《聚合物加工工程》復(fù)習(xí)提要

什么是流變學(xué)？研究的對(duì)象是什么？傳統(tǒng)概念的“液體”和“固體”的本質(zhì)區(qū)別在哪里？論述非牛頓流體幾個(gè)流變現(xiàn)象，并簡(jiǎn)要解釋其原因。非牛頓流體主要有哪幾個(gè)類(lèi)型？論述假塑性流體的流動(dòng)曲線。什么是冪律方程？其包含的內(nèi)涵是什么？溫度是如何影響高分子液體的粘度的？加工中如何利用？絕大多數(shù)高分子液體（溶液或熔體）為什么出現(xiàn)“剪切變稀”？論述影響高分子液體剪切粘度的因素高分子流變性能可以采用哪幾個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行測(cè)量？哪些測(cè)量參數(shù)可以表征高分子液體的彈性性能？聚合物加工工程前三章復(fù)習(xí)提要流變學(xué)部分高分子材料在加工過(guò)程中一般會(huì)發(fā)生哪些物理和化學(xué)變化？高分子材料加工過(guò)程中結(jié)晶對(duì)性能有什么影響？高分子材料加工過(guò)程中取向?qū)π阅苡惺裁从绊?？如何避免和利用加工過(guò)程中的降解效應(yīng)？加工過(guò)程中的物理與化學(xué)變化部分高分子液體有幾種流動(dòng)形式？什么是拖曳流動(dòng)？什么是收斂流動(dòng)？哪種加工方式是典型的收斂流動(dòng)？什么是分布混合和分散混合典型的初混合和分散混合設(shè)備有哪些？如何提高常規(guī)單螺桿擠出機(jī)的混合效果？雙螺桿擠出機(jī)主要特點(diǎn)和用途是什么？主要螺桿元件有哪些？各自的主要作用是什么？什么是塑料填充？塑料填充有哪些優(yōu)點(diǎn)？什么是塑料合金？塑料共混的目的是什么？簡(jiǎn)要論述判斷兩種聚合物之間的相容性原則混合與混煉部分什么是塑料的一次成型和二次成型？擠出成型的優(yōu)點(diǎn)有哪些？列舉至少四個(gè)采用擠出成型的塑料制品如何確定擠出機(jī)的工作狀態(tài)？擠出成型中機(jī)頭有哪幾部分組成？各自作用是什么？簡(jiǎn)單描述管材擠出成型的工藝流程全面論述單螺桿擠出機(jī)的常規(guī)螺桿擠出成型部分※1、什么是流變學(xué)？研究的對(duì)象是什么？傳統(tǒng)概念的“液體”和“固體”的本質(zhì)區(qū)別在哪里？研究流動(dòng)與變形的科學(xué)就是流變學(xué)研究對(duì)象：非牛頓流體，特別是高分子液體（熔體或溶液）※2、論述非牛頓流體幾個(gè)流變現(xiàn)象，并簡(jiǎn)要解釋其原因①

高粘度和剪切變?。焊叻肿尤垠w的零剪切粘度η0

均在102－104Pa·s范圍內(nèi)，為水的粘度的106倍。②

Weissenberg效應(yīng)：盛在容器中的高分子液體，當(dāng)插入其中的圓棒旋轉(zhuǎn)時(shí)，沒(méi)有因慣性作用而甩向容器壁附近，反而環(huán)繞在旋轉(zhuǎn)棒附近，出現(xiàn)沿棒向上爬的“爬桿”現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為Weissenberg效應(yīng)。原因是由于高分子鏈在離心力的作用下，具有彈性的大分子鏈會(huì)沿著圓周方向取向，出現(xiàn)拉伸彈性變形，彈性變形要恢復(fù)，從而產(chǎn)生一種朝向軸心的壓力，迫使液體沿棒爬升。③

