高分子材料加工工艺精Word文件下载.docx

1、1、改善高分子材料制品的使用性能；2、改善成型工艺性能；3、降低成本。高分子材料成型加工前的准备工艺：由于高分子材料由多种组分组成，因此在成型前必须要将各种组分相互混合，制成合适形态的物料再进行成型加工，这一过程就称为混合，又称为配料，实施上是成型加工前的准备工艺。为何需要在成型前进行准备？1、不同的高分子材料成型工艺，对原料高分子材料形态有不同的要求。生产橡胶制品：先要按配方把生胶和配合剂混合均匀，制成混炼胶、片状胶条等。生产塑料制品：先要按配方把树脂和配合剂混合均匀，制成粉料、粒料、片状、溶液或糊状分散体等。然后再将混炼胶、粉料、粒料、溶液或分散体制成所需要的几何形状。这些物料的配制工艺过

2、程实际上是橡胶塑料制品成型前的准备工艺。合成纤维成型前的准备工艺比较简单，但溶液纺丝也要配制聚合物溶液。2、各种配合剂需要进行预处理3、聚合物原料在运输、贮存过程中会造成性质变劣或混入杂质，需要在成型前进行预处理4、聚合物与不同的配合剂需要在成型前进行有效地混合5、成型加工的物料必须经过精确计量高分子材料的性能和形状可以是干差万别，成型工艺各不相同，但成型前的准备工艺基本相同，关键是靠混合来形成均匀的混合物，只有把高分子材料各级分相互混在一起成为均匀的体系，生产出合格的混炼胶和各种形态的塑料才有可能得到合格的橡胶制品和塑料制品。第一节 混合与分散理论一、混合机理混合的定义：混合是一种操作，是一

3、个过程，是一种趋向于减少混合物非均匀性的操作，是在整个系统的全部体积内各组分在其基本单元没有本质变化的情况下的细化和分布过程。 1、扩散 混合中组分非均匀性的减少和组分的细化是通过各组分的物理运动来完成的。按照Erodkey混合理论，混合涉及到三种扩散的基本运动形式，即分子扩散、涡流扩散和体积扩散。（1）分子扩散。是由浓度梯度驱使自发地发生的一种过程，各组分的微粒子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。分子扩散在气体和低粘度液体中占支配地位。在气体与气体之间的混合，分子扩散能较快地、自发地进行。在液体与液体或液体与固体间的混合，分子扩散作用也较显著（虽然比气相扩散慢得多

4、）。但在固体与固体间，分子扩散极慢，因此聚合物熔体与熔体的混合不是靠分子扩散来实现的，但若参与混合的组分之一是低分子物（如抗氧剂、发泡剂、颜料等），则分子扩散可能也是一个重要因素。（用课件插图，加入了高粘度高分子熔体的扩散与分散）（2）涡流扩散，即素流扩散。在化工过程中，流体的混合一般是靠系统内产生紊流来实现的，但在聚合物加工中，由于物料的运动速度达不到紊流，而且粘度又高，故很少发生涡流分散。要实现紊流，熔体的流速要很高，势必要对聚合物施加极高的剪切速率，但这是有害的，会造成聚合物的降解，因而是不允许的。（3）体积扩散，即对流混合。是指流体质点、液滴或固体粒子由系统的一个空间位置向另一空间位置

5、的运动，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，这种混合占支配地位。对流混合通过两种机理发生：一种叫体积对流混合，通过塞流对物料进行体积重新排列，而不需要物料连续变形，这种重复的重新排列可以是无规的，也可以是有序的。（可发生在固体物料间，或液体物料间）另一种叫层流对流混合，层流对流混合是通过层流而使物料变形，它发生在熔体之间的混合，在固体粒子之间的混合不会发生层流混合。层流混合中，物料要受到剪切、伸长（拉伸）和挤压（捏合）。2、混合过程要素混合的目的：就是使原来两种或两种以上各自均匀分散的物料从一种物料按照可接受的概率分布到另一种物料中去，以便得到组

