纖維生產(chǎn)原理聚合物加工的理論基礎(chǔ)解析第1頁(yè)/共24頁(yè)第二篇纖維生產(chǎn)的理論基礎(chǔ)本章主要內(nèi)容：聚合物材料的加工性及其與加工條件的關(guān)系；聚合物熔體的流變行為，影響聚合物流變行為的主要因素。重點(diǎn)、難點(diǎn)：聚合物流變性與加工條件的關(guān)系影響聚合物流變行為的主要因素。第一章聚合物的加工性質(zhì)和流變性質(zhì)第2頁(yè)/共24頁(yè)第一節(jié)聚合物材料的加工性一、聚合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和力學(xué)性質(zhì)玻璃態(tài)：T<Tg（結(jié)晶聚合物為結(jié)晶態(tài)）高彈態(tài)：Tg～Tf（Tm）

粘流態(tài)：T>Tf（Tm）

三種物理狀態(tài)：聚合物加工性質(zhì)：可擠壓性、可模塑性、可紡性、可延性。1、聚合物的結(jié)構(gòu)及其在加工過(guò)程中變化聚合物在加工過(guò)程所表的許多性質(zhì)和行為都與聚合物的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)和纏結(jié)以及聚集態(tài)所處的力學(xué)狀態(tài)有關(guān)。第3頁(yè)/共24頁(yè)聚合物從一種聚集態(tài)→另一種聚集態(tài)的影響因素：（1）聚合物的分子結(jié)構(gòu)；（2）聚合物體系的組成；（3）聚合物所受應(yīng)力；（4）環(huán)境溫度；當(dāng)聚合物組成一定時(shí)，在一定外力作用下，聚集態(tài)的轉(zhuǎn)變主要與溫度有關(guān)聚合物聚集態(tài)不同主價(jià)鍵次價(jià)鍵內(nèi)聚能不同性能不同聚合物對(duì)加工技術(shù)的適用性不同第4頁(yè)/共24頁(yè)(1)玻璃態(tài)（Tb<T

<Tg）聚合物為堅(jiān)硬固體聚合物的主價(jià)鍵和次價(jià)鍵形成的內(nèi)聚能，使材料具有相當(dāng)大的力學(xué)強(qiáng)度。外力作用下，大分子鏈上僅鍵長(zhǎng)、鍵角發(fā)生形變，形變極小。不易大變形加工，只能進(jìn)行機(jī)械加工。非晶態(tài)的塑料和纖維在此溫度范圍內(nèi)可以應(yīng)用。2、線性聚合物聚集態(tài)與加工方法的關(guān)系第5頁(yè)/共24頁(yè)(2)高彈態(tài)(Tg<T

<Tf)

聚合物為類橡膠狀彈性體模量變小，形變能力顯著增強(qiáng)，但仍可逆。非晶聚合物：在Tg-Tf溫度區(qū)間近Tf側(cè)，強(qiáng)力成型，Tg以下使用。結(jié)晶聚合物：Tg-Tm之間拉伸成型第6頁(yè)/共24頁(yè)(3)粘流態(tài)

Tf/

Tm<T

<

Td聚合物為熔體整個(gè)大分子能移動(dòng)，呈塑性，模量最低，較小外力能引起宏觀移動(dòng)，形變不可逆。在Tf以上不高的溫度，為類橡膠流動(dòng)行為，可壓延、擠出和吹塑成型等。比Tf更高溫度，模量降到最低值，形變主要是不可逆的粘性形變，冷卻能將形變永久保持下來(lái)，常用來(lái)熔紡、注射、擠出、吹塑和貼合等。當(dāng)Td<T時(shí)易引起聚合物分解，降低產(chǎn)品的物理機(jī)械性能.第7頁(yè)/共24頁(yè)二、高分子材料的加工性（1）定義：指聚合物通過(guò)擠壓作用形變時(shí)獲得形狀和保持形狀的能力。（2）可擠壓性特點(diǎn)及影響因素聚合物處于粘流態(tài)時(shí)才能通過(guò)擠壓獲得形變。擠壓過(guò)程中，聚合物熔體主要受剪切作用--可擠壓性主要取決于熔體的剪切粘度和拉伸粘度。大多數(shù)聚合物熔體的粘度隨剪切力或剪切速率增大而降低。擠壓性質(zhì)與聚合物的流變性、熔融指數(shù)和流動(dòng)速率密切有關(guān)。擠壓過(guò)程聚合物熔體的流動(dòng)速率隨壓力增大而增加，1、聚合物的可擠壓性第8頁(yè)/共24頁(yè)毛細(xì)管直徑：d=1.05毫米，L/d=4.75圖PP在不同溫度下的流動(dòng)速率在同一溫度下，壓力增大，流動(dòng)速率增大；在同一壓力下，溫度升高，流動(dòng)速率增大

