聚合物成型原理与工艺（共计735页，共计3部分）_部分1

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1、聚合物加工原理与工艺课程简介l学时：50 学时l学分：3 学分 l目的：了解聚合物加工性质、加工原理、加工方法与工艺及其常用设备的构造、工作原理等相关知识。绪 论课程内容l基础理论l塑料的成型加工一次成型二次成型 l橡胶加工l合成纤维的纺丝及加工 绪 论教材及参考书l教 材：高分子材料成型加工原理，王贵恒，化学工业出 版社，2001l参考书：l聚合物成型加工新技术， 美詹姆士 F.史蒂文森 ，化 学工业出版社 ，2004l聚合物加工设计与原理 ，美 D.G.贝尔德 美 D.I.科利斯 ，化学工业出版社 ，2004l聚合物加工工程 ，赵素合，张丽叶，毛立新 合编 ，中 国轻工业出版社 ，2006

2、l高分子材料成型加工，周达飞，唐颂超编，中国轻工业 出版社 ，2006 高分子材料的制备与加工，益小苏，浙江大学出版社， 1997绪 论成绩评定l平时成绩：20%l期末考试：80%绪 论绪 论高分子科学与工程：1、高分子化学2、高分子物理学3、高分子工程学高分子合成工艺高分子（聚合物）加工 聚合物加工的重要性：1、高分子材料量大（塑料、橡胶、化纤等）2、高分子材料使用面广3、控制高分子制品的最后工序4、人才需求量大聚合物加工是将聚合物转变成实用材料或 制品的一种工程技术。基本任务：研究这些方法所获得产品质量 与各种因素（材料的流动和形变的行为及其 它性质、各种加工条件参数及设备结构等） 的关系

3、聚合物加工的转变主要有三种：1、形状转变2、结构转变3、性能转变形状转变l制品必须有一定形状，这是最基本要求例如：粉料、粒料 - 型材、管材等l形状转变的方法：流动：溶解或熔融变形：机械力l固定形状的方法：固化、冷却和干燥结构转变l结构转变主要包括：组成的变化：由均质聚合物变成非均 质材料。例如：加增强剂等。微观结构变化：聚集态结构变化。例 如：结晶、取向等。 l结构转变的原因：有意的：为了实现性能变化而设计 的。例如：硫化、交联、塑化降解等。无意的：如分解等。性能转变l由结构转变引起的：结构与性能的关系聚合物加工方法的分类l按加工形式分类l按加工过程中的变化分类按加工形式分类l聚合物熔体加工

4、（一次成型）热塑型塑料： 挤出、注射、压延和模压。热固性塑料：注射、模压和传递模塑。橡胶：硫化、密炼、高温塑炼纤维：熔融纺丝。是最广泛的加工技术l类橡胶状聚合物的加工（二次成型）塑料的真空成型、压力成型和其它热成 型技术。橡胶的低温塑炼和低温混炼技术。薄膜的拉伸技术。纤维的拉伸技术。l聚合物溶液的加工流涎薄膜成型油漆 、涂料、粘合剂的使用溶液纺丝（干法、湿法）l预聚物的加工浇铸成型、热固性塑料的成型、旋转模塑 成型。l聚合物悬浮体的加工胶乳成型、聚合物糊制品。l聚合物机械的加工车、镗、刨、铣等重点是聚合物熔体加工（一次成型）和类 橡胶状聚合物的加工（二次成型）按加工过程中的变化分类l物理变化为

5、主固液固变化、结晶、取向等挤出、注射、压延、真空成型、压力成 型、热成型技术、薄膜的拉伸技术、 纤维 的拉伸技术、流涎薄膜成型、溶液纺丝（ 干法、湿法）。l化学变化为主浇铸成型l物理变化和化学变化都有橡胶的硫化、塑炼，热固性塑料的注 射、模压和传递模塑。聚合物加工的过程这些加工技术包括四个过程：（1）混合、熔融和均化作用（2）输送和挤压（3）拉伸或吹塑（4）冷却和固化本课涉及到的知识l物理、化学与数学l高分子化学与物理l化工原理、流变学、机械原理课程内容较杂、枯燥 ，但实用。 第一篇 聚合物加工的理论基础本篇内容：材料的加工性质聚合物的流变性质聚合物液体在管和槽中的流动聚合物加工过程的物理和化

