东华大学高分子材料成型原理复习材料.docx

1- 1.通用高分子材料主要有那几大类？答：纤维、塑料、橡胶、胶黏剂、涂料1- 2.高分子材料加工与高分子合成的区别？答：“高分子材料加工”定义为“对聚合物材料或体系进行 操作以扩大其用途的工程”，它是把聚合物原材料经过多道工序 转变成某种制品的过程。经过高分子材料加工得到的制品在物理 上处于和原材料不同的状态，但化学成分基本相同；而高分子合 成是指经过一定的途径，从气态、液态、固态的各种原料中得到 化学上不同于原料的高分子材料。1- 3.高性能纤维有哪些？答：低热稳定性，高强度纤维:、高热稳定性，高强度纤维（200-300P）：对位芳纶、芳族 聚酯、杂环聚合物纤维高热稳定性、耐热纤维（350笆）：间位芳纶、聚酰亚胺纤 维、酚醛纤维、碳纤维高热稳定性、无机纤维：碳化硅纤维、玻璃纤维、氧化铝纤 维1- 4.判断题经过加工过程,高分子材料在物理上处于和原材料相同的状 态。（X ）1-5选择题高强高模聚乙烯纤维材料和纤维材料分别属于。 生态高分子材料和智能高分子材料 智能高分子材料和功能高分子材料 高性能高分子材料和生态高分子材料 功能高分子材料和高性能高分子材料为什么纤维素材料的加工不能采用先熔融再成型的方法？纤维素大分子中含有大量的-基团，由于氢键的作用，使大 分子间作用力较大，这将导致熔融热AH较大；另一方面，纤 维素大分子中存在环状结构，使分子链的刚性较大，这将导致熔 融熵变AS较小。这两方面的原因使得熔融纤维素的温度(=AH / AS )将变得较高,而纤维素的分解温度又相对较低，因此，当 加热纤维素至一定温度时，会出现纤维素未开始熔融便已被分解 的现象，因此，纤维素材料的加工不能采用先熔融再成型的方法。请阐述选择聚合物溶剂的几种实用方法与其适用范围1. 可根据极性相近规律即极性的聚合物易溶于极性溶剂、非极性的聚合物易溶于非极性或弱极性溶剂的规律来初步选择 溶剂。2. 可根据溶度参数理论，按照溶剂与聚合物的内聚能密度 或溶度参数应尽可能接近的规则来选择溶剂。 对于非极性分子体系(即非极性聚合物与非极性溶 剂体系)，可直接利用该规则选择溶剂。一般来讲，所选溶剂与 聚合物间的溶解度参数之差绝对值应小于1.7-2.00(2) 非极性混合溶剂的选择一般也可利用该方法，其中， 混合溶剂的溶解度参数8在混合前后无体积变化时可按 8(x1v181+x2v282)/ (x1v1+x2v2)计算。(式中 xi一i (1,2) 组分的摩尔数；一摩尔体积；8i一溶度参数°)(3) 对于极性分子或易形成氢键的体系，必须对溶度参 数理论修正，应利用三维溶度参数(8d, 8p, 8h)、由聚合物的三 维溶度参数为球心通过作三维溶度参数图来预测选择溶剂。该方 法对非极性聚合物/溶剂体系和极性聚合物/溶剂体系均适用。3. 还可根据高分子溶剂相互作用参数(哈金斯参数) x1来半定量地判断溶剂对聚合物的溶解性。一般而言，x1<05 为良溶剂。2- 1聚合物熔融有几类主要方法？无熔体移走的传导熔融有强制熔体移走的传导熔融压缩熔融耗散混合熔融利用电、化学或其它能源的耗散熔融方法2- 2聚合物在螺杆挤出机中的熔融属于哪种熔融方法？其热量来源有几种？聚合物在螺杆挤出机中的熔融属于有强制熔体移走的传导 熔融，其热量来源有机筒外壁的加热器所产生的传导热和由剪切 产生的剪切热两种。2- 3聚合物的溶解过程可分为溶胀 和 溶解两个阶段。未经修正的“溶度参数相近原则”适用于估计 与的互溶性。未经修正的溶度参数理论适合非极性溶剂和非极性聚合物 体系2-4具有的聚合物-溶剂体系由不相溶转变为互溶的方法有哪些？