聚合物流變學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)(doc 7頁(yè)).doc

四章 聚合物流變學(xué)基礎(chǔ)1. 與低分子物相比，聚合物的黏性流動(dòng)有何特點(diǎn)？答：絕大多數(shù)低分子物具有牛頓流體的性質(zhì)，即其粘性僅與流體分子的結(jié)構(gòu)和溫度有關(guān)，與切應(yīng)力和切變速率無關(guān)。比如水、甘油等。高分子稀溶液也是。而大部分聚合物熔體屬于非牛頓流體中的假塑性流體，隨剪切力增加而變稀。與低分子物相比，聚合物的粘性流動(dòng)（流變行為，主要是指聚合物熔體，而不包括聚合物溶液）具有如下特征：（1） 聚合物熔體流動(dòng)時(shí)，外力作用發(fā)生粘性流動(dòng)，同時(shí)表現(xiàn)出可逆的彈性形變。（2） 聚合物的流動(dòng)并不是高分子鏈之間的簡(jiǎn)單滑移，而是運(yùn)動(dòng)單元依次躍遷的結(jié)果。（3） 它的流變行為強(qiáng)烈地依賴于聚合物本身的結(jié)構(gòu)、分子量及其分布、溫度、壓力、時(shí)間、作用力的性質(zhì)和大小等外界條件的影響。（4） 絕大數(shù)高分子成型加工都是粘流態(tài)下加工的，如擠出，注射，吹塑等。（5） 彈性形變及其后的松馳影響制品的外觀，尺寸穩(wěn)定性。 2. 什么是牛頓型流體和非牛頓型流體？使用流變方程和流動(dòng)曲線說明非牛頓型流體的類型。答：牛頓粘性定律：某些液體流動(dòng)時(shí)切應(yīng)力與切變率D之比為液體的粘度。遵循牛頓粘性定律的液體稱為牛頓流體,凡是流體運(yùn)動(dòng)時(shí)其切變率D與切應(yīng)力不成線性關(guān)系的流體稱為非牛頓流體。=K(dvx/dy)n= Kn-1式中，K為稠度系數(shù)，NS”m ； 為流體特性指數(shù)，無因次，表示與牛頓流體偏離的程度。由方程式可見： 當(dāng)n=1時(shí)，=K，即K 具有粘度的因次此時(shí)流體為牛頓流體； 當(dāng)l時(shí)，為膨脹塑性或剪切增稠流體；當(dāng)剪切應(yīng)力高于流動(dòng)前的剪切屈服應(yīng)力的流體叫賓哈流體3. 何為表觀黏度？試述大部分聚合物熔體為假塑性流體的理由。答：表觀黏度為非牛頓流體剪切應(yīng)力，即剪切速率曲線上的任一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力除以剪切速率。 因?yàn)榇蟛糠值木酆衔锸菬崴苄运芰隙鵁崴苄运芰系募羟兴俾试?0-104S-1。流動(dòng)曲線是非線性的，剪切速率的增加比剪切應(yīng)力增加的快，并且不存在屈服應(yīng)力，流體特征是黏度隨剪切速率或剪切應(yīng)力的增大而降低。4. 在寬廣的剪切速率范圍內(nèi)，聚合物流體的剪切應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系會(huì)出現(xiàn)怎樣的變化？答：當(dāng)塑料熔體按上述情況在等截面圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí),它所受剪切應(yīng)力和真正剪切速率之間應(yīng)存在如式所示的關(guān)系. 規(guī)定圓管的半徑為R,管長(zhǎng)為L(zhǎng),于是在任意半徑r處所受剪切應(yīng)力即為: 式中P代表圓管兩端的壓力降.從一般液體在導(dǎo)管內(nèi)流動(dòng)的情況知,在管壁處的流動(dòng)速度為零.即Vr=R=0,不過聚合物熔體流動(dòng)時(shí)并不為零.