高分子材料成型工艺

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1、1个学时 10个学时 4个学时 3个学时 6个学时 6个学时 3个学时 3个学时 6个学时 4个学时 2个学时课程简介】高分子材料成型工艺是高分子材料与工程专业主要专业课程之一。它是在技术基础 课（高分子化学、高分子物理、高分子材料、化工原理等）的基础上开设的。与本课程相关 的机械、模具等内容分别由高分子材料成型机械和高分子材料成型模具课讲授。本课程以塑 料材料成型工艺为主，阐述高分子材料成型基本理论以及成型所用物料的配制和各种成型工 艺方法及原理。讲授内容与学时安排】总学时48第一章绪论 第二章聚合物成型的基础理论 第三章成型用物料及其配制 第四章压缩模塑 第五章挤出成型 第六章注射成型 第

2、七章中空吹塑 第八章泡沫塑料成型 第九章压延成型 第十章热成型及其它 总结与讨论主要参考书】高分子材料成型加工原理 王贵恒主编 化学工业出版社2003年1月印刷聚合物成型加工新技术【美】詹姆士 F.史蒂文森编著 刘廷华等译，化学工业出版社2004年9月印刷高分子材料基本加工工艺 王加龙主编 化学工业出版社2004年7月印刷 实用塑料加工技术 叶蕊主编金盾出版社2001年6月印刷塑料制品生产工艺手册 吴培熙等编著化学工业出版社1998年5月印刷塑料工业实用手册第二版 丁浩主编化学工业出版社2000年8月印刷第一章 绪论【学时安排】1个学时【基本内容】11 高分子材料成型工艺在高分子工业体系中的地

3、位从原料到制品生产流程:制品生产的组成12高分子材料成型工艺的发展概况移植时期Y改造时期创新时期13 成型加工技术分类1、按所属成型加工阶段划分一次成型技术Y二次成型技术-二次加工技术2、按聚合物在成型加工过程中的变化划分以物理变化为主的成型加工技术以化学变化为主的成型加工技术物理和化学变化兼有的成型加工技术3、按成型加工的操作方式划分连续式成型加工技术间歇式成型加工技术周期式成型加工技术14 本课程的主要内容和要求本课程在学生具有了热力学、化学、力学、质量与能量的传递、高分子化学 及高分子物理和高分子材料性能的基本知识的基础上进行的。重点介绍塑料的一次成型和二次成型以及成型过程中所涉及的理论

4、基础。要求学生在密切结合工艺过程的前提下尽可能对工艺所依据的原理、生产控制因 素、在工艺过程中塑料所发生的物理和化学变化和它们对制品性能的影响具有清 晰的概念，并进一步理解各种成型工艺所能适应的塑料品种及其优缺点。【教学基本要求】学时安排1.52个学时。【教学重点】以塑料材料的成型加工过程和成型技术的分类为重点。【思考题】塑料成型工艺的发展经历了哪三个时期？ 一次成型技术、二次成型技术和二次加工技术各包括哪些技术方法？举例说明。第二章 聚合物成型的理论基础【学时安排】10个学时【基本内容】21概述 【学时安排】10 分钟 【主要内容】塑料成型定义、主要涉及的理论在成型中的重要性。22聚合物成型

5、的流变学基础 【学时安排】5 个学时一、基本流动类型【学时安排】0.5 个学时1、层流和湍流2、稳态流动和非稳态流动 3、等温流动和非等温流动4、拉伸流 动和剪切流动 5、一维流动、二维流动和三维流动二、聚合物流体的流变行为【教学重点】【学时安排】1.5 个学时1、牛顿流体牛顿流体剪切应力和剪切速率的关系t= n. & n牛顿粘度，表示流体抵抗外力引起流动变形的能力。2、 非牛顿流体丫枯旨统L百时丽祁.王纤a、宾哈液体：流动方程为Tzy = n&当t Ty时完全不流动 r= 0 n u*B、假塑性液体：粘度随剪切应力上升而下降的流体。流变方程：t =k& （n 1） k为流体的稠度 n为流动指

