高分子材料成型原理 沈新元 簡(jiǎn)答題答案1

1、簡(jiǎn)答題1. 比較熔融紡絲、濕法紡絲和干法紡絲的異同點(diǎn)。（1） 相同點(diǎn)：（2） 不同點(diǎn)：與熔紡不同，濕法成形過程中除有傳熱外，傳質(zhì)十分突出，有時(shí)還伴有化學(xué)反應(yīng).。在干紡中，力學(xué)因素和傳熱因素的作用是次要的，紡絲線和周圍介質(zhì)之間的傳質(zhì)強(qiáng)度以及各種濃度所控制的轉(zhuǎn)變起主要作用。.（3） 機(jī)理差別：由于濕紡初生纖維含有大量的凝固浴液而溶脹，大分子具有很大的活動(dòng)性，因此濕紡初生纖維的超分子結(jié)構(gòu)接近于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，而其形態(tài)結(jié)構(gòu)卻對(duì)紡絲工藝極為敏感. 干法紡絲：將聚合物溶于揮發(fā)性溶劑中，通過噴絲孔噴出細(xì)流，在熱空氣中形成纖維的紡絲方法.2. 列舉六種可觀察到聚合物流體彈性的現(xiàn)象。（1） 流體的彈性回縮 （2

2、）聚合物流體的蠕變松弛 （3）孔口脹大效應(yīng)（4）爬桿效應(yīng) （5）剩余壓力現(xiàn)象 （6）孔道的虛構(gòu)長(zhǎng)度 （7）無管虹吸現(xiàn)象3. 用聚合物、溶劑、凝固劑三元相圖說明濕紡、干紡和凍膠紡的相分離過程。l 當(dāng)夾角q0時(shí)， SD沿SP線向S靠近，相應(yīng)的通量比JS/JN，即紡絲原液不斷地被純?nèi)軇┧♂?。l 當(dāng)q 時(shí)，SD向P靠近，通量比JS/JN，相當(dāng)于干法紡絲，即紡絲原液中的溶劑不斷蒸發(fā)，使原液中聚合物濃度不斷上升，直至完全凝固。區(qū): JS/JN u* (第一臨界切線)。 沿紡絲線組成變化路徑,聚合物濃度下降 (即溶劑擴(kuò)散速度小于凝固劑的擴(kuò)散速度)無相分離，不固化。區(qū): u* JS/JN 1 (上限，即溶劑

3、與凝固劑的擴(kuò)散速度相等)。沿紡絲線途徑聚合物含量下降 (凝固劑濃度增加) 有相分離，固化。區(qū): 1 JS/JN u* (第二臨界切線)沿紡絲線途徑聚合物濃度增加，有相分離，固化。通常的濕法紡絲以區(qū)為多。區(qū): u* JS/JN (上限為干法紡絲) 聚合物含量增加 ，無相分離，固化， 形成致密而均勻的結(jié)構(gòu)4. 在橡膠的塑煉過程中，機(jī)械力、氧和溫度是如何影響塑煉效果的？5. 膠接理論主要有哪幾種，膠接接頭的強(qiáng)度主要取決于哪幾種界面結(jié)合力？（1） 膠接的吸附理論 （2）膠接的擴(kuò)散理論（3）膠接的靜電理論（4）膠接的機(jī)械連接理論 （5）膠接的化學(xué)鍵理論 (6)弱邊界層（1）膠黏劑本身的內(nèi)聚強(qiáng)度 （2）粘

4、結(jié)劑與被粘物之間的粘附力，包括化學(xué)鍵力，分子間作用力，界面靜電引力及機(jī)械嵌合力。6. 影響的o因素有哪些？材料的平均分子量，粘流活化能7. 簡(jiǎn)述濕紡中形成皮芯結(jié)構(gòu)的機(jī)理。主要是細(xì)流外邊和內(nèi)部的凝固機(jī)理不同.細(xì)流外邊的凝固: 主要由于溶劑向凝固浴擴(kuò)散,使細(xì)流中溶劑濃度低于臨界濃度,于是聚合物析出;此時(shí)P-S-N體系中聚合物含量高,因此結(jié)構(gòu)致密.細(xì)流內(nèi)部的凝固 溶劑向凝固浴擴(kuò)散,凝固浴中的沉淀劑向原液細(xì)流擴(kuò)散,使溶劑濃度不斷下降,當(dāng)細(xì)流中溶劑濃度低于臨界濃度, 聚合物析出,但此時(shí)P-S-N體系中聚合物含量不高,內(nèi)部含有較多溶劑和沉淀劑,因此結(jié)構(gòu)較松散 8. 硫化過程中對(duì)硫化速度及硫化膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成