由于它產(chǎn)生的效應(yīng)不大,所以依然認(rèn)為它是零.將上述兩式合并求其積分,得液體在任意半徑處的流速Vr為: 5. 簡(jiǎn)述聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量與其熔體黏性的關(guān)系。答：高聚物相對(duì)分子質(zhì)量大小對(duì)其黏性流動(dòng)影響極大。相對(duì)分子質(zhì)量增加,使分子間的作用力增大，非牛頓型流動(dòng)行為越強(qiáng)。顯然會(huì)增加它的黏度,從而熔融指數(shù)(MI)就小。而且相對(duì)分子質(zhì)量的緩慢增大，將導(dǎo)致表觀黏度的急劇增加和MI的迅速下降。6. 試述溫度對(duì)聚合物熔體黏性的影響。答：對(duì)于聚合物熔體，溫度是影響活化能的?；罨苁欠肿渔溋鲃?dòng)時(shí)用于克服分子間作用力，以便更換位置所需要的能量，即沒摩爾運(yùn)動(dòng)單元流動(dòng)時(shí)所需要的能量。故活化能越大，黏度對(duì)溫度越為敏感，溫度升高時(shí)，其年度下降越明顯。7. 聚合物熔體在剪切流動(dòng)過程中有那些彈性表現(xiàn)形式？在成形過程中可以采取那些措施來減少?gòu)椥员憩F(xiàn)對(duì)制品質(zhì)量的不良影響？答：有入口效應(yīng) 離模膨脹 熔體破裂措施：穩(wěn)定壓力降，提高溫度，減少剪切應(yīng)力，增加溫度下的流動(dòng)時(shí)間，均化塑料結(jié)構(gòu)，降低其流動(dòng)的非牛頓性。8. 聚合物熔體的離模膨脹產(chǎn)生的原因是什么？分析影響因素。在生產(chǎn)工藝和機(jī)械設(shè)計(jì)上采取那些措施以確保擠出物尺寸的穩(wěn)定性？答： 一般在擠出過程中,處于熔體狀態(tài)的高分子鏈經(jīng)取向和拉伸作用,分子處于應(yīng)力狀態(tài).但是離開口模后,分子應(yīng)力釋放,分子鏈徑向回縮,與流動(dòng)方向垂直的方向“變胖”,也就是所謂的離模膨脹。影響因素:當(dāng)口模的長(zhǎng)徑比一定時(shí)，膨脹比B隨剪切速率增加而增大。 在低于臨界剪切速率的一定剪切速率下，離模膨脹比B隨溫度升高而降低。 在低于發(fā)生熔體破裂的臨界剪切速率下，離模膨脹比B隨剪切應(yīng)力的增加而增大。 當(dāng)剪切速率恒定時(shí)，離模膨脹比B隨口模長(zhǎng)徑比L/D的增大而降低。 離模膨脹隨熔體在口模內(nèi)停留時(shí)間城指數(shù)關(guān)系減小。 離模膨脹隨聚合物的結(jié)構(gòu)和品種不同而異。 離模膨脹與口模的入口的幾何結(jié)構(gòu)無關(guān)。 9. 何謂“鯊魚皮癥”試述其產(chǎn)生的機(jī)理。答: 鯊魚皮癥狀的原因注意是由于熔體流動(dòng)時(shí)在口模壁上滑移和口模對(duì)擠出物產(chǎn)生周期性拉伸作用。而且存在一個(gè)臨界剪切速率，表觀臨界剪切速率口沫半徑的乘積是常數(shù)。這就意味著，口模徑向尺寸越大，其臨界速率較低些，易產(chǎn)生“鯊魚皮癥”。10. 簡(jiǎn)述熔體破裂的因素。試分析塑料熔體在注射沖模流動(dòng)工程中產(chǎn)生熔體破裂的原因及對(duì)制品質(zhì)量的影響。在生產(chǎn)上應(yīng)采取什么措施避免出現(xiàn)熔體破裂現(xiàn)象？答：（）發(fā)生不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象所確定的臨界剪切應(yīng)力105Pa數(shù)量級(jí)，并隨著溫度的增加而約有增加。