塑料材料及加工工艺(习题+答案)

《塑料成型工艺及模具设计》1

学习与复习思考题

绪论

1．塑料的概念

塑料是一种以合成或天然的高分子化合物为主要成分，加入或不加入填料和添加剂等辅助成分，经加工而形成塑性的材料，或固化交联形成刚性的材料。

2．现代工业生产中的四大工业材料是什么。

钢铁、木材、高分子材料、无机盐材料

3．现代工业生产中的三大高分子材料是什么？

橡胶、塑料、化学纤维

塑料成型基础

聚合物的分子结构与热力学性能

1．树脂与塑料有什么区别

塑料的主要成分是树脂（高分子聚合物）。

2．高分子的化学结构组成。

高分子聚合物：由成千上万的原子，主要以共价键相连接起来的大分子组成的化合物。

3．聚合物分子链结构分为哪两大类，它们的性质有何不同。

线型聚合物——热塑性塑料

体型聚合物——热固性塑料

1.线型聚合物的物理特性：具有弹性和塑性，在适当的溶剂中可以溶解，当温度升高时则软化至熔化状态而流动，且这种特性在聚合物成型前、成型后都存在，因而可以反复成型。

2.体型聚合物的物理特性：脆性大、弹性较高和塑性很低，成型前是可溶和可熔的，而一经硬化(化学交联反应)，就成为不溶不熔的固体，即使在再高的温度下(甚至被烧焦碳化)也不会软化。

4．聚合物的聚集态结构分为哪两大类，它们的性质有何不同。

1无定形聚合物的结构：其分子排列是杂乱无章的、相互穿插交缠的。但在电子显微镜下观察，发现无定形聚合物的质点排列不是完全无序的，而是大距离范围内无序，小距离范围内有序，即“远程无序，近程有序”。2体型聚合物：由于分子链间存在大量交联，分子链难以作有序排列，所以绝大部分是无定形聚合物。5．无定性聚合物的三种物理状态，以及四个对应的温度，对我们在使用和成型塑料制品时有何指导意义。

三种物理状态

1.玻璃态：温度较低(低于θg温度)时，曲线基本上是水平的，变形程度小而且是可逆流的，但弹性模量较高，聚合物处于一种刚性状态，表现为玻璃态。物体受力变形符合虎克定律，应变与应力成正比。

2.高弹态：当温度上升(在θg至θf之间)时，曲线开始急剧变化，但又很快趋于水平，聚合物的体积膨胀，表现为柔软而富有弹性的高弹态。聚合物变形量很大，而弹性模量显著降低，如去除外力，变形量可以回复，弹性是可逆的。

3.粘流态：如果温度继续上升(高于θf）聚合物即产生粘性流动，成为粘流态。聚合物的变形是不可逆的。四个对应的温度

θb——脆化温度：当温度低于θb时，物理性能将发生变化，在很小的外力作用下就会发生断裂，使塑料失去其使用价值，它是塑料制件使用的下限温度。

θg——玻璃化温度：当温度高于θg时，塑料不能保持其尺寸的稳定性和使用性能，是塑料制件使用的上限温度。

从塑料制件的使用角度看，θb和θg间的范围越宽越好。

θf——粘流化温度：聚合物在温度高于θf时处于粘流态，粘流态也称熔融状态或熔体。

θf和θd这一温度范围用来进行注射、压缩、压注和挤出成型加工等。

θd——热分解温度：当温度升高到θd时，聚合物便开始分解，θd称为热分解温度。

6．常见的成型方式分别是在什么温度范围内进行的。（掌握热塑性塑料的：注射、挤出、气动）

θg—θf：气动成形工艺（中空吹塑、真空吸塑、压缩气体成形）；

θf和θd：注射、压缩、压注和挤出等成型工艺。

聚合物流变方程与分析

1、什么是层流，什么是湍流。层流和湍流的区分通常以什么参数为准。

1)层流：液体的流动是按许多彼此平行的流层进行的，同一层之间的各点的速度彼此相同。如果增大流动速度，使其超过一定的临界值，则流动即转为紊流（湍流）。

2)紊流(湍流)：液体各点速度的大小和方向都随时间而变化。

层流和紊流以液体的雷诺数Re区分，通常凡Re在2100-4000时均为层流，大于4000则为紊流（湍流）。由于注射成型时聚合物熔体的雷诺数一般都远远小于2100，故可将它们的流动形式视为液体层流。