5、起決定作用的主要反應(yīng)，可分為哪四個(gè)主要反應(yīng)階段？（1）硫化體系各組分間相互作用生成中間化合物，這些中間化合物是事實(shí)上的硫化劑；（2）中間化學(xué)物與橡膠相互作用在橡膠分子鏈上生成活性側(cè)基；（3）這些活性側(cè)基相互間或與橡膠分子作用形成交聯(lián)鍵；（4）交聯(lián)鍵的繼續(xù)反應(yīng)。9. 試述影響聚合物熔體剪切粘度的因素。(一)聚合物分子結(jié)構(gòu)的影響1. 鏈結(jié)構(gòu)的影響2.平均分子量的影響3.分子量分布的影響(二) 聚合物溶液濃度的影響(三) 溫度的影響(四) 溶劑性質(zhì)的影響1.溶劑的粘度hs影響聚合物濃溶液的粘度h0 hs h0 (C相同時(shí))2. 溶劑的溶解能力影響h0 3.溶劑中混入的可溶性雜質(zhì)或添加劑的影響(五)混

6、合的影響(六) 流體靜壓的影響10. 以SBS為例，說明熱塑性彈性體為什么既具有橡膠狀彈性又具有塑化成型性？11. 從熱力學(xué)角度出發(fā)討論高聚物結(jié)構(gòu)變化對(duì)熔點(diǎn)的影響。1. 等規(guī)稀類聚合物：即等規(guī)聚-a稀烴，隨取代基的空間位阻增大，主鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)位阻增加，分子鏈的柔順性降低，熔點(diǎn)升高。當(dāng)側(cè)鏈長(zhǎng)度繼續(xù)增加時(shí)，會(huì)使熔點(diǎn)回升。當(dāng)取代基為體積龐大基團(tuán)時(shí)，由于內(nèi)旋轉(zhuǎn)的空間位阻，使分子鏈剛性增加，熔點(diǎn)升高。這類取代基的空間位阻越大，熔點(diǎn)升高越多。2. 脂肪族聚酯、聚酰胺、聚氨酯和聚脲：這類聚合物隨重復(fù)單元的增加，逐漸趨于聚乙烯的熔點(diǎn)。3.主鏈含苯環(huán)或其它剛性結(jié)構(gòu)的高聚物：主鏈含有環(huán)狀結(jié)構(gòu)或共扼結(jié)構(gòu)的聚合物，都使鏈

7、的剛性增加，具有比對(duì)應(yīng)的飽和脂肪鏈聚合物高得多的熔點(diǎn)。對(duì)位芳族高聚物的熔點(diǎn)比相應(yīng)的間位芳族高聚物的熔點(diǎn)要高。12. 聚合物的取向結(jié)晶有何特點(diǎn)？特點(diǎn)：結(jié)晶聚合物的結(jié)晶速度隨張應(yīng)力和紡速的提高而增加，結(jié)晶體的結(jié)構(gòu)隨紡速不同而不同。結(jié)晶聚合物的形態(tài)隨分子取向程度的不同而變化，結(jié)晶溫度和結(jié)晶速率升高。（1、從結(jié)晶理論來看，大分子取向規(guī)整區(qū)域越大，生成晶核的臨界溫度越高。2，從熱力學(xué)來看，取向比未取向體系的熵值低，所以從熔體轉(zhuǎn)變成晶體時(shí)，取向體系的熵值變化較小，即自由能變化較大，這樣，就能使那些在未取向體系中不穩(wěn)定的亞穩(wěn)晶核穩(wěn)定下來，即增大晶核的生成速率。13. PA6和PET長(zhǎng)絲拉伸方法有何不同？為什

