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1、3.3 混合过程和混合原理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。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；其原因是：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）降低成本加入其它物料的目的：为何需要在成型前进行准备？ 不同的成型工艺，对原料的形态有不同的要求 塑料制品：粒状、粉状、片状、液状、糊状 . 橡胶制品：混粒胶、片状胶条. 各种配合剂需要进行预处理 聚合物
2、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 聚合物与不同的配合剂需要在成型前进行有效的 混合 成型加工的物料必须经过准确计量 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3.3.1 混合的类型 （1） 按物料的状态分类粉状树脂之间、树脂与固态添加剂之间的混合。低黏度中间体/单体或液体添加
3、剂之间、熔体/熔体 之间的混合。固态聚合物/液体添加剂、熔（液）态聚合物/固态 添加剂之间的混合。固-固：液-液：固-液：（2） 按混合形式分类混合时各组分作空间无规分布，即粒子只 有相互位置变化，无粒度变化。 混合时粒子既有粒度减小的变化，也有位置 的变化，是组分聚集尺寸减小的分散过程。非分散混合分散混合：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 。3.3.2 混合机理混合：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。混合系：将两种或多种组分相互分散在各自占有的 空间
4、中，使两种或多种组分所占空间的最 初分布情况发生变化。分散系 ：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，如颗粒尺寸减小或 溶于其他组分中。混合过程是通过各组分的物理运动来完成的。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 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。分子扩散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
5、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 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。涡流扩散（紊流扩散 ） 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
6、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（对流扩散）体积对流混合：固体粒子之间体 积重排，物料不变形。 层流对流混合：发生在熔体间， 通过层流使物料变形 ，物料要 受到剪切、挤压（捏合）、伸长 （拉伸）。 体积扩散机理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
7、合的最终目的、物料的状态、温度、压力、速度等。（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。3.3.3 混合效果的评定混合状态的直接判定 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。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
8、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。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 考虑物料的分散程度。(2).分散程度分散程度是用相邻的同一组分之间平均距离来表示的。r=V/（S/2）V：混合物料体积； S：各组分接触表面积。因此在混
9、合过程中，不断减小粒子体积，增加接触面， 则分散程度越高。rS V分散程度指被分散物质的破碎程度，一般用平均 粒径大小来表示。破碎程度高，粒径小，分散程度 就高。平均粒径大小的计算方法主要有平均算术直径和 平均表面直径两种：从概率统计的概念来说：同种重量或体积 的物料，粒子越小，同种粒子集中在一个局部 位置的可能性就越小，即微观分散越均匀。从混合角度，希望物料粒子越细越好，但 从工艺角度看，粒子太细，劳动环境较粉料容 易飞扬。必须指出的，上述混合理论是在理想情况下提出 的，有一定局限性。在实际生产中关于混合的效 果的评定，还没有很好的方法。检测制品或试样的物理性能、力学 性能和化学性能等，间接
