高分子材料成型原理.ppt

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1、高分子材料成型原理高分子材料成型原理主讲：沈新元 办公室：材料大楼c474室电子信箱:第三章 混合 在实际应用中，高分子材料中一般有各种添加剂或其它种类的聚合物。聚合物共混和添加改性的目的是为了改善聚合物的加工性，改进制品的使用性能或降低成本。聚合物共混和添加改性的一个重要环节是混合。知识园地知识园地:常用添加剂的种类常用添加剂的种类1.热稳定剂热稳定剂 聚合物加工过程中为阻止热降解反应所加的添加剂聚合物加工过程中为阻止热降解反应所加的添加剂。eg:铅盐类、金属皂类铅盐类、金属皂类 、有机锡类、有机锑类、稀土类、复合稳定、有机锡类、有机锑类、稀土类、复合稳定剂等剂等.应用实例应用实例:PVC

2、2.抗氧剂抗氧剂 可抑制或延缓高分子材料自动氧化速度、延长其使用寿命可抑制或延缓高分子材料自动氧化速度、延长其使用寿命的物质。的物质。(1)链终止型：通过与动力学链相结合链终止型：通过与动力学链相结合(与自由基与自由基R、ROO 反应反应)中断自动氧化的链增长并消灭自由基。中断自动氧化的链增长并消灭自由基。(2)预防型：可尽量少形成自由基以抑制或预防型：可尽量少形成自由基以抑制或 减缓引发反应。减缓引发反应。3.抗臭氧剂抗臭氧剂可以阻止或延缓高分子材料发生臭氧破坏的化学物质可以阻止或延缓高分子材料发生臭氧破坏的化学物质。eg:喹啉类衍生物，醛胺、酮胺的缩合物、对苯二胺衍生物等。4.光稳定剂光稳

3、定剂有效地抑制光致降解物理和化学过程的一类化合物。有效地抑制光致降解物理和化学过程的一类化合物。(1)光屏蔽剂光屏蔽剂(能反射和吸收紫外光的物质能反射和吸收紫外光的物质)(2)紫外线吸收剂紫外线吸收剂(能强烈地选择性吸收高能量的紫外线，并进行能强烈地选择性吸收高能量的紫外线，并进行能量能量 转换，以热能形式或无害的低能辐射将能量释放的一类物转换，以热能形式或无害的低能辐射将能量释放的一类物质质).(3)猝灭剂猝灭剂(能通过分子间的能量转移迅速将激发态分子猝灭并转能通过分子间的能量转移迅速将激发态分子猝灭并转变成热能、荧光或磷光形式经辐射散失后回到基态的一类物质变成热能、荧光或磷光形式经辐射散失

4、后回到基态的一类物质)。(4)自由基捕捉剂自由基捕捉剂(含氢过氧化物分解剂）含氢过氧化物分解剂）(能通过捕获自由基、能通过捕获自由基、分解过氧化物等途径赋予高分子材料高度光稳定性的一类化合物分解过氧化物等途径赋予高分子材料高度光稳定性的一类化合物).5.生物抑制剂生物抑制剂(防霉剂、杀菌剂、抑菌剂)保护材料免受微生物不利影响的物质。保护材料免受微生物不利影响的物质。eg:酚类、有机硅季铵盐、双胍类、苯胺类、有机锡化合物、无机类DC5700:3-（三甲氧基硅烷基）丙基二甲基十八烷基季铵氯化物6.抗静电剂抗静电剂 能有效地阻止材料能有效地阻止材料物质。物质。加工或使用过程中发加工或使用过程中发生静

5、电荷积累的一类生静电荷积累的一类物质。物质。eg:阴离子型：硫酸衍生物 磷酸衍生物 聚丙烯酸盐等 阳离子型：季铵盐、胺盐等 两性离子型：季胺内盐、烷基氨基酸类等 非离子型：多元醇(醇酯)、胺类衍生物等 炭黑7.阻燃剂阻燃剂 能提高可燃性材料耐燃性的物质能提高可燃性材料耐燃性的物质。eg:添加型：磷酸酯及其它磷化物添加型：磷酸酯及其它磷化物 有机卤化物有机卤化物 无机化合物无机化合物(Sb2O3、Al(OH)3等等 含卤有机硅和有机锑化合物等含卤有机硅和有机锑化合物等 反应型：卤代酸酑反应型：卤代酸酑 含磷多元醇含磷多元醇 其它其它 极限氧指数极限氧指数LOI LOI 阻燃性阻燃性 8.增塑剂增

