高分子材料加工工藝第一章 緒論1.材料的四要素是什么？相互關(guān)系如何？答：材料的四要素是：材料的制備(加工) 、材料的結(jié)構(gòu)、材料的性能和材料的使用性能。這四個(gè)要素是相互關(guān)聯(lián)、相互制約的，可以認(rèn)為：1)材料的性質(zhì)與現(xiàn)象是新材料創(chuàng)造、發(fā)展及生產(chǎn)過程中，人們最關(guān)注的中心問題。2)材料的結(jié)構(gòu)與成分決定了它的性質(zhì)和使用性能，也影響著它的加工性能。而為了實(shí)現(xiàn)某種性質(zhì)和使用性能，又提出了材料結(jié)構(gòu)與成分的可設(shè)計(jì)性。3)材料的結(jié)構(gòu)與成分受材料合成和加工所制約。4)為完成某一特定的使用目的制造的材料(制品) ，必須是最經(jīng)濟(jì)的，且符合社會(huì)的規(guī)范和具有可持續(xù)發(fā)展件。在材料的制備(加工) 方法上，在材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的研究上，在材料的使用上，各種材料都是相互借鑒、相互滲透、相互補(bǔ)充的。2.什么是工程塑料？區(qū)分“通用塑料”和“工程塑料” ， “熱塑性塑料”和“熱固性塑料” 。答：按用途和性能分，又可將塑料分為通用塑料和工程塑料。產(chǎn)量大、價(jià)格低、用途廣、影響面寬的一些塑料品種習(xí)慣稱之為通用塑料。工程塑料是指拉伸強(qiáng)度大于 50MPa，沖擊強(qiáng)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、耐腐蝕性優(yōu)良等的、可替代金屬用作結(jié)構(gòu)件的塑料。但這種分類并不十分嚴(yán)格，隨著通用塑料工程化( 亦稱優(yōu)質(zhì)化)技術(shù)的進(jìn)展，通過改性或合金化的通用塑料，已可在某些應(yīng)用領(lǐng)域替代工程塑料。熱塑性塑料一般是線型高分子，在溶劑可溶，受熱軟化、熔融、可塑制成一定形狀，冷卻后固化定型；當(dāng)再次受熱，仍可軟化、熔融，反復(fù)多次加工。例如：PE、PP、PVC、ABS 、PMMA、PA、PC、POM、PET、PBT。熱固性塑料一般由線型分子變?yōu)轶w型分子，在溶劑中不能溶解，未成型前受熱軟化、熔融，可塑制成一定形狀，在熱或固化劑作用下，一次硬化成型；一當(dāng)成型后，再次受熱不熔融，達(dá)到一定溫度分解破壞，不能反復(fù)加工。如 PF（酚醛樹脂） 、UF （脲醛樹脂） 、MF（三聚氰胺甲醛樹脂） 、EP（環(huán)氧樹脂） 、UP（不飽和樹脂）等。3.與其它材料相比，高分子材料具有那些特征（以塑料為例）？答：與其他材料相比，高分子材料有以下特性(以塑料為例)。(1)質(zhì)輕。通常密度在 900-2300kg/m3之間。當(dāng)制成泡沫塑料時(shí)，其密度更低，在10-50kg/m3之間。(2)拉伸強(qiáng)度和拉伸模量較低，韌性較優(yōu)良。而塑料，尤其是纖維增強(qiáng)的比強(qiáng)度（強(qiáng)度與密度之比）接近或超過金屬材料。(3)傳熱系數(shù)小(約為金屬的 1/100-1/1000)，可用作優(yōu)良的絕熱材料。泡沫塑料的絕熱性能更為優(yōu)良，被廣泛用于冷藏、建筑、節(jié)能及其他絕熱工程上。(4)電氣絕緣性優(yōu)良。體積電阻率在 10131018 cm ，介電常數(shù)一般小于 2，介電損耗小于 l0-4，常用作電氣絕緣材料。缺點(diǎn)是易產(chǎn)生并積累靜電。(5)成型加工性優(yōu)良。適應(yīng)各種成型方法，多數(shù)情況下可以一次成型，毋須經(jīng)過車、銑、刨等加工工序。必要時(shí)也可進(jìn)行二次加工，但難于制得高精度的制品，且成型條件對(duì)制品物理性能的影響較大。(6)減震、消音性能良好?？勺鳒p震、消音材料。(7)某些塑料具有優(yōu)良的減磨、耐磨和自潤滑性能。但由于其導(dǎo)熱性較差、線膨脹系數(shù)大，采取有效的散熱措施，防止摩擦過程中熱量積聚十分必要。(8)耐腐蝕性能優(yōu)良。