1、2020/9/16,高分子材料加工原理及設(shè)備,1,高分子材料加工原理及設(shè)備Introduction to the Principle and Machinery of Polymer Processing,主講： 馬秀清 高分子材料加工機(jī)械教研室,2020/9/16,高分子材料加工原理及設(shè)備,2,學(xué)習(xí)本課程的目的： 掌握高分子材料加工的基本過程， 如固體輸送、熔融、混合原理，認(rèn)識 高分子材料的主要成型方法，如擠出 成型、注射成型、壓延成型等的本質(zhì) 規(guī)律，了解本領(lǐng)域的發(fā)展方向和最新 進(jìn)展。,2020/9/16,高分子材料加工原理及設(shè)備,3,本課程的主要內(nèi)容,高分子材料加工原理及設(shè)備綜述 高分子材

2、料加工基本階段 1、高分子材料基本知識 2、固體輸送 3、熔融理論 4、混合和共混 5、聚合物加工基本階段的補(bǔ)充內(nèi)容 高分子材料成型原理及設(shè)備 1、擠出成型 2、注射和模塑成形 3、二次成型 4、壓延和涂覆 5、其它成型方法 高分子材料加工的后處理,2020/9/16,高分子材料加工原理及設(shè)備,4,參考書目： 1、聚合物加工原理： Z.Tadmor and C.G.Gogos編著 耿孝正、閻琦、許澍華譯 化學(xué)工業(yè)出版社 2、Principles of Polymer Processing: T.Fenner 3、聚合物加工基礎(chǔ)： S.Middlemon 科學(xué)出版社,2020/9/16,高分子材

3、料加工原理及設(shè)備,5,成績評定： 平時(shí)10%+筆試60%+課程論文30% 聯(lián)系方式： 64433731(O) 64443651(H),2020/9/16,高分子材料加工原理及設(shè)備,6,緒 論,聚合物加工 聚合物加工是指“對聚合物材料或體系進(jìn)行操作以擴(kuò)大其用途的工程”，即把高分子材料變成實(shí)用制品或半制品時(shí)所采用的一些操作。 聚合物加工原理 聚合物加工原理，是利用高分子化學(xué)及物理的知識和以流體力學(xué)、塑性力學(xué)為基礎(chǔ)建立起來的流變學(xué)理論論述加工問題。采用簡化工程處理方法，建立加工中的物理模型和數(shù)學(xué)模型，融入表征材料結(jié)構(gòu)的本構(gòu)方程，經(jīng)過數(shù)學(xué)解析，最終能定量或定性地表征流場中的物性及工藝參數(shù)的分布狀態(tài)或變

4、化趨勢，從而分析加工成型中材料的分子構(gòu)象變化特點(diǎn)及相態(tài)結(jié)構(gòu)形成機(jī)理，以便改進(jìn)控制工藝條件和預(yù)測產(chǎn)品質(zhì)量。,2020/9/16,高分子材料加工原理及設(shè)備,7,聚合物加工過程分析： 金屬加工： 鐵礦石 鋼材 毛坯加工 成型加工 精加工,鑄造 鍛造 焊接,車、銑、刨、鉆 磨,精磨 精車,聚合物成型加工：,石油 樹脂 基本加工階段 成型階段 后加工,預(yù)塑加工、排氣、造粒、混煉,擠出 注射 壓延,植絨、印刷、焊接,2020/9/16,高分子材料加工原理及設(shè)備,8,聚合物成型加工,2020/9/16,高分子材料加工原理及設(shè)備,9,高分子化合物的加工性能及其影響因素,2020/9/16,高分子材料加工原理及

5、設(shè)備,10,常見的加工流程,2020/9/16,高分子材料加工原理及設(shè)備,11,各種成型方法的適應(yīng)性,2020/9/16,高分子材料加工原理及設(shè)備,12,2020/9/16,高分子材料加工原理及設(shè)備,13,2020/9/16,高分子材料加工原理及設(shè)備,14,2020/9/16,高分子材料加工原理及設(shè)備,15,2020/9/16,高分子材料加工原理及設(shè)備,16,第一章 高分子材料的基本知識,本章主要內(nèi)容： 1、聚合物的結(jié)構(gòu)和性能 2、聚合物的力學(xué)三態(tài)與加工溫度范圍 3、聚合物熱物理性質(zhì),2020/9/16,高分子材料加工原理及設(shè)備,17,第一節(jié) 聚合物的結(jié)構(gòu)和性能,一、高分子材料 高分子材料指的

