高分子材料加工工藝(精)

1、高分子材料加工工藝第五章高分子材料的混合與制備教學目的：學習并掌握高分子材料成型前準備工藝的原因，高分子材料的混合與分散理論，常見混合設備及分類，橡膠的塑煉和混煉，塑料的混合與塑化，及聚合物溶液、分散體和膠乳的配制。重點內容： 粘性流體混合要素，非分散混合和分散混合的差異，橡膠塑煉目的。難點內容： 混合狀態(tài)的判定方法及應用，橡膠的塑煉機理及混煉膠特點。熟悉內容： 各種混合設備的特點及使用場合。主要英文詞匯：mixture- 混合dispersion-分散shear-剪切open mill, mill- 開煉機internal mixter- 密閉式煉膠機 mastication-塑煉 (又稱素

2、煉 )mixing- 混煉latex, rubber latex-膠乳參考教材或資料：11、高分子材料成型加工，周達飛，唐頌超主編，中國輕工業(yè)出版社，2005 年第2版。2、橡膠及塑料加工工藝，張海，趙素合主編，化學工業(yè)出版社，1997 年第 1版。3、高分子材料加工工藝講義，青島科技大學印刷廠，2000 年。高分子材料是以高分子化合物為主體，加上其它填加劑組成的多相復合體系。對絕大部分高分子材料而言，都不是單獨使用高分子化合物。加入其他物料的目的：1、改善高分子材料制品的使用性能；2、改善成型工藝性能；3、降低成本。高分子材料成型加工前的準備工藝：由于高分子材料由多種組分組成，因此在成型前必

3、須要將各種組分相互混合，制成合適形態(tài)的物料再進行成型加工，這一過程就稱為混合，又稱為配料，實施上是成型加工前的準備工藝。為何需要在成型前進行準備？1、不同的高分子材料成型工藝，對原料高分子材料形態(tài)有不同的要求。生產橡膠制品：先要按配方把生膠和配合劑混合均勻，制成混煉膠、片狀膠條等。生產塑料制品： 先要按配方把樹脂和配合劑混合均勻，制成粉料、粒料、2片狀、溶液或糊狀分散體等。然后再將混煉膠、粉料、粒料、溶液或分散體制成所需要的幾何形狀。這些物料的配制工藝過程實際上是橡膠塑料制品成型前的準備工藝。合成纖維成型前的準備工藝比較簡單，但溶液紡絲也要配制聚合物溶液。2、各種配合劑需要進行預處理3、聚合物

4、原料在運輸、貯存過程中會造成性質變劣或混入雜質，需要在成型前進行預處理4、聚合物與不同的配合劑需要在成型前進行有效地混合5、成型加工的物料必須經過精確計量高分子材料的性能和形狀可以是干差萬別，成型工藝各不相同，但成型前的準備工藝基本相同，關鍵是靠混合來形成均勻的混合物，只有把高分子材料各級分相互混在一起成為均勻的體系，生產出合格的混煉膠和各種形態(tài)的塑料才有可能得到合格的橡膠制品和塑料制品。第一節(jié)混合與分散理論一、混合機理混合的定義： 混合是一種操作， 是一個過程， 是一種趨向于減少混合物非均勻性的操作，是在整個系統(tǒng)的全部體積內各組分在其基本單元沒有本質變化的情況下的細化和分布過程。31、擴散混

5、合中組分非均勻性的減少和組分的細化是通過各組分的物理運動來完成的。按照 Erodkey 混合理論，混合涉及到三種擴散的基本運動形式，即分子擴散、渦流擴散和體積擴散。(1)分子擴散。 是由濃度梯度驅使自發(fā)地發(fā)生的一種過程，各組分的微粒子由濃度較大的區(qū)域遷移到濃度較小的區(qū)域，從而達到各處組分的均化。 分子擴散在氣體和低粘度液體中占支配地位。在氣體與氣體之間的混合， 分子擴散能較快地、自發(fā)地進行。 在液體與液體或液體與固體間的混合，分子擴散作用也較顯著(雖然比氣相擴散慢得多)。但在固體與固體間，分子擴散極慢，因此聚合物熔體與熔體的混合不是靠分子擴散來實現(xiàn)的，但若參與混合的組分之一是低分子物(如抗氧劑

6、、發(fā)泡劑、顏料等)，則分子擴散可能也是一個重要因素。（用課件插圖，加入了高粘度高分子熔體的擴散與分散）(2)渦流擴散，即素流擴散。在化工過程中，流體的混合一般是靠系統(tǒng)內產生紊流來實現(xiàn)的， 但在聚合物加工中， 由于物料的運動速度達不到紊流，而且粘度又高，故很少發(fā)生渦流分散。要實現(xiàn)紊流，熔體的流速要很高，勢必要對聚合物施加極高的剪切速率， 但這是有害的，會造成聚合物的降解， 因而是不允許的。(3)體積擴散，即對流混合。是指流體質點、液滴或固體粒子由系統(tǒng)的一個空間位置向另一空間位置的運動，兩種或多種組分在相互占有的空間內發(fā)生運動，以期達到各組分的均勻分布。在聚合物加工中，這種混合占支配地位。對流混合