6、成均匀的混合物。然而，在没有分子扩散和分子运动的情况下，为了达到所需的概率分布，混合问题就变为一种物料发生形变和重新分布的问题，而且如果最终物料颗粒之间不是互相孤立的，分散的颗粒就有一种凝聚的趋势。因此，要混合分散得好，必须要有外加的作用力（剪切力）来克服颗粒分散后所发生的凝聚。物料分散的关键：是需要外加的作用力（主要是剪切力），使物料发生形变和重新分布，并克服颗粒凝聚。粘性流体的混合要素：剪切、分流和位置交换。按分散体系的流变特性，混炼操作可分为：搅拌、混合和混炼。混炼的三要素：压缩、剪切和分配置换，整个混炼分散操作是由这三要素多方面反复地进行完成的。混炼三要素P-压缩；S-剪切；D-置换混

7、炼三要素的关系：“分布”由“置换”来完成，“剪切”为进行“置换”起辅助作用，“压缩”则是提高物料的密度，为提高“剪切”作用速率而起辅助作用。分散混合过程是个动态平衡过程，在定的剪切应力场作用下，分能相不断破碎，在分子热运动下又重新集聚，达到平衡后，分散相才将到该条件下的平衡粒径。分散过程示意图在聚合物混合过程中，混合机理：包括“剪切”、“分流、合并和置换”、“挤压（压缩）”“拉伸”、“集聚”诸作用，而这些作用并非在每一混合过程中等程度地出现，它们的出现及其占有的地位因混合最终目的、物料的状态、温度、压力、速度等的不同而不同。（1）剪切。剪切在高粘度分散相的混炼操作中是最重要的，也是“分散混炼三

8、要素”中最重要的。剪切有介于两块平行板问的物料由于板的平行运动而使物料内部产生永久变形的“粘性剪切”，也有刀具切割物料的“分割剪切”，也有由以上两种剪切合成的如石磨磨碎东西时的“磨碎剪切”。剪切的作用是把高粘度分散相的粒子或凝聚体分散于其他分散介质中。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，可以设想为在二个无限长的平行板之间进行。在两个无限长的平行板间流体和粒子之间剪切混合示意图（黑色方块代表粒子） 利用剪切力的混合作用，特别适用于塑性物料、因为塑性物料的粘度大，流动性差，又不能粉碎以增加分散程度。应用剪切作用时，由于两个剪切力的距

9、离一般总是很小的，因此物料在变形过程中，就能很均匀地被分散在整个物料中。提高剪切混合效果的因素：提高剪切速率，混合效果提高；改变剪切方向，混合效果提高。在混合过程中，水平方向的作用力仅使物料在自身的平面（层）流动；如果作用力F与平面具有一定角度，则在垂直方向产生分力，则能造成层与层间的物料流动，从而大大增强了混合效果。故在生产中最好能不断作90度角度的改变，即使物料能连续承受互为90度角度的两个方向剪切力的交替作用，以提高混合效果。通常在物料混炼中，主要不是直接改变剪切力的方向，而是变换物料的受力位置来达到这一日的。例如在双辊开炼机混炼时，就是通过机械或人力翻动的办法来不断改变物料的受力位置，

10、从而更快更好地完成混合。（2）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，进行分流。分流后，有的在流动下游再合并为原状态，有的在各分流束内引起循环流动后再合并，有的在各分流束进行相对位置交换（置换）后再合并，还有以上几种过程一起作用的情况。（3）挤压（压缩）。如果物料在承受剪切前先经受压缩，使物料密度提高，这样剪切时剪应力作用大，可提高剪切效率。而且当物料被压缩时，物料内部会发生流动，产生由于压缩引起的流动剪切。这种压缩作用发生在密炼机的转子突棱侧壁和室壁之间，也发生在两辊开炼机的两个辊隙之间。在挤出机中，由于螺槽由加料段到均化段，其深度是由深变法的

