第五章高分子材料混合与设备

高分子材料成型加工第五章高分子材料混合与制备高分子材料成型加工高分子材料是以高分子化合物为主体，加上其他添加剂组成的多相复合体系。对绝大部分高分子材料而言，都不是单独使用高分子化合物。其原因是：1.性能单纯，不能满足多种制品的使用要求，如单纯聚合物老化严重；2.不能满足某些成型方法的特定要求，成型工艺性能差；3.价格、成本高；Polymerproductsarerarely“pure”materials.Mostoftentheyaremixtures,orcompounds:高分子材料成型加工加入其它物料的目的：•改善高分子材料制品的使用性能(强度、耐热性、抗冲性）•改善成型工艺性能（粘度、弹性、降低粘流温度）•降低成本高分子材料成型加工CompoundingProcessesAdditivesareroutinelyaddedtomodifyorimproveproperties.Theseadditivesmustbeincorporatedintothepolymerpriortothefinalshapingoperation.Polymerblendsandalloys,producedbymixingtogethertwoormorepolymerstogenerateamaterialwithawiderrangeofproperties,arefindingincreasinguse.高分子材料成型加工工业上用作成型的塑料根据成型工艺的不同和成型设备的不同有粉料、粒料、分散体（溶胶塑料、糊塑料）和溶液等四种。粉料：主要用于双螺杆挤出机的挤出成型，压延成型，滚塑。粒料：主要用于单螺杆挤出机的挤出成型，注射成型。分散体：主要用于涂覆成型，搪塑。溶液：主要用于流涎成型，浇铸成型。工业上以粉料、粒料为主复合物的形态高分子材料成型加工成型所用的物料一般都是树脂和助剂的混合物，为了使在配方中占很小比例的各种助剂充分发挥其作用，就必须将树脂和助剂体系，采取混合操作，使其尽可能地成为均匀体系。Mixing(orcompounding)isavitalstepinpolymerprocessing,asthemechanical,physicalandchemicalproperties,aswellastheappearanceofthefinalproductdependstronglyonattainingauniformcomposition.高分子材料成型加工第一节混合与分散一、混合的类型1.简单混合（非分散混合）：粒子初始尺寸不减小，增加粒子分布均匀性。2.分散混合：粒子尺寸减小至极限值，增加粒子分布均匀性和相界面。混合和分散，一般是同时进行和同时完成的。在混合过程中，由于机械搅拌、研磨、粉碎作用，使被混物料的粒子不断减小，达到均匀分散的目的。高分子材料成型加工高分子材料成型加工Inalmostallcases,gooddistributionANDgooddispersionarerequired.•Distributivemixingcanbeachievedbyprovidingconvoluted旋绕的flowpathsthatsplitandreorienttheflowrepeatedly.主要通过对流实现。•Dispersivemixingcanbeachievedbypassingthemixturethroughsmallregionsofintensedeformation.靠强迫混合物通过窄间隙而形成的高剪切区来完成。Mixing高分子材料成型加工DistributiveMixingDistributivemixinginvolvesstretching,dividingandreorientingtheflowofthepolymermeltcompoundinordertoeliminatelocalvariationsinmaterialdistributionandproduceamorehomogeneousmixture.Distributivemixersmustimposehighstrainonthematerialtogetherwithsplittingandreorientingtheflow.Achievedbyintroducingbarrierswithlargeclearancesthatgeneratealong,convolutedflowpath.高分子材料成型加工DispersiveMixingDispersivemixinginvolvesgeneratinghighstresses(shearandelongational)inthematerialtobreakdowndispersedparticles.Theseparticlesmaybeinsolublefillers(composites)orasecondpolymermelt(blend).Dispersivemixersforcethematerialtoflowoverbarriersthatformnarrowclearances间空，间隔；距离betweenmixingelements(i.e.betweenextruderwallandascrewelement).高分子材料成型加工Brodkey混合理论分子扩散混合的基本运动形式涡流扩散体积扩散二.混合机理高分子材料成型加工分子扩散由浓度梯度驱使自发地发生的一种过程，各组分的微粒由浓度较大的区域迁移到浓度较小的区域，从而达到各处组分的均化。不同物态的物料，其分子扩散的程度不同。聚合物的混合是高黏度熔体间的混合，不是靠分子扩散实现。但低分子组分在聚合物熔体中的混合，可通过分子扩散实现。