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高分子材料加工工艺第一章绪论1.材料的四要素是什么？相互关系如何？答：材料的四要素是：材料的制备(加工)、材料的结构、材料的性能和材料的使用性能。这四个要素是相互关联、相互制约的，可以认为：1)材料的性质与现象是新材料创造、发展及生产过程中，人们最关注的中心问题。2)材料的结构与成分决定了它的性质和使用性能，也影响着它的加工性能。而为了实现某种性质和使用性能，又提出了材料结构与成分的可设计性。3)材料的结构与成分受材料合成和加工所制约。4)为完成某一特定的使用目的制造的材料(制品)，必须是最经济的，且符合社会的规范和具有可持续发展件。在材料的制备(加工)方法上，在材料的结构与性能关系的研究上，在材料的使用上，各种材料都是相互借鉴、相互渗透、相互补充的。2.什么是工程塑料？区分“通用塑料”和“工程塑料”，“热塑性塑料”和“热固性塑料”。答：按用途和性能分，又可将塑料分为通用塑料和工程塑料。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℃的、刚性好、蠕变小、自润滑、电绝缘、耐腐蚀性优良等的、可替代金属用作结构件的塑料。但这种分类并不十分严格，随着通用塑料工程化(亦称优质化)技术的进展，通过改性或合金化的通用塑料，已可在某些应用领域替代工程塑料。热塑性塑料一般是线型高分子，在溶剂可溶，受热软化、熔融、可塑制成一定形状，冷却后固化定型；当再次受热，仍可软化、熔融，反复多次加工。例如：PE、PP、PVC、ABS、PMMA、PA、PC、POM、PET、PBT。热固性塑料一般由线型分子变为体型分子，在溶剂中不能溶解，未成型前受热软化、熔融，可塑制成一定形状，在热或固化剂作用下，一次硬化成型；一当成型后，再次受热不熔融，达到一定温度分解破坏，不能反复加工。如PF（酚醛树脂）、UF（脲醛树脂）、MF（三聚氰胺甲醛树脂）、EP（环氧树脂）、UP（不饱和树脂）等。3.与其它材料相比，高分子材料具有那些特征（以塑料为例）？答：与其他材料相比，高分子材料有以下特性(以塑料为例)。(1)质轻。通常密度在900-2300kg/m3之间。当制成泡沫塑料时，其密度更低，在10-50kg/m3之间。(2)拉伸强度和拉伸模量较低，韧性较优良。而塑料，尤其是纤维增强的比强度（强度与密度之比）接近或超过金属材料。(3)传热系数小(约为金属的1/100-1/1000)，可用作优良的绝热材料。泡沫塑料的绝热性能更为优良，被广泛用于冷藏、建筑、节能及其他绝热工程上。(4)电气绝缘性优良。体积电阻率在10131018Ωcm，介电常数一般小于2，介电损耗小于l0-4，常用作电气绝缘材料。缺点是易产生并积累静电。(5)成型加工性优良。适应各种成型方法，多数情况下可以一次成型，毋须经过车、铣、刨等加工工序。必要时也可进行二次加工，但难于制得高精度的制品，且成型条件对制品物理性能的影响较大。(6)减震、消音性能良好。可作减震、消音材料。(7)某些塑料具有优良的减磨、耐磨和自润滑性能。但由于其导热性较差、线膨胀系数大，采取有效的散热措施，防止摩擦过程中热量积聚十分必要。(8)耐腐蚀性能优良。有较好的化学稳定性，对酸、碱、盐溶液、蒸汽、水、有机溶剂等的稳定性能也较好(因品种而异)，优于金属材料。(9)透光性良好可作透明或半透明材料。(10)着色性良好。可制成色彩鲜艳的制品。(11)可赋予各种特殊的功能如透气性、难燃性、粘结性、离子交换性、生物降解性以及光、热、电、磁等各种特殊性能。(12)使用过程中易产生蠕变、疲劳、冷流、结晶等现象，长期使用性能较差。(13)热膨胀系数大。一般为10-4/K；而金属和玻璃、陶瓷分别为10-5/K和10-6/K。当与金属、陶瓷等复合时，必须充分考成两者热膨胀系数的差异。(14)耐热性（熔点、玻璃化转变温度）较低，使用温度不高。(15)易燃烧。燃烧时会产生大量黑烟和有毒气体。