11、，因而对松散的固体物料进行了压缩，该压缩有利于固体输送，有利于传热熔融，也有利于物料受到剪切。挤压（压缩）（4）拉伸。拉伸可以使物料产生变形，减少料层厚度，增加界面，有利于混合。（5）聚集。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。对分散的粒度和分布来说，这是混合的逆过程。二、混合的分类1、按混合形式分类在制备混合物时，通常有两个基本的过程-分散和混合。混合是将两种组分相互分布在各自所占的空间中，即使两种或多种组分所占空间的最初分布情况发生变化。分散是指混合中一种或多种组分的物理特性发生了一些内部变化的过程，如颗粒尺寸减少或溶于其他组分中。混合可分为非分散混合和分散混合

12、。（1）非分散混合。在混合中仅增加粒子在混合物中分布均匀性而不减小粒子初始尺寸的过程称为非分散混合或简单混合。这种混合的运动基本形式是通过对流来实现的，可通过包括塞形流动和不需要物料连续变形的简单体积排列和置换来达到。它又分为分布性混合和层状混合。分布性混合主要发生在固体与固体、固体与液体、液体与液体之间；层状混合发生在液体与液体之间。（2）分散混合。是指在混合过程中发生粒子尺寸减小到极限值，同时增加相界面和提高混合物组分均匀性的混合过程。 在聚合物加工中，有时要遇到将呈现出屈服点的物料混合在一起的情况，如将固体颗粒或结块的物料加到聚合物中。例如填充或染色，以及将粘弹性聚合物液滴混合到聚合物熔

13、体中，这时要将它们分散开来，使结块和液滴破裂。分散混合的目的是把少数组分的固体颗粒和液满分散开来，成为最终粒子或允许的更小颗粒或液滴，并均匀地分布到多组分中，这就涉及少组分在变形粘性流体中的破裂问题，这是靠强迫混合物通过窄间隙而形成的高剪切区来完成的。分散混合时，主要机械现象和流变现象示意图 I-使聚合物和配合剂粉碎II-使粉末状和粒状配合剂渗入聚合物内III-分散 IV-分布均化1-聚合物； 2、3-任何粒状和粉状固体添加剂非分散混合和分散混合a-非分散混合 b-分散混合分散混合过程是一个复杂的过程，可以发生各种物理-机械和化学的作用：1）把较大的配合剂团聚体和聚合物团块破碎为适合于混合的较

14、小粒子；2）在剪切热和传导热的作用下，使聚合物熔融塑化，降低聚合物相的粘度；3）粉状或液状的较小粒子组分克服聚合物的内聚能，渗入到聚合物内；4）使较小粒子组分分散，即在剪应力的作用下，把配合剂聚集体或团聚体的尺寸减小到形成聚集体之前初始粒子的最小尺寸；5）固相最终粒子分布均化，使粒子发生位移，或均匀性；从而提高物料的熵或无规程度、随机性或均匀性；6）聚合物和活性填充剂之间产生力-化学作用，使填充物料形成强化结构。炭黑与橡胶的混合可以作为分散混合的一例。初始的炭黑团聚体在变形应力的作用下被粉碎成微观大小的或胶体大小的粒子，增加其总的表面积和与橡胶接触的表面积，从而达到增加胶料的均匀性的目的。在讨

15、论分散混合时，主要讨论固相在液相熔体中的分散，把液相视作层流混合，把液相的粘性拖曳对固相施加的力视作剪切力。对固体结块来说，当剪切对其形成的粘性拖曳在结块内产生的应力超过某个临界值时，结块就破裂。而固体结块是由很多更小的微粒靠它们之间的互相作用力（粘附力、内聚力、静电吸引力等）而聚集在一起的。这种相互作用力有一定的作用半径，只有这些微粒被分散得使其相互间的距离超过作用半径，才不会重新集聚，否则被分散的微粒可能重新集聚在一起。分散混合主要是通过剪应力起作用，为了获得大的剪应力，混合机的设计应引入高剪切区（即设置窄的间隙），保证所有固体颗粒重复地通过高剪切区。分散度取决于混合器内最大有效剪切速率和