擠出脹大現(xiàn)象：又稱口型膨脹效應(yīng)或Barus效應(yīng)，是指高分子熔體被強(qiáng)迫擠出口模時(shí)，擠出物尺寸大于口模尺寸，截面形狀也發(fā)生變化的現(xiàn)象。牛頓流體不具有這種效應(yīng)或很弱，而高分子液體的Barus效應(yīng)很明顯。其產(chǎn)生的原因也歸結(jié)為高分子液體具有彈性記憶效應(yīng)所致。熔體在進(jìn)入口模時(shí)，受到強(qiáng)烈的拉伸和剪切形變，其中拉伸形變屬于彈性形變。這些形變?cè)诳谀Ｖ兄挥胁糠值玫交貜?fù)，其余的彈性能在出口時(shí)產(chǎn)生彈性形變回復(fù)。※3、非牛頓流體主要有哪幾個(gè)類(lèi)型？論述假塑性流體的流動(dòng)曲線

①Bingham塑性體

②假塑性流體

③脹塑性流體

④觸變性流體

⑤震凝性流體假塑性流體從上圖可以看出，流動(dòng)曲線大致可以分為三個(gè)區(qū)域：

→0時(shí)，σ－呈線性關(guān)系，液體流動(dòng)性質(zhì)與牛頓型流體相仿，粘度趨于常數(shù)，稱為零剪切粘度，這一區(qū)域稱為線性流動(dòng)區(qū)，或第一流動(dòng)區(qū)。零剪切粘度是材料的一個(gè)重要常數(shù)，它與材料的平均分子量、粘流活化能、結(jié)構(gòu)等有關(guān)。

當(dāng)剪切速率超過(guò)某一臨界剪切速率后，材料流動(dòng)性質(zhì)出現(xiàn)非牛頓性，剪切粘度（實(shí)際上是表觀剪切粘度）隨剪切速率的增大而下降，出現(xiàn)“剪切變稀”行為。這一區(qū)域是高分子材料加工的典型區(qū)域，也稱為假塑性區(qū)，或非牛頓流動(dòng)區(qū)，或剪切變稀區(qū)。

當(dāng)剪切速率非常高，即→∞時(shí)，剪切粘度又會(huì)趨于另一個(gè)定值η∞

，稱為無(wú)窮剪切粘度，這一區(qū)域有時(shí)稱為第二牛頓區(qū)。這一區(qū)域通常很難達(dá)到，因?yàn)樵诖酥傲鲃?dòng)已變得極不穩(wěn)定，甚至破壞?！?、什么是冪律方程？其包含的內(nèi)涵是什么？大多數(shù)聚合物液體為剪切變稀，即在剪切力作用下，粘度變小，基本符合冪律方程：式中，ηa－表觀粘度；n為非牛頓指數(shù)，反映偏離牛頓行為的程度；－剪切速率內(nèi)涵：反映高分子液體流動(dòng)的剪切變稀※5、溫度是如何影響高分子液體的粘度的？加工中如何利用？一般來(lái)講，溫度越高，聚合物液體粘度越小。高分子熔體的粘度與溫度的關(guān)系可以用Arrhenius方程很好地描述，即：K為材料常數(shù)，R為摩爾氣體常數(shù)，Eη為粘流活化能，J/mol。由上式可以看出，溫度升高，粘度下降。Eη是描述材料粘－溫依賴性的物理量，它反映了材料流動(dòng)的難易程度，更重要的反映了材料粘度隨溫度的變化的敏感性。Eη越大，則聚合物熔體粘度隨溫度變化而顯著變化；反之，則反之。對(duì)Eη大的聚合物可以采用升高溫度的辦法來(lái)提高加工性，而對(duì)于Eη小的聚合物則不能一味地靠提高溫度來(lái)降低加工粘度。

※6、絕大多數(shù)高分子液體（溶液或熔體）為什么出現(xiàn)“剪切變稀”？（1）構(gòu)象改變理論

柔性鏈大分子在溶液或熔體中處于卷曲的無(wú)規(guī)線團(tuán)狀，大分子鏈呈或緊或松的卷曲狀態(tài)，熔體處于平衡狀態(tài)時(shí)，大分子鏈的構(gòu)象接近于高斯鏈構(gòu)象，構(gòu)象數(shù)很大，所以粘度很大。體系流動(dòng)時(shí)，由于外力作用，分子長(zhǎng)鏈的構(gòu)象被迫發(fā)生改變。同時(shí)由于大分子鏈運(yùn)動(dòng)具有松弛特性，被改變的構(gòu)象還會(huì)局部或全部恢復(fù)。所以當(dāng)剪切速率很低時(shí)，分子鏈的構(gòu)象變化很小，分子鏈有足夠的時(shí)間進(jìn)行松弛，致使其構(gòu)象數(shù)量從宏觀上看幾乎不發(fā)生變化，故體系粘度也基本不變，表現(xiàn)出牛頓流體特點(diǎn)。

