高分子材料成型及加工

1、1第二节第二节 混合设备混合设备 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，经济指标及其其他各项指标在很大程度上混合质量指标，经济指标及其其他各项指标在很大程度上取决于混合设备的性能。取决于混合设备的性能。一、混合设备的分类一、混合设备的分类 操作方式：操作方式：间歇式、连续式混合过程特征：混合过程特征：分布式、分散式混合物强度大小：混合物强度大小：高强度、中强度、低强度21、间歇式和连续式、间歇式和连续式 间歇式混合设备间歇式混合设备：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。特点：特点：可见

2、在整个混合周期内非混合时间占相当比例，因此间歇混合设备的生产效率较低。但可以在混合操作过程中随时调整混合工艺，特别是某些间歇式混合设备具有很高的混合强度，有利于混合均匀；典型设备：典型设备：捏合机、开炼机等。第二节第二节 混合设备混合设备 3连续式混合设备：连续式混合设备：混合过程是连续的。特点：特点：由于连续操作，可以调高生产能力，容易实现自动控制，减小能源消耗，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，可以连续混合-成型，所以连续式混合设备是目前发展的趋势。典型设备：如单、双螺杆挤出机典型设备：如单、双螺杆挤出机。尽管连续混合设备较间歇式混合设备有许多优点，但是目前许多加

3、工工序仍是间歇式的，再加上间歇式混合设备具有随时调整混合工艺且具有高的混合强度，因而间歇式混合设备仍然具有广泛的应用。第二节第二节 混合设备混合设备 4第二节第二节 混合设备混合设备 2、分布式混合设备和分散式混合设备、分布式混合设备和分散式混合设备 分布混合设备：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：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等达到分布混合的目的。代表性设备：代表性设备：有重力混合器、气动混合器及一

4、般用于干混合的中、低强度混合器等。5第二节第二节 混合设备混合设备 分散混合设备：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：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：代表性设备：开炼机、密炼机等。注意注意: 分散混合能力和分布混合能力往往是混合设备同时具有的，因为任何一个混合过程总是同时具有分散与分布的要求，只是侧重点不同。6第二节第二节 混合设备混合设备 3高强度、中强度和低强度混合设备高强度、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，可以分为高强高强度、中强度

5、和低强度混合设备度、中强度和低强度混合设备。 强度的大小区分没有严格的数量指标，有些资料建议以混合物料的批量多的混合设备为低强度混合设备，反之，能混合物料的批量少的混合设备为高强度混合设备；习惯上，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。7二、间歇混合设备二、间歇混合设备 静式混合设备：静式混合设备：重力混合器和气动混合器，混合器的混合室是静止的，依靠重力和气动力使得物料流动混合，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：滚筒类混合设备：利用混合室的旋转来达到混合目的，如鼓式混合机、双锥混合机和V形混合机。是中、低强度的分布混合设备，适于粉料，粒

6、状料固态物料的初混，也可适用于固态物料加入少量液态添加剂。转子类混合设备：转子类混合设备：利用混合室的转动部件-转子的转动进行混合，如螺带混合机、锥筒螺杆混合机、犁状混合机、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。 最主要设备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，用途广泛，混合强度高。8在高分子材料加工过程中，间歇设备用的最多的是Z型捏型捏合机，高速混合机，开炼机和密炼机合机，高速混合机，开炼机和密炼机。9Z型捏合机混合过程型捏合机混合过程 混合时，物料借助于相向运动的一对搅拌器沿着混合室的侧壁上翻而后在混合室的中间下落，再次为搅拌器所用。这样，周而

7、复始，物料得到折迭和撕捏作用，从而达到混合均用的目的。加热和冷却：加热和冷却：（1）加热套加热和冷却；（2）搅拌器中心开设通道，捏合时温度控制更为准确而及时；真空或者惰性气体封闭工作：真空或者惰性气体封闭工作：排除水分与挥发物及防止氧气影响；卸料：卸料：一般是混合室的倾斜，或者底部卸料1011折流挡板：折流挡板：使物体运动呈现流化状，更有利于分散；使物体运动呈现流化状，更有利于分散；高速混合机混合过程：高速混合机混合过程：u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使得物料沿叶轮切向运动。u由于离心力作用，物料抛向混合室内壁，沿壁面上升；u上升到一定高度后，由于重

