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1、高分子材料成型加工高分子材料成型加工 Chapter2Chapter2-1010 课后习题答案仅供参考课后习题答案仅供参考Chapter2Chapter2 高分子材料学高分子材料学1.1.分别区分“通用塑料”和“工程塑料”分别区分“通用塑料”和“工程塑料”、“热塑性塑料”和“热固性塑料”“热塑性塑料”和“热固性塑料”，并请各举，并请各举 2 2、3 3例。例。答：通用塑料：一般指产量大、用途广、成型性好、价廉的塑料。通用塑料有 PE、PP、PVC、PS 等工程塑料是指拉伸强度大于50MPa冲击强度大于6kJ/m2,长期耐热温度超过100，刚性好、蠕变小、自润滑、电绝缘、耐腐蚀等可代替金属用作结
2、构件的塑料。工程塑料有 PA、PET、PBT、POM 等。热塑性塑料：加热时变软以至流动，冷却变硬。这种过程是可逆的、可以反复进行。如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚砜、聚苯醚好和氯化聚醚等都是热塑性塑料。热固性塑料：第一次加热时可以软化流动，加热到一定温度，产生化学反应一交链固化而变硬，这种变化是不可逆的。此后，再次加热时，已不能再变软流动了。正是借助这种特性进行成型加工，利用第一次加热时的塑化流动在压力下充满型腔，进而固化成为确定形状和尺寸的制品。这种材料称为热固性塑料。酚醛、脲醛、三聚氰胺甲醛、不饱和聚酯、有机硅等塑料都是热固性塑料。2.2.什么是聚合物的结晶和取向？它们有
3、何不同？研究结晶和取向对高分子材料加工有何实什么是聚合物的结晶和取向？它们有何不同？研究结晶和取向对高分子材料加工有何实际意义？际意义？聚合物的结晶：高聚物发生的分子链在三维空间形成局部区域的、高度有序的排列的过程。聚合物的取向：高聚物的分子链沿某特定方向作优势的平行排列的过程。包括分子链、链段和结晶高聚物的晶片、晶带沿特定方向择优排列。不同之处：1高分子的结晶属于高分子的一个物理特性，不是所有的高聚物都会结晶，而所有的高聚物都可以在合适的条件下发生取向。2 结晶是某些局部区域内分子链在三维空间的规整排列，而取向一般是在一定程度上的一维或二维有序，是在外力作用下整个分子链沿特定方向发生较为规整
4、排列。3 结晶是在分子链内部和分子链之间的相互作用下发生的，外部作用也可以对结晶产生一定的影响；取向一般是在外力作用和环境中发生的，没有外力的作用，取向一般不会内部产生。4结晶主要发生在 TgTm 范围内，而取向可以发生在Tg 或 Tm 以上的任何温度热拉伸或流动取向，也可以在室温下进行冷拉伸获得。5结晶单元为高分子链和链段，而取向单元还可以是微晶(晶粒)。结晶是结晶性高聚物加工成型过程中必然经历的过程，结晶直接影响到聚合物的成型加工和制品的性能。结晶温度越低，聚合物加工熔点越低且熔限越宽，结晶温度越高，熔点较高且熔限越窄。化学结构相似而结晶度较大的聚合物成型加工温度较高。结晶过程中结晶速度的
5、快慢直接决定了制品的成型加工周期，结晶越快，冷却时间越短，而结晶越慢，加工成型周期变长。聚合物结晶颗粒的尺寸对制品的透明性、表观形态和机械性能也有非常大的影响。因此结晶在聚合物的成型加工过程中占有举足轻重的低位。取向是聚合物在加工过程中或者加工后处理阶段形成的，结晶聚合物和非晶聚合物均可以产生取向。非晶态高聚物的取向，包括链段的取向和大分子链的取向，而结晶态高分子的取向包括晶区的取向和非晶区的取向，晶区的取向发展很快，非晶区取向较慢。取向能提高拉伸制品的力学强度，还可使分子链有序性提高，这有利于结晶度的提高，从而提高其耐热性。在纤维和薄膜的生产中取向状况的控制显得特别重要。但对其他成型制品，如
