第三章成型用的物料及配制

第三章第三章成型用的物料及配制成型用的物料及配制3-1概述3-2粉料及粒料3-3分散体3-1概述正如我们所见到的，成型用的物料有粒状、粉状、液状和分散体，在这些物料中，除了有高分子聚合物树脂外，还有其它的组分，如稳定剂、增塑剂、着色剂、填料等，是多组分的。这些添加剂加入的目的是：改善成型工艺性能；改善制品的使用性能和降低成本。加入的多组分要混合均匀，且根据成型过程的需要，配成粉状和液状，有的还要制成粒状。当前工业上对热固性塑料的制备多是在合成树脂厂进行的，因此本章主要介绍热塑性塑料的组成、各组分的作用、配置方法和成型工艺性能（也包括热固性塑料的成型工艺性能）等内容.33--22粉料及粒料粉料及粒料在生产中用的较多的是粉料和粒料，粉料和粒料的主体都是聚合物+助剂。粉料──将树脂和助剂混合分散均匀，只要简单的混合，又叫干混料。粒料──将粉料通过塑炼(混炼)或挤出作业，使之进一步塑化而制成粒子。粒料在加工过程中可以减少对成型过程的要求，从而使成型易操作。但是，随着生产技术的提高和设备的改进，目前已有相当多的制品工艺直接用粉料，免去了造粒工序。一、一、粉料和粒料的组成粉料和粒料的组成粉料和粒料都是由聚合物和助剂配制而成的，而它们都是根据制品的要求而确定的。1.聚合物（树脂）聚合物是塑料的主要成分，它决定了制品的基本性能。成型用的聚合物有二十多种，每一种又有不同的牌号，适合不同的制品性能，选择聚合物时要根据制品的要求检验选取。在一些手册都有论述。用时可查。常用来进行配料的聚合物主要是聚氯乙烯(PVC)。根据分子量大小可将PVC分为不同型号。凡分子量偏高、颗粒结构紧密、与增塑剂和溶剂作用较难的，配制时所需的温度高、较高的外作用力和较长的作用时间。疏松型pvc树脂型号及用途型号（K值）平均聚合度用途SG1（77－75）高级电绝缘材料SG2（74－73）电绝缘材料、薄膜、软制品SG31350-1250电绝缘材料、农用薄膜、人造革表面膜、全塑凉鞋SG41250-1150工业和民用薄膜、软管、人造革、高强度管材SG51100-1000透明制品、硬管、硬片、单丝、套管、型材SG6950-850唱片、透明片、硬板、焊条、纤维SG7850-750瓶子、透明片、硬质注射管件、过氯乙烯树脂2.增塑剂增塑剂──降低塑料的软化温度范围、提高其加工性、柔韧性或延展性而加入的一类低挥发性、对热和化学试剂都很稳定的有机液体，较少数是低熔点的固体。经过增塑的聚合物其软化点(或流动温度)、Tg、脆性、硬度、拉伸强度、弹性模量等均将下降,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.增塑机理‰聚合物分子链常会以次价键力而彼此形成聚合物－聚合物联结点，从而使聚合物具有刚性，这些联结点在分子热运动中会解而复结的，但是在一定温度下，联结点的数目却相对稳定，所以是一种动平衡。加入增塑剂后，增塑剂的分子因溶剂化及偶极力等作用而“插入”聚合物分子之间并与聚合物分子的活性中心发生时解时结的联结点。这种联结点也处于一种动平衡。但是聚合物－增塑剂联结点会使聚合物原有的联结点减少，从而使分子间的力减弱，导致聚合物材料性能改变。对增塑剂的要求：挥发性低，不因游移、萃出、和渗出而损失过多。游移──增塑剂从已增塑的聚合物中向着与它接触的另一种聚合物中迁移的现象。决定增塑剂游离速率的因素：a.增塑剂对接触聚合物的亲和力b.增塑剂在已增塑聚合物和与之接触的聚合物中的扩散速率c.温度和压力两者升高,都会增大游离速率。萃出──制品中的增塑剂因与溶剂接触而被洗去的现象。它主要取决于增塑剂对所接触的溶剂的溶解度。渗出──聚合物中所加增塑剂的量超过一定值后，会象“发汗”一样从制品中游离出来的现象。一般在制品放置一段时间后才出现，提高温度和阳光爆晒均能促进渗出。工业上评定增塑剂从两方面工业上评定增塑剂从两方面a.聚合物与增塑剂的相容性：评定方法是按不同比例的聚合物和增塑剂分别配料并模塑成一系列的样条，然后再在一定的压力下测出样条开始渗出增塑剂所需的时间，时间越长的相容性越好。