材料成型加工與工藝學(xué)-習(xí)題解答(1,2)

1、習(xí)題解答：第一章 1.分別定義“高分子材料”和“塑料”。高分子材料 以高分子化合物為基礎(chǔ)的材料。塑料塑料根據(jù)加熱后的情況又可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。 加熱后軟化，形成高分子熔體的塑料成為熱塑性塑料。主要的熱塑性塑料有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP ）、聚苯乙烯（PS ）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，俗稱有機玻璃）、聚氯乙烯（PVC）、尼龍（Nylon)、聚碳酸酯（PC）、聚氨酯（PU）、聚四氟乙烯（特富龍， PTFE）、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET，PETE )。加熱后固化，形成交聯(lián)的不熔結(jié)構(gòu)的塑料稱為熱固性塑料。常見的有環(huán)氧樹脂, 酚醛塑料， 聚酰亞胺,三聚氰氨甲醛樹脂等。塑料的加工方法包

2、括注射，擠出，膜壓，熱壓，吹塑等等。2.高分子材料成型加工的定義與實質(zhì).研究聚合物加工成型的原理與工藝. 材料是科學(xué)與工業(yè)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。加工過程中高分子表現(xiàn)出形狀、結(jié)構(gòu)、和性質(zhì)等方面的變化。形狀轉(zhuǎn)變往往是為滿足使用的最起碼要求而進行的；材料的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變包括高分子的組成、組成方式、材料宏觀與微觀結(jié)構(gòu)的變化等；高分子結(jié)晶和取向也引起材料聚集態(tài)變化，這種轉(zhuǎn)變主要是為了滿足對成品內(nèi)在質(zhì)量的要求而進行的，一般通過配方設(shè)計、材料的混合、采用不同加工方法和成型條件來實現(xiàn)。加工過程中材料結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變有些是材料本身固有的，亦或是有意進行的；有些則是不正常的加工方法或加工條件引起的。大多數(shù)情況下，高分子的加工通常包

3、括兩個過程：首先使原材料產(chǎn)生變形或流動，并取得所需要的形狀，然后設(shè)法保持取得的形狀。高分子加工與成型通常有以下形式：高分子熔體的加工、類橡膠狀聚合物的加工、高分子液體的加工、低分子聚合物或預(yù)聚物的加工、高分子懸浮體的加工以及高分子的機械加工。3.高分子材料工程特征的含義介紹高分子材料、成型加工工藝、材料及制品性能三者的關(guān)系，強調(diào)成型加工對制品性能的重要性，即高分子材料制品的性能即與材料本身的性質(zhì)有關(guān)，又很大程度上受成型加工過程所產(chǎn)生的附加性質(zhì)的影響。這就是本課程的主題思想-高分子材料的工程特征。第二章 部分1.分別區(qū)分”通用塑料”和”工程塑料”,”熱塑性塑料”和”熱固性塑料”,”簡單組分高分子

4、材料”和”復(fù)雜組分高分子材料”,并請23例.根據(jù)塑料的用途不同分為通用塑料和工程塑料 通用塑料是指產(chǎn)量大,價格低,應(yīng)用范圍廣的塑料,主要包括聚烯烴,聚氯乙烯,聚苯乙烯,酚醛塑料和氨基塑料五大品種.人們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫脑S多制品都是由這些通用塑料制成. 工程塑料是只拉伸強度大于50MPa,沖擊強度大于6kJ/m2,長期耐熱溫度超過100的剛性好,蠕變小.自潤滑,電絕緣,耐腐蝕等,等可作為工程結(jié)構(gòu)材料和代替金屬制造機器零部件等的塑料.例如聚酰胺,聚碳酸酯,聚甲醛,ABS樹脂,聚四氟乙烯,聚酯,聚砜,聚酰亞胺等.工程塑料具有密度小,化學(xué)穩(wěn)定性高,機械性能良好,電絕緣性優(yōu)越,加工成型容易等特點,廣泛應(yīng)用

