聚合物加工原理2工程分析基礎(chǔ)1

第一節(jié)高分子材料加工方法一、塑料制品成型二、橡膠制品加工成型三、合成纖維成型現(xiàn)在是1頁\一共有57頁\編輯于星期四

混料擠出、注射、壓延、真空吸塑等塑化成型修飾和裝配

1、熱塑性塑料制品成型工藝過程

一、塑料制品加工成型薄膜、管材、板材、各種雜件等。現(xiàn)在是2頁\一共有57頁\編輯于星期四真空吸塑現(xiàn)在是3頁\一共有57頁\編輯于星期四2、熱固性塑料制品的成型例如，聚氨酯反應(yīng)注射成型制備汽車零部件等酚醛樹脂模塑制備板材、絕緣制品等

混料機械加工修飾裝配壓制交聯(lián)反應(yīng)注射澆注反應(yīng)成型現(xiàn)在是4頁\一共有57頁\編輯于星期四現(xiàn)在是5頁\一共有57頁\編輯于星期四混合、混煉

復(fù)合成型

硫化

表面修飾熱硫化常溫硫化輻射硫化（微波、紅外線、射線）輪胎、膠管、膠帶、雜品等二、橡膠制品加工成型擠出壓延注壓貼層現(xiàn)在是6頁\一共有57頁\編輯于星期四微波硫化現(xiàn)在是7頁\一共有57頁\編輯于星期四電線電纜輻照硫化（Co60,EB）現(xiàn)在是8頁\一共有57頁\編輯于星期四

三、合成纖維成型1、熔融紡絲混料熔融噴絲冷卻牽伸卷取

聚合物加熱到熔點以上，通過增壓過濾，再從噴絲組件的噴絲板細孔中擠出，經(jīng)牽伸、纏繞形成單絲。尼龍、聚酯、聚烯烴纖維均是熔紡的?，F(xiàn)在是9頁\一共有57頁\編輯于星期四2、溶液紡絲干法紡絲溶液過濾脫泡噴絲孔噴入熱氣體紡絲甬道溶劑回收冷卻牽伸樹脂溶解

卷取如，醋酸纖維素＋丙酮、聚丙烯腈＋DMF（二甲基甲酰胺）、氨綸纖維等采用干法紡絲?，F(xiàn)在是10頁\一共有57頁\編輯于星期四濕法紡絲樹脂溶解（?。┤芤哼^濾溶液由噴絲孔噴入凝固池（凝固劑細絲擴散溶劑向凝固池擴散）凝固池中牽伸溶劑回收

卷取如，聚丙烯腈＋DMSO配成10～20％的溶液，水做凝固劑，還可選用NaSCN＋H2O體系。粘膠纖維為濕法紡絲?，F(xiàn)在是11頁\一共有57頁\編輯于星期四3、靜電紡絲

靜電紡絲法可以得到50-1000納米的纖維,是得到納米纖維最重要的方法。這一技術(shù)的核心是使帶電荷的高分子溶液或熔體在靜電場中流動與變形,然后經(jīng)溶劑蒸發(fā)或熔體冷卻而固化,于是得到纖維化物質(zhì)。如，聚乙烯醇(PVA)/醋酸鎂復(fù)合靜電紡絲納米纖維，殼聚糖/聚乙烯醇靜電紡絲納米纖維、聚乙烯吡咯烷酮靜電紡絲纖維等。靜電紡絲主要用于生物骨架材料、過濾材料、導(dǎo)電材料等?，F(xiàn)在是12頁\一共有57頁\編輯于星期四靜電紡絲設(shè)備示意圖現(xiàn)在是13頁\一共有57頁\編輯于星期四靜電紡絲TEM照片聚乙烯吡咯烷酮纖維現(xiàn)在是14頁\一共有57頁\編輯于星期四現(xiàn)在是15頁\一共有57頁\編輯于星期四現(xiàn)在是16頁\一共有57頁\編輯于星期四現(xiàn)在是17頁\一共有57頁\編輯于星期四現(xiàn)在是18頁\一共有57頁\編輯于星期四現(xiàn)在是19頁\一共有57頁\編輯于星期四現(xiàn)在是20頁\一共有57頁\編輯于星期四

第二節(jié)聚合物加工工程分析基礎(chǔ)一、聚合物特性與加工的關(guān)系二、聚合物加工中的基本階段三、聚合物加工中的傳遞現(xiàn)象現(xiàn)在是21頁\一共有57頁\編輯于星期四一、聚合物特性與加工的關(guān)系（1）高粘度水0.01Pa?s

