青岛科技大学聚合物加工原理知识总结(浓缩版)

第一章

?聚合物加工原理涉及到材料的性质、加工工艺和机械设备之间的相互影响作用，必需了解、认识并掌握它们之间的协调关系

?八大应用领域：生命科学与生物技术、信息科学与工程、材料科学与工程、新型能源科学、环境科学、海洋科学、宇航科学、安全科学

?聚合物加工的科学内涵：①重要性（材料转化为产品的关键）、②科学性（为…提供理论依据）、③工程性（注重工程实际）、④综合性（涉及多学科，形成一门科学与工程紧密结合的学科）

?聚合物的特殊性质：成型性好、比重小、耐腐蚀、耐磨损、电绝缘性好、保温性好、隔音性好、容易染色、透明性好、防辐射、耐高温、变形小、弹性好、防蛀性好

?聚合物加工两个显著特性：科学性（涉及多种方法）、综合性或技术的集成性（依赖于多门学科知识的有机结合）

第二章

?聚合物的成型加工要求：①使聚合物熔融或软化，呈现流动性与可塑性；②赋予制品一定形状；③对某些聚合物，以某些单体或低分子化合物开始，按一定程序反应，制成所需材料或制品，尤其是热固性塑料。④通过加工操作利用原材料的物理或化学变化，达到对物料改性的目的。

?主要成型方法：①挤出②注塑③压延④压缩模塑⑤热成型

?加工新技术：①气辅注射②微孔发泡③多层成型④多相成型⑤反应成型⑥低压成型

?主要成型设备：

?开放式炼胶机：开炼机用来制备塑炼胶、混炼胶、进行热炼、出型加工，它是使用最早的塑炼方法。其加工塑炼胶料质量好，收缩小，但生产效率低，劳动强度大、有污染。适宜于胶料变化多和耗胶量少的工厂。

?密炼机：可进行塑炼、混炼（初炼、终炼）。与开炼机比，具有效率高、周期短、能力大、污染小等优点。

?挤出机：在旋转着的螺杆轴向力作用下，通过位于口模端一特定形状的通道，获得该通道所具有的截面形状，其成型连续、稳定。

问题：制品不均匀，挤出不稳定，挤出有胀大，能量损耗。

原因：①均匀性②熔体破裂（影响挤出速度稳定性）③挤出物胀大特性④能量耗散性?注射成型机：间歇周期成型,成型周期短，效率高，熔料模具磨损小，能成批量地成型形状复杂，表面、图案与标记清晰，尺寸精度高的塑件。

主要问题：①模腔充不满②过充（称为飞边）③尺寸精度达不到④各部分物料不均匀

⑤成型后各部分收缩不均匀

影响因素：流道截面及模腔截面形状、料筒温度、注射压力及速度、保压时间、模具温度、塑件厚度

?压延成型机：连续的薄膜及片材成型方法，加工能力大，生产速度快，产品质量稳定，但设备庞大，投资高，宽度受压延辊长限制。

主要问题：薄膜宽度及厚度的控制(难于控制），杂质的去除（不易去除）。

影响因素：压延成型辊数目、排列方式，成型辊的温度、速度、过滤装置。

?聚合物加工主要步骤：①混合、混炼②成型③后加工

? 按形态转变加工操作两个过程：①成型准备阶段 ②成型阶段

? 聚合物加工机械发展的推动因素：①社会需求 ②相关学科知识交叉、渗透与融合 ? 主要设计思想：①借用（金属成型方法中借用）②转化（橡塑设备相互转化）③发展

第三章

? 材料的三种性质：①材料内在性质 ②加工性质 ③产品性质

? 可加工性：①可挤压性 ②可模塑性 ③可延展性（可拉伸性） ? 流动机理：链段相继跃迁

? 滞后效应：形变迟于外力的现象称为“滞后效应”或“弹性滞后”。 ? 挤出时胀大，注射时收缩 ? 巴拉斯效应（挤出胀大），措施：增加口模长度、提高口模温度 ? 韦森堡效应（包轴现象）：开炼及压延过程中存在反流

? 熔融破裂：高弹形变占的比例大，超过粘流形变时，产生熔体破裂。

? 流动类型：(1)层流与紊流(2)稳流与非稳流(3)等温流与非等温流(4)一维流、二维流及三维流(5)拉伸流、剪切流(6)拖曳流、压力流

第四章

? 牛顿流动：①黏度不随剪切速率变化 ②应变具有不可逆性质，即有纯粘性流体特点

dv d dr dt γτη

ηηγ'===

? 非牛顿流动：①剪应力与剪切速率不成正比, 粘度取决于剪切作用

②非牛顿性是粘性和弹性行为的综合，流动过程中包含着不可逆形变和可逆形变两种成分

()

n

n

n dv d K K K dr dt γτγ????

