高分子材料加工技术.docx

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一．高分子材料概述：
材料是科学与工业技术进展的根底。一种材料的消灭，能为社会文明带来巨大的变化，给技术的进展带来划时代的突破。材料已当之无愧的成为当代科学技术的三大支柱之一。高分子材料科学已经和金属材料、无机非金属材料并驾齐驱，在国际上被列为一级学科。
高分子材料科学是材料科学中的一个重要的分支学科。现代材料科学的范围定义为争论材料性质、构造和组成、合成和加工、材料的性能这四个要素以及它们之间的相互关系。高分子材料科学的根本任务是：争论高分子材料的合成、构造和组成与材料的性质、性能之间的相互关系；探究加工工艺和各种环境因素对材料性能的影响；为改进工艺，提高高分子材料的质量，合理使用高分子材料，开发材料、工艺和的应用领域供给理论依据和根底数据。高分子材料科学是一门年轻而兴的学科，它的进展要求科学和工程技术最为亲热的协作，它的进步需要跨部门、多学科的最正确协调和共同参与。
目前各种合成高分子的应用已普及国民经济的各部门，特别是军事及尖端技术对具有各种不同性能的聚合物材料的迫切需要，促使了高分子合成和加工的技术有了更快的进展，高分子成型和加工已经成为一种独立的特地工程技术了。由于加工技术理论的争论、加工设备设计和加工过程自动掌握等方面都取得了很大的进展，产品质量和生产效率大大提高，产品适应范围扩大，原材料和产品本钱降低，聚合
物加工工业进入了一个高速进展时期。
加工过程中高分子表现出外形、构造、和性质等方面的变化。外形转变往往是为满足使用的最起码要求而进展的；材料的构造转变包括高分子的组成、组成方式、材料宏观与微观构造的变化等；高分子结晶和取向也引起材料聚拢态变化，这种转变主要是为了满足对成品内在质量的要求而进展的，一般通过配方设计、材料的混合、承受不同加工方法和成型条件来实现。加工过程中材料构造的转变有些是材料本身固有的，亦或是有意进展的；有些则是不正常的加工方法或加工条件引起的。
大多数状况下，高分子的加工通常包括两个过程：首先使原材料产生变形或流淌，并取得所需要的外形，然后设法保持取得的外形。高分子加工与成型通常有以下形式：高分子熔体的加工、类橡胶状聚合物的加工、高分子液体的加工、低分子聚合物或预聚物的加工、高分子悬浮体的加工以及高分子的机械加工。
除机械加工以外的大多数加工技术中，流淌－硬化是这些加工的根本程序。依据加工方法的特点或高分子在加工过程中变化的特征， 可用不同的方式对这些加工技术进展分类。通常依据高分子在加工过程有否物理或化学变化，而将这些加工技术分为 3 类：第一类是加工过程主要发生物理变化的；其次类是加工过程只发生化学变化的；第三类则是加工过程同时兼有物理和化学变化的。
这些加工技术大致包括一下四个过程：、熔融和均化作用；
输送和挤压；;〔包括热固性高分子的交
联和橡胶的硫化〕。但并不是全部制品的加工成型过程都必需完成包括上述四个步骤。
二．高分子材料加工原理：
高分子材料的加工性质：
、高分子材料的加工性：
高分子具有一些特有的加工性质，如良好的可塑性，可挤压性， 可纺性和可延性。正是这些加工性质为高分子材料供给了适于多种多样加工技术的可能性，也是高分子能得到广泛应用的重要缘由。
高分子通常可以分为线型高分子和体型高分子，但体型高分子也是由线型高分子或某些低分子物质与分子量较低的高分子通过化学 反响而得到的。线型高分子的分子具有长链构造，在其聚拢体中它们总是彼此贯穿、重迭和缠结在一起。在高分子中，由于长链分子内和分子间强大吸引力的作用，使高分子表现出各种力学性质。高分子在加工过程所表现的很多性质和行为都与高分子的长链构造和缠结以