8、力原因，又回到叶轮中心；u又被叶轮抛起，重复以上过程；叶轮转速很快：叶轮转速很快： 快速运动的粒子相互碰撞，摩擦，使得团块快速运动的粒子相互碰撞，摩擦，使得团块 破碎；破碎；升到物料温度：升到物料温度：物料迅速进行交叉的混合；物料迅速进行交叉的混合；促进了物料组分的均匀分布和对液态添加剂的吸收促进了物料组分的均匀分布和对液态添加剂的吸收12加料：加料：混合室的上部混合室的上部卸料：卸料：混合式的下部混合式的下部上下两部分的关闭和开启均有压缩空气上下两部分的关闭和开启均有压缩空气操纵；操纵； 混合器夹套混合器夹套加热加热常在常在开车开车时进时进行，以后行，以后剪切作用增加剪切作用增加，物料，物料

9、产生热量，因此有时要通过产生热量，因此有时要通过夹夹套冷却套冷却，冷却时，冷却时叶轮相应减速叶轮相应减速；物料温度的控制：物料温度的控制：13开炼机又称双辊炼塑机或者炼胶机。开炼机又称双辊炼塑机或者炼胶机。它是通过两个转动的辊筒将物料混合或使得物料达到规定它是通过两个转动的辊筒将物料混合或使得物料达到规定状态；状态；主要应用：主要应用：橡胶的塑炼和混炼橡胶的塑炼和混炼塑料的塑化和混合塑料的塑化和混合填充与共混改性物的混炼填充与共混改性物的混炼母料的制备等母料的制备等1415-开炼机混合过程：开炼机混合过程：开炼机工作时，两个滚筒相向旋转，且速度并不等；开炼机工作时，两个滚筒相向旋转，且速度并不

10、等；放在滚筒上的物料由于和滚筒表面的摩擦和粘附作用以及放在滚筒上的物料由于和滚筒表面的摩擦和粘附作用以及 物料之间的粘力拉入辊隙之间；物料之间的粘力拉入辊隙之间；辊隙间的物料受到强烈的挤压和剪切作用，物料产生很大辊隙间的物料受到强烈的挤压和剪切作用，物料产生很大 的形变，增加各组分之间的界面，产生分布混合；的形变，增加各组分之间的界面，产生分布混合；剪切力大于物料的许用应力时，物料就会分散开；剪切力大于物料的许用应力时，物料就会分散开；许用应力：许用应力：材料所能承受材料所能承受的最大应力值的最大应力值16密炼机：密炼机：即是封闭性塑炼机或者即是封闭性塑炼机或者炼胶机，是在炼胶机，是在开炼机的

11、基础上开炼机的基础上发发展而来的。展而来的。密炼机的混炼室是密闭的，混密炼机的混炼室是密闭的，混合过程物料不会外泄，可以避合过程物料不会外泄，可以避免添加剂氧化与挥发，且容易免添加剂氧化与挥发，且容易加入液态添加剂；加入液态添加剂；有效的改善工作环境，降低劳有效的改善工作环境，降低劳动强度，缩短了生产周期；动强度，缩短了生产周期；17-结构简图结构简图18-密炼机混合过程：密炼机混合过程：u密炼机工作时，物料有加料口加入，密炼机工作时，物料有加料口加入， 上丁栓在气压驱动下将物料压入混上丁栓在气压驱动下将物料压入混 炼室；炼室；u工作过程，上丁栓始终压住物料；工作过程，上丁栓始终压住物料；u各

12、种物料在转子的作用下进行强烈的各种物料在转子的作用下进行强烈的 混合；混合；u混合完毕后，下顶栓开启，物料混合完毕后，下顶栓开启，物料 由排料口排出；由排料口排出；19三、连续混合设备三、连续混合设备 20211、组成： 加料装置、料筒、螺杆、机头、口模等222、作用 2324第三节第三节 橡胶的塑炼与混炼橡胶的塑炼与混炼 橡胶制品成型前的准备工艺包括橡胶制品成型前的准备工艺包括原材料处理，生胶的塑炼，原材料处理，生胶的塑炼，配料和胶料的混炼配料和胶料的混炼等工艺。等工艺。图图3.1 橡胶制品成型前的准备工艺橡胶制品成型前的准备工艺 问题：问题：（1）生胶，塑炼和混炼的概念应该怎么理解？）生胶

13、，塑炼和混炼的概念应该怎么理解？ （2）生胶为什么要进行塑炼的过程，为什么不能直）生胶为什么要进行塑炼的过程，为什么不能直接进行混炼的过程？接进行混炼的过程？25第三节第三节 橡胶的塑炼与混炼橡胶的塑炼与混炼 2. 常见橡胶的玻璃化转变温度：常见橡胶的玻璃化转变温度： 顺顺1,4-1,4-聚异戊二烯聚异戊二烯 玻璃花转变温度玻璃花转变温度-70-70o oC C 丁苯橡胶丁苯橡胶 玻璃花转变温度玻璃花转变温度-60oC 顺顺1,4-聚丁二烯聚丁二烯 玻璃花转变温度玻璃花转变温度-105oC 以上数据说明，橡胶在常温下时，都处于高弹态。以上数据说明，橡胶在常温下时，都处于高弹态。1. 当温度高于