'=== ? ?????

? 影响聚合物流变行为（η）因素：1. 聚合物熔体内的自由体积2. 大分子长链之间的缠结 具体影响：温度、压力、剪切速率、结构组成、添加剂

? 张量物理定义：一点处不同方向面上具有不同矢量值的物理量。

? 张量不变量：应力主轴在空间的取向和主应力的大小是坐标变换时的不变量。

? 流变学基础方程：

①连续性方程：封闭系统内的质量是一定的。

x y z D V V V Dt t x y z

ρρρρρ

????=+++????

D Dt ρ也称为密度的随体导数，其意思是指密度随着流体质点一起运动所产生的变化率。 等式右边第一项表示密度随时间的变化，称为局部导数，它是由流动场的不稳定性引起的。 其它三项表示密度随空间位置的变化，称为迁移导数，它是由流动场的不均匀性引起的。

②动量守恒方程：系统的动量变化率等于该系统上的全部作用力。

DV

p g Dt

ρτρ=-?+??+r

r

左边第一项称为惯性力项，它反映单位时间、单位体积流体的动量的增量； 右边第一项是静压项，反映压力梯度对动量的影响； 右边第二项是粘性力项，反映应力变化对动量的影响；

右边第三项是重力项（或重力分量）反映重力对动量的影响。

③能量守恒方程

()()()

V p

DT p C q T V V

Dt T ρτ???

=-??-??+? ????r r r ：

等式左边第一项是内能项，它表示单位时间内某点的温度变化 右边第一项为热传导热流量，反映热传导引起的空间温度变化。 右边第二项为由于温度变化引起的压缩或膨胀作功 右边第三项为粘性耗散，表示粘性流体发热

④流变状态方程 牛顿流体：

z

yz yz

dV dy τη

ηγ==&

z yz

dV dy γ&，是剪切速率（也是速度梯度）

非牛顿流体：

()n

n z yz yz dV K K dy τγ??

== ???&

K 为稠度，它表示当切变速率为1时，流体所受的剪切应力； n 流动指数。

DV P g Dt ρ

τρ=-?+??+r v

第五章

? 增压的目的及途径：

目的：①定向流动 ②提高传热效率 ③使制品密实 ④排气 途径：①设备结构 ②聚合物熔体流变特性（粘度大）

? 增压的分类:

DV Dt ρ

r ①称为惯性项，产生的压力称为惯性增压，如：离心浇注、冷压的热挤出。

P ? ②施加外力→产生压力（正机械位移），外（静）增压。如：注射过程的压力；全捏合

异向回转双螺杆挤出机；齿轮泵挤出机。

τ??③粘性动增压→ 拖曳流。如：单螺杆挤出机、压延、辊式混炼机

g ρv

④体积力增压如：压注模塑，没有流动或容器壁面不运动，与流体变形无关。

①③是由于熔体流动变形产生的压力，属动增压法； ②④与熔体流动（或变形）无关，属静增压。 ? 平行平板流动（动粘增压）：利用平板的移动，通过粘性流体的拖曳流动，实现增压作用。 ? 两种分析方法：简化为一维流动的近似方法、平面二维流动分析方法 ? Vx 和Vz 看作是相互独立的、彼此无关联的两个流动速度 ? 假设其它条件同牛顿流体：①层流 ②等温、定常 ③壁面无滑移 ④非牛顿流体 ⑤忽略重力 ⑥全展流

? 牛顿流体在平行平板间的净流率等于拖曳流p 与压力流d 的线性叠加。

26p

d d d b q q q H dP

a q q V dz η-===-?