（）口模流道的收斂角對(duì)臨界剪切速率的影響較大。（）臨界剪切速率隨口模長(zhǎng)徑比的增加而增大。（）盡管口模工作表面的粗糙度對(duì)熔體破裂的發(fā)生并無影響，但卻受到口模制造材料的影響。（）臨界剪切應(yīng)力依賴于重均相對(duì)分子質(zhì)量，但與相對(duì)分子質(zhì)量無關(guān)。（）臨界剪切速率隨相對(duì)分子質(zhì)量的增加而降低。原因：（）鯊魚皮癥狀的彈性形變（）熔體中彈性恢復(fù)引起的影響：在離開口模的彈性恢復(fù)不同引起熔體爆裂措施：根據(jù)熔體破裂因素采取相印方法，分析熔體的彈性等情況采用有效的方法。11. 有那些因素影響拉伸黏度？如何影響？答：（）拉伸應(yīng)力速率的影響。拉伸黏度隨拉伸應(yīng)變速率的增加而增加原因是大分子鏈的取向伸直、平行排列的分子較無序排列的分子具有較強(qiáng)的抗拉伸性。（）聚合物的分子結(jié)構(gòu)。有拉伸黏度隨拉伸應(yīng)力增大而增大的拉伸變硬和變小的拉伸變稀兩個(gè)現(xiàn)象。（）雙軸拉伸。在和軸拉伸形變不同。對(duì)牛頓流體，雙軸拉伸的黏度是單軸的倍。12. 綜合論述聚合物的流變性質(zhì)對(duì)其成型加工有何指導(dǎo)意義。答；不可壓縮；等溫流動(dòng)；在流道壁上的速度為零；流體黏度不隨時(shí)間變化。高分子的流動(dòng)通過鏈段的位移而完成。高分子流動(dòng)不是整個(gè)大分子鏈的遷移，而是通過鏈段相繼躍遷而實(shí)現(xiàn)的。類似蚯蚓的蠕動(dòng)。躍遷不需大的空穴，而有如鏈段大小的空穴即可以了，此外鏈段又稱為流動(dòng)單元，尺寸約含有幾十個(gè)主鏈碳原子。度不隨剪切應(yīng)力和剪切速率大小而改變，始終為常數(shù)，為牛頓流體(Newtonian fluid)，包括了低分子溶液、高分子稀溶液。不符合牛頓流體公式的流體，成為非牛頓流體。其中，流變行為與時(shí)間無關(guān)的流體包括：假塑性流體；脹塑性流體；賓漢流體。低分子流動(dòng)，產(chǎn)生的形變，完全不可逆的；高分子的流動(dòng)，形變：一部分不可逆的； 一部分是可逆的：高分子流動(dòng)不是高分子鏈段簡(jiǎn)單的滑移，而是鏈段分段運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，在外力作用下，分子鏈沿著外力的方向伸展，即一定量高彈形變，該部分可逆；外力消失后，又蜷曲，形變恢復(fù)一部分?；謴?fù)為松弛過程：分子鏈柔順，恢復(fù)快；溫度高，則恢復(fù)快。分子鏈柔順性：好時(shí)，則內(nèi)旋轉(zhuǎn)位壘低，流動(dòng)單元的鏈段就短，在較低的溫度下即可發(fā)生粘性流動(dòng)。分子間作用力：小，在較低溫度下可產(chǎn)生分子相對(duì)位移，如PS（112-146）。大：粘流溫度高，如PVC的粘流溫度（165-190）零剪切時(shí)，為零切粘度。假塑區(qū)：中等剪切速率區(qū)，是一段反S的曲線，斜率，該區(qū)域的表觀粘度為曲線上一點(diǎn)引斜率為1的直線與的直線相交點(diǎn)。通常高分子的成型所受的剪切速率處于該區(qū)域，增大，減少。第二牛頓區(qū)：為高剪切速率區(qū)，一般實(shí)驗(yàn)室達(dá)不到該區(qū)域，因?yàn)槲催_(dá)到該區(qū)域的值前，已出現(xiàn)不穩(wěn)定流動(dòng)，斜率為1，直線外推至直線所得為粘度五章 高分子材料混合與制備1. 物料的混合有哪三種基本運(yùn)動(dòng)形式？聚合物成型時(shí)熔融過程的混合以哪一種運(yùn)動(dòng)形式為主？為什么？答：分子擴(kuò)散；渦流擴(kuò)散；體積擴(kuò)散。 