6、学变化第一章 材料的加工性质聚合物加工的特点：（与金属材料、无机非金属材料相比）加工 温度低、易成型、能耗低等。聚合物特有的加工性质：良好的可模塑性（Mouldability)可挤压性(Extrudability)可纺性(Spinnability)可延性(Stretchability)。本章主要讨论与上述加工性有密切关系的基 本性质和聚合物材料加工中松弛过程的特点。第一节 聚合物材料的加工性聚合物的力学状态玻璃态（Tf): 整链能运动。易获得形变和易 通过冷却保持形变，加工容易。如热塑型塑料的 挤出、注射、压延和模压。橡胶的成型硫化、密 炼、高温塑炼，纤维的熔融纺丝。聚合物聚集态与加工方法的关

7、系一、聚合物的可挤压性定义：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变的能力。可挤压性与粘度（剪切粘度和拉伸粘度）密切相关，粘度高或粘度低，可挤压性都差。材料的挤压性质与聚合物的流变性，熔融指数和流动速率有密切的关系。右图为熔融指数测定仪结构示意图。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。用定温下2180克重物挤出时10分 钟内聚合物从出料孔挤出的重量（克） 来表示，其数值称为熔融指数（MI或 MFI）。它综合反映了剪切粘度和拉伸粘度 的大小。挤出成型熔融指数相对较低，注射 成型熔融指数相对较高。某些加工方法适宜的熔融指数值二、聚合物的可模塑性定义

8、：材料在温度和压力作用下形变 和在模具中模制成型的能力。具有可模塑性的材料可通过注射、模 压和挤出等成型方法制成各种形状的模塑 制品。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，在热固性 聚合物的情况下还与聚合物的化学反应性 有关。温度、压力与聚合物可塑性的关系螺旋流动试验螺旋流动试验模具示意图将螺线长度L与模具尺寸、加工条件、聚合物流变性以及热性能相联系得到以下关系：模具的热传导对螺旋线长 度的影响可用下图说明：由图说明进入螺槽的聚合物是 随冷却速率增加而减小的。通过螺旋流动试验可以了解聚合物在宽广的剪切应力和温度范围内的流 变性质模塑时温度、压力和模塑周期等的最佳条件聚合

9、物分子量和配方中各种添加剂成分和用 量对模塑材料流动性和加工条件的影响关系成型模具浇口和模腔形状与尺寸对材料流动 性和模塑条件的影响。影响聚合物可模塑性因素温度：过高的T，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；T过低时熔体粘 度大，流动困难，成型性差；且因弹性发展，明显 地使制品形状稳定性差。压力：适当增加P，通常能改善聚合物的流动 性，但过高的P将引起溢料和增大制品内应力，P过 低时则造成缺料。模塑条件不仅影响聚合物的可模 塑性，且对制品的力学性能、外观、收缩以及制品 中的结晶和取向等都有广泛影响。影响聚合物可模塑性因素聚合物的热性能:如导热系数、热焓、比热等影响它加热

10、与冷却 的过程，从而影响熔体的流动性和硬化速度，因此 也会影响聚合物制品的性质(如结晶、内应力、收 缩、畸变等)。模具的结构尺寸:影响聚合物的模塑性，不良的模具结构甚致会 使成型失败。三、聚合物的可纺性定义：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。熔体细流的稳定性可简单表示为：Lmax为熔体细流最大稳定长度，d为喷丝板毛细孔 直径。作为纺丝材料还要求在纺丝条件下，聚合物有良 好的热和化学稳定性，因为聚合物在高温下要停留较 长的时间并要经受在设备和毛细孔中流动时的剪切作 用。四、聚合物的可延性定义：无定形或半结晶

11、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。但工业生产上 仍以拉伸法用得最多。线型聚合物的可延性 来自于大分子的长链结 构和柔性。当团体材料 在TgTm(或Tf)温度区间 受到大于屈服强度的拉 力作用时，就产生宏观 的塑性延伸形变。在形 变过程中在拉伸的同时 变细或变薄、变窄。材 料延伸过程的应力应 变关系如图所示聚合物拉伸时典型的应力应变图可延性的影响因素聚合物的可延性取决于材料产生塑性形变的能力和应 变硬化作用。形变能力与固体聚合物所处的温度有关，在TgTm