8、么？PA6是室溫拉伸，因?yàn)樗牟ＡЩ瘻囟鹊停Y(jié)晶度低。PET是熱拉伸，因?yàn)樗牟ＡЩ瘻囟雀撸Y(jié)晶度低。14. PET纖維在拉伸過程中其結(jié)晶和取向結(jié)構(gòu)有何變化？15. 試述影響濕紡初生纖維橫截面的因素，并結(jié)合紡絲工藝條件加以討論。（1） 傳質(zhì)通量比(Js/JN) （2）固化表面層硬度（3） 噴絲孔形狀討論：（1）當(dāng)JS / JN 1時(shí)，則橫截面的形狀取決于固化層的力學(xué)行為：（3）柔軟的表層收縮的結(jié)果導(dǎo)致形成圓形的橫截面；（4）具有堅(jiān)硬的皮層時(shí)，橫截面的崩潰將導(dǎo)致形成非圓形.16. 闡明引起溶紡（或干紡或濕紡）非穩(wěn)態(tài)紡絲的原因，并舉例討論其影響因素。17. 簡(jiǎn)述影響溶解度的結(jié)構(gòu)因素。1.大分子鏈的

9、結(jié)構(gòu)的影響 大分子鏈的化學(xué)結(jié)構(gòu)使分子間作用力 溶解度 鏈結(jié)構(gòu)的不規(guī)整性 ，溶解度大分子鏈的剛性 ，溶解度 分子量M ，溶解度2.超分子結(jié)構(gòu)的影響結(jié)晶度 溶解度 但極性的結(jié)晶聚合物也可以在常溫下溶解。無定形部分與溶劑的相互作用會(huì)釋放出大量熱，致使結(jié)晶部分熔融 。3.溶劑結(jié)構(gòu)的影響（1）溶劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)、締合程度 （2） 溶劑的極性 溶劑的極性越接近聚合物的極性，溶解度越高（3）極性溶劑的基團(tuán)性能 溶劑的極性基團(tuán)與聚合物極性基團(tuán)相互吸引產(chǎn)生溶劑化作用,溶解度（4） 溶劑極性基團(tuán)旁的原子團(tuán) 原子團(tuán) 極性聚合物的溶解度（5） 混合溶劑 溶解性18. 工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)如何選擇溶劑？溶劑+聚合物濃溶液：加工流變

10、性好，等濃度溶液的黏度低，等黏度溶液的濃度高19. 如何表征聚合物流體的彈性？（1） 流體的彈性回縮 （2）聚合物流體的蠕變松弛 （3）孔口脹大效應(yīng)（4）爬桿效應(yīng) （5）剩余壓力現(xiàn)象 （6）孔道的虛構(gòu)長(zhǎng)度 （7）無管虹吸現(xiàn)象20. 試述紡絲過程的基本規(guī)律。1.在紡絲線的任何一點(diǎn)上，聚合物的流動(dòng)是穩(wěn)態(tài)和連續(xù)的;2. 紡絲線上的主要成形區(qū)域內(nèi)，占支配地位的形變是單軸拉伸;3. 紡絲過程是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)連續(xù) 變化的非平衡態(tài)動(dòng)力學(xué)過程;4. 紡絲動(dòng)力學(xué)包括幾個(gè)同時(shí)進(jìn)行并相互聯(lián)系的單元過程動(dòng)能傳遞、傳熱、傳質(zhì)、結(jié)構(gòu)參數(shù)變化等.21. 連續(xù)拉伸可分為哪三個(gè)區(qū)，各個(gè)區(qū)之間絲條或絲束的運(yùn)動(dòng)速度和張力有何不同？區(qū)

