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高分子材料成型加工原理（王貴恒 主編）11高分子材料加工成型原理課后練習(xí)題參考答案2015-1-4整理：二專業(yè)學(xué)渣材料科學(xué)與工程學(xué)院第一章1、請用粘彈性的滯后效應(yīng)相關(guān)理論解釋塑料注射成型制品的變形收縮現(xiàn)象以及熱處理的作用。答：（1）粘彈性滯后效應(yīng)是指在外作用力下，聚合物分子鏈由于跟不上外力作用速度而造成的形變總是落后于外力作用速度的效應(yīng)。（2）當(dāng)注射制件脫模時大分子的形變并非已經(jīng)停止，在貯存和使用過程中，大分子重排運(yùn)動的發(fā)展，以致密度增加，體積收縮。（3）在TgTf溫度范圍對成型制品進(jìn)行熱處理，可以縮短大分子形變的松弛時間，加速結(jié)晶聚合物的結(jié)晶速度，使制品的形狀能加快的穩(wěn)定下來。2、比較塑性形變和粘彈性形變的異同點(diǎn)。答：同：都是不可逆變形。異：（1）溫度區(qū)間不同，塑性形變溫度區(qū)間為TgTf；粘性形變溫度區(qū)間為Tf以上。（2）作用力和時間不同，塑性形變需較大外力和較長時間；粘性形變要很小的外力和瞬時。3、什么是聚合物的力學(xué)三態(tài)，各自的特點(diǎn)是什么？各適用于什么加工方法？答：玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài)稱為聚合物的力學(xué)三態(tài)。（1） 玻璃態(tài)：聚合物模量高，形變小，故不宜進(jìn)行大形變的成型加工。適用：二次加工（2） 高彈態(tài)：產(chǎn)生較大的可逆形變；聚合物粘性大，且具有一定的強(qiáng)度。適用：較大變形的成型工藝。（3） 粘流態(tài)：很大的不可逆形變；熔體黏度低。適用：流動性要求較高的成型加工技術(shù)。第二章1、畫出幾種典型流體的剪切力-剪切速率流動曲線，并簡單說明各自的流變行為特征。答：賓漢流體：與牛頓流體相同， 剪切速率 剪切應(yīng)力的關(guān)系也是一條直線，不同處：它的流動只有當(dāng)t高到一定程度后才開始。假塑性流體： 流體的表觀粘度隨剪切應(yīng)力的增加而降低。也即切力變稀現(xiàn)象。膨脹性流體： 流體的表觀粘度隨剪切應(yīng)力的增加而增加。也即切力增稠現(xiàn)象。2、怎么樣根據(jù)聚合物粘度的溫敏特性以及切敏特性選擇加工條件？答：（1）根據(jù)聚合物粘度的溫敏特性，當(dāng)聚合物處于粘流溫度以上不寬的溫度范圍內(nèi)時，用Andrade公式：選擇盡可能打的溫度作為加工條件。當(dāng)溫度包括從玻璃化溫度到熔點(diǎn)這樣打的溫度范圍時，用W.L.F方程：計算溫度T時的年度選擇加工條件。（2）根據(jù)切敏特性，加工過程中，通過調(diào)整敏感參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對粘度的有效控制。對于粘度對剪切速率敏感的一類聚合物，通過調(diào)整熔體剪切速率（或剪切力）來改變?nèi)垠w粘度。3、影響聚合物粘度的因素分別有哪些？答：影響聚合物流變形為的主要因素有應(yīng)力、應(yīng)變速率、溫度、壓力和分子參數(shù)和結(jié)構(gòu)、相對分子質(zhì)量及其分 布、添加劑等。溫度對粘度的影響一般來講， T ，鏈段活動能力 ，自由體積 ，分子間相互作用 ，聚合物熔體h ，流動性增大。壓力對粘度的影響一般來說：壓力 粘度第三章1.壓力流動、收斂流動、拖曳流動的定義及各自常見發(fā)生場合。壓力流動：在簡單的形狀管道中因受壓力作用而產(chǎn)生的流動。；聚合物成型時在管內(nèi)的流動多屬于壓力梯度引起的剪切流動。如注射時流道內(nèi)熔體的流動。