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1、材料的加工性质 绪论第一节聚合物材料的加工性一 聚合物的可挤压性二 聚合物的可模塑性三 聚合物的可纺性四 聚合物的可延性第二节聚合物在加工过程中的粘弹行为一 聚合物的粘弹性形变与加工条件的关系二 粘弹性形变的滞后效应主讲人 绪论 聚合物加工是将聚合物 有时还加入各种添加剂 助剂或改性材料等 转变成实用材料或制品的一种工程技术 要实现这种转变 就要采用适当的方法 研究这些方法及所获得的产品质量与各种因素 材料的流动和形变的行为以及其它性质 各种加工条件参数及设备结构等 的关系 就是聚合物加工这门技术的基本任务 加工过程中聚合物表现出形状 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
2、求而进行的 例如将粒状或粉状聚合物制成各种型材 各种形式的制品等 大多数情况下总是使聚合物流动或变形来实现形状的转变 材料结构的转变包括聚合物组成 组成方式 材料宏观与微观结构的变化等 这种转变主要是为满足对成品内在质量的要求而进行的 一般通过配方设计 原材料的混合 采用不同加工方法和成型条件来实现 大多数情况下 聚合物加工通常包括两个过程 1 使原材料产生变形或流动 并取得所需要的形状 2 设法保持取得的形状 即固化 聚合物加工与成型通常有以下形式 1 聚合物熔体的加工2 类橡胶状聚合物的加工3 聚合物溶液的加工4 低分子聚合物或预聚物的加工5 聚合物悬浮体的加工 根据加工方法的特点或聚合物
3、在加工过程变化的特征 可用不同的方式对这些加工技术进行分类 常见的一种分类方法是根据聚合物在加工过程是否有物理或化学变化 而将这些加工技术分为三类 第一类是加工过程主要发生物理变化 热塑性聚合物的加工属于此类 例如注射成型 挤出成型 压延成型等 加工过程中聚合物都必须加热到软化温度或流动温度以上 通过塑性形变或流动而成型 并通过冷却固化而得成品 第二类是加工过程只发生化学变化的 如铸塑成型中单体或低聚物在引发剂或热的作用下因发生聚合反应或交联反应而固化第三类则是加工过程中同时兼有物理和化学变化的 热固性塑料的模压成型 注射成型和传递模塑成型以及橡皮的成型等 这些加工技术大致包括以下四个过程 1
4、 混合 熔融和均化作用 2 输送和挤压 3 拉伸或吹塑 4 冷却和固化 第一节聚合物材料的加工性 高分子具有一些特有的加工性质 如良好的可塑性 可挤压性 可纺性和可延性 正是这些加工性质为高分子材料提供了适于多种多样加工技术的可能性 也是高分子能得到广泛应用的重要原因 根据高分子所表现的力学性质和分子热运动特征 可将其划分为玻璃态 高弹态和粘流态 通常称这些状态为聚集态 高分子的分子结构 高分子体系的组成 所受应力和环境温度等是影响聚集态转变的主要因素 在高分子及其组成一定时 聚集态的转变主要与温度有关 不同聚集态的高分子 由于主价健与次价健共同作用构成的内聚能不同而表现出一系列独特的性质 这
5、些性能在很大程度上决定了高分子材料对加工技术的适应性 并使高分子在加工过程表现出不同的行为 线型聚合物的聚集态与成型加工的关系示意图 处于Tg以下的聚合物为坚硬固体 一般采用机械加工实例 聚甲醛通过机械切削的二次加工生产的板材和棒材等 高弹态的上限温度是Tf 由Tf 或Tm 开始聚合物转变为粘流态 这一转变区域常用来进行压延成型 某些挤出成型和吹塑成型等实例 聚乙烯挤出成型加工温度 140 280 比Tf更高的温度使分子热运动大大激化 材料的模量降低到最低值 聚合物熔体形变的特点是不大的外力就能引起宏观流动 形变主要是不可逆的粘性形变 冷却聚合物就能将形变永久保持下来 因此这一温度范围常用来进