7、通過兩種機理發(fā)生：一種叫體積對流混合， 通過塞流對物料進行體積重新排列，而不需要物料連續(xù)變形，這種重復的重新排列可以是無規(guī)的，也可以是有序的。（可發(fā)生在固體4物料間，或液體物料間）另一種叫層流對流混合， 層流對流混合是通過層流而使物料變形，它發(fā)生在熔體之間的混合， 在固體粒子之間的混合不會發(fā)生層流混合。層流混合中， 物料要受到剪切、伸長 (拉伸 )和擠壓 (捏合 )。2、混合過程要素混合的目的：就是使原來兩種或兩種以上各自均勻分散的物料從一種物料按照可接受的概率分布到另一種物料中去，以便得到組成均勻的混合物。然而，在沒有分子擴散和分子運動的情況下，為了達到所需的概率分布， 混合問題就變?yōu)橐环N物

8、料發(fā)生形變和重新分布的問題，而且如果最終物料顆粒之間不是互相孤立的，分散的顆粒就有一種凝聚的趨勢。因此，要混合分散得好，必須要有外加的作用力 (剪切力 )來克服顆粒分散后所發(fā)生的凝聚。物料分散的關鍵： 是需要外加的作用力（主要是剪切力），使物料發(fā)生形變和重新分布，并克服顆粒凝聚。粘性流體的混合要素： 剪切、分流和位置交換。按分散體系的流變特性，混煉操作可分為：攪拌、混合和混煉?；鞜挼娜兀?壓縮、剪切和分配置換， 整個混煉分散操作是由這三要素多方面反復地進行完成的?；鞜捜豍-壓縮； S-剪切； D-置換混煉三要素的關系： “分布”由“置換”來完“成剪，切”為進行“置換”起輔助作用“，壓縮

9、”則是提高物料的密度，為提高“剪切”作用速率而起輔助作用。分散混合過程是個動態(tài)平衡過程，在定的剪切應力場作用下， 分能相不斷破碎，在分子熱運動下又重新集聚，達到平衡后， 分散相才將到該條件下的平衡粒徑。分散過程示意圖在聚合物混合過程中， 混合機理： 包括“剪切、”“分流、合并和置換”、“擠壓(壓縮 )“”拉伸”、“集聚”諸作用，而這些作用并非在每一混合過程中等程度地出現(xiàn)，它們的出現(xiàn)及其占有的地位因混合最終目的、物料的狀態(tài)、溫度、壓力、速度等的不同而不同。(1)剪切。 剪切在高粘度分散相的混煉操作中是最重要的，也是“分散混煉三要素”中最重要的。6剪切有介于兩塊平行板問的物料由于板的平行運動而使物

10、料內部產生永久變形的“粘性剪切，”也有刀具切割物料的“分割剪切”，也有由以上兩種剪切合成的如石磨磨碎東西時的“磨碎剪切” 。剪切的作用是把高粘度分散相的粒子或凝聚體分散于其他分散介質中。高分子材料在擠出機內的混合過程主要是靠剪切作用來達到的，螺桿旋轉時物料在螺槽和料筒間所受到的剪切作用，可以設想為在二個無限長的平行板之間進行。在兩個無限長的平行板間流體和粒子之間剪切混合示意圖(黑色方塊代表粒子 )利用剪切力的混合作用， 特別適用于塑性物料、 因為塑性物料的粘度大， 流動性差，又不能粉碎以增加分散程度。應用剪切作用時， 由于兩個剪切力的距離一般總是很小的，因此物料在變形過程中，就能很均勻地被分散

11、在整個物料中。提高剪切混合效果的因素：提高剪切速率，混合效果提高；改變剪切方向，混合效果提高。在混合過程中，水平方向的作用力僅使物料在自身的平面(層 )流動；如果作用力F 與平面具有一定角度， 則在垂直方向產生分力， 則能造成層與層間的物料流動，7從而大大增強了混合效果。故在生產中最好能不斷作90 度角度的改變，即使物料能連續(xù)承受互為90 度角度的兩個方向剪切力的交替作用，以提高混合效果。通常在物料混煉中， 主要不是直接改變剪切力的方向，而是變換物料的受力位置來達到這一日的。 例如在雙輥開煉機混煉時， 就是通過機械或人力翻動的辦法來不斷改變物料的受力位置，從而更快更好地完成混合。(2)分流、合