6、果流动过程中取向得以保存，则制品的力学强度会降低并易变型，严重时会造成内力不均而易开裂。3.3.请说出晶态与非晶态聚合物的熔融加工温度范围，请说出晶态与非晶态聚合物的熔融加工温度范围，并讨论两者作为材料的耐热性的好坏。并讨论两者作为材料的耐热性的好坏。晶态聚合物：1假设聚合物的分子量较小，TmTf，则聚合物到达熔点时已进入粘流态，则熔融加工温度范围即为 TmTd热分解温度；假设聚合物的分子量较大，分子链相互作用力较大，当晶区熔融时，分子链还需要吸收更多能量克服分子间作用力，才能产生运动，因此聚合物的 TmTm 分子热运动自由能大于内能，难以形成有序结构T交联倾向，一般经过预热的物料可使用较低的
7、模压压力。6 6在高分子材料成型加工中，哪些地方要求交联？交联能赋予高聚物制品哪些性能？在高分子材料成型加工中，哪些地方要求交联？交联能赋予高聚物制品哪些性能？答：未硫化的橡胶Tg 在室温以下，常温下发黏，强度很低，基本无使用价值。通过硫化(交联)，才能使用。酚醛树脂、氨基树脂、环氧树脂、不饱和聚酯等是具有活性官能团的低分子量的齐聚物，也只有通过交联，才能充分发挥它们的特性。在聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯等泡沫塑料生产中，交联也是极为重要的工艺技术，交联有助于提高泡孔壁的强度。交联后的性能取决于交联密度。交联密度高，相邻交联点之间相对分子质量小，链段活动性受到限制，Tg 随之增高。交联改善了高分子
8、材料的力学性能、耐热性能、化学稳定性能和使用性能。7 7试述天然橡胶以硫磺硫化后的制品大分子结构特征。试述天然橡胶以硫磺硫化后的制品大分子结构特征。答：硫化后，橡胶大分子结构中各部位已程度不同地形成了网状结构，大分子链之间有主价键力的作用，使大分子链的相对运动受到一定的限制，在外力作用下，不易发生较大的位移，变形减小，强度增大，失去可溶性，只能有限溶胀。8 8试述橡胶硫化后的物理性能的变化，并解释之。试述橡胶硫化后的物理性能的变化，并解释之。答：天然橡胶在硫化过程中，随着线型大分子逐渐变为网状结构，可塑性减小，拉伸强度、定伸强度、硬度、弹性增加，而伸长率、永久变形、疲劳生热等相应减小，但假设继
9、续硫化，则出现拉伸强度、弹性逐渐下降，伸长率、永久变形反而会上升的现象。这些现象都是线形大分子转变为网状结构的特征。9 9生胶和硫化胶在分子结构及性能上有何不同？生胶和硫化胶在分子结构及性能上有何不同？答：硫化前：结构：线性大分子，分子与分子之间无价键力；性能：可塑性大，伸长率高，具可溶性。硫化后：结构：1化学键；2交联键的位置；3交联程度；4交联性能：1力学性能定伸强度、硬度、拉伸强度、伸长率、弹性；2物理性能；3化学稳定性1010橡胶的硫化历程分为几个阶段？各阶段的实质和意义是什么？橡胶的硫化历程分为几个阶段？各阶段的实质和意义是什么？答：1焦烧期硫化起步阶段，是指橡胶在硫化开始前的延迟作
