高分子材料加工原理重点.docx
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1、嘉兴学院高份子系吴伯程整理第四章 聚合物流体的流变性研究应力作用下,聚合物产生弹性、塑性、黏性形变的行为及这些行为与各因素之间的关系。第一节聚合物流体的非牛顿剪切黏性 非牛顿流体,是指不满足牛顿黏性实验定律的流体,即其剪应力与剪切应变率之间不是线性 关系的流体。一、聚合物流体的流动类型1 . 层流、湍流2 .稳定流动、不稳定流动二切影响流.体流动.的.因素.都丕随时闾而攻变的魂动.称为稳定流动.;.影响流动的 受独因素都.随时.间而变动.的流.动.称为.丕稳定.流动.。3 .等温流动、非等温流动4 . 一维流动、二维流动、三维流动5 .拉伸流动、剪切流动二、非牛顿流体的表征1 .聚合物流体的流
2、动行为对于非牛顿流体,流体剪切应力。合与剪切速率丫以及 之间的关系:o0=na*Y n=dlno 12/dln Y当nl时,na随Y增大而减 小,这种 流体称为假塑性流体或者流体,大部份聚合物熔体或者其浓 溶液属 于这种流体;当nl时,表观黏度na随Y的增大而增大,这种流体称为胀 流性流体或者切力增稠流体,少数聚合物溶液、一些固体含量高的 聚合物 分散体系和碳酸钙填充的聚合物熔体属于这种流体。此外,宾汉流体:必须克服某一临界剪切应力。y才干使其产生牛顿流 动,流动产生之后,剪切应力随剪切速率线形增加,其流动方程为:o -o y+npY。修。,式中,np为宾汉黏度,其临界应力值。y称为屈服 应力
3、,在屈服应力以下流体不流动。此流体为宾汉(Bingham)流体,牙膏、 油漆是典型的宾汉流体。2 .非牛顿流体的流动曲线当剪切速率Y趋紧于0时,流体流动性质与牛顿型流体相仿,黏度趋于常 数,称为零切黏度这一区域为线性流动区,称第一牛顿区。零切黏度n 0。是一个重要材料常数,与材料的平均份子量、黏流活化能相关,是材料最 大松弛时间的反映。3 .切力变稀的原因切力变稀的原因在于 大份子链间发生的缠结。当线形大份子的相对份子质量超过某一临界值 Me时,大份子链间形成为了缠结点。这种缠结点具有瞬变性质。缠结点如物料在承受剪切前先经受压缩,使物料的密度提高,这样剪切时,剪切应力作用大, 可提高剪切效率。
4、4,拉伸拉伸可以使物料产生变形,减小料层厚度,增加界面,有利于混合。5.会茎在混合过程中,已破碎的分散相在热运动和微粒间相互吸引力的作用下,又重新聚 集。第二节高份子材料混合加工的原料配方设计二、添加剂之间的相互作用1:添加一剂的协同作用协同作用.是指配方中两种或者两种以上的添加剂一起.加入时.的效果高于其单独 加入效 果的平均值不同添加剂之间产生协同作用.的原因主要是它们之间产生了物 理或者化.琵作用.。第四节 高份子材料混合加工的基本过程一、非分散混合()(三)液体一液体分散(液滴破裂机理、影响因素、如何影响)表面张力越大,越不易破裂。因为表面张力有使液滴保持在一起的趋势。当横过界面产生的
5、压力降超过表面张力时,液滴将破裂。两种液体之间的相容 性越小,则共混物中分散的液滴粒径就越大。在连续相黏度不变的条件下,(分散相黏度ud与连续相黏度UC之比 为入)临界破裂时黏4,或者黏度比0. 005,液滴均不易破裂。剪切应力越大,Ca (毛细管系数)越大,液滴越易破裂。有一个临界剪切 应力,在此应力下液滴破裂,低于此应力,则不破裂。理性对分散状态的影响比黏性对分散状态的影响更敏感。当液滴发生破裂 时,连续相的弹性趋于增加最小液滴尺寸和临界剪切速率。而连续相的黏度增 加有一个相反的作用。温度增加,液滴尺寸减小这可能是由于温度的增加引起黏度减小的缘故。第一章绪论一、概述高份子的分类是个比较复杂