但是當(dāng)剪切速率較大時(shí)，一方面高分子鏈的構(gòu)象發(fā)生明顯減少，主要是沿流動(dòng)方向取向，另一方面，流動(dòng)過(guò)程快，體系也沒(méi)有足夠的時(shí)間松弛，結(jié)果長(zhǎng)鏈大分子偏離平衡構(gòu)象，取向的大分子對(duì)流動(dòng)阻力明顯減小，表現(xiàn)為宏觀粘度下降。

（2）類(lèi)橡膠液體理論

高分子存在一個(gè)臨界分子量Mc，當(dāng)分子量超過(guò)Mc后，一是大分子鏈很柔軟，象無(wú)規(guī)線團(tuán)相互紐結(jié)，二是大分子鏈?zhǔn)菐缀紊细叨炔粚?duì)稱的，很容易形成強(qiáng)烈的物理作用而纏結(jié)（“交聯(lián)”），由于分子鏈的纏結(jié)，使分子鏈運(yùn)動(dòng)受阻，體系粘度很大。這種纏結(jié)沒(méi)有化學(xué)交聯(lián)點(diǎn)，故稱為“擬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)”，類(lèi)似于橡膠的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，故又稱為“類(lèi)橡膠液體”。在外力作用下，物理的纏結(jié)點(diǎn)被打開(kāi)，“擬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)”消失，大分子鏈流動(dòng)阻力大大減小，所以體系粘度大大下降。大分子鏈間的纏結(jié)因分子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，也因分子熱運(yùn)動(dòng)破壞。在一定的外部條件下，纏結(jié)點(diǎn)的形成速率和破壞速率相等，處于動(dòng)態(tài)平衡中。一旦外部條件發(fā)生改變，就會(huì)導(dǎo)致纏結(jié)點(diǎn)破壞速率大于形成速率，使體系的平均纏結(jié)點(diǎn)密度下降，出現(xiàn)剪切變稀。在新的條件下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，擬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)再度達(dá)到平衡，內(nèi)部結(jié)構(gòu)又會(huì)形成，粘度會(huì)部分或全部恢復(fù)，故高分子的粘性稱為“結(jié)構(gòu)粘性”※7、論述影響高分子液體剪切粘度的因素（1）、剪切應(yīng)力和剪切速率：見(jiàn)前述（2）、溫度：見(jiàn)前述（3）、分子量：分子量對(duì)聚合物粘度的影響可用下式表示：