高分子102～109Pa?s

η高，流體流動時的驅(qū)動力高，但速度慢，不易出現(xiàn)湍流流動；

η高，流動-變形時，基體內(nèi)摩擦生熱高，聚合物溫升高。1、粘度特性現(xiàn)在是22頁\一共有57頁\編輯于星期四（2）粘度對工藝條件具有很強的依賴性

i.對剪切速率增高，

η降低。流變性強，即具有很強的非牛頓性。?ii.對溫度T升高η。對溫度具有敏感性。iii.對壓力壓力梯度與粘度成正比，壓力梯度升高,粘度變大。粘度主要產(chǎn)生于液體液層之間運動時的相互摩擦力（阻滯力），所以，當液體承受的壓力增大時，液層之間的阻滯力也將增大，粘度也將增大

現(xiàn)在是23頁\一共有57頁\編輯于星期四

熱擴散系數(shù)：10－7m2/s，比金屬銅小幾個數(shù)量級，故聚合物的加熱、冷卻需較長時間，熱交換對材料厚度的依賴性強。如片材換熱0.1mm0.1s1mm10s2、低熱擴散性現(xiàn)在是24頁\一共有57頁\編輯于星期四

一些加工設(shè)備的設(shè)計必須以形成薄層聚合物為基礎(chǔ)。擠出機螺槽中聚合物熔化時出現(xiàn)熔膜，就是所謂的“薄層原理”。塑化段時：（1）螺槽深度要小，夾層的物料溫度梯度大，傳熱速度快（2）增大剪切。(3)壓力大，物料密實。

現(xiàn)在是25頁\一共有57頁\編輯于星期四

固體物料在螺槽中的熔融過程

1-熔膜2-熔池3-遷移面4-熔融的固體粒子5-未熔融的固體粒子現(xiàn)在是26頁\一共有57頁\編輯于星期四

高粘度（可控制彈性變形）和低熱擴散性（不致快速冷卻至軟化點之下，便于牽伸）相結(jié)合，使有些口模的后加工成為可能，如紡絲、薄膜吹塑、片材成型?，F(xiàn)在是27頁\一共有57頁\編輯于星期四粘彈性對加工的影響（1）制品的表觀、尺寸和模型的尺寸有差異3、熔體具有粘彈性擠出方向現(xiàn)在是28頁\一共有57頁\編輯于星期四擠出口模和制品的斷面形狀現(xiàn)在是29頁\一共有57頁\編輯于星期四（2）粘彈性有利于聚合物的單軸和雙軸拉伸穩(wěn)定，使高應(yīng)變速率下的成型成為可能。（3）吹塑和熱成型中，粘彈性對制品壁厚均勻性有調(diào)節(jié)作用?，F(xiàn)在是30頁\一共有57頁\編輯于星期四

流場、溫度場、力場誘導(dǎo)聚合物材料的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化。材料結(jié)構(gòu)與外界條件緊密相關(guān)4、聚合物的形態(tài)結(jié)構(gòu)與加工密切相關(guān)加工條件分子結(jié)構(gòu)聚合物固有屬性結(jié)構(gòu)參數(shù)凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)相轉(zhuǎn)變溫度傳遞特性T、P、V設(shè)備傳熱狀況材料再形成聚集態(tài)結(jié)構(gòu)制品性能現(xiàn)在是31頁\一共有57頁\編輯于星期四

聚合物的本征特性（結(jié)構(gòu)、流變、傳遞特性）與加工條件（工藝參數(shù)、設(shè)備參數(shù)、流體的傳遞條件）密切相關(guān)，最終決定制品的性能。

總結(jié)現(xiàn)在是32頁\一共有57頁\編輯于星期四

混合、混煉、輸送

預(yù)加工操作熔融塑化、脫揮解吸（聚合物、配合劑）熔體增壓、泵送

擠出成型

模塑成型

成型過程壓延成型

真空袋壓成型

二次成型（熱成型、吸塑成型）

材料預(yù)加工操作成型過程制品（后處理、檢測）二、聚合物加工的基本階段（共性）現(xiàn)在是33頁\一共有57頁\編輯于星期四吸塑成型真空吸塑成型現(xiàn)在是34頁\一共有57頁\編輯于星期四

預(yù)加工基本階段口模、模塑（熱壓真空吸塑）、壓延、澆注、涂覆、流延成型

成型前準備階段固體顆粒的處理混合熔融增壓達泵送成型階段基本階段＋成型階段單元操作生產(chǎn)線現(xiàn)在是35頁\一共有57頁\編輯于星期四三、聚合物加工中的傳遞現(xiàn)象

