高分子材料加工成型原理物料组成及混合PPT课件.ppt

高分子材料成型加工原理 主讲 匡唐清华东交通大学材料成型教研室2020 3 18 1 第二篇塑料的成型加工 第五章成型物料的配置第六章塑料的一次成型第七章塑料的二次成型 2 第五章成型物料的配制 第一节物料的组成和添加剂的作用第二节物料的混合和分散机理第三节配料工艺简介 3 第一节物料的组成和添加剂的作用 聚合物 增塑剂 防老剂 填料 润滑剂 着色剂 固化剂 塑料 4 聚合物 聚合物粉 粒 状塑料中的主要组分 赋予制品必要的物理机械性能 具有可塑性 有热固性和热塑性之分 聚合物或树脂本身的性能 对加工性能和产品性能影响很大 聚合物 树脂 品种不同 生产方法不同 牌号不同 批号不同 加工性能和用途都有差异 5 聚合物 分子量的影响 6 聚合物 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 分子量分布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 对增塑剂或其它液体添加剂 显示出不同的溶胀和吸收能力 因而在配料和成型过程中会表现出不同的行为 通常要求聚合物的分子量发布不能过大分子量分布一般用重均分子量Mw与数均分子量Mn的比值Mw Mn表示 比值 5时分布窄 5时分布宽 7 聚合物 补充重均分子量 指对高分子聚合物中不同分子量进行个数和重量加权平均后得到的聚合物分子量的表征值 如由10个分子量为100和5个分子量为1000的混合物的重均分子量为 10 100 100 5 1000 1000 10 100 5 1000 850数均分子量 又称加权算术平均分子量 是指对高分子聚合物中不同分子量的个数进行加权平均后得到的聚合物分子量的表征值 如由10个分子量为100和5个分子量为1000的混合物的数均分子量为 10 100 5 1000 10 5 400 8 聚合物 颗粒结构的影响 9 聚合物 粒度的影响影响混合均匀性聚合物粒度增大 更不易混合均匀 颗粒数和总表面积减小 与其它添加剂接触机会少 影响塑化相同的辊压时间内 颗粒大者不易塑化或塑化不完全影响计量与操作环境过细粒子易造成粉尘飞扬和容积计量的困难水分及挥发物含量 结晶度 密度等的影响对粉 粒 料的配制和制品性能有着较大影响 应很好的加以控制 10 增塑剂 概念作用作用机理性质要求选用原则使用现状 11 增塑剂 增塑剂增塑剂是指增加塑料的可塑性 改善在成型加工时树脂的流动性 并使制品具有柔韧性的有机物质 它通常是一些高沸 难以挥发的粘稠液体或低熔点的固体 一般不与塑料发生化学反应 12 增塑剂 作用使塑料粘度减小 流动性增加 改善在成型加工时树脂的可塑性 降低塑料的玻璃转化温度 熔点 软化温度或流动温度 使硬而刚性的塑料变得软且柔韧 增加耐寒性 降低了塑料的抗张强度 硬度 模量等 提高了塑料的伸长率和抗冲击性能 13 增塑剂 作用机理外增塑 物理增塑 通过低分子填充阻隔或极性消耗作用降低大分子间的作用力 有 非极性增塑剂 填充阻隔 极性增塑剂 极性消耗 内增塑 化学增塑 用化学方法 在分子链上引入其它取代基 或在分子链上或分子链中引入短的链段 从而降低了大分子间的吸引力 也可达到使刚性分子链变软和易于活动的目的 14 增塑剂 作用机理非极性增塑剂通过聚合物 增塑剂间的溶剂化作用 