12、并和置換。 利用器壁，對流動進行分流，即在流體的流道中設置突起狀或隔板狀的剪切片，進行分流。分流后，有的在流動下游再合并為原狀態(tài)，有的在各分流束內引起循環(huán)流動后再合并，有的在各分流束進行相對位置交換(置換 )后再合并，還有以上幾種過程一起作用的情況。(3)擠壓 (壓縮 )。如果物料在承受剪切前先經受壓縮，使物料密度提高，這樣剪切時剪應力作用大， 可提高剪切效率。 而且當物料被壓縮時， 物料內部會發(fā)生流動，產生由于壓縮引起的流動剪切。這種壓縮作用發(fā)生在密煉機的轉子突棱側壁和室壁之間， 也發(fā)生在兩輥開煉機的兩個輥隙之間。在擠出機中， 由于螺槽由加料段到均化段，因而對松散的固體物料進行了壓縮，該壓縮

13、有利于固體輸送，有利于傳熱熔融，也有利于物料受到剪切。8擠壓 (壓縮 )(4)拉伸。 拉伸可以使物料產生變形，減少料層厚度，增加界面，有利于混合。(5)聚集。 已破碎的分散相在熱運動和微粒間相互吸引力的作用下，重新聚集在一起。對分散的粒度和分布來說，這是混合的逆過程。二、混合的分類1、按混合形式分類在制備混合物時，通常有兩個基本的過程-分散和混合。混合是將兩種組分相互分布在各自所占的空間中，即使兩種或多種組分所占空間的最初分布情況發(fā)生變化。分散是指混合中一種或多種組分的物理特性發(fā)生了一些內部變化的過程，如顆粒尺寸減少或溶于其他組分中?；旌峡煞譃榉欠稚⒒旌虾头稚⒒旌?。(1)非分散混合。 在混合中

14、僅增加粒子在混合物中分布均勻性而不減小粒子初始尺寸的過程稱為非分散混合或簡單混合。這種混合的運動基本形式是通過對流來實現(xiàn)的，可通過包括塞形流動和不需要物料連續(xù)變形的簡單體積排列和置換來達到。它又分為分布性混合和層狀混合。分布性混合主要發(fā)生在固體與固體、固體與液體、液體與液體之間；層狀混合發(fā)生在液體與液體之間。(2)分散混合。 是指在混合過程中發(fā)生粒子尺寸減小到極限值，同時增加相9界面和提高混合物組分均勻性的混合過程。在聚合物加工中， 有時要遇到將呈現(xiàn)出屈服點的物料混合在一起的情況，如將固體顆?；蚪Y塊的物料加到聚合物中。例如填充或染色， 以及將粘彈性聚合物液滴混合到聚合物熔體中， 這時要將它們分

15、散開來， 使結塊和液滴破裂。 分散混合的目的是把少數(shù)組分的固體顆粒和液滿分散開來，成為最終粒子或允許的更小顆?；蛞旱?，并均勻地分布到多組分中， 這就涉及少組分在變形粘性流體中的破裂問題，這是靠強迫混合物通過窄間隙而形成的高剪切區(qū)來完成的。分散混合時，主要機械現(xiàn)象和流變現(xiàn)象示意圖I- 使聚合物和配合劑粉碎II- 使粉末狀和粒狀配合劑滲入聚合物內III- 分散IV- 分布均化1- 聚合物；2、3-任何粒狀和粉狀固體添加劑非分散混合和分散混合a-非分散混合b-分散混合分散混合過程是一個復雜的過程，可以發(fā)生各種物理-機械和化學的作用：1)把較大的配合劑團聚體和聚合物團塊破碎為適合于混合的較小粒子；2)

16、在剪切熱和傳導熱的作用下，使聚合物熔融塑化，降低聚合物相的粘度；3)粉狀或液狀的較小粒子組分克服聚合物的內聚能，滲入到聚合物內；4)使較小粒子組分分散，即在剪應力的作用下，把配合劑聚集體或團聚體的尺寸減小到形成聚集體之前初始粒子的最小尺寸；5)固相最終粒子分布均化，使粒子發(fā)生位移，或均勻性；從而提高物料的熵或無規(guī)程度、隨機性或均勻性；6)聚合物和活性填充劑之間產生力-化學作用，使填充物料形成強化結構。炭黑與橡膠的混合可以作為分散混合的一例。初始的炭黑團聚體在變形應力的作用下被粉碎成微觀大小的或膠體大小的粒子，增加其總的表面積和與橡膠接觸的表面積，從而達到增加膠料的均勻性的目的。在討論分散混合時

17、， 主要討論固相在液相熔體中的分散，把液相視作層流混合，把液相的粘性拖曳對固相施加的力視作剪切力。對固體結塊來說， 當剪切對其形成的粘性拖曳在結塊內產生的應力超過某個臨界值時，結塊就破裂。而固體結塊是由很多更小的微?？克鼈冎g的互相作用力(粘附力、內聚力、靜電吸引11力等 )而聚集在一起的。這種相互作用力有一定的作用半徑，只有這些微粒被分散得使其相互間的距離超過作用半徑，才不會重新集聚， 否則被分散的微粒可能重新集聚在一起。分散混合主要是通過剪應力起作用，為了獲得大的剪應力， 混合機的設計應引入高剪切區(qū) (即設置窄的間隙 )，保證所有固體顆粒重復地通過高剪切區(qū)。分散度取決于混合器內最大有效剪切