5、于汽車,電器,化工,機械,儀器,儀表等工業(yè),也應(yīng)用于宇宙航行,火箭,導(dǎo)彈等方面.根據(jù)受熱后發(fā)生的形態(tài)變化，可將高分子化合物分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩大類。熱塑性塑料在受熱后會從固體狀態(tài)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃訝顟B(tài)。這種轉(zhuǎn)變理論上可重復(fù)無窮多次?；蛘哒f，熱塑性高分子是可以再生的。聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和滌綸樹脂等均為熱塑性塑料。熱固性塑料在受熱后先轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃訝顟B(tài)，進一步加熱則轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w狀態(tài)。這種轉(zhuǎn)變是不可逆的。換言之，熱固性高分子是不可再生的。 能通過加入固化劑使流體狀轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w狀的高分子，也稱為熱固性高分子。 典型的熱固性塑料如：酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、氨基樹脂、不飽和聚酯、聚氨酯、硫化橡膠等

6、。由一種單體聚合而成的聚合物稱為均聚物或簡單組分高分子材料。聚合物也可由兩種或兩種以上的單體共同聚合而成。如PE,PP, PC等由兩種或兩種以上單體聚合而成的聚合物稱為共聚物或復(fù)雜組分高分子材料。根據(jù)各種單體單元在分子鏈中的排列狀況，可將共聚物分為無規(guī)共聚物、交替共聚物、嵌段共聚物、接枝共聚物等。通過普通的聚合方法，只能得到無規(guī)共聚物和交替共聚物，嵌段共聚物和接枝共聚物必須通過特殊方法制備。 共聚是高分子化合物改性的重要方法之一。如ABS,PA6/滑石粉等.2.什么是聚合物的結(jié)晶和取向?它們有何不同?研究結(jié)晶和取向?qū)Ω叻肿硬牧霞庸び泻螌嶋H意義?結(jié)晶 聚合物結(jié)晶過程與小分子化合物相似，要經(jīng)歷晶核

7、形成和晶粒生長兩過程。溫度高于熔點Tm，高分子處于熔融狀態(tài)，晶核不易形成；低于Tg，高分子鏈運動困難，難以進行規(guī)整排列，晶核也不能生成，晶粒難以生長。高分子形成結(jié)晶的能力要比大分子弱得多。相當(dāng)大的一部分高分子是不結(jié)晶或很難結(jié)晶的。能結(jié)晶的稱為結(jié)晶性高分子，不能結(jié)晶的稱為非結(jié)晶性高分子。要注意結(jié)晶性高分子與結(jié)晶高分子的區(qū)別，例如聚對苯二甲酸乙二醇酯是結(jié)晶性高分子，但如果沒有適當(dāng)?shù)慕Y(jié)晶條件例如從熔體驟冷，得到的是非晶態(tài)，此時不能稱為結(jié)晶高分子。也就是說結(jié)晶能力除了高分子的結(jié)構(gòu)因素外還有溫度等外界因素。結(jié)晶形態(tài)主要有球晶、單晶、伸直鏈晶片、纖維狀晶、串晶、樹枝晶等。球晶是其中最常見的一種形態(tài)。取向p

8、38 高分子和它的鏈段本身具有較大的長度，因此在空間上必然指向一定的方向。當(dāng)高分子鏈段在空間隨機取向時，由概率論可知，此時分子或分子鏈段指向各個方向的幾率是相同的。在宏觀上，高分子的這種取向方式使高分子聚合物在各個方向上呈現(xiàn)相同的品質(zhì)，即各向同性性質(zhì)。高分子鏈段也可能沿某些方向規(guī)整地周期性排列，從而形成高分子晶體。在一些條件下，如外力，流動等，相當(dāng)數(shù)量的高分子鏈段會平行指向同一方向，由此形成的高分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)被稱作取向態(tài)結(jié)構(gòu)。高分子鏈段平行地向同一方向排列的現(xiàn)象叫做高分子聚合物的取向。3.請說出晶態(tài)與非晶態(tài)聚合物的熔融加工溫度范圍,并討論兩者作為材料的耐熱性好壞.玻璃態(tài)高分子不宜進行引起大變形