14、玻璃转变温度时，当温度高于玻璃转变温度时，聚合物处于高弹态聚合物处于高弹态，也就也就是聚合物受到较小的应力产生较大的形变。是聚合物受到较小的应力产生较大的形变。生胶：生胶：线性的高分子化合物，在常温下大多数处于高弹态。线性的高分子化合物，在常温下大多数处于高弹态。高弹性高弹性是橡胶制品最宝贵的性质，然而生胶的这一宝贵性质是橡胶制品最宝贵的性质，然而生胶的这一宝贵性质却给制品的生产带来极大的困难却给制品的生产带来极大的困难！26第三节第三节 橡胶的塑炼与混炼橡胶的塑炼与混炼 如果不降低生胶的弹性：如果不降低生胶的弹性：1. 1. 加工过程中，各种添加剂无法在生胶加工过程中，各种添加剂无法在生胶中

15、分散均匀；中分散均匀；2. 大部分机械能都消耗在弹性形变上；大部分机械能都消耗在弹性形变上； 因此，为了满足加工工艺的需求，因此，为了满足加工工艺的需求，必须使生胶由强韧的必须使生胶由强韧的高弹态转变成柔软而具有可塑性的状态高弹态转变成柔软而具有可塑性的状态。这种使得弹性胶变。这种使得弹性胶变成可塑状态的工艺过程称为成可塑状态的工艺过程称为塑炼塑炼；27一、生胶的塑炼一、生胶的塑炼2. 2. 塑炼的机理塑炼的机理 （1 1）机械塑炼：）机械塑炼：在在机械力作用下机械力作用下及在及在氧或者其他自由基受体氧或者其他自由基受体体存在下进行的。体存在下进行的。 机械力作用机械力作用：对橡胶塑炼的直接结

16、果，就是使橡胶分 子链发生断裂。问题：为什么机械力可以使得高分子链断裂？问题：为什么机械力可以使得高分子链断裂？ 非晶态橡胶高分子的构象是卷曲的，分子之间以范德华力相非晶态橡胶高分子的构象是卷曲的，分子之间以范德华力相互作用互作用28(1).塑炼时，卷曲的高分子链相互缠结，容易受到机械应力 集中，当应力大于分子链上的某一个键的断裂能时，则造成大分子链断裂，相对分子量降低，塑性增加；(2).当橡胶分子链受到剪切应力时，大分子链沿外力方向伸展，分子链中央受力最大，伸展也最大，链段的两端仍然保持卷曲状，应力达到一定值后，大分子链中央首先断裂；2. 塑炼的机理塑炼的机理(3).相对分质量越大，受力越大

17、，分子链也越容易断裂；(4).橡胶大分子链上的主链比侧链长的多，大分子链间的范德华力和链缠结使得主链上受到的应力要比侧链大的多，所以主链断裂的几率要比侧链高；29机械力作用机械力作用的结果的结果1. 生胶中较大分子量的分子链首先发生生胶中较大分子量的分子链首先发生断裂，含量显著降低；断裂，含量显著降低；2. 低分子量的聚合物组分含量几乎不变低分子量的聚合物组分含量几乎不变3. 中等分子量的聚合物组分含量增加中等分子量的聚合物组分含量增加也就是说塑炼过程使得生胶相对分子质量下降，也就是说塑炼过程使得生胶相对分子质量下降，分子量分布变窄分子量分布变窄2. 塑炼的机理塑炼的机理 302. 塑炼的机理

18、塑炼的机理 氧气和温度作用：氧气和温度作用：对橡胶塑炼的直接结果，就是使橡胶分子链更加容易断裂。低温下（低温下（110oC以下）：以下）： 机械力作用首先使得橡胶大分子断裂生成大分子自由基。自 由基的化学性质很活波，生成的自由基重新结合起来，从而 得不到塑炼效果。因此单纯靠机械力是不够的，实践证明，在惰性气体中进行 长时间的塑炼，生胶的可塑性几乎不变。在氧气气氛中塑炼，生胶的粘度迅速下降，这是因为氧气可 以作为自由基的稳定剂使自由基转变成稳定的过氧自由基， 然后分解称为稳定的分子。31高温下（高温下（110oC以上）：以上）： 高温下，生胶粘度下降，生胶所受到的剪切应力有所下降。 但是高温下的

