聚合物加工第一次課

1、2022-5-8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2022-5-8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(guò)程，如固體輸送、熔融、混合原理，認(rèn)識(shí)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。2022-5-8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)備綜述高分子材料加工原理及設(shè)備綜述 高分子材料加工基本階段

2、高分子材料加工基本階段 1、高分子材料基本知識(shí) 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高分子材料加工的后處理2022-5-8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.Middlemo

3、n 科學(xué)出版社2022-5-8高分子材料加工原理及設(shè)備5成績(jī)?cè)u(píng)定： 平時(shí)10%+筆試60%+課程論文30%聯(lián)系方式： 64433731(O) 64443651(H) 2022-5-8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(duì)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(shí)和以流體力學(xué)、塑性力學(xué)為基礎(chǔ)建立起來(lái)的流變學(xué)理論論述加工問(wèn)題。采用簡(jiǎn)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(guò)數(shù)學(xué)解析，最終能定量或定性地表征流場(chǎng)中的物性

4、及工藝參數(shù)的分布狀態(tài)或變化趨勢(shì)，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(cè)產(chǎn)品質(zhì)量。2022-5-8高分子材料加工原理及設(shè)備7 聚合物加工過(guò)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2022-5-8高分子材料加工原理及設(shè)備8聚合物成型加工2022-5-8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加工性能涵 義發(fā)生場(chǎng)合制約因素可擠壓性可模塑性可延展性可紡性 材料受擠壓作

5、用形變時(shí)，獲取和保持形狀的能力 材料在溫度和壓力作用下，產(chǎn)生形變和在模具中模制成型的 材料在一個(gè)或兩個(gè)方向上受到壓延或拉伸的形變能力 材料通過(guò)成型而形成固態(tài)纖維的能力 擠出機(jī)、注射機(jī)的機(jī)筒內(nèi)、壓延機(jī)的滾筒間及模具中 注射機(jī)、擠出機(jī)、模壓機(jī)作用下，模塑成型過(guò)程 壓延或拉伸成型中 擠出成型時(shí)的噴頭 熔體粘度、加工設(shè)備結(jié)構(gòu)、熔體流變性、熔體流動(dòng)速率 流變性、熱性能及其它物理機(jī)械性能、高分子化合物的化學(xué)反應(yīng)性 材料的塑性變形能力和應(yīng)力硬化作用 流變性、熔體粘度和強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性2022-5-8高分子材料加工原理及設(shè)備10類 型方 法實(shí) 例流程1流程2流程3流程4高分子化合物混合料經(jīng)一次成型、

6、二次成型并用生產(chǎn)制品的方法高分子化合物一次成型生產(chǎn)制品的方法由單體混合料一步生產(chǎn)制品的方法低聚物混合料一步法生產(chǎn)制品的方法注射成型后的表面處理產(chǎn)品片、薄板的真空成型品圓棒、厚板等半成品的切削加工注射成型生產(chǎn)各種零部件PVC管、波紋管吹塑成型瓶類PMMA流延板單體澆鑄生產(chǎn)PA成型品RIM法制備PU、雙環(huán)戊二烯成型品浸漬熱固性樹脂低聚物的固化制品常見的加工流程2022-5-8高分子材料加工原理及設(shè)備11成型方法成型時(shí)剪切速率范圍/s-1成型時(shí)的壓力/MPa制品實(shí)例一次成型擠出成型102103幾幾十片、薄板、薄膜、管、棒、網(wǎng)、異型材、電線電纜注射成型103104高壓：50200低壓：50，低壓05化

7、妝板、安全帽吹塑成型幾瓶、罐、鼓狀物壓延成型10 102PVC人造革發(fā)泡成型零點(diǎn)幾幾隔熱材料、PS泡沫、拖盤拉伸PET膜、OPP其它(澆鑄成型、回轉(zhuǎn)成型)10二次成型加熱加壓成型真空成型 容器、罩、托盤、廣告牌 加壓成型 0.1零點(diǎn)幾幾 沖壓成型 汽車頂板、混凝土、型框粘接(含溶接)、機(jī)械加工(切斷、穿孔、彎曲)、表面處理(涂裝、表面硬化、靜電植絨、印刷等)各種成型方法的適應(yīng)性2022-5-8高分子材料加工原理及設(shè)備122022-5-8高分子材料加工原理及設(shè)備132022-5-8高分子材料加工原理及設(shè)備142022-5-8高分子材料加工原理及設(shè)備152022-5-8高分子材料加工原理及設(shè)備16

8、第一章 高分子材料的基本知識(shí) 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)2022-5-8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(guò)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(guò)主價(jià)鍵(共價(jià)鍵)彼此重復(fù)地結(jié)合起來(lái)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。 2022-5-8高分子材料加工原理及設(shè)備182022-5-8高