9、的加工，表現(xiàn)為堅硬的固體，但可通過車、銑、削、刨等進行加工。在玻璃化溫度Tg以下的某一溫度，材料受力容易發(fā)生斷裂破壞，這一溫度稱為脆化溫度，它是材料使用的下限溫度。在Tg以上的高彈態(tài)，高分子的模量減少很多，形變能力顯著加大。在TgTf溫度區(qū)靠近Tf，由于高分子的粘性很大，可進行某些材料的真空成型、壓力成型、壓延和彎曲成型等。把制品溫度迅速冷卻到Tg以下溫度是這類加工過程的關(guān)鍵。Tg是選擇合理應(yīng)用材料的重要參數(shù)，同時也是大多數(shù)高分子加工的最低溫度。在Tf以上，高分子化合物轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)，通常又將這種液體狀態(tài)的高分子稱為熔體。材料在Tf以上不高的溫度范圍表現(xiàn)出類橡膠流動行為。這一轉(zhuǎn)變區(qū)域通常用來進行

10、壓延成型、某些擠出成型和吹塑成型等。比Tf更高的溫度使分子熱運動大大激化，材料模量降到最低值，這時高分子熔體形變的特點是不大的外力就能引起宏觀流動，這時形變中主要是不可逆的粘性變形，冷卻高分子就能將形變永久保持下來，這一溫度范圍常用來進行熔融紡絲、注射、擠出、吹塑和貼合等加工。過高的溫度將使高分子的粘度大大降低，不適當(dāng)?shù)脑龃罅鲃有匀菀滓鹨缌?、形狀扭曲、毛絲斷裂等現(xiàn)象。溫度高到分解溫度Td附近還會引起高分子化合物的分解，以致降低產(chǎn)品物理機械性能或引起外觀不良。高分子在加工過程中常受到擠壓作用，可擠壓性是指高分子化合物通過擠壓作用變形時獲得形狀和保持形狀的能力。在擠壓過程中，高分子熔體主要受到剪

11、切作用，故可擠壓性主要取決于熔體的剪切粘度和拉伸粘度。大多數(shù)高分子化合物熔體的粘度隨剪切力或剪切速率增大而降低。如果擠壓過程材料的粘度很低，雖然材料有良好的流動性，但保持形狀的能力較差；相反，熔體的剪切粘度很高時則會造成流動和成型的困難。材料的擠壓性質(zhì)還與加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)有關(guān)。擠壓過程高分子熔體的流動速率隨壓力增大而增加，通過流動速率的測量可決定加工時所需要的壓力和設(shè)備的幾何尺寸。材料的擠壓性質(zhì)與高分子的流變性，熔融指數(shù)和流變速率密切有關(guān)。5.什么是結(jié)晶度？結(jié)晶度的大小對聚合物性能有哪些影響？聚合物即使結(jié)晶，也不是分子鏈的所有結(jié)構(gòu)單元都參與結(jié)晶，總有一部分高分子鏈或鏈的一部分處于非晶態(tài)，即在通常

12、條件下所獲得的結(jié)晶性聚合物并不是100%的完全結(jié)晶的，即分子鏈的結(jié)晶多少稱為結(jié)晶度。結(jié)晶性不同，性能也不一樣，隨結(jié)晶度提高，密度、熔點、拉伸強度、硬度增強，但拉伸率、沖擊韌性下降。6.何謂聚合物的二次結(jié)晶和后結(jié)晶？二次結(jié)晶：是指一次結(jié)晶后，在一下殘留的非結(jié)晶區(qū)和結(jié)晶不完整的部分區(qū)域內(nèi)，繼續(xù)結(jié)晶并逐步完善的過程。后結(jié)晶：是指聚合物加工過程中一部分來不及結(jié)晶的區(qū)域，在成型后繼續(xù)結(jié)晶的過程。7.聚合物在成型加工過程中為何么會發(fā)生取向?成型時的取向產(chǎn)生的原因及形式有哪幾種?取向?qū)Ω叻肿硬牧现破返男阅苡泻斡绊?P38 主要受到剪切與拉伸力的影響. 聚合物成型中的取向  一、聚合物的取向機理&#