10、用时间，在此阶段胶料尚未开始交联，胶料在模型内有良好的流动性。对于模型硫化制品，胶料的流动、充模必须在此阶段完成，否则就发生焦烧出现制品花纹不清，缺胶等缺陷。意义：焦烧期的长短决定了胶料的焦烧性及操作安全性。这一阶段的长短取决于配合剂的种类和数量。2欠硫期预硫阶段，焦烧期以后橡胶开始交联的阶段。在此阶段，随着交联反应的进行，橡胶的交联程度逐渐增加，并形成网状结构橡胶的物理机械性能逐渐上升，但尚未到达预期的水平但有些性能如抗撕裂性、耐磨性等却优于正硫化阶段时的胶料。意义：预硫时间的长短反映了硫化反应速度的快慢，主要取决于配方。3 正硫期正硫化阶段，正硫化是胶料的各项性能在一个阶段基本上保持恒定或
11、变化很少，也称硫化平坦期。意义：这个阶段橡胶的综合性能最好，是选取正硫化时间的范围。硫化平坦期的宽窄取决于：配方、温度等4过硫期过硫阶段，橡胶的交联反应到达一定的程度，此时的各项物理机械性能均到达或接近最正确值，其综合性能最正确。此时交联键发生重排、裂解等反应。意义：过硫阶段的性能变化情况反映了硫化平坦期的长短，不仅说明了胶料热稳定性的高低，而且对硫化工艺的安全性及制品硫化质量有直接影响。1111橡胶制品生产过程中，残余焦烧时间的长短与橡胶制品的类型有什么关系？橡胶制品生产过程中，残余焦烧时间的长短与橡胶制品的类型有什么关系？答：不同的硫化方法和制品，对焦烧时间的长短亦有不同要求。在硫化模压制
12、品时，总是希望有较长的焦烧期，使胶料有充分时间在模型内进行流动，而不致使制品出现花纹不清晰或缺胶等缺陷。在非模型硫化中，则应要求硫化起步应尽可能早一些，因为胶料起步快而迅速变硬，有利于防止制品因受热变软而发生变形。不过在大多数情况下，仍希望有较长的焦烧时间以保证操作的安全性。1212何谓返原性胶料和非返原性胶料？何谓返原性胶料和非返原性胶料？答：天然橡胶等主链为线形大分子结构，在过硫阶段中断链多于交联，机械性能下降，这种胶料称为返原性胶料；大部分合成橡胶，如丁苯、丁腈橡胶，在过硫阶段中易产生氧化支化反应和环化结构，胶料的物理机械性能变化很小，甚至保持恒定，这种胶料称为非返原性胶料。1313何谓
13、硫化三要素？对硫化三要素控制不当会造成什么后果？何谓硫化三要素？对硫化三要素控制不当会造成什么后果？答：硫化三要素是指硫化的压力、温度和时间。模型硫化时必须施以压力。压力过低，胶料流动性差，不能充满模腔，制品容易产生泡，胶料不够致密，机械性能下降；但过高压力对橡胶的性能也不利，高压会对橡胶分子链的热降解有加速作用；对于含纤维织物的胶料，高压会使织物材料的结构被破坏，导致耐屈挠性能下降。硫化温度是橡胶发生成化反应的基本条件，它直接影响硫化速度和产品质量。硫化温度太高，硫化速度太快，胶料刚受热即交联而流动性下降，得不到所需要的产品，且高温易引起橡胶分子链裂解，乃至发生硫化返原现象，结果导致强伸性能
14、下降；反之，硫化温度低，硫化速度慢，生产效率低，直至不硫化。在一定的硫化温度和压力下，橡胶有一最适宜的硫化时间，时间太长则过硫，时间太短则欠硫，对产品性能都不利。1414何谓正硫化和正硫化时间？正硫化时间的测定方法有哪几种？各有何特点？何谓正硫化和正硫化时间？正硫化时间的测定方法有哪几种？各有何特点？答：正硫化是胶料的各项性能在一个阶段基本上保持恒定或变化很少，也称硫化平坦期。理论正硫化：从硫化反应动力学原理来说，正硫化应是胶料到达最大交联密度时的硫化状态，正硫化时间应由胶料到达最大交联密度所需的时间来确定比较合理。工艺正硫化：橡胶处在正硫化时，其物理机械性能或综合性能到达最正确值，预硫或过硫
