聚合物加工工程-习题讲解2019年

聚合物加工工程习题讲解（混合与混炼、挤出成型、压延成型）主讲人：毛立新研究员整理者：李凡珠博士生2015.06.083.试判断下述共混体系是否相容？解释原因?1.NR/BR:相容；溶度参数相近原则，NR(16.2)/BR(16.6-17.6)2.NBR/PVC:相容；表面张力相近原则；溶度参数相近原则，NBR(19.2)/PVC(19.2-22.1)3.NBR/EPDM:不相容；NBR为极性橡胶，EPDM为非极性橡胶，NBR(19.2)/EPDM(16.1)4.PVC/PMMA:相容；溶度参数相近原则，PVC(19.2-22.1)/PMMA(18.6-26.2)5.OPE/PS：不相容；OPE为极性分子，PS为非极性塑料第一章:混合与混炼4.上述若有不相容体系，请说明能否共混？如何改善不相容体系共混物的形态-结构和性能？答：可以共混。上述不相容体系均属于热力学不相容体系。但是，由于聚合物相对分子量较高，粘度相对较大，在外加机械力场作用下，将两种聚合物强制分散混合后，分散相再次凝聚情况也较难发生，故各相可长期处于动力学相对稳定状态。因此，两种不相容的聚合物可通过共混具有一定程度的工艺相容性，进而获得综合性能良好的共混物。此外，适量加入合适的相容剂，可显著提高不相容聚合物共混体系的相容性，有助于获得综合性能良好的共混物。第一章:混合与混炼8.何谓橡胶的塑炼?用开炼机和密炼机塑炼时应控制的工艺条件有哪些?它们对塑炼有何影响?橡胶的塑炼：为便于橡胶材料的混炼加工，通常需要在一定条件下，对其进行加工处理，使橡胶材料由强韧的弹性状态转变为柔软的可塑性状态。这种使弹性材料增加可塑性（流动性）的工艺过程称为塑炼。开炼机塑炼工艺控制条件：辊温、时间、辊距、速比、装胶量和塑解剂等。①开炼机塑炼，温度越低，塑炼效果越好（通常胶温在45~55℃以下）；②随着时间的延长，胶料温度升高，机械塑炼效果下降；③辊筒速比恒定时，辊距越小，胶料受剪切力越大，胶片薄且易冷却，塑炼效果越好；④辊筒速比越大，对胶料剪切作用越大，塑炼效果越好；⑤装胶量过大，堆积胶过多，塑炼效果差；⑥塑解剂起化学增塑作用，提高塑炼效果。第一章:混合与混炼密炼机塑炼工艺控制条件：温度、时间、转子转速、装胶量和上顶栓压力等。①塑炼效果随温度升高而增大；温度过高会使胶料物理性能下降，须严格控制；②温度一定时，生胶可塑性随时间延长而增大；一定时间后，增长速度逐渐变缓；③一定温度下，转子转速越快，胶料达到相同可塑度需要的密炼时间越短；④装胶量过大，生胶得不到充分搅拌，设备超负荷；过小则得不到有效塑炼；⑤上顶栓加压，增加转子对胶料的剪切作用，保证良好的塑炼效果。第一章:混合与混炼9.某橡胶材料的相对分子质量分布曲线如下图所示，若将其分别进行高温塑炼和低温塑炼，塑炼后该材料的相对分子质量分布曲线将如何变化？请在下图中画出示意图，并解释原因。低温塑炼以机械力作用为主，由于大分子活动能力差，在机械力作用下，相对分子质量大的分子链先被切断生成大分子自由基，故导致橡胶分子链分布变窄，且分子量分布整体向低分子量方向移动。高温塑炼以氧化断链为主，由于氧化作用对具有不同分子量的橡胶分子链作用相同，因此在氧的作用下，橡胶分子链均匀的发生断链反应，即降解。这一般不会影响橡胶分子量分布，只会使分子量整体下降，即分子量分布曲线向低分子量方向移动，但其分子量分布曲线峰的宽度基本保持不变。第一章:混合与混炼10.何谓橡胶的混炼?用开炼机和密炼机塑炼时应控制的工艺条件有哪些?有何影响?橡胶的混炼：为了提升橡胶制品的物理机械性能，改善成型工艺，在生胶中加入各种配合剂并使之均匀分散在橡胶基体中的工艺过程。开炼机混炼1.装胶量：适中。过大会造成堆积量多，影响吃料和分散效果；不同型号的混炼机，其最大装胶量要求亦不同；2.辊距：吃粉阶段适当增加，混炼时减小以提高剪切力，出片时在适当增加；3.