共混物的制备方法与设备

1、第六章 6.1制备方法 6.1制备方法 制备聚合物共混物的方法主要有物理共混 法和共聚共混法（化学共混法）两类， 此外还有较新的IPN（互穿聚合物网络）法。 各种共混法所制得共混物的理想形态结构 应为稳定的微观多相体系或亚微观多相体应为稳定的微观多相体系或亚微观多相体 系系。这里所指的“稳定”是指共混物在成 型及使用过程中不产生宏观的相分离。 6.1.1物理共混法 依靠物理作用实现聚合物共混的方法。由 于常通过特定的设备来完成，故也称之为 机械共混法，相应的设备称为混合或混炼 设备。 物理共混中可能会由于强剪切作用而形成 少量的共聚物。 1.干粉共混法 将两种或两种以上品种不同的细粉状聚合将两

2、种或两种以上品种不同的细粉状聚合 物在各种通用的塑料混合设备中加以混合，物在各种通用的塑料混合设备中加以混合， 形成各组分均匀分散的粉状聚合物形成各组分均匀分散的粉状聚合物 的方法的方法 称为干粉（粉料）共混法称为干粉（粉料）共混法。 常用设备：球磨机，V型混合机，倒锥式混 合机，Z型捏合机，高速混合机等。 以上设备大多常温操作，能产生较大的剪 切作用。 聚合物干粉混合的同时，也可加入增塑剂、 润滑剂、防老剂、着色剂以及填料等各种 配合剂。 经干粉共混所得物料，在某些情况下可直 接用于压制、压延、注射或挤出成型，也 往往经过挤出造粒后再用以成型。 J此法优点：设备简单、操作容易。 L此法缺点：

3、所用聚合物原料必须呈细粉状， 若原料颗粒较大，需粉碎，但韧性大的聚合 物粉碎困难；干粉混合温度低于其Tf，物 料不易流动，故混合分散效果较差。共混物 的相畴较粗大，制品的性能受到一定的影响。 适于此法的场合： 1.某些难溶难熔的聚合物共混体系； 2.组分间相容性较好，且某些组分用量较少。 2.熔体共混法 熔体共混法有称熔融共混法。此法是将共此法是将共 混组分在其混组分在其Tf以上用混炼设备制取聚合物以上用混炼设备制取聚合物 共熔体，然后再冷却，粉碎或造粒的方法共熔体，然后再冷却，粉碎或造粒的方法。 其工艺过程示意图如下： 初混合设备类似于干粉混合设备。 混炼设备主要有：双辊混炼机，密闭式混 炼

4、机，单螺杆挤出机。 J此法优点： 1.共混原料的粒度要求不严格； 2.混炼设备的强剪切作用使共混组分混合效 果较好，制品相畴较小； 3.可能形成一定数量的接枝或嵌段共聚物， 从而促进组分之间的相容。 选择熔体共混法时应注意： 1.各混合组分均应为易熔聚合物; 2.共混组分的Tf应相近，Td也应相近； 3.共混组分应具有相近的熔体粘度； 4.共混组分的弹性模量值不应悬殊过大; 5.避免混炼时间过长而发生降解； 3.溶液共混法 将共混组分加入到共同溶剂中搅拌溶解混将共混组分加入到共同溶剂中搅拌溶解混 合均匀，然后加热蒸出溶剂或加入非溶剂合均匀，然后加热蒸出溶剂或加入非溶剂 共沉淀以获得共混物的方法

5、共沉淀以获得共混物的方法。 此法应用场合： 1.难熔易溶的共混组分； 2.直接以溶液状态使用的场合； 3.用于相容性方面的研究。 4.乳液共混法 乳液共混法的基本操作是将不同种的聚合是将不同种的聚合 物乳液一起搅拌混合均匀后，加入凝聚剂物乳液一起搅拌混合均匀后，加入凝聚剂 使异种聚合物共沉析以形成聚合物共混体使异种聚合物共沉析以形成聚合物共混体 系。系。 6.1.2共聚共混法 共聚共混法制取混合物是一种化学方法， 不同于以物理法为主的机械共混法。共聚 共混法又有接枝共聚和嵌段共聚之分， 在制取共混物方面，接枝共聚共混法更 为重要。 接枝共聚共混法的典型操作程序如下： 单体 引发剂或 制备聚合物