15、阶段胶料性能均不好。到达正硫化所需的时间为正硫化时间，而正硫化是一个阶段。在实际应用中是根据某些主要性能指标(与交联密度成正比)来选择最正确点，确定正硫化时间。1物理机械法麻烦，不经济；2化学法简单、方便，但误差较大，适应性不广，有一定限制，不适于非硫黄硫化的胶料；3专用仪器法 不仅具有方便、精确、经济、快速和重现性好等优点，并且能够连续测定与加工性能和硫化性能等有关的参数而且只需进行一次试验即可得到完整的硫化曲线。Chapter8Chapter8 挤出成型挤出成型1 1挤出机螺杆在结构上为何分段？分段的根据是什么？挤出机螺杆在结构上为何分段？分段的根据是什么？答：根据物料在螺杆中的温度、压力
16、、黏度等的变化特征，可将螺杆分为加料段、压缩段、均化段三段。2 2挤出螺杆一般分为哪几段？每段各有什么作用？对于晶态塑料的挤出成型，应选择何种挤出螺杆一般分为哪几段？每段各有什么作用？对于晶态塑料的挤出成型，应选择何种螺杆？其螺杆？其 L2L2 的长度有何特征，为什么？的长度有何特征，为什么？答：加料段-对料斗送来的塑料进行加热，同时输送到压缩段。塑料在该段始终保持固体状态。压缩段-对加料段来的料起挤压和剪切作用，同时使物料继续受热，由固体逐渐转变为熔融体，赶走塑料中的空气及其他挥发成分，增大塑料的密度，塑料通过压缩段后，应该成为完全塑化的黏流状态。均化段-使熔融物料在均化段螺杆和机头回压作用
17、进一步搅拌塑化均匀，并定量定压地通过机头口模挤出成型。结晶型聚合物，熔化温度范围很窄，因而压缩段很短，应选择突变型螺杆。3 3什么叫压缩比？挤出机螺杆设计中的压缩比根据什么来确定？什么叫压缩比？挤出机螺杆设计中的压缩比根据什么来确定？答：螺杆的压缩比是指螺杆加料段第一个螺槽的容积与均化段最后一个螺槽的容积之比，它表示塑料通过螺杆的全过程被压缩的程度。压缩比的大小取决于挤出塑料的种类和形态，粉状塑料的相对密度小，夹带空气多，其压缩比应大于粒状塑料。另外挤出薄壁制品时，压缩比应比厚壁制品的大。4 4什么是挤出机螺杆的长径比？长径比的大小对塑料挤出成型有什么影响？长径比太大又什么是挤出机螺杆的长径比
18、？长径比的大小对塑料挤出成型有什么影响？长径比太大又会造成什么后果？会造成什么后果？答：挤出机螺杆的长径比是指螺杆工作部分的有效长度L 与直径 Ds 之比。L/Ds 大，能发送塑料的温度分布，混合更均匀，并可减少挤出时的逆流和漏流，提高挤出机的生产能力。L/Ds 过小，对塑料的混合和塑化都不利。L/Ds 太大，对热敏性塑料会因受热时间太长而易分解，同时螺杆的自重增加，自由端挠曲下垂，容易引起料筒和螺杆擦伤，制造和安装都困难，也增大了挤出机的功率消耗。5 5渐变型和突变型螺杆有何区别？它们各适合哪类塑料的挤出？为什么？渐变型和突变型螺杆有何区别？它们各适合哪类塑料的挤出？为什么？答：渐变型螺杆的
19、压缩段较长，为螺杆全长的55%65%，PVC 挤出成型用螺杆压缩段甚至到达 100%。渐变型螺杆适合无定型塑料的生产，因为无定型塑料的熔融温度范围宽。突变型螺杆的压缩段较短，为35Ds，PA 的挤出成型用螺杆压缩段甚至仅为一个螺距的长度。突变型螺杆适合结晶型塑料的生产，因为结晶型塑料的熔融温度范围很窄。(所谓渐变型螺杆是指由加料段较深螺槽向均化段较浅螺槽的过渡，是在一个较长的螺杆轴向距离内完成的：而所谓突变型螺杆的上述过渡是在较短的螺杆轴向距离内完成的。)6 6提高挤出机加料段固体输送能力，应对设备采取什么措施？指出其理论依据。提高挤出机加料段固体输送能力，应对设备采取什么措施？指出其理论依据