压应力的大小及时间长短，都有一定的标准，手册上可查。也可用溶解度参数来估计相容性，两者溶解度参数相差小于1，相容性好。b.增塑剂的效率:它是以改变聚合物的一定量的物理性能指标所加入的增塑剂的量作为标记的。(书47页表3－1）以DOP的效率比值为1，因为它常用，全面性能较好。其他的与它对比得到效率比值。具体用量要根据制品而定，软制品最高可达100%，硬制品0~10%，而且为了达到不同的目的，可以几种增塑剂配合使用。3.稳定剂在加工和使用过程中,有助于材料性能保持原始值或接近原始值而在塑料中加入的物质成为稳定剂。作用是抑制或制止聚合物因受外界因素(光、热、氧、细菌、霉菌以及长期存放)所引起的破坏作用，使制品性能变劣,影响使用。按所发挥的作用分热稳定剂、光稳定剂、及抗氧剂等。根据制品的原料、加工和使用要求,加入的稳定剂类型不同。比如在聚氯乙烯中必须加入热稳定剂,来抑制加热过程中的降解；PE、PP等加入抗氧剂;在户外使用的制品加入光稳定剂（紫外线吸收剂、光屏蔽剂）等。稳定剂的用量一般为1%-2%最多不超过5%。4.填料作用：降低成本、提高强度、改善加工性能或赋予制品某些新的性能。加入的填料常用粉状，也有纤维状和片状。如玻璃布可以增强、石棉可以耐热等。它的用量一般在40%以内，但有的已加到200%，如钙塑代木制品。常用有碳酸钙、碳黑、白碳黑、高岭土、硫酸钡、石膏、滑石粉、木粉等。加入填料优点：虽然它可以增加制品的硬度、提高Tg；缺点：粉状填料的加入常使塑料的抗张强度和撕裂强度、耐低温性能等下降。理想的填充剂应该是成本低、高填充、高增强和多功效,称为功能性填充剂。它把增量、增强和改性统一为一体。为了聚合物与填充剂之间的结合性能，常采用的方法：偶联剂对填料进行处理；填料表面进行化学接枝、改性、降低其表面能、增加亲油性、提高与聚合物的亲和性等。近几年来，纳米材料填充非常热，可以作为功能性填充剂。5．增强剂加入聚合物中使机械强度得到补偿。主要是纤维类材料，以往主要用于热固性塑料，现在也用于热塑性塑料。它的加入量越大，增强效果也越大，但是使流动性下降，设备磨损严重。有关增强剂有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、碳化硼纤维、晶须，另外，木材、纸张、棉布、合成纤维，麻纤维也有用于增强材料。（见第八章）6.润滑剂作用是减少分子之间、聚合物粒子之间、树脂和填料之间的摩擦，以及熔体和设备、制品和模具之间的摩擦，以改善加工流动和脱模性。一般聚烯烃、聚苯乙烯、醋酸纤维素、聚酰胺、ABS、PVC等在成型加工过程中常需加入润滑剂。其中以PVC为主。根据作用不同分内、外润滑剂。内润滑剂与聚合物有一定的相容性，加入后可减少聚合物分子间的内聚力，降低其熔体粘度，减少聚合物分子间的内摩擦；如硬脂酸及其盐类。外润滑剂与聚合物仅有很低的相容性，故能保留在聚合物的表面，降低塑料与设备的摩擦。石蜡、矿物油、硅油等。内、外润滑并不是绝对的，大多数润滑剂具有两种作用。有很多润滑剂不只表现在润滑作用，如金属皂类，既润滑又起稳定作用。润滑剂的用量应小于1%。如过多，超出其相容性时容易由成型表面析出（起霜），从而影响制品外观。7.着色剂着色剂按其在塑料中的分散能力，可分染料和颜料。染料能溶于大多数树脂，能以单个分子的形态分散于塑料中。它是分子结构复杂的拥挤化合物，分子内一般都含有发色基团和助色基团，具有着色力强、色彩鲜艳和色谱齐全的特点。但是易游移（色料由、由内部到外部、由塑料到成型设备转移、一种制品移向另一种制品）、耐光和热稳定性（175～200°C分解）差。颜料是塑料的主要着色剂，有无机颜料和有机颜料，均不溶于树脂只能以分子聚集体的微小粒子形态存在于被着色塑料中。常配成色母料使用。除了以上介绍几种添加剂外，还有抗静电剂、阻燃剂、驱避剂、开口剂、降解剂、防雾滴剂，这些都可做成母料出售和使用。