10、地判断组分体 系的混合状态，这些性能往往与混合物 的混合状态密切相关。 Tg表征并用（共混）聚合物混合 状态很好的指标。 力学性能填充聚合物材料混合状 态的间接表征因素。（2） 混合状态的间接判定3.4 配制方法及其设备常见的操作过程有： 混合：指粉状固体物混合； 捏合：指液体和粉状物料的混合； 混炼：指塑性物料与液体或固体物料间的混合。混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。混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。3.4.1 物料配制的一
11、般方法 操作方式 间歇式 连续式 混合过程特征 分散式 分布式 混合强度大小 高强度 中强度 低强度3.4.2 混合设备混合设备的分类分布混合设备：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。 分布混合作用：通过对物料的 搅动、翻转推拉作用使物料中 的各组分发生位置更换。对于 熔体则可使其发生大的剪切应 变和拉伸应变，增大组分的界 面面积以及配位作用。 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 。 分散混合作用：设备主要 通过向
12、物料施加剪切力、 挤压力而达到分散目的。 代表性设备：开炼机、密 炼机等。2、分布式和分散式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，分 为高强度、中强度和低强度混合设备。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。（1） 转鼓类混合器各种各样的混合室旋转（2） 螺带式混合机适合干湿两种物料的混合 。（3）高速混合机 高速混合机的混合，一般需时较短，约810min。 是广泛使用的塑料混合设备。 适用于固态混合和固液混合，更适于配制粉料。 主要结构：有加热和冷却夹套的圆筒型混合室、折流挡 板和高速叶轮
13、。转速高，n =1800转/分，混合 效率高，每次只需810分钟 ；不易除去挥发份，摩擦热较 多，混合温度不易控制（4） 热冷混合机是高速混合机和螺带式混合机的组合，混 合强度大，混合效果好，适用性广。（5）Z型捏合机 是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）。 主要结构：有加热和冷却夹套的的鞍型底部混合室和一对Z 型搅拌器。 捏合机的混合，一般需要较长时间，越半小时至数小时不等 。特点：转速低，n =1830转/分，开式体 系，混合效率低，每次 需4060分钟，挥发份 易排出。3.4.3 混炼设备是为了改变物料的性质和状态，借助于加 热和剪切力的作用使高分子材料熔化
14、、混 合，同时驱出其中的挥发物，使混合物各 组分分散更趋均匀，并使混合物达到适当 的柔软度和可塑性，混炼后的有利于制得 性能一致的制品。混炼的目的混炼是在高分子材料流动温度以上和较大的剪切 速率下进行的，有可能造成高分子材料的热降解、 力降解、氧化降解而降低其质量，因此，对不同的 塑料品种应各有其相宜的混炼条件。（1）开炼机 一对安装在同一平面内的中空辊筒； 辊筒中间可以通冷热水，或通蒸汽，以便冷却或加热； 两辊筒的辊距可调； 工作时两辊相向旋转； 两辊筒转速略有差异，速比（1：1.151：1.27）。特点：混炼作用主要靠两辊间隙的一条线，混炼效率低 ，高温与空气接触物料易氧化，助剂有一定挥发
15、损失， 工作环境差，劳动强度高，但可以随时观察物料混炼情 况。（2）密炼机 一个混炼室，上部为加料 口，下部为排料口，上下 各有一顶栓，当上顶栓和 下顶栓关闭后，即形成一 密闭式混炼室； 混炼室内有个对相向旋转 的转子，转子横截面呈梨 形，沿纵向为Z形螺旋； 混炼室外壁有冷却（加热 ）夹套； 转子转速略有不同，存在 一速比。特点： 剪切作用强烈，混炼效率高 ；不与空气接触，不易氧化 分解；同时也不易排出挥发 份；机械化程度高（3）双螺杆挤出机 广泛使用的聚合物加工设备，混合能力很强。 主要用于填充改性、纤维增强改性、共混改性、 反应挤出、PVC型材挤出。 主要结构：带有加热或冷却装置的字型料筒
16、和 组合式螺杆。啮合异向旋转双螺杆挤出机 可分为 啮合同向旋转双螺杆挤出机非啮合型双螺杆挤出机Continuous Mixing Devices（4）行星螺杆挤出机 是生产透明PVC片材的理想混炼设备，具有啮合 次数高、热交换面积大、停留时间短、自洁性好 、塑化效率高的特点。（5）FCM连续混炼机 即保持了密炼机的优异混合特性，又使 其转变为连续工作，可在很宽的范围内 完成混合任务。3.4.4 粉碎或造粒粒化是物料混合的最后一个步骤。片状混合物一般用粉碎机或切碎机来粒化。连续片状混合物可用平板切粒机通过纵切、横 切而切成方块状粒料。挤出机挤出物可通过冷切和热切造粒。粉碎机刀片（1） 粉碎（2） 粒化 开炼机轧片造粒 挤出机挤出料条冷切造粒 挤出机热切造粒