增大分子间距离 从而削弱它们之间的作用力 Tg降低的数值与增塑剂的用量成正比 由于增塑剂是小分子 其活动比大分子容易 分子链在其中作热运动也较容易 故聚合物的粘度降低 柔韧性等增加 15 增塑剂 作用机理非极性增塑剂 16 增塑剂 作用机理极性增塑剂增塑剂的极性基团与聚合物分子的极性基团相互作用 代替了聚合物极性分子间的作用 减少了联结点 从而削弱了分子间的作用力 增塑效率与增塑剂的克分子数成正比 而不是与其用量成正比 Tg降低的数值直接与增塑剂的克分子数n成正比 17 增塑剂 作用机理极性增塑剂 18 增塑剂 性质要求首先要与树脂具有良好的相容性 相容性越好 其增塑效果也越好 增塑过程可看作是聚合物和低分子物互相 溶解 的过程 但增塑剂要求长期留在聚合物中 不能挥发 一般还要求增塑剂无色 无毒 无臭 耐光 耐热 耐寒 挥发性和迁移性小 不燃且化学稳定性好 廉价易得 实际上 一种增塑剂不可能满足以上的所有要求 生产上常根据需要使用混合增塑剂 19 增塑剂 选用原则按需使用不是每种塑料都需加入增塑剂聚酰胺 聚苯乙烯 聚乙烯和聚丙烯等不需增塑硝酸纤维索 醋酸纤维素 聚氧乙烯等用常需增塑 不同的聚合物使用不同的增塑剂硝化纤维素常以樟脑作增塑剂 醋酸纤维素常以苯二甲酸的甲醋和乙醇为增塑剂搭配使用各种增塑剂的性能不一样 为了取长补短 混合使用 为降低成本和解决主增塑剂供不应求以及弥补其某些缺陷等 常采用辅助增塑剂 增量剂适量使用过多 则会在成型和使用过程中慢慢离析出来 影响产品性能 20 增塑剂 使用现状 在所有塑料助剂中用量最大 我国总产能约为100万吨 增塑剂以综合性能佳 价格优的邻苯二甲酸酯为主 世界四大生产和消费国家和地区 美国 西欧 日本 中国的消费量占70 90 常用的增塑剂有邻苯二甲酸二丁酯 DBP 邻苯二甲酸二辛酯 DOP 环氧大豆油 磷酸三甲苯酯 磷酸三苯酯 癸二酸二辛酯 氯化石蜡等 使用增塑剂最多的是聚氯乙烯 PVC 主要以邻苯二甲酸酯类 己二酸和癸二酸的二辛酯类 以及磷酸酯类等为增塑剂 添加了增塑剂的PVC的主要应用领域为电线 电缆 地板及墙壁贴面 建材 汽车及包装材料 通常是在一定温度下用强制性的机械混合法分散在聚合物中 21 防老剂 防老剂 为防止或抑制聚合物在成型加工过程或长期使用和贮存过程中所发生的降解或交联 保证聚合物性能长期的稳定 延长制品使用寿命而加入的物质称防老剂 它主要包括稳定剂 抗氧剂 光稳定剂等 主要作用有抑制聚合物的降解作用 稳定剂 抑制聚合物的氧化作用 抗氧剂 抑制聚合物的光降解作用 光稳定剂 消除聚合物杂质的催化作用 整合剂 消除生物和微生物的侵蚀作用 驱避剂 22 防老剂 抑制聚合物的降解作用 稳定剂 去除聚合物原来的或发生降解后产生的活性中心 以抑制聚合物的进一步降解 稳定剂还能以稳定的化学基团置换分子中不稳定的原子 增加分子的稳定性 抑制其降解稳定剂及其分解物能对双键起加成作用 防止聚合物继续降解及颜色改变 23 防老剂 抑制聚合物的氧化作用 抗氧剂 许多聚合物如聚烯烃 聚苯乙烯 聚甲醛 聚氯乙烯 聚苯醚 ABS树脂等 制造和使用过程中都会因氧化而加速降解 从而使其性能变坏 为此 加入抗氧剂代替易受氧化分解的聚合物与氧反应 防止或推迟聚合物在正常或较高温度下的氧化过程 24 防老剂 抑制聚合物的光降解作用 光稳定剂 能吸收光和射线或移出聚合物吸收的光能 