6、数k、n均为常数k&=na （n 1）为假塑性流体粘度的表达式。na为塑性粘度，又叫表观粘度 从此式可看出，表现粘度随剪切速率的增加而减小，也即流动性增大。对于同一种物 料，分子量相同时，分子量分布宽的流动性对T的敏感性大。a取向理论：b缠结理论C、膨胀性流体：D 有时间依赖性液体 触变性流体（摇溶性） 反触变性流体（震凝性液体）3、拉伸粘度：拉伸应力G和拉伸应变速率8&的关系也可用关系式表示:九=2九拉伸粘度敌拉伸粘度和剪切粘度的区别；拉伸粘度与拉伸应力的关系； 拉伸粘度与拉伸应变速率的关系。【基本要求】：介绍剪切流动和拉伸流动的情况，占用 1 个学时，重点是非牛顿流体 在剪切流动时，粘度随

7、着剪切应力和剪切速率的变化情况，尤其是假塑性流体的流动 方程和粘度的关系式。结合实际分析剪切粘度和拉伸粘度对成型加工的影响。三、温度和压力对粘度的影响【教学重点】【学时安排】0.5 个学时1、温度对耳的影响：大部分聚合物分子的链刚度和分子链间引力越大，则它的表观粘度对T的敏感性 就越大。2、压力对粘度的影响3、典型的模塑范围图可以看出，只有温度、压力在要求范围内，才能模塑。压力增 加相当于温度降低。四、聚合物熔体在成型过程中的弹性行为【教学重点】【学时安排】0.5 个学时1、剪切弹性物料所受剪切应力，对其发生的剪切弹性变形的比叫做剪切弹性模量GG=T/yR它表征了塑料熔体抵抗剪切变形的能力。

8、影响剪切弹性模量的因素：主要是相对分子量分布，分布宽，模量小、弹性恢复 大而缓慢；分布窄则相反。聚合物熔体受应力时，发生弹性和粘性变形，两种哪一种占优势，在成型过程中 要考虑。用松弛时间（聚合物熔体受应力作用时，表观粘度对弹性模量的比值）多少 来判断。2、拉伸弹性拉伸弹性模量E为物料所受拉伸应力2对其发生拉伸弹性变形r的比。E=g/r 它表征了塑料熔体抵抗拉伸变形的能力。聚合物熔体的E在单向拉伸时低于IMpa时， 等于剪切弹性模量的三倍，拉伸弹性变形的最高限值约为 2。成型过程中，由拉伸应力引起的变形是弹性还是粘性占优势，仍然依据松弛时间。剪切弹性和拉伸弹性有时是同时出现的。聚合物熔体在锥形流

9、道中同时受有拉伸应力和剪切应力。仍可以用松弛时间来区别熔体中弹性是剪切弹性还是拉伸弹性。 五、聚合物液体在导管内的流动【学时安排】1.5个学时剪切应力与管径管长和压力降关系式Tr =兽2L其意义：剪切应力在中心处 r = 0 时，为0，在管壁处 r = R 时，为最大，与牛 顿型和非牛顿型流体无关。1牛顿型流体：一 AP任意质点流速Ur =（R2 - r2）4q L流动方程：兀R 4AP8qL将该式改写 RAP/2L= n4Q/nR3与T = n必比较剪切应力T =空剪切速率角里02 L兀R 3应用：用实验方法测Q,计算Y，在不同AP下得到t、懊作图可得到牛顿流体的剪切应力和剪切速率曲线，即流

10、动曲线。是一直线。2、非牛顿性液体【教学难点】已知 T 二K Yn 0=（T /K）1/n得任意半径处的速度分布du/dr= ( t /k) 1/nr ( AP 丫n(n+1 R nn+1r n丿流体的体积流率为流速X截面积，可得流量方程:将此式两边取对数得：In Q = -ln AP + In n兀n3n +1(1、丄12 KL 丿3” +丄R n流量关系式与剪切速率关系式比较得管壁处剪切速率咋3n +1Qn兀R 3在圆管中心处，剪切速率为零，管壁处最大。3、测聚合物流动性的方法【教学重点】（1）熔体流动速率测试仪（2）毛细管流变仪（3）转矩流变仪六、流动的缺陷【教学重点】【学时安排】1 个

