郑州大学：塑料成型工艺学郑国强(模具方向)——第三章成型用物料.ppt

第三章 成型用物料及其配制内容简介：塑料用树脂、助剂的基本性能，不同状态原料的配制方法。本章重点：粒料的配制和粉料的配制及其目的改善工艺性能、改善制品性能或降低生产成本。3.2 粉料和粒料的组成在塑料成型加工中，压延和挤出都可采用粉料。一般配制粉料是把各组分混合分散均匀，因此这种粉料也称作干混料。不管是粉料还是粒料，都是聚合物和助剂两类物质组成的。其中聚合物是主要成分，助剂则是为使复合物或其制品具有某种特性或者易于加工而加入的一些物质。常用的塑料助剂种类很多，主要有增塑剂、稳定剂、加工助剂、冲击改性剂、填充剂、增强剂、着色剂、润滑剂、防静电剂、阻燃剂、防霉剂等20多类。加至塑料中的助剂是随制品的不同要求而定的，并不是各类都需要，加入的各类助剂必须以相互发挥协同效应为要则，切忌彼此抑制。3.2.1 聚合物(树脂)聚合物的作用和要求：聚合物就是塑料的主要成分，所以它决定了制品的基本性能。在塑料制品中，聚合物应成为均一的连续相，其作用在于将各种助剂粘结成一个整体，从而具有一定的物理力学性能。由聚合物与助剂配制成复合物需要有良好的成型工艺性能，例如，在成型过程中，一般应在一定的温度、压力下具有可塑性(连续流动的行为)。从配料的角度来考虑，对聚合物的选择要求主要是相对分子质量大小及其分布、颗粒大小、结构和它们与增塑剂、溶剂等相互作用的难易等。凡相对分子质量偏高，颗粒结构紧密，以及与增塑剂和溶剂作用较难的，则配制时即需较高的温度、较强的外作用力和较长的作用时间。常用的聚合物树脂有：PE聚乙烯、PVC聚氯乙烯、PP聚丙烯、PS聚苯乙烯、ABS丙烯丁二烯苯乙烯共聚物、PA聚酰胺、PC聚碳酸脂、PMMA聚甲基丙烯酯甲酯、POM聚甲醛、PPO聚苯醚、PPS聚苯硫醚、PUR聚氨酯、PSU聚砜、PF酚醛树脂、PTFE聚四氟乙烯等3.2.2 增塑剂增塑剂的作用：为降低塑料的软化温度范围、降低玻璃化转变温度和提高其加工性，柔韧性或延展性，加入的低挥发性或挥发性可忽略的、能使聚合物分子链间作用力减弱的物质称为增塑剂，而这种作用则称为增塑作用。增塑剂通常是一类对热和化学试剂都很稳定的有机物，大多是挥发性低的液体，少数则是熔点较低的固体，而且至少在一定范围内能与聚合物相容(混合后不会离析)。经过增塑的聚合物，其软化点(或流动温度)、玻璃化温度、脆性、硬度、拉伸强度、弹性模量等均将下降，而耐寒性、柔顺性、断裂伸长率等则会提高。目前工业上大量应用增塑剂的聚合物只有聚氯乙烯、醋酸纤维、硝酸纤维等少数几种。其中主要是聚氯乙烯，所耗增塑剂占其总产量的80以上。因此，以下将着重讨论聚氯乙烯的增塑剂。但所述的原理部分对其它塑料也同样适用。分子链增塑剂连接点增塑模型增塑剂的应用：实际采用的增塑剂，除要求它们对聚合物的相容性好、增塑效率高、挥发度低、化学稳定性高、对光、热稳定性好等外，还要求无色、无臭、无毒、不燃、吸水量低，在水、油、溶剂等中的溶解度和迁移性小、介电性能好，在室温和低温下制品外观和手感好耐霉菌及污染以及价廉等。要求一种增塑剂同时兼具这些性能是困难的，但其中相容性好和挥发度低是最基本的要求，在使用时，应在满足这两项要求后再按具体情况作适当选择，在多数情况下，常将几种增塑剂混用来达到要求。聚合物与增塑剂的相容性：由于增塑剂对聚合物的作用是发生在它们分子之间的。因此，最重要的要求是它们之间应该有相容性，即彼此之间有互溶性。相容性好的可作为主增塑剂，能单独使用；增塑剂不易析出。相容性差的对聚合物的亲合力差，只能与主增塑剂共用。增塑剂的效率：它是从改变聚合物的一定量的物理性能所需加入增塑剂的量作为标记的。选择的物理性能指标可以不同，如用弹性模量、柔顺性、玻璃化温度、脆折温度、回弹量以及一切变形(伸长、弯曲、扭曲、压缩等)等均可。