的P.160弹性表现:弹性回缩、蠕变松弛、孔口胀大效应、爬杆效应、剩余压力现象、孔道的虚构长度。大分子在应力作用下构象熵减小，外力解除后，聚合物大分子会自动恢复至熵的最大平衡构象上来，因而表现出弹性回复。聚合物弹性的本质是熵弹性。

5、加工条件如何影响聚合物的弹性?P.162~164 1、温度的影响升温有利于弛豫过程的进行，提高温度可明显降低熔体的挤出胀大效应。减小弹性表现程度2、浓度的影响随浓度的升高，聚合物溶液出现显著的非牛顿性和法向应力效应，浓度越高，溶液弹性越突出。3、剪切速率的影响剪切速率越大，流体入口压力降、法向压力差、胀大比越大;当聚合物的平均分子量分布加宽或聚合物分子内有长链分支时，剪切速率对聚合物的弹性影响更大，因为此时聚合物流体内的弹性能贮存较高，弹性效应显著。4、流动几何条件的影响导孔变化缓慢，入口效应小;毛细孔的长径比越大，弹性的表现降低。

6、流动曲线对聚合物加工有何指导意义?P138

流动曲线在较宽广的剪切速率范围内描述了聚合的剪切粘性。这种剪切粘性是其内在结构的反映，当流体内聚合物的链结构、平均分子量、分子量分布以及链间的结构化程度发生变化时，流动曲线相应地发生变化。六、化学纤维成型原理

1.名词术语解释:纺丝线纺程纺丝可纺性初生纤维的溶胀度、等固凝固、稀释凝固、.浓缩凝固

纺丝线:对纺丝流体挤出细流和固化初生纤维的总称。纺程:从喷丝板到卷绕点之间的距离纺丝:将纺丝流体(聚合物熔体或溶液)以一定的流量从喷丝孔挤出，固化而成为纤维的过程。可纺性:是指流体承受稳定的拉伸操作所具有的形变能力，即流体在拉伸作用下形成细长丝条的能力。初生纤维的溶胀度:初生纤维的溶胀度等于湿态下丝条的重量除以干态下丝条的重量。也等于液固

。只在湿法纺丝中存在。等固凝固:稀释凝固:传质通量比大于第一临比加1 界切线，小于等于1的区域内，纺丝线聚合物含量沿途径下降，但当凝固剂浓度增加到一定值是均相变为两相体系。相变的结果使体系固化，形成疏松的不均匀结构。浓缩凝固:传质通量比大于1，小于等于第二临界切线的区域内，纺丝线聚合物含量沿途径不断增加，并且所有的途径都进入两相区，固化是由于相变和聚合物含量增加的结果。

2、何谓取向结晶?试述其特点。P.200~204

所谓取向结晶，通常是指在聚合物熔体、溶液或非固体中，大分子链由或多或少的取向状态到开始结晶的过程。特点:结晶聚合物的结晶速度随张应力和纺速的提高而增加结晶体的结构随纺速不同而不同。结晶聚合物的形态随分子取向程度的不同而变化结晶温度和结晶速率升高。(1、从结晶理论来看，大分子取向规整区域越大，生成晶核的临界温度越高。2，从热力学来看，取向比未取向体系的熵值低，所以从熔体转变成晶体时，取向体系的熵值变化较小，即自由能变化较大，这样，就能使那些在未取向体系中不稳定的亚稳晶核稳定下来，即增大晶核的生成速率。

3、纺丝过程的取向机理及发展。P.196~200 1，处于熔体状态下的流动取向机理2，纤维固化之后的形变取向机理发展:取向度沿纺程分布。流动形变区，结晶取向区，塑性形变区。(PET这类在纺程上基本不结晶的聚合物，可以在很宽的纺速范围内充分发展卷绕丝取向。所以可以通过高速纺丝制取。PP在纺程上易结