11、：準(zhǔn)備拉伸區(qū) VR恒定并等于絲條的喂入速度， 當(dāng)纖維溫度超過玻璃化溫度而開始明顯形變的瞬間，準(zhǔn)備區(qū)結(jié)束. 拉伸張力隨拉伸比的增大而單調(diào)增大.區(qū)：形變區(qū)或真正拉伸區(qū)纖維中大分子發(fā)生取向，伴隨著結(jié)構(gòu)改組. VR提高，引起拉伸張力和拉伸應(yīng)力增大，區(qū)：纖維拉伸松弛區(qū)，纖維不再發(fā)生形變. 拉伸張力隨拉伸比的增大而單調(diào)增大.22. 熔融紡絲所得到的初生纖維，其結(jié)構(gòu)對(duì)拉伸性能有何影響？1.熔紡成型的本體聚合物卷繞絲(1)結(jié)晶度和結(jié)晶變體的影響 熔體卷繞絲的結(jié)晶度 拉伸曲線沿“b” “c” a”型變化, 屈服應(yīng)力 ，且N 結(jié)晶變體的相對(duì)含量也影響拉伸行為 可拉伸性: 型結(jié)晶變體 型結(jié)晶變體 型結(jié)晶變體 (2)

12、預(yù)取向度的影響u 熔紡卷繞絲預(yù)取向度，拉伸曲線沿“c” “b”型變化，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚶?，屈服?yīng)力 ，E ，N（卷繞絲預(yù)取向度 ，拉伸曲線從“b” “c”）。u 熔紡卷繞絲預(yù)取向度不太高時(shí)，可拉伸性好.(3)卷繞絲分子量的影響 一般卷繞絲分子量， 熔紡卷繞絲其它結(jié)構(gòu)因素的影響 卷繞絲內(nèi)含較大的氣泡或固體粒子時(shí)，卷繞絲內(nèi)出現(xiàn)裂縫或線密度度波動(dòng)時(shí) 可拉伸性歸納：熔紡卷繞絲結(jié)晶度或取向度，E 斷裂 ； 熔紡卷繞絲分子量，斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)2. 濕法成型凍膠體凝固絲凝固絲網(wǎng)絡(luò)骨架越細(xì)密 最大拉伸比 凝固絲的溶脹度 可拉伸性 但凍膠中溶劑含量太多，網(wǎng)絡(luò)弱，經(jīng)不起高倍拉伸.23. 熱定型過程中纖維結(jié)構(gòu)和性

13、能發(fā)生了哪些變化？（一）熱定型中纖維結(jié)構(gòu)的變化1.結(jié)晶結(jié)構(gòu)的變化（1）結(jié)晶度：松弛熱定型，結(jié)晶度；T，結(jié)晶度緊張熱定型，結(jié)晶度不變或增加較慢（2）晶粒尺寸：松弛熱定型，微晶尺寸 (尤其與取向垂直方向上的尺寸） 晶區(qū)更完善 緊張熱定型，平行于纖維取向軸的微晶尺寸 垂直于纖維取向軸的尺寸略微增大，張力大時(shí)可能（3）晶格的變化熱定型影響晶格結(jié)構(gòu).2.取向結(jié)構(gòu)的變化松弛熱定型, 取向度；T，取向度定長(zhǎng)熱定型, 取向度不變定張力熱定型, 取向度3.形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化T，長(zhǎng)周期（折疊鏈數(shù)）（二）熱定型對(duì)纖維物理機(jī)械性質(zhì)的影響1.力學(xué)性能的變化松弛熱定型時(shí)，斷裂強(qiáng)度，伸長(zhǎng)；T，影響更大緊張熱定型時(shí)，強(qiáng)度不變甚至

14、，伸長(zhǎng) ；T，強(qiáng)度，伸長(zhǎng)2.熱收縮率的變化T定型，熱收縮率3.吸濕和染色性能的變化熱定型對(duì)纖維的吸濕和染色性能的影響較為復(fù)雜.吸濕和染色性能主要取決于纖維的結(jié)晶度、晶粒尺寸、非晶區(qū)的取向以及微孔結(jié)構(gòu).24. 為什么硅橡膠的耐低溫性能特別好？25. 塑煉過程中氧氣和溫度對(duì)塑煉效果有何影響？26. 在涂料的生產(chǎn)過程中，顏料粒子是如何穩(wěn)定分散在涂料中的？使已混合均勻的漆料在研磨機(jī)中達(dá)到充分潤(rùn)濕狀態(tài)，使漆漿中的顏料聚集體粒子大小降到涂料產(chǎn)品要求的細(xì)度，并在粒子周圍附上一層漆料，以使顏料粒子保持在穩(wěn)定分散狀態(tài)。27. 熔紡紡程上的溫度分布方程是在什么條件下導(dǎo)出的？ 內(nèi)能U的變化及流動(dòng)過程中能量失散均忽略