6、塑剂 用以使高分子材料制品塑性用以使高分子材料制品塑性增加，改进其柔软性、延伸增加，改进其柔软性、延伸性和加工性的物质性和加工性的物质。eg:苯二甲酸酯类（DOP等）水9.化学剂化学剂(交联剂及交联用添加剂)能使高分子材料发生某些化能使高分子材料发生某些化学反应以改变其性质的物质。学反应以改变其性质的物质。eg:有机过氧化物 硫化剂 典型实例：橡胶的硫化 10.发泡剂发泡剂 可使一定粘度范围内的液态或塑性状态的高分子化合物形成可使一定粘度范围内的液态或塑性状态的高分子化合物形成微微 孔结构的物质。孔结构的物质。eg:物理发泡剂 化学发泡剂11.着色剂着色剂 能赋予高分子材料某种颜色的物质能赋予

7、高分子材料某种颜色的物质。eg:有机染料 颜料(有机、无机)12.填充剂填充剂(填料)能使高分子化合物的用量减少或能使高分子化合物的用量减少或(并并)能改善制能改善制品品某些机械性能的固体物质。某些机械性能的固体物质。增量填充剂(增量剂、非增强填料)eg:CaCO3、硫酸盐类、含硅化合物 补强性填充剂(补强剂、增强剂、增强填料)eg:炭黑、纤维类、金属晶须13.润滑剂润滑剂 为降低聚合物熔体与加工机械之间及熔体内部相互间的摩擦和为降低聚合物熔体与加工机械之间及熔体内部相互间的摩擦和粘附、改善流动性、促进加工成型、提高制品外观质量等的一类粘附、改善流动性、促进加工成型、提高制品外观质量等的一类添

8、加剂添加剂。内润滑剂：eg:脂肪醇(酸)外润滑剂：eg:石蜡 14.其他添加剂其他添加剂eg:偶联剂、橡胶软化剂、增粘剂、抗冲击改性剂 一一.混合的定义混合的定义 混合是一种趋向于混合是一种趋向于减少混合物非均匀性减少混合物非均匀性的操作，的操作，是系是系统内各组分在其基本单元没有本质变化的情况下，统内各组分在其基本单元没有本质变化的情况下，在系统在系统全部体积内的全部体积内的细化和分布细化和分布的过程。的过程。第一节第一节 混合的基本概念和原理混合的基本概念和原理二二.混合机理混合机理 按照按照Brodkey混合理论混合理论,混合涉及到扩散的三种基本运动形式。(一一)分子扩散分子扩散 在浓度

9、梯度驱使下，各组分自发地由浓度较大的区在浓度梯度驱使下，各组分自发地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均化的一域迁移到浓度较小的区域从而达到各处组分均化的一种扩散形式。种扩散形式。分子扩散在气体和低粘度液体中占支配地位。分子扩散在气体和低粘度液体中占支配地位。(二二)涡旋扩散涡旋扩散(涡流或紊流扩散涡流或紊流扩散)由系统内产生的紊流而实现的一种扩散形式。由系统内产生的紊流而实现的一种扩散形式。在聚合物加工中，很少发生涡旋扩散。在聚合物加工中，很少发生涡旋扩散。(三三)体积扩散体积扩散(对流混合对流混合)指流体质点、液滴或固体粒子由系统的指流体质点、液滴或固体粒子由系统的一一个

10、空间位置向另一空间位置的运动；或指个空间位置向另一空间位置的运动；或指两两种或多种组分在相互占有的空间内发生运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。动，以期达到各组分的均匀分布。在聚合物加工中，这种混合占支配地位在聚合物加工中，这种混合占支配地位.(1)体积对流混合体积对流混合 通过塞流使物料不需要连续变形便发生简单的体积重排通过塞流使物料不需要连续变形便发生简单的体积重排和置换来达到混合。和置换来达到混合。1.对流混合的机理(2)层流对流混合层流对流混合(层流混合层流混合)通过层流通过层流(层状流动层状流动)使物料受到剪切、拉伸使物料受到剪切、拉伸或挤压等作用而变

11、形来或挤压等作用而变形来达到混合。达到混合。图：混炼三要素图：混炼三要素P-压缩压缩 S-剪切剪切 D-置换置换2.层流混合的种类 (1)流变性均匀流体的层流混合 各组分流变性均匀，即少组分的粘度与多组分的粘度相同.两种粘性液体间的界面会增加，界面作为层流混合过程的定量度量。在这种流动中界面面积的增加并不是最大的，因此混合效果不是最好。(2)流变性非均匀流体的层流混合 各组分流变性不均匀，即少组分的粘度与多组分的粘度有差异.图：流变性不均匀流体在平行平板混和器中的混和图：流变性不均匀流体在平行平板混和器中的混和=11=22=33 且 1=3=H2=H 1=V1=V-1H1 3=1 V2=1H3