4.获取高分子的手段有那些？答：高分子化合物的制造：获取高分子化合物的方法大致可分为三种；聚合反应、利用高分子反向和复合化。a)聚合反应。利用聚合反应是制造高分子化合物的主要手段。迄今为止，聚合技术已进入成熟期，今后主要的任务是催化剂的改进(如茂金属催化剂等)和更节约成本的聚合方法(如本体聚合、气相聚合等)的进一步推广。b)高分子反应。利用高分子化合物的化学反应性使之改性亦是一种获取预期性能高分子化合物的方法，今后的工作是功能性高分子的开发。c)复合化。复合化是制造高分子化合物的又一种方法。近年来有了显著的发展，特别是采用接枝反应、相容剂等制备的高分子合金，可以获得均聚物无法具备的性能，并能赋予功能性；高分子化合物/无机物填充中偶联剂的使用改善了两组分间界面的亲和能力，提高了材料的力学性能。此两种技术正处于成长期，对于后者，如何使填充剂聚集体分散成初级粒子，并均匀分散在聚合物中是—个重要的课题。而超细颗粒的填充将有可能带来材料性能突破性的发现，引发材料革命，其关键是分散问题。5.高分子成型加工的定义。答：通常是使固体状态(粉状或粒状)、糊状或溶液状态的高分子化合物熔融或变形，经过模具形成所需的形状，并保持其已经取得的形状，最终得到制品的工艺过程。6.简单阐述高分子材料热-机械特征及成型加工的关系。答：三种物理状态：玻璃态：Tg；高弹态：TgTf(Tm)；粘流态：Tf(Tm)在Tg以下，高分子材料处于普弹性状态(亦称玻璃态)，为坚硬的固体。受外力作用形变(普弹形变)很小，一旦外力消失，形变可以立即恢复。在Tg以上，高分子材料处于高弹态(亦称橡胶态)，与普弹态相比，只要较小的外力就可使其发生较大的形变(高弹形变)。但这种形变是可逆的。当达到Tf(Tm)时，高分子材料处于粘流态(亦称流动态)，此时，只要不太大的外力就可使其发生形变，而且这种形变是不可逆的，外力除去后，仍将继续保持，无法自发恢复。达到Td，则高分子材料开始分解。7.了解高分子材料的研究设计方法。答：----高分子材料制备（配料、混合、粒化、粉化）----成型工艺（塑化，一次，二次成型）----制品（定型，后加工）8.高分子成型加工过程中可能发生那些物理和化学变化。答：第二章高分子材料学1、高分子链结构中有利于结晶的因素有那些？答：高分子化合物的链结构指链的对称性，取代基类型、数量与对称性，链的规整性，柔韧性，分子间作用力等。有利于结晶性的因素有：1)链结构简单。重复结构单元较小，相对分子质量适中；2)主链上不带或只带极少的支链；3)主链化学对称性好，取代基不大且对称；4)规整性好；5)高分子链的刚柔性及分子间作用力适中。2、为什么聚合物的结晶温度范围是TgTm？答：当温度低于Tg时，大分子链段运动被冻结，不能发生分子重排和形成结晶结构；而当温度高于Tm时，由于大分子的热运动自由能大于内能，难以形成有序结构，因此，聚合物的结晶温度范围为TgTm。3、影响结晶的主要成型条件是什么，影响如何？答：(1)熔融温度和熔融时间：熔体中残存的晶核数量和大小与成型温度有关，也影响结晶速度。成型温度越高，即熔融温度高，如熔融时间长，则残存的晶核少，熔体冷却时主要以均相成核形成晶核，故结晶速度慢，结晶尺寸较大；反之，如熔融温度低，熔融时间短，则残存晶核，熔体冷却时会起到异相成核作用，结晶速度快，结晶尺寸小而均匀，有利于提高机械性能和热变形温度。所以：T高（低）t长（短）结晶速度慢（快）(2)成型压力。成型压力增加，应力和应变增加，结晶度随之增加，晶体结构、形态、结晶大小等也发生变化。应力有利于成核：应力大分子取向诱发成核低压：生成大而完整的球晶；高压：生成小而形状不很完整的球晶(3)冷却速度。成型时的冷却速度(从Tm降低到了Tg以下温度的速度，主要看冷却介质的Tc)影响制品能否结晶、结晶速度、结晶度、结晶形态和大小等。Tc=Tmax，缓冷，结晶度提高，球晶大；TcTg，骤冷，大分子来不及重排，晶粒少，易产生应力；TcTg，中速冷，有利晶核生成和晶体张大，性能好。