19、热和氧的自动催化氧化破坏作用随着温度的提 高而急剧增加，大大加快了橡胶分子的氧化降解速度，塑炼 效果也迅速增大。生成的橡胶分子过氧化物很不稳定，生成分子量小的分子生成的橡胶分子过氧化物很不稳定，生成分子量小的分子 2. 塑炼的机理塑炼的机理 32静电作用静电作用橡胶塑炼中，分子反复摩擦 表面带电（电压可达几千、数万伏） 引起高压放电 放电使周围空气中的氧活化为原子态氧或臭氧 促使橡胶分子进一步氧化断裂。交联的作用交联的作用橡胶分子断裂成链自由基后，有几种变化的可能：1）被氧和塑解剂封闭；2）本身分子在断裂处重新再键合；3）断裂分子与另一个断裂分子键合。 显然 2）和 3）是不希望发生的。其中

20、3）对塑炼效果更有危害，因为一旦交联成为不溶不熔的体型结构（网状结构）后，对后续加工十分有害。 塑炼中：一要保证物料与空气充分接触； 二要根据情况使用塑解剂。33（2 2）化学塑炼化学塑炼-塑解剂的作用塑解剂的作用 塑解剂化学增塑剂塑解剂化学增塑剂，其作用是通过化学作用来提高塑炼效果。有三种类型：引发型：引发型：塑炼时自身能生成自由基，引发橡胶分子断裂。主要品种：过氧化苯甲酰、偶氮二异丁腈。接受型：接受型：塑炼时能使橡胶大分子自由基丧失活性，从而达到使分子量不再增大的目的。主要品种：硫酚、苯醌。混合型（链转移型）：混合型（链转移型）：兼具引发型和接受型的功能。主要品种：硫醇类化合物2.塑炼的机

21、理塑炼的机理 34以机械塑炼应用最广泛。机械塑包括炼开炼机塑炼、密开炼机塑炼、密炼机塑炼、螺杆塑炼机塑炼炼机塑炼、螺杆塑炼机塑炼。生胶在塑炼之前要先经过烘胶、切胶、选胶和破胶烘胶、切胶、选胶和破胶等准备工作，然后进行塑炼。烘胶是为了降低生胶的硬度，便于切割，同时还能解除有些生胶的结晶。烘胶多数是在烘房内进行，温度一般是50-70oC，不宜过高，时间需长达数十小时。切胶是把从烘房内取出的生胶用切胶机切成10kg左右的小块，便于塑炼。切胶后应人工选除表面和杂质。破胶是在辊筒粗而短的破胶机中进行，以提高塑炼效率。破胶时的辊距一般是2-3mm，辊温在45oC以下。3 3、塑炼工艺、塑炼工艺35（1 1

22、）开炼机塑炼）开炼机塑炼开炼机塑炼主要为机械塑炼，温度越低，效果越好；塑炼中因挤压和剪切作用，产生大量热量，需对双辊通冷水冷却（胶料温度一般控制在55以下）；可采用分段塑炼，一般塑炼10 15分钟后冷却一段时间再塑炼。因为开放式，开炼中空气中的氧与物料接触较多，塑炼作用较好；使用塑解剂，但塑炼温度可低一些；辊距、辊速比、温度是影响塑炼效果的主要因素，如何影响？ 辊距 辊速比 温度 塑炼效果36生胶在密炼室内一方面在转子和密炼室壁之间受到剪切和摩擦作用，另外一方面受到上顶拴的外压作用；由于是密闭系统，清理相对困难，散热也比较困难；属高温塑炼（天然橡胶温度一般为140 -160），要严格控制时间，

23、防止橡胶分子链过度氧化降解，影响物理性能；生胶在密炼室主要借助高温下的强烈氧化断链来提高 橡胶的可塑性；化学塑解剂在密炼机中的应用比开炼机更为有效，因为温度对化学塑解剂分解有促进作用；（ 2） 密炼机塑炼密炼机塑炼37生胶进入料筒后，通过螺杆的旋转，向口模方向行进；螺杆旋转时，由于螺杆与料筒间间隙很小，形成较大的剪切作用而使生胶塑炼；胶料在料筒内因剪切摩擦而升温，属高温机械塑炼；属连续式塑炼，生产能力较大，但由于温度高，胶料的塑炼质量不均，对加工后的制品性能会造成不利影响。温度条件相当重要，机筒温度：95110，机头温度：8090。（3 3）螺杆塑炼机塑炼）螺杆塑炼机塑炼38二、胶料的混炼二、

