第一篇聚合物加工的理论基础一、本章基本内容：1、聚合物材料的加工性2、聚合物在加工过程中的粘弹行为二、学习目的与要求：1、掌握聚合物材料的加工性2、掌握聚合熔体流动过程的弹性行为三、本章重点、难点：重点：聚合物流体熔融指数的测定及螺旋流动实验难点：熔融指数测定过程中的流动分析。课时：2
第一篇 聚合物加工的理论基础 一、本章基本内容： 1、聚合物材料的加工性 2、聚合物在加工过程中的粘弹行为 二、学习目的与要求: 1、掌握聚合物材料的加工性 2、掌握聚合熔体流动过程的弹性行为 三、本章重点、难点： 重点：聚合物流体熔融指数的测定及螺旋流动实验 难点： 熔融指数测定过程中的流动分析。 课时：2
第一章材料的加工性质金属材料一锻、焊、铸（机械类）车、镗、铣、刨、磨（机械加工技术）无机非金属材料一没有形成技术高分子材料一易于加工四大加工性能：可模塑性(Mouldability)，可挤压性(Extrudabity)，可纺性(Spinnability）和可延性(Stretchability)。第一节聚合物材料的加工性聚合物独特的长链结构，分子内与分子间强大的作用力使其具有不同于其它材料的力学性能，因此加工性质也受到长链结构、缠结、聚集态结构的影响。图1-1以线型聚合物的模量一温度曲线说明聚合物聚集态与加工方法的关系。1.处于玻璃化温度T.以下的聚合物玻璃态此时聚合物的主价健和次价键所形成的内聚力，使材料具有相当大的力学强度。只有键角或键长的变形，形变具有可逆性，因此不宜进行大变形的加工，只可通过车、铣、削、刨等进行机械加工。接近T时，韧性好的可以冷拉，强迫高弹形变2.在Tg以上①对于非晶聚合物，高弹态，模量小形变大，且形变可逆，在T一侧，可进行真空成型、压力成型、压延和弯曲成型等。但必须迅速冷却到T以下冻结形变，否则形变恢复。②对结晶或部分结晶的聚合物，晶区出现高弹态，在Tg一Tm温度区间可以进行薄膜或纤维的拉伸。由于Tg对材料力学性能有很大影响，因此T，是选择和合理应用材料的重要参数。3.在Tr（或Tm)以上粘流态，熔体发生粘性流动在T以上不高温度附近：类橡胶态压延、挤出和吹塑成型生胶塑炼高于Tf：熔体粘度低，不可逆的粘性形变熔融纺丝、注射、挤出、吹塑和贴合等加工方式温度过高：溢料、挤出物形状扭曲、甚至降解，以致产品性能变差T与T，一样都是聚合物材料进行成型加工的重要参考温度。一、聚合物的可挤压性(Extrudability）常见的成型方法，如挤出成型、注射成型等，聚合物在加工过程中一般都会
第一章 材料的加工性质 金属材料 ── 锻、焊、铸（机械类） 车、镗、铣、刨、磨（机械加工技术） 无机非金属材料 ── 没有形成技术 高分子材料 ── 易于加工 四大加工性能：可模塑性(Mouldability)，可挤压性(Extrudabiity)，可纺性 (Spinnability)和可延性(Stretchability)。 第一节 聚合物材料的加工性 聚合物独特的长链结构，分子内与分子间强大的作用力使其具有不同于其它 材料的力学性能，因此加工性质也受到长链结构、缠结、聚集态结构的影响。图 1-1 以线型聚合物的模量—温度曲线说明聚合物聚集态与加工方法的关系。 1.处于玻璃化温度 Tg以下的聚合物 玻璃态 此时聚合物的主价健和次价键所形成的内聚力，使材料具有相当大 的力学强度。只有键角或键长的变形，形变具有可逆性，因此不宜进行大变形的 加工，只可通过车、铣、削、刨等进行机械加工。 接近 Tg时，韧性好的可以冷拉，强迫高弹形变 2.在 Tg以上 ①对于非晶聚合物，高弹态，模量小形变大，且形变可逆，在 Tf 一侧，可 进行真空成型、压力成型、压延和弯曲成型等。但必须迅速冷却到 Tg 以下冻结 形变，否则形变恢复。 ②对结晶或部分结晶的聚合物，晶区出现高弹态，在 Tg—Tm 温度区间可以 进行薄膜或纤维的拉伸。 由于 Tg对材料力学性能有很大影响，因此 Tg是选择和合理应用材料的重要 参数。 3.在 Tf (或 Tm)以上 粘流态，熔体 发生粘性流动 在 Tf 以上不高温度附近：类橡胶态 压延、挤出和吹塑成型 生胶塑炼 高于 Tf ：熔体粘度低，不可逆的粘性形变 熔融纺丝、注射、挤出、吹塑和 贴合等加工方式 温度过高：溢料、挤出物形状扭曲、甚至降解，以致产品性能变差 Tf与 Tg一样都是聚合物材料进行成型加工的重要参考温度。 一、聚合物的可挤压性(Extrudability) 常见的成型方法，如挤出成型、注射成型等，聚合物在加工过程中一般都会