3, 掌握聚合物-溶剂体系由不相 溶转变为互溶的方法(3一 UCST体系)(2)升高体系的温度(3)改娈溶剂的组分图从聚合物转变成溶液苗可能采用的三种方法1-原来的相平衡曲线2-溶剂改变后的相平衡曲线()恒温下改变体系 的组成2- 5黏胶纤维生产中，为使纤维素黄酸酯在水体系中的溶解度提高，应如何控制温度?III0L 一一 -1_ d0250 500 75舒雄素黄酸甑的质量分放Tf <T< LCST温度较低时才能互溶M；纤维素黄酸酯-氢氧化钠水溶液3- 1按混合形式分，混合可分为哪几类?各自有何特点?,按物料状态，混合可分为液-液、固固和液-固混合，在聚合物加工中，液-液混合、液-固混合是最主要的混合形式.例：聚合物共混、添加剂改性按混合的形式，可将混合分为非分散混合（nondispersive mixing） 和分散混合（dispersive mixing） 非分散混合*分散粒子通过位置的变化增加在混合物中空间分布的均匀性但不减小粒子初始尺寸（粒度不变）oMHSssbeis9U3SS分散混合，粒子既有粒度的变化又有位置的变化.3- 2按照混合理论，混合涉与到扩散的哪几种基本运动形在聚合物加工中，以哪种形式为主?按照混合理论，混合涉与分子扩散、涡旋扩散（紊流扩散）与体积扩散（对流混合）三种基本运动形式。3-3混合过程发生的主要作用包括哪些?3- 4将低粘度的少组分混合到高粘度的多组分中比将高粘 度的少组分混合到低粘度的多组分中更困难 (X )高粘度的少组分混合到低粘度的多组分中比较困难低粘度的少组分混合到高粘度的多组分中相对容易3- 5分散混合过程是通过哪些物理-力学和化学作用来实现的？(答案见第二版书P61-4-(2)4- 1剪切流动指流体质点的运动速度仅沿着与流动方向垂 直 的 方 向 发 生 变 化_拉忡流动和!ry切流动的注魔分布长箭央所指为流为流动方向S）拉仰流动（b）四切流周技伸流动：流体质点的运动速度 仅沿着流动方向发生变化 f垂HF渝功方向相等L成切流动：流体质点的运动速度 仅沿着与流动方向垂直的 方向发生变化口4- 2聚合物熔体切力变稀的可能原因有哪些?聚乙烯熔保的流动曲线3.聚合物流体切力变稀的原因|（i）大分子链间缠结点的解除拟网络姑均爰论：聚合物流体中的 缠结点具有睇变性，可不断拆散和重 建，并在搓一特定条件下达到动态 平衡，因此，此种流体可寿成瞬麦 网络体系，i<n）七缠结点浓度爪（2）大分于谜段取向效应ft，链段取向r流层间牵曳力任）大分子链的脱溶剂化（浓溶液情况）聚合物浓溶液；0T， 脱溶剂化t大分子链有效尺寸i=>n4- 3切力变稀流体的极限牛顿黏度大于其零切黏度(1)稳态流动曲线星律定律尸 K rn = ria ra=lgK+nlgflg n,=lgK+(n-l)lgflg o=te "lg r4- 4切力变稀流体的of曲线的斜率即为非牛顿指数nIII4-5当聚合物相对分子质量与其分布、浓度、温度变大或变高时，对应聚合物流体的剪切黏度一般是增大还是减小?相对分子质量相对分子质量分布溶液浓度温度4-6影响聚合物流体拉伸粘性的因素有哪些？拉伸应变速率温度分子量与其分布混合4-7聚合物流体弹性主要是由体系内能变化所致的么？聚合物流体弹性既有内能变化的贡献,又有构象变化的贡献 （熵弹性）III4-8当聚合物相对分子质量、溶液浓度、温度、剪切速率、口模长径比变大或变高时，对应聚合物流体的弹性一般是增大还是减小?1. 分子量的影响M ff f, G 1 -弹性 f2. 温度的影响Tf,有利于内应力松弛 流体弹性能储存量（出口模时）1, 弹性表现程度I3. 聚合物溶液浓度的影响Cf法向应力差效应f弹性f4. 剪切速率的影响f适度f法向应力差（。11-。22= 1（r）r2） f,胀大比f弹性能储存f,弹性f5. 