即要满足特定的需要。3.2.3 稳定剂定义：在塑料中加入稳定剂是制止或抑制聚合物因受外界因素(光、热、氧、细菌、霉菌以至简单的长期存放等)所引起的破坏作用。稳定剂可分为热稳定剂、光稳定剂(紫外线吸收剂，紫外线猝灭剂、光屏蔽剂等)及抗氧剂等。3.2.4 填充剂（填料）填充剂一般都是粉末状的物质，配制塑料时加入填充剂的目的是改善塑料的成型加工性能，提高制品的某些性能，赋予塑料新的性能和(或)降低成本。通常用偶联剂或表面活性剂处理，以改善填料在塑料中的分散程度。填充剂的加入量一般为塑料组成的40以下。近年来生产的一些高填充塑料制品等，填充剂的加入量则可能远超过此范围。填充剂的大小和表面状况对塑料性能有一定影响，球状、立方体状的通常可提高成型加工性能，但机械强度差，而鳞片状的则相反。粒子愈细时对塑料制品的刚性、冲击性、拉伸强度、因此稳定性和外观等改进作用愈大。3.2.5 增强剂加入聚合物中使其机械性能得到提高的纤维(金属纤维和颗粒)类材料，称作增强剂。它实际上也是聚合物的填料，只是由于性能上的差别和目前有很大的发展，所以特将其单独列作一类。增强剂用量越高，增强效果也越大，但却使塑料流动性下降，恶化成型加工性能，对设备的磨蚀也较严重。3.2.6 着色剂赋予塑料以色彩或特殊光学性能或使之具有易于识别等功能的材料称为着色剂（色母料）。塑料着色剂主要有无机颜料、有机颜料和染料三类。色料一般有粒状、膏状、粉状之分。用前两种在运输上虽较方便，但在混合时比较费工：用后一种，操作时会引起粉尘飞扬，需要添加防尘措施，所以选择色料时应该结合混合成本以及工厂所能提供的设备和环境保护的要求作出合理的选择。此外目前也有工厂专业生产一些高浓度(50200倍或更高)的色母料，供成型加工厂使用，因它清洁、方便又易于控制，因而发展很快。3.2.7 润滑剂为改进塑料熔体的流动性能，减少或避免对设备的摩擦和粘附(粘附也可能由其它助剂引起)以及改进制品表面光亮度等，而加入的一类助剂称为润滑剂。常用热塑性塑料中需要加润滑剂的有聚烯烃、聚苯乙烯、醋酸纤维素、聚酰胺、ABS、聚氯乙烯等，其中又以硬聚氯乙烯更为突出。常用的润滑剂有脂肪酸及其皂类、脂肪酸酯类、脂肪醇类和酰胺类、石蜡、低相对分子质量聚乙烯、合成蜡、丙烯酸酯类及某些有机硅化合物。润滑剂的用量常低于1。选用时应注意的是：润滑剂的用量和品种对物料的配制及成型加工都有较大的影响。3.2.8 防静电剂聚烯烃、聚苯乙烯、聚酰胺、聚氯乙烯等塑料制品的表面，常因在成型过程中与模具或设备表面分开而积有静电，这种积电还会在制品后加工或运转中增加。带有静电的制品表面容易积灰，对生产与使用不利。静电过大时常会震击人身，如果静电压大至3000V时还会产生静电火花，甚至引起火灾。为使制品具有适量的导电能力以消除带静电的现象，可在塑料中加入少量防静电剂。防静电剂主要有胺的衍生物、季胺盐类、磷酸酯类和聚乙二醇酯类。微弱的电离性，又有吸水性，能够在制品表面形成导电层，目前主要是加入填料来实现此功能3.2.9 阻燃剂不少塑料是可燃的，这给应用带来许多限制。如在塑料中加入一些含磷、卤素的有机物或三氧化二锑等物质常能阻止或减缓其燃烧，这类物质即称为阻燃剂。此外在某些聚合物(如环氧、聚酯、聚氨酯、ABS等)合成时，引人一些难燃结构(基团)，也可起到降低其燃烧性能的作用，这些称为反应型阻燃剂。常用阻燃剂如磷酸酯类、含卤磷酸酯类、有机卤化物、无机阻燃剂。添加型阻燃剂的使用量一般较大，从百分之几到30，因此，添加型阻燃剂常会使制品的性能，特别是力学性能下降。反应型阻燃剂则有可能克服这一缺点。3.2.10 驱避剂塑料制品在贮存、使用过程中，可能遭受老鼠、昆虫、细菌、霉菌等的危害，用于抵御、避免和消灭这类情况发生的物质统称驱避剂。