24、胶料的混炼混炼的定义混炼的定义将可塑度合乎要求的生胶或塑炼胶与配合剂，在一定的温度和机械力作用下混合均匀，制成性能均一、可供成型的混炼胶的过程。混炼的任务混炼的任务使各种配合剂都能均匀地分散在橡胶中。混炼的成品混炼胶。1. 混炼理论混炼理论 混炼胶组份比较复杂，不同性质的组份对混炼过程、分散程度及混炼胶的结构有很大的影响。39（1）配合剂的性质与混炼工艺的关系）配合剂的性质与混炼工艺的关系 分散性分散性能溶于橡胶的配合剂，容易混合均匀。如软化剂、促进促进剂剂、硫黄。不能溶于橡胶的配合剂，不容易混合均匀。如填充剂、补强剂。 几何形状几何形状球状配合剂（即使不溶于橡胶），相对而言可以容易混合均匀。

25、如炭黑。片、针状等不对称形状的配合剂，不容易混合均匀。如陶土、滑石粉、石棉。1. 混炼理论混炼理论40 表面性质表面性质表面性质与橡胶相近的配合剂，容易混合均匀。如炭黑；表面性质与橡胶相差较大的配合剂，不容易混合均匀。如陶土、硫酸钡、碳酸钙、氧化锌、氧化镁。对于表面性质与橡胶相差较大的配合剂，可采用加表面活性剂的办法解决。常用的表面活性剂：硬脂酸、高级醇、含氮化合物或者某些树脂等。一、混炼理论一、混炼理论 聚集体聚集体对于粒径很小的配合剂（如炭黑、某些填充剂），颗粒团聚倾向很大，必须在混炼时使其搓开。 胶料粘度高有利于分散团聚体，因为胶料黏度高一些，受到的剪切作用更大一些。因此，塑炼时可塑性不

26、能过大，混炼时温度不能过高。41混炼过程中，当橡胶分子被断裂成链自由基时，炭黑粒子表面的活性部位就能与链自由基结合，产生结合橡胶；已经与炭黑结合的橡胶分子，又会通过缠结、交联等结合更多的橡胶分子，生成更多的结合橡胶。不仅在混炼中会生成结合橡胶，在混炼后的停放过程中，也会生成结合橡胶。结合橡胶的生成，有利于补强剂、填充剂的分散，有利于改善物料性能。但如果生成了与橡胶结合的炭黑凝胶过多，则难以进一步分散。（2）结合橡胶与混炼工艺的关系）结合橡胶与混炼工艺的关系一、混炼理论一、混炼理论42（3 3）混炼胶的结构）混炼胶的结构与生胶不相容的配合剂以细粒状分散在生胶中-细分散体；生胶与溶于生胶的配合剂成

27、为复合分散介质（生胶介质）；所以混炼胶的实质是由多种细分散体和生胶介质组成的胶态分散体。与一般的胶态分散体系相比：与一般的胶态分散体系相比：u分散介质不是单一物质；u配合剂和橡胶的接触面上产生一定的化学和物理作用；u橡胶的粘度较大，胶料的热力学不稳定性不明显；一、混炼理论一、混炼理论432 2、混炼工艺、混炼工艺混炼需借助强大机械力作用进行。混炼时加料顺序的基本原则：先加塑炼胶（或具有一定可塑性的生胶）；后加用量少的、难分散的配合剂；再加用量多的、易分散的配合剂；最后加硫黄等硫化剂。混炼设备主要是开炼机和密炼机。44（1）开炼机混炼）开炼机混炼u适应性强，可以混炼各种胶料；u混炼后的胶料成片状

28、，直接可进行后加工，不需辅助混炼；u但生产效率低，劳动强度大。开炼机混炼的工艺控制：辊速：15 35 rpm（一般是固定的）；速比：1:1.1 1:1.2（一般是固定的）；辊温：50 60（因剪切升温，混炼中需通冷却水）45混炼一开始就应将配合剂加足，并及时将其余配合剂加入，以减少混炼时间；混炼中采用割开、翻动、折迭等方法，使各配合剂与胶料混合均匀；开炼混合中最常用的投料顺序是：生胶 固体软化剂 促进剂、促进助剂、防老剂 补强剂、填充剂 液体软化剂 硫黄（1）开炼机混炼）开炼机混炼胶料混炼的原则胶料混炼的原则 用量少的、难分散的配合剂；再加用量多的、易分散的配合剂；硫化剂和促进剂要分开加入，以免一起加入因局部温度过高而使得胶料