11、学时1、 管壁上的滑移/ ”2、 端末效应上二rjz匚 丿孑尹7T7/ / / / 宀 4-Ls(1) 入口效应；聚合物流体在管道入口端因出现收敛流动，使压力降突然增大的现 象称为入口效应。( 2 )出口效应( Brass 效应)a Le 段有拉伸弹性形变，由收敛流动造成的b Ls 段有剪切弹性形变。一般膨胀没有太准确的计算方法，可以用膨胀比 B 来衡量离模膨胀的程度，当无外力 拉伸时，膨胀比 B=Ds/D影响膨胀比的因素和改进办法。3、弹性对层流的干扰弹性湍流定义。弹性雷诺准数Sr (实际上是熔体弹性应变的大小)Sr=y qa J = t J = t/GY为表观剪切速率qa为表观粘度J为弹性

12、柔量=1/G当 SR 大于等于 7 时，将发生弹性湍流，引起熔体破坏。4、鲨鱼皮症症迹、原因和影响因素：5、熔体破碎症迹、产生原因。临界剪切速率和临界剪切应力定义， 影响因素。【小结】常见聚合物的流动有拉伸流动和剪切流动，掌握剪切应力和剪切速率、拉伸 应力和拉伸速率对聚合物熔体粘度的影响，以及对成型的指导意义。分析不稳定流动 的原因。2-3 聚合物加热和冷却【学时安排】1 个学时一传热：热量传递方式，传导、对流、辐射。聚合物的传热主要靠传导和对流，传热速率决定于物料的固有性能一热扩散系数aa=k/cp. pk为导热系数Cp为定压热容p为密度。表2-4列出某些材料的热性能。a越大，传热越快。二.

13、 聚合物加热冷却的特点1. 聚合物热扩散系数很低，即传热速率很慢。2. 对聚合物加热时，不能将推动传热速率的温差（热源与被加热塑料之间的）提的 太大。原因：3. 聚合物熔体粘度大，在成型过程中流动时会因内摩擦产生较大的热量Q=1/J t y = 1/J qaY2 J 为热功当量 如果熔体的流动是在圆管中，则中心 Q 为 0，管壁最大。4. 结晶聚合物加热冷却特点。2-4 聚合物的结晶【学时安排】1 个学时一、聚合物的结晶能力1、一般来说，具有严整的重复空间结构的聚合物通常都能结晶。2、适当的分子间力3、分子链节小，柔顺性适中，都有利于结晶。4、缩聚物比加聚物结晶困难。二、成型过程中影响结晶的因

14、素【教学重点】1、冷却速度的影响a）当Tc接近Tm时的情况b）当TcTg时，VT大时的情况C） Tc在Tg以上附近的温度，高聚物一般采取的冷却温度。2、熔融温度和熔融时间的影响3、应力作用的影响4、低分子物和固体杂质的影响三、结晶对制件性能的影响1、结晶对制品密度及光学性能的影响2、结晶对制品性能的影响3、结晶对热及其它方面性能的影响4、结晶形聚合物，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 种试剂地渗入，所以结晶度提高，耐溶剂性提高。2-5成型过程中的定向作用【学时安排】2 个学时一纤维状填料的定向1、对于热固性塑料制品：以扇形模具为例分析。2、对于热塑性塑料：二、热塑性塑料成型过程中聚合物分子的定向【教学重点】1、取向度在模腔内分布；2、影响取向程度的因素；3、定向对制品性能的影响。三、拉伸定向【教学难点】1、定义：2、结晶与取向的关系：3、拉伸定向过程中的形变（1）瞬时弹性形变（2）分子排直形变（3）粘性形变4、拉伸取向规律：拉伸时工艺控制因素：拉伸比、拉伸速度、拉伸温度（冷却温度）5、拉伸非晶态高聚物的工艺过程（PVC、PS）6、拉伸晶态高聚物的工艺过程（PET、PP、PE等）【章末总结】本章重点介绍聚合物成型的流动行为及流动过程中的不稳定原因， 聚合物成型过程中的结晶、定向问题以及聚合物的加热和冷却的特点。本章为整