另外还有发泡剂、固化剂、抗冲改性剂等，还有很多待开发的助剂，有的已不属助剂范畴，而是共混、复合等的物质。二、粉料的制备二、粉料的制备((主要是主要是PVC)PVC)主要包括原料的准备和混合两方面。(一)原料的准备:首先根据选定的原料进行必要的预处理、计量、输送等过程。1.树脂过筛，吸磁处理，除去杂质。2.对于润性物料（加入相当数量的液态助剂如增塑剂），增塑剂需事先预热，强化传热过程，加速扩散速率，使聚合物加速溶胀，以提高混合效率。3.配制浆料和母料浆料──按比例助剂和增塑剂混合搅拌，再在三辊机研磨，达到一定细度的浆状料。母料──事先配制成的含有高百分比助剂（如色料、填料等）的塑料混合物。使用时，以适当的母料与聚合物掺合，以便达到最终浓度和均匀分散。4.原料的计量和输送即称量和运输。(二)原料的混合1.混合定义广义混合——混合和分散两个基本过程。混合（单纯混合）是指两种或多种组分占有的空间分布情况发生变化，各自向其它组分空间分布；分散是指在混合中一种或多种组分的物理状态或物理性能发生变化并向其它组分渗透的过程。如颗粒尺寸减小、溶于其它组分等。混合和分散一般是同时进行和完成的。2.混合的目的a、均匀分散各组分b、除去水分低分子物c、树脂进入高弹态,部分吸收增塑剂d、某些助剂（如润滑剂加工改性剂）开始溶化而相互渗透。因此说并不是简单的混合。3.混合作用机理混合一般靠三种作用来完成，扩散、对流、剪切。扩散──是靠各组分间浓度差的推动，构成各组分的微粒由浓度较大的区域迁移到浓度较小的区域，从而达到组分的均一。气、气间扩散容易；液、液或液、固间扩散也能自发；而固、固间扩散作用很小。升高温度、增加接触面积，减小料层厚度等均有利于进行扩散作用。对流──是两种或多种物质在互相占有空间内发生流动，达到组分均一的目的。须借助外力作用。剪切──利用机械作用，产生剪切力，促使物料达到组分均一。如挤出机、两辊机主要是剪切作用，物料受剪切力作用时会发生变形（如图62页3－2），但总体积不变，表面积增大，因而分布区增大，进入另外物料中占有空间机会大，渗进别的物料可能性大,以达到混合目的。其效果与剪切速率大小和剪切力方向是否连续改变有关。4.混合方法A、干混合也称简单混合。是指两种或两种以上的粉、粉状固体物的非强烈混合，但是也可加入少量的液体组分。干混合主要用于制备粉状成型物。常用干混合设备有转鼓式混合机（常用于粒料的混合和着色）、浆叶式混合机、螺带式混合机（常用于高速混合后的冷却）和两段式连续混合机。B、捏合是指将少量粉状填加剂或液体物与大量粉体介质、纤维状固体介质以及糊状介质的较强烈混合。捏合主要用于湿粉状、纤维状和糊状成型物料的制备。常用的设备是浆式捏合机（Z型捏合机）和高速捏（混）合机。高速混合机工作原理、混合效率、混合终点评定。高速混合机Flash演示5、混合程度的评定对于固体物料，应从组成的均匀程度和物料的分散程度。混合均匀程度——混入物料占物料比率与理论上总体积比率的差异（值）。分散程度——用相邻的同一组分之间的平均距离衡量。距离越短，分散越好，而物料间的距离与各组分的粒子大小有关，粒子越小或在分散过程中不断减小粒子体积，则可达到的均匀程度越高。对混合的三要求：（1）尽量增大组分间的接触面，减少平均厚度；（2）各组分的接触面应均匀分布在被混物中；（3）混合物的任何部位，各组分的比率和整体比率相同。6、混合工艺过程1）对于润性物料（加入液体组分，主要是增塑剂的物料）的混合程度要求增塑剂既不完全渗入聚合物内部，又不太多露在表面。如果没有达到要求,则前者塑炼时不包辊，后者使存放时发生分离。润性物料混合采用较低速的设备时，可采用的一种工艺步骤：a、首先将聚合物加入设备中，开始混合加热，温度小于100℃，约10分钟，目的驱逐聚合物中的水分使其更快吸收增塑剂。如果聚合物中水分不多或吸收增塑剂过快，则可改用低温混合。当用增塑剂较多时，则最好将填料的一部分随同聚合物加入。b、用喷射器将预先混合并预热到预定温度的增塑剂喷到翻滚的聚合物中。c、再加