聚合物成型加工原理03

3第三章成型用的物料及其配制3.1概述3.2粉料及粒料3.3物料的混合和分散机理3.4物料配制工艺简介2020/2/2723.1概述一.工业上很少用单一的聚合物来制造商品。其原因是：1.性能单纯，不能满足多种制品的使用要求；2.单纯聚合物老化严重；3.不能满足某些成型方法的特定要求；4.成型工艺性能差；5.价格、成本高。2020/2/273二.基于上述原因，加工用物料或多或少加入一些助剂。1.助剂：具有一定作用的辅助材料的总称。2.加入目的：改善聚合物的成型工艺性能，改善制品的使用性能或降低成本。3.配制方法：混合均匀的复合物4.复合物的形态：粉料、粒料、悬浮体、溶液工业上以粉料、粒料为主。2020/2/2743.2粉料及粒料1.粉料与粒料的区别：a.大小不同；b.配制方法不同，即混合程度不同。2.粉料：一般只要使各组分混合均匀，只需要简单的混合作用。简单的混合指人工搅拌或采用捏合机、高速混合机混合；粒料：将粉料通过塑炼或挤出等操作进一步塑化制成。由此可见，混合程度上粒料比粉料均匀。2020/2/2753.2.1粉料与粒料的组成粉料与粒料都是有聚合物和助剂两种物质复合而成，其中聚合物是主要成分。助剂是为了使复合物或制品具有某种特性所加入的物质。常用的助剂有：增塑剂、稳定剂、着色剂、阻燃剂、防静电剂等。一.聚合物（树脂）1.作用与要求：a.赋予制品基本性能；b.在一定条件下，使物料具有可塑性。2020/2/2762.选择聚合物时应注意的问题：(1).对于同一种聚合物，由于生产方法不同，所得的聚合物性能和使用范围不同。例如悬浮法生产的PVC和乳液法生产PVC有很大差别。使用范围：悬浮法PVC：挤出、注射成型，制造电缆、硬质板材、管材以及其它日常用品。乳液法PVC：电性能差，制造人造革或搪塑制品等。分子量电性能分散性成本悬浮法低好大低乳液法大劣小高2020/2/277PE，三大类：HDPE：低压法生产；LDPE：高压法生产；LLDPE：低压法生产，是乙烯和α-烯烃的共聚物。性能比LDPE比HDPE性能比LDPE比HDPE拉伸强度高低加工性困难容易伸长率高高翘曲小相似冲击强度好同光泽差好耐应力开裂好同熔点范围窄窄耐热性高低透明性差——刚性高低雾度差较好LLDPE与HDPE和LDPE的性能比较2020/2/278用途：LLDPE最大的用途是制作薄膜。由于采用LLDPE制作的薄膜抗张强度、冲击强度、撕裂强度和刚性都比LDPE高，因而在强度相同情况下，薄膜可减少20-25%，因此LLDPE具有更大的市场竞争力。另外LLDPE还可以用于电缆电线包复、汽车零件、工业容器、管材等，性能LDPE好。2020/2/279（2）同一种生产方法生产的树脂，由于牌号不同，其性能是有差异的。如悬浮法生产的PVC有六个牌号，其性能和用途是有不同的。XJ-1XJ-2XJ-3XJ-4XJ-5XJ-6绝对粘度2.01.91.81.71.61.5平均聚合度1400127611511016881750用途高级绝缘材料电缆、电绝缘材料薄膜、软制品硬板、硬片阀件、焊条过氯乙烯树脂2020/2/2710（3）即使同一种牌号，由于批号不同，生产厂家不同，它们的性能也不同。例如每批树脂中的含水量、分子量分布、平均聚合度都不是绝对一致的，这些都影响加工条件。2020/2/27113.聚合物本身性能对加工性质及制品性能的影响（1）分子量的影响（a）（b）加增标指加增量子分度强冲抗长伸裂断变蠕度强曲弯抗度温形变热加增标指加增量子分度温化软度粘性动流度温工加应效胀膨膜离率缩收型成2020/2/2712从图（a）可以看出：分子量↑，拉伸、冲击强度、断裂伸长率、热变形温度↑，而蠕变、抗弯曲强度↓。说明分子量的增大是有利于提高制品的力学性能和热性能。2020/2/2713从图(b)看出，聚合物的加工性能随着分子量增大而下降：a.随分子量↑，聚合物的加工温度↑，流动性↓，加工成型较困难；b.