2、什么是牛顿流动定律。牛顿流体具有什么性质。

理想的层流可看成是一层层相邻的薄层液体沿外力作用方向进行的滑移，各液层都具有平直的平面，彼此完全平行互不干扰

每层中各点的滑移速度相等，但由于受管壁摩擦的影响，各层之间的滑移速度不同。

中心处速度最大，管壁为零。

牛顿流动定律的意义

应变随应力作用的时间线性地增加，且粘度保持不变(定温情况下)，应变具有不可逆性质，应力解除后应变以永久变形保持下来。

即：温度不变的情况下，剪切速率的变化不影响流体的粘度。

3、假塑性聚合物熔体的流变行为具有什么性质。

变形和流动所需要的切应力随剪切速率变化，并呈指数规律增大；

变形和流动所受到的粘滞阻力，即液体的表观粘度随剪切速率变化，并呈指数规律减小。这种现象称为假塑性液体的“剪切稀化”。

总结：提高剪切速率，对大多数塑料熔体（非牛顿型）而言，可以降低其表观粘度，提高成型流动性。4、Ostwald—De Waele 指数定律方程的意义。

在指数流动规律中， n值可以用来反映非牛顿流体偏离牛顿流体性质的程度。

1）其中n=1时（ηa=K=η）, 为牛顿流体。

2）n≠1时，绝对值|1—n|越大，流体的非牛顿性越强，剪切速率对表观粘度的影响越强。

n

n>1时，称为膨胀性液体。主要是一些固体含量较高的聚合物悬浮液以及带有凝胶结构的聚合物溶液或悬浮液，处于较高剪切速率下的聚氯乙烯糊的流动行为就近似这类液体。

5、不同类型流体的粘度与剪切速率的关系如何，对指导生产有何意义。

1）粘度对剪切速率不太敏感或其熔体近似牛顿型聚合物：提高温度降低熔体粘度，以改善流动性。

如聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰胺—66等，它们的粘度对温度较敏感。

2）对于大多数非牛顿型聚合物，要降低熔体粘度，主要靠增加成型时的剪切速率。

6、温度和压力对聚合物熔体的表现粘度有何影响，为什么。

聚合物大分子的热运动与温度有关。

温度升高，聚合物体积膨胀，分子运动剧烈，大分子间的自由空间随之增大，彼此间的范德华力减小，从而有利于大分子变形和流动，即粘度下降。

不同结构的塑料对温度的敏感程度不一样：

对表观粘度随温度变化不大的聚合物，如果靠增加温度来增加其流动性使其能成型是不合适的。

因为：温度幅度增加很大，而它的表观粘度却降低有限(如聚丙烯、聚乙烯、聚甲醛等)，大幅度地提高温度很可能使聚合物发生降解。

聚合物大分子长链，在自由状态下堆砌密度很低，相互之间具有较大的自由空间。

在空间三维等值的静压力作用下，大分子之间的自由空间会被压缩减小，大分子链相互接近，彼此间的作用加强，宏观上将表现出体积收缩或比容减小，变形流动阻力也会随之增大。

实验证明，聚合物熔体在成型压力增大时，熔体所受静压力也会随之提高，且伴随熔体的体积收缩，粘度也有所提高。

粘度对压力的敏感性会因聚合物不同而不同。聚合物熔体的压缩率越大，其粘度对压力的敏感性越强。

在注射成型时，单依靠增大注射压力来提高熔体流量或充模能力并不十分恰当。对需要增大粘度而又不宜采用降温措施的场合，可考虑采用提高压力的方法解决。

在制定成型工艺参数时，应综合考虑生产的经济性，设备和模具的可靠性以及塑件质量等因素，将成型工艺控制在最佳的注射压力和注射温度。

聚合物在成型过程中的物理化学变化。

1、结晶过程是在什么温度区间发生的，晶体的生长速率在什么温度最快。

聚合物的结晶过程只能发生在从熔点温度θm开始冷却下来到玻璃化温度θg以上的这一温度区间内。

晶坯在高于熔点时，时结时散，处于动态平衡。接近θm乃至刚冷至θm以下时，晶坯依然有时结时散的情况，但某些晶坯会长大，当达到临界稳定尺寸时，即变成晶核。

随着∆θ的增大，晶核生成速率很快上升，达到最大值。这时没有达到临界尺寸的晶坯结多散少，最有利于形成晶核。

∆θ继续增大，链段运动阻力增加，晶核生成速率进一步降低，接近于玻璃化温度θg时又降为零。此时，分子主链的运动停止，晶坯的生长、晶核的生成及晶体的生长都会随之停止。

2、什么是取向作用，各向异性和各向同性对塑件的性能有何影响，举例说明。

在聚合物成型过程中，由于受剪切力和拉伸力的作用，聚合物分子或填料中的长纤维会发生取向作用，即：分子链或长纤维会顺着流动（或受力）方向排列，这种现象叫取向作用。

1）各向异性：塑件在某些方向上机械强度得到提高，而在另外一些方向上反而降低。如：单向拉伸的绳索，铰链；

2）各向同性：塑件在各方向上机械强度、力学强度相同。

例如：塑料袋、双向拉伸薄膜，手机、电器。