加工原理重点全部.docx
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加工原理重点全部
1.溶剂选择的原则
(1)聚合物和溶剂的极性相近规律
相似相溶:
聚合物和溶剂的极性越接近,越容易互溶。
例外:
刚性较大的极性聚合物大分子间的作用力较强,其溶解性能较差。
(2)溶度参数理论
对非极性混合体系(若无氢键形成,不发生体积变化),Hildebrand导出混合热焓计算式:
内聚能密度的平方根定义为溶解度参数(Solubilityparameter)用δ来表示,δ的量纲是(kal/cm3)1/2,或者是(J/m3)1/2,注意要与△E和V的量纲匹配。
Hildebrand公式也可以写成:
V是溶液的总体积,φ是体积分数,1、2分别表示溶剂和溶质。
因此只要当聚合物与溶剂的溶解度参数相差足够小时,才能溶解。
2.混合的三种基本运动形式:
分子扩散、涡旋扩散、体积扩散。
3.三种非牛顿流体(名称、画图、方程)
n=1时,粘度η与剪切速率无关,聚合物流体是牛顿型。
n<1时,表观粘度ηa随剪切速率增大而减小,聚合物流是切力变稀流体,也叫假塑性流体,绝大多数聚合物属于这类。
n>1时,表观粘度ηa随剪切速率增大而增大,聚合物流是切力增稠流体,也叫胀流性流体。
少数聚合物和一些固含量高的聚合物分散体系属于这类。
n=1,且切应力σ≥σcr时,这类流体为宾汉塑性体。
4.聚合物流体弹性的表现
(1)韦森堡效应(Weissenberg效应、爬杆效应、包轴效应)
定义:
高聚物流体在各种旋转粘度计中或容器中进行搅拌时,由于受到旋转剪切作用,高聚物流体会沿内筒壁或轴而上升,发生包轴或爬杆,这种现象叫做“韦森堡效应”。
(2)巴拉斯效应(Balus效应、挤出物胀大效应、离模膨胀效应、弹性记忆效应)
定义:
高聚物流体从小孔、毛细管或狭缝中挤出时,挤出物的直径或厚度会明显大于模口的尺寸,这种现象叫做“巴拉斯效应”。
(3)不稳定流动和熔体破裂现象
定义:
高聚物熔体在挤出时,如果切变速率超过某一极限值,从模口出来的挤出物不再是平滑的,而会出现表面粗糙、起伏不平、螺旋波纹、挤出物扭曲甚至为碎状物,叫做“不稳定流动和熔体破裂现象”。
(4)剩余压力现象
定义:
聚合物流体沿孔道流动时,测定沿流向各点处的压力,用外推法求出的孔口处的表压不为零,存在剩余压力降ΔPexit,这个现象叫做剩余压力现象。
(5)孔道的虚构长度
定义:
聚合物流体流经孔道时,由于存在剩余压力降,故孔道的真实长度应在理论值的基础上再增加一段虚构的长度,这叫做孔道的虚构长度。
5.造成不稳定流动的原因及防止措施
原因:
对于小分子物,切变速率较大时,将会发生湍流(滑移和弹性回复)。
对于高分子物,由于粘度较大,切变速率较大时,弹性形变增大;当弹性形变的储能达到或超过克服粘滞阻力的流动能量时,导致不稳定流动。
防止措施:
6.名词解释
(1)线密度:
指纤维单位长度的重量,表示纤维的粗细程度。
(2)纺程:
从喷丝孔x=0到卷绕点xL之间的距离。
(3)冷却长度Lk:
从喷丝孔x=0到固化点xe之间的距离。
(4)差别化纤维:
差别化纤维是指不同于常规品种的化学纤维,即经过化学改性、物理变形和特殊工艺加工而得到的具有某些特性的化学纤维。
(5)异形纤维:
经一定的几何形状(非圆形)喷丝孔纺制的具有特殊横截面形状的化学纤维。
(6)共混纤维:
两种或多种聚合物混合后纺成的纤维。
也称“双成分纤维”或“多成分纤维”。
(7)复合纤维:
截面具有两种或两种以上不同化学组分的纤维。
如为两种不同组分者称为双组分纤维。
(8)动力学结晶能力G:
是指聚合物熔体从熔点Tm以单位冷却速率降低到玻璃化温度Tg时,所得到的相对结晶度。
(9)熔体纺丝:
高聚物的熔点低于其分解温度的,采用熔体纺丝法。
(10)溶液纺丝:
湿法纺丝:
化学纤维主要纺丝方法之一。
湿纺包括的工序是:
制备纺丝原液、将原液从喷丝孔压出形成细流、原液细流凝固成初生纤维、初生纤维卷装或直接进行后处理。