Mc－臨界纏結(jié)分子量當(dāng)平均分子量小于臨界纏結(jié)分子量時(shí)，聚合物的粘度與分子量基本成正比關(guān)系，分子間相互作用較弱。一旦分子量大到分子鏈間發(fā)生相互纏結(jié)，分子鏈間的相互作用因纏結(jié)而突然增強(qiáng)，則聚合物粘度持隨分子量的3.4次方迅速增加。（4）分子量分布：一般說(shuō)來(lái)，對(duì)相同Mw的樹(shù)脂，分子量分布較寬的樹(shù)脂流動(dòng)性優(yōu)于分子量分布較窄的樹(shù)脂。因?yàn)榈头肿恿坎糠挚善鸬筋?lèi)潤(rùn)滑作用。（5）支鏈：短支鏈對(duì)剪切粘度影響較小，長(zhǎng)支鏈對(duì)剪切粘度影響較大。分兩種情況，長(zhǎng)支鏈的支鏈分子量不是足夠大，支鏈本身還未達(dá)到鏈纏結(jié)的長(zhǎng)度時(shí)，剪切粘度小于不帶支鏈的；如果支鏈長(zhǎng)度長(zhǎng)到本身已發(fā)生纏結(jié)，則剪切粘度大大增加。8、高分子流變性能可以采用哪幾個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行測(cè)量？哪些測(cè)量參數(shù)可以表征高分子液體的彈性性能？毛細(xì)管流變儀旋轉(zhuǎn)流變儀動(dòng)態(tài)粘彈儀（動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀，DMA）落球粘度計(jì)轉(zhuǎn)矩流變儀表征高分子液體彈性性能的參數(shù)：法向應(yīng)力、第一法向應(yīng)力差、第二法向應(yīng)力差儲(chǔ)能模量、損耗模量、損耗角正切值擠出脹大比、出口壓力降9、高分子材料在加工過(guò)程中一般會(huì)發(fā)生哪些物理和化學(xué)變化？物理變化：結(jié)晶、取向化學(xué)變化：降解、交聯(lián)10、高分子材料加工過(guò)程中結(jié)晶對(duì)性能有什么影響？密度增大拉伸強(qiáng)度提高彎曲強(qiáng)度提高耐熱性提高耐化學(xué)溶劑性提高沖擊強(qiáng)度下降收縮率增大，制品尺寸不穩(wěn)定11、高分子材料加工過(guò)程中取向?qū)π阅苡惺裁从绊?？取向使聚合物在取向方向上?qiáng)度增大取向使聚合物的Tg升高取向使聚合物的透明性提高在取向方向上，線膨脹系數(shù)增加※12、如何避免和利用加工過(guò)程中的降解效應(yīng)？（1）避免：可從以下幾個(gè)方面避免：確定合理的加工溫度，在滿足加工流動(dòng)性的前提下，盡量采取較低的加工溫度;確定適當(dāng)?shù)募羟辛?，剪切力太大，剪切生熱大，聚合物易分解。?duì)熱敏性聚合物如PVC等，加工剪切力要??；

對(duì)吸濕性聚合物，在加工之前要徹底干燥，避免水分引起大分子鏈的降解；添加抗氧劑或熱穩(wěn)定劑，降低高分子鏈的降解；確定合理的螺桿、機(jī)頭和模具，避免存在流動(dòng)死角，減少聚合物在高溫下的停留時(shí)間，減少降解。（2）利用

橡膠塑煉是典型的例子。利用開(kāi)煉機(jī)的剪切力，是分子量太大的橡膠產(chǎn)生降解，從而提高橡膠的加工性。

聚合物共混物：利用剪切效應(yīng)產(chǎn)生的自由基，可使兩種或多種聚合物產(chǎn)生接枝、共聚等反應(yīng)，從而提高共混物的性能。13、高分子液體有幾種流動(dòng)形式？什么是拖曳流動(dòng)？什么是收斂流動(dòng)？哪種加工方式是典型的收斂流動(dòng)？壓力流動(dòng)：聚合物液體在圓形等簡(jiǎn)單形狀管道中因受壓力作用而產(chǎn)生的流動(dòng)。只有剪切流動(dòng)收斂流動(dòng)：聚合物液體在具有截面尺寸逐漸減小的錐形管道或其它形狀管道中進(jìn)行的流動(dòng)。這種流動(dòng)不僅有剪切作用而且有拉伸作用。拖曳流動(dòng)：如果液體流動(dòng)的管道或口模的一部分相對(duì)于其它靜止部分以一定速度和規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，則聚合物液體還將隨管道和口模的運(yùn)動(dòng)部分產(chǎn)生流動(dòng)，這種流動(dòng)稱為拖曳流動(dòng)。實(shí)質(zhì)上是剪切流動(dòng)紡絲是典型的收斂流動(dòng)14、什么是分布混合和分散混合分布混合：就是聚合物和填料、添加劑等組分達(dá)到宏觀上混合均勻的混合，即在混合體空間上任意點(diǎn)各組分都有相同的體積比或質(zhì)量比。

分散混合：不僅在空間上各組分均勻分布，而且各組分的分散尺寸減少到微觀或亞微觀以下，形成微觀的界面區(qū)域。15、典型的初混合設(shè)備和分散混合設(shè)備有哪些？初混合（分布混合）：

