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1、第三章 物料及其配制,刘长维 材料科学与工程学院,1,3.1 概 述 3.2 粉料及粒料 3.3 物料的混合和分散机理 3.4 物料配制工艺简介,2,3,3.1 概 述 一.工业上很少用单一的聚合物来制造商品。其原因是： 1.性能单纯，不能满足多种制品的使用要求； 2.单纯聚合物老化严重； 3.不能满足某些成型方法的特定要求； 4.成型工艺性能差； 5.价格、成本高。,4,二.基于上述原因，加工用物料或多或少加入一些助剂。 1.助剂：具有一定作用的辅助材料的总称。 2.加入目的： 改善聚合物的成型工艺性能， 改善制品的使用性能 降低成本。 3.配制方法： 混合 成均匀的复合物 4.复合物的形态
2、：粉料、粒料、悬浮体、溶液 工业上以粉料、粒料为主。,5,3.2 粉料及粒料 1. 粉料与粒料的区别： a.大小不同； b. 配制方法不同，即混合程度不同。 2. 粉料：一般只要使各组分混合均匀，只需要简单的混作用。 简单的混合指人工搅拌或采用捏合机、高速混合机混合； 粒料：将粉料通过塑炼或挤出等操作进一步塑化制成。 由此可见，混合程度上粒料比粉料均匀。,6,3.2.1粉料与粒料的组成 粉料与粒料都是有聚合物和助剂两种物质复合而成，其中聚合物是主要成分。助剂是为了使复合物或制品具有某种特性所加入的物质。常用的助剂有：增塑剂、稳定剂、着色剂、阻燃剂、防静电剂等。 一.聚合物（树脂） 1.作用与要
3、求： a.赋予制品基本性能； b.在一定条件下，使物料具有可塑性。,7,2.选择聚合物时应注意的问题： (1). 对于同一种聚合物，由于生产方法不同，所得的聚合物性能和使用范围不同。 例如悬浮法生产的PVC和乳液法生产PVC有很大差别。 使用范围： 悬浮法PVC：挤出、注射成型，制造电缆、硬质板材、 管材以及其它日常用品。 乳液法PVC：电性能差，制造人造革或搪塑制品等。,8,PE，三大类： HDPE：低压法生产； LDPE：高压法生产； LLDPE：低压法生产，是乙烯和-烯烃的共聚物。,LLDPE与HDPE 和LDPE的性能比较,9,用途： LLDPE最大的用途是制作薄膜。由于采用LLDPE
4、制作的薄膜抗张强度、冲击强度、撕裂强度和刚性都比LDPE高，因而在强度相同情况下，薄膜可减少20-25%，因此LLDPE具有更大的市场竞争力。另外LLDPE还可以用于电缆电线包复、汽车零件、工业容器、管材等，性能LDPE好。,10,（2）同一种生产方法生产的树脂，由于牌号不同，其性能是有差异的。 如悬浮法生产的PVC有七个牌号，其性能和用途是有不同的。,11,（3）即使同一种牌号，由于批号不同，生产厂家不同，它们的性能也不同。 例如每批树脂中的含水量、分子量分布、平均聚合度都不是绝对一致的，这些都影响加工条件。,12,3.聚合物本身性能对制品性能的影响 （1）分子量的影响 （a）,从图（a）可
5、以看出： 分子量，拉伸、冲击强度、断裂伸长率、热变形温度，而蠕变、抗弯曲强度。 说明分子量的增大是有利于提高制品的力学性能和热性能。,13,3.聚合物本身性能对加工性能的影响 （1）分子量的影响 （b）,14,从图(b)看出，聚合物的加工性能随着分子量增大而下降： a.随分子量，聚合物的加工温度，流动性，加工成型较困难； b.另外需要与增塑剂配合的聚合物，随分子量增大，聚合物的溶胀和塑化速度，这也给配料等带来困难。 c.分子量大小，还影响成型过程中聚合物的结构与取向。 分子量减小，虽然对配料、成型有利，但太小，要影响制品的性能，因此要根据制品的用途和制品的加工方法，选择合适的分子量。,15,（
