聚合物加工原理工程分析基礎(chǔ)

聚合物加工原理工程分析基礎(chǔ)第1頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一節(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、合成纖維成型第2頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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(guò)程

一、塑料制品加工成型薄膜、管材、板材、各種雜件等。第3頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月真空吸塑第4頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(chē)零部件等酚醛樹(shù)脂模塑制備板材、絕緣制品等

混料機(jī)械加工修飾裝配壓制交聯(lián)反應(yīng)注射澆注反應(yīng)成型第5頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第6頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月混合、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第7頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月微波硫化第8頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電線電纜輻照硫化（Co60,EB）第9頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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(diǎn)以上，通過(guò)增壓過(guò)濾，再?gòu)膰娊z組件的噴絲板細(xì)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。第10頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、溶液紡絲干法紡絲溶液過(guò)濾脫泡噴絲孔噴入熱氣體紡絲甬道溶劑回收冷卻牽伸樹(shù)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。第11頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月濕法紡絲樹(shù)脂溶解（?。┤芤哼^(guò)濾溶液由噴絲孔噴入凝固池（凝固劑細(xì)絲擴(kuò)散溶劑向凝固池?cái)U(kuò)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。第12頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(chǎng)中流動(dòng)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(guò)濾材料、導(dǎo)電材料等。第13頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月靜電紡絲設(shè)備示意圖第14頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月靜電紡絲TEM照片聚乙烯吡咯烷酮纖維第15頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月/v_show/id_XNjY0MDU3Njc2.html/v_show/id_XNjY0MDYxODA4.html第16頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第17頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第18頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第19頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第20頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第21頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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)象第22頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、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(dòng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力高，但速度慢，不易出現(xiàn)湍流流動(dòng)；

η高，流動(dòng)-變形時(shí)，基體內(nèi)摩擦生熱高，聚合物溫升高。1、粘度特性第23頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）粘度對(duì)工藝條件具有很強(qiáng)的依賴(lài)性

i.對(duì)剪切速率增高，

η降低。流變性強(qiáng)，即具有很強(qiáng)的非牛頓性。?ii.對(duì)溫度T升高η。對(duì)溫度具有敏感性。iii.對(duì)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(yùn)動(dòng)時(shí)的相互摩擦力（阻滯力），所以，當(dāng)液體承受的壓力增大時(shí)，液層之間的阻滯力也將增大，粘度也將增大

第24頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

熱擴(kuò)散系數(shù)：10－7m2/s，比金屬銅小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，故聚合物的加熱、冷卻需較長(zhǎng)時(shí)間，熱交換對(duì)材料厚度的依賴(lài)性強(qiáng)。如片材換熱0.1mm0.1s1mm10s2、低熱擴(kuò)散性第25頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

一些加工設(shè)備的設(shè)計(jì)必須以形成薄層聚合物為基礎(chǔ)。擠出機(jī)螺槽中聚合物熔化時(shí)出現(xiàn)熔膜，就是所謂的“薄層原理”。塑化段時(shí)：（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(shí)。

第26頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

固體物料在螺槽中的熔融過(guò)程

1-熔膜2-熔池3-遷移面4-熔融的固體粒子5-未熔融的固體粒子第27頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