18、速率和通過次數(shù)，剪切速率越高，通過次數(shù)越多，分散越好。剪切應力的大小與粒子或結塊的尺寸有關，分散能力隨粒子或結塊的大小面變化。在混合初始，由子粒于或結塊較大，受到的剪應力大，易于破裂，故初始分散速度將取決于大粒子或結塊的數(shù)量，而小粒子或結塊的分散速度對總的分散速度起的作用是很小的。 隨著大粒子或結塊粘度的降低，小粒子或結塊對分散速度越來越起主導作用，但由于小粒子或結塊受的剪應力變小，分散變得困難了，分散速度下降。而當粒子或結塊的粘度達到某個臨界值時，分散就完全停止了。剪應力大小與物料的粘度有關， 粘度大，局部剪應力大，粒子或結塊易破裂。而粘度又與溫度有關， 溫度越高， 粘度越低，因此希望在較低

19、的溫度下進行分散混合。提高溫合機的轉數(shù)可以提高剪切速度，因而能增加分散能力。 在間歇混合機中，提高轉速還可以使物料更頻繁地通過最大剪切區(qū)，有利于分散混合。2、按物料狀態(tài)分類混合可分為固體與固體混合，液體與液體混合和液體與固體混合三種情況。(1)固體與固體混合。 主要是固體聚合物與其他固體組分的混合。聚合物通12常是粉狀、粒狀與片狀，而添加劑通常也是粉狀。在聚合物加工中，大多數(shù)情況下。這種混合都先于熔體混合，也先于成型。這種混合通常是無規(guī)分布性混合。(2)液體與液體混合。 這種混合有兩種情況，一種是參與混合的液體是低粘度的單體，中間體或非聚合物添加劑， 另一種情況是參與混合的是高粘度的聚合物熔體

20、，這兩種情況的混合機理和動力學是不同的。在聚合物加工中，發(fā)生在熔體之間的是層流混合。(3)固體與液體混合。 有兩種形式，一種是液態(tài)添加劑與固態(tài)聚合物的摻混，而不把固態(tài)轉變成液態(tài)， 另一種是將固態(tài)添加劑混到熔態(tài)聚合物中，而固態(tài)添加劑的熔點在混合溫度之上，聚合物加工中的填充改性(加入團態(tài)填充劑 )同這種混合。在聚合物加工中， 液體和液體的混合、 液體與固體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?；旌想y易程度的比較三、混合狀態(tài)的判定物料各組分混合是否均勻， 質量是否達到頂期的要求， 生產中混合終點的控制等都涉及到混合狀態(tài)的判定。為了判定混合體系內各級分單元的均勻分布程度，必須采用

21、合適的檢驗規(guī)模13(對比尺度 )。為此應該考慮樣品相對尺寸的大小，即使是粗混合物，如果用目測來分析，也會呈現(xiàn)為均勻狀， 而用顯微鏡來分析就會呈現(xiàn)非均勻狀。在分子大小的檢驗規(guī)模下，任何混合物都是非均勻的。因此，絕對均勻的混合物是沒有的，均勻性是與檢驗規(guī)模有關的。l、混合狀態(tài)的直接描述法該法是直接對混合物取樣， 對其混合狀態(tài)進行檢驗， 觀察混合物的形態(tài)結構、各組分微粒的大小及分布情況。所用的檢測分析方法可以是視覺觀察法，聚團計數(shù)法，光學顯微鏡法和電子顯微鏡法以及光電法。為了說明混合物的特性， 引人混合物均勻性及組分粒子尺寸這兩個概念，這是兩個有著本質不同的衡量混合效果的指標。衡量混合效果需從物體的

22、均勻程度和分散程度兩方面來考慮?；旌衔锸疽鈭D(a)、 (b)粗粉碎的(c)、 (d)細粉碎的(a)、 (c)混合不好(b)、 (d)混合較好(1)均勻程度： 指混入物所占物料的比率與理論或總體比率的差異。但就是相同比率的混合情況也是十分復雜的。兩組分固體粒子的混合情況應從不同的部位取樣分析， 計算統(tǒng)計平均結果。 平均結果越接近理論或總體比率，混合的均勻程度越好。生產實際中， 由于混合、捏合和剪切的操作時間均很短，給分析測試帶來一定困難，較多的是憑實際操作經驗和目測。(2)分散程度。 指混合體系中各個混入組分的粒子在混合后的破碎程度。破碎度大，粒徑小，其分散程度就高；反之，粒徑大，破碎程度小，則