有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，對(duì)酸、堿、鹽溶液、蒸汽、水、有機(jī)溶劑等的穩(wěn)定性能也較好(因品種而異) ，優(yōu)于金屬材料。(9)透光性良好可作透明或半透明材料。(10)著色性良好。可制成色彩鮮艷的制品。(11)可賦予各種特殊的功能如透氣性、難燃性、粘結(jié)性、離子交換性、生物降解性以及光、熱、電、磁等各種特殊性能。(12)使用過程中易產(chǎn)生蠕變、疲勞、冷流、結(jié)晶等現(xiàn)象，長期使用性能較差。(13)熱膨脹系數(shù)大。一般為 10-4/K；而金屬和玻璃、陶瓷分別為 10-5/K 和 10-6/K。當(dāng)與金屬、陶瓷等復(fù)合時(shí)，必須充分考成兩者熱膨脹系數(shù)的差異。(14)耐熱性（熔點(diǎn)、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）較低，使用溫度不高。(15)易燃燒。燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量黑煙和有毒氣體。4.獲取高分子的手段有那些？答：高分子化合物的制造：獲取高分子化合物的方法大致可分為三種；聚合反應(yīng)、利用高分子反向和復(fù)合化。a)聚合反應(yīng)。利用聚合反應(yīng)是制造高分子化合物的主要手段。迄今為止，聚合技術(shù)已進(jìn)入成熟期，今后主要的任務(wù)是催化劑的改進(jìn)(如茂金屬催化劑等)和更節(jié)約成本的聚合方法(如本體聚合、氣相聚合等) 的進(jìn)一步推廣。b)高分子反應(yīng)。利用高分子化合物的化學(xué)反應(yīng)性使之改性亦是一種獲取預(yù)期性能高分子化合物的方法，今后的工作是功能性高分子的開發(fā)。c)復(fù)合化。復(fù)合化是制造高分子化合物的又一種方法。近年來有了顯著的發(fā)展，特別是采用接枝反應(yīng)、相容劑等制備的高分子合金，可以獲得均聚物無法具備的性能，并能賦予功能性；高分子化合物/無機(jī)物填充中偶聯(lián)劑的使用改善了兩組分間界面的親和能力，提高了材料的力學(xué)性能。此兩種技術(shù)正處于成長期，對(duì)于后者，如何使填充劑聚集體分散成初級(jí)粒子，并均勻分散在聚合物中是個(gè)重要的課題。而超細(xì)顆粒的填充將有可能帶來材料性能突破性的發(fā)現(xiàn)，引發(fā)材料革命，其關(guān)鍵是分散問題。5.高分子成型加工的定義。答：通常是使固體狀態(tài)(粉狀或粒狀) 、糊狀或溶液狀態(tài)的高分子化合物熔融或變形，經(jīng)過模具形成所需的形狀，并保持其已經(jīng)取得的形狀，最終得到制品的工藝過程。6.簡單闡述高分子材料熱- 機(jī)械特征及成型加工的關(guān)系。答：三種物理狀態(tài)：玻璃態(tài)：T f (Tm)在 Tg以下，高分子材料處于普彈性狀態(tài)(亦稱玻璃態(tài))，為堅(jiān)硬的固體。受外力作用形變( 普彈形變 )很小，一旦外力消失，形變可以立即恢復(fù)。在 Tg以上，高分子材料處于高彈態(tài)(亦稱橡膠態(tài))，與普彈態(tài)相比，只要較小的外力就可使其發(fā)生較大的形變(高彈形變) 。但這種形變是可逆的。當(dāng)達(dá)到 Tf(Tm)時(shí)，高分子材料處于粘流態(tài)(亦稱流動(dòng)態(tài))，此時(shí)，只要不太大的外力就可使其發(fā)生形變，而且這種形變是不可逆的，外力除去后，仍將繼續(xù)保持，無法自發(fā)恢復(fù)。達(dá)到 Td，則高分子材料開始分解。7.了解高分子材料的研究設(shè)計(jì)方法。答：-高分子材料制備（配料、混合、?；?、粉化）-成型工藝（塑化，一次，二次成型）-制品（定型，后加工）8.高分子成型加工過程中可能發(fā)生那些物理和化學(xué)變化。答：第二章 高分子材料學(xué)1、高分子鏈結(jié)構(gòu)中有利于結(jié)晶的因素有那些？答：高分子化合物的鏈結(jié)構(gòu)指鏈的對(duì)稱性，取代基類型、數(shù)量與對(duì)稱性，鏈的規(guī)整性，柔韌性，分子間作用力等。