6、 均匀溶解 溶解(胀) 加热 接枝共聚 以聚合物为骨架接枝聚合物 单体均聚 聚合物 原聚合物 聚合物 共混物 由上所示，共聚物中由于接枝共聚组分的 存在促进了两种聚合物组分的相溶，所以 接枝共聚共混产物的相畴较机械共混法 的产物相畴微细。 接枝共聚共混法制得的共混物，其性能 通常优于机械共混法的产物，所以近年来 发展很快，应用范围推广。目前，主要用 于生产橡胶增韧塑料。例如HIPS及ABS（以 接枝法取代机械共混法）树脂，另外，橡 胶增韧PVC等也开始研究并用此法生产。 影响接枝共聚共混产物性能的因素很多， 其中主要有原料聚合物组分原料聚合物组分和和的性质，的性质， 比例，接枝链的长短，数量等

7、比例，接枝链的长短，数量等。 此外制作共混物所用设备为一般聚合设备， 即间歇式聚合釜或釜式、塔式连续操作设 备。 在操作方式上除以上的本体法外，还有本 体悬浮法,乳液法等。 6.1.3 IPN法 IPN法形成互穿网络聚合物共混物，是一种 以化学法制备物理共混物的方法。 其典型操作是先制备一交联聚合物网络 （聚合物），将其在含有活化剂和交联 剂的第二种聚合物单体中溶胀，然后第二 种单体聚合，于是两交联聚合物网络相互 贯穿，实现两种聚合物的共混。其相态为 两相连续结构，相分离因网络贯穿而无法相分离因网络贯穿而无法 完全实现完全实现，称之为“强迫互溶强迫互溶”。 6.2物理法共混过程原理 1.混合过

8、程 混合过程一般包括混合作用混合作用和分散作用分散作用两 方面的意义。 混合作用指不同组分相互分散到对方所 占据的空间中，即使得两种（或多种）组 分所占空间得最初分布情况发生变化。以 均匀程度表示效果。 分散作用指参与混合的组分发生颗粒 尺寸减小的变化。极端情况达到分子程度 的分散。以分散程度表示其效果。 在聚合物共混中，混合作用和分散作用大 多同时存在。 2.混合机理 物料得混合过程通常依靠扩散，对流和剪 切三种作用来完成。 扩散指各组分的微粒总是从其浓度较 高的区域向浓度较低的区域迁移。 参与混合的各组分在不同区域的浓度差是 扩散作用的推动力。 对流对流作用是各种物料在空间位置 上的相互变

9、模。 机械作用（如搅拌）是促进对流作用的主 要手段。 剪切剪切作用是依靠剪切力促使颗粒 产生变形（偏转和拉长）以使破碎分散。 剪切的效果同剪切力的大小、作用力的距 离和作用力的方向有关。剪切力越大，作 用力的距离越小，剪切力作用互为90的 交替方向变化时，混合效果越好。 由于聚合物的熔体（或溶液）粘度较大， 所以其物理共混过程主要凭借对流和剪切 两种作用完成。 6.3干粉共混设备 高速捏合（和）机 用途树脂初混合 结构如图 作用剪切与对流 特点产生效率高，混合效果好，物料适 应性强。 Z型捏合机 用途初混合 结构如图 作用剪切为主，分布混合 特点适合于粘稠的物料 6.4 熔体共混的设备 开炼机

10、 开炼机又称双辊混炼机 用途混炼 结构如图 作用强剪切，兼有分布和分散混合的 作用 特点操作直观，工艺条件易于调整，对 各种物料适应性强，设备结构简单，安全 卫生性差。 密炼机 用途混炼 结构如图6-8 作用强剪切 特点劳动条件好，塑炼效果和防止物料 氧化方面比较好。 单螺杆挤出机 用途混炼造粒，生产管、棒、丝、板、 膜、异型材 结构如图 作用混炼,强剪切 关键部件螺杆 螺杆的几何参数（直径、 长径比、螺槽深度或宽度变化，螺杆各段 长度比、螺旋角、螺棱宽度等）影响着其 混炼效果或输送能力。 特点操作连续，密闭，混炼效果好，对 物料适应性强。 6.5 高效混炼挤出设备 一般的单螺杆挤出机由于设备

