高分子课后习题答案

高分子材料加工成型原理

课后练习题参考答案

2015-1-4

整理：二专业の学渣

材料科学与工程学院

第一章

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温度范围对成型制品进行热处理，可以缩短大分子形变的松弛时间，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、比较塑性形变和粘弹性形变的异同点。

答：同：都是不可逆变形。

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瞬时。

3、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：玻璃态、高弹态、粘流态称为聚合物的力学三态。

（1）玻璃态：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。

第二章

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。

答：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 高到一定程度后才开始。

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。

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。

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？

答：（1）根据聚合物粘度的温敏特性，当聚合物处于粘流温度以上不宽的温度范围内时，用

Andrade公式：选择尽可能打

的温度作为加工条件。当温度包括从玻璃化温度到熔点这样打的温度范围时，用W.L.F方程：

计算温度T时的年度选择加工条件。

（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。对于粘度对剪切速率敏感的一类聚合物，通过调整熔体剪切速率（或剪切力）来改变熔体粘度。

3、影响聚合物粘度的因素分别有哪些？

答：影响聚合物流变形为的主要因素有应力、应变速率、温度、压力和分子参数和结构、相对分子质量及其分布、添加剂……等。

温度对粘度的影响

一般来讲，T ↑，链段活动能力↑，自由体积↑，分子间相互作用↓，聚合物熔体η↓，流动性增大。

压力对粘度的影响

一般来说：压力↑粘度↑

第三章

1.压力流动、收敛流动、拖曳流动的定义及各自常见发生场合。

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。<受力:压力、剪切力>；聚合物成型时在管内的流动多属于压力梯度引起的剪切流动。如注射时流道内熔体的流动。

收敛流动：在截面积逐渐减小的流道中的流动。<受力:压力、剪切力、拉伸力>；多发生在在锥形管或其他截面积逐渐变小的管道中。

拖拽流动：在具有部分动件的流道中的流动。<受力：拉伸力、剪切力>，如在挤出机螺槽中的聚合物流动以及线缆包覆物生产口模中。

2.用简图表示牛顿流体及非牛顿流体在圆管中的流动特征各是什

么？

答：牛顿流体在圆管中流动特征：

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。

流体速度：液体在圆形管道中的流动时具有抛物线型的速率分布；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。

非牛顿流体流动的特征：

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。（与牛顿流体相同）

流体速度：对于膨胀性非牛顿液体(n＞1)，速度分布曲线变得较为陡峭，n值愈大，愈接近于锥形；对假塑性非牛顿液体(n＜1)，分布曲线则较抛物线平坦；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。

牛顿流体：

非牛顿流体：

（1）n值不同的流体在圆管的流速分布：

（2） n 值不同的流体在圆管的剪切速率分布：

（3）n值不同的流体在圆管的剪切力分布：

3、聚合物加工中，对于尺寸变化的管道中通常采用一段有收敛作用的管道来连接，是何原因？

答：避免任何死角的存在，减少聚合物因过久停留而引起的分解，同时有利于降低流动过程因强烈扰动带来的总压力降，减少能耗，减少流动缺陷，提高产品质量和设备生产能力。

4、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：入口效应和出口效应对聚合物加工都是不利的，特别是注射、挤出和纤维纺丝过程中，引起制品变形和扭曲，降低制品尺寸稳定性，甚至引起制品内应力。

降低方法：（1）提高加工温度；

（2）适当减小剪切应力；

（3）增大L/D（增加管子长度、增加管径、L/D增加，减小入口端的收敛角）；

（4）对挤出物加以适当牵引。

第四章

1.加工成型过程中影响结晶的因素。

答：1、冷却速度的影响2、熔融温度和熔融时间的影响3、应力作用的影响：压力影响球晶的大小：压力低能生成大而完整的晶体；高压下形成小而形状不规则的球晶。压应力会使聚合物的结晶温度提高。4、低分子物和固体杂质的影响

2、聚合物结晶对制件性能的影响有哪些？

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高，制品硬度提高、弹性模量提高、拉伸强度提高、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。

（3）结晶对热及其它方面的影响

a、结晶有利于提高制品的耐热性，结晶度提高，耐热性提高。

b、结晶性聚合物，分子链排列规整、紧密，与无定形聚合物相比，能更好地阻挡各种试剂的渗入，所以结晶度提高，耐溶剂性提高。

c、结晶度提高，产品收缩率增加。

3.聚合物取向对制件性能的影响有哪些？

答：力学性能

①单轴取向：取向方向上制品的拉伸屈服强度↑，模量↑，压缩屈服强度↓，非晶聚合物断裂伸长率↑，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。

②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↑，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。

4.成型加工过程中如何避免聚合物的降解？

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

1、塑料制品中有哪些原材料和添加剂？其各自的作用？

答：（1）原材料：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

（2）作用

增塑剂作用：降低塑料的软化温度范围、提高其加工性、柔韧性或延展性

防老剂作用：（1）抑制聚合物的降解作用：稳定剂——去除聚合物中原有的和新形成的活性中心，以抑制聚合物继续降解。（2）抑制聚合物的氧化作用：抗氧剂——能代替易受氧化分解的聚合物与氧反应，防止或推迟氧对聚合物的影响，抑制聚合物的氧化。