另外需要与增塑剂配合的聚合物，随分子量增大，聚合物的溶胀和塑化速度↓，这也给配料等带来困难。c.分子量大小，还影响成型过程中聚合物的结构与取向。分子量减小，虽然对配料、成型有利，但太小，要影响制品的性能，因此要根据制品的用途和制品的加工方法，选择合适的分子量。2020/2/2714（2）分子量分布的影响分子量分布直接影响制品的性能。随分子量分布增宽，材料大多数力学性能、热性能降低；同时也影响配料过程和材料加工性能。由于分子量不同的聚合物对温度有不同的敏感性，因此在配料或加工过程中表现出不同的行为。通常要求聚合物分子量分布不能太大，一般取Mw/Mn≤5。2020/2/2715（3）颗粒结构的影响a,颗粒结构主要影响聚合物吸收增塑剂或其它助剂的能力。b,凡是表面粗糙、不规格、内部多孔、断面结构疏松的粒子，越易于吸收增塑剂。配料时，所需的温度较低，时间也短，但对增塑剂的吸收不能过快，否则会造成其它组分与集合物混合不良，减弱其它组分的作用。相反，颗粒表面光滑，断面结构规则，实心、无孔的粒子吸收增塑剂困难，配料时需要较高的温度和较长的时间，影响生产率。2020/2/2716（4）粒度的影响粒度主要影响混合的均匀性。聚合物粒度增大，对相同重量树脂来说，颗粒数少，比表面积小，混合时与其它添加剂接触机会少，容易造成混合不均匀；但粒度太小，容易造成粉尘飞扬，加料、计量困难，影响劳动环境，因此对设备密闭性要求高。2020/2/2717（5）其它因素的影响主要指水分、灰分、挥发物、含铁量对制品性能的影响。水分含量高，消耗热量大，甚至使聚合物产生降解，使制品产生气泡，因此对水分含量有较高要求。灰分主要影响制品的透明度。铁是一种降解催化剂，含量过高还影响制品的透明性。2020/2/27184.聚合物的共混改性（1）共混就是将两种或两种以上的聚合放在一起混合，使之成为一种表现均匀的混合物的过程。（2）共混改性的目的a.提高聚合物的物理力学性能和电性能；b.改善耐老化性能及环境应力开裂性能；c.改善聚合物的成型性能；d.利用废旧材料，降低成本，防止污染等。（3）特点：产生协同效应。2020/2/2719（4）共混聚合物的选择原则：a.化学结构原则化学结构越是类似，彼此越是能相容。极性是影响相容性的重要因素。极性相差大，相容性差，共混困难；极性相差不多，共混容易。b.溶解度参数原则不同类型聚合物在熔融状态依靠剪切力作用是否能形成稳定均匀分散的共混，取决于彼此间的相容性。而相容性主要体现在溶解度参数上，选择溶解度参数相近的聚合物易共混。2020/2/2720c.流变学原则即“等粘点”共混原则：指组成共混体系的两种聚合物粘度越接近，越能共混的均匀切不易出现分离现象。d.胶体化学原则即表面张力匹配原则。聚合物的表面张力相近，界面间混溶性好，有利于混合。2020/2/2721e.分子扩散动力学原则：即分子链段渗透相近原则。两相界区两侧，聚合物链段的运动能力应当相近，有助于形成各自向对方扩散的渗透层。此外，还要考虑工艺相容性问题，主要指混合设备的选择、操作条件的选择和混合历程的选择。2020/2/2722（5）加工中采用的共混方法a.溶液共混法：共溶剂溶解或分别溶解，然后混合，最后将溶剂蒸发。此法适用于浇铸成型。缺点：消耗大量溶剂，混合效果较差。b.乳液共混法：是将不同种类聚合物乳液放在一起搅拌均匀后，加入凝聚剂，使不同聚合物同时沉析形成共混体系。此法用来做乳胶制品。2020/2/2723c.粉末共混法：将不同种的细粉状聚合物进行混合。常用设备有：球磨机、捏合机、高速混合机。优点：设备简单，操作方便。缺点：所用聚合物必须是细粉，且混合效果不理想。一般很少用。2020/2/2724d.熔融共混法：利用挤出机或双辊机，将共混的聚合物组分加热到Tf以上进行混合，然后再冷却。是目前常用的方法。优点：·对共混聚合物粒度要求不象粉末共混法要求高；·在熔融状态下，各类聚合物分子间扩散和对流作用剧烈，混合效果好。