20、。答案要点:结构角度：1 增加螺槽深度；2 降低物料与螺杆的摩擦系数；3 增加物料与料筒的摩擦系数；4 选择适当的螺旋角。工艺角度：1 增加料筒温度fb ；降低螺杆温度fs 。7 7塑料在挤出机中的熔化长度的意义是什么？塑料在挤出机中的熔化长度的意义是什么？答：挤出机中从熔化开始到固体床的宽度降到零的总长度称为熔化长度，熔化长度的大小反映了固体的熔化速度，一般熔化速度越高则熔化长度越短。8.8.塑料熔体在挤出机螺槽内有几种流动形式？造成这几种流动的主要原因是什么？塑料熔体在挤出机螺槽内有几种流动形式？造成这几种流动的主要原因是什么？答：塑料熔体在挤出机螺槽内有正流、逆流、横流和漏流。造成这几种
21、流动的主要原因是：正流是沿螺槽向机头方向的流动；逆流是受机头口模阻力所致；横流是螺杆的螺旋状挤压造成；漏流是螺杆和料筒间隙的流动，是机头口模的回压造成。9.9.分析挤出成型时分析挤出成型时,螺杆均化段末端粘流态物料的压力与哪些因素有关？螺杆均化段末端粘流态物料的压力与哪些因素有关？螺杆转速，螺杆长径比，螺杆与机筒间隙，温度，螺杆压缩比等10.10.各种挤出成型制品的生产线由各自的主、辅机组成，请归纳它们的工艺过程，用框图表各种挤出成型制品的生产线由各自的主、辅机组成，请归纳它们的工艺过程，用框图表示。示。Chapter9Chapter9 注射成型注射成型1 1何谓注射成型，它有何特点？请用框图
22、表示一个完整的注射成型工艺过程。何谓注射成型，它有何特点？请用框图表示一个完整的注射成型工艺过程。定义：可成型几乎所有的热塑性塑料和多种热固性塑料，可用于树脂的直接注射，可复合材料、增强塑料及泡沫塑料的成型，或注射吹塑成型。特点、成型周期短、生产效率高、能一次成型外形复杂、尺寸精度高、带嵌件的制品、适应性强、制品种类繁多，容易实现自动化。2 2塑料挤出机的螺杆与移动螺杆式注射机的螺杆在结构特点和各自的成型作用上有何异塑料挤出机的螺杆与移动螺杆式注射机的螺杆在结构特点和各自的成型作用上有何异同？同？(a)注射螺杆长径比较小，约在 1015 之间。(b)注射螺杆压缩比较小，约在 25 之间。(c)
23、注射螺杆均化段长度较短，但螺槽深度较深，以提高生产率。为了提高塑化量，加料段较长，约为螺杆长度的一半。(d)注射螺杆的头部呈尖头形，与喷嘴能有很好的吻合，以防止物料残存在料筒端部而引起降解。(p221)挤出机螺杆成型作用是对物料的输送、传热塑化塑料及混合均化物料。移动螺杆式注射机的螺杆成型作用是对塑料输送、压实、塑化及传递注射压力。是间歇式操作过程，它对塑料的塑化能力、操作时的压力稳定以及操作连续性等要求没有挤出螺杆严格3 3请从加热效率出发，分析柱塞式注射机上必须使用分流梭的原因。请从加热效率出发，分析柱塞式注射机上必须使用分流梭的原因。答：使用分流梭加快了热传导，有利于减少或防止塑料过热而
24、引起的热分解现象。塑料熔体分流后，在分流梭与料筒间隙中流速增加，剪切速度增大，从而产生较大的摩擦热，料温升高，黏度下降，是塑料得到进一步的混合塑化，有效提高注塞式注射机的生产量及制品质量。4 4注射机的喷嘴有哪几种类型？各适合何种聚合物材料的注射成型？注射机的喷嘴有哪几种类型？各适合何种聚合物材料的注射成型？1 通用式喷嘴：最普遍的形式，它结构简单，制造方便，注射压力损失小，常用于 PE,PS,PVC及纤维素等注射成型2延伸式喷嘴：通用式喷嘴的改进型，结构比较简单，制造方便，有加热装置，注射压力降较小，适用于 PMMA,POM,PSF,PC等高黏度树脂3弹簧针阀式喷嘴：是一种自锁式喷嘴，结构较