23、分散得不好。分散程度可以用同一組分的相鄰粒子間平均距離來描述，距離越短，分散程度越好。而同一組分的相鄰粒子間距離的大小與各組分粒子的大小有關。粒子的體積越小，或在很合過程中不斷減小粒子的體積，則可達到的均勻程度就越高。從幾率的概念出發(fā)， 同樣質量或體積的試樣， 粒子越小， 則相當質量的同種粒子集中于一局部位置的可能性越小，即微觀分布越均勻。2、混合狀態(tài)的間接判定混合狀態(tài)的間接判定 ：是指不檢查混合物各組分的混合狀態(tài)，而檢測制品或試樣的物理性能、力學性能和化學性能等，間接地判斷多組分體系的混合狀態(tài)，因為這些性能往往與混合物的混合狀態(tài)密切相關。聚合物共混物的玻璃化溫度與兩種聚合物組分分子級的混合均

24、勻程度有直15接關系。若兩聚合物完全達到分子級的均勻混合，呈均相體系，則只有個玻璃化溫度，而且這個玻璃化溫度值由兩組分的玻璃化溫度和各組分在共混物中所占的體積分數(shù)所決定。如果兩組分聚合物共混體系完全沒有分子級的混合，共混物就可測得兩個玻璃化溫度，而且分別等于兩種聚合物獨立存在時的玻璃化溫度。當兩組分聚合物有一定程度的分子級混合時，共混物雖仍有兩個玻璃化溫度，但這兩個玻璃化溫度相互靠近了，其靠近程度取決于共混物的分子級混合程度，靠近程度越大，分子級混合程度越大。因此，只要測出共混物的玻璃化溫度及其變化情況，就可推測其分子級的混合程度。填充改性所得的混合物的力學性能除了與參與填充改性的聚合物種類、

25、數(shù)量和填充劑的種類、 數(shù)量以及偶聯(lián)劑的使用與否和種類等一系列因素有關外，也與填充劑與聚合物的混合狀態(tài)有關，一般聚合物與填充劑混合得超均勻，混合物的力學性能越好， 因此，我們也可以通過測定混合物試樣或制品的力學性能來間接判定混合狀態(tài)。第二節(jié)混合設備混合設備是完成混合操作工序必不可少的工具，混合物的混合質量指標、 經濟指標 (產量及能耗等 )及其他各項指標在很大程度上取決于混合設備的性能。由于混合物的種類及性質各不相同，混合的質量指標也有不同， 所以出現(xiàn)了各式各樣的具有不同性能特征的混合設備。一、混合設備的分類16混合設備根據其操作方式， 一般可分為間歇式和連續(xù)式兩大類；根據混合過程特征，可分為分

26、布式和分散式兩類；根據混合物強度大小，又可分為高強度、中強度和低強度混合設備。1、間歇式和連續(xù)式間歇式混合設備的混合過程是不連續(xù)的?；旌线^程主要有三個步驟：投料、混煉、卸料，此過程結束后，再重新投料、混煉、卸料，周而復始。捏合機、開煉機等的混合操作即屬間歇式。連續(xù)式混合設備的混合過程是連續(xù)的，如單、雙螺桿擠出機和各種連續(xù)混合設備。由于是連續(xù)操作，故可提高生產能力，易實現(xiàn)自動控制，減少能量消耗，混合質量穩(wěn)定，降低操作人員的勞動強度，尤其是配備相應裝置后，可連續(xù)混合-成型，達一方面減少了工序， 另一方向又可避免聚合物性能的降低，所以連續(xù)式混合設備是目前的發(fā)展趨勢。盡管連續(xù)式混合設備較之間歇式混合設

27、備有許多優(yōu)點，但是，目前聚合物加工過程中的許多工序仍是間歇式的，加之間歇式混合設備發(fā)展歷史早，在操作中可隨時調整混合工藝， 特別是某些間歇式混合設備具有很高的混合強度，因而間歇式混合設備的使用仍很廣泛。2、分布式和分散式分布混合設備主要具有使混合物中組分擴散、位置更換、形成各組分在混合物中濃度趨于均勻的能力，即具有分布混合的能力。代表性設備有重力混合器、 氣動混合器及一般用于干混合的中、低強度混合器等。分布混合設備主要是通過對物料的攪動、翻轉、推拉作用使物料中各組分17發(fā)生位置更換， 對于熔體則可使其產生大的剪切應變和拉伸應變，增大組分的界面面積以及配位作用等達到分布混合目的。分散混合設備主要

28、具有使混合物中組分粒度減小，即具有分散混合的能力。分散混合設備主要通過向物料施加剪切力、擠壓力而達到分散目的，如開煉機、密煉機等。分散混合能力與分布混合能力往往是混合設備同時具有的，因為任一混合過程總是同時有分散與分布的要求，只是由于要求的側重點不同而己。3、高強度、中強度和低強度混合設備根據混合設備在混合過程中向混合物施加的速度、壓力、剪切力及能量損耗的大小，又可分為高強度、中強度和低強度混合設備。強度大小的區(qū)分并無嚴格的數(shù)量指標，有些資料建議以混合單位質量物料所耗功率來標定混合強度， 如對間歇式混合設備， 所耗功率相同， 能混合物料的批量多的混合設備定為低強度混合設備；反之，能混合物料的批