干法纺丝:
化学纤维主要纺丝方法之一。
干纺时从喷丝头毛细孔中压出的纺丝液细流进入纺丝甬道中。
通过甬道中热空气流的作用,使原液细流中的溶剂快速挥发,挥发出来的溶剂蒸汽被热空气流带走。
原液在逐渐脱去溶剂的同时发生固化,并在卷绕张力的作用下伸长变细而形成初生纤维。
2、细流断裂的类型(熔纺、湿纺)
细流断裂的类型:
内聚破坏和毛细破坏
熔融纺丝,粘度较高,容易发生毛细破坏;
湿法纺丝,粘度较低,容易发生内聚破坏。
3、挤出细流的类型(4种)
液滴型、漫流型、胀大型、破裂型
4、纺丝线上三个区域(画图)
区:
胀大区;
区:
形变区;
区:
等速区
5、纺丝过程丝条受力分析
在纺丝过程中,受到6个力,即重力Fg、表面张力Fs、摩擦阻力Ff、惯性力Fi、流变阻力Fr(0)和流变力Fr(x)。
离开喷丝头距离X处的力平衡方程式:
Fr(x)=Fr(0)+Fs+Ff+Fi-Fg
在卷绕筒管(x=L)处:
Fext=Fr(L)=Fr(0)+Fs+Ff+Fi-Fg
6、冷吹风方式、位置、上下移动条件
横吹风
窗口的位置在νy/νx>0.125的区域
吹风窗口以上,风速控制传热系数;窗口以下,丝条本身速度控制传热系数
7、湿法纺丝丝条形态、结构。
3种
(1)横截面形状
(2)皮芯结构(3)空隙
8、湿法纺丝皮芯层结构与性能的差别
A、皮芯层结构的差异
与芯层相比,皮层结构具有这些特点:
取向度高;晶粒较小;结构较均匀。
而芯层结构较为松散、微晶较粗大。
B、皮芯层性能的差异
与芯层相比,皮层具有的主要特性为:
a、在水中的膨润度较低(取决于非晶区);
b、吸湿性较高(取决于比表面积的大小);
c、密度低(取决于结晶度);
d、断裂强度高,断裂伸长率高,疲劳强度大,耐磨性好(取决于取向度和结构均匀性)。
9、初生纤维的拉伸应力-应变曲线(a、b、c图)
(1)a型(上凸型)
(2)b型(下凹型)
(3)c型(先凸后凹型)
10、拉伸过程取向、结晶
(1)取向的变化
1、取向单元
取向单元既有分子取向(分为分子链和链段),又有结晶取向。
2、取向的变化规律
a、随着拉伸的进行,取向f是不断增加的,而晶区的取向度是不断增加的,而晶区的取向度fc是很快增加的,一般在2~4倍达到饱和;
b、非晶区的取向度fa发展落后于晶区的取向度fc,但随着拉伸倍数R的一直增加,没有达到饱和值,并且永远不会达到饱和值。
c、一般来说,在同一拉伸线上,晶区的取向度fc大于非晶区的取向度fa。
随着拉伸过程的进行,强度是逐渐增加的,这是由于非晶区取向度fa增加的原因。
(2)结晶的变化
a、拉伸过程中,相态结构基本不变
例如:
PS和PMMA的结晶度不发生变化。
b、拉伸过程中,结晶进一步生长,完整性和结晶度增加。
例如:
PET为取向结晶。
c、拉伸过程中,原有结构发生部分破坏,结晶重新形成,结晶度有所增加或降低。
例如:
聚烯烃PP、PE。
11.拉伸-热定型中形变时曲线图(三种热定型)
热定型中分子松弛机理:
在较高温度下或经长时间的热处理以后,剩余形变接近于恒定的塑性形变,纤维收缩变粗,且由于高弹形变松弛回复,内应力消除。
12.热定型中,
(1)结晶结构的变化
松弛热定型,结晶度↑;T↑,结晶度↑
紧张热定型,结晶度不变或增加较慢
(2)取向结构的变化
松弛热定型,取向度↓;T↑,取向度↓
定长热定型,取向度不变
定张力热定型,取向度↑
1.热塑性塑料:
可以塑化或软化,冷却时凝固成形,温度变化可令其反复变形。
高分子链结构通常是线型或支化度较低,粘流温度低于其热分解温度。
热固性塑料:
受热塑化和软化,发生化学交联并固化成型,冷却时再次受热不再塑化变形。
熔融指数(MI):
热塑性塑料在一定温度和压力下,熔体在10分钟通过测试孔所流出的塑料重量。
挤出成型:
也叫做“挤塑成型”或“挤压模塑”或“口模成型”,指借助于螺杆或柱塞的挤压作用,使受热熔化的塑料在压力的推动下,强行通过口模,成为具有恒定截面的连续型材制品的一种成型方法
应用:
▲挤出成型几乎能适用于所有的热塑性塑料,也可用于某些热固性塑料;
▲有管材、板材、片材、棒材、线缆包覆物等,占塑料制品的40~50%;
▲挤出机还可用于塑料的塑化、造粒、着色和共混等。
特点:
生产过程是连续的,因而其产品也是连续的;
生产效率高、应用范围广。
注射成型:
也叫做“注塑成型”或“注射模塑”,是指将粒状塑料在成型机的料筒内加热熔化,当呈流动状态时,在柱塞或螺杆的挤压作用下,熔融物料被压缩并向前移动,进而通过喷嘴,以很快速度注入温度较低的闭合模具内,经过一定时间冷却定型后,开启模具,即得制品的一种成型方法。
应用:
▲注射成型是热塑性塑料的一种重要成型方法。
▲除氟塑料外,几乎所有的热塑性塑料都可用此方法成型,占塑料制品的20~30%,工程塑料中的80%采用注射成型。
▲除了很长的管材、板材、棒材等外,其它形状和尺寸的塑料制品,基本上都可以采用注射成型的方法生产。
特点:
生产周期快,适应性强,生产效率高。
把一个注射成型过程称之为一个工作循环周期,该循环周期从合模算起,依次为注射、保压、螺杆预塑化和制品冷却、开模、顶出制品、再合模。
模压成型:
也叫“压缩模塑”,是指将粉状、粒状、碎屑状或者纤维状的塑料放入到加热的阴模模糟中,合上阳模后加热使其熔化,并在压力作用下使物料充满模腔,再经加热(使热固性树脂发生交联而固化)或冷却(热塑性塑料冷却固化),脱模后即得制品。
应用:
▲模压成型主要用于热固性塑料制品的生产。
对于热塑性塑料由于模压成型的周期长,生产率较低(模具交替加热和冷却,生产周期长),同时易损坏模具,故生产中很少采用。
▲用模压法加工的塑料主要有:
酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂、有机硅、硬聚氯乙烯、聚三氟氯乙烯、氯乙烯与醋酸乙烯共聚物、聚酰亚胺等。
特点:
模压成型与注射成型相比,生产过程控制、使用的设备和模具较简单,较易成型大型制品。
缺点是生产周期长,效率低,尺寸准确性低。
热成型:
是利用热塑性塑料的片材作为原料来制造塑料制品的一种方法;首先将裁成一定尺寸和形式的片材,夹在模具的框架上,让其在Tg至Tf之间的适宜温度加热软化,片材一边受热一边延伸,而后凭借施加的压力,使其紧贴模具的型面,取得于型面相仿的形样,经冷却定型和休整后即得制品。
与注射成型相比热成型具有:
优点:
生产效率高、方法简单、设备投资少、能够制造表面较大的制品。
缺点:
原料成本高,制品厚加工工序多。
特点:
制品壁厚不大,片材一般是1~3mm,制品的厚度总比这一数值小。
但制品的表面积可以很大,而且都属于半壳形(内凹外凸)的,其深度有一定限制;
制品的种类繁多,日用器皿,电子仪器仪表外壳,玩具,雷达罩,飞机罩,立体地图,人体头像模型等。
目前工业上用于热成型的塑料有:
聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚乙烯、ABS等多种热塑性共聚物等。
用浇铸、压延、挤出等方法制造的片材为原料。
2.螺杆挤出机结构:
单螺杆挤出机由一根阿基米德螺杆在加热的料筒中旋转构成的。
大小一般用螺杆直径来表示。
基本结构包括传动装置、加料装置、机筒、螺杆、机头和口模等五个部分
螺杆直径(D)
根据所制制品的形状、大小及需要的生产率来决定的。
一般45~150mm,螺杆直径增大,加工能力提高,挤出机的生产率与螺杆直径D的平方成正比。
螺杆:
通过螺杆的转动,对塑料产生挤压作用,塑料在料筒中才能产生移动、增压和从摩擦取得部分热量,塑料在移动过程中得到混合和塑化,粘流态的熔体在被压实而流经口模时,取得所需形状而成型。
螺杆三段:
①加(送)料段将料斗供给的料送往压缩段。
塑料在移动过程中,一般保持固体状态,由于受热而部分熔化。
②压缩段(迁移段、过渡段)压实物料,使物料由固体转为熔融体,并排除物料中的空气。
③均化段(计量段)将熔融的物料,定容(定量)定压地送入机头
使其在口模中成型。
1.如何提高固体输送率?