以渦流擴(kuò)散為主，因?yàn)槿垠w與熔體的混合不是靠分子擴(kuò)散和體積擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)的，在加工中，由于物料的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)不到雜流，而且黏度又高，所以要熔體的流速很高，勢(shì)必要對(duì)聚合物施加極高的剪切速率。2. 什么是“非分散混合”，什么是“分散混合”， 兩者各主要通過何種物料運(yùn)動(dòng)和混合操作來實(shí)現(xiàn)？答：非分散混合：在混合中僅增加粒子在混合物中空間分布均勻性而不減小粒子初始尺寸的過程。通過對(duì)流來實(shí)現(xiàn)的可以通過賽形流動(dòng)和不需要物料連續(xù)變形的簡(jiǎn)單體積排列和置換得到。 分散混合：在混合過程中發(fā)生粒子尺寸減小到極限值，同時(shí)增加相界面和提高混合物組分均勻性的混合過程。靠剪切應(yīng)力和拉伸應(yīng)力實(shí)現(xiàn)的。3. 為什么評(píng)定固體物料的混合狀態(tài)時(shí)不僅要比較取樣中各組份的比率與總體比率的差異大小而且還要考察混合料的分散程度？答：有粗粉、細(xì)粉、混合不好的三種情況。三種混合料中兩組分的分散程度來看。判斷物料的混合狀態(tài)時(shí)，還必須考慮各組份的分散程度。分散程度指混合體系中各個(gè)混入組分的粒子在混合后的破碎程度，破碎度大，粒徑小，其分散程度就高，反之不好。分散程度可以用同一組分的相鄰粒子間平均距離來描述，距離越短，分散程度越好。粒子的體積越小，或混合時(shí)不斷減小粒子的體積，則均勻程度越高。4. 溫度對(duì)生膠塑煉有何影響？為什么天然橡膠在115oC時(shí)塑煉效果最差？答：生膠的塑煉分為高溫塑煉與低溫塑煉。密煉機(jī)和螺桿塑煉機(jī)的塑煉溫度都在100攝氏度以上，屬于高溫塑煉。開煉機(jī)塑煉溫度在100攝氏度以下，屬于低溫塑煉。在機(jī)械塑煉中，能促使大分子鏈斷裂破壞的因素有：機(jī)械力作用，氧化裂解作用，熱裂解和熱活化作用，化學(xué)塑節(jié)劑的化學(xué)作用以及靜電荷臭氧的作用。當(dāng)在低溫塑煉的時(shí)候，也就是在開煉機(jī)塑煉的時(shí)候，主要是機(jī)械力來進(jìn)行塑煉的。這個(gè)時(shí)候氧的作用是很小的，因?yàn)樗窃诘蜏氐那闆r下。當(dāng)天然橡膠在115攝氏度的時(shí)候，它的機(jī)械力作用是最小的時(shí)候，氧化裂解的作用也是最小的時(shí)候。也就是說，115攝氏度對(duì)于塑煉來說是一個(gè)非常尷尬的溫度，正好是機(jī)械力最小，含氧量最小的時(shí)候。所以這個(gè)時(shí)候的塑煉效果是最差的。當(dāng)溫度提上來的時(shí)候，含氧量就增高了，那時(shí)候塑煉效果又會(huì)好起來！5. 天然橡膠的低溫機(jī)械塑煉的目的及其原理與聚氯乙烯塑煉中添加鄰苯二甲酸二丁脂的目的及其原理有何異同？答：開煉機(jī)塑煉溫度在100攝氏度以下，屬于低溫塑煉。在機(jī)械塑煉中，能促使大分子鏈斷裂破壞的因素有：機(jī)械力作用，氧化裂解作用，熱裂解和熱活化作用，化學(xué)塑節(jié)劑的化學(xué)作用以及靜電荷臭氧的作用。當(dāng)在低溫塑煉的時(shí)候，也就是在開煉機(jī)塑煉的時(shí)候，主要是機(jī)械力來進(jìn)行塑煉的。這個(gè)時(shí)候氧的作用是很小的，因?yàn)樗窃诘蜏氐那闆r下。正好是機(jī)械力最小，含氧量最小的時(shí)候。所以這個(gè)時(shí)候的塑煉效果是最差的。