冷却速度越快，结晶度越小。通常，采用中等的冷却速度，冷却温度选择在Tg一最大结晶速度的温度Tmax之间。因此，应按所需制品的特性，选择合适的成型工艺，控制不同的结晶度。4、何谓聚合物的二次结晶和后结晶？答：二次结晶：是指一次结晶后，在残留的非晶区和结晶不完整的部分区域内晶并逐步完善的过程。这个过程相当缓慢，有时可达几年，甚至几十年。后结晶：是指一部分来不及结晶的区域，在成型后继续结晶的过程，存这一过程中，不形成新的结晶区域，而在球晶界面上使晶体进一步长大，是初结晶的继续。两者均对性能不利，可通过热处理，加速这两个过程的解决，但不彻底。5、聚合物在成型过程中为什么会发生取向？成型时的取向产生的原因及形式有哪几种？答：在成型加工时，受到剪切和拉伸力的影响，高分子化合物的分子链将发生取向，依受力情况，取向作用可分为两类。流动取向系指在熔融成型或浓溶液成型中，高分子化合物的分子链、链段或其他添加剂，沿剪切流动的运动方向排列。拉伸取向系指高分子化合物的分子链、链段或微晶等受拉伸力的作用沿受力方向排列。仅受一个方向作用力引起的拉伸取向为单轴拉仲取向(单向拉伸)；同时受两个相互垂直方向的作用力引起的拉伸作用称双轴拉伸取向(双向拉伸)。6、要使聚合物在加工中通过拉伸获得取向结构，应在该聚合物的什么温度下拉伸？答：粘流拉伸：条件是TTf,因为温度很高，解取向很快，所以有效取向度低；又因为温度高，粘度低，易造成液流中断。所以，此范围内，拉伸要恒定，不停顿。此种拉伸主要存在于纺丝。塑性拉伸：条件是TgTTf,温度接近Tf,拉伸应力大于屈服应力，在高弹态，大分子作为独立结构单元发生解缠和滑移。主要存在于真空成型和热成型。高弹拉伸：条件是TgTTf,温度接近Tg，拉伸应力小于屈服应力，取向为链段形变和位移，故取向程度低，又因为温度低，解取向少，所以有效取向程度大。主要存在于成型加工后处理。7、分析并讨论影响热塑性塑料成型加工中熔体粘度的内部和外部因素。答：聚合物内在因素对熔体粘度的影响：链结构、极性：分子间力大，极性大，含有支链结构，粘度大。分子量：分布宽，粘度小。组成：加入添加剂，分子间作用力降低，粘度降低。影响熔体粘度的外界因素有以下几个：(1)温度。温度升高，可使高分子链热运动和分子间的间距增加，从而使熔体粘度下降。(2)压力。高分子化合物成型时的压力一般在10300MPa，熔体粘度对压力也有敏感性。采用提高成型压力提高熔体流量的办法，效果是有限的。压力提高，高分子化合物自由体积减少，分子链间的距离缩小，分子间作用力增大，熔体粘度增高，有时可增大10倍以上。(3)剪切速率。高分子化合物熔体属假塑性流体，因此，随剪切应力或剪切速率增加熔体粘度下降，即所谓剪切变稀。8、什么是高分子合金，合金化对性能有何改善？常用的合金化技术有那些？答：高分子合金是指塑料与塑料或橡胶经物理共混合化学改性后，形成的宏观上均相、微观上分相的一类材料。两种材料进行共混时，可以形成宏观上分相型高分子共混物(其分散相的粒径1m)、微观分相型高分子共混物(其分散相的粒径在0.1~1m之间)和完全相容型高分子共混物。高分子合金即指后两者。经过合金化，原来单一高分子化合物性能上的某些欠缺可以相互弥补，表现出均衡的综合性能，或可以使某些性能，如物理机械性能，尤其是冲击韧性、加工件能等得到较大的改善，也可赋予材料某些特殊的功能性。常用的合金化技术有以下几种。1)简单共混技术。对完全相容型体系有效；对不相容体系得不到理想的性能，效果很差。2)接枝共聚技术。HIPS、ABS即属于此类。超韧性尼龙中顺酐化EPDM与尼龙的端氨基反应生成的起相容剂作用的接技物，也属此类。3)多层乳液技术。乳液聚合中，通过聚合条件、单体加料程序的控制，可形成核、壳结构不同的多层乳胶微粒，如用于PVC改性的MBS、ACR等即属此类。4)相容剂技术。用此法制得具有稳定做观分相型结构、性能优良的高分子合金。已较广泛的应用。5)互穿聚合物网络技术(IPN)。是指形成部分聚合物网络交织、缠结，部分形