6、的问题。其中,按照材料的性能,可分为通用高份子材料和 新型高份子材料。二、通用高份子材料的主要种类和概念纤维、塑料、橡胶、胶黏剂和涂料等几大类。1纤维纤维是一种细长形状的物体,其长度对其最大平均横向尺寸比,至少为10: 1,其截面,再生纤维.素纤维:粘胶纤维.嗣氨纤维、莱麝尔(Lyocell)纤维纤维器酯纤维:二解酯纤维、三醋纤维r人造舒维再生蛋白,顷纤维丁酪皿大豆、花生、玉米贺白纤绯橡胶纤 维其他:甲壳素纤雎、海藻纤维r果酰胺纤维芳族聚醮胺纤雉聚酯舒维生物可降解聚防纤维聚内烯臆纤堆改性聚丙蜂睛纤维橐乙烯 醇系纤维聚翁乙烯系纤绯聚烯炫纤维合成纤维聚氨酌弹性纤维聚版烯姓纤维二烯类弹性体纤维 I聚
7、醍亚胺纤维2,塑料塑料是以高份子化合物为主要成份,在一定条件下可加工成一定形状并且在常温下 保持其形状不变的材料。塑料根据原料来源分为合成塑料和半合成塑料。根据塑料的热可塑性不同,塑料可 分为热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料主要有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙 烯(包括ABS树脂)、聚丁烯、氯化聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲 酯、纤维素等塑料。热固性塑料主要有酚醛塑料、氨基塑料、吠喃塑料、环氧树脂、不 饱和聚酯塑料和有机硅塑料等。按使用性不同,塑料可分为通用塑料和工程塑料。聚酷胺聚碳酸酣PC)r通用工程塑枳聚恭廉(ppo)热肆性聚酷(PBT 和 PET)两斌怙一 r二蟠一苯
8、乙烯共聚物(AB力也罚分亍用曜 乙烷(UHMWFE)聚,1 FSF|登香旗聚酸胺(PARA)槃酰亚尴(PDS种工程塑.阴聚苯蔬酉见出 座;)聚茉醮提醪酮(PEK)氧燮料F)3.橡胶橡胶是有机高份子弹性化合物,在很宽的温度(-50-150。C)范围内具有优异的弹 性,所以又称为图弹体。根据原料来源,橡胶可分为天然橡胶和合成橡胶两类。合成橡胶按用途可分为通用 合成橡胶和特种合成橡胶。天然橡胶是从天然植物中采集出来的一种乳白色液体,经加工制成的高弹性材料, 天然橡胶的主要成份橡胶炷是异戊二烯的聚合物。通用合成橡胶主要有聚丁二烯橡胶、 聚异戊二烯橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、聚异丁烯橡胶和乙丙橡胶等。4,
9、胶黏剂能把各种材料密切地结合在一起的物质,称为胶黏剂,又称黏合剂。胶黏剂通常由几种材料配制而成,这些材料按其作用不同,普通分为主体材料和辅 助材料两大类。按照胶黏剂主体材料的来源,可分为天然胶黏剂和合成胶黏剂两类。按 照黏结度特性,可分为结构胶黏剂、非结构胶黏剂和次结构胶黏剂三类。j动物皎:鱼胶,骨胶、虫胶等广天然胶蹄剂f植物忸锭 粉,松香、阿拉伯树胶符有机胶黠前热塑隹树.脂胶黏剂聚醋酸乙烯酯、聚醮胺、公部畴软都热固性树脂胶黏剂,环觥树脂,酚醛树脂等 ”橡放型胶剂如氯丁股丁脂胶等磷酸盐型,混合型胶金名剂如环氧酚醉、酚醉丁腊、环氧一尼龙等名机胶金名捌,畦酸盐型、硼朦林型筮璃陶盖及耳他依榕占物等5
10、,涂料涂料是指涂布在物体表面能形成具有保护和装饰作用膜层的材料。过去,由于涂料 都是用植物油和天然树脂熬炼而成,其作用又同我国的生漆差不多,因此向来被叫做油漆。三、新型高份子材料的主要种类和概念1 .高性能高份子材料指材料的机械性能、耐热性、耐久性、耐腐蚀性等功能有较大提高的高份子材料。2 .功能高份子材料指高份子的主链或者侧链上具有反应性能官能团,于是具有特定功能的高份子。3 .智能高份子材料指能随着外部条件的变化,而进行相应动作的高份子材料。4 .生态高份子材料生态高份子材料与其他新兴高份子材料的区分不是其性能,而是其与环境的关系。不断地拆散和重建,并在某一特定条件下达到动态平衡。缠结浓度