3.2.11 其它助剂为生产泡沫塑料用的发泡剂。为防止聚烯烃和聚氯乙烯薄膜自身之间的粘着所加入的改性脂肪酸类(在吹塑薄膜中使用时常称作开口剂)。为免除农用薄膜因水汽凝结而出现的雾层而加入的非离子型表面活化剂，如木糖醇酯。加入这种物质的薄膜也有利于包装一般含有少量水分的食品。为增进聚氯乙烯制品在受荷下的热稳定性所加入的氯化聚氯乙烯。为降低聚氯乙烯熔体粘度而有利于成型和后加工(指板材)所加入的丙烯酸类树脂、氯化聚乙烯和ABS树脂等。为提高聚氯乙烯的冲击强度、耐热性、耐寒性而加入的增韧剂，如氯化聚乙烯、丙烯腈一苯乙烯共聚物、甲基丙烯酸甲酯、丁二烯等的合成物。应该指出的是，上列的后几类添加剂都是不同品种的聚合物，因此，可看作是高分子共混合物，而不属于助剂的范畴。3.3 混合过程原料的准备：树脂的干燥，称量，固体助剂的研磨等。原料的混合：定义：是一种趋向于减少混合物非均匀性的操作，在整个系统的全部体积内各组分在其单元内没有发生本质变化情况下的细化和分布过程混合设备：转鼓式混合机，靠混合室的转动来完成。用于非润性物料的混合螺带式混合机，多用在高速捏合后物料的冷却上，也叫冷混合机捏合机，混合时间长，均匀性差，效率较前两者高高速捏合机捏合机原理（高速混合机原理混合原理和效果评定1、混合理论分析扩散：靠各组分间浓度差推动微粒从浓度高向浓度低的区域迁移。（对固、液态物料，这种作用不明显）对流：靠各组分在外界因素下向其它组分所占空间流动，达到各组分在空间上的均匀分布（主要手段为机械搅拌）剪切：机械作用产生剪切力使物料各组分的物料块形变甚至分离崩溃，达到均一混合的目的（物料初混以对流为主，塑炼主要靠剪切作用）2、混合效果的评定均匀程度；分散程度。混合过程中的物理化学作用力化学反应器3.3 溶液和分散体的配制学习目标：1、了解溶液配制方法2、掌握溶胶的制备过程3.3.1 溶液的制备简介：成型中所用的聚合物溶液，有些是在合成聚合物时特意制成的，如酚醛树脂和聚酯等的溶液。而另一些则需在使用时配制，如乙酸纤维素和氯乙烯一乙酸乙烯酯共聚物的溶液等。设备：配制溶液所用的设备，一般都用附有强力搅拌和加热夹套的釜。为便于将聚合物结块撕裂和加强搅拌作用，也有在釜内加设各式挡板的。以下结合上面所述溶解过程原理，介绍两种工业上常用的具体配制方法。制备的方法慢加快搅法配制时，先将选定的溶剂在溶解釜内加热至一定温度，然后在快速搅拌和定温下，缓缓加入粉状或片状的聚合物，直至投完应加的量为止。投料的速率应以不出现结块现象为度。缓慢加料的目的在于使聚合物完全分散之前不致结块，而快速搅拌则既有加速分散和扩散作用，又借搅拌桨叶与挡板问的剪应力来撕裂可能产生的团块。低温分散法先将溶剂在溶解釜内进行降温，直到它对聚合物失去活性的温度为止，然后将应加的聚合物粉状物或片状物一次投入釜中，并使它很好地分散在溶剂中，最后再不断地搅拌将混合物逐渐升温。这样当溶剂升温而恢复活性时，就能使已经分散的聚合物很快溶解。F配制溶液时，对溶剂和溶液加热的温度，应在可能范围内尽量降低，不然即使在溶解釜上设有回流冷凝装置，也会引起溶剂的过多损失，甚至影响生产安全。另外，由于溶解过程时间较长，高温常易引起聚合物的降解。当然过猛的搅拌也可能使聚合物有一定降解。F用上述方法配制的溶液均须经过滤、脱泡后方能使用。F配制过程中的生产控制和质量检验指标主要是固体含量与粘度。至于溶液的检查项目，则视其用途而定。3.3.2分散体的配制分散体又称塑料糊，它是常温下可以流动的固液混合物，主要应用于人造革、地板革、铸塑、滚塑、搪塑。（1）组成：树脂+非水液体+助剂（2）分类：溶胶和凝胶之分前者流变性为假塑性，后者为宾汉流体；塑性胶和有机胶之分前者为软产品，后者为硬产品。