高分子材料成型加工混合物料的状态分子扩散的程度气体与气体间的混合较快地、自发地进行低黏度液体与低黏度液体间的混合也能较显著地进行低黏度液体与固体间的混合高黏度液体与高黏度液体间的混合不显著，较困难地进行高黏度液体与固体间的混合固体与固体间的混合极慢，很难进行高分子材料成型加工涡流扩散（紊流扩散）紊流扩散的必要前提是体系粘度很低，或物料运动的速度很高，达到紊流的程度。由于高分子熔体或浓溶液粘度很高，要达到紊流，必须有很高的流速。聚合物熔体的流速很高时，剪切速率一定也很高，会造成聚合物降解，成型加工中不允许。因此，聚合物加工中通常很少发生涡流扩散。高分子材料成型加工体积扩散（对流扩散）流体质点、液滴或固体粒子由系统的一个空间位置向另一个空间位置的运动，或两种或多种组分在相互占有的空间内发生运动，以期达到各组分的均匀分布。在聚合物加工中，体积扩散占支配地位。体积扩散机理体积对流混合：固体粒子之间物料不变形体积重排剪切、挤压层流对流混合：熔体间物料变形体积重排剪切、挤压、伸长高分子材料成型加工物料分散的关键是使物料发生形变和重新分布，以及克服颗粒凝聚所需的外加作用力。高分子材料成型加工常见的操作过程有：•混合：指粉状固体物混合；•捏合：指液体和粉状物料的混合；•塑炼：指塑性物料与液体或固体物料间的混合。塑炼一般是在高于流动温度以上且在较强的剪切速率下进行的。塑炼后物料中各组分的化学性质或物理性质会有所改变。如聚合物产生降解反应或粘度发生变化。而混合、捏合都是在Tg和较缓和的剪切速率下进行的，混合后的物料各组分本质上基本没变化。高分子材料成型加工1.“分布”由“置换”来完成；2.“剪切”为进行“置换”起辅助作用；3.“压缩”则是提高物料的密度，为提高“剪切”速率起辅助作用。混炼三要素三者的关系：•混炼三要素•压缩•剪切•分配置换高分子材料成型加工在聚合物混合过程中，混合机理包括了作用：剪切分流、合并和置换挤压（压缩）拉伸聚集影响这些作用在同一个混合过程中所处地位的因素：混合的最终目的、物料的状态、温度、压力、速度等。高分子材料成型加工剪切的类型：粘性、分割、磨碎剪切的作用：把高粘度分散相的粒子或凝聚体分散于其它分散介质中。物料受剪切作用后，发生变形、拉长，但体积没有发生变化，于是截面变细，向倾斜方向伸长，表面积增大，渗进别的物料的可能性增加，从而达到混合均匀的目的。高分子材料在挤出机内的混合过程主要是靠剪切作用来达到的，螺杆旋转时物料在螺槽和料筒间所受到的剪切作用，可以设想为在两个无限长的平行板之间进行。⑴剪切高分子材料成型加工用图说明：物料块在力的剪切作用下，结果物料块变形，被偏转拉长。体积没变，只是截面积增大，分布区域扩大。进入另外的物料中占有空间的机会加大，同时渗透进入其它物料的可能性增大。F高分子材料成型加工剪切的混合效果与剪切力的大小和力的作用距离有关，还与剪切力的方向是否连续改变有关。剪切力的作用距离越小，受剪切的物料被拉得越长，变形大，有利于与其它物料接触，混合效果好。高分子材料成型加工如果作用力F与平面具有一定角度的话，则在垂直方向上产生分力，这个分力能造成层与层之间的流动，从而大大增强了混合效果。因此通常在生产中希望使物料能连续承受两个相互为90°的剪切力的交替作用来提高混合效果。但混合中物料只受到水平方向剪切力作用，所以通常用交换物料的受力位置来达到这一目的。高分子材料成型加工另外，塑料在双螺杆挤出机中混合效果要比单螺杆效果好。因为塑料在双螺杆中连续承受互为90°的两个方向的剪切力的交替作用，层与层之间对流效果特别好。剪切作用三要点：剪切力要大；作用力的距离要小；要不断改变物料的受力方向。高分子材料成型加工⑵分流、合并和置换利用器壁，对流动进行分流，即在流体的流道中设置突起状或隔板状的剪切片，对流动进行分流。分流后：分流束在流动下游再合并为原状态；在各分流束内引起循环流动后再合并；在各分流束进行相对位置交换（置换）后再合并；以上几种过程一起作用的情况。高分子材料成型加工高分子材料成型加工（3）挤压当物料被压缩时，物料内部会发生流动，产生由于压缩而引起的流动剪切。这是由于压缩使物料密度增大，剪切时剪应力作用大而引起的。这种由挤压（压缩）引起的流动在密炼机、开炼机和挤出机中都存在。高分子材料成型加工（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）聚集在混合过程中，已破碎的分散相在热运动和微粒间相互吸引力的作用下，重新聚集在一起，这是混合的逆过程。混合中应尽量减少这种效应。高分子材料成型加工最后指出，在实际混合过程中，剪切，分流、合并和置换，挤压（压缩），拉伸，聚集是同时作用的，只是在一定条件下其中的某一种占优势而已。但不管那种作用，除了造成层内流动外，还应造成层间流动，才能达到最好混合效果。高分子材料成型加工1、混合状态的直接判定直接对聚合物取样、观察、分析和判定。三.混合效果的评定混合状态的直接判定高分子材料成型加工•液体物料：分析混合物不同部分的组成。若不同部分的组成与整个物料的平均组成一致，或相差很小，说明混合效果好；反之，则差。•固体物料和塑性物料：要从物料的分散程度和混合物的均匀程度两方面考虑。高分子材料成型加工主要讨论固体和塑性物料的混合效果。(1).均匀程度均匀程度是指混入物所占物料的比率与总体比率的差异。如果从混合物中任意位置取样，分析各组分的比率，如果分析结果与总体比率越接近，就表明试样的混合均匀程度较高，混合效果越好。但是，用均匀程度来评定混合效果，取样点不能太少，取样点很少时，不能反映全体物料的实际和分散情况，应该从混合物各组分取多个试样进行分析。三.混合效果的评定高分子材料成型加工高分子材料成型加工高分子材料成型加工仅仅用均匀程度来评定混合效果是不够的，有时还不能反映出物料混合效果。例如某一混合物，甲乙两组分各占50%，如果任意取两个试样进行分析，结果也是接近50%。从均匀程度上可以说混合效果很好，但是在这种情况下还会有两种不同情况。从分散程度来看，显然第二种情况混合效果是不好的。因此仅仅从均匀程度是不能完全评定混合效果的，必须还要考虑物料的分散程