放出没有破坏性的光能 长波的 或热能 从而防止了聚合物的老化降解 目前常用的光稳定剂有四类 即紫外线吸收剂 淬灭剂 先驱型紫外线吸收剂 光屏蔽剂 25 防老剂 消除聚合物杂质的催化作用 整合剂 在工业生产中 对聚合物降解具有催化作用的主要物质是金属离子 催化作用的强弱随重金属离子的性质而异 消除这些重金属离子催化作用的方法是加入适量的整合剂 一般认为这类物质与重金属盐形成了络合物 消除了重金属离子的催化作用 消除生物和微生物的侵蚀作用 驱避剂 26 防老剂 防老剂的选用与用量 选用时 主要应考虑成型加工和制品使用过程的稳定性 光稳定性 相溶性 透明性 耐水性 耐油性 化学稳定性 毒性等 目前还未发现同时完全具有上述作用及条件齐全的防老剂 应视具体情况 目的 加工条件等 加以合理选择 如果用二种防老剂的效果比单独一种要强得多时 协同效应 可使用二种防老剂 如果所含的两种防老剂出现彼此削弱效果 对抗效应 时 则不应同时采用 防老剂的用量一般为聚合物0 3 一0 5 少数大于2 或更高的 27 填料 目的 为了改善塑料的成型加工性能 提高制品的某些技术指标 赋予塑料制品某些新的性能 或为了降低成本和聚合物单耗而加入分类 按来源分 有机填料和无机填料 按形式分 粉状 纤维状和片状填料 粉状填料常用木粉 石棉粉 滑石粉 陶土 硅藻土 云母粉 石墨粉 炭黑粉 纤维状填料常用石棉 玻璃纤维等 片状填料常用纸 棉布 玻璃布 玻璃毡 或带 等 用量 用量超过一定范围时会使塑料的强度降低 填料的用量通常为塑料组成的40 以下 28 填料 粉状填料作用机理与影响 填料与聚合物之间存有次价力 紧密结合 目前已采用偶联剂来增加塑料与填料间的结合 熔于一体 改变了聚合物分子的构象平衡和松弛时间 降低了聚合物的结晶倾向和溶解度 同时常会使聚合物熔体粘度增大 聚合物的Tg和硬度变化等 有的填料能显著改善塑料的耐磨性和自润滑性 增强塑料抗老化能力 降低塑料的线膨胀系数和制品成型收缩率 提高塑料的耐热性能和阻燃性以及强度 使塑料能在较宽温度下工作 制品中同时体现出填料的部分性能 使塑料的性能更加多样化 扩大塑料的应用范围 纤维和片状填料能在较大的范围内提高塑料的强度 29 润滑剂 润滑剂 为改进塑料熔体的流动性能 减少或避免对设备的粘附 最终提高制品表面光洁度 提高制品表观质量等而加到塑料中的一类添加剂 按作用机理分为内润滑剂外润滑剂脱模剂 为了避免对塑料金属设备的粘附和便于脱模 而在成型时涂于与塑料接触的模具表面的物质 用量适量 通常小于l 过多 易由成型表面析出 常称起霜 从而影响外观等 用量过少不足以起润滑作用 30 润滑剂 润滑剂分类 31 润滑剂 润滑剂加入的影响 能降低聚合物的流动温度 增加其流动性 过多的加入 在高的剪切作用条件下会缩短聚合物在设备中的停留时间 以致产生不均匀熔融物料 同时对材料的玻璃化温度 热变形温度 机械强度和伸长率等都会有影响 所以使用润滑剂时应先研究其对熔化的影响 然后再考虑它们的润滑性能 32 着色剂 着色剂是为使制品获得各种鲜艳夺目的颜色 增进美观而加入的一种物质 着色剂常为油溶性的有机染料和无机颜料 染料大多可溶 不但可使被染物表面着色 而且内部亦被侵入 特别适用于透明制品 颜料通常为一种有色材料 调和于展色剂 油或树脂 中 调制成油墨 油漆 进行表面着色 也可以细微颗粒状混合于塑料中作为着色剂 