受到挤压作用，如挤出机和注射机的料筒中、注射机的模具中，压延机的辊筒间。1.可挤压性可挤压性是指聚合物通过挤压作用形变时获得形状和保持形状的能力。水：从某种意义上讲可以获得形状，但保持形变的能力较差固体聚合物不能通过挤压而成型，故不具备可挤压性：只有在粘流态时才具有可挤压性。2.影响因素①流变性（剪应力和剪切速率对的影响）在挤压过程中主要受到的是剪切力，因此可挤压性主要受熔体的剪切粘度和拉伸粘度的影响。大多数聚合物熔体是非牛顿流体，c个或个→n熔体n：容易获得形状，但不易保持形状，可挤压性差熔体个：流动和成型困难，不易获得形状，可挤压性也差只有n适中：可挤压性才好6、与n的定量关系将在第二章中详细讨论。②流动速率将在第二章中详细讨论③熔融指数熔融指数（[MI]或[MFI]）是评价热塑性216038聚合物特别是聚烯烃的挤压性的一种简单而实用的方法，用定温下10分钟内聚合物从出料孔挤出的重量（克）来表示，其数值就称为熔体流动指数(MeltFlowlndex)。熔融指数通常中在熔融指数仪中测定的，熔融指数仪的结构如图1一3所示。熔融指数表征的是聚合物熔体的粘度，流度Φ=1/m，实质反映了聚合物分子量的大小。分子量较高聚合物易于缠结直径2.095米米流动阻力大图1-3格融据效制定仪结构示意用 →[MI]1一热电调测温管：2一料炎：3一高料孔：4一保就展一加热器，6一佳室：7一蛋幅分子量较低流动阻力小个 -→[MI]个二、聚合物的可模塑性(一mouldability)
受到挤压作用，如挤出机和注射机的料筒中、注射机的模具中，压延机的辊筒间。 1. 可挤压性 可挤压性是指聚合物通过挤压作用形变时获得形状和保持形状的能力。 水：从某种意义上讲可以获得形状，但保持形变的能力较差 固体聚合物不能通过挤压而成型，故不具备可挤压性；只有在粘流态时才具有可 挤压性。 2. 影响因素 ①流变性（剪应力 σ 和剪切速率 γ 对 η 的影响） 在挤压过程中主要受到的是剪切力，因此可挤压性主要受熔体的剪切粘度和 拉伸粘度的影响。 大多数聚合物熔体是非牛顿流体，σ 或 γ → η 熔体 η ：容易获得形状，但不易保持形状，可挤压性差 熔体 η ：流动和成型困难，不易获得形状，可挤压性也差 只有 η 适中：可挤压性才好 σ、γ 与 η 的定量关系将在第二章中详细讨论。 ②流动速率 将在第二章中详细讨论 ③熔融指数 熔融指数（[MI]或 [MFI]）是评价热塑性 聚合物特别是聚烯烃的挤压性的一种简单而实 用的方法，用定温下 10 分钟内聚合物从出料 孔挤出的重量(克)来表示，其数值就称为熔体 流动指数(Melt Flow lndex)。 熔融指数通常中在熔融指数仪中测定的， 熔融指数仪的结构如图 1—3 所示。 熔融指数表征的是聚合物熔体的粘度，流 度 = 1/η，实质反映了聚合物分子量的大小。 分子量较高 聚合物易于缠结 流动阻力大 η→ [MI] 分子量较低 流动阻力小 η→ [MI] 二、聚合物的可模塑性(—mouldability)
1.可模塑性：聚合物在温度和压力作用下形变和在模具中模制成型的能力。具有可模塑性的材料可以进行注射、模压和挤出成型2.影响因素：①模塑条件TP图1-5T个：n流动性好，易于成型，但也易分解，制品收缩率大T：n个流动性不好，成型困难且弹性明显，制品形状稳定性差P个：可改善流动性，但易溢料，且制品内应力增大，性能变差溢料：熔体充满膜腔后溢至模具分型面之间P：缺料(制品成型不全)存在模塑的最佳区域一一模塑面积，通过模塑面积确定适宜的模塑条件。模塑条件不仅影响聚合物的可模塑性，且对制品的力学性能、外观、以及制品的性能有广泛影响。粘弹性极限分解线溢料线缺料线②聚合物的热性能热性能：导热系数2、热AH、比热Cp等影响加热与冷却过程，从而影响熔体的流动性和硬化速度，因此也影响聚合物制品的性质(如结晶、内应力、收缩等)。如：快速冷却一一内应力大，易收缩变形结晶不充分等③模具的结构尺寸直接影响聚合物熔体的流动方式。如：薄壁容器，长流道制品3.测定方法：螺旋流动试验①模具：阿基米得螺旋形槽图1-6②原理：螺线的长度反映不同种类或不同级别聚合物流动性的差异w距离越长，可模塑性好距离越短，可模塑性差图1-6频靠证动试验视具示童（入口处在娱旋中类）③定量关系Holmes等人认为在高剪切速率(通常注塑条件）下，螺线的极限长度L是加