6、2）分子量分布的影响 分子量分布直接影响制品的性能。随分子量分布增宽，材料大多数力学性能、热性能降低；同时也影响配料过程和材料加工性能。由于分子量不同的聚合物对温度有不同的敏感性，因此在配料或加工过程中表现出不同的行为。 通常要求聚合物分子量分布不能太大，一般取Mw/Mn5。,16,（3）颗粒结构的影响 a,颗粒结构主要影响聚合物吸收增塑剂或其它助剂的能力。 b,凡是表面粗糙、不规格、内部多孔、断面结构疏松的粒子，越易于吸收增塑剂。配料时，所需的温度较低，时间也短，但对增塑剂的吸收不能过快，否则会造成其它组分与集合物混合不良，减弱其它组分的作用。 相反，颗粒表面光滑，断面结构规则，实心、无孔的
7、粒子吸收增塑剂困难，配料时需要较高的温度和较长的时间，影响生产率。,17,（4）粒度的影响 粒度主要影响混合的均匀性。 聚合物粒度增大，对相同重量树脂来说，颗粒数少，比表面积小，混合时与其它添加剂接触机会少，容易造成混合不均匀； 但粒度太小，容易造成粉尘飞扬，加料、计量困难，影响劳动环境，因此对设备密闭性要求高。,18,（5）其它因素的影响 主要指水分、灰分、挥发物、含铁量对制品性能的影响。 水分含量高，消耗热量大，甚至使聚合物产生降解，使制品产生气泡，因此对水分含量有较高要求。 灰分主要影响制品的透明度。 铁是一种降解催化剂，含量过高还影响制品的透明性。,19,4.聚合物的共混改性 （1）共
8、混就是将两种或两种以上的聚合放在一起混合，使之成为一种表现均匀的混合物的过程。 （2）共混改性的目的 a.提高聚合物的物理力学性能和电性能； b.改善耐老化性能及环境应力开裂性能； c.改善聚合物的成型性能； d.利用废旧材料，降低成本，防止污染等。 （3）特点：产生协同效应。,20,（4）共混聚合物的选择原则： a.化学结构原则 化学结构越是类似，彼此越是能相容。极性是影响相容性的重要因素。极性相差大，相容性差，共混困难；极性相差不多，共混容易。 b.溶解度参数原则 不同类型聚合物在熔融状态依靠剪切力作用是否能形成稳定均匀分散的共混，取决于彼此间的相容性。而相容性主要体现在溶解度参数上，选择
9、溶解度参数相近的聚合物易共混。,21,c.流变学原则 即“等粘点”共混原则：指组成共混体系的两种聚合物粘度越接近，越能共混的均匀切不易出现分离现象。 d.胶体化学原则 即表面张力匹配原则。聚合物的表面张力相近，界面间混溶性好，有利于混合。,22,e.分子扩散动力学原则： 即分子链段渗透相近原则。两相界区两侧，聚合物链段的运动能力应当相近，有助于形成各自向对方扩散的渗透层。 此外，还要考虑工艺相容性问题，主要指混合设备的选择、操作条件的选择和混合历程的选择。,23,（5）加工中采用的共混方法 a.溶液共混法： 共溶剂溶解或分别溶解，然后混合，最后将溶剂蒸发。此法适用于浇铸成型。 缺点：消耗大量溶
10、剂，混合效果较差。 b.乳液共混法： 是将不同种类聚合物乳液放在一起搅拌均匀后，加入凝聚剂，使不同聚合物同时沉析形成共混体系。此法用来做乳胶制品。,24,c.粉末共混法： 将不同种的细粉状聚合物进行混合。常用设备有：球磨机、捏合机、高速混合机。 优点：设备简单，操作方便。 缺点：所用聚合物必须是细粉，且混合效果不理想。一般很少用。,25,d.熔融共混法： 利用挤出机或双辊机，将共混的聚合物组分加热到Tf以上进行混合，然后再冷却。是目前常用的方法。 优点： 对共混聚合物粒度要求不象粉末共混法要求高； 在熔融状态下，各类聚合物分子间扩散和对流作用剧烈，混合效果好。 在混炼设备强剪切力作用下，会使一
11、部分聚合物分子降解，并形成一定的接枝和嵌段聚合物，这样的聚合物具有新的性能，并有增容作用。,26,（6）一些聚合物共混体系及性能 a.聚乙烯类合金 PE+EVA ：优良柔韧性、加工性、透气性，提高印刷性。 PE+PMMA：使粘着力提高7倍 PE+CPE：提高印刷性、耐燃性、韧性 PE+SBS：大大提高柔韧性 b.聚丙烯合金 PP+弹性体或橡胶：改善冲击性能 PP+PA：增加韧性，改善耐磨性、耐热性、染色性。 PP+PVA：具有良好抗静电作用,27,c.聚氯乙烯合金 PVC+CPE：具有良好阻燃性、耐化学腐蚀性和耐油性 PVC+EVA：提高韧性，低温性好，增塑效果稳定，手感良好 PVC+MBS（
