《聚合物的混合》PPT课件.ppt
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1、高分子材料加工基础高分子材料加工基础烟台大学化学生物理工学院 第二章第二章 高聚物的熔融和溶解高聚物的熔融和溶解第三章第三章 聚合物的混合聚合物的混合第四章第四章 聚合物流体的流变性聚合物流体的流变性 第五章第五章 聚合物加工中的物理化学变化聚合物加工中的物理化学变化 第三章第三章 聚合物的混合聚合物的混合烟台大学化学生物理工学院第三章第三章 聚合物的混聚合物的混合合例子:聚氯乙烯例子:聚氯乙烯塑料的成型,橡塑料的成型,橡胶的成型胶的成型助剂:改善加工、助剂:改善加工、使用性能,降低成本使用性能,降低成本问题:问题:如此多的组分添加到聚合物中,成型为整体的制品,如此多的组分添加到聚合物中,成型
2、为整体的制品,需要使多组分不均匀的体系变成为多组分均匀体系,需要使多组分不均匀的体系变成为多组分均匀体系,保证制品的性能,实现这个关键环节的就是保证制品的性能,实现这个关键环节的就是混合混合混合混合。烟台大学化学生物理工学院第三章第三章 聚合物的混合聚合物的混合3.13.1混合的基本概念和机理混合的基本概念和机理3.23.2混合分类混合分类混合的表征混合的表征3.33.3烟台大学化学生物理工学院3.1 混合的基本混合的基本概概念和机理念和机理 混合指用机械方法使两种或多种物料均匀参混的操作,产物称为混合指用机械方法使两种或多种物料均匀参混的操作,产物称为混合物。混合物。混合是一种操作混合是一种
3、操作是一个过程是一个过程混合的基本概念混合的基本概念烟台大学化学生物理工学院3.1 混合的基本混合的基本概概念和机理念和机理u将将各各种种添添加加剂剂混混合合掺掺入入聚聚合合物物基基体体中中,使使其其分分散散成成为为树树脂脂体体系系中中的的一个含量组分。添加剂包括:稳定剂、润滑剂、增塑剂等等。一个含量组分。添加剂包括:稳定剂、润滑剂、增塑剂等等。u以玻璃纤维、碳纤维等增强材组分增强高聚物树脂。以玻璃纤维、碳纤维等增强材组分增强高聚物树脂。u将将单单一一的的聚聚合合物物熔熔体体均均化化,或或通通过过受受到到控控制制的的剪剪切切流流动动以以得得到到某某种种期望的流变性质的混合。期望的流变性质的混合
4、。u另外还有一些小技术过程也可以称为混配:另外还有一些小技术过程也可以称为混配:高分子溶液的增浓处理;高分子溶液的增浓处理;造粒;造粒;体系中残余成分的脱排。体系中残余成分的脱排。在高分子材料的工业中,在高分子材料的工业中,混合作为材料制备工艺中最重要的手段之一,混合作为材料制备工艺中最重要的手段之一,还包含在一个更广泛的技术概念还包含在一个更广泛的技术概念“混配混配”之中。之中。混合的基本概念混合的基本概念烟台大学化学生物理工学院按照按照Brodkey混合理论混合理论 混合涉及到三种扩散的基本运动形式混合涉及到三种扩散的基本运动形式:即即分子扩散、涡流扩散和体积扩散分子扩散、涡流扩散和体积扩
5、散分子扩散、涡流扩散和体积扩散分子扩散、涡流扩散和体积扩散。混合的机理混合的机理3.1 混合的基本混合的基本概概念和机理念和机理烟台大学化学生物理工学院分子扩散分子扩散 是由浓度梯度是由浓度梯度驱使的自发发生的驱使的自发发生的一种过程一种过程 各组分的微粒子各组分的微粒子由浓度较大的区域由浓度较大的区域迁移到浓度较小的迁移到浓度较小的区域,从而达到各区域,从而达到各组分的均化。组分的均化。分子扩散分子扩散分子扩散分子扩散在气体在气体和低粘度液体中占和低粘度液体中占支配地位。支配地位。一般来说,聚合物加工中,熔体和熔体之间的一般来说,聚合物加工中,熔体和熔体之间的分子扩散没有实际意义。分子扩散没
6、有实际意义。因为熔体粘度很高,分子扩散很慢,就是说因为熔体粘度很高,分子扩散很慢,就是说熔体和熔体之间的混合不靠分子扩散完成的。熔体和熔体之间的混合不靠分子扩散完成的。但是如果参与混合的组分之一是低分子物质,但是如果参与混合的组分之一是低分子物质,如抗氧剂、发泡剂、颜料等,则分子扩散可能是如抗氧剂、发泡剂、颜料等,则分子扩散可能是一个比较重要的因素一个比较重要的因素混合的机理混合的机理3.1 混合的基本混合的基本概概念和机理念和机理注意注意注意注意烟台大学化学生物理工学院涡流扩散涡流扩散也称为紊流扩散也称为紊流扩散在化工中流体的在化工中流体的混合一般是靠系混合一般是靠系统内产生紊流来统内产生紊