及聚拢态所处的力学状态有关。
依据高分子所表现的力学性质和分子热运动特征，可将其划分为玻璃态、高弹态和粘流态，通常称这些状态为聚拢态。高分子的分子构造、高分子体系的组成、所受应力和环境温度等是影响聚拢态转变的主要因素，在高分子及其组成肯定时，聚拢态的转变主要与温度有关。不同聚拢态的高分子，由于主价健与次价健共同作用构成的内聚能不同而表现出一系列独特的性质，这些性能在很大程度上打算了高分子材料对加工技术的适应性，并使高分子在加工过程表现出不同的行为。
高分子在加工过程中都要经受聚拢态转变，了解这些转变的本质和规律就能选择适当的加工方法和确定合理的加工工艺，在保持高分子原有性能的条件下，能以最少的能量消耗，高效率地制备良好的产品。
玻璃态高分子不宜进展引起大变形的加工，表现为坚硬的固体， 但可通过车、铣、削、刨等进展加工。在玻璃化温度Tg 以下的某一温度，材料受力简洁发生断裂破坏，这一温度称为脆化温度，它是材料使用的下限温度。
在 Tg 以上的高弹态，高分子的模量削减很多，形变力量显著加大。在 Tg－Tf 温度区靠近 Tf，由于高分子的粘性很大，可进展某些
材料的真空成型、压力成型、压延和弯曲成型等。把制品温度快速冷
却到 Tg 以下温度是这类加工过程的关键。Tg 是选择合理应用材料的重要参数，同时也是大多数高分子加工的最低温度。
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在 T 以上，高分子化合物转变为粘流态，通常又将这种液体状态的高分子称为熔体。材料在 T 以上不高的温度范围表现出类橡胶流淌行为。这一转变区域通常用来进展压延成型、某些挤出成型和吹塑成型等。比 T 更高的温度使分子热运动大大激化，材料模量降到最低值，这时高分子熔体形变的特点是不大的外力就能引起宏观流 动，这时形变中主要是不行逆的粘性变形，冷却高分子就能将形变永久保持下来，这一温度范围常用来进展熔融纺丝、注射、挤出、吹塑和贴合等加工。过高的温度将使高分子的粘度大大降低，不适当的增大流淌性简洁引起溢料、外形扭曲、毛丝断裂等现象。温度高到分解温度 T 四周还会引起高分子化合物的分解，以致降低产品物理机械性能或引起外观不良。
高分子在加工过程中常受到挤压作用，可挤压性是指高分子化合物通过挤压作用变形时获得外形和保持外形的力量。在挤压过程中， 高分子熔体主要受到剪切作用，故可挤压性主要取决于熔体的剪切粘度和拉伸粘度。大多数高分子化合物熔体的粘度随剪切力或剪切速率增大而降低。假设挤压过程材料的粘度很低，虽然材料有良好的流淌性，但保持外形的力量较差；相反，熔体的剪切粘度很高时则会造成流淌和成型的困难。材料的挤压性质还与加工设备的构造有关。挤压过程高分子熔体的流淌速率随压力增大而增加，通过流淌速率的测量可打算加工时所需要的压力和设备的几何尺寸。材料的挤压性质与高分子的流变性，熔融指数和流变速率亲热有关。
高分子的可模塑性是指材料在温度和压力作用下形变和在模具
中模制成型的力量。具有可模塑性的材料可通过注射、模压和挤出等成型方法制成各种外形的模塑制品。可模塑性主要取决于材料的流变性，热性质和其他物理力学性质等，在热固性高分子的状况下还和高分子的化学反响性有关。过高的温度，虽然熔体的流淌性大，易于成型，但会引起分解，制品收缩率大；温度过低熔体粘度大，流淌困难， 成型性差；因弹性进展，明显的使制品外形稳定性差。适当增加压力， 通常能改善高分子的流淌性，但过高的压力将引起溢料和增大制品内应了；压力过低时则造成缺料。模塑条件不仅影响高分子的可模塑性， 且对制品的力学性能、外观、收缩以及制品中的结晶和取向等都有广泛影响。热性能影响高分子加工与冷却的过程，从而影响熔体的流淌性和硬化速度，因此也会影响高分子制品的性质。模具的构造尺寸也影响聚合物的模塑性，不良的模具构造甚至会使成型失败。