口模长径比的影响毛细管直径df弹性效应I长径比f（D 一定）有利于 松弛弹性表现程度I4-9聚合物流体流过直径为D、长度为L的圆形口模时,若测定出的口模两端压力降为AP,则圆形口模壁处（距圆形口 模轴心2处）的剪切应力（012） w为D A4L o若考虑末端效 应，该值将变 小 （提示,此处选择填写“大”或“小”）。4-10实际生产中，若原料性质与喷丝板尺寸已固定，可通过调整哪些工艺条件来减弱孔口胀大效应？适当提高纺丝温度、降低泵供量（剪切速率）。作业题：1. 什么是剪切流动、拉伸流动、表观粘度、零切粘 度、极 限牛顿粘度、拉伸粘度和结构粘度指数？剪切流动：流体质点的运动速度仅沿着与流动方向垂直的方 向发生变化。拉伸流动:流体质点的运动速度仅沿着流动方向发生变化（垂 直于流动方向相等）。表观粘度：聚合物流体剪切应力。12与剪切速率r的比值 012/ F称为表观粘度na。非牛顿流体的表观粘度随剪切速率r 而变。零切粘度：在流动曲线中，聚合物流体在r 0时的流动 是牛顿型的，对应的表观粘度na与r无关且趋于常数，称为零 切粘度n0o极限牛顿粘度：在流动曲线中，聚合物流体在r较大时的流 动通常为非牛顿型的，但继续提高F即F 8时，流体则表现 为牛顿流动，对应的表观粘度na又与F无关，称为极限牛顿粘 度门8。拉伸粘度：拉伸粘度用来表示流体对拉伸流动的阻力。在稳 态简单拉伸流动中，拉伸粘度ne可表示为：n。11/ 8式中：。11聚合物横截面上的拉伸应力，8拉伸 应变速率结构粘度指数：结构粘度指数n定义为： 迎Uh d F 1/2n = ()x102,该值可用以表征聚合物浓溶液结构化的程度。2. 造成聚合物流体切力变稀的可能原因有哪些？(1) 大分子链间缠结点的解除f(o) t,缠结点浓度Ia I(2) 大分子链段取向效应f t,链段取向t流层间牵曳力I a ；(3) 大分子链的脱溶剂化(浓溶液情况)聚合物浓溶液：。t,脱溶剂化t大分子链有效尺寸Ia ；5- 1课堂作业一根450米长的纤维重0.1克，将其进行拉伸性能分析, 得知纤维的断裂强力为0.098牛顿(卬，求该纤维线密度(分别以特和旦表示）与相对强度（分别以和表示）。* 纤维纹女度41" £' = o 2222x7= 0.2222-=O.2222!Ki= X 9JZL/ =2 JZL,和祠疆鹿=虺四穿 = 0心/W心O.2222/*?aO.U98 x 1 OOo/V ， =4.4 lcA< / atejc （）.2222 x 1 OSecc5- 2根据的可纺性理论，决定最大丝条长度x*的断裂机理至少有哪几种？断裂机理至少有两种，一种是内聚破坏（内聚断裂，脆性断 裂），另一种是毛细破坏。5- 3湿法纺丝时，上述两种机理中哪种是纺丝线丝条断裂 的主要机理？对于湿法纺丝，因表面张力小，故内聚破坏是纺丝线丝条断 裂的主要机理。5- 4纺丝流体挤出细流类型通常有哪几种?其中的哪一种属 于正常的类型？液滴型漫流型胀大型破裂型胀大型是正常的类型5-5实际纺丝过程中，纺丝流体从口模中挤出时，可采取哪 些措施来调整流体挤出类型由液滴型向漫流型转变？1）增大泵供量（VO t ）, 2）T ；（ nt）, 3）喷硅油(al)5-6实际纺丝过程中，纺丝流体从口模中挤出时，可采取哪 些措施来调整流体挤出类型由漫流型向胀大型转变？1)增大泵供量(V0 t ),2)T ； ( nf),3)喷硅油(a|)5-7熔纺中从喷丝头至距喷丝头乂处的一段纺丝线(暴露于 空气介质)上受到哪些轴向力？