高分子材料的加工性质

高分子通常可以分为线型高分子和体型高分子，但体型高分子也是由线型高分子或某些低分子物质与分子量较低的高分子通过化学反应而得到的。线型高分子的分子具有长链结构，在其聚集体中它们总是彼此贯穿、重迭和缠结在一起。在高分子中，由于长链分子内和分子间强大吸引力的作用，使高分子表现出各种力学性质。高分子在加工过程所表现的许多性质和行为都与高分子的长链结构和缠结以及聚集态所处的力学状态有关。

根据高分子所表现的力学性质和分子热运动特征，可将其划分为玻璃态、高弹态和粘流态，通常称这些状态为聚集态。高分子的分子结构、高分子体系的组成、所受应力和环境温度等是影响聚集态转变的主要因素，在高分子及其组成一定时，聚集态的转变主要与温度有关。不同聚集态的高分子，由于主价健与次价健共同作用构成的内聚能不同而表现出一系列独特的性质，这些性能在很大程度上决定了高分子材料对加工技术的适应性，并使高分子在加工过程表现出不同的行为。

高分子在加工过程中都要经历聚集态转变，了解这些转变的本质和规律就能选择适当的加工方法和确定合理的加工工艺，在保持高分子原有性能的条件下，能以最少的能量消耗，高效率地制备良好的产品。

玻璃态高分子不宜进行引起大变形的加工，表现为坚硬的固体，但可通过车、铣、削、刨等进行加工。在玻璃化温度Tg以下的某一温度，材料受力容易发生断裂破坏，这一温度称为脆化温度，它是材料使用的下限温度。

在Tg以上的高弹态，高分子的模量减少很多，形变能力显著加大。在Tg－Tf温度区靠近Tf，由于高分子的粘性很大，可进行某些材料的真空成型、压力成型、压延和弯曲成型等。把制品温度迅速冷却到Tg以下温度是这类加工过程的关键。Tg是选择合理应用材料的重要参数，同时也是大多数高分子加工的最低温度。

在Tf以上，高分子化合物转变为粘流态，通常又将这种液体状态的高分子称为熔体。材料在Tf以上不高的温度范围表现出类橡胶流动行为。这一转变区域通常用来进行压延成型、某些挤出成型和吹塑成型等。比Tf更高的温度使分子热运动大大激化，材料模量降到最低值，这时高分子熔体形变的特点是不大的外力就能引起宏观流动，这时形变中主要是不可逆的粘性变形，冷却高分子就能将形变永久保持下来，这一温度范围常用来进行熔融纺丝、注射、挤出、吹塑和贴合等加工。过高的温度将使高分子的粘度大大降低，不适当的增大流动性容易引起溢料、形状扭曲、毛丝断裂等现象。温度高到分解温度Td附近还会引起高分子化合物的分解，以致降低产品物理机械性能或引起外观不良。

高分子在加工过程中常受到挤压作用，可挤压性是指高分子化合物通过挤压作用变形时获得形状和保持形状的能力。在挤压过程中，高分子熔体主要受到剪切作用，故可挤压性主要取

决于熔体的剪切粘度和拉伸粘度。大多数高分子化合物熔体的粘度随剪切力或剪切速率增大而降低。如果挤压过程材料的粘度很低，虽然材料有良好的流动性，但保持形状的能力较差；相反，熔体的剪切粘度很高时则会造成流动和成型的困难。材料的挤压性质还与加工设备的结构有关。挤压过程高分子熔体的流动速率随压力增大而增加，通过流动速率的测量可决定加工时所需要的压力和设备的几何尺寸。材料的挤压性质与高分子的流变性，熔融指数和流变速率密切有关。

高分子的可模塑性是指材料在温度和压力作用下形变和在模具中模制成型的能力。具有可模塑性的材料可通过注射、模压和挤出等成型方法制成各种形状的模塑制品。可模塑性主要取决于材料的流变性，热性质和其他物理力学性质等，在热固性高分子的情况下还和高分子的化学反应性有关。过高的温度，虽然熔体的流动性大，易于成型，但会引起分解，制品收缩率大；温度过低熔体粘度大，流动困难，成型性差；因弹性发展，明显的使制品形状稳定性差。适当增加压力，通常能改善高分子的流动性，但过高的压力将引起溢料和增大制品内应了；压力过低时则造成缺料。模塑条件不仅影响高分子的可模塑性，且对制品的力学性能、外观、收缩以及制品中的结晶和取向等都有广泛影响。热性能影响高分子加工与冷却的过程，从而影响熔体的流动性和硬化速度，因此也会影响高分子制品的性质。模具的结构尺寸也影响聚合物的模塑性，不良的模具结构甚至会使成型失败。

可纺性是指高分子材料通过加工形成连续的固态纤维的能力。它主要取决与材料的流变性质，熔体粘度、熔体强度以及熔体的热稳定性和化学稳定性等。纺丝材料，首先要求熔体从喷丝板毛细孔流出后能形成稳定细流。细流的稳定性通常与由熔体从喷丝板的流出速度，熔体的粘度和表面张力组成的数群有关。纺丝过程由于拉伸和冷却的作用都使纺丝熔体粘度增大，也有利于增大纺丝细流的稳定性。但随纺丝速度增大，熔体细流受到的拉应力增加，拉伸变形增大，如果熔体的强度低将出现细流断裂。故具有可纺性的高分子还必须具有较高的熔体强度。不稳定的拉伸速度容易造成纺丝细流断裂。当材料的凝聚能较小时也容易出现凝聚性断裂。对一定高分子，熔体强度随熔体粘度增大而增加。作为纺丝材料还要在纺丝条件下，高分子有良好的热和化学稳定性，因为高分子在高温下要停留较长的时间并要经受在设备和毛细孔中流动时的剪切作用。

可延性表示无定形或半结晶固体高分子在一个方向或两个方向上受到压延或拉伸时变形的能力。材料的这种性质为生产长径比很大的产品提供了可能，利用高分子的可延性，可通过压延或拉伸工艺生产薄膜、片材和纤维。但工业生产仍以拉伸法用的最多。线型高分子的可延性来自大分子的长链结构和柔性。可延性取决于材料产生塑性形变的能力和应变硬化作用。形变能力与固体高分子所处的温度有关，在Tg－Tm温度区间高分子化合物的分子在一定拉力作用下能产生塑性流动，以满足拉伸过程材料截面积尺寸减小的要求。对半结晶高分子拉伸在稍低于Tm以下的温度进行，非晶体高分子则在接近Tg的温度进行。适当地升高温度，材料的可延性能进一步提高，拉伸比可以更大，甚至一些延伸性较差的高分子也能进行拉伸。通常把在室温至Tg附近的拉伸称为“冷拉伸”，在Tg以上的温度下的拉伸称为“热拉伸”。当拉伸过程高分子发生“应力硬化”后，它将限制聚合物分子的流动，从而阻止拉伸比的进一步提高。