16、通过次数，剪切速率越高，通过次数越多，分散越好。剪切应力的大小与粒子或结块的尺寸有关，分散能力随粒子或结块的大小面变化。在混合初始，由子粒于或结块较大，受到的剪应力大，易于破裂，故初始分散速度将取决于大粒子或结块的数量，而小粒子或结块的分散速度对总的分散速度起的作用是很小的。随着大粒子或结块粘度的降低，小粒子或结块对分散速度越来越起主导作用，但由于小粒子或结块受的剪应力变小，分散变得困难了，分散速度下降。而当粒子或结块的粘度达到某个临界值时，分散就完全停止了。剪应力大小与物料的粘度有关，粘度大，局部剪应力大，粒子或结块易破裂。而粘度又与温度有关，温度越高，粘度越低，因此希望在较低的温度下进行分

17、散混合。提高温合机的转数可以提高剪切速度，因而能增加分散能力。在间歇混合机中，提高转速还可以使物料更频繁地通过最大剪切区，有利于分散混合。2、按物料状态分类混合可分为固体与固体混合，液体与液体混合和液体与固体混合三种情况。（1）固体与固体混合。主要是固体聚合物与其他固体组分的混合。聚合物通常是粉状、粒状与片状，而添加剂通常也是粉状。在聚合物加工中，大多数情况下。这种混合都先于熔体混合，也先于成型。这种混合通常是无规分布性混合。（2）液体与液体混合。这种混合有两种情况，一种是参与混合的液体是低粘度的单体，中间体或非聚合物添加剂，另一种情况是参与混合的是高粘度的聚合物熔体，这两种情况的混合机理和动

18、力学是不同的。在聚合物加工中，发生在熔体之间的是层流混合。（3）固体与液体混合。有两种形式，一种是液态添加剂与固态聚合物的掺混，而不把固态转变成液态，另一种是将固态添加剂混到熔态聚合物中，而固态添加剂的熔点在混合温度之上，聚合物加工中的填充改性（加入团态填充剂）同这种混合。在聚合物加工中，液体和液体的混合、液体与固体的混合是最主要的混合形式，聚合物共混和填充改性是典型的例子。混合难易程度的比较三、混合状态的判定物料各组分混合是否均匀，质量是否达到顶期的要求，生产中混合终点的控制等都涉及到混合状态的判定。为了判定混合体系内各级分单元的均匀分布程度，必须采用合适的检验规模（对比尺度）。为此应该考虑

19、样品相对尺寸的大小，即使是粗混合物，如果用目测来分析，也会呈现为均匀状，而用显微镜来分析就会呈现非均匀状。在分子大小的检验规模下，任何混合物都是非均匀的。因此，绝对均匀的混合物是没有的，均匀性是与检验规模有关的。l、混合状态的直接描述法该法是直接对混合物取样，对其混合状态进行检验，观察混合物的形态结构、各组分微粒的大小及分布情况。所用的检测分析方法可以是视觉观察法，聚团计数法，光学显微镜法和电子显微镜法以及光电法。为了说明混合物的特性，引人混合物均匀性及组分粒子尺寸这两个概念，这是两个有着本质不同的衡量混合效果的指标。衡量混合效果需从物体的均匀程度和分散程度两方面来考虑。混合物示意图（a）、（

20、b）粗粉碎的 （c）、（d）细粉碎的（a）、（c）混合不好 （b）、（d）混合较好（1）均匀程度：指混入物所占物料的比率与理论或总体比率的差异。但就是相同比率的混合情况也是十分复杂的。两组分固体粒子的混合情况应从不同的部位取样分析，计算统计平均结果。平均结果越接近理论或总体比率，混合的均匀程度越好。生产实际中，由于混合、捏合和剪切的操作时间均很短，给分析测试带来一定困难，较多的是凭实际操作经验和目测。（2）分散程度。指混合体系中各个混入组分的粒子在混合后的破碎程度。破碎度大，粒径小，其分散程度就高；反之，粒径大，破碎程度小，则分散得不好。分散程度可以用同一组分的相邻粒子间平均距离来描述，距离越