有利于結(jié)晶性的因素有：1)鏈結(jié)構(gòu)簡單。重復(fù)結(jié)構(gòu)單元較小，相對(duì)分子質(zhì)量適中；2)主鏈上不帶或只帶極少的支鏈；3)主鏈化學(xué)對(duì)稱性好，取代基不大且對(duì)稱；4)規(guī)整性好；5)高分子鏈的剛?cè)嵝约胺肿娱g作用力適中。2、為什么聚合物的結(jié)晶溫度范圍是 TgTm？答：當(dāng)溫度低于 Tg時(shí)，大分子鏈段運(yùn)動(dòng)被凍結(jié)，不能發(fā)生分子重排和形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)；而當(dāng)溫度高于 Tm時(shí)，由于大分子的熱運(yùn)動(dòng)自由能大于內(nèi)能，難以形成有序結(jié)構(gòu)，因此，聚合物的結(jié)晶溫度范圍為 TgTm。3、影響結(jié)晶的主要成型條件是什么，影響如何？答：(1)熔融溫度和熔融時(shí)間：熔體中殘存的晶核數(shù)量和大小與成型溫度有關(guān)，也影響結(jié)晶速度。成型溫度越高，即熔融溫度高，如熔融時(shí)間長，則殘存的晶核少，熔體冷卻時(shí)主要以均相成核形成晶核，故結(jié)晶速度慢，結(jié)晶尺寸較大；反之，如熔融溫度低，熔融時(shí)間短，則殘存晶核，熔體冷卻時(shí)會(huì)起到異相成核作用，結(jié)晶速度快，結(jié)晶尺寸小而均勻，有利于提高機(jī)械性能和熱變形溫度。所以：T 高（低） t 長（短） 結(jié)晶速度慢（快） (2)成型壓力。成型壓力增加，應(yīng)力和應(yīng)變增加，結(jié)晶度隨之增加，晶體結(jié)構(gòu)、形態(tài)、結(jié)晶大小等也發(fā)生變化。應(yīng)力有利于成核：應(yīng)力 大分子取向 誘發(fā)成核 低壓：生成大而完整的球晶； 高壓：生成小而形狀不很完整的球晶(3)冷卻速度。成型時(shí)的冷卻速度( 從 Tm降低到了 Tg以下溫度的速度，主要看冷卻介質(zhì)的 Tc)影響制品能否結(jié)晶、結(jié)晶速度、結(jié)晶度、結(jié)晶形態(tài)和大小等。Tc=Tmax，緩冷，結(jié)晶度提高，球晶大；TcTg，中速冷，有利晶核生成和晶體張大，性能好。冷卻速度越快，結(jié)晶度越小。通常，采用中等的冷卻速度，冷卻溫度選擇在 Tg一最大結(jié)晶速度的溫度 Tmax 之間。因此，應(yīng)按所需制品的特性，選擇合適的成型工藝，控制不同的結(jié)晶度。4、何謂聚合物的二次結(jié)晶和后結(jié)晶？答：二次結(jié)晶：是指一次結(jié)晶后，在殘留的非晶區(qū)和結(jié)晶不完整的部分區(qū)域內(nèi)晶并逐步完善的過程。這個(gè)過程相當(dāng)緩慢，有時(shí)可達(dá)幾年，甚至幾十年。后結(jié)晶：是指一部分來不及結(jié)晶的區(qū)域，在成型后繼續(xù)結(jié)晶的過程，存這一過程中，不形成新的結(jié)晶區(qū)域，而在球晶界面上使晶體進(jìn)一步長大，是初結(jié)晶的繼續(xù)。兩者均對(duì)性能不利，可通過熱處理，加速這兩個(gè)過程的解決，但不徹底。5、聚合物在成型過程中為什么會(huì)發(fā)生取向？成型時(shí)的取向產(chǎn)生的原因及形式有哪幾種？ 答：在成型加工時(shí)，受到剪切和拉伸力的影響，高分子化合物的分子鏈將發(fā)生取向，依受力情況，取向作用可分為兩類。流動(dòng)取向系指在熔融成型或濃溶液成型中，高分子化合物的分子鏈、鏈段或其他添加劑，沿剪切流動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方向排列。拉伸取向系指高分子化合物的分子鏈、鏈段或微晶等受拉伸力的作用沿受力方向排列。僅受一個(gè)方向作用力引起的拉伸取向?yàn)閱屋S拉仲取向(單向拉伸)；同時(shí)受兩個(gè)相互垂直方向的作用力引起的拉伸作用稱雙軸拉伸取向(雙向拉伸)。