11、与给 定的条件有关,随着剪切应力的改变,动态平衡相应地发生挪移。当剪 切应力增大时,部份缠结点被拆除,缠结点浓度下降,使表观黏度降低。 时间因素。剪切速率Y增大时,缠结点间链段中的应力来不及松弛,链 段在流场中发生取向。链段取向效应导致大份子链在流层间传递动量的 能 力减小,表观黏度下降。 对于聚合物浓溶液来说,切力变稀还有个原因,当剪切应力增大时, 大份子链发生脱溶剂化,因为脱溶剂化使大份子链的有效尺寸变小,这 也会引起黏度下降。4.切力增稠的原因切力增稠的原因是剪切速率或者剪切应力增加到某一数值时流体中有某种 新的结构形成 静止状态时,流体中的固体粒子处于堆砌得很密切的状态,粒子间空隙很小
12、并充满了液体,这些液体有一定的润滑作用。当剪切速率 或者剪切应力很低时,固体粒子在溶液的润滑作用下会产生相对滑动,并能在大致保持原有堆砌密度的情况下使整个悬浮体系沿受力方向挪移,表现 出牛顿流动行为;当剪切速率或者剪切应力增加到某一数值时,粒子的挪移 速度较快,粒子间碰撞机会增多,流动阻力增大,同时粒子也不能保持静止 状态时的密切堆砌,粒子间的空隙增大,悬浮体系总体积增加,原来那 些 勉强充满粒子间空隙的液体已不能再充满增大了的空隙,粒子间挪移时的 润滑作用减小,阻力增大,表观黏度增大。三、影响聚合物流体剪切黏性的因素(三)温度对黏度的影响黏流活化能是流动过程中,流动单元(对聚合物流体而言即链
13、段)用于克服位 垒,由原位置跃迁到附近“空穴”所需的最小能量(单位J/moD。第三节聚合物流体的弹性一、聚合物流体弹性的表征孔口胀大效应(也称挤出胀大效应或者Banis效应、巴拉斯效应)指聚合物流体被强迫挤出口模时,挤出物尺寸大于口模尺寸,截面形状也发生 变化的现象。第四节 聚合物流体在管道中的流动二、聚合物流动过程中的弹性效应(二)不稳定流动与熔体破裂熔体.破裂:在高剪.切应力或者剪.切速率时,,液.体中的扰动.难以控制并易 发展成不稳定.流.动,引起液流破坏,这.种在高剪切速.率或者剪,切应力下,挤出物 产生表面浮现丕规则现象?甚金使到破坯的现象称为阳佐破裂二。6. 有哪些因素影响聚合物流
14、体的流动性能?如何影响? P119答:聚合物的流动性能与聚合物流体的剪切黏性、拉伸黏性有关,所以影响聚合物流体剪切 黏性、拉伸黏性的因素亦是影响聚合物流体的流动性能的因素。影响.聚合物.流体翦切黏.性的因素(内.因处因,:(-)聚合物份子结构特征对黏度的影响1 .链结构的影响聚合物份子链柔性越大,缠结点越多,链的解缠和滑移越艰难,聚合物流动时 非牛顿性越强。2 .相对份子质量的影响相对份子质量增大,不同链段偶然位移相互抵消的机会增多,因此份子链重心 转移减慢,要完成流动过程就需要更长的时间和更多的能量,所以聚合物的相 对份子质量增大,其表观黏度增加。3 .相对份子质量分布的影响 聚合物熔体的黏
15、度随相对份子质量分布宽度的增加而迅速下降,流动性及 加工行为改善,因为此时份子链发生相对位移的温度范围变宽,特别低分 子量级分起到内增塑作用,使物料开始发生流动的温度跌落。 相对份子质量分布宽的试样,其非牛顿流变性较为显著。(二)聚合物溶液浓度对黏度的影响聚合物溶液浓度增大,体系大份子数增多,份子缠结的概率增大,流体黏度增大。(三)温度对黏度的影响温度上升,份子热运动加剧,份子间距增大,较多的能量使材料内部形成更多的“空 穴”(自由体积),使链段更易于活动,份子间的相互作用减小,黏度下降。(四)溶剂性质对黏度的影响所用的溶剂本身黏度越大,同样浓度聚合物溶液的黏度也越大。(五)混合对黏度的影响1
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