晶，其结晶度在纺程上发展很快，从而使卷绕丝除发生液态的分子取向外，还发生微晶取向，因此，双折射很快达到饱和值。由于纺程上的应力水平不足以结晶聚合物进一步取向，因此继续提高纺速，双折射变化缓慢。显然，其高速纺丝效果不如PET)

4、试述纺程上纺丝线轴向所受的各种力的物理意义并写出轴向平衡方程式,以熔纺为例。如何用简便方法求丝条表面摩擦系

数?P.188~194Fr(X)=Fr(0)+Fs+Fi+Ff– FgFg质量力，使流体质点处于一个力场中受到的作用力。Fs纺丝液的拉伸流动使一个流体比表面积增大的过程，但表面张力要使液体表面趋于最小。这是一种抗拒拉伸的作用力。Ff纺丝线在空气中运动时，表面积与介质之间因相互运动而产生摩擦阻力。Fi聚合物熔体从喷丝孔挤出后，在纺丝线上加速，物体加速要克服物体的惯性。Fr流变力指纺丝线截面所受的张力。

5、如何用简便方法求丝条表面摩擦系数?

6、纺丝过程有哪些基本规律?何谓"稳态"纺丝?P.178~179 1，在纺丝线的任何一点上，聚合物的流动是稳态的和连续的2，纺丝线上的主要成型区域内，占支配地位的形变是单轴拉伸3，纺丝过程是一个状态参数(温度，应力，组成) 连续变化的非平衡态动力学过程4，纺丝动力学包括几个同时进行并相互联系的单元过程

稳态纺丝是指纺丝线上的任何一点都具有各自恒定的状态参数，不随时间而变化。常数

7、什么叫双扩散?传质通量的物理意义是什么?P.211双扩散是原液细流中的溶剂向凝固浴扩散和凝固浴中的沉淀剂向原液细流扩散。传质通量是组分在沿x轴方向)，每秒通过垂直于x轴方向(其面积为? 2)的物质的一维传递中( 克数

8、试述影响熔体纺丝初生纤维冷却长度LK的影响因素。P.193~195 Lk受冷却吹风时的传热系数、环境介质温度、熔体的等压热容Cp、丝条直径、丝条速度、熔体的挤出温度等因素的影响，其中α的影响最大，一般α增大一倍，LK减少一半

9、化学纤维的纺丝凝固机理有哪几种?简述之。稀释凝固:传质通量比大于第一临界切线，小于等于1的区域内，纺丝线聚合物含量沿途径下降，但当凝固剂浓度增加到一定值是均相变为两相体系。相变的结果使体系固化，形成疏松的不均匀结构。浓缩凝固:传质通量比大于1，小于等于第二临界切线的区域内，纺丝线聚合物含量沿途径不断增加，并且所有的途径都进入两相区，固化是由于相变和聚合物含量增加的结果。

10、何谓皮性芯结构?造成湿法纺丝初生纤维皮芯结构的主要原因是什

么?P.217~219

初生纤维形态结构沿径向有结构上的差异，这个差异继续保留到成品纤维中，从超分子结构方面看，皮层的序态较低，结构比较均一，晶粒较小，取向度较高。

假说:1，在纺丝原液细流中，处于细流周边和内部的聚合物的凝固机理不同,以及凝固剂在纤维内部分布不均匀，导致皮层和芯层的结构不同。2，纺丝原液在喷丝孔口处的膨化效应，导致细流外表层的"拉伸效应"，对皮层和芯层的形成也有一定影响3，在喷丝头拉伸区中，皮层已经凝固，而芯层尚处于粘流状态，使纺丝张力主要作用是在纺丝线表面的冻胶层上，从而使纤维沿纤维径向分布的各层具有不同的取向度4，外层大分子链在喷丝孔内产生的取向，在凝固浴中快速冻结，而内层因凝固速率较慢，取向的分子链发生解取向。