6、要使聚合物在加工中通過拉伸獲得取向結(jié)構(gòu)，應(yīng)在該聚合物的什么溫度下拉伸？答：粘流拉伸：條件是 TTf, 因?yàn)闇囟群芨?，解取向很快，所以有效取向度低；又因?yàn)闇囟雀?，粘度低，易造成液流中斷。所以，此范圍?nèi)，拉伸要恒定，不停頓。此種拉伸主要存在于紡絲。塑性拉伸：條件是 Tg1m)、微觀分相型高分子共混物(其分散相的粒徑在 0.11m 之間)和完全相容型高分子共混物。高分子合金即指后兩者。經(jīng)過合金化，原來單一高分子化合物性能上的某些欠缺可以相互彌補(bǔ)，表現(xiàn)出均衡的綜合性能，或可以使某些性能，如物理機(jī)械性能，尤其是沖擊韌性、加工件能等得到較大的改善，也可賦予材料某些特殊的功能性。常用的合金化技術(shù)有以下幾種。1)簡單共混技術(shù)。對(duì)完全相容型體系有效；對(duì)不相容體系得不到理想的性能，效果很差。2)接枝共聚技術(shù)。HIPS、ABS 即屬于此類。超韌性尼龍中順酐化 EPDM 與尼龍的端氨基反應(yīng)生成的起相容劑作用的接技物，也屬此類。3)多層乳液技術(shù)。乳液聚合中，通過聚合條件、單體加料程序的控制，可形成核、殼結(jié)構(gòu)不同的多層乳膠微粒，如用于 PVC 改性的 MBS、ACR 等即屬此類。4)相容劑技術(shù)。用此法制得具有穩(wěn)定做觀分相型結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)良的高分子合金。已較廣泛的應(yīng)用。5)互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(IPN)。是指形成部分聚合物網(wǎng)絡(luò)交織、纏結(jié)，部分形成微相分離狀態(tài)的互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)的制備技術(shù)。有兩個(gè)聚合物網(wǎng)絡(luò)同時(shí)形成；先形成一個(gè)聚合物網(wǎng)絡(luò)，再加入單體、交聯(lián)劑等對(duì)其滲透、溶脹，然后引發(fā)交聯(lián)形成第二個(gè)聚合物網(wǎng)絡(luò)；可以是一個(gè)熱塑性聚合物，一個(gè)交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)互相穿插、纏結(jié)；也可以是兩個(gè)熱塑性聚合物相互物理纏結(jié)而成。6)反應(yīng)擠出技術(shù)。是指在擠出機(jī)中實(shí)現(xiàn)的單體聚合反應(yīng)或在高分子化合物熔融共混同時(shí)實(shí)現(xiàn)功能化、接技、交聯(lián)(硫化) 等化學(xué)反應(yīng)，制備高分子合金的技術(shù)。通常采用雙螺桿擠出機(jī)。因此亦應(yīng)考慮螺桿轉(zhuǎn)向、長徑比、模塊形式及排列方式、排氣孔位置及配置等的影響。PA/EPDM 超韌尼龍、 PP/EPDM 熱塑性彈性體等均可列入此類。7)分子復(fù)合技術(shù)。系將少量剛性鏈高分子化合物均勻分散在柔性鏈或半剛性鏈的高分子化合物基體中，形成分子水平的復(fù)合，改善材料強(qiáng)度、模量和耐熱性等的技術(shù)。8)力化學(xué)技術(shù)。利用高剪切力作用下，高分子鏈的斷裂或交聯(lián)而形成接枝、鑷段或交聯(lián)高分子化合物制造高分子合金的方法。第三章 高分子用添加劑-作業(yè)及答案1、 高分子材料中添加助劑的目的是什么？答：滿足性能上的要求；滿足成型上的要求；滿足經(jīng)濟(jì)上的要求。2、什么是熱穩(wěn)定劑？哪一類聚合物在成型加工中須使用熱穩(wěn)定劑？答：高分子材料在加工和應(yīng)用的過程中，在外界因素?zé)岬淖饔孟?，?huì)發(fā)生老化過程，發(fā)生表面狀態(tài)、物理機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)的變化，甚至失去使用價(jià)值。為了防止或抑制由老化引起的破壞作用，可采用添加穩(wěn)定劑使高分子材料穩(wěn)定化，此法使用最普遍。熱穩(wěn)定劑主要用于 PV