29、量少的混合設備則定為高強度混合設備。習慣上，又常以物料所受的剪切力大小或剪切變形程度來決定混合強度的高低。二、間歇式混合設備間歇式混合設備的種類很多，就其基本結構和運轉特點可分為靜態(tài)混合設備、滾筒類混合設備和轉子類混合設備。靜態(tài)混合設備主要有重力混合器和氣動混合器，這類混合器的混合室是靜止的，靠重力和氣動力促使物料流動混合，是溫和的低強度混合器， 適用于大批量18固態(tài)物料的分布混合。滾筒類混合設備是利用混合室的旋轉達到混合目的的，如鼓式混合機、 雙錐混合機和 V 形混合機。滾筒類混合設備是中、低強度的分布混合設備，主要用于粉狀、粒狀固態(tài)物料的初混，如混色、配料和干混，也可適用于向固態(tài)物料中加入

30、少量液態(tài)添加劑的混合。轉子類混合設備是利用混合室內的轉動部件轉子的轉動進行混合的，如螺帶混合機、錐筒螺桿混合機、犁狀混合機、雙行星混合機、Z 形捏合機、高速混合機等。間歇混合設備中的另外兩種最主要的設備是開煉機與密煉機，從結構角度來看，應屬于轉子類混合器，其用途廣泛，混合強度很高，主要用在橡膠的塑煉與混煉、塑料的混煉、高濃度母料的制備等。在高分子材料加工過程中，間歇混合設備用得最多的是Z 形捏合機、高速混合機、開煉機和密煉機。1、Z 形捏合機是種常用的物料初混裝置，適用于固態(tài)物料(非潤性 )和固液物料 (潤性 )的混合。它的主要結構部分是一個有可加熱和冷卻夾套的鞍型底部的混合室和一對Z 型攪拌

31、器。 混合時，物料借助于相向轉動的一對攪拌器沿著混合室的仍壁上翻而后在混合室的中間下落，再次為攪拌器所作用。這樣，周而復始，物料得到重復折疊和撕捏作用，從而取得均勻的混合。用捏合機混合，一般需要較長時間，約半小時至數(shù)小時不等。2、高速混合機高速混合機是使用極為廣泛的塑料混合設備，適用于固態(tài)混合和固液混合，更適于配制粉料。該機主要由附有加熱或冷卻夾套的圓筒形混合室和一個裝在混合室內底部的高速轉動葉輪所組成?；旌鲜矣行锌梢源怪闭{整高度的擋板，擋板的使用是使物體運動呈流化狀，更有利于分散均勻。高速混合機及其工作原理1-回轉蓋2-外套3-折流板4-葉輪5-驅動軸6-排料口7-排料氣缸8-夾套高速混合機

32、工作時，高速旋轉的葉輪借助表面與物料的摩擦力和側面對物料的推力沿葉輪切向運動。同時，由于離心力的作用，物料被拋向混合室內壁，并且沿壁面上升，當升到一定高度后，由于重力的作用，又落回到葉輪中心，接著20又被拋起。由于葉輪轉速很高， 物料運動速度很快， 快速運動著的粒子間相互碰控、摩擦，使得團塊破碎，物料溫度相應升高，同時迅速地進行著交叉混合，這些作用促進了組分的均勻分布和對液態(tài)添加劑的吸收。高速混合機的混合效率較高， 所用時間遠比捏合機短， 通常一次混合時間只需 8-10min。就一般配料而言，使用高速混合機是有效的相經濟的。3、開煉機開煉機又稱雙輥煉塑機或煉膠機。 它是通過兩個轉動的輥筒將物料

33、混合或使物料達到規(guī)定狀態(tài)。 開煉機主要用于橡膠的塑煉和混煉，塑料的塑化和混合， 填充與共混改性物的混煉，為壓延機連續(xù)供料，母料的制備等。開煉機的主要工作部分是兩個輥筒。兩個輥筒并列在一個平面上， 分別以不同的轉速作向心轉動（兩輥筒轉速略有差異，速度比為1：1.15 1：1.27），兩輥筒之間的距離可以調節(jié)。輥筒為中空結構，其內可通人介質加熱或冷卻。開煉機工作時， 兩個輥簡相向旋轉， 且速度不等。 放在輥筒上的物料由于與輥簡表面的摩擦和粘附作用以及物料之間的粘接力面被拉人輥隙之間，在輥隙內物料受到強烈的擠壓和剪切， 這種剪切使物料產生大的形變，從而增加了各組分之間的界面， 產生了分布混合。 該剪