收斂流動：在截面積逐漸減小的流道中的流動。；多發(fā)生在在錐形管或其他截面積逐漸變小的管道中。拖拽流動：在具有部分動件的流道中的流動。，如在擠出機(jī)螺槽中的聚合物流動以及線纜包覆物生產(chǎn)口模中。2.用簡圖表示牛頓流體及非牛頓流體在圓管中的流動特征各是什么？答：牛頓流體在圓管中流動特征：剪切應(yīng)力：管壁處剪切應(yīng)力最大，中心處為零；剪切應(yīng)力在液體中的分布與半徑成正比，并呈直線關(guān)系。流體速度：液體在圓形管道中的流動時具有拋物線型的速率分布；管中心處的速率最大，管壁處為零，圓管中的等速線為一些同心圓。非牛頓流體流動的特征：剪切應(yīng)力：管壁處剪切應(yīng)力最大，中心處為零；剪切應(yīng)力在液體中的分布與半徑成正比，并呈直線關(guān)系。（與牛頓流體相同）流體速度：對于膨脹性非牛頓液體(n1)，速度分布曲線變得較為陡峭，n值愈大，愈接近于錐形；對假塑性非牛頓液體(n1)，分布曲線則較拋物線平坦；n愈小，管中心部分的速度分布愈平坦，曲線形狀類似于柱塞。管中心處的速率最大，管壁處為零，圓管中的等速線為一些同心圓。牛頓流體：非牛頓流體：（1） n值不同的流體在圓管的流速分布：（2） n值不同的流體在圓管的剪切速率分布：（3） n值不同的流體在圓管的剪切力分布：3、聚合物加工中，對于尺寸變化的管道中通常采用一段有收斂作用的管道來連接，是何原因？答：避免任何死角的存在，減少聚合物因過久停留而引起的分解，同時有利于降低流動過程因強(qiáng)烈擾動帶來的總壓力降，減少能耗，減少流動缺陷，提高產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備生產(chǎn)能力。4、入口效應(yīng)和出口效應(yīng)對聚合物加工有何不利？一般怎樣去降低？答：入口效應(yīng)和出口效應(yīng)對聚合物加工都是不利的，特別是注射、擠出和纖維紡絲過程中，引起制品變形和扭曲，降低制品尺寸穩(wěn)定性，甚至引起制品內(nèi)應(yīng)力。降低方法：（1）提高加工溫度；（2）適當(dāng)減小剪切應(yīng)力；（3）增大L/D（增加管子長度、增加管徑、L/D增加，減小入口端的收斂角）；（4）對擠出物加以適當(dāng)牽引。第四章1. 加工成型過程中影響結(jié)晶的因素。答：1、冷卻速度的影響 2、熔融溫度和熔融時間的影響 3、應(yīng)力作用的影響： 壓力影響球晶的大?。簤毫Φ湍苌纱蠖暾木w；高壓下形成小而形狀不規(guī)則的球晶。壓應(yīng)力會使聚合物的結(jié)晶溫度提高。 4、低分子物和固體雜質(zhì)的影響2、 聚合物結(jié)晶對制件性能的影響有哪些？答：（1）結(jié)晶對制品密度影響，由于結(jié)晶時聚合物分子鏈做規(guī)則、緊密排列，所以晶區(qū)密度高于非晶區(qū)密度。制品密度隨結(jié)晶度增加而增大。（2）結(jié)晶對制品力學(xué)性能的影響 ，a.一般隨著結(jié)晶度的提高，制品硬度提高、彈性模量提高、拉伸強(qiáng)度提高、沖擊強(qiáng)度下降、斷裂伸長率等韌性指標(biāo)下降。b.結(jié)晶形態(tài)、晶粒尺寸和數(shù)量也對制品的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。細(xì)小而均勻的晶粒結(jié)構(gòu)，制品綜合力學(xué)性能好。（3）結(jié)晶對熱及其它方面的影響 a、結(jié)晶有利于提高制品的耐熱性，結(jié)晶度提高，耐熱性提高。b、結(jié)晶性聚合物，分子鏈排列規(guī)整、緊密，與無定形聚合物相比，能更好地阻擋各種試劑的滲入，所以結(jié)晶度提高，耐溶劑性提高。c、結(jié)晶度提高，產(chǎn)品收縮率增加。3.