通常颜料既不溶于水 亦不溶于展色剂中 所以分散性较差 制品着色后不透明 但其耐热性较前者高 33 着色剂 性能要求 所有着色剂应在加工过程中稳定不变 与塑料的亲和力强 容易作色 耐光 耐热性良好 且不与其它添加剂作用等 配色 一项非常复杂的工作 但多种多样的颜色均是用红 黄 蓝三种原色按不同的比例并合而成应尽量选用性质相接近的颜料或染料 以免带入色光及补色 影响所要着的颜色 34 固化剂及其他 固化剂 或称交联剂 为使树脂 热固性塑料 在成型时完成交联反应或加快交联反应而加的物质 例如酚醛模塑粉中加入六次甲基四胺 环氧树脂中加入的二元酸酐 二元胺等 其他 如发泡剂 阻燃剂 抗静电剂等 35 小结 塑料 树脂 添加剂 配方 36 小结 塑料 在聚合物 或树脂 加入不同品种 数量的添加剂 能配制成性能和用途不同的塑料 配方反映各种添加剂与聚合物重量的比例关系 根据制品的用途 所需性能和成型要求 再结合各种组分的特性和来源来制定 合理的配方既能改善加工工艺条件 又能以较低的成本生产出优质的产品 配方设计是一个很重要的问题 设计出的配方是否合适 需经过成型加工 产品性能测试和使用的考验 需经反复实践 不断完善和提高 37 第二节物料的混合和分散机理 配料就是把各种组分相互混在一起 尽可能的成为均匀体系 粉料 粒料 为此必须采用混合操作混合包括混合和分散 混合是使两种或多种组分所占空间的最初分布情况发生变化 分散是指混合中一种或多种组分的物理特性发生了一些内部变化的过程 如颗粒尺寸减小或溶于其它组分中 混合和分散一般同时进行 即在在混合的同时 通过粉碎 研磨等机械作用使被混物料的粒子不断减小 而达均匀分散的目的 38 第二节物料的混合和分散机理 混合目的 使两种或二种的物料重新分布 得到组成分布均匀的混合物 混合的实质是使一种物料发生形变和重新分布的问题 因而必须要有外加的作用力 通常为剪切力 作用于这类凝聚物上 所以这种分子间力和外加的作用力是物料分散过程中的关键问题 39 第二节物料的混合和分散机理 40 第二节物料的混合和分散机理 41 第二节物料的混合和分散机理 配料过程中常见的混合 粉料间的混合如粉状的聚合物 聚氯乙稀 和粉状添加剂 填料 碳酸钙 的混合 粉状或纤维状的物料 如玻璃纤维 与液体状物料 如酣醛树脂的醇溶液 的混合塑性物料的熔融混合如聚苯乙烯和聚丁二烯在熔融状态的混合 有时与机械混合的同时 还进行着增塑的物理化学过程 42 混合的基本原理 混合 捏和与塑炼 43 混合的基本原理 混合过程中的扩散 对流和剪切 44 混合效果的评定 液体物料的混合效果分析混合物不同部分的组成与平均组成相差的悬殊情况 若悬殊小则混合效果好 反之 则效果差 需进一步混合或改进混合的方法及操作等 固体及塑性物料的混合效果物料的分散程度组成的均匀程度 混合物的结构 45 混合效果的评定 混合需尽量做到以下三方面 尽量增大不同组分间的接触面 减少物料的平均厚度 各组分的交界面 接触面 应相当均匀地分布在被混合的物料中 使在混合物的任何部分 各组分的比率和整体的比率相同 46 主要混合设备 来源 塑料混合设备引自橡胶 涂料等工业并加以改进的 同时也采用了另一些符合塑料生产所需的特殊设备 要求 一般所处理的物料差不多都具有腐蚀性 所以设备要用耐腐蚀材料制造或用衬里 要有加热 冷却装置 有时还需密闭减压 