塑炼1教学设计（讲稿）

教学设计（讲稿）教师姓名授课班级高分子091授课形式项目引导、任务驱动授课日期2011年4月19日第9周授课时数2授课内容情境四生胶的塑炼与检测任务一、塑炼分析教学目标知识目标掌握橡胶塑炼(mastication)的定义及目的、不利面掌握塑炼方法及塑性表示理解塑炼(mastication)原理能力目标会进行威氏可塑度的计算思想目标理论和实践相结合教学重点塑炼、塑炼目的及不利面；门尼粘度的确定教学难点塑炼的影响因素更新、补充、删节内容使用教具多媒体、实物课外作业1、威氏可塑度的测定方法2、查阅资料，总结常用塑炼胶的门尼粘度范围课后总结以问题为核心讨论式交流互动教学方法通过本次教学单元实践效果较好，同学们各组都能积极准备，积极参与，积极发言，积极讨论。同时通过与平时考核相结合，能进一步调动学习主动性，注意主要是要进一步完美考核体系。教学内容与设计教学组织复习：已完成的学习情境三材料加工与配合：（概括性复习并配以提问）情境三已完成的工作任务有：橡胶和配合剂加工处理称结构种类及选用称使用程序及维护保养称量提问：（学生回答、学生分析定、教师总结并下结论）生胶加工处理有哪些？主要目的是什么？2、200g硬脂酸如何称量？引入：（提问法）1、塑性：材料的一种力学性质，受力后可发生相应的变形、除去力不能回复原形保持变形后形状的特性。举例分析-钢材锻打、拉面可塑性：可改变原来状态的性质：可以具体的形状和尺寸、也可是抽象的性质：人的性格、能力等。刚性：受力后不发生变形的性质弹性：受力后发生变形，除去力后恢复原来形状。高弹性特点？（教育学生事物是两面性）优点？缓冲、减震、柔软缺点？加工（与学生一起分析）引：弹性回复、产品加工过程是受力变形并定形项目布置：（提前布置）根据工作任务单的要求，分析完成生胶所需要的基本信息。学习情境四：生胶的塑炼与检测主要工作任务：依据情境1和2中准备好生胶，并结合胶料用途及加工过程，要求确定塑炼生胶及塑炼标准和工艺规程，并进行具体塑炼操作，同时对每一步工作做出过程计划和信息采集。任务一、塑炼分析主要任务：确定配方中哪种橡胶需要塑炼以保证后面工序顺利进行。完成学习工作单相关内容，并将完成任务情况填写到学习情境工艺卡相关内容上。讨论一：塑炼、塑炼目的及不利面？分组讨论：课下完成学生汇报：学生分四组讨论，每组轮流选择住发言人总结汇报，其他同学补充，教师引导。教师总结：塑炼：炼：炼胶、炼胶作业炼胶：扎胶在炼胶机完成的作业过程。通过机械力（挤压、剪切、搅拌等）作用来实现提高橡胶塑性（真、热塑性）、使配合剂混入分散到橡胶等作业过程。炼胶机：XK、XM、XJ（提问）炼胶种类：热炼、塑炼、混炼等（精炼）（提问学生主要目的）简要：提高橡胶塑性的炼胶详细：将橡胶经过机械加工、热处理或加入某些化学助剂，使其由强韧的弹性状态转变为柔软而便于加工的塑性状态的工艺过程称之为塑炼。或：借助机械功或热能使橡胶软化为具有一定可塑性的均匀物的工艺过程称之为塑炼。塑炼胶：经塑炼而得到的具有一定可塑性的橡胶胶称之为塑炼胶。分析：方法——机械加工、热处理或加入某些化学助剂（物理、化学作用）状态变化——强韧的弹性状态转变为柔软而便于加工的塑性状态（弹性→塑性）过程——加工工艺过程2、目的：提高塑性、流动性（学生分析好处坏处）（教育学生事物是两面性）教师总结：好处：塑性、流动性、粘性—工艺性能使生胶的可塑性增大，以利混炼时配合剂的混入和均匀分散；改善胶料的流动性，便于压延、压出操作，使胶坯形状和尺寸稳定；增大胶料粘着性，方便成型操作；提高胶料在溶剂中的溶解性，便于制造胶浆，并降低胶浆粘度使之易于渗入纤维孔眼，增加附着力；改善胶料的充模性，使模型制品的花纹饱满清晰。3、不利影响弹性下降、强度下降（提问：如何补上-硫化）若可塑性过大：混炼时颗粒极小的炭黑或其它粉状配合剂分散反而不均匀；压延时胶料易粘辊或粘垫布；压出的胶坯挺性差、易变形；成型时胶料变形大；硫化时流失胶较多；产品物理机械性能和耐老化性能下降过大。（过炼）讨论二：塑炼的影响因素有哪些？分组讨论：学生汇报：学生分四组讨论，每组轮流选择住发言人总结汇报，其他同学补充，教师引导。教师总结：塑炼原理讨论：高弹性来源：高分子量。