13、160;   聚合物分子和某些纖維狀填料，由于結(jié)構(gòu)上懸殊的不對稱性，在成型過程中受到剪切流動或受力拉伸時不可避免地沿受力方向作平行排列，稱為取向作用。取向態(tài)與結(jié)晶態(tài)都與大分子的有序性有關(guān)，但它們的有序程度不同，取向是一維或二維有序，而結(jié)晶則是三維有序。取向有單軸取向和雙軸取向之分。    聚合物大分子的取向(包括流動取向和拉伸取向)有鏈段取向和分子鏈取向兩種類型。鏈段取向可以通過單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)造成的鏈段運動來完成，在高彈態(tài)就可進行；而整個大分子鏈的取向需要大分子各鏈段的協(xié)同運動才能實現(xiàn)，只有在粘流態(tài)才能進行。取向過程是鏈段運動的過程，必須克服聚合

14、物內(nèi)部的粘滯阻力，鏈段與大分子鏈兩種運動單元所受的阻力大小不同，因而取向過程的速度也不同。在外力作用下最早發(fā)生的是鏈段的取向，進一步才發(fā)展成為大分子鏈的取向。    取向過程是大分子鏈或鏈段的有序化過程，而熱運動卻是使大分子趨向紊亂無序，即解取向過程。取向需靠外力場的作用才得以實現(xiàn)，而解取向卻是一個自發(fā)過程。取向態(tài)在熱力學(xué)卜是一種非平衡態(tài)，一旦除去外力，鏈段或分子鏈便自發(fā)解取向而恢復(fù)原狀。因此，欲獲得取向材料，必須在取向后迅速降溫到玻璃化溫度以下，將分子鏈或鏈段的運動凍結(jié)起來。當(dāng)然，這種凍結(jié)屬于熱力學(xué)非平衡態(tài)，只有相對的穩(wěn)定性，時間拉長、特別是溫度升高或聚合物被溶

15、劑溶脹時，仍然要發(fā)生解取向。對結(jié)晶聚合物來說，除了非晶區(qū)可能發(fā)生分子鏈或鏈段的取向外的取向。二、流動取向和拉伸取向    取向過程可分為兩種，一是大分子鏈、鏈段和纖維填料在剪切流動過程中沿流動方向的流動取向，另一種是分子鏈、鏈段、晶片、晶帶等結(jié)構(gòu)單元在拉伸應(yīng)力作用下沿受力方向的拉伸取向。    1、流動取向    流動取向是伴隨聚合物熔體或濃溶液的流動而產(chǎn)生的，無論哪種成型方法，影響取向的外界因素以及因取向在制品中造成的后果基本上是一致的。    圖1-12所示的是注射模塑長

16、方形制品采用雙折射法實測的取向分布規(guī)律；在矩形試樣的縱向，取向程度從澆口起順著料流方向逐漸升高，達最大點(靠近澆口一邊)后又逐漸減??；在矩形試樣的橫向，取向程度由中心向四周遞增，但取向最大處不是模壁的表層而是介于中心與表層的次表層。  流動取向是與剪切應(yīng)力有關(guān)的流動的速度梯度誘導(dǎo)而成的。當(dāng)外力消失或減弱時，分子的取向又會被分子熱運動所摧毀，聚合物大分子的取向在各點上的差異是這兩種對立效應(yīng)的凈結(jié)果。當(dāng)塑料熔體由澆口壓入模腔時，與模壁接觸的一層，因模溫較低而凍結(jié)。從縱向看，由于導(dǎo)致塑料流動的壓力在入模處最高，而在料流的前鋒最低，因而由壓力梯度所決定的剪切應(yīng)力勢必將誘導(dǎo)大分子的定