第9頁(yè)/共24頁(yè)熔融指數(shù)：在一定壓力（通常是2160克）和一定溫度下，10分鐘內(nèi)聚合物從出料孔擠出的重量。又稱為熔體流動(dòng)指數(shù)，簡(jiǎn)寫(xiě)為[MI]或[MFR]。用來(lái)評(píng)價(jià)熱塑性聚合物擠壓性的一種簡(jiǎn)單而實(shí)用的方法。用熔融指數(shù)儀測(cè)定。（3）可擠出性測(cè)定與表征

此儀器只測(cè)定給定剪應(yīng)力下聚合物的流動(dòng)度，簡(jiǎn)稱流度φ，即粘度的倒數(shù)φ=1/η。第10頁(yè)/共24頁(yè)Flory的經(jīng)驗(yàn)式：式中A和B均為常數(shù)[MI]實(shí)質(zhì)反映聚合物分子量大小：分子量較高的聚合物比分子量較低的聚合物更易纏結(jié)，分子體積更大----流動(dòng)阻力較大，表現(xiàn)出較高的粘度和低的流動(dòng)度，[MI]低；反之，分子量低流動(dòng)度高的聚合物[MI]值較大。用[MI]能方便的表示聚合物流動(dòng)性的高低，對(duì)于成型加工中材料的選擇和適用性有參考的實(shí)用價(jià)值第11頁(yè)/共24頁(yè)加工方法產(chǎn)品所需材料的（MI）加工方法產(chǎn)品所需材料的（MI）擠出成型管材片材、瓶薄壁管電線電纜薄片單絲繩多股絲或纖維<0.10.1-0.50.1-10.5-1≈1注射成型涂布真空成型瓶（玻璃狀物）膠片（流涎薄膜）模壓制件薄壁制件涂敷紙制件1-29-151-23-69-150.2-0.5某些加工方法適宜的熔融指數(shù)值第12頁(yè)/共24頁(yè)2、聚合物的可模塑性（1）定義：指材料在溫度和壓力作用下形變和在模具中模制成型的能力。具可模塑性的材料可通過(guò)注射、模壓和擠出等成型方法制成各種形狀的模塑制品。（2）影響因素：材料的流變性、熱性質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)性和其它物理力學(xué)性質(zhì)等。

（3）測(cè)定與表征：模塑面積圖、螺旋流動(dòng)實(shí)驗(yàn)。第13頁(yè)/共24頁(yè)◆溫度過(guò)高，熔體流動(dòng)性大，易成型，但會(huì)引起分解，制品收縮率大?！魷囟冗^(guò)低，熔體粘度大，流動(dòng)困難，成型性差，制品形狀穩(wěn)定性差?！暨m當(dāng)增加壓力，能改善聚合物的流動(dòng)性，但過(guò)高的壓力將引起溢料、增大制品內(nèi)應(yīng)力?！魤毫^(guò)低，造成缺料。a、模塑面積圖模塑最佳區(qū)域。第14頁(yè)/共24頁(yè)b、螺旋流動(dòng)試驗(yàn)熔體入口聚合物熔體在注射壓力推動(dòng)下，由中部注入模具中，伴隨流動(dòng)過(guò)程熔體逐漸冷卻并硬化為螺線。螺線的長(zhǎng)度反映不同種類或不同級(jí)別聚合物流動(dòng)性的差異。Holmes認(rèn)為：在高剪切速率下，螺線的極限長(zhǎng)度是加工條件和聚合物流變性與熱性能兩組變數(shù)的函數(shù)：螺線愈長(zhǎng)，聚合物的流動(dòng)性愈好。第15頁(yè)/共24頁(yè)螺旋流動(dòng)試驗(yàn)可獲取的信息：聚合物在寬廣的剪切應(yīng)力和溫度范圍內(nèi)的流變性質(zhì)；模塑時(shí)溫度、壓力和模塑周期等的最佳條件；聚合物分子量和配方中各種添加劑成分和用量對(duì)模塑材料流動(dòng)性和加工條件的影響關(guān)系；成型模具澆口和模腔形狀與尺寸對(duì)材料流動(dòng)性和模塑條件的影響。第16頁(yè)/共24頁(yè)3、聚合物的可紡性