15、不計(jì)； 忽略熱輻射； 在紡絲線上的任何一點(diǎn)上，聚合物流動(dòng)是穩(wěn)態(tài)的； 絲條在冷卻過程中無相變熱釋放； 以拉伸應(yīng)變速率和拉伸應(yīng)力作粘性拉伸流動(dòng)過程中產(chǎn)生的熱量可忽略 沿絲條軸向的傳熱可忽略； 絲條徑向無溫差；并將絲條作圓柱形處理，其直徑為d、密度為、速度為v. 28. 試述動(dòng)力學(xué)結(jié)晶能力G的物理意義，并解釋K-T曲線上出現(xiàn)極大值的原因。 (1) G的意義：某一聚合物從熔點(diǎn)Tm以單位冷卻速度降低至玻璃化溫度Tg時(shí)，所得到的相對(duì)結(jié)晶度.(2) 由于結(jié)晶包括成核過程及晶核生長(zhǎng)過程，在輕微過冷（接近熔點(diǎn)）條件下，成核的動(dòng)力很小，物料結(jié)晶很慢；另一方面，當(dāng)溫度接近玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg時(shí)，由于分子缺乏流動(dòng)性，晶

16、體生長(zhǎng)速率也較低。29. 熔融紡絲過程有哪些幾類參數(shù)及其主要內(nèi)容宏觀狀態(tài)參數(shù) T-X (溫度場(chǎng)) V-X (速度場(chǎng)) P-X (應(yīng)力場(chǎng)) Ci-X (濃度場(chǎng)) 微觀狀態(tài)參數(shù)取向度 結(jié)晶度 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 30. 紡絲線上拉伸應(yīng)變速率為什么會(huì)變化及如何變化？31. 何謂穩(wěn)態(tài)紡絲及非穩(wěn)態(tài)紡絲？哪些因素影響初生纖維的線密度的不均一性？穩(wěn)態(tài)紡絲是指紡絲線上的任何一點(diǎn)都具有各自恒定的狀態(tài)參數(shù)，不隨時(shí)間而變化。32. 熔紡紡程的控制因素（絲條運(yùn)動(dòng)速度和吹風(fēng)速度）是怎樣變化的，它有什么實(shí)際意義？33. 紡程上區(qū)，區(qū)，a,b,以及區(qū)的特點(diǎn)如何？區(qū)：準(zhǔn)備拉伸區(qū) VR恒定并等于絲條的喂入速度， 0. 當(dāng)纖維溫度超過玻璃

17、化溫度而開始明顯形變的瞬間，準(zhǔn)備區(qū)結(jié)束.區(qū)：形變區(qū)或真正拉伸區(qū) a： 0 ;b ： 0纖維中大分子發(fā)生取向，伴隨著結(jié)構(gòu)改組.區(qū)：纖維拉伸松弛區(qū)纖維不再發(fā)生形變.34. 進(jìn)行拉伸的方式有那幾種？各適用于何種纖維？（1）干拉伸（室溫拉伸、熱拉伸）、蒸汽浴拉伸、濕拉伸（2）干拉伸：Tg較高或拉伸應(yīng)力較大的（長(zhǎng)絲）纖維；蒸汽浴拉伸：Tg大、拉伸應(yīng)力大、拉伸倍數(shù)高的(短)纖維 ；濕拉伸：纖度較粗的短纖維35. 何為細(xì)頸拉伸、冷拉伸、均勻拉伸？無定型聚合物、結(jié)晶聚合物、凍膠初生纖維在拉伸行為上有何不同？（1） 細(xì)頸拉伸：處于不可拉伸與均勻拉伸之間的拉伸溫度區(qū)域的拉伸36. 拉伸條件對(duì)拉伸曲線有何影響？試歸