7、流来实现的实现的注意注意注意注意 在聚合物加工中,由于物料的运动速度达不在聚合物加工中,由于物料的运动速度达不到紊流。到紊流。原因:要实现紊流,熔体的速度很高,势必会原因:要实现紊流,熔体的速度很高,势必会对聚合物施加很高的剪切速率,使熔体发生破裂,对聚合物施加很高的剪切速率,使熔体发生破裂,也会造成聚合物的降解,实际上是不允许的,而也会造成聚合物的降解,实际上是不允许的,而且聚合物粘度高,因此很少发生涡旋扩散且聚合物粘度高,因此很少发生涡旋扩散3.1 混合的基本混合的基本概概念和机理念和机理混合的机理混合的机理烟台大学化学生物理工学院体积扩散体积扩散(对流混合对流混合)是指是指流体质流体质流
8、体质流体质点、液滴或固体点、液滴或固体点、液滴或固体点、液滴或固体粒子粒子粒子粒子由系统一个由系统一个空间向另一个空空间向另一个空间位置的运动,间位置的运动,或两种以及多组或两种以及多组分在相互占有的分在相互占有的空间内发生运动,空间内发生运动,以期达到各组分以期达到各组分的均匀。的均匀。在聚合物加工中,在聚合物加工中,这种混合作用占支配地位这种混合作用占支配地位注意注意注意注意3.1 混合的基本混合的基本概概念和机理念和机理混合的机理混合的机理烟台大学化学生物理工学院3.1 混合的基本混合的基本概概念和机理念和机理混合的机理混合的机理体积扩散体积扩散体积对流混合(不变形)体积对流混合(不变形
9、)(可发生在固体物料间,或液体物料间)(可发生在固体物料间,或液体物料间)层流对流混合(变形)层流对流混合(变形)(主要发生在液体物料间)(主要发生在液体物料间)烟台大学化学生物理工学院混合的基本要素混合的基本要素 混合的目的混合的目的混合的目的混合的目的就是使原来两种或两种以上各自均匀分散的物料从一种物就是使原来两种或两种以上各自均匀分散的物料从一种物料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。料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。然而,在没有分子扩散和分子运动的情况下,为了达到所需的概率分然而,在没有分子扩散和分子运动的情况下,为了达到所需的概
10、率分布,混合问题就变为一种布,混合问题就变为一种物料发生形变和重新分布物料发生形变和重新分布物料发生形变和重新分布物料发生形变和重新分布的问题,而且如果最终的问题,而且如果最终物料颗粒之间不是互相孤立的,分散的颗粒就有一种凝聚的趋势。物料颗粒之间不是互相孤立的,分散的颗粒就有一种凝聚的趋势。3.1 混合的基本混合的基本概概念和机理念和机理混合的机理混合的机理这样,混合就需要有外加的作用力(主要是剪切力)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: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;)使物料发生形变和重新分布;(2)克服颗粒的凝聚。)克服
11、颗粒的凝聚。烟台大学化学生物理工学院混合混合要素要素剪切剪切分流分流合并和置换合并和置换挤压挤压(压缩压缩)拉伸拉伸集聚集聚3.1 混合的基本混合的基本概概念和机理念和机理混合的机理混合的机理烟台大学化学生物理工学院剪切情况剪切情况A:介于两块平行板间的物料由于板的平行运介于两块平行板间的物料由于板的平行运动而使物料内部产生永久变形的动而使物料内部产生永久变形的“粘性剪切粘性剪切粘性剪切粘性剪切”B:刀具切割物料的:刀具切割物料的“分割剪切分割剪切”C:由以上两种剪切合成的如石磨磨碎东西时由以上两种剪切合成的如石磨磨碎东西时的的“磨碎剪切磨碎剪切”主要主要主要主要剪切剪切3.1 混合的基本混合
12、的基本概概念和机理念和机理混合的机理混合的机理烟台大学化学生物理工学院平行平板混合器的粘性剪切平行平板混合器的粘性剪切 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。介质中。粘性剪切粘性剪切3.1 混合的基本混合的基本概概念和机理念和机理混合的机理混合的机理烟台大学化学生物理工学院 图图(a)(t0):含有:含有“微粒微粒”而具有恒定粘度的流体充满了保持不动的两而具有恒定粘度的流体充满了保持不动的两块板的间隙中块板的间隙中 图图(b):当上板受力开始沿受力方向运动后,流体微粒开始变形:当上板受力开始沿受力方向运动后,流体
13、微粒开始变形 随着变形加大,粒子被拉长,每排粒子间的平均距离随着变形加大,粒子被拉长,每排粒子间的平均距离(条纹厚度条纹厚度)减小,减小,粒子终将接近、这样逐渐发生混合。粒子终将接近、这样逐渐发生混合。图图(c),(d):在不同的时间间隔内,继续发生变形:在不同的时间间隔内,继续发生变形3.1 混合的基本混合的基本概概念和机理念和机理混合的机理混合的机理烟台大学化学生物理工学院 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,从而达到混细,向倾斜方向伸长,表