Z型捏合機(jī)轉(zhuǎn)鼓混合機(jī)螺帶式混合機(jī)高速混合機(jī)等分散混合設(shè)備：開(kāi)煉機(jī)密煉機(jī)混煉型單螺桿擠出機(jī)雙螺桿擠出機(jī)行星擠出機(jī)等16、如何提高常規(guī)單螺桿擠出機(jī)的混合效果？采用分離型螺桿增加屏障段增加銷(xiāo)釘段采用波狀螺桿17、雙螺桿擠出機(jī)主要特點(diǎn)和用途是什么？主要螺桿元件有哪些？各自的主要作用是什么？主要特點(diǎn)：混合均勻、分散效果好，具有自潔性（易于更換物料）、使用物料種類(lèi)多，生產(chǎn)效率高主要用途：用于聚合物的共混、填充、增強(qiáng)、阻燃等改性，使聚合物高性能化、精細(xì)化、功能化、系列化，制備專(zhuān)用料主要螺桿元件：

正向螺紋元件：用于加料及熔體輸送

反向螺紋：用于反流混合均勻，在排氣段前建立壓力

捏合塊：提供高剪切速率，用于加強(qiáng)分散混合

齒形元件：提供分流，用于加強(qiáng)分布混合※18、什么是塑料填充？塑料填充有哪些優(yōu)點(diǎn)？塑料填充改性就是填料與塑料、樹(shù)脂的復(fù)合，一般填料的填充量較大，有時(shí)甚至可達(dá)幾百份（以樹(shù)脂100份計(jì)算），因此填料是塑料工業(yè)重要的、不可缺少的輔助材料。降低成本：一般填料均比樹(shù)脂便宜，因此添加填料可大幅度地降低塑料的成本，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益；改善塑料的耐熱性：一般塑料的耐熱性較低，而大部分填料屬于無(wú)機(jī)物質(zhì)，耐熱性較高。因此這些填料添加到塑料中后可以明顯地提高塑料的耐熱性。改善塑料的剛性：一般塑料的剛性較差，如純PP的彎曲模量在1000MPa左右，遠(yuǎn)不能滿足一些部件的使用要求；添加滑石粉后，其彎曲模量大大增加，增剛作用明顯；改善塑料的成型加工性：一些填料可改善塑料的加工性，如硫酸鋇、玻璃微珠等，可以提高樹(shù)脂的流動(dòng)性，從而可以改善其加工性；提高塑料制品尺寸穩(wěn)定性：有些塑料結(jié)晶收縮大，導(dǎo)致其制品收縮率大，尺寸不穩(wěn)定；而添加填料后，可大大降低塑料的收縮率，從而提高塑料制品及部件的尺寸穩(wěn)定性；改善塑料表面硬度：一般塑料硬度較低，表面易劃傷。無(wú)機(jī)填料的硬度均比塑料的高，添加無(wú)機(jī)填料后，可大大提高塑料的表面硬度；提高強(qiáng)度：通用塑料本身的拉伸強(qiáng)度不高。添加無(wú)機(jī)填料后，在填充量適量的范圍內(nèi)，可以提高塑料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度；賦予塑料某些功能，提高塑料的附加值：有些填料可以賦予塑料一些功能，如添加滑石粉、碳酸鈣后，可以改善PP的抗靜電性能和印刷性能；中空玻璃微珠添加到塑料中后，可以提高塑料的保溫性能；19、什么是塑料合金？塑料共混的目的是什么？簡(jiǎn)要論述判斷兩種聚合物之間的相容性原則塑料合金（聚合物共混物）是指兩種或兩種以上均聚物或共聚物的混合物。聚合物共混物中各聚合物組分之間主要是物理結(jié)合，因此聚合物共混物與共聚高分子是有區(qū)別的。相容性原則（1）溶解度參數(shù)相近原則：聚合物相容規(guī)律為|δ1－δ2|<0.5。（2）極性相近原則：即體系中組分之間的極性越相近，則相容性就好。