12、ABS）：有良好协同效应，抗冲强度显著提高,28,d.聚碳酸酯合金 PC+PE：冲击强度提高了3-4倍，耐沸水性优异，耐老化性能好，耐候性优良，熔融粘度降低1/3，成型温度降低。 PC+PTFE：耐磨性提高，作齿轮、轴承 PC+ABS：提高冲击强度和尺寸稳定性，赋予功能，改善物料加工流动性，降低成本。 PC+聚丙烯酸酯：具有珠光，耐老化、耐应力开张均比PC好。,29,e.聚苯乙烯合金 PS+SBS 增加抗冲韧性，又具有PS的刚性， PS+丁苯橡胶 热变形温度和制品表面光泽。,30,1.增塑剂 增塑剂是一类对热和化学试剂都很稳定的有机化合物。一般在一定范围内能与聚合物相溶，而又不挥发的液体有机化
13、合物。 （1）.作用： 降低聚合物分子间的作用力，从而降低聚合物的软化温度、熔融温度，改善聚合物加工性和提高制品的柔软性。 降低聚合物的拉伸强度、硬度、模量，提高伸长率、冲击强度。例如PVC的拉伸强度随增塑剂用量提高而下降。,二、助剂,31,反增塑：增塑剂用量在0-10%时，PVC模量、硬度、抗张强度随增塑剂增加而提高，这种现象称为“反增塑”现象。 一般认为由于PVC有微晶存在造成的。少量增塑剂加入后，使分子间作用力降低，促进分子的结晶，使硬度、模量和抗张强度增加。,32,（2）.增塑机理 （3）.增塑剂的分类 1）按化学组成分为 2）按相容性分为：主增塑剂和次增塑剂 3）按结构分为： 4）按
14、用途分为： （4）.对增塑剂的要求和评价 （5）.增塑剂的用量和加工方法,33,2.稳定剂 3.填料 4. 润滑剂 5. 着色剂 6.防静电剂 7.阻燃剂 8.驱避剂 9.其它助剂,34,3.2.2 配方设计 一.配方 反映各种添加剂与聚合物用量的比例关系称为配方。 二.配方的表示 配方的表示包括物料的名称、代号、规格、用量等。,35,同一配方有以下四种表示法： 1.重量份配方： 基本配方，以聚合物的重量为100份，其它各种添加剂都以相对的重量份数来表示。例如： 树脂的实际重量是400克 100份 phr 增塑剂的实际重量是40克 10份 填料的实际重量是60克 15份,36,2.重量百分数配
15、方： 以基本配方的总重量为100%，然后求出各种组分在配方总重量中的重量百分数。例如： 上一配方总重量为500克，以重量百分数配方表示就是： 树脂80% 增塑剂8% 填料12%,37,3.体积百分数配方： 体积配方，是以配方中每一组分的体积占配方总体积的百分数来表示的。,38,4.生产配方： 实用配方。它是根据设备规格和容量而计算出的符合生产要求的重量配方，是以实际生产中各组分的实际重量数来表示的。,39,三.配方设计原则 1.要考虑（满足）制品性能要求和使用条件 2 要考虑成型工艺及设备的特点 3.原料来源 4.原料之间的相互作用，抑制 5.成本,40,3.3 物料的混合和分散机理 一.混合
16、的基本概念 混合包括简单混合和分散。 1. 简单混合：将各组分作空间无规分布，或改变各组分的空间分布情况。 2.分散混合：使各组分的聚集体尺寸减小，也就是说将各组分的比表面积增大，颗粒尺寸减小。 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。,41,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。,42,43,In almost all cases, good distribution AND good dispersion are required. Distributive mixing ca