當(dāng)溫度提上來的時(shí)候，含氧量就增高了，那時(shí)候塑煉效果又會(huì)好起來！ 都為了降低生膠的彈性，增加可塑性，獲得適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性，是混合分散均勻，能很好的塑煉，滿足成型工藝要求。6. 何謂橡膠的混煉？用開煉機(jī)和密煉機(jī)分別進(jìn)行混煉時(shí)應(yīng)控制的工藝有那些？有何影響？答：就是將各種配合劑與可塑度合乎要求的生膠或塑煉膠在機(jī)械作用下混合均勻制成混煉膠的過程。開煉機(jī)工藝：經(jīng)歷包輥、吃粉、翻搗三個(gè)部分。合理的加料順序有利于提高混煉膠的質(zhì)量和混煉效率。如果加料順序不合理，則會(huì)影響配合劑分散的均勻程序，在操作中還會(huì)導(dǎo)致脫輥、過煉、甚至發(fā)生焦燒等。在膠料的混煉中，裝膠容量與混煉膠的質(zhì)量有著密切的關(guān)系。裝膠容量過大，則會(huì)使堆積膠量過多，易于產(chǎn)生混煉不均的現(xiàn)象，而且生產(chǎn)效率下降；裝膠容量過小，不僅設(shè)備利用率低，而且還容易造成過煉。合理的裝膠容量可參照按煉膠機(jī)規(guī)格計(jì)算出的理論裝膠容量，再按照實(shí)際情況加以調(diào)整。 密煉機(jī)工藝：分為濕潤(rùn)、分散、捏煉三個(gè)過程。密煉機(jī)是一種設(shè)有一對(duì)特定形狀并相對(duì)回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子、在可調(diào)溫度和壓力的密閉狀態(tài)下間隙性地對(duì)聚合物材料進(jìn)行塑煉和混煉的機(jī)械，主要由密煉室、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子密封裝置、加料壓料裝置、卸料裝置、傳動(dòng)裝置及機(jī)座等部分組成?；鞜捜萘看蟆r(shí)間短、生產(chǎn)效率高；較好的克服粉塵飛揚(yáng)，減少配合劑的損失，改善產(chǎn)品質(zhì)量與工作環(huán)境；操作安全便利，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度；有益于實(shí)現(xiàn)機(jī)械與自動(dòng)化操作等。7. 何謂膠料混煉過程中產(chǎn)生的結(jié)合橡膠？答：是指炭黑混煉膠中不能被它的良溶劑溶解的那部分橡膠。結(jié)合橡膠實(shí)質(zhì)上是填料表面上吸附的橡膠，也就是填料與橡膠間的界面層中的橡膠。通常采用結(jié)合橡膠來衡量炭黑和橡膠之間相互作用力的大小，結(jié)合橡膠多則補(bǔ)強(qiáng)性高，所以結(jié)合橡膠是衡量炭黑補(bǔ)強(qiáng)能力的標(biāo)尺。8. 成型用的塑料有哪幾種？各種形態(tài)的塑料有何不同的特點(diǎn)？它們的應(yīng)用情況如何？答：熱塑性塑料: 熱塑性塑料分子結(jié)構(gòu)都是線型結(jié)構(gòu)，在受熱時(shí)發(fā)生軟化或熔化，可塑制成一定的形狀，冷卻后又變硬。在受熱到一定程度又重新軟化，冷卻后又變硬，這種過程能夠反復(fù)進(jìn)行多次。如聚氯乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯等。塑性塑料成型過程比較簡(jiǎn)單，能夠連續(xù)化生產(chǎn)，并且具有相當(dāng)高的機(jī)械強(qiáng)度，因此發(fā)展很快。