11、纺丝线上的速度,速度梯度,拉伸黏度及直径的常规分布是怎样的?初生纤维结构主要在何处形成?P186~188初生纤维结构主要在?区形成

12、挤出细流的类型有哪几种?纺丝中正常的类型是哪种?P.183~184液滴型漫流型胀大型破裂型胀大型是纺丝中正常的类型

七、纤维拉伸与热定型

1、常用的拉伸方法有几种?P.241

干拉伸(室温拉伸、热拉伸)、蒸汽浴拉伸、湿拉伸

2、PA6与PET长丝拉伸方法有何不同?为什么?P.242 PA6是室温拉伸，因为它的玻璃化温度低，结晶度低。PET是热拉伸，因为它的玻璃化温度高，结晶度低。

3、何谓细颈拉伸、冷拉伸、均匀拉伸?P.261~263

细颈拉伸:处于不可拉伸与均匀拉伸之间的拉伸温度区域的拉伸均匀拉伸:拉伸时不出现应力集中冷拉伸:具有C型应力-应变曲线的拉伸过程。

4、用蠕变方程解释纤维在拉伸中的形变机理。P.243~244

蠕变方程:普弾形变:瞬间发生，是大分子主链的键角和键长受力后发生的形变。形变与应力同相位，形变能马上回复;弹性模量很大，形变值很小高弹形变:大分子链在引力作用下，由卷曲构象转化为伸展构象的宏观表现。形变滞后于应力，有明显的时间依赖性。是一种松弛过程。模量较小，形变量大。塑性形变:聚合物在外力作用下，大分子链间产生相对滑移的宏观表现。形变是完全不可回复的。

5、C型拉伸曲线有何特点?何谓自然拉伸比最大拉伸比断裂强度断裂伸长

P.262~263 C型(先凸后凹)1、形变的初始阶段:很陡的直线段，发生单位形变的应力很大，即杨氏模量很大，而总的形变量很小，为普弾形变。2、ab段，开始偏离直线，基本上可复。曲线的斜率随拉伸倍数的提高而下降。到b点，应力达到极限，b点为屈服点。3、bc段，应力稍有下降，与此同时，在纤维的一处或几处出现细颈。就是生产上所说的的"拉伸点"或"拉伸区"。4，cd段，细颈的发展阶段，形变很大的变化，但应力却保持不变。未拉伸的部分逐渐被拉伸而消失，细颈发展到整根纤维。D点相对应的拉伸倍数为自然拉伸比。自然拉伸比定义为原纤

维的截面积与细颈截面积之比。5，de段，应变硬化区，应力上升，纤维形变变化表现为直径均匀的同时变细，直至e点，拉伸应力增加到了纤维的强度极限，纤维断裂。E点的应力成为断裂应力(断裂强度)，相应的应变为断裂伸长。与e点相对应的拉伸倍数为最大拉伸倍数。

6、定长热定型与松弛热定型的结构以及性能的影响有何不同?P.280~287(有待完善)

A.热定型过程中纤维结构变化

1.定长热定型所得纤维的结晶度保持不变或比松弛热定型增加的较慢;

2.松弛热定型一般会鞥大微晶的尺寸，特别是垂直于纤维取向方向上的尺寸;

3.在张力热定型下双折射保持不变或有所增大，而松弛热定型时，双折射随温度的增加而明显下降;

4.纤维有规折叠链的数目随温度升高有所增加，松弛热定型增加最快，定长型热定型次之。

B.热定型对纤维物理-机械性质影响

1.松弛热定时，随着定型温度的提高，纤维的断裂伸长有所增大，断裂强度，屈服应力和初始模量有所减少，断裂功有所增大。

7、什么是经验"转变温度"，它在热定型工艺中有何意义?P.284~291

经验"转变温度"Tt定义为粘弹回复速率等于10%/min时的温度，即此温度相当于松弛时间为10min它通常比Tg高20~100?。选择原则:Tt应选在Tg和Tm之间，实际定型温度比Tt高得多，一般而言，热定型温度应高于纤维或其织物的最高使用温度，以保证使用条件下的稳定性。亲水性纤维:湿态下Tt明显降低疏水性纤维:干态和湿态的Tt相同对于PAN，PET,处于两者之间。

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