聚合物取向?qū)χ萍阅艿挠绊懹心男看穑毫W(xué)性能 單軸取向：取向方向上制品的拉伸屈服強(qiáng)度，模量，壓縮屈服強(qiáng)度，非晶聚合物斷裂伸長率，結(jié)晶聚合物斷裂伸長率；非取向方向上性能變化和上述相反。 雙軸取向：兩個取向方向上制品的模量、抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長率，但取向度小的取向方向上的性能變化程度低于另一個方向上的。4.成型加工過程中如何避免聚合物的降解？答：(1)嚴(yán)格控制原材料技術(shù)指標(biāo)，使用合格原材料；(2)使用前對聚合物進(jìn)行嚴(yán)格干燥；(3)確定合理的加工工藝和加工條件，使聚合物能在不易產(chǎn)生降解的條件下加工成型；(4)加工設(shè)備和模具應(yīng)有良好的結(jié)構(gòu)；(5)在配方中考慮使用抗氧劑、穩(wěn)定劑等以加強(qiáng)聚合物對降解的抵抗能力。第五章1、塑料制品中有哪些原材料和添加劑？其各自的作用？ 答：（1）原材料：聚合物或樹脂。添加劑：增塑劑、防老劑、填料、潤滑劑、著色劑、固化劑（2）作用增塑劑作用：降低塑料的軟化溫度范圍、提高其加工性、柔韌性或延展性 防老劑作用： （1）抑制聚合物的降解作用：穩(wěn)定劑去除聚合物中原有的和新形成的活性中心，以抑制聚合物繼續(xù)降解。 （2）抑制聚合物的氧化作用：抗氧劑能代替易受氧化分解的聚合物與氧反應(yīng)，防止或推遲氧對聚合物的影響，抑制聚合物的氧化。 填料作用： 降低成本，減少聚合物消耗； 提高制品性能。 潤滑劑作用：是減少分子之間、聚合物粒子之間、樹脂和填料之間的摩擦，以及熔體和設(shè)備、制品和模具之間的摩擦，以改善加工流動和脫模性。 著色劑作用：使制品獲得鮮艷的色彩，增進(jìn)美觀。固化劑作用：使樹脂完成或加快交聯(lián)反應(yīng)的物質(zhì)。2、一般如何區(qū)分混合、捏合、塑煉這三種混合過程？答：三個基本概念：混合：指粉狀固體物的混合。捏和：是指液體和粉狀（纖維狀）固體物料的浸漬與混合。塑煉：指塑性物料與液體或固體物料的混合?；旌虾湍蠛褪窃诘陀诰酆衔锏牧鲃訙囟群洼^緩和的剪切速率下進(jìn)行的，混合后的物料各組分本質(zhì)基本上沒有什么變化，而塑煉是在高于流動溫度和較強(qiáng)的剪切速率下進(jìn)行的，塑煉后的物料中各組分在化學(xué)性質(zhì)（分子量、交聯(lián)）或物理性質(zhì)上（粒度）會有所改變。3.分別指出理想的增塑劑和防老劑所具有的性質(zhì)。1、 理想增塑劑：增塑劑和聚合物有良好的相容性 2、塑化效率高 3、低揮發(fā)性 4、耐寒性好 5、耐老化性好 6、耐久性好 7、電結(jié)緣性好 8、具有難燃性能 9、要求盡可能是無色、無臭、 無味、無毒 10、耐霉菌性好 11、配置增塑劑糊的黏度穩(wěn)定性好 12、良好耐化學(xué)藥品和耐污染性好 13、價格低廉2、 理想防老劑：防老效果高 無著色性和污染性 對硫化無影響 揮發(fā)性小 分散性好、無水解性 無毒、無臭 第六章作業(yè)11.簡述單螺桿擠出機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，機(jī)頭和口模的組成部件?；窘Y(jié)構(gòu)主要包括：傳動裝置、加料裝置、料筒、螺桿、機(jī)頭與口模。 螺桿的主要參數(shù)：直徑、長徑比、壓縮比、螺距螺槽深度、螺旋角、桿筒間隙 機(jī)頭與口模： 主要組成：濾網(wǎng)、多孔板、分流器、模芯、口模和機(jī)頸等。2.分析擠出機(jī)主要螺桿參數(shù)對加工過程的影響。(1)直徑（D） D，加工能力。擠出機(jī)生產(chǎn)率D2，D通常為30200mm；(2)長徑比（L/D） （螺桿工作部分有效長度/直徑）：L/D，改善物料溫度分布，有利于混合及塑化，生產(chǎn)能力；但L/D過大，物料可能發(fā)生熱降解，螺桿也可能因自重而彎曲，功耗增大；L過小則塑化不良。 