·在混炼设备强剪切力作用下，会使一部分聚合物分子降解，并形成一定的接枝和嵌段聚合物，这样的聚合物具有新的性能，并有增容作用。2020/2/2725（7）一些聚合物共混体系及性能a.聚乙烯类合金PE+EVA：优良柔韧性、加工性、透气性，提高印刷性。PE+PMMA：使粘着力提高7倍PE+CPE：提高印刷性、耐燃性、韧性PE+SBS：大大提高柔韧性b.聚丙烯合金PP+弹性体或橡胶：改善冲击性能PP+PA：增加韧性，改善耐磨性、耐热性、染色性。PP+PVA：具有良好抗静电作用2020/2/2726c.聚氯乙烯合金PVC+CPE：具有良好阻燃性、耐化学腐蚀性和耐油性PVC+EVA：提高韧性，低温性好，增塑效果稳定，手感良好PVC+MBS（ABS）：有良好协同效应，抗冲强度显著提高2020/2/2727d.聚碳酸酯合金PC+PE：冲击强度提高了3-4倍，耐沸水性优异，耐老化性能好，耐候性优良，熔融粘度降低1/3，成型温度降低。PC+PTFE：耐磨性提高，作齿轮、轴承PC+ABS：提高冲击强度和尺寸稳定性，赋予功能，改善物料加工流动性，降低成本。PC+聚丙烯酸酯：具有珠光，耐老化、耐应力开张均比PC好。2020/2/2728e.聚苯乙烯合金PS+SBS增加抗冲韧性，又具有PS的刚性，PS+丁苯橡胶热变形温度和制品表面光泽。2020/2/2729二.增塑剂增塑剂是一类对热和化学试剂都很稳定的有机化合物。一般在一定范围内能与聚合物相溶，而又不挥发的液体有机化合物。1.作用：降低聚合物分子间的作用力，从而降低聚合物的软化温度、熔融温度，改善聚合物加工性和提高制品的柔软性。降低聚合物的拉伸强度、硬度、模量，提高伸长率、冲击强度。例如PVC的拉伸强度随增塑剂用量提高而下降。2020/2/2730度温化软量用剂塑增PCTPODAOD度强张抗率长伸裂断010203反增塑：增塑剂用量在0-10%时，PVC模量、硬度、抗张强度随增塑剂增加而提高，这种现象称为“反增塑”现象。认为由于PVC有微晶存在造成的。少量增塑剂加入后，使分子间作用力降低，促进分子的结晶，使硬度、模量和抗张强度增加。2020/2/27312.增塑机理对增塑剂来说，它和聚合物间必须具有良好的相容性才能充分发挥作用。因此，极性聚合物应该采用极性增塑剂，非极性聚合物应该采用非极性增塑剂。a.对非极性增塑剂来说：它的主要作用是通过聚合物与增塑剂间的溶剂化作用，减弱分子间的范德化力。作用力主要是色散力，大小与分子间距离的6次方成反比。增塑剂的加入增大了聚合物分子间的距离，降低了分子间的作用力。2020/2/2732这种隔离作用的大小与增塑剂的体积分数有关，表示为：△Tg=BV△Tg:未增塑的Tg与增塑后的Tg之差B：比例系数V：增塑剂的体积分数还可以表示为：△m=BV△m：可以代表任何物理量，如模量、抗张强度等2020/2/2733b.对极性增塑剂来说：增塑剂中的极性基团与聚合物分子上的基团相互作用，代替了聚合物分子中的极性基团间的相互作用，从而削弱了分子间的作用力。增塑剂极性基团使增塑剂和聚合物具有良好的相容性；而非极性基团把聚合物的极性基团屏蔽起来，减弱了分子间作用力。增塑剂的增塑作用与增塑剂的克分子数有关，表示为：△Tg=KnK：比例系数n:克分子数2020/2/27343.增塑剂的分类1）按化学组成分为：邻苯二甲基酸酯、脂肪族二元酸酯、石油磺酸苯酯、磷酸酯、环氧化合物、含氯化合物等。a.邻苯二甲酸酯类：是目前常用的增塑剂，原因是成本低，各项性能比较均衡。常用的此类增塑剂有：邻苯二甲酸丁二酯DBP：相容性好，柔顺性大，但挥发性高，不单独使用。邻苯二甲酸二苄酯BBP：相容性好，成型性能好，耐污染，耐油、光，热稳定性好。邻苯二甲酸二辛酯DOP：相容性好，适合大多数通用制品的要求，光热稳定性好，耐低温、低毒，是目前使用最多的增塑剂。工业上把它作为标准增塑剂。2020/2/2735邻苯二甲酸二异辛酯DIOP：与DOP性能接近，但各种性能都比DOP低，且有臭味，但毒性很低，价廉。邻苯二甲酸二[十三