加工中材料由固態(tài)液態(tài)，繼而流動成型。過程包括加熱、冷卻、混合、脫揮。所以必然伴隨有三傳，即熱量、動量、質(zhì)量傳遞1、三種尺度上的傳遞（1）分子尺度考察分子運動引起的動量、熱量、質(zhì)量傳遞。如牛頓粘度定律傅立葉熱傳導(dǎo)定律費克定律分子傳遞特性的參數(shù)（運動粘度系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、分子擴散系數(shù)）現(xiàn)在是36頁\一共有57頁\編輯于星期四牛頓粘度定律：運動粘度系數(shù)傅立葉熱傳導(dǎo)定律：熱擴散系數(shù)Cp:單位質(zhì)量的某種物質(zhì)升高一攝氏度時需要吸收的熱量現(xiàn)在是37頁\一共有57頁\編輯于星期四費克定律：質(zhì)量擴散系數(shù)－擴散通量。dCA/dy為濃度梯度。在單位時間內(nèi)通過垂直于擴散方向的單位截面積的擴散物質(zhì)流量（稱為擴散通量Diffusionflux，用J表示）,與該截面處的濃度梯度(Concentrationgradient)成正比，也就是說，濃度梯度越大，擴散通量越大?，F(xiàn)在是38頁\一共有57頁\編輯于星期四（1）分子尺度動量熱量質(zhì)量傳遞＝擴散系數(shù)×動量熱量質(zhì)量梯度現(xiàn)在是39頁\一共有57頁\編輯于星期四（2）微團尺度考察微團運動引起的傳遞，用連續(xù)函數(shù)的概念解析，得到流體的流動變形特點及工藝參數(shù)的量值及其分布，預(yù)測材料再形成的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和物性。（3）設(shè)備尺度考察流體在設(shè)備中的主體運動所導(dǎo)致的傳遞，可進行總體衡量。用到的參數(shù)：摩擦阻力系數(shù)、對流給熱系數(shù)、傳質(zhì)系數(shù)。研究中，將三種傳遞特性聯(lián)立解析。現(xiàn)在是40頁\一共有57頁\編輯于星期四（1）動量傳遞

η高，Re小，屬于極慢的流動。在化學工程領(lǐng)域，邊界層理論與湍流理論是經(jīng)典的動量傳遞理論。而聚合物達不到湍流狀態(tài)，邊界層近似理論雖有應(yīng)用，但較少。所以用爬行流和潤滑近似來處理加工中的動量傳遞較合適。2、聚合物加工中傳遞現(xiàn)象的特點現(xiàn)在是41頁\一共有57頁\編輯于星期四Hele-Shaw流動現(xiàn)在是42頁\一共有57頁\編輯于星期四潤滑近似假設(shè)hVVV現(xiàn)在是43頁\一共有57頁\編輯于星期四

數(shù)學分析VyVzVxhVV速度分析現(xiàn)在是44頁\一共有57頁\編輯于星期四hVV速度的變化分析現(xiàn)在是45頁\一共有57頁\編輯于星期四

利用潤滑近似假設(shè)后，可將三維運動簡化為二維運動，即僅存在：簡化了后續(xù)的計算。

數(shù)學分析現(xiàn)在是46頁\一共有57頁\編輯于星期四

聚合物加工的不同工段，傳熱形式不同。

i.傳熱機理

傳導(dǎo)熱傳遞模腔加熱、冷卻

對流熱傳遞半成品在空氣和水槽中冷卻

輻射熱傳遞光、電、射線加熱（2）熱量傳遞

現(xiàn)在是47頁\一共有57頁\編輯于星期四管材冷卻現(xiàn)在是48頁\一共有57頁\編輯于星期四現(xiàn)在是49頁\一共有57頁\編輯于星期四ii.傳熱形式設(shè)計需考慮的問題傳熱速率很低，常設(shè)計為較大的溫差。但要注意溫度不能太高，會產(chǎn)生聚合物裂解。冷卻速率直接影響到聚合物的結(jié)構(gòu)，所以要考慮表皮與內(nèi)部的溫差問題?，F(xiàn)在是50頁\一共有57頁\編輯于星期四

i.質(zhì)量傳遞機理分子擴散和對流擴散:

聚合物物系中有分子擴散，靜止狀態(tài)分子擴散系數(shù)很小。因為聚合物本身松弛很慢，自由體積的隨機變化很小，分子間的擴散極慢。通過對流強化物質(zhì)傳遞具有更重要的物理意義。

（3）質(zhì)量傳遞（物質(zhì)傳遞現(xiàn)象）現(xiàn)在是51頁\一共有57頁\編輯于星期四ii.加工中物質(zhì)傳遞的例子a.發(fā)泡材料制備過程中發(fā)泡劑在熔體中的擴散b.配合劑在聚合物基體中的分子和強制對流擴散c.干法紡絲中，大量溶劑需排除

濕法紡絲中，凝固劑纖維擴散纖維中溶劑凝固池中的擴散d.反應(yīng)擠出過程中的脫揮處理現(xiàn)在是52頁\一共有57頁\編輯于星期四iii.質(zhì)量傳遞考慮的問題兩方面的問題：

a.擴散物質(zhì)的隨機運動，濃度差引起的擴散；

b.基體物質(zhì)的松弛特性對擴散的影響。

Alfrey引入了兩個特征時間：基體的特征松弛時間λ和擴散物質(zhì)特征擴散時間θ，定義Deborah數(shù)來表征擴散類型:

De＝λ/θ?，F(xiàn)在是53頁\一共有57頁