熔纺中从喷丝头至距喷丝头x处的一段纺丝线上的轴向力平 衡方程式为：(X) = (0) + + + -式中：(X)为在处纺丝线所受到的流变阻力；(0)为熔体细流在喷丝孔出口处作轴向拉伸流动时所克 服的流变阻力；为纺丝线在纺程中需克服的表面张力；为使纺丝线作轴向加速运动所需克服的惯性力；为空气对运动着的纺丝线表面所产生的摩擦阻力；为重力场对纺丝线的作用力。5-8熔纺中横向吹风时丝条的传热系数是否与纵向吹风时 相同？不相同，横向吹风时丝条的传热系数为纵向吹风时的两倍。5-9在熔纺且恒速横向吹风时，上段和下段纺丝线冷却过程分别受哪种主要因素控制?在上段纺丝线，冷却过程受冷却吹风速度控制;在下段纺丝线，冷却过程决定于丝条速度（如高速纺）5-10影响熔体纺丝线上冷却长度 的最重要因素通常是哪个因素（限无相变热时）？丝条的传热系数a*影响最大可合理设计纺程长度（紧凑短程 纺）5-11熔纺过程中有哪几种取向机理？卷绕丝的取向度主要是由哪种取向贡献的?喷丝孔中的剪切流动取向纺丝线上的拉伸流动取向（卷绕丝的取向度主要是纺丝线 上拉伸流动的贡献）纺丝线上的拉伸形变取向5-12熔纺过程中，对于纺程上发生结晶的聚合物，可以将取向度沿纺程的分布划分为哪几个区？各区的An有何特征?以超高速纺为例: 近喷头的流动形变区：An较小（£不大T高 ne小，解取向大） , o距喷头一定距离的结晶取向区:An陡增（细颈，。ft,取 向大，晶核形成，结晶加速，导致微晶取向）取向诱导结晶近固化区的塑性形变区：An略增后趋于饱和（ne -8 , 。已不足以使大分子大幅度取向；结晶过程已完成；但空气阻力 的存在使。继续增加，纤维冷拉，其结构和性能仍有变化）5-13湿法纺丝中，原液细流在凝固浴中的双扩散过程指哪两种扩散?凝固浴中凝固剂向原液细流内部的扩散；原液中的溶剂向凝固浴的扩散。5-14湿法成型一般是采用较大的喷丝头正拉伸?其丝条的主要断裂机理是哪一种?不是。湿纺中，当纺丝原液从喷丝孔挤出时，原液尚未固化， 纺丝线的抗张强度很低，不能承受过大的喷丝头拉伸，故湿法成 型通常采用喷丝头负拉伸、零拉伸或不大的正拉伸。内聚断裂是 湿纺丝条的主要断裂机理。5-15分析具有水平凝固浴的湿法纺丝线上的力平衡时，哪 些力的特点与熔纺时有所不同?a）重力F#Fg=J "g（p-p°）COSft 进d曰A璧 acosW =41b）表面张力F*Fs=2tt（R0-RxA忽略,人滑蚯程变化c）惯性力F|F小MM）当净质量通量由内向外时'AF|Mb即F, t （同干妨）当净痛昴通量由外向内时.AF湖，即R I除高速纺外，普通的湿纺R可忽略d）升质摩擦阻力RFf=J,* jrdxdx= f n（le ）J=Hdxdx x x时流变力F,忽略纺丝线上某些力的作用时牛为凝固浴的粘度；Fr（x）=Ff+FX0）峋为凝固浴沿妨程的流速5-16湿法纺丝线上丝条皮层的取向度大还是芯层的取向度大？简述理由。施加于湿法纺丝线上的张力主要集中于皮层上产生单轴拉伸形变，导致皮层的取向度芯层（由单轴拉伸流动所致）的取 向度5-17表征湿法成型中扩散过程（速率）的基本物理量有哪三个?传质通量J、扩散系数D、固化速率参数学可能性5-18三元相图中，大致可分为四个区域。从热而言，其中的哪些区纺丝细流是可以固化成丝条的?纺丝以哪一区居多?的湿法图439 PSE三元体系相平衡图在区是不能纺制成纤维的。在、和区的原液细流能够固化。从纤维结构的均匀性和机械性能看: 以区成形的纤维最为优良通常的湿法纺丝以区为多。5-19湿法纺中影响丝条横截面形状的主要因素?传质通量比() 固化表面层硬度喷丝孔形状5-20采用圆形喷丝孔进行湿法纺丝时，可能形成非圆形截面纤维么？为什么?采用圆形喷丝孔进行湿法纺丝时，是有可能形成非圆形截面 纤维的。这是由于湿法纺中丝条横截面形状除受喷丝孔形状影响 外，还受溶剂的通量()和沉淀剂的通量()的比值(即传质通量比，) 和固化表面层硬度等因素影响。