6、是分子量在104107范圍內(nèi)的高分子化合物。有天然存在的和人工合成的。由于可通過加聚或縮聚聚合反應(yīng)得到高分子化合物，因而高分子材料又稱為聚合物或高聚物。 1、高分子及分子鏈： 高分子是由某些單體分子通過主價(jià)鍵(共價(jià)鍵)彼此重復(fù)地結(jié)合起來的鏈狀大分子。鏈狀大分子中重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元稱為鏈節(jié)，重復(fù)的次數(shù)稱為聚合度DP。,2020/9/16,高分子材料加工原理及設(shè)備,18,2020/9/16,高分子材料加工原理及設(shè)備,19,通常，鏈狀大分子的結(jié)構(gòu)形狀有線性的、支化的和三維交聯(lián)網(wǎng)狀的三種。由結(jié)構(gòu)單元線性地連接起來的分子鏈，且互不相聯(lián)的稱為線性的；如果高分子主鏈上含有支鏈則稱為支化的；如果一些分子鏈和另一些

7、分子鏈在相交點(diǎn)上由化學(xué)鍵彼此連接起來，形成一分子量無限大的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，則稱為交聯(lián)網(wǎng)狀的。,2020/9/16,高分子材料加工原理及設(shè)備,20,一般說來，線型和支化聚合物的特點(diǎn)是受熱可以軟化或熔融，也可以制成熔液，所以能夠反復(fù)地用來進(jìn)行加工成型，稱為熱塑性材料，如熱塑性塑料、未硫化膠料等；交聯(lián)網(wǎng)狀聚合物則沒有以上特點(diǎn)，只能在形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之前進(jìn)行加工，成型以后就難以再重復(fù)利用，稱為熱固性材料，如熱固性塑料、硫化橡膠等。,2020/9/16,高分子材料加工原理及設(shè)備,21,2、分子量： 聚合物的分子量、支化度、交聯(lián)密度是隨聚合反應(yīng)條件的變化而變化的，加之聚合過程中還要受到大量偶然因素的影響，使得在

8、一種聚合物樣品中很難找出同樣長度、同樣支化度的鏈狀大分子，這一現(xiàn)象稱為高分子化合物的多分散性。,數(shù)均分子量：,重均分子量：,3、均聚物和共聚物： 聚合物可以由一種或多種單體聚合而成，一種單體構(gòu)成的聚合物為均聚物，兩種或兩種以上單體構(gòu)成的聚合物為共聚物。共聚物是兩種或多種單體同時(shí)聚合的結(jié)果，不是兩種或多種均聚物的機(jī)械共混物，共聚物分子結(jié)構(gòu)的形狀，可以是無規(guī)的、接枝的和交替的、嵌段的。共聚物可得到合乎需要的每種均聚物的理想性質(zhì)的某種精細(xì)混合，而機(jī)械共混物卻不能得到合乎需要的每種均聚物性質(zhì)的精細(xì)混合。如：,2020/9/16,高分子材料加工原理及設(shè)備,22,丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS(Acr

9、ylonitrile-Butadiene-Styrene)，其中丙烯腈表面硬度高，丁二烯韌性好，苯乙烯加工性好，染色性好。 共混物: PP+尼龍、PEEVA、PVCEVA等等。 無規(guī)共聚：AA B A B B B A B B A A B A 接枝共聚：A A A A A A A A A A A A | B B B B B B B 嵌段共聚：A A A A A B B B B B A A A A 交替共聚：A B A B A B A B A B A B,4、高分子的構(gòu)象： 高分子的構(gòu)象是指單個(gè)分子在空間中存在的各種狀態(tài)，一個(gè)高分子鏈由于單鍵的內(nèi)旋狀和分子的熱運(yùn)動，總是存在著一系列不同的形狀，如伸

10、展的直鏈、卷曲的無規(guī)線團(tuán)和卷曲的有規(guī)則排列的形狀等等。,2020/9/16,高分子材料加工原理及設(shè)備,23,5、高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)： 高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)是指大分子與大分子之間的幾何排列，聚集態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈地受高分子構(gòu)象和加工條件的影響，同時(shí)又直接影響聚合物的性能，按照高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，聚合物分為結(jié)晶型和無定形兩類。結(jié)晶型聚合物的分子鏈排列整齊有序，而無定形聚合物的分子鏈排列雜亂無章，實(shí)際上也存在由晶相和非晶相組成的部分結(jié)晶聚合物。無定形聚合物和部分結(jié)晶聚合物有三種力學(xué)狀態(tài)玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)，而結(jié)晶型聚合物只有固態(tài)和粘流態(tài)。,2020/9/16,高分子材料加工原理及設(shè)備,24,6、聚合物的取向