12、=1(H-H1-H)2=V-1H1-1H+1H+1H1 H V1-V2 H2 V2 H3 V-V1 H1 dVdH=V+1H(-1)H=V+(2/1)2H(-1)H=1V+2 2H(-1)1 H 2=V1 H(1-)2+1=VH1(1-)2/1+22/1，2 VH1 2 2 1 2 混合质量 1，0高粘度的少组分混合到低粘度的多组分中高粘度的少组分混合到低粘度的多组分中-比较困难比较困难 低粘度的少组分混合到高粘度的多组分中低粘度的少组分混合到高粘度的多组分中-相对容易相对容易三三.混合表征混合表征(1)均一性均一性 指混得匀不匀，浓度变化大小如何，即分散相指混得匀不匀，浓度变化大小如何，即分

13、散相浓度分布是否均匀。浓度分布是否均匀。分散度是指被分散物质的破碎程度如何。破碎程度大，粒径小，分散度是指被分散物质的破碎程度如何。破碎程度大，粒径小，其分散度就高；反之，粒径大，破碎度小，则分散得不好。其分散度就高；反之，粒径大，破碎度小，则分散得不好。(2)分散度分散度图：混合物示意图图：混合物示意图（a）（）（b）粗粉碎的（）粗粉碎的（c）（）（d）细粉碎的）细粉碎的（a）（）（c）混合不好（）混合不好（b）（）（d）混合较好）混合较好(3)混合状态的评判方法混合状态的评判方法 统计学上的混合指标 观察 其他直接或间接方法间歇式、连续式间歇式、连续式分布式、分散式分布式、分散式高、中、低

14、强度高、中、低强度四、混合没备四、混合没备 一.分散混合的定义 将呈现出屈服点的物料混合在一起时,要将它们分散开来，使结块和液滴破裂。这种混合为分散混合。分散混合的目的是把少组分的固体颗粒和液相滴分散开来，成为最终粒子或允许的更小颗粒或滴，并均匀地分布到多组分中。涉及少组分在变形粘性流体中的破裂问题。这是靠强迫混合物通过窄间隙而形成的高剪切区来完成的。对固体结块来说，当剪切对其形成的粘性拖曳在结块内产生的应力超过某个临界值时，结块就破裂。第二节第二节 分散分散二.分散混合过程发生的作用 图：分散混合时，发生的主要机械现象和流变现象示意图-使聚合物和添加剂粉碎-使粒状和粉粒状固体添加剂渗入聚合物

15、中-分散-分布均化1-聚合物2，3-任何粒状和粉状固体添加剂 分散混合过程要发生的各种物理-力学和化学作用：（1）在流场产生的粘性拖曳下，将大块的固体添加剂破碎为较小的粒子；（2）聚合物在剪切热和传导热的作用下熔融塑化，粘度逐渐降低至粘流态时的粘度；（3）较小粒子克服聚合物的内聚力，渗入到聚合物内；（4）较小粒子在流场剪切应力的作用下，进一步减小粒径，直到最终粒子大小，即形成固相结块以前的最小粒子；（5）固相最终粒子在流场作用下，产生分布混合，混合均匀；（6）聚合物和活性填充剂之间产生力-化学作用。三.影响液滴破裂的因素 1.表面张力 表面张力越大，越不易破裂.2.分散相的粘度 分散相的粘度越

16、大，液滴越难以破裂。粘度比大于4，液滴不破裂.3.剪切应力 剪切应力越大，液滴越易破裂.低于临界剪切应力，液滴不破裂。4.连续相的弹性和粘度 连续相的弹性趋于增加最小液滴尺寸和临界剪切速率。连续相的粘度增加起相反的作用。5.温度 温度增加，液滴尺寸减小.知识园地知识园地:聚合物共混体系及聚合物添加剂体系的制备方法 聚 合 物 共 混 体 系 的 制 备 方 法1.干粉共混2.熔体共混两条工艺路线：1）聚合物直接共混后熔融 2）聚合物共混后造粒再熔融 3.溶液共混 (1）聚合物先在干态下混合，再溶解在共同溶剂中;(2）聚合物分别溶解后混合;(3）将一种聚合物溶解，与第二种聚合物的单体相混合，再使单体聚合.4.乳液共混 聚合物聚合物添加剂体系的制备方法添加剂体系的制备方法1.熔体混合法熔体混合法 (1)聚合过程添加法 (2)双螺杆挤出机造粒法 (3)聚合物添加剂直接混合法 (4)纺前注射法 (5)切片表面包覆添加剂法 (6)微胶囊法 2.溶液混合法溶液混合法 (1)聚合物溶液添加剂直接混合法 (2)聚合物溶液添加剂悬浮液混合法 (3)聚合物溶液微胶囊混合法 思考题1.根据Brodkey混合理论,聚合物共混体系与聚合物添加剂体系涉及的混合机理有何差别?2.高分子材料加工中,常用添加剂有哪些种类?3.聚合物共混体系的制备方法有哪些?4.聚合物添加剂体系的制备方法有哪些?