本质：降低分子量（提问分子量的变化）（橡胶的长链分子断裂）（一）机械力的作用1、原理：扯断：橡胶置于炼胶机中塑炼时，会受到炼胶机辊筒间的剪切力作用，分子链会被拉直，并使子链分子链在中间部位发生断裂：扯断R-R→R·+R·氧的封端R·+O→R2、特点：有选择性：机械断链一般只对一定长度的橡胶分子链有效，一般分子量小于10万的天然橡胶和分子量小量小于30万的顺丁橡胶的分子链基本上不再受机械力作用而断裂。这是因为分子链长的橡胶分子分子内聚力大，机械作用产生的切应力亦大，则机械断裂的效果亦好。而不同橡胶在分子量小到一到一定程度后，因内聚力小，链段相对运动容易，机械力作用产生的切应力小，则不足以使其断裂。由于机械力作用主要是分子量较大的橡胶分子断裂，而对分子量小的不起作用，因此，在机械力作用下，橡胶平均分子量变小的同时，分子量分布会变窄，而且塑炼后分子量很低的级分较少。分子量变化如下图所示：3、影响因素：⑴剪切力大小（机械力大小）橡橡胶塑炼时，分子链断裂的几率与作用于橡胶分子链上的机械功(剪切力)成正比。（机械塑炼-以机械断链为主）提问：XK剪切力主要参数？（复习）⑵温度：而与胶料温度成反比温度越低，橡胶分子间内聚力越大，切应力越大，机械断链效果越好；反之，温度越高，橡胶分子间内聚力越小，切应力越小，机械断链效果则越差。提问：温度是否越低越好？正常温度：50～80℃（低温塑炼）⑶分子结构：分子链的断裂还与组成分子链的不饱和度、化学活性、化学键键能有关。组成分子链的化学键键能越高，分子链断裂越困难。不过，在塑炼过程中，橡胶所受的应力不可能平均地作用于每个分子链的化学键上。由于橡胶的高分子物理化学性质所决定，分子链是相互蜷曲缠结在一起的，在受在受剪切力时，必然会产生应力集中现象，这样就使应力集力集中于某些弱键上，产生分子链的扯断。⑷介质（氧作用）：引入：在氮气和空气中塑炼曲线橡胶分子链被机械剪切力扯断的同时，产生橡胶分子自由基，自由基的产生必然会引起各种化种学变化。首先是氧化作用：使自由基被稳定。此外，橡胶自由基还有可能重新结聚，这对塑炼效果是不利的。化学变化的结果是以断裂，还是以结聚为主，主要决定于橡胶的结构、温度、介质等因素。4、机械塑炼（低温塑炼）特性质量好（一定明确质量的指标是胶料物理机械性能而不是工艺性能可塑度大小，塑炼胶性能好-弹性、强度）效率低（二）．氧的作用1、原理：氧在橡胶塑炼中所起的作用一是稳定由机械力扯断所产生的橡胶自由基；辅助作用二是直接使橡胶分胶分子链产生氧化断链。主攻作用前者的作用一般是在低温条件下产生，后者的作用一般是在高温条件下产生。实验得知，生胶结合0.03％的氧，就能使其分子量降低50％，可见在塑炼过程中，氧的氧化作用对橡胶分子链断裂的影响是很大的。2、影响因素：氧的浓度：浓度越大，吸氧越多，塑炼效果越大。（氧化塑炼-以氧化断链为主）温度：温度越高，氧化作用越大，塑炼效果越大。因此氧化塑炼在高温下进行。（高温塑炼）一般温度：140～170℃提问：温度越高越好吗？机械作用：辅助（搅拌均匀）3、氧化塑炼特点：无选择性分子量分布变化曲线如下所示：4、性能特点：教师引导学生分析质量不好效率高（三）．温度的作用1、U型曲线：分析讨论：高温和低温及中温时的塑炼效果大小温度对生胶的塑炼效果有着重要的影响，不同温度范围对塑炼的作用是不同的。实验表明，天然橡胶在50～150℃范围内塑炼30min后，得到一条近于“U”型的曲线，如图所示。2、分析：天然橡胶塑炼过程所得“U”型曲线可以认为是由两条不同曲线组合而成，并代表两个独立过程，在最低值附近相交。其中1线代表低温塑炼，2线代表高温塑炼。在低温塑炼阶段，由于橡胶较硬，受到的机械破坏作用较剧烈，较长的分子链容易为机械应力所扯断。而此时氧的化学活泼性较小，故氧对橡胶的直接引发氧化作用很小。所以，低温时，主要是靠机械破坏作用引起橡胶分子链的降解而获得塑炼效果。在高温塑炼阶段，当温度超过110℃以上再继续升高时，虽然机械破坏作用进一步降低，但由于氧的自动催化氧化破坏作用随着温度升高而急剧增大，橡胶分子链的氧化降解速度大大加快，塑炼效果也迅速增大。在中温塑炼阶段，从低温随着塑炼温度的不断升高，橡胶由硬变为柔软，分子链在机械力作用下容易产生滑动而难以被扯断，因而塑炼效果不断下降，在110℃附近达到最低值。此时由氧直接引发的氧化破坏作用也很小