18、納其變化規(guī)律。 1.拉伸溫度的影響未取向結(jié)晶高聚物的典型拉伸曲線：T拉伸Tg ,拉伸曲線呈a型T拉伸Tg、T ，拉伸曲線呈c型T拉伸Tg、T ，拉伸曲線近似b型T拉伸，拉伸曲線由bc a型2.拉伸速度的影響VR，拉伸曲線由bc a型, (c、a型) N (c型)VR，拉伸曲線的變化與降低T的影響類似VR達(dá)到一定值以上時(shí)，應(yīng)考慮拉伸放熱對(duì)拉伸應(yīng)力的影響， VR 等效于T 3. 低分子物的影響低分子物的增塑作用，對(duì)纖維拉伸行為的影響與提高溫度類似。 減小低分子物作用，拉伸曲線由bc a型。4.初生纖維線密度的影響線密度 拉伸應(yīng)力和自然拉伸比 ：等效于T 但線密度較大時(shí)，線密度 比表面積 散熱慢 拉

19、伸后易局部升溫而產(chǎn)生細(xì)頸。37. 影響熔紡初生纖維拉伸應(yīng)力的因素有哪些？通常采取哪些措施提高其拉伸倍數(shù)，從而使拉伸均勻？38. 影響拉伸工藝穩(wěn)定性的因素有哪些？39. 試述拉伸過程涉及三種形變機(jī)理，它們之間的關(guān)系如何？1普彈形變e1 e1=se/E1 普彈形變是大分子主鏈的鍵角和鍵長(zhǎng)受力后發(fā)生形變的反映 普彈形變與應(yīng)力同相位，瞬間發(fā)生和瞬間回復(fù) 普彈形變的彈性模量E1很大，形變量e1很小2高彈形變e2 l 高彈形變是大分子鏈在引力作用下，由卷曲構(gòu)象轉(zhuǎn)化為伸展構(gòu)象的宏觀表現(xiàn)l 高彈形變的特點(diǎn)是模量E2較小，形變量e2大，可伸長(zhǎng)至10倍以上l 有明顯的時(shí)間依賴性(形變滯后于應(yīng)力，形變?cè)谕饬Τズ蠡?/p>

20、本上能回復(fù)，但回復(fù)需要時(shí)間)，松弛過程3塑性形變e3 塑性形變是聚合物在外力作用下，大分子鏈間產(chǎn)生相對(duì)滑移的宏觀反映.l 塑性形變實(shí)際上是一種 流動(dòng)變形，其分子運(yùn)動(dòng)機(jī)理雖與粘性流動(dòng)相類似，但必須在屈服應(yīng)力*之上才能發(fā)生.l 塑性形變的特點(diǎn)是外力去除后，形變完全不可回復(fù).40. 為什么非晶取向因素是決定纖維強(qiáng)伸的主要因素？41. 試用蠕變方程解釋纖維在拉伸中的形變機(jī)理。蠕變方程：普弾形變：瞬間發(fā)生，是大分子主鏈的鍵角和鍵長(zhǎng)受力后發(fā)生的形變。形變與應(yīng)力同相位，形變能馬上回復(fù)；彈性模量很大，形變值很小高彈形變：大分子鏈在引力作用下，由卷曲構(gòu)象轉(zhuǎn)化為伸展構(gòu)象的宏觀表現(xiàn)。形變滯后于應(yīng)力，有明顯的時(shí)間依賴性。是一種松弛過程。模量較小，形變量大。塑性形變：聚合物在外力作用下，大分子鏈間產(chǎn)生相對(duì)滑移的宏觀表現(xiàn)。形變是完全不可回復(fù)的。42. 影響松弛時(shí)間的因素有哪些？它們?nèi)绾斡绊懜邚椥巫兊陌l(fā)展？（1）增塑所引起的活化能下降Up和T（2） 高彈形變的發(fā)展與外力作用的時(shí)間、增塑所引起的活化能下降Up、纖維的拉伸應(yīng)力以及形變時(shí)纖維的溫度T有關(guān)43. 敘述分子網(wǎng)絡(luò)理論的基本模型，Nc、Ns、在分子網(wǎng)絡(luò)理論中的含義。網(wǎng)絡(luò)理論：每種纖維總的延伸性能，包括噴絲