21、短，分散程度越好。而同一组分的相邻粒子间距离的大小与各组分粒子的大小有关。粒子的体积越小，或在很合过程中不断减小粒子的体积，则可达到的均匀程度就越高。从几率的概念出发，同样质量或体积的试样，粒子越小，则相当质量的同种粒子集中于一局部位置的可能性越小，即微观分布越均匀。2、混合状态的间接判定混合状态的间接判定：是指不检查混合物各组分的混合状态，而检测制品或试样的物理性能、力学性能和化学性能等，间接地判断多组分体系的混合状态，因为这些性能往往与混合物的混合状态密切相关。聚合物共混物的玻璃化温度与两种聚合物组分分子级的混合均匀程度有直接关系。若两聚合物完全达到分子级的均匀混合，呈均相体系，则只有个玻

22、璃化温度，而且这个玻璃化温度值由两组分的玻璃化温度和各组分在共混物中所占的体积分数所决定。如果两组分聚合物共混体系完全没有分子级的混合，共混物就可测得两个玻璃化温度，而且分别等于两种聚合物独立存在时的玻璃化温度。当两组分聚合物有一定程度的分子级混合时，共混物虽仍有两个玻璃化温度，但这两个玻璃化温度相互靠近了，其靠近程度取决于共混物的分子级混合程度，靠近程度越大，分子级混合程度越大。因此，只要测出共混物的玻璃化温度及其变化情况，就可推测其分子级的混合程度。填充改性所得的混合物的力学性能除了与参与填充改性的聚合物种类、数量和填充剂的种类、数量以及偶联剂的使用与否和种类等一系列因素有关外，也与填充剂

23、与聚合物的混合状态有关，一般聚合物与填充剂混合得超均匀，混合物的力学性能越好，因此，我们也可以通过测定混合物试样或制品的力学性能来间接判定混合状态。第二节 混合设备混合设备是完成混合操作工序必不可少的工具，混合物的混合质量指标、经济指标（产量及能耗等）及其他各项指标在很大程度上取决于混合设备的性能。由于混合物的种类及性质各不相同，混合的质量指标也有不同，所以出现了各式各样的具有不同性能特征的混合设备。一、混合设备的分类混合设备根据其操作方式，一般可分为间歇式和连续式两大类；根据混合过程特征，可分为分布式和分散式两类；根据混合物强度大小，又可分为高强度、中强度和低强度混合设备。1、间歇式和连续式

24、间歇式混合设备的混合过程是不连续的。混合过程主要有三个步骤：投料、混炼、卸料，此过程结束后，再重新投料、混炼、卸料，周而复始。捏合机、开炼机等的混合操作即属间歇式。连续式混合设备的混合过程是连续的，如单、双螺杆挤出机和各种连续混合设备。由于是连续操作，故可提高生产能力，易实现自动控制，减少能量消耗，混合质量稳定，降低操作人员的劳动强度，尤其是配备相应装置后，可连续混合-成型，达一方面减少了工序，另一方向又可避免聚合物性能的降低，所以连续式混合设备是目前的发展趋势。尽管连续式混合设备较之间歇式混合设备有许多优点，但是，目前聚合物加工过程中的许多工序仍是间歇式的，加之间歇式混合设备发展历史早，在操

25、作中可随时调整混合工艺，特别是某些间歇式混合设备具有很高的混合强度，因而间歇式混合设备的使用仍很广泛。2、分布式和分散式分布混合设备主要具有使混合物中组分扩散、位置更换、形成各组分在混合物中浓度趋于均匀的能力，即具有分布混合的能力。代表性设备有重力混合器、气动混合器及一般用于干混合的中、低强度混合器等。分布混合设备主要是通过对物料的搅动、翻转、推拉作用使物料中各组分发生位置更换，对于熔体则可使其产生大的剪切应变和拉伸应变，增大组分的界面面积以及配位作用等达到分布混合目的。分散混合设备主要具有使混合物中组分粒度减小，即具有分散混合的能力。分散混合设备主要通过向物料施加剪切力、挤压力而达到分散目的