熱固性塑料: 熱固性塑料的分子結(jié)構(gòu)是體型結(jié)構(gòu)，在受熱時(shí)也發(fā)生軟化，可以塑制成一定的形狀，但受熱到一定的程度或加入少量固化劑后，就硬化定型，再加熱也不會(huì)變軟和改變形狀了。熱固性塑料加工成型后，受熱不再軟化，因此不能回收再用，如酚醛塑料、氨基塑料、環(huán)氧樹脂等都屬于此類塑料。熱固性塑料加工成型后，受熱不再軟化，因此不能回收再用，如酚醛塑料、氨基塑料、環(huán)氧樹脂等都屬于此類塑料。熱固性塑料成型工藝過程比較復(fù)雜，所以連續(xù)化生產(chǎn)有一定的困難，但其耐熱性好、不容易變形，而且價(jià)格比較低廉。工程塑料: 工程塑料是可作為工程結(jié)構(gòu)材料和代替金屬制造機(jī)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。程塑料具有密度小、化學(xué)穩(wěn)定性高、機(jī)械性能良好、電絕緣性優(yōu)越、加工成型容易等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、電器、化工、機(jī)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。通用塑料:是指產(chǎn)量大、價(jià)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。9. 什么叫塑料的混合和塑化，其主要區(qū)別在那里？答：混合,是用機(jī)械的或流體動(dòng)力的方法，在樹脂的流動(dòng)溫度以下和較低剪切應(yīng)力作用下進(jìn)行的過程。塑化，指塑料在樹脂的流動(dòng)溫度以上和較強(qiáng)的剪切應(yīng)力作用下進(jìn)行的過程。區(qū)別：混合是用的機(jī)械方法，塑化是用的化學(xué)反應(yīng)方法。混合只是增加各組份的微?？臻g的無規(guī)則排列程度，而不是減小粒子尺寸，是非分散混合。塑化是驅(qū)出水分和揮發(fā)物，使各組份的分散更均勻，得到一定可塑性的均勻物料。10. 哪些機(jī)械通常用于塑料的初混合?哪些機(jī)械用于塑煉？答：初混合：開煉機(jī)，密煉機(jī)、z形捏合機(jī)、高速混合急。塑煉：開煉機(jī)，密煉機(jī)、螺桿式塑煉機(jī)。11. 塑料的塑化與橡膠的塑煉二者的目的和原理有何異同？答： 塑料與橡膠最本質(zhì)的區(qū)別在于塑料發(fā)生形變時(shí)塑性變形，而橡膠是彈性變形。換句話說，塑料變形后不容易恢復(fù)原狀態(tài)，而橡膠相對(duì)來說就容易得多。塑料的彈性是很小的，通常小于100%，而橡膠可以達(dá)到1000%甚至更多。塑料在成型上絕大多數(shù)成型過程完畢產(chǎn)品過程也就完畢；而橡膠成型過程完畢后還得需要硫化過程。塑料與橡膠同屬于高分子材料,主要由碳和氫兩種原子組成,另有一些含有少量氧,氮,氯,硅,氟,硫等原子,其性能特殊,用途也特別.在常溫下,塑料是固態(tài),很硬,不能拉伸變形.而橡膠硬度不高,有彈性,可拉伸變長(zhǎng),停止拉伸又可回復(fù)原狀。這是由于它們的分子結(jié)構(gòu)不同造成的.另一不同點(diǎn)是塑料可以多次回收重復(fù)使用,而橡膠則不能直接回收使用,只能經(jīng)過加工制成再生膠,然后才可用.塑料在100多度至200度時(shí)的形態(tài)與橡膠在60至100度時(shí)的形態(tài)相似.塑料不包括橡膠.。12. 什么是“生膠的塑煉”，什么是“橡膠的塑煉”，為什么要分別對(duì)生膠和塑料進(jìn)行塑煉？?jī)烧叻謩e可采取哪些措施提高塑煉效果？答：生膠的塑煉：線性高分子化合物通過機(jī)械應(yīng)力、熱、氧或加入某些化學(xué)試劑等方式，使橡膠由強(qiáng)韌的高彈性狀