17、向程度在模腔縱向呈遞減分布。但定向最大處卻不在澆口四周，而在距澆門不遠的位置上，因為塑料熔體注入模腔后最先充滿此處，有較長的冷卻時間，凍結(jié)層形成后，分子在這里受到的剪切應(yīng)力也最大，所以取向程度也最高。從橫向看，由于剪切應(yīng)力的橫向分布規(guī)律是靠壁處最大，中心處最小其取向程度的分布本應(yīng)在靠壁處最大，中心處最小，但由于取向程度低的前鋒料遇到模壁被迅速冷卻而形成無取向或取向甚小的凍結(jié)層，從而使得橫向取向程度最大處不在表層而是次表層。為了改善制品的性能，在聚合物中常加入一些纖維狀或粉狀填料，由于這些填料幾何形狀的不對稱性，在注射模塑或傳遞模塑的流動過程中，纖維軸與流動方向總會形成一定夾角，其各部位所處的剪

18、切應(yīng)力不同，直至填料的長袖方向與流動方向完全相同為止而取向。關(guān)于纖維狀填料的取向，以壓制扇形兒狀物為例來說明，見圖1-12。經(jīng)測試表明，扇形試樣在切向方向上的抗拉強度總是大于徑向方向上的，而在切向力向上的收縮率和后收縮率又往往小于徑向?；趯崪y和顯微分析的結(jié)果，可推斷出填料在模壓過程中的位置變更情況是按圖1-12中的1至6的順序進行的：含有纖維狀填料的流體的流線自澆口處沿半徑方向散開，在模腔的中心部分流速最大，當(dāng)熔體前沿遇到阻斷力(如模壁)后，其流動方向改變?yōu)榕c阻斷力垂直，最后填料形成同心環(huán)似的排列。   2、拉伸取向    聚合物在拉伸應(yīng)力作

19、用下的普彈形變是由其分子的鍵角扭變和分子鏈的伸長所造成在應(yīng)力消除后形變馬上消失，是一種形變值較小的可逆形變在拉伸取向時可忽略高彈拉伸發(fā)生在玻璃化溫度附近及拉伸應(yīng)力小于屈服應(yīng)力的情況下，拉伸時的取向主要是鏈段的形變和位移，這種鏈段取向程度低(見圖1-13)，取向結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。     當(dāng)拉伸應(yīng)力大于屈服應(yīng)力時，塑性拉伸在玻璃化溫度附近即可發(fā)生，此時，拉伸應(yīng)力部分用于克服屈服應(yīng)力，剩余應(yīng)力是引起塑性拉伸的有效應(yīng)力，它迫使高彈態(tài)下大分子作為獨立結(jié)構(gòu)單元發(fā)生解纏和滑移，使材料由彈性形變發(fā)展為塑性形變，從而得到高而穩(wěn)定的取向結(jié)構(gòu)。在工程技術(shù)，塑性拉伸多在玻璃化溫度到

20、熔融溫度之間，隨著溫度的升高，材料的模量和屈服應(yīng)力均降低，所以在較高的溫度下可降低拉伸應(yīng)力和增大拉伸率。溫度足夠高時，材料的屈服強度幾乎不顯，在較小的外力下即可得到均勻而穩(wěn)定的取向結(jié)構(gòu)，粘性拉伸發(fā)生在tf (或tm)以上，此時很小的應(yīng)力就能引起大分子鏈的解纏和滑移；由于在高溫下解取向發(fā)展很快的緣故，有效取向程度低。粘性拉伸與剪切流功引起的取向作用有相似性但兩者的應(yīng)力與速度梯度的方向迥然不同：剪切應(yīng)力作用時，速度梯度在垂直于流線方向上；拉應(yīng)力作用時，速度梯度在拉伸方向上。    拉伸過程中，材料變細，沿拉應(yīng)力方向上的拉伸速度是遞增的，聚合物的三種拉伸示意圖1-14中。     結(jié)晶聚合物拉伸取向通常在適當(dāng)?shù)臏囟认逻M行。由于結(jié)晶聚合物成型時要生長球晶，所以結(jié)晶聚合物的拉伸過程實際上是球晶的形變過程。在受力初期彈性形變階段，球晶形變而為橢球形。繼續(xù)