当/ >1并具有坚硬的皮层时， 皮层和芯层变形性的差异将导致纤维横截面崩溃从而形成非圆 形截面。和固化表面层硬度对湿法纺初生纤维横截面形状的影响 当/ <1时，丝条溶胀，纤维的横截面是圆形的。当/ >1时，则横截面的形状取决于固化层的力学行为: 柔软的表层收缩的结果导致形成圆形的横截面；具有坚硬的皮层时，皮层和芯层变形性的差异将导 致横截面崩溃形成非圆形。5-21上述问题中，以选择不同溶剂的纤维生产为例，进一步 展开说明。纤维生产时，若采用无机溶剂，由于其固化速率参数一般小 于有机溶剂，通常传质通量比/ <1，因此纤维的横截面形状为 圆形。若采用有机溶剂，/ >1,且皮层的凝固程度高于芯层， 芯层收缩时皮层相应的收缩较小，因此纤维的横截面形状易呈现 非圆形。5-22溶剂从干法纺丝线上除去有哪几种机理？溶剂从干法纺丝线上除去有三种机理：溶剂闪蒸（快速大量挥发）；溶剂从纺丝线内部向表面的扩散；溶剂从纺丝线表面向周围介质的对流传质。5-23干法纺丝条截面形状的结构特征可用哪个值来表征?潜制从蛙条&俪照推的魂度W 1稍X其大小与截面形状一般有何对应关系?趋于圆形略偏离圆形L>1近梅花形呈席平状，近于大豆形或聊骨形诲剂从抵at中心扩成到 段而的速性5-24通常情况下，如何调整初生纤维结构和拉伸条件有望使应力-应变曲线发生由b型向c型甚至a型（或d型）的 转变?提高初生纤维的结晶度降低初生纤维的预取向度增大初生纤维的线密度降低初生纤维中大分子活动性（如增加溶剂或其他起增塑作用的小分子物质含量）降低拉伸温度提高拉伸速度（形变速率）可以使应力-应变曲线发生由b型向c型甚至a型（或d 型）的转变。5-25定长热定型的实质是在纤维长度和细度不变的情况 下， 。 让高弹形变全部松弛回复，并消除内应力 发展新的高弹形变 让高弹形变转变为塑性形变，并松弛内应力 发展新的塑性形变试阐述干纺纺丝线三个区域传热传质的特点与其除去溶剂 的机理。试指出塑料、涤纶熔纺卷绕丝（在附近）、湿纺凝固丝拉伸 时的应力-应变曲线分别属于a、b、c三种类型中的哪一种？这 三种拉伸曲线的形状和对应材料的拉伸过程各有何特点？塑料拉伸时的应力-应变曲线属于a型，曲线形状为凸形 对应材料在拉伸过程中会出现应力集中而迅速断裂（脆性断裂）， 呈现出不可拉伸性。涤纶熔纺卷绕丝在附近拉伸时的应力-应变曲线基本属于c 型，曲线形状为先凸后凹形；对应材料在拉伸过程中会出现细 颈现象，当实际拉伸倍数大于自然拉伸比而小于最大拉伸比时， 可拉伸性好。湿纺凝固丝拉伸时的应力-应变曲线基本上属于b型，曲线 形状为凹形；对应材料在拉伸过程中会发生自增强作用，不会 出现应力集中，属于均匀拉伸，且拉伸性好。试阐述干纺纺丝线三个区域传热传质的特点与其除去溶剂的机理在干纺纺丝线I区（起始蒸发区）,细流的组成和温度发生急剧 变化，其中，在高温下从喷丝孔挤出的细流主要依靠自身的潜热和 来自热风的传热，从溶液表面急剧蒸发，这时溶剂的蒸发潜热被 夺取，使细流表面温度急剧下降到湿球温度直至达到平衡为止， 而细流内部温度则比细流表面高。并且，细流表层溶剂浓度较高， 主要以对流方式进行热交换。该区域溶剂迅速大量挥发，除去 机理以闪蒸为主；在干纺纺丝线区（恒速蒸发区），热风的传热与丝条溶剂蒸发 平衡，丝条的温度保持在湿球温度不变，且沿纤维截面的温度近 乎是均匀一致的。此时溶剂恒速挥发，溶剂的脱除为从纺丝线 表面向周围介质的对流传质控制机理；在干纺纺丝线区（降速蒸发区），溶剂从丝条内部向表层扩 散的速度低于表面溶剂蒸发速度，溶剂降速蒸发，使丝条表面温 度上升并接近热风温度。溶剂的脱除为从纺丝线内部向表面的扩 散控制机理。