25、复杂，制造困难，流程较短，注射压力损失较大，叫适用于 PA,PET等熔体黏度较低的塑料注射 5以柱塞式注射机成型聚丙烯制品时，注射机料筒的加热效率为 0.8，如果聚丙烯预热温度 50，注射料温 230，注射机的料筒最高温度应控制几度？6 6试分析注射成型中物料温度和注射压力之间的关系，并绘制成型区域示意图。试分析注射成型中物料温度和注射压力之间的关系，并绘制成型区域示意图。答：注射压力与料温是相互制约的，料温高时，注射压力减小；反之，所需注射压力加大。7 7保压在热塑性塑料注射成型过程中的作用是什么？保压应有多少时间？何谓凝封？保压在热塑性塑料注射成型过程中的作用是什么？保压应有多少时间？何谓
26、凝封？答：当注射成型塑料熔体充满模腔后，模具中熔体冷却收缩，继续保持施压状态的柱塞或螺杆，迫使浇口和喷嘴附近的熔体不断补充入模中 补塑，使模腔中的塑料能形成形状压实；保压适当的时间，可防止螺杆或柱塞退还时，因模具主流道处完整而致密的制品 塑料尚未冷却凝固而发生模内熔融塑料倒流现象 防倒流。保压时间一般约 20-100s，大型和厚制品可达 2-5min。塑料注射充模保压时，浇注系统的熔体先行冷却硬化的现象叫“凝封”，凝封可防止模腔内尚未冷却的熔体向喷嘴方向倒流。8 8试述晶态聚合物注射成型时温度包括料温和模温对其结晶性能和力学性能的影响。试述晶态聚合物注射成型时温度包括料温和模温对其结晶性能和力
27、学性能的影响。结晶性塑料注射入模具后，将发生向转变，冷却速率将影响塑料的结晶速率。缓冷，即模温高，结晶速率大，有利结晶，能提高制品的密度和结晶度，制品成型收缩性较大，刚度大，大多数力学性能较高，但伸长率和充及强度下降。反过来，骤冷所得制品的结晶度下降，韧性较好。但在骤冷的时不利大分子的松弛过程，分子取向作用和内应力较大。中速冷塑料的结晶和曲性较适中，是用得最多的条件。实际生产中用何种冷却速度，还应按具体的塑料性质和制品的使用性能要求来决定。例如对于结晶速率较小的 PET 塑料，要求提高其结晶度就应选用较高的模温。9 9聚丙烯和聚苯乙烯注射成型时，考虑到产品的性能和生产效率，它们的模具温度应分别
28、聚丙烯和聚苯乙烯注射成型时，考虑到产品的性能和生产效率，它们的模具温度应分别控制在哪个温度范围最适宜？为什么？控制在哪个温度范围最适宜？为什么？PPPP：TgTg1010左右，左右，PSPS：TgTg8080左右左右答：聚丙烯的结晶能力较强，提高模具温度有助于改善熔体在模内的流动性，减小内应 力和分子的定向作用，增强制件的密度和结晶度甚至能够提前脱模；但制件的冷却时间、收 缩率和脱模后的翘曲变形将增大。制品结晶度的增加，制件的外表粗糙度值也会随之减小。综合考虑 PP 模具温度 TcTg，生产上常用温度为 40-90无定形塑料注射充模后无相转变，故模温高低主要影响充模时间长短，较低的模温，冷却快，生产效率提高。PS 熔融黏度较低，采用偏低的模温TcTT VVVV(第辊筒为主辊筒)速比为 1：1.051：1.254 4何谓压延效应？产生的原因及减小的方法是什么？何谓压延效应？产生的原因及减小的方法是什么？压延成型过程中，黏流态塑料在通过压延辊筒间隙时，线形大分子沿着压延方向作定向排列。出现制品的各向异性，制品的纵向和横向的物理机械性能不同，这种现象在压延成型中称为压延效应。温度；速度及速比；辊距；尽量不使用各向异性的配合剂、改变喂料方向和提高物料的塑性，压延后缓慢冷却，可降低压延效应。整理整理 ByBy 杭师大材化学院高材杭师大材化学院高材 131131 班某学屌班某学屌