12、(或 Tf)温度区间聚合物分子在一定拉应力作用下能产生塑性流 动，以满足拉伸过程材料截面尺寸减小的要求。对半结晶聚合物拉伸在稍低于Tm以下的温度进行，非 晶聚合物则在接近Tg的温度进行。适当地升高温度，材料的可延伸性能进一步提高，拉 伸比可以更大，甚至一些延伸性较差的聚合物也能进行拉 伸。第二节 聚合物在加工过程中 的粘弹行为聚合物在加工过程中通常是从固体变为液体(熔融和流动)，再从液体变为固体(冷却和硬化)，所以加工过程中聚合物于不同条件下会分别表现出固体和液体的性质，即表现出弹性和粘性。但由于聚合物大分子的长链结构和大分子运动的逐步性质，聚合物的形变和流动不可能是纯弹性的或纯粘性的，而是弹

13、性和粘性的综合即粘弹性的。一、聚合物的粘弹性形变与加工条件的关系按照经典的粘弹性理论，加工过程线型聚合物的总形 变g可以看成是普弹形变gE、推迟高弹形变gH和粘性形变 gV三部分所组成，可用下式表示：式中s为作用外力； t为外力作用时间；E1和E2分别表 示聚合物的普弹形变模量和高弹形变模量；h2和h3分别表 示聚合物高弹形变和粘性形变时的粘度。聚合物在外力作用下的形变-时间曲线加工温度的影响在通常的加工条件下，聚合物形变主要由高弹形变和粘性形变(或塑性形变)所组成。1. 当加工温度高于Tf(或Tm) 聚合物处于粘流态时， 聚合物的形变以粘性形变为主。此时聚合物粘度低流动 性大，易于成型；2.

14、 加工温度降低到Tf以下时，聚合物转变为高弹态 ，随温度降低，聚合物形变组成中的弹性成分增大，粘 性成分减小，由于有效形变值减小，通常较少地在这一 范围成型制品。二、粘弹性形变的滞后效应通常将聚合物分子在一定温度下，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（t*）。温度对松弛过程的影响聚合物大分子的松弛时间与分子间相 互作用能和热运动能的比值有关。提高温 度松弛过程缩短。温度降低则增长松弛时 间。滞后效应以及加工成型时注意的问题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滞后

15、现 象称为“滞后效应”或“弹性滞后”。由于滞后效应的存在，加工过程骤冷对制件 的质量通常是不利的。在TgTf范围对制品进行热处理，可缩短大 分子形变的松弛时间，加速结晶聚合物的结晶速 度，使制品形状较快稳定下来。2 聚合物的流变性质2.1 聚合物熔体的流变行为 2.2 影响聚合物流变行为的主要因素熔融加工是最常见的加工形式，在加工过程中，聚合物都要产生流动和形变。 聚合物的形变包括：弹性形变、塑性形变和粘性形变影响形变的因素：聚合物结构与性质、温度、力、时间和组成。流变学（Rheology) ：研究物质形变与流动的科学聚合物熔体的流变行为很复杂，包括： 粘性流动、弹性效应、热和熵的变化第一节

16、聚合物熔体的流变行为定义：材料受力后产生的形变和尺寸改变称为应变。单位 时间内的应变称为应变速率(或速度梯度)，可以表示为：应变方式和应变速率与所受外力的性质和位置有关，可 分为以下三种流动方式：剪切流动：聚合物加工时受到剪切力作用 拉伸流动：聚合物在加工过程中受到拉伸应力作用静压力的均匀压缩（主要影响粘度）实际的流动通常是两种或多种流动的迭加。聚合物流体可以是处于Tf或Tm以上的熔体， 也可以是在不高温度下仍保持为流动液体的聚合 物溶液或悬浮体。 熔体流变性质主要表现是粘度的变化，根据流动过 程聚合物粘度与应力或应变速率的关系，可将 聚合物的流动行为分为两大类：牛顿流体和非牛 顿流体。一、牛顿流体及其流变方程牛顿流体的流变学方程：牛顿流体流动时的应力应变关系和粘度对 剪切速率的依赖性在应力作用的时间t1t2内，应力引起的总 应变可由下式求得：牛顿流体的特点I.液体的应变随应力作用时间线形增