1.可模塑性：聚合物在温度和压力作用下形变和在模具中模制成型的能力。 具有可模塑性的材料可以进行注射、模压和挤出成型 2.影响因素： ①模塑条件 T P 图 1—5 T：η 流动性好，易于成型，但也易分解，制品收缩率大 T：η 流动性不好，成型困难且弹性明显，制品形状稳定性差 P：可改善流动性，但易溢料，且制品内应力增大，性能变差 溢料：熔体充满膜腔后溢至模具分型面之间 P：缺料(制品成型不全) 存在模塑的最佳区域──模塑面积，通过模塑面积确定适宜的模塑条件。 模塑条件不仅影响聚合物的可模塑性，且对制品的力学性能、外观、以及制 品的性能有广泛影响。 ②聚合物的热性能 热性能：导热系数 λ、热焓 ΔH、比热 CP 等 影响加热与冷却过程，从而影响熔体的流动性和硬化速度，因此也影响聚合 物制品的性质(如结晶、内应力、收缩等)。 如：快速冷却──内应力大，易收缩变形 结晶不充分等 ③模具的结构尺寸 直接影响聚合物熔体的流动方式。如：薄壁容器，长流道制品 3.测定方法：螺旋流动试验 ①模具：阿基米得螺旋形槽 图 1-6 ②原理：螺线的长度反映不同种类 或不同级别聚合物流动性的差异 距离越长，可模塑性好 距离越短，可模塑性差 ③定量关系 Holmes 等人认为在高剪切速率(通常注塑条件)下，螺线的极限长度 L 是加
工条件(AP·d)和聚合物流变性与热性能(pAH）两组变数的函数，如下关系AT( anYAH△P.dC：常数与螺线横截面几何尺寸有关△T儿an加工条件：△AP个：流动速度快，L越长，可模塑性好△T（熔体与螺槽壁温差）个：冷却速度快，可模塑性差热性能：n↑：流速慢，LV，流动性差p个：热量多，冷却慢，模塑性好AH个：冷却慢，模塑性好2个：冷却快，LV，流动性差④通过试验可知：i.聚合物在宽广的剪切应力和温度范围内的流变性质：i.模塑时的最佳温度、压力和周期：ii.聚合物分子量和各种添加剂成分和用量对模塑材料流动性和加工条件的影响关系；iv.模具尺寸的结构对材料流动性和模塑条件的影响。三、聚合物的可纺性(Spinnability)1.可纺性：聚合物材料通过加工形成连续的固态纤维的能力。2.前提因素：熔体从喷丝板毛细孔流出后能不能形成稳定细流一一细流的稳定性细流的稳定性：Lmax = 36 ndYFd：喷丝板毛细孔直径（固定值）=Lmax（熔体细流最大稳定长度）由右边影响V：熔体流出速度个Lmax个n：熔体粘度大Lmax个→稍高于Tr进行纺丝，纺丝过程要拉伸和冷却YF：熔体表面张力小Lmax个3.取决因素：①纺丝速度：双层影响增大：熔体细流直径减小，细流稳定但熔体细流受到的拉应力个，拉伸形变个，如果熔体的强度低将出现细流断裂②熔体强度、熔体粘度主要因素熔体强度随熔体粘度增大而增加，还与纺丝时拉伸速度的稳定性和材料凝聚
工条件 T P d 2 和聚合物流变性与热性能 两组变数的函数，如下关系 = T P d c d L 2 2 c：常数 与螺线横截面几何尺寸有关 加工条件：ΔP： 流动速度快，L 越长，可模塑性好 ΔT（熔体与螺槽壁温差）： 冷却速度快，可模塑性差 热性能： η：流速慢，L，流动性差 ：热量多，冷却慢，模塑性好 ΔH：冷却慢，模塑性好 λ：冷却快，L，流动性差 ④通过试验可知： i.聚合物在宽广的剪切应力和温度范围内的流变性质； ii.模塑时的最佳温度、压力和周期； iii.聚合物分子量和各种添加剂成分和用量对模塑材料流动性和加工条件的 影响关系； iv.模具尺寸的结构对材料流动性和模塑条件的影响。 三、聚合物的可纺性(Spinnability) 1.可纺性：聚合物材料通过加工形成连续的固态纤维的能力。 2.前提因素：熔体从喷丝板毛细孔流出后能不能形成稳定细流──细流的稳定性 细流的稳定性： d F L 36 max = d：喷丝板毛细孔直径（固定值） Lmax（熔体细流最大稳定长度）由右 边影响 υ：熔体流出速度 Lmax η：熔体粘度大 Lmax 稍高于 Tf 进行纺丝，纺丝过程要拉伸和冷却 γF：熔体表面张力小 Lmax 3.取决因素： ①纺丝速度：双层影响 增大：熔体细流直径减小，细流稳定 但熔体细流受到的拉应力，拉伸形变，如果熔体的强度低将出现细流 断裂 ②熔体强度、熔体粘度 主要因素 熔体强度随熔体粘度增大而增加，还与纺丝时拉伸速度的稳定性和材料凝聚