34、切也使物料受到大的應力，當應力大于物料的許用應力對， 物料就會分散開。 所以提高剪切作用就能提高混合塑煉效果。影響開煉機熔融塑化和混合質量的因素有輥簡溫度的調節(jié)與控制，輥距的大小與調節(jié)，輥簡速度，物料在輥隙上方的堆放量，以及物料沿輥筒軸線方向的分布與換位等。開煉機1-筒輥2-后輥3-擋板4-大齒輪傳動5、 8、12、17-機架6-刻度級7-控制螺旋桿9-轉動軸齒輪10-加強桿11-基礎板13-安裝孔14-傳動軸齒輪15-傳動軸16-摩擦齒輪18-加油裝置19-安全開關箱20-緊急停車裝置4、密煉機密煉機即是密閉式塑煉機或煉膠機， 是在開煉機基礎上發(fā)展起來的一種高強度間歇混合設備。 由于密煉機的

35、混煉室是密閉的，混合過程中物科不會外泄， 可避免混合物中添加劑的氧化與揮發(fā)，并且較易加入液態(tài)添加劑。 混煉室的密閉有效地改善了工作環(huán)境， 降低了勞動強度， 縮短了生產周期， 為自動控制技術的應用創(chuàng)造了條件。密煉機最早用于橡膠的混煉與塑煉，繼面又在塑料混合中得到應用，是目前高分子材料加工中典型的混合設備之一。密煉機的主要工作部件是一對表面有螺旋形突棱的轉子和一個密煉室。兩個轉予以不同的速度相向旋轉，轉子在密煉室里， 密煉室出室壁和上頂栓、 下頂栓組成，室壁外和轉子內部有加熱或冷卻系統(tǒng)。兩個轉子的側面頂尖以及頂尖與密22煉室內壁之間的間距都很小，因此轉子對物料施有強大的剪切力。轉子密煉機結構1-底

36、座 2-卸料門鎖緊裝置3-卸料裝置4-下機體5-下密煉室6-上機體7-上密陳室8-轉子9-壓料裝置10-加料裝置11-翻扳門12-填科箱13-活塞14-氣缸三、連續(xù)混合設備連續(xù)混合設備主要有單螺桿擠出機、雙螺桿擠出機、 行星螺桿擠出機以及由密煉機發(fā)展而成的各種連續(xù)混煉機，如FCM 混煉機等。1、單螺桿擠出機單螺桿擠出機是聚合物加工中應用最廣泛的設備之一，主要用來擠出造粒，成型板、管、絲、膜、中空制品、異型材等，也有用來完成某些混合任務。單螺桿擠出機的主要部件是螺桿和料筒。在單螺桿擠出機中， 物料自加料斗加入到由口模擠出，經歷了固體輸送、熔觸、熔體輸送、混合等區(qū)段。在固體體23輸送區(qū)，不會發(fā)生固

37、體粒子間的混合； 在熔融區(qū)的因相內各顆粒之間仍沒有相對移動，因而也不會發(fā)生混合； 而在熔體輸送區(qū)， 物料在前進方向的橫截面上形成了環(huán)狀層流混合。因此在單螺桿擠出機中， 只有當物料熔融后， 混合才得以進行。雖然單螺桿擠出機具有一定的混合能力，在一定程度上能完成一定范圍的混合任務，但出于單螺桿擠出機剪切力較小，分散強度較弱，同時分布能力也有限，因而不能用來有效地完成要求較高的混合任務。為了改進混合性能， 在螺桿和機筒結構上進行改進，如在螺桿上加上混合元件和剪切元件，形成各種屏障型螺桿、分離型螺桿、銷釘型螺桿及各種專門結構的混煉螺桿。有些在機筒上采用了增強混合性能的結構，如機筒銷釘結構等。也有在螺桿

38、和機頭之間設置靜態(tài)混合器，以增強分布混合。 采用這些措施， 單螺桿擠出機已廣泛用于共混改性、填充改性及反應加工等方面。2、雙螺桿擠出機雙螺桿擠出機是極為有效的混合設備，可用作粉狀PVC 料的熔融混合、填充改性、纖維增強改性、共混改性以及反應性擠出等。雙螺桿擠出機的其作用主要是將聚合物及各種添加劑熔融、混合、塑化、定量、定壓、定溫地由口模擠出。雙螺桿擠出機的種類很多， 主要有嚙合異向旋轉雙螺桿擠出機，廣泛應用于擠出成型和配料造粒等； 嚙合同向旋轉雙螺桿擠出機， 主要應用于聚合物的物理改性 -共混、填充和纖維增強等；非嚙合(相切 )型雙螺桿擠出機，用于反應擠出、著色、玻璃纖維增強等。3、行星螺桿擠

39、出機24這是一種應用越來越廣泛的混煉機械，特別適于加工聚氯乙烯， 如作為壓延機的供料裝置，其具有混煉和塑化雙重作用。該擠出機有兩根結構不同、 作用各異、 串聯(lián)在一起的螺桿。 第一根為常規(guī)螺桿，起供料作用；第二根為行星螺桿，起混煉、塑化作用；末端呈齒輪狀，螺桿套簡上有特殊螺旋齒。在螺桿和套簡的齒間嵌入12 只帶有螺旋齒的特殊幾何形狀行星式齒柱，當螺桿轉動時，這些齒柱既能自轉，又能圍繞螺桿轉動。當物料通過嚙合的齒側間隙時， 形成 0.20.4mm 的薄層，其表面不斷更新， 這非常有利于塑化熔融。行星螺桿擠出機(a)整體示意圖(b)A-A 截面(c)擠出系統(tǒng)剖示4、FCM 連續(xù)混煉機FCM(Farr