14、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。合均匀的目的。因为塑性物料的粘度大,流动性差,又不能粉碎以增加分散程度。应用剪因为塑性物料的粘度大,流动性差,又不能粉碎以增加分散程度。应用剪切作用时,由于两个剪切力的距离一般总是很小的,因此物料在变形过程中,切作用时,由于两个剪切力的距离一般总是很小的,因此物料在变形过程中,就能很均匀地被分散在整个物料中。就能很均匀地被分散在整个物料中。3.1 混合的基本混合的基本概概念和机理念和机理混合的机理混合的机理 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
15、在螺槽和料筒间所受到的剪切作用,可以设想为在两个无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。限长的平行板之间进行。烟台大学化学生物理工学院 剪切的混合效果与剪切的混合效果与剪切力的大小和力的作用距离有关、与剪切力的方向剪切力的大小和力的作用距离有关、与剪切力的方向剪切力的大小和力的作用距离有关、与剪切力的方向剪切力的大小和力的作用距离有关、与剪切力的方向等有关。等有关。在双辊开炼机混炼时,就是通过机械或人力翻动的办法来不断在双辊开炼机混炼时,就是通过机械或人力翻动的办法来不断在双辊开炼机混炼时,就是通过机械或人力翻动的办法来不断在双辊开炼机混炼时,就是
16、通过机械或人力翻动的办法来不断改变物料的受力位置,从而更快更好地完成混合。改变物料的受力位置,从而更快更好地完成混合。改变物料的受力位置,从而更快更好地完成混合。改变物料的受力位置,从而更快更好地完成混合。3.1 混合的基本混合的基本概概念和机理念和机理混合的机理混合的机理烟台大学化学生物理工学院 利利用用加加工工设设备备改改变变流流体体流流道道中中的的几几何何空空间间,迫迫使使物物料料在在流流道道中中不不断断改改变方向和流量,即在流体的流道中设置突起状或隔板状的剪切片来完成变方向和流量,即在流体的流道中设置突起状或隔板状的剪切片来完成 进进行行分分流流时时,如如果果分分流流用用剪剪切切片片数
17、数为为1,则则分分流流数数为为2,剪剪切切片片数数为为n,分分流流数数n+1。如如果果用用于于分分流流的的剪剪切切片片设设置置成成串串联联形形式式,串串联联 阶阶 数数 m,则则 分分 流流 数数 N为为:N=(n+1)m分流、置换分流、置换3.1 混合的基本混合的基本概概念和机理念和机理混合的机理混合的机理烟台大学化学生物理工学院3.1 混合的基本混合的基本概概念和机理念和机理混合的机理混合的机理分流后:分流后:分流束在流动下游再合并为原状态;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;在各分
18、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。以上几种过程一起作用的情况。烟台大学化学生物理工学院 如如果果物物料料在在承承受受剪剪切切前前先先经经过过压压缩缩,使使物物料料的的密密度度提提高高,这这样样剪剪切切时时剪剪切切应应力力作作用用大大,可可提提高高剪剪切切效效率率。而而且且物物料料被被压压缩缩时时,物物料料内内部部会会发发生生流流动动,产生由于压缩引起的流动剪切。产生由于压缩引起的流动剪切。压缩(挤压)压缩(挤压)3.1 混合的基本混合的基本概概念和机理念和机理混合的机理混合的机理烟台大学化学生物理工学院 在在单单螺螺杆杆挤挤出出机机中中,由由于于螺螺槽槽由由加加
19、料料段段到到计计量量段段其其深深度度是是深深变变浅浅的的,因因而而对对松松散散的的固固体体物物料料进进行行了了压压缩缩,该该压压缩缩有有利利于于固固体体输输送送,有有利利于于传传热热熔熔融融,也也有有利利于于物物料受到剪切。料受到剪切。例子例子3.1 混合的基本混合的基本概概念和机理念和机理混合的机理混合的机理 这这种种由由挤挤压压(压压缩缩)引引起起的的流流动动在在密密炼炼机机、开开炼炼机机和和挤挤出机中都存在。出机中都存在。烟台大学化学生物理工学院 拉拉伸伸可可以以使使物物料料产产生生形形变变,减减少少料料层层厚厚度度和和堆堆积积体体积积,增增加加界界面,有利于混合。面,有利于混合。已经破
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