d p

q q q =+

a 称为截流比

截流比 a ：①代表挤出机的操作状态 ②反映了压力梯度的大小

? 非牛顿流体与牛顿流体的区别：

（1）对非牛顿流体,产量不能分解为独立的拖曳流和压力流(速度也是如此)产量，而牛顿流体可以分解为拖曳流和压力流

（2）在给定的拖曳速度下，产量是无因次压力梯度G 和流变参数s 、p z 抖 、ξ0

的函数。 （3）牛顿流体产量最大。

? 非平行平板流动（动粘增压）：

机理：（1）流体动压润滑机理（2）螺槽入口与出口容积不同，产出压缩比

应用：刀涂、辊涂、辊式混炼机、压延、双辊挤出、滑动轴承 建立方程与平行平板之间的不同之处在于边界条件的不同。 *

H H = 0dP

dz =

列出二维雷诺方程，再简化为一维流动，结果：

()

01P f H H q h =b 、、L V 、

压力的建立取决于：几何参数、物性参数，物料粘性参数

结论平行平板入口压力等于出口压力时, 没有增压； 非平行平板入口压力等于出口压力时, 有增压

最大压力出现在

()

*

0021H H ξ=+，dp/dz=0处，

max 0*06b

LV P P H H η=+

第六章

? 挤出机主要功能：固体输送、熔体输送、熔融、混合、压缩物料、排气。

?过程：

1.加料（筒外固体输送）

塑料：物料多为粉状或粒状，容易形成架桥，主要考虑物料的内摩擦，设计料斗的锥角。橡胶：物料多为条状或片状，容易形成打滑、饥饿喂料或返胶，主要考虑物料的粘性作用，及喂料口的结构形式

2.输送（筒内固体输送）

①f b，f s →温度、粗糙度、物料性质

②物料间的摩擦系数→相对速度

③螺杆重要几何参数

3. 螺杆的压缩及设计考虑

改变传热效率、增加熔融速率、增强排气作用

螺槽几何尺寸沿轴向变化

4. 熔融（塑化）过程

塑料：压力升高、摩擦温度到熔点，形成熔膜→熔池→熔池加宽，固体床从宽到零

橡胶：压力升高→软化点，产生粘弹→粘流态→从外到内。

5.混合实现

固体输送颗粒之间的混合程度取决于螺槽的充满程度。

理论上混合作用产生于熔体流动层流之间。混合使物料发生分散、分布混合，并产生热量混合。

6.排气实现

条件：要有气体排出的通道，（限定的长度）有一定压力。

?影响牵引角θ的因素：牵引角θ影响挤出生产率，它取决于螺杆几何参数、摩擦系数及固体输送段的压力增加情况。

cos sin

K M q q

=+

22

1

sin

K M KM q

+--

=

∵θ=0，M=1 → Qs=0 ∴要使θ增加，使K、M尽可能减小→f b增加，f s减小。

?增大固体输送率关键是控制摩擦系数, 影响摩擦系数的因素有:

(a) 降低螺杆表面粗糙度，降低摩擦系数

(b) 提高机筒内表面的摩擦系数

(c)温度、压力及速度都对摩擦系数有影响。

?熔料在螺槽中流动的四种类型：

①正流（拖曳流、顺流）：机筒的相对摩擦拖曳作用产生，有输送作用

②横流（环流）：机筒的相对摩擦拖曳作用产生，有横向混合作用

③倒流（压力倒流）：机筒壁、口模等阻力元件，有纵向混合作用

④漏流：剪切、混合作用

第七章

?混合的实现：①搀和②研磨（碾压）③撕裂④捏合⑤剪切⑥分散

?按混合过程性质不同分为: 简单混合（分布混合）：不减小组分粒子本身大小

分散混合：减小组分粒子本身尺寸

?混合方法：（1）分布混合密炼机：无规律；静态流体混合：有规律（2）层流混合?评定混合质量：分散度：组分粒子大小的度量

分布均匀度：组分在系统内散布均匀程度

?具体指标：（1）总体均匀度

（2）分离尺度（分离标量）

分离强度（分离程度）越小混合得越好

?对于一混合物：量多的组分成为分散介质

量少的组分成为分散相

?混合指数I: 分布方差σ2/测量方差s2

I=0时，说明s打，浓度偏差大，未经混合

I=1时，说明s≈σ，浓度偏差小，混合好