可纺性是指高分子材料通过加工形成连续的固态纤维的力量。它主要取决与材料的流变性质，熔体粘度、熔体强度以及熔体的热稳定性和化学稳定性等。纺丝材料，首先要求熔体从喷丝板毛细孔流出后能形成稳定细流。细流的稳定性通常与由熔体从喷丝板的流出速度， 熔体的粘度和外表张力组成的数群有关。纺丝过程由于拉伸和冷却的作用都使纺丝熔体粘度增大，也有利于增大纺丝细流的稳定性。但随纺丝速度增大，熔体细流受到的拉应力增加，拉伸变形增大，假设熔体的强度低将消灭细流断裂。故具有可纺性的高分子还必需具有较高的熔体强度。不稳定的拉伸速度简洁造成纺丝细流断裂。当材料的分散能较小时也简洁消灭分散性断裂。对肯定高分子，熔体强度随熔体
粘度增大而增加。作为纺丝材料还要在纺丝条件下，高分子有良好的热和化学稳定性，由于高分子在高温下要停留较长的时间并要经受在设备和毛细孔中流淌时的剪切作用。
可延性表示无定形或半结晶固体高分子在一个方向或两个方向 上受到压延或拉伸时变形的力量。材料的这种性质为生产长径比很大的产品供给了可能，利用高分子的可延性，可通过压延或拉伸工艺生产薄膜、片材和纤维。但工业生产仍以拉伸法用的最多。线型高分子的可延性来自大分子的长链构造和柔性。可延性取决于材料产生塑性形变的力量和应变硬化作用。形变力量与固体高分子所处的温度有
关，在 T －T 温度区间高分子化合物的分子在肯定拉力作用下能产
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生塑性流淌，以满足拉伸过程材料截面积尺寸减小的要求。对半结晶
高分子拉伸在稍低于T 以下的温度进展，非晶体高分子则在接近T
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的温度进展。适当地上升温度，材料的可延性能进一步提高，拉伸比可以更大，甚至一些延长性较差的高分子也能进展拉伸。通常把在室
温至T 四周的拉伸称为“冷拉伸”，在 T 以上的温度下的拉伸称为“热
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拉伸”。当拉伸过程高分子发生“应力硬化”后，它将限制聚合物分子的流淌，从而阻挡拉伸比的进一步提高。
、加工过程中的粘弹行为：
高分子在加工过程中通常是从固体变为液体，再从液体变成固体，所以加工过程中高分子在不同条件下会分别表现出固体和液体的性质，既表现出弹性和粘性。但由于大分子的长链构造和大分子运动的逐步性质，高分子的形变和流淌不行能是纯弹性的或纯粘性，而是
弹性和粘性的综合既粘弹性。当高分子在外力作用下发
生普弹形变时，外力使大分子键长和键角或高分子晶体中处于平衡状态的粒子间发生形变和位移。推迟高弹形变是外力
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较长时间作用于高分子时，由处于无规章热运动的大分子链段形变和位移所奉献，形变值大，具有可逆性，它使高分子表现出特有的高弹性。粘性形变则是高分子在外力作用下沿力作用方向发生的大分子链之间的缠结和相对滑移，表现为宏观流淌，形变值大，具有不行逆性。在通常的加工条件下，高分子形变主要由高弹形变和粘性形变组成。从形变性质来看包括可逆形变和不行逆形变两种成分，只是由于加工条件不同存在着两种成分的相对差异。当加工温度高于 T 以致高分子处于粘流态时，高分子的形变进展以粘性形变为主。此时，高分子粘度低流淌性大，易于成型；加工温度低于 T 时，高分子转变成高弹态，随温度降低，高分子形变组成中的弹性成分增大，粘性成分减小，由于有效形变值减小，通常较少在这一范围成型制品。