辊速：前后辊存在一定速比，约为1:1.1~1:1.27。辊速快，剪切作用强，但不易控制；辊速慢，则效率低；一般辊速控制在18~20rpm。4.温度：胶料温度不宜太高或太低，以确保胶料较好的包在辊筒上，并使配合剂较好分散。加入硫化剂体系，要严格控制胶料温度，应低于硫磺分解温度（120度以下）；未加入硫化剂体系，可适当提高混炼温度。5.加料顺序：用量少，难分散的配合剂先加；用料大的，如炭黑填料后加，硫化剂最后添加；第一章:混合与混炼密炼机混炼1.设备结构：混炼室结构、转子结构；2.装胶量：适当，调整好添胶量，不可过多或过少；一般f=0.48~0.75；3.上顶栓压力：压力提高可提高混炼效果；4.转子转速：转速提高可提高混炼效率；未加入硫化剂，可快速混炼；加入硫化体系，则需慢速；5.胶料温度：未加入硫化剂体系，T=150~160oC；加入硫化剂体系，T120oC；10.何谓橡胶的混炼?用开炼机和密炼机塑炼时应控制的工艺条件有哪些?有何影响?第一章:混合与混炼14.请设计下述两配方材料的共混工艺方法及条件。配方一：橡胶共混物（以质量份计）天然橡胶（NR）100.0，炭黑50.0，硫化活化剂5.0，硫黄2.0，硫化促进剂2.5，软化剂5.0，防老剂2.0。合计总质量份166.5。利用开炼机混炼，为防止焦烧，硫黄一般要最后加入，采用的加料顺序为：天然橡胶→炭黑→硫化活化剂，防老剂，硫化促进剂→软化剂→硫黄。工艺条件：装胶量视胶种、填料含量而定；辊距一般控制在4~8mm，堆积胶含量合适；辊温通过冷却水控制在50~60℃；加硫黄之间一定要开冷却水；辊速控制在16~18r/min；速比为1:1.1~1:1.2；混炼时间不可过长，否则易造成胶料过炼。第一章:混合与混炼挤出成型-熔体输送理论2.一台单螺杆挤出机，计量段尺寸为：料筒内径D=150mm，螺距S=150mm，螺槽深h3=9mm，螺棱宽e=15mm，计量段长L3=1m，单头螺纹；求：假如螺杆转速为10r/min，①不装机头时聚合物的输出量②当螺杆与料筒的间隙增至1mm，挤出表观粘度为115Pas熔体、机头压力为5MPa时的漏流与正流流量的比值。（1）不装机头时熔体输送段只有正流2231sin2dQDnhcos单头螺纹，螺距S即为导程ttan1741'tSDD22331*3.14*150*10*9*0.953*0.304min2892min2dQmmcm挤出成型-熔体输送理论（2）此时考虑漏流QL223323tan1229min10LDPQcmeL12290.4252892LdQQ漏流与正流流量的比值2.一台单螺杆挤出机，计量段尺寸为：料筒内径D=150mm，螺距S=150mm，螺槽深h3=9mm，螺棱宽e=15mm，计量段长L3=1m，单头螺纹；求：假如螺杆转速为10r/min，①不装机头时聚合物的输出量②当螺杆与料筒的间隙增至1mm，挤出表观粘度为115Pas熔体、机头压力为5MPa时的漏流与正流流量的比值。挤出成型-熔体输送理论3.比较熔体输送区的流率：深螺槽与低阻力机头；浅螺槽与高阻力机头。两种搭配中哪种流率高？深螺槽与浅螺槽，高阻力与低阻力机头可以任意搭配，哪一种搭配形式机头压力降最小，哪一种最大？322232233132312sin1tansin21210dPLDhPDPQQQQDnhcosLeLBCAnPPQ低阻力机头高阻力机头h3大h3小螺杆特性线机头阻力越大，Q越小；螺槽越深，Q随P的增加下降的越快因此：深螺槽与低阻力机头的流率高浅螺槽与低阻力机头搭配压力降最小深螺槽与高阻力机头搭配压力降最大挤出成型-熔体输送理论2z233333231PbzbzdQyyyyyVVVhhQhhh23PdQaQ截流比Vbzx3323bxVyyVhhVbxy=h3时，Vx=-Vbx4.