故应耐压 混合室和搅拌装置应利于产生剪切作用和易于使物料发生对流或扩散作用 设备结构应尽量消除物料滞留的死点 利于换色 换料和便于完全和迅速卸料 47 主要混合设备 混合设备的分类 操作方式 间歇混合连续混合目前工业上用的大部分塑料配合料是完全由某些间歇法 一种或多种间歇混合法 或半连续法 即以间歇混合的预混料供应连续法 来完成 而且正逐步向连续化方向发展 48 主要混合设备 常用混合设备 主要初混合设备 高速混合机捏合机管道式捏合机主要用于混合塑炼双辊塑炼机密炼机挤出机等除挤出机是连续式的将初混合和塑炼两个步骤一起完成外 其它均是间歇的 而且在完成初混合和塑炼上 不能同时进行 各有侧重 而且各有一定的特点 故仍被大量采用 49 第三节配料工艺简介 粉料和粒料的配制溶液的配制糊的配制和性质 50 粉料和粒料的配制 原料 初混物 塑炼物 粉料 粉碎 粒化 粒料 塑炼 初混 切粒机挤出机 切碎机粉碎机 双辊塑炼机密炼机挤出机 高速混合机捏合机管道式捏合机 在熔点以下 低剪切应力下的简单混合 获得一定的均匀性 使物料在剪切力作用下热熔 剪切使各种组分的分散混合更趋均匀 预处理 称量配料 51 粉料和粒料的配制 原料的准备预处理 过筛 除去粒状杂质等 使聚合物颗粒度大小比较均匀 吸磁处理 除去金属杂质等 干燥 易吸湿的聚合物 增塑剂预热 降低粘度 加快扩散速度 强化传热过程 使受热聚合物加速溶胀以提高混合效率 称样 为了简化配料操作和避免配料误差 量好配成添加剂含量高的母料 液态浆料或固体的颗粒料 再加到体系中混合 防老剂和填料等添加剂等组分颗粒小 分散困难 粉尘飞扬 加料不准 有些添加剂 如铅盐 危害人体健康 复合稳定剂的需求 着色剂量少易凝聚 输送 52 粉料和粒料的配制 初混合混合过程仅仅在于增加各组分微小粒子空间的无规排列程度 而并不减小粒子本身 获得一定的均匀性 利于下一步的塑炼 并缩短塑炼时间加料次序树脂 增塑剂 由稳定剂 润滑剂 染料和增塑剂 所用数量应计入规定用量中 调制的混合物和其它固态物料 填料 等 混合终点一般凭经验判断 也可通过混合时间来控制 53 粉料和粒料的配制 塑炼目的改变物料的性状 使物料在剪切力作用下热熔 剪切混合达到适当的柔软度和可塑性 使各种组分的分散更趋均匀 同时驱逐其中的挥发物及弥补树脂合成中带来缺陷 驱赶残存的单体 催化剂残余体等 利于输送和成型等 工艺条件塑炼温度 时间和剪切力 要严格控制 否则会造成混合料各组分蒙受物理及化学上的损伤 例如塑炼时间过久 会引起聚合物降解而降低其质量 因此 不同种类的塑料应各有其相宜的塑炼条件 并需通过实践来确定 塑炼的终点可用测定试样的均匀性和分散程度来决定 但最好采用测定塑料试样的撕裂强度来决定 54 粉料和粒料的配制 粉碎与粒化使固体物料在尺寸上得到减小 粉料一般是将片状塑炼物用切碎机先进行初碎 而后再用粉碎机完成 所成的颗粒大小不等 粒料用切粒机 将片状塑炼物分次作纵切和横切完成 也有用挤出机将初混物挤成条状物后再由装在挤出机上的旋刀切成颗粒料 粒料比较整齐且具有固定形状 55 溶液的配制 溶液溶质聚合物 如酚醛树脂 脲醛树脂和聚酯 醋酸纤维素 氧乙烯 乙酸乙烯酯共聚物等的溶液溶剂溶剂只是为了分散树脂而加入 它能将聚合物溶解成具有一定粘度的液体 在成型过程中必须予以排出 对溶剂的要求是对聚合物具有较高的溶解能力 无色