为了增大输送量,可以采取以下措施:
螺杆直径不变时,增大螺槽宽度
减小聚合物与螺杆的摩擦系数fs
增大聚合物与料筒的摩擦系数fb
从工艺角度上考虑送料段料筒和螺杆的温度
2.熔融塑化过程均化段的流动形式:
(1)正流
也是“拖曳流动”,是沿着螺槽向机头方向的流动,是螺杆旋转时螺纹斜棱的推动力在螺槽z轴方向作用的结果。
体积流量,用QD表示。
(2)逆流
也是“压力流动”,流动方向与正流相反,是由机头、口模、过滤网等对塑料反压所引起的结果。
逆流的体积流量,用QP表示。
(3)漏流
是在反压作用下,从螺杆与机筒的间隙δ沿着螺杆轴向料斗方向的流动。
一般情况下,由于δ很小漏流比正流和逆流小得多。
漏流的体积流量,用QL表示。
(4)横流
是指沿x轴方向的流动。
在螺杆中,横流形成一种环流,对总的生产率影响不大,但对塑料的混合、热交换和塑化影响很大。
横流的体积流量,用QT表示。
3.注射成型中螺杆温度、模具温度的设置:
螺杆温度
模具温度的确定
(1)模具温度通常低于Tg或不易引起制件变形的温度,脱模温度稍高于模温。
(2)粘度大(如聚碳酸酯、聚砜)宜选择高模温。
粘度小(如PE、PA)宜选择低模温。
(3)考虑对分子取向、结晶、制品内应力和各种物理机械性能的影响。
模温低,取向作用大,内应力高,不利于结晶;模温高,利于结晶。
4.注塑机螺杆与挤出机螺杆的区别
注射机螺杆结构特点:
(1)有轴向位移,有效长度是变化的;
(2)长径比和压缩比较小;(3)螺槽较深,以提高生产率;(4)加料段较长;(5)螺杆头部:
粘度大的塑料常用锥形尖头;粘度低的塑料常安装止逆环。
与挤出机螺杆相比,其长径比(L/D≈10--15)和压缩比(ε≈2—2.5)较小;注塑螺杆的均化段长度较短,螺槽较深(约深15%--25%),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;同时螺杆头部大多呈尖头形,与喷嘴能很好地吻合,以防止物料残存在料筒端部而引起降解。
5.二次成型的粘弹性原理
(1)二次成型的Tg(或Tm)大小
塑料制品在室温下使用时,由于要求具有长期的因次(形状和几何尺寸)稳定性,故适用于二次成型的聚合物只能是那些Tg(或Tm)比室温高得多的聚合物
(2)二次成型的方法
a、将聚合物在Tg(或Tm)以上的温度下加热,然后在外力作用下,使之产生形变并成型为一定的形状;
b、形变完成后,将其放置于接近室温下冷却,使形变冻结并固定其形状,即定型。
结晶聚合物的二次成型:
形变过程是在接近熔点的温度下进行的,然后在冷却过程中产生结晶,从而达到定型的目的。
(3)二次成型的原理
二次成型加工,是利用聚合物松弛过程的温度依赖性,具体如下:
在适当的外力作用下,使聚合物在较高温度下能以较快的速度、在较短的时间内发生高弹形变而获得所需的形状;
然后,在低温下快速冷却,使高弹形变固定下来而得到形状一定的制品。
6.名词解释
门尼粘度:
未硫化胶料在一定温度(100℃)、压力(3×106~6×106Pa)和时间(4min)时的抗剪切能力。
门尼粘度越高,平均分子量越大,可塑性小。
门尼焦烧:
测定胶料在一定温度(120℃)、压力(3×106~6×106Pa)下开始硫化(即门尼粘度突然上升)的时间。
可塑度:
试样在外力作用下产生压缩形变大小和除去外力后保持形变的能力。
塑炼:
橡胶加工过程中,把高弹性生胶转变成可塑性胶料的工艺过程,叫塑练;经过塑炼而获得一定可塑性的胶料,叫做塑炼胶。
混炼:
通过机械剪切力和挤压的作用,使塑炼胶(生胶)与各种配合剂均匀混合而分散的过程,叫做混炼。
7.橡胶加工的基本步骤:
生胶塑炼→塑炼胶与配合剂混炼→加工成型(挤出、压延)→硫化
8.配合剂(4种):
(1)疏水性的配合剂,如各种炭黑,其表面特性与橡胶相同,容易被橡胶所润湿,具有好的混炼效果。
(2)亲水性的配合剂,如碳酸钙、陶土、氧化锌、锌钡白等,其表面特性与橡胶不同,不易被橡胶所润湿,因此为了获得良好的混炼效果,需要加入各种表面活性剂,用来改善无机填料与橡胶之间的界面状况。
(3)表面活性剂还起到稳定剂的作用,能稳定已分散的配合剂粒子在胶料中的分散状态,不致聚集成结团,从而提高胶料的稳定性。
(4)
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