高粘度（可控制彈性變形）和低熱擴(kuò)散性（不致快速冷卻至軟化點(diǎn)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。第28頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月粘彈性對(duì)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第29頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月擠出口模和制品的斷面形狀第30頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（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(duì)制品壁厚均勻性有調(diào)節(jié)作用。第31頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、力場(chǎng)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)制品性能第32頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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)第33頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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(guò)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(guò)程制品（后處理、檢測(cè)）二、聚合物加工的基本階段（共性）第34頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月吸塑成型真空吸塑成型第35頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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(zhǔn)備階段固體顆粒的處理混合熔融增壓達(dá)泵送成型階段基本階段＋成型階段單元操作生產(chǎn)線第36頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、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(dòng)成型。過(guò)程包括加熱、冷卻、混合、脫揮。所以必然伴隨有三傳，即熱量、動(dòng)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(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)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(fèi)克定律分子傳遞特性的參數(shù)（運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、分子擴(kuò)散系數(shù)）第37頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月牛頓粘度定律：運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)傅立葉熱傳導(dǎo)定律：熱擴(kuò)散系數(shù)Cp:單位質(zhì)量的某種物質(zhì)升高一攝氏度時(shí)需要吸收的熱量第38頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月費(fèi)克定律：質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)－擴(kuò)散通量。dCA/dy為濃度梯度。在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于擴(kuò)散方向的單位截面積的擴(kuò)散物質(zhì)流量（稱(chēng)為擴(kuò)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(shuō)，濃度梯度越大，擴(kuò)散通量越大。第39頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）分子尺度動(dòng)量熱量質(zhì)量傳遞＝擴(kuò)散系數(shù)×動(dòng)量熱量質(zhì)量梯度第40頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）微團(tuán)尺度考察微團(tuán)運(yùn)動(dòng)引起的傳遞，用連續(xù)函數(shù)的概念解析，得到流體的流動(dòng)變形特點(diǎn)及工藝參數(shù)的量值及其分布，預(yù)測(cè)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(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的傳遞，可進(jìn)行總體衡量。用到的參數(shù)：摩擦阻力系數(shù)、對(duì)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。第41頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）動(dòng)量傳遞

η高，Re小，屬于極慢的流動(dòng)。在化學(xué)工程領(lǐng)域，邊界層理論與湍流理論是經(jīng)典的動(dòng)量傳遞理論。而聚合物達(dá)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(rùn)滑近似來(lái)處理加工中的動(dòng)量傳遞較合適。2、聚合物加工中傳遞現(xiàn)象的特點(diǎn)第42頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Hele-Shaw流動(dòng)第43頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月潤(rùn)滑近似假設(shè)hVVV第44頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

數(shù)學(xué)分析VyVzVxhVV速度分析第45頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月hVV速度的變化分析第46頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

利用潤(rùn)滑近似假設(shè)后，可將三維運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為二維運(yùn)動(dòng)，即僅存在：簡(jiǎn)化了后續(xù)的計(jì)算。

數(shù)學(xué)分析第47頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

聚合物加工的不同工段，傳熱形式不同。

i.傳熱機(jī)理

傳導(dǎo)熱傳遞模腔加熱、冷卻

對(duì)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

第48頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月管材冷卻第49頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第50頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ii.傳熱形式設(shè)計(jì)需考慮的問(wèn)題傳熱速率很低，常設(shè)計(jì)為較大的溫差。但要注意溫度不能太高，會(huì)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(wèn)題。第51頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

i.質(zhì)量傳遞機(jī)理分子擴(kuò)散和對(duì)流擴(kuò)散:

聚合物物系中有分子擴(kuò)散，靜止?fàn)顟B(tài)分子擴(kuò)散系數(shù)很小。因?yàn)榫酆衔锉旧硭沙诤苈?，自由體積的隨機(jī)變化很小，分子間的擴(kuò)散極慢。通過(guò)對(duì)流強(qiáng)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）第52頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ii.加工中物質(zhì)傳遞的例子a.發(fā)泡材料制備過(guò)程中發(fā)泡劑在熔體中的擴(kuò)散b.配合劑在聚合物基體中的分子和強(qiáng)制對(duì)流擴(kuò)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(kuò)散纖維中溶劑凝固池中的擴(kuò)散d.反應(yīng)擠出過(guò)程中的脫揮處理第53頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月iii.質(zhì)量傳遞考慮的問(wèn)題兩方面的問(wèn)題：

a.擴(kuò)散物質(zhì)的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，濃度差引起的擴(kuò)散；

b.基體物質(zhì)的松弛特性對(duì)擴(kuò)散的影響。

Alfrey引入了兩個(gè)特征時(shí)間：基體的特征松弛時(shí)間λ和擴(kuò)散物質(zhì)特征擴(kuò)散時(shí)間θ，定義Deborah數(shù)來(lái)表征擴(kuò)散類(lèi)型:

De＝λ/θ。第5