高分子在加工过程中的形变都在外力和温度共同作用下，大分子形变和进展重排的结果。由于大分子的长链构造和大分子运动的逐步性，高分子在外力作用时与应力相适应的任何形变都不行能在瞬间完成，通常将高分子于肯定温度下，从受外力作用开头，大分子的形变经过一系列的中间状态过渡到与外力相适应的平衡状态的过程看成
是一个松弛过程，过程所需的时间称为松弛时间。高分子对外力响应的这种滞后现象称为“滞后效应”或“弹性滞后”。在 Tg－Tf 温度范围对成型制品进展热处理，可以缩短大分子形变的松弛时间，加快结晶速度，使制品的外形能较快的稳定下来。
2、高分子的流变性质：
如前所述，在大多数加工过程中，聚合物都有产生流淌和形变。高分子流变学就是生疏应力作用下高分子材料产生弹性、塑性和粘性形变的行为以及争论这些行为与各种因素之间的关系。所以流变学对高分子加工有格外重要的现实意义。
、高分子熔体的流变行为：
高分子在加工过程中的形变是由于外力作用的结果，材料受力后内部产生与外力相平衡的应力。受到剪切力作用产生的流淌称为剪切流淌。受到拉应力作用引起的流淌称为拉伸流淌。但是实际加工过程中材料的受力状况格外简单，往往是三种简洁应力的组合，因而材料中的实际应变也往往是多种简洁应变的迭加。加工中流体的静压力对流体流淌性质的影响相对不及前两者显著，但它对粘度有影响。高分子流体可以是处于粘流温度 Tf 或熔点 Tm 以上的熔融状聚合物，亦可以是在不高温度下仍保持为流淌液体的高分子溶液或悬浮体。加工过程中高分子的流变性质主要表现为粘度的变化，依据流淌过程高分子粘度与应力或应变速率的关系，将高分子的流淌行为分为两大类： ；，其流淌行为称为非牛顿型流淌。
通常加工条件下，对热塑性高分子加热仍是一种物理作用，其目的是使高分子到达粘流态以便成型，材料在加工过程所获得的外形必需通过冷却来定型。虽然，由于屡次加热和受到加工设备的作用会引起材料内在性质的肯定变化，但并未转变材料整体可塑性的根本特 性，特别是材料的粘度在加工条件下根本没有发生不行逆的转变。但是热固性高分子则不同，加热不仅可以使材料熔融，能在压力下产生流淌、变形和获得所需外形等物理作用；并且还能使具有活性基团的组分在足够高的温度下产生交联反响，并最终完成硬化等化学作用。一旦热固性材料硬化后，粘度变为无限大，并失去再次软化、流淌和通过加热而转变外形的力量。因此热固性高分子加工过程中粘度的这种变化规律与热塑性高分子有着本质区分。热固性高分子的粘度也受剪切速率的影响，但化学反响－硬化速度的影响更重要。剪切作用增加了活性分子间的碰撞时机，降低了反响活化能，交联反响速度增加， 熔体粘度随之增大。同时由于大多数交联反响是放热反响，系统温度的上升加速了交联固化过程，从而导致粘度更快速增大。
、影响高分子流变行为的主要因素：
高分子熔体在任何给定的剪切速率下的粘度主要由两个方面的 因素来打算：高分子熔体内的自由体积和大分子长链之间的缠结。自由体积是高分子中未被高分子占据的空隙，它是大分子链段进展集中运动的场所。凡会引起自由体积增加的因素都能活泼大分子的运动， 并导致高分子熔体粘度的降低。另一方面大分子之间的缠结使得分子链的运动变得格外困难，但凡削减这种缠结作用的因素，都能加速分