填料作用：①降低成本，减少聚合物消耗；②提高制品性能。

润滑剂作用：是减少分子之间、聚合物粒子之间、树脂和填料之间的摩擦，以及熔体和设备、制品和模具之间的摩擦，以改善加工流动和脱模性。

着色剂作用：使制品获得鲜艳的色彩，增进美观。

固化剂作用：使树脂完成或加快交联反应的物质。

2、一般如何区分混合、捏合、塑炼这三种混合过程？

答：三个基本概念：

混合：指粉状固体物的混合。

捏和：是指液体和粉状（纤维状）固体物料的浸渍与混合。

塑炼：指塑性物料与液体或固体物料的混合。

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，而塑炼是在高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.分别指出理想的增塑剂和防老剂所具有的性质。

1、理想增塑剂：增塑剂和聚合物有良好的相容性

2、塑化效率高

3、低挥发性

4、耐寒性好

5、耐老化性好

6、耐久性好

7、电结缘性好

8、具有难燃性

能9、要求尽可能是无色、无臭、无味、无毒10、耐霉菌性好11、配置增塑剂糊的黏度稳定性好12、良好耐化学药品和耐污染性好13、价格低廉

2、理想防老剂：防老效果高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

第六章

作业1

1.简述单螺杆挤出机的基本结构，机头和口模的组成部件。

基本结构主要包括：传动装置、加料装置、料筒、螺杆、机头与口模。螺杆的主要参数：直径、长径比、压缩比、螺距螺槽深度、螺旋角、杆筒间隙机头与口模：主要组成：滤网、多孔板、分流器、模芯、口模和机颈等。

2.分析挤出机主要螺杆参数对加工过程的影响。

(1)直径（D）

D↑，加工能力↑。挤出机生产率∝D2，D通常为30～200mm；(2)长径比（L/D）

（螺杆工作部分有效长度/直径）：L/D↑，改善物料温度分布，有利于混合及塑化，生产能力↑；但L/D过大，物料可能发生热降解，螺杆也可能因自重而弯曲，功耗增大；L过小则塑化不良。

L/D通常为18～25；

(3)压缩比A（螺杆加料段第一个螺槽与均化段最后一个螺槽的容积比）：

压缩比↑，塑料受到的挤压作用↑；A通常为2～5；

(4)螺旋角φ（螺纹与螺杆轴线的垂直面的夹角）：

φ↑，生产能力↑，对塑料的剪切作用和挤压力↓。通常φ=10 ～30o。

若用等距螺杆，螺距=直径，则φ=17o41’。

(5) 螺槽深度（h）：

h↓，剪切速率↑，传热效率↑，混合及塑化效率↑，生产率↓。

螺槽深度与物料的稳定性有关。对剪切比较敏感的塑料如PE，PA适合选择较浅的螺槽，对剪切速率不太敏感的塑料如PVC，PC等，应选择较深螺槽。

3.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：根据物料在螺杆中的变化特征将螺杆分为三个部分：

加料段（Ⅰ）、压缩段（Ⅱ）、均化段（Ⅲ）

（1）加料段的作用：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。

（2）压缩段(迁移段)的作用：是压实物料，使物料由固体转化为熔融体，并排除物科中的空气。

（3）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.比较注塑螺杆和挤出螺杆在结构上的主要差别。

答：注塑螺杆和挤出螺杆在结构上的主要差别：

（1）注塑螺杆长径比比挤出螺杆小；

（2）注塑螺杆均化段螺槽深度比挤出螺杆深；

（3）注塑螺杆压缩比比挤出螺杆小；

（4）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；

（5）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。

（6）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。

5.分析注射压力和速度对加工性能和制品性能的影响。

（1）注射压力：

注射P ↑→充模速度↑，充模顺利，ρ↑，性能↑，但内应力↑。

（2）注射速度：

①慢速注射

顺利排出空气。

速度过慢，产生熔接痕。

低温流动和较高的剪切应力产生流动取向，影响制品强度和热稳定性。

②快速充模

内应力小，制品的熔接强度高。

充模过快，产生湍流、喷射，材料烧伤及分解，使制品质量不均匀，表面常有裂纹。

作业2

1.压延成型的原理是什么？

答：将模塑料在已加热到指定温度的模具中，然后闭合模具加压加热，使物料熔融流动并均匀地充满模腔，在加热加压下经过一定时间，使其发生化学交联反应而变成具有三维体型结构的热固性塑料制品。

2.什么是压延效应？

答：物料在压延过程中，在通过压延辊筒间隙时受剪切力作用，大分子作定向排列，以致制品物理力学性能会出现纵、横方向差异的现象，即沿片材纵向(沿着压延方向)的拉伸强度大、伸长率小、收缩率大；而沿片材横向(垂直于压延方向)的拉伸强度小、伸长率大、收缩率小。

这种纵横方向性能差异的现象就叫做压延效应。

（压延效应产生的原因及消除方法

产生这种现象的原因主要是由于高分子链及针状或片状的填料粒子，经压延后产生了取向排列。

压延效应消除的方法是提高温度、降低压延速度。）

第七章

1.分析一次成型和二次成型的异同。

一次成型：

通过加热使塑料处于粘流态的条件下，经过流动、成型和冷却硬化(或交联固化)，而将塑料制成各种形状的产品的方法。

二次成型：

将一次成型所得的片、管、板等塑料成品，加热使其处于类橡胶状态（高弹态）(在材料的Tg～Tm或Tf)，通过外力作用使其形变而成型为各种较简单形状，再经冷却定型而得产品。

2.二次成型的粘弹性原理。

利用聚合物推迟高弹形变的松弛时间的温度依赖性，先将聚合物材料（板、片材、管材等）在Tg～Tf温度范围内加热，使之产生形变并成型为一定形状，然后保持形变并将其冷却到玻璃化温度或结晶温度以下，使其形变冻结并固定其形状。