9、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(lái)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分子鏈在相交點(diǎn)上由化學(xué)鍵彼此連接起來(lái)，形成一分子量無(wú)限大的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，則稱為交聯(lián)網(wǎng)狀的。2022-5-8高分子材料加工原理及設(shè)備20 一般說(shuō)來(lái)，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(lái)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

10、固性塑料、硫化橡膠等。項(xiàng)目熱塑性塑料熱固性塑料加工特性受熱軟化、熔融、可塑制成一定形狀，冷卻后固化定型。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。重復(fù)加工性再次受熱，仍可軟化、熔融，反復(fù)多次加工。受熱不熔融，達(dá)到一定溫度分解破壞，不能反復(fù)加工。熔劑中情況可溶不溶化學(xué)結(jié)構(gòu)線型高分子由線型分子變?yōu)轶w型分子舉例PE、PP、PVC、ABS、PMMA、PA、PC、POM、PET、PBT等PF、UF、MF、UP等。2022-5-8高分子材料加工原理及設(shè)備212、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(guò)程中還要受到大量偶然因素的影

11、響，使得在一種聚合物樣品中很難找出同樣長(zhǎng)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。100XXnnXYMXMM100XXWWXWMXMM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(wú)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： 2022-5-8高分子材料加工原理及設(shè)

12、備22 丙烯腈丙烯腈-丁二烯丁二烯-苯乙烯共聚物苯乙烯共聚物ABS(Acrylonitrile-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。 共混物共混物: PP+尼龍、PEEVA、PVCEVA等等。無(wú)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 B4、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

13、分子鏈由于單鍵的內(nèi)旋狀和分子的熱運(yùn)動(dòng)，總是存在著一系列不同的形狀，如伸展的直鏈、卷曲的無(wú)規(guī)線團(tuán)和卷曲的有規(guī)則排列的形狀等等。2022-5-8高分子材料加工原理及設(shè)備235、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(wú)定形兩類。結(jié)晶型聚合物的分子鏈排列整齊有序，而無(wú)定形聚合物的分子鏈排列雜亂無(wú)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(wú)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)。2022-

14、5-8高分子材料加工原理及設(shè)備246、聚合物的取向結(jié)構(gòu)： 聚合物的取向結(jié)構(gòu)是在拉伸或剪切流動(dòng)等加工過(guò)程中形成的，指的是在應(yīng)力場(chǎng)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。2022-5-8高分子材料加工原理及設(shè)備25添加劑的分類2022-5-8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(dòng)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(dòng)單元的運(yùn)動(dòng)是受溫度等條件制約的。玻璃態(tài)：玻璃態(tài)：當(dāng)溫度很低時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)的能量很低，不足以激發(fā)起鏈段的運(yùn)動(dòng)，鏈段處于被凍結(jié)的狀態(tài)，只有較小的

15、運(yùn)動(dòng)單元，如鏈節(jié)和支鏈能夠運(yùn)動(dòng)。這時(shí)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(zhǎng)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(lái)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(duì)于無(wú)定形聚合物和部分結(jié)晶型聚合物，稱為玻璃態(tài)，對(duì)于結(jié)晶型聚合物稱為固體晶態(tài)。高彈態(tài)：高彈態(tài)：隨著溫度的升高，分子熱運(yùn)動(dòng)能量增加，當(dāng)達(dá)到某一溫度時(shí)，分子熱運(yùn)動(dòng)能量已達(dá)到足以發(fā)生鏈段運(yùn)動(dòng)，鏈段可以通過(guò)繞主鍵上的單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)來(lái)不斷改變構(gòu)象，甚至部分鏈段可以產(chǎn)生滑動(dòng)，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(guò)主鏈上的

16、單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)和鏈段運(yùn)動(dòng)來(lái)改變構(gòu)象，以適應(yīng)外力的作用，即分子鏈被拉直了。外力解除后，被拉直的分子鏈又會(huì)通過(guò)內(nèi)旋轉(zhuǎn)和鏈段運(yùn)動(dòng)回復(fù)到原來(lái)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(guò)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)。2022-5-8高分子材料加工原理及設(shè)備27粘流態(tài)：粘流態(tài)：當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，不僅鏈段能運(yùn)動(dòng)，而且整個(gè)分子鏈都能運(yùn)動(dòng)。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(dòng)，即呈現(xiàn)粘性流動(dòng)，這

17、種流動(dòng)是不可逆的，當(dāng)外力消除后，形變不能回復(fù)，具有粘性流動(dòng)特征的狀態(tài)稱為粘流態(tài)。加工溫度范圍：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(duì)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 1152022-5-8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(lái)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(lái)表示，分別定義為：TPVVK1PTVV1PTLL12022-5-8高分子材料加工原理及設(shè)備29 2、熱