聚合物的混合课件.pptx
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- 聚合物 混合 课件
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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 聚合物的熔融和溶解聚合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:聚氯乙例子:聚氯乙烯塑料的成型,烯塑料的成型,橡胶的成型橡胶的成型添加剂(助剂或配合剂):添加剂(助剂或配合剂):改善加工、使用性能,降低成本改善加工、使用性能,降低成本问题:问题:如何使多组分不均匀的体系变成为多组分均匀体
2、系?如何使多组分不均匀的体系变成为多组分均匀体系?实现这个关键环节的就是实现这个关键环节的就是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混合的基本概念和机理混合的基本概念和机理混合分类混合分类混合的表征混合的表征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,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。产物称为混合物。 混合是一种操作混合是一种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将各种添加剂混
3、合掺入聚合物基体中,使其分散成为树将各种添加剂混合掺入聚合物基体中,使其分散成为树脂体系中的一个含量组分。添加剂包括:稳定剂、润滑剂、脂体系中的一个含量组分。添加剂包括:稳定剂、润滑剂、增塑剂等等。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将单一的聚合物熔体均化,或通过受到控制的剪切流动将单一的聚合物熔体均化,或通过受到控制的剪切流动以得到某种期望的流变性质的混合。以得到某种期望的流变性质的混合。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;
4、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。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 是由浓度梯度驱使的自发发生的一种过程是由浓度梯度驱使的自发发生的一种过程 各组分的微粒子由浓
5、度较大的区域迁移到浓度较小的区各组分的微粒子由浓度较大的区域迁移到浓度较小的区域,从而达到各组分的均化。域,从而达到各组分的均化。在气体和低粘度液体中占支配地位。在气体和低粘度液体中占支配地位。 对于聚合物加工,熔体和熔体之间的分子扩散没有实际对于聚合物加工,熔体和熔体之间的分子扩散没有实际意义。意义。 但是如果参与混合的组分之一是低分子物质,如抗氧剂、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,则分子扩散可能是一个比较重要的因素发泡剂、颜料等,则分子扩散可能是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分子扩散分子扩散烟台大学化
6、学生物理工学院也称为紊流扩散也称为紊流扩散在化工中流体的混合一般是靠系统内产生紊流来实现的在化工中流体的混合一般是靠系统内产生紊流来实现的 在聚合物加工中,由于物料的运动速度达不到紊流,因在聚合物加工中,由于物料的运动速度达不到紊流,因此不发生紊流扩散。此不发生紊流扩散。 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涡流扩散涡流扩散烟台大学化学生物理工学院 是指是指由系统一个空间向另一由系统一个空间向另一个空间位置的运动,或两种以及多组分在相互占有的空间个空间位置的运动,或两种以及多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。内发生运动,以期达到各组分的均匀。
7、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(对流混合对流混合)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)(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 就是使原来两种或两种以上各自均匀分散的物就是使原来两种或两种以上各自均匀分散的物料
8、从一种物料照可接受的概率分布到另一种物料中去,以便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。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布,混合问题就变为一种需的概率分布,混合问题就变为一种的问题,而且如果最终物料颗粒之间不是互相孤立的,分的问题,而且如果最终物料颗粒之间不是互相孤立的,分散的颗粒可能就有一种凝聚的趋势。散的颗粒可能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3.
9、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
10、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由以上两种剪切合成的如石磨磨碎东西时的东西时的“磨碎剪切磨碎剪切”剪切剪切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 剪切的作用:是把高粘度分散相的粒子或凝聚体分散剪切的作用: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。于其它分散介质中。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3.1 混合的基本混合的基本概概念和
11、机理念和机理混合的机理混合的机理sAAcos0条纹厚度条纹厚度h:指两流体剪切变形后之间的距离指两流体剪切变形后之间的距离烟台大学化学生物理工学院 如果考虑两流体交错层的体积为如果考虑两流体交错层的体积为V,则与条纹厚度,则与条纹厚度h以及总以及总界面积界面积A的关系如下:的关系如下: 这样得到条纹厚度的值:这样得到条纹厚度的值: 对于大剪切应变,条纹厚度对于大剪切应变,条纹厚度h与剪切应变的关系如下式:与剪切应变的关系如下式: 从上式看到,条纹厚度与剪切应变成反比,剪切变形越大,从上式看到,条纹厚度与剪切应变成反比,剪切变形越大,条纹厚度越小,混合程度越高。条纹厚度越小,混合程度越高。3.1
12、 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2)(hAV 0cos21AVhs2)(hAV AVh)2(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 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,从而达到混合均匀的目的。到混合均匀的目的。 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。应用因为塑性物料的粘度大,流动性
13、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,就能很均匀地被分散在整个物料中。中,就能很均匀地被分散在整个物料中。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 高分子材料在挤出机内的混合过程主要是靠剪切作用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,螺杆旋转时物料在螺槽和料筒间所受到的剪切作来达到的,螺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。用,可以设想为在两个无限长的
14、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改变物料的受力位置,从而更快更好地完成混合。来不断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 利用加工设备改变流体流道中的几何空间,迫使物料在利用加工设备改变流体流道中的几何空间,迫使物料在流道中不断改变方向和流量,即在流体的流道中设置突起状流道中不断改变方向和流量,即在流体的流道中设置突起状或隔板状的剪切片
15、来完成或隔板状的剪切片来完成设:剪切片数为设:剪切片数为n, 分流数分流数n+1。 如果用于分流的剪切片设如果用于分流的剪切片设置成串联形式,串联阶数置成串联形式,串联阶数m,则分流数则分流数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;在各分流
16、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 如果物料在承受剪切前先经过压缩,使物料的密度提高,如果物料在承受剪切前先经过压缩,使物料的密度提高,这样剪切时剪切应力作用大,可提高剪切效率。而且物料被压这样剪切时剪切应力作用大,可提高剪切效率。而且物料被压缩时,物料内部会发生流动,产生由于压缩引起的流动剪切。缩时,物料内部会发生流动,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 在单螺杆挤出机中,在单螺杆挤出机中,由于螺槽由加
17、料段到计由于螺槽由加料段到计量段其深度是深变浅的,量段其深度是深变浅的,因而对松散的固体物料因而对松散的固体物料进行了压缩,该压缩有进行了压缩,该压缩有利于固体输送,有利于利于固体输送,有利于传热熔融,也有利于物传热熔融,也有利于物料受到剪切。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 这种由挤压(压缩)引起的流动在密炼机、开炼机和挤这种由挤压(压缩)引起的流动在密炼机、开炼机和挤出机中都存在。出机中都存在。烟台大学化学生物理工学院 拉伸可以使物料产生形变,减少料层厚度和堆积体拉伸可以使物料产生形变,减少料层厚度和堆积体积,增加界面,有利于混合。积
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