6、行熔融纺丝 注射 挤出 吹塑和贴合等加工实例 纤维纺丝 一 聚合物的可挤压性 聚合物在加工过程中常受到挤压作用 例如聚合物在挤出机和注塑机料筒中 压延机辊筒间 以及在模具中都受到挤压作用 可挤压性是指聚合物通过挤压作用形变时获得形状和保持形状的能力 材料的挤压性质与聚合物的流变性 剪应力或剪切速率对粘度的关系 熔融指数和流动速度密切有关熔融指数是评价热塑性聚合物特别是聚烯烃的挤压性的一种简单而实用的方法 它是在熔融指数仪中测定的 这种仪器只测定给定剪应力下聚合物的流动度 简称流度 即粘度的倒数 用定温下10分钟内聚合物从出料孔挤出的重量 克 来表示 熔融指数测试仪FR 1811A用于测定各种高
7、聚物在粘流状态时熔体流动速率MFR值 它既适用于熔融温度较高的聚碳酸酯 聚芳砜 氟塑料 尼龙等工程塑料 也适用于聚乙烯 PE 聚苯乙烯 PS 聚丙烯 PP ABS树脂 聚甲醛 POM 聚碳酸酯 PC 树脂等熔融温度较低的塑料测试 广泛地应用于塑料生产 塑料制品 石油化工等行业以及相关院校 科研单位和商检部门 由上图可知 一 分子量越大 聚合物流动性越差 熔融指数越小二 聚合物中所含支链越多 分子粘度越高 熔融指数越小三 熔融指数大小与温度也有关系 温度越高 熔融指数越大 如果温度过高 聚合物可能发生交联反应 粘度增大 熔融指数变小 二 聚合物的可模塑性 可模塑性是指材料在温度和压力作用下形变和
8、在模具中模制成型的能力 可模塑性主要取决于材料的流变性 热性质和其它物理力学性质等 热固性聚合物还与聚合物的化学反应性有关 过高的温度 虽然熔体的流动性大 易于成型 但会引起分解 制品收缩率大 温度过低时熔体粘度大 流动困难 成型性差 适当增加压力 能改善聚合物的流动性 但过高的压力将引起溢料 熔体充满膜腔后溢至模具分型面之间 和增大制品内应力 压力过低时则造成缺料 加工过程广泛用来判断聚合物可模塑性的方法是螺旋流动试验 它是通过一个阿基米德螺旋形槽的模具来实现的 聚合物熔体在注射压力推动下 由中部注入模具中 伴随流动过程熔体逐渐冷却并硬化为螺线 螺线的长度反映不同种类或不同级别聚合物流动性的
9、差异 螺线愈长 聚合物流动性愈好 三 聚合物的可纺性 可纺性是指聚合物材料通过加工形成连续的固态纤维的能力 它主要取决于材料的流变性质 熔体粘度 熔体强度以及熔体的热稳定性和化学稳定性等 作为纺丝材料 首先要求熔体从喷丝板毛细孔流出后能形成稳定细流 四 聚合物的可延性 可延性表示无定形或半结晶固体聚合物在一个方向或二个方向上受到压延或拉伸时变形的能力 材料的这种性质为生产长径比很大的产品提供了可能 利用聚合物的可延性 可通过压延或拉伸工艺生产薄膜 片材和纤维 随着取向程度的提高 大分子间作用力增大 引起聚合物粘度升高 使聚合物表现出 硬化 倾向 形变也趋于稳定而不再发展 取向过程的这种现象称为
10、 应力硬化 当应力达到e点 材料因不能承受应力的作用而破坏 这时的应力称为抗张强度或极限强度 形变的最大值称为断裂伸长率 第二节 聚合物在加工过程中的粘弹行为 一 聚合物的粘弹形变与加工条件的关系 聚合物的总形变由普弹性变 推迟高弹形变和粘流形变组成 可用下式表示 为外作用力 t为外力作用时间 E1和E2分别表示聚合物的普弹性变模量和高弹形变 2和 3分别表示聚合物高弹形变和粘性形变的粘度 上图说明 ab段 在时间t1之前 聚合物受到外力作用产生普弹形变 普弹形变 E较小 bc段 在时间t1至t2之间 外力增加 变形增加 cd段 在时间t2时 作用力撤去 普弹形变恢复 de段 外力于时间点t2解除后一段时间 高弹形变 H完全恢复 粘性形变 v作为永久形变存留在聚合物中 二 粘弹性形变的滞后效应 松弛过程大分子的形变经过一系列的中间状态过渡到与外力相适应的平衡状态的过程可以看作是松弛过程 松弛时间通常将聚合物于一定温度下 从受外力作用开始 大分子的形变经过一系列的中间状态过渡到与外力相适应的平衡态的过程看成是一个松弛过程 过程所需的时间称为松弛时间 滞后效应由于松弛过程的存在 材料的形变必然落后于应力的变化 聚合物对外力响应的这种现象称为滞后效应 谢谢
