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1、第五章高分子材料混合与制备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，实际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：混炼胶、片状胶条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准确计量。|混合与分散理论|混合设备|橡胶的塑
2、炼与混炼|塑料的混合与塑化|塑料溶液和溶胶塑料的配制|聚合物共混主 要 内 容第一节 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发生本质变化的情况下的细化和分布过程。1.扩散通过各组分的物理运动组分的非均匀性减少组分的细化 混合的基本运动（Brodkey混合理论）分子扩散体积扩散涡流扩散(1)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。聚合物的混合是高粘度熔体间的混合，不是靠
3、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。混合物料的状态与分子扩散程度的关系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、自发地进行低粘度液体与低粘度液体间的混合也能较显著地进行低粘度液体与固体间的混合高粘度液体与高粘度液体间的混合不显著，较困难地进行高粘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(2)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
4、通常很少发生涡流扩散。(3)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，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。体积扩散体积对流混合（可发生在固体物料间，或液体物料间）层流对流混合（主要发生在液体物料间）2.混合过程要素混合的目的：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，以便得到组成均匀的混合物。混合的问题：在没有分子扩散和分子运动的情况下，为了达到物料所需的良好的分散，混合问题就变成一种物料发生形变和重新分布的问题，同时，还要防止分散颗粒的
5、凝聚趋势。这样，混合就需要有外加的作用力（主要是剪切力），这种外加作用力主要起两个作用：（1）使物料发生形变和重新分布；（2）克服颗粒的凝聚。粘性流体的混合要素：剪切、分流、位置交换。混炼操作：搅拌、混合、混炼。混炼三要素：压缩、剪切、分配置换。混炼三要素三者的关系：“分 布”由“置 换（D）”来完成；“剪切（S）”为进行“置换（D）”起辅助作用；“压缩（P）”则是提高物料密度，为提高“剪切（S）”速率起辅助作用。剪切的作用是把高粘度分散相的粒子或凝聚体分散于其它分散介质中。在聚合物混合过程中，混合机理包括了如下作用：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
6、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。（1）剪切剪切粘性剪切分割剪切磨碎剪切 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。提高剪切混合效果的因素：剪切速率（），混合效果；改变剪切方向，混合效果。图5-3，P152 图5-4，P152（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，
7、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。（3）挤压（压缩）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。图5-5，P153（4）拉伸 拉伸作用所起的混合效果，主要是拉伸使物料产生变形，减小料层厚度，增加界面。（5）聚集 聚集是混合分散的逆过程，它是指已破碎的分散相在热运动和微粒间相互作用下，重新聚集在一起的过程。显然，对混合而言，聚集是必
8、须避免的。二、混合的分类1.按混合形式分类基本的过程混合分散混合非分散混合（简单混合）分散混合 混合 指将两种或两种以上组分相互分布在各自所占的空间中，即两种或多种组分所占空间的最初分布情况发生变化。分散 指混合中一种或多种组分的物理特性发生一些内部变化的过程，如颗粒尺寸变小，或溶于其他组分中等。（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。主要通过对流实现。非分散混合分布性混合。主要发生在层状混合。主要发生在液液。固固固液液液（2）分散混合 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。分
9、散混合的目的：是把少组分的固体颗粒和液滴分散开来，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。这一过程中会出现少组分在变形粘性流体中破裂，这种过程是靠强迫混合物通过窄间隙而形成的高剪切区来完成。a非分散混合，b分散混合分散混合过程所发生的物理、机械和化学作用把较大的添加剂团聚体和聚合物团块破碎为适合于混合的较小的粒子；在剪切热和传导热的作用下，使聚合物熔融塑化，以降低聚合物的粘度；粉状或液状的较小的粒子组分克服聚合物的内聚能，渗入到聚合物内；2.按物料状态分类（1）固体与固体混合 主要是固体聚合物（粉状、粒状或片状）与其他固体组分（如粉状添加剂）的混合。这种混合一般在正式成型前