（3）結(jié)構(gòu)相近原則：體系中各組分的結(jié)構(gòu)相似，則相容性就好。（4）結(jié)晶能力相近原則：當(dāng)共混體系為結(jié)晶聚合物時(shí)，多組分的結(jié)晶能力即結(jié)晶難易程度與最大結(jié)晶相近時(shí)，其相容性就好。而晶態(tài)/非晶態(tài)、晶態(tài)/晶態(tài)體系的相容性較差。兩種非晶態(tài)體系相容性較好（5）表面張力γ相近原則：體系中各組分的表面張力越接近，其相容性越好。共混物在熔融時(shí)，與乳狀液相似，其穩(wěn)定性及分散度受兩相表面張力的控制。γ越相近，兩相間的浸潤(rùn)、接觸與擴(kuò)散就越好，界面的結(jié)合也越好。（6）粘度相近原則：體系中各組分的粘度相近，有利于組分間的浸潤(rùn)與擴(kuò)散，形成穩(wěn)定的互溶區(qū)，所以相容性就好。20、什么是塑料的一次成型和二次成型？擠出成型的優(yōu)點(diǎn)有哪些？列舉至少四個(gè)采用擠出成型的塑料制品一次成型：通過(guò)一次成型就制備出塑料制品的工藝二次成型：在一次成型品的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行成型制備出最終塑料制品的工藝擠出成型優(yōu)點(diǎn)：①連續(xù)化，效率高，質(zhì)量穩(wěn)定②應(yīng)用范圍廣③設(shè)備簡(jiǎn)單，投資少，見(jiàn)效快④生產(chǎn)環(huán)境衛(wèi)生，勞動(dòng)強(qiáng)度低⑤適于大批量生產(chǎn)典型擠出成型制品：塑料管材塑料薄膜塑料板塑料棒塑料片電線電纜塑料網(wǎng)塑料門(mén)窗異型材。21、如何確定擠出機(jī)的工作狀態(tài)？通過(guò)口模特性曲線和螺桿特性曲線來(lái)確定擠出機(jī)的最佳工作狀態(tài)※22、擠出成型中機(jī)頭有哪幾部分組成？各自作用是什么？擠出成型機(jī)頭由多孔板、濾網(wǎng)、分流梭（錐）和口模。多孔板：是將從螺桿來(lái)的螺旋料流變?yōu)橹本€料流，支撐過(guò)濾網(wǎng)，建立壓力分流錐：是將實(shí)心的料流分為圓環(huán)形的料流?？谀５淖饔檬翘峁┕懿牡某跏夹螤詈统叽?，但不是最終尺寸。過(guò)濾網(wǎng)：過(guò)濾掉凝膠、黑點(diǎn)等雜質(zhì)口模：是提供管材的初始形狀和尺寸，但不是最終尺寸23、簡(jiǎn)單描述管材擠出成型的工藝流程管材工藝流程：關(guān)鍵工藝：定型(定徑)作用：將機(jī)頭擠出材料的形狀穩(wěn)定下來(lái)，得到更為精確的截面形狀、尺寸和表面粗糙度，有內(nèi)定徑和外定徑法兩種。外定型：真空定型、內(nèi)壓定型（內(nèi)通壓縮空氣）※24、全面論述單螺桿擠出機(jī)的常規(guī)螺桿（1）三段式螺桿常規(guī)螺桿為三段式螺桿，即：加料段、熔融段、計(jì)量段。加料段：是將物料帶入螺桿和料筒形成的密閉容器中；熔融段又稱壓縮段：作用是提供剪切力，是塑料熔融塑化，從固體變?yōu)橐后w；計(jì)量段又稱均化段：作用是進(jìn)一步將塑料熔化，將已熔化的熔體混合（組分和溫度）均勻，同時(shí)建立壓力，可使均勻熔體定量地?cái)D出。（2）螺桿參數(shù)

螺桿直徑：指螺紋的外徑，螺桿直徑越大，產(chǎn)量越大；

長(zhǎng)徑比：指螺桿的有效長(zhǎng)度和螺桿直徑之比；螺桿長(zhǎng)徑比越大，混