示意画出Qp/Qd=-2/3操作条件下，熔体输送区螺槽中，螺槽底部y=0，螺槽中y=2h3/3，螺棱顶部y=h3处物料质点运动速度的方向。分析螺槽中在0yh3范围内是否有熔体滞留层。5.用文字和简图描述高聚物在挤出机中的熔融过程。解释熔融理论中，固相分布函数式中Φ、ω、ω0，ψ的物理意义。Φ：熔融速率系数ω：熔融速率，表示单位时间单位螺槽长度上的熔化量ω0：初始熔融速率Ψ：熔化系数，表示熔融区起始点处的熔融速率ω0与单位螺槽深度的质量流率之比压缩物料，固体粒子与机筒内壁接触时，由于机筒传热和摩擦热的作用，固体粒子熔融，形成熔膜。当熔膜厚度超过机筒与螺杆的间隙δ时，被旋转的螺杆刮落形成熔池。固体床逐渐推进，固相宽度减小，熔池逐渐扩大，直至完全熔融。Vbx:机筒表面运动速度在x方向上的分量挤出成型-熔融理论挤出成型-熔融理论6.根据熔融理论公式，分析Tb、Ts、n以及A对熔融过程的影响。2bx2=2jmbmmsmsVKTTVCTT熔融速率系数：=X熔融速率：0=WGH融化系数：T2HZ熔融区长度：(1)机筒温度TbTb↑→Φ↑→ψ↑→ZT↓，有利于熔融Tb↑→η↓→Φ↓→ZT↑，不利于熔融以等深螺槽为例：2bx2=2jmbmmsmsVKTTVCTT熔融速率系数：=X熔融速率：0=WGH融化系数：T2HZ熔融区长度：（2）螺杆温度TsTs↑→Φ↑→ψ↑→ZT↓,有利于熔融（3）转速n（4）渐变度A渐变度增大对熔融有利，但对输送不利（易造成固体床解体）渐变螺槽：2-THAZ小等深螺槽：T2HZ大7.普通螺杆在结构上为何分段，分段的根据是什么？连续稳定地输送物料-----固体输送将固体物料塑化成熔融物料-----物料熔融使物料在温度和组分上均匀一致-----熔体输送螺杆挤出机在生产过程中要完成如下三个职能：各个不同职能对螺杆的结构和尺寸等要求不同，因此普通螺杆在结构上要分段，分为固体输送段（加料段），熔融段（压缩段），熔体输送段（计量段）。挤出成型-熔融理论挤出成型-排气挤出机9.排气挤出机的排气效果是如何产生的?排气挤出机稳定操作的条件是什么?作为二阶单螺杆排气挤出机，其螺杆从本质上可以认为是由两根普通单螺杆串联而成。排气段之前称为第一阶螺杆，排气段之后称为第二阶螺杆。在两段螺杆之间是排气段，排气段的螺槽比其他各段都深。排气挤出机工作时，第一阶螺杆的作用与普通单螺杆一样，它将固体物料向前输送、熔融、混合，达到基本塑化状态。塑化的物料从第一计量段进入排气段时，由于排气段螺槽的突然变深，以及排气口放空或设置真空泵的作用，到达这一段的物料压力骤降至零或负压，因而使高聚物中原来受压缩的气体和已汽化的挥发物在此得到释放，并使已基本塑化的熔融塑料膨胀发泡。物料在排气段螺杆的搅拌和剪切下，使气泡破裂，并使气体从物料中脱出。脱出的气体在排气口被真空泵抽走。挤出成型-排气挤出机9.排气挤出机的排气效果是如何产生的?排气挤出机稳定操作的条件是什么?稳定操作的条件：排气挤出机前后两段的生产率必须相等，即Q1=Q2，既不冒料，也不缺料。补充：第二计量段的生产率与机头压力有关，其数值由口模特性曲线与二阶螺杆特性线的交点决定。挤出成型-双螺杆挤出机10.双螺杆挤出机有同向、异向转动之分，若分别加工不同产品：①用于共混造粒；②用于异型材成型。请选择双螺杆的类型，并陈述理由。异型材：横向截面为非圆形、环形的连续型材，被称为异型材。选择同向双螺杆挤出机用于共混造粒。物料走的路径长，每通过一次啮合区就发生一次交换和重新排列，加上同向双螺杆中没有明显的低剪切应力区，这就使均匀塑化和良好混合成为可能；与异向双螺杆挤出机相比，同向双螺杆挤出机的螺杆转数较高，也有利于使物料受到比异向双螺杆高的剪切，这对于物料充分熔融是十分有利的。选择异向双螺杆挤出机用于异型材成型。异向双螺杆挤出机正位移输送力强，输送效率高；混合作用差；用于固体输送和熔体输送。压延成型3.用三辊压延机和四辊压