L/D通常為1825；(3)壓縮比A（螺桿加料段第一個螺槽與均化段最后一個螺槽的容積比）： 壓縮比，塑料受到的擠壓作用；A通常為25；(4) 螺旋角（螺紋與螺桿軸線的垂直面的夾角）：，生產(chǎn)能力，對塑料的剪切作用和擠壓力。通常=10 30o。 若用等距螺桿，螺距=直徑，則=17o41。(5) 螺槽深度（h）： h，剪切速率，傳熱效率，混合及塑化效率，生產(chǎn)率。 螺槽深度與物料的穩(wěn)定性有關(guān)。對剪切比較敏感的塑料如PE，PA適合選擇較淺的螺槽，對剪切速率不太敏感的塑料如PVC，PC等，應(yīng)選擇較深螺槽。3.根據(jù)物料的變化特征可將螺桿分為幾個階段，它們各自的作用是什么？答：根據(jù)物料在螺桿中的變化特征將螺桿分為三個部分：加料段（）、壓縮段（）、均化段（）（1） 加料段的作用：將料斗供給的料送往壓縮段，塑料在移動過程中一般保持固體狀態(tài)，由于受熱而部分熔化。（2） 壓縮段(遷移段)的作用：是壓實(shí)物料，使物料由固體轉(zhuǎn)化為熔融體，并排除物科中的空氣。（3） 均化段(計量段)的作用：是將熔融物料，定容(定量)定壓地送入機(jī)頭使其在口模中成型。均化段的螺槽容積與加料一樣恒定不變。4.比較注塑螺桿和擠出螺桿在結(jié)構(gòu)上的主要差別。答：注塑螺桿和擠出螺桿在結(jié)構(gòu)上的主要差別：（1）注塑螺桿長徑比比擠出螺桿??；（2）注塑螺桿均化段螺槽深度比擠出螺桿深；（3）注塑螺桿壓縮比比擠出螺桿?。唬?）注塑螺桿加料段長度比擠出螺桿長，而均化段長度比擠出螺桿短；（5）擠出螺桿多為圓頭或錐頭，而注塑螺桿多為尖頭并帶有特殊結(jié)構(gòu)。（6）注塑螺桿只起預(yù)塑化和注射作用，對塑化能力、壓力穩(wěn)定性以及操作連續(xù)性和穩(wěn)定性沒有擠出螺桿要求高。5.分析注射壓力和速度對加工性能和制品性能的影響。（1）注射壓力：注射P 充模速度，充模順利，性能，但內(nèi)應(yīng)力。（2）注射速度： 慢速注射 順利排出空氣。 速度過慢，產(chǎn)生熔接痕。 低溫流動和較高的剪切應(yīng)力產(chǎn)生流動取向， 影響制品強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。 快速充模 內(nèi)應(yīng)力小，制品的熔接強(qiáng)度高。 充模過快，產(chǎn)生湍流、噴射，材料燒傷及分解，使制品質(zhì)量不均勻，表面常有裂紋。作業(yè)21.壓延成型的原理是什么？答：將模塑料在已加熱到指定溫度的模具中，然后閉合模具加壓加熱，使物料熔融流動并均勻地充滿模腔，在加熱加壓下經(jīng)過一定時間，使其發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)而變成具有三維體型結(jié)構(gòu)的熱固性塑料制品。2.什么是壓延效應(yīng)？答：物料在壓延過程中，在通過壓延輥筒間隙時受剪切力作用，大分子作定向排列，以致制品物理力學(xué)性能會出現(xiàn)縱、橫方向差異的現(xiàn)象，即沿片材縱向(沿著壓延方向)的拉伸強(qiáng)度大、伸長率小、收縮率大；而沿片材橫向(垂直于壓延方向)的拉伸強(qiáng)度小、伸長率大、收縮率小。這種縱橫方向性能差異的現(xiàn)象就叫做壓延效應(yīng)。（壓延效應(yīng)產(chǎn)生的原因及消除方法 產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是由于高分子鏈及針狀或片狀的填料粒子，經(jīng)壓延后產(chǎn)生了取向排列。 壓延效應(yīng)消除的方法是提高溫度、降低壓延速度 。）第七章1.分析一次成型和二次成型的異同。一次成型：通過加熱使塑料處于粘流態(tài)的條件下，經(jīng)過流動、成型和冷卻硬化(或交聯(lián)固化)，而將塑料制成各種形狀的產(chǎn)品的方法。