可紡性是指聚合物材料通過(guò)加工形成連續(xù)的固態(tài)纖維的能力。可紡性要求：（1）熔體從噴絲板毛細(xì)孔流出后能形成穩(wěn)定細(xì)流。熔體細(xì)流的穩(wěn)定性:第17頁(yè)/共24頁(yè)聚合物的可紡性要求（2）具有可紡性的聚合物還須有較高的熔體強(qiáng)度。

紡絲細(xì)流的熔體強(qiáng)度與紡絲時(shí)拉伸速度的穩(wěn)定性和材料的凝聚能密度有關(guān)。不穩(wěn)定的拉伸速度、較小的材料凝聚能容易出現(xiàn)凝聚性斷裂。對(duì)一定聚合物，熔體強(qiáng)度隨熔體粘度增大而增加。（3）在紡絲條件下，具有良好的熱和化學(xué)穩(wěn)定性。第18頁(yè)/共24頁(yè)4、聚合物的可延性（1）定義：無(wú)定形或半結(jié)晶固體聚合物在一個(gè)方向或二個(gè)方向上受到壓延或拉伸時(shí)變形的能力。（2）表征---應(yīng)力--應(yīng)變曲線聚合物拉伸時(shí)典型的應(yīng)力-應(yīng)變圖oa--普彈形變，模量高，形變值??；ab---材料抵抗形變的能力開(kāi)始降低，出現(xiàn)形變加速的傾向，由普彈形變轉(zhuǎn)為高彈形變。在σy的持續(xù)作用下，形變由彈性形變發(fā)展為塑性形變。第19頁(yè)/共24頁(yè)材料拉伸發(fā)熱，溫度升高，形變加速，并出現(xiàn)細(xì)頸。應(yīng)變軟化：因形變引起發(fā)熱，使材料變軟形變加速的作用。細(xì)頸的出現(xiàn)說(shuō)明在屈服應(yīng)力下聚合物中結(jié)構(gòu)單元因拉伸而開(kāi)始取向。隨取向程度提高，大分子間作用力增大，聚合物粘度升高，表現(xiàn)出“硬化”傾向，形變趨于穩(wěn)定而不再發(fā)展--“應(yīng)力硬化”--材料模量增加，抵抗形變能力增大，引起形變的應(yīng)力也相應(yīng)升高。應(yīng)力達(dá)e點(diǎn)，材料因不能承受應(yīng)力作用而破壞，σb稱抗張強(qiáng)度，εb

稱斷裂伸長(zhǎng)率。第20頁(yè)/共24頁(yè)半結(jié)晶聚合物拉伸在稍低于Tm溫度進(jìn)行，非晶聚合物在接近Tg溫度進(jìn)行。適當(dāng)?shù)厣邷囟?，材料的可延伸性能進(jìn)一步提高。拉伸過(guò)程的應(yīng)力硬化限制聚合物分子的流動(dòng)，阻止拉伸比的進(jìn)一步提高。聚合物的可延性取決于材料產(chǎn)生塑性形變的能力和應(yīng)變硬化作用。形變能力與固體聚合物所處的溫度有關(guān)，在Tg～Tm/Tf溫度區(qū)間聚合物分子在一定拉應(yīng)力作用下能產(chǎn)生塑性流動(dòng)。

（3）特點(diǎn)第21頁(yè)/共24頁(yè)三、聚合物在加工過(guò)程中的粘彈行為

聚合物在加工過(guò)程中于不同條件下會(huì)分別表現(xiàn)出固體和液體的性質(zhì)，即表現(xiàn)出彈性和粘性。由于聚合物大分子的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)和大分子運(yùn)動(dòng)的逐步性，聚合物的形變和流動(dòng)不可能是純彈性的或純粘性的，而是彈