40、el Continuous Mixer) 連續(xù)混煉機既保持了密煉機的優(yōu)異混合特性，又使其轉變?yōu)檫B續(xù)工作。 其萬能性較好， 可在很寬的范圍內完成混合任務，可用于各種類型的塑料利橡膠的混合。FCM 的外形很像雙螺仟擠出機，但喂料、混煉和卸料的方式與擠出機不同。25在內部有兩根并排的轉子。 轉子的上作部分由加料段、 混煉段和排料段組成， 兩根轉子作相向運動， 但速度不同。 加料段很像異向旋轉相切型雙螺桿擠出機，在分開的機筒孔中間轉， 混煉段的形狀很像密煉機轉子， 它有兩段螺紋，在混煉段，混合料受到捏合、輥壓，發(fā)生混合。另外還有雙階擠出機，傳遞式混煉擠出機，Buss-kneader連續(xù)混煉機以及隔板式

41、連續(xù)混煉機等都是口前世界上已實現(xiàn)工業(yè)化生產的連續(xù)混煉設備。第三節(jié)橡膠的塑煉與混煉橡膠制品成型前的準備工藝包括原材料處理、生膠的塑煉、配料和膠料的混煉等工藝過程， 也就是按照配方規(guī)定的比例將生膠和配合劑混合均勻，制成混煉膠的過程。在這些工藝過程中，生膠的塑煉和膠料的混煉是最主要的兩個工序。一、生膠的塑煉生膠是線型的高分子化合物， 在常溫下大多數(shù)處于高彈態(tài)。 高彈性是橡膠及具制品的最寶貴性質，然而生膠的這一寶貴性質卻給制品的生產帶來極大的困難。如果不首先降低生膠的彈性，在加工過程中， 一方面各種配合劑無法在生膠中分散均勻， 另一入面，大部分機械能將消耗在彈性變形上，不能獲得人們所需的各種形狀。所以

42、為了滿足各種加工工藝的要求，必須使生膠由強韌的彈性狀態(tài)變成柔軟而具有可塑性的狀態(tài)， 這種使彈性生膠變成可塑狀態(tài)的工藝過程稱作塑煉。1、塑煉的目的主要是為了獲得適合各種加工工藝要求的可塑性，即降低生膠的彈性， 增加可塑性，獲得適當?shù)牧鲃有裕瓜鹉z與配合劑在混煉過程中易于混合分散均勾；26同時也有利于膠料進行各種成型操作。此外，還要使生膠的可塑性均勻一致，從而使制得的膠料質量也均勻一致。隨著生膠可塑性的增大，硫化膠的機械強度、彈性、耐磨耗性能、耐老化性能下降，因此，塑煉膠的可塑性不能過大，應避免生膠的過度塑煉。近年來，隨著合成橡膠上業(yè)的發(fā)展， 許多合成橡膠在制造過程中控制了生膠的初始可塑度，在加工

43、時可不經塑煉而直接進行混煉。2、塑煉機理橡膠經塑煉以增加其可塑性， 其實質是橡膠分子鏈斷裂， 相對分子質量降低，從而橡膠的彈性下降。在橡膠塑煉時，主要受到機械力、氧、熱、電和某些化學增塑劑等因素的作用， 其中氧和機械力起主要作用，而且兩者是相輔相成的。 工藝用以降低橡膠相對分子質量獲得可塑性的塑煉方法可分為機械塑煉法和化學塑煉法兩大類， 其中機械塑煉法應用最為廣泛。機械塑煉又可分為低溫塑煉和高溫塑煉，前者以機械降解作用為主，氧起穩(wěn)定游離基的作用； 后者以自動氧化降解作用為主，機械作用強化橡膠與氧的接觸。(1)機械塑煉機理。 橡膠的機械塑煉的實質是力化學反應過程，即以機械力作用及在氧或其他自由基受體存在下進行的。在機械塑煉過程中， 機械力作用使大分子鏈斷裂， 氧對橡膠分子起化學降解作用，這兩個作用同時存在。 根據所采用的塑煉方法和工藝條件不同， 它們各自所起作用的程度不同， 塑煉效果也不同。a.機械力作用： 非晶態(tài)橡膠分子的構象是卷曲的，分子之間以范德華力相互作用著。在塑煉時，由于受到機械的劇烈摩擦、擠壓和剪切的反復作用，使卷曲纏結的大分子鏈互相牽扯， 容易使機械應力局部集中， 當應力大于分子鏈上某一個鍵