26、，如开炼机、密炼机等。分散混合能力与分布混合能力往往是混合设备同时具有的，因为任一混合过程总是同时有分散与分布的要求，只是由于要求的侧重点不同而己。3、高强度、中强度和低强度混合设备根据混合设备在混合过程中向混合物施加的速度、压力、剪切力及能量损耗的大小，又可分为高强度、中强度和低强度混合设备。强度大小的区分并无严格的数量指标，有些资料建议以混合单位质量物料所耗功率来标定混合强度，如对间歇式混合设备，所耗功率相同，能混合物料的批量多的混合设备定为低强度混合设备；反之，能混合物料的批量少的混合设备则定为高强度混合设备。习惯上，又常以物料所受的剪切力大小或剪切变形程度来决定混合强度的高低。二、间歇

27、式混合设备间歇式混合设备的种类很多，就其基本结构和运转特点可分为静态混合设备、滚筒类混合设备和转子类混合设备。静态混合设备主要有重力混合器和气动混合器，这类混合器的混合室是静止的，靠重力和气动力促使物料流动混合，是温和的低强度混合器，适用于大批量固态物料的分布混合。滚筒类混合设备是利用混合室的旋转达到混合目的的，如鼓式混合机、双锥混合机和V形混合机。滚筒类混合设备是中、低强度的分布混合设备，主要用于粉状、粒状固态物料的初混，如混色、配料和干混，也可适用于向固态物料中加入少量液态添加剂的混合。转子类混合设备是利用混合室内的转动部件转子的转动进行混合的，如螺带混合机、锥筒螺杆混合机、犁状混合机、双

28、行星混合机、Z形捏合机、高速混合机等。间歇混合设备中的另外两种最主要的设备是开炼机与密炼机，从结构角度来看，应属于转子类混合器，其用途广泛，混合强度很高，主要用在橡胶的塑炼与混炼、塑料的混炼、高浓度母料的制备等。在高分子材料加工过程中，间歇混合设备用得最多的是Z形捏合机、高速混合机、开炼机和密炼机。1、Z形捏合机是种常用的物料初混装置，适用于固态物料（非润性）和固液物料（润性）的混合。它的主要结构部分是一个有可加热和冷却夹套的鞍型底部的混合室和一对Z型搅拌器。混合时，物料借助于相向转动的一对搅拌器沿着混合室的仍壁上翻而后在混合室的中间下落，再次为搅拌器所作用。这样，周而复始，物料得到重复折叠和

29、撕捏作用，从而取得均匀的混合。用捏合机混合，一般需要较长时间，约半小时至数小时不等。2、高速混合机高速混合机是使用极为广泛的塑料混合设备，适用于固态混合和固液混合，更适于配制粉料。该机主要由附有加热或冷却夹套的圆筒形混合室和一个装在混合室内底部的高速转动叶轮所组成。混合室有行可以垂直调整高度的挡板，挡板的使用是使物体运动呈流化状，更有利于分散均匀。高速混合机及其工作原理1-回转盖 2-外套 3-折流板 4-叶轮 5-驱动轴 6-排料口 7-排料气缸 8-夹套高速混合机工作时，高速旋转的叶轮借助表面与物料的摩擦力和侧面对物料的推力沿叶轮切向运动。同时，由于离心力的作用，物料被抛向混合室内壁，并且沿壁面上升，当升到一定高度后，由于重力的作用，又落回到叶轮中心，接着又被抛起。由于叶轮转速很高，物料运动速度很快，快速运动着的粒子间相互碰控、摩擦，使得团块破碎，物料温度相应升高，同时迅速地进行着交叉混合，这些作用促进了组分的均匀分布和对液态添加剂的吸收。高速混合机的混合效率较高，所用时间远比捏合机短，通常一次混合时间只需8-10min。就一般配料而言，使用高速混合机是有效的相经济的。3、开炼机开炼机又称双辊炼塑机或炼胶机。它是通过两个转动的辊筒将物料混合或使物料达到规定状态。开炼机主要用于橡胶的塑炼和混炼，塑料的塑化和混合，填充与共混改性物的混炼，为压延