11、制造上的原 因，螺杆的长径比有所限制，给混炼效果 带来影响。此时可考虑强化了剪切作用和 对流作用的高效混炼挤出设备，它们主要 从三方面采取措施提高混炼的效果：提 高剪切速率；延长混炼作用时间；加 强对混合物料的分割和扰动。 混炼型单螺杆挤出机 1.屏障型螺杆 这种螺杆是在普通螺杆熔化段再附加一段这种螺杆是在普通螺杆熔化段再附加一段 螺纹，而把原来一条螺纹所形成的螺槽分螺纹，而把原来一条螺纹所形成的螺槽分 成二个窄的螺槽。其中一条与加料段螺槽成二个窄的螺槽。其中一条与加料段螺槽 相通，另一条与熔体输送段相通。相通，另一条与熔体输送段相通。 2.销钉型螺杆 销钉型螺杆是在靠近熔化段末端到计量段销钉

12、型螺杆是在靠近熔化段末端到计量段 这一区间设置一组或几组带有销钉的混炼这一区间设置一组或几组带有销钉的混炼 段而得到的。段而得到的。 3.波形螺杆 这种螺杆的螺槽根部是偏心的这种螺杆的螺槽根部是偏心的,偏心部位偏心部位 沿轴向按螺旋形移动。沿轴向按螺旋形移动。 以上无论何种型式的混炼螺杆都要避免对 物料流动的阻力过大，以免影响挤出机的 挤出量。此外，此类螺杆的局部位置因剪 切速率加大，物料发热剧烈，会引起温度 升高使聚合物降解或分解，故应加强设备 的冷却措施和温度控制。 混炼-挤出机组（FCM机组） 为延长物料的混炼时间，提高混炼效果， 工业上常应用两个挤出机串联操作，或制 成串联机组二段挤出

13、机用于聚合物共 混。然而此类措施效果不够明显，主要是 因为物料混炼的剪切速率未能提高。 混炼-挤出机组分分为两个操作段两个操作段，第一第一 操作段操作段不使用挤出机，而是使用类似密炼 机结构的混炼装置，在此段的高剪切速率 （5001500s-1）使聚合物受到混炼。第二第二 操作段操作段列为普通单螺杆挤出机，剪切速率 较低（3070s-1）。 与密炼机、混炼型单螺杆挤出机及普通单 螺杆挤出机比较，FCM剪切速率最高，混 炼时间最短。 FCM特点：混炼效果高，能量消耗少，操 作连续，温度易控制，原料形状不拘，设 备结构紧凑，占地面积小。 双螺杆挤出机 结构如图 混炼挤出装置是由两根互相啮合的螺杆和

14、 一个字形料筒组成。 工作原理“正向输送”作用，强制 将物料推向料筒末段。 特点： 1.混炼效果好，两根螺杆啮合处产生强烈的 剪切作用。对于同向旋转双螺杆，一根螺 杆的螺齿像楔子一样伸入到另一螺杆的螺 槽中，物料在两螺杆之间反复转向，经十 个螺距后，混合次数可达220之多，故分散 混合效果好。 2.物料在料筒中停留时间分布窄。因无单螺 杆中的逆流、漏流、横流等流动，而只有 正向流动，所以物料的平均停留时间比单 螺杆少二分之一。停留时间分布范围也仅 有单螺杆的五分之一左右。因此物料所经 历的物理、化学变化过程大致相同，性能 均匀，也因为“自清理”作用而避免物料 对螺杆的粘附而产生局部降解。故对热敏 性聚合物尤为重要。 3.挤出量大，能量消耗少。其实际挤出量可 达单螺杆的三倍。异向旋转双螺杆挤出机 可将85%的机械能转化为热能。 配置静态混合器的挤出机 它是一类使流体在流动过程中不断被静止它是一类使流体在流动过程中不断被静止 的设备构件所分割的渠道式连续混炼设备的设备构件所分割的渠道式连续混炼设备。 结构如图 特点： 1.物料不断地被螺旋元件所分割，每经过 一个元件就被分割成两层。于是经过n个螺 旋元件后，流体为分