11、結(jié)構(gòu)： 聚合物的取向結(jié)構(gòu)是在拉伸或剪切流動等加工過程中形成的，指的是在應(yīng)力場的作用下，聚合物的結(jié)構(gòu)單元有沿力的作用方向進(jìn)行有序排布的傾向，處于取向狀態(tài)的聚合物，材料各個(gè)方向的性能各異。,2020/9/16,高分子材料加工原理及設(shè)備,25,添加劑的分類,2020/9/16,高分子材料加工原理及設(shè)備,26,第二節(jié) 聚合物的力學(xué)三態(tài)與加工溫度范圍,溫度變化時(shí)，聚合物的運(yùn)動單元具有多重性，它可以是鏈節(jié)、支鏈、鏈段、整個(gè)分子鏈。各個(gè)運(yùn)動單元的運(yùn)動是受溫度等條件制約的。 玻璃態(tài)：當(dāng)溫度很低時(shí)，分子熱運(yùn)動的能量很低，不足以激發(fā)起鏈段的運(yùn)動，鏈段處于被凍結(jié)的狀態(tài)，只有較小的運(yùn)動單元，如鏈節(jié)和支鏈能夠運(yùn)動。這時(shí)

12、高分子鏈不能實(shí)現(xiàn)從一種構(gòu)象到另一種構(gòu)象的轉(zhuǎn)變。當(dāng)受到外力后，只有主鏈的鍵長和鍵角有微小的改變，形變和受力大小成正比，并且當(dāng)外力去除后形變能立即恢復(fù)，這時(shí)，聚合物所表現(xiàn)出來的力學(xué)性質(zhì)和低分子的固體物質(zhì)相似，處于普彈的狀態(tài)，對于無定形聚合物和部分結(jié)晶型聚合物，稱為玻璃態(tài)，對于結(jié)晶型聚合物稱為固體晶態(tài)。 高彈態(tài)：隨著溫度的升高，分子熱運(yùn)動能量增加，當(dāng)達(dá)到某一溫度時(shí)，分子熱運(yùn)動能量已達(dá)到足以發(fā)生鏈段運(yùn)動，鏈段可以通過繞主鍵上的單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)來不斷改變構(gòu)象，甚至部分鏈段可以產(chǎn)生滑動，但整個(gè)分子鏈仍處于被凍結(jié)的狀態(tài)。這時(shí)，當(dāng)聚合物受外力拉伸時(shí)，分子鏈可以通過主鏈上的單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)和鏈段運(yùn)動來改變構(gòu)象，以適應(yīng)外

13、力的作用，即分子鏈被拉直了。外力解除后，被拉直的分子鏈又會通過內(nèi)旋轉(zhuǎn)和鏈段運(yùn)動回復(fù)到原來的卷曲狀態(tài)，高分子鏈從卷曲狀態(tài)到拉直，形變是很大的，而且形變和回復(fù)都不是瞬時(shí)完成的，需要一定的時(shí)間。因而把受力后形變很大而且經(jīng)過一定時(shí)間又能回復(fù)的這種力學(xué)性質(zhì)稱為高彈性，把具有高彈性的狀態(tài)稱為高彈態(tài)。高彈性是聚合物區(qū)別于低分子物質(zhì)的一個(gè)重要性質(zhì)。,2020/9/16,高分子材料加工原理及設(shè)備,27,粘流態(tài)：當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，不僅鏈段能運(yùn)動，而且整個(gè)分子鏈都能運(yùn)動。這時(shí)聚 合物受到外力作用時(shí)，它和低分子物質(zhì)的液體相似，分子和分子之間能產(chǎn)生蚯蚓式的蠕動，即呈現(xiàn)粘性流動，這種流動是不可逆的，當(dāng)外力消除后，形變不能

14、回復(fù)，具有粘性流動特征的狀態(tài)稱為粘流態(tài)。,加工溫度范圍：熱塑性塑料的加工溫度多數(shù)在略高于粘流溫度的范圍內(nèi)，對于橡膠加工，一般不能達(dá)到粘流溫度，其加工溫度的上限通常是110 115,2020/9/16,高分子材料加工原理及設(shè)備,28,第三節(jié) 聚合物的熱物理性質(zhì),與聚合物加工關(guān)系密切的熱物理性質(zhì)有：壓縮與熱膨脹系數(shù)、密度和比容、熱容、熔融潛熱、導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)。 1、壓縮性與熱脹性： 材料的壓縮性和熱脹性，是宏觀物體在一定壓力或溫度作用下體積變化或幾何尺寸變化的性質(zhì)。 (1)壓縮系數(shù)：材料的壓縮性是用體積壓縮系數(shù)k來表征的，定義為： (2)熱膨脹系數(shù)：材料的熱脹性可用體膨脹系數(shù)和線膨脹系數(shù)來表示，分別定義為：,2020/9/16,高分子材料加工原理及設(shè)備,29,2、熱容：熱容是每千克物質(zhì)溫度升高1 C所需的熱量。它不僅取決于材料本身，而且還與