10、进行，属无规分布性混合。（2）液体与液体混合有两种情况：低粘度体系和高粘度体系。低粘度体系：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，通常发生在单体或预聚体成型中，以及液体添加剂的预混合。高粘度体系：参与混合的是高粘度的聚合物熔体，如两种或多种聚合物的并用（共混）体系、聚合物与液体添加剂的熔融态混合等。（3）固体与液体混合 有两种形式：液态添加剂与固态聚合物的掺混，主要发生在准备工艺阶段，此时固态聚合物不会在混合中熔融。固态添加剂混到熔融态聚合物中，而固态添加剂不会在混合中熔融（其熔点高于熔融混合温度），如填充剂和补强剂在聚合物中的混合就属这种情况。聚合物加工中的主要混合形式：液液
11、混合（共混）、液固混合（填充）三、混合状态的判定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。NBR/PVC(70/30)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：要从物料的分散程度和混合物的均匀程度两方面考察。(a)、(b)粗分散的(a)、(c)混合不好(c)、(d)细分散的(b)、(d)混合较好 混合物的均匀性及组份粒子尺寸是两个有着本质不同的衡量混合效果的指标。（1）均匀程度 指混合物中任何部位物料中，某一混入物所占的比率与理论或总体比率的差别。应从不同部位取样分析，计算
12、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、捏和和剪切的操作时间均很短，给分析测定带来一定困难，较多的是凭实际操作经验和目测。（2）分散程度 指混合物中各物料彼此分散的程度。即：混合体系中各混入组分粒子在混合后的破碎程度。测定方法：一般采用测相邻同种物料之间的距离（r）。分散程度越好各物料的分散粒子越小分散粒子的体积（V）越小分散粒子的表面积（S）越大而分散粒子的体积与表面积有如下关系：r=3VS因此，r 越小，分散程度越好。2.混合状态的间接判定 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，这些性能往往与混合物的混
13、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。第二节 混合设备一、混合设备的分类根据操作方式可分为：间歇式和连续式。根据混合过程特征可分为：分布式和分散式。根据混合强度可分为：高强度、中强度和低强度。1.间歇式和连续式(1)间歇式混合设备：混合过程是不连续的。混合过程三个主要步骤：投料、混炼、卸料，周而复始。典型设备：捏合机、开炼机、密炼机等。(2)连续式混合设备：混合过程是连续的。典型设备：如单、双螺杆挤出机、FCM连续混炼机等。2.分布式和分散式 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
14、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。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。(1)分布混合设备 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)分散混合设备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
15、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、间歇混合设备 静式混合设备：重力混合器和气动混合器，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：转鼓式混合机、双锥混合机和V形混合机。是中、低强度的分布混合设备，适用于初混。转子类混合设备：螺带混合机、锥筒螺杆混合机、犁刀混合机、双行星混合机、Z形捏合机、高速混合机等。是高强度混合设备，适用于初混。最主要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。1.Z型捏合机(图5-10，P160)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
16、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，约半小时至数小时不等。2.高速混合机(图5-11，P160）高速混合机的混合，一般需时较短，约8 10min。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：有加热或冷却夹套的圆筒型混合室、折流挡板和高速叶轮。高速混合机3.开炼机（图5-12，P161）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（1:1.15 1:1.27）。4.密炼机（图5-13，P162）一个塑炼室，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，即形成一密闭式塑炼室；塑炼室内有一对相向旋转的转子，转子横截面呈梨形，沿纵向为Z形螺旋；塑炼室外壁有冷却（加热）夹套；转子转速略有不同，存在一速比。三、连续混合设备1.单螺杆挤出机（图5-14，P163）广泛使用的聚合物加工设备，混合能力较弱。主要用于挤出造粒，成型板、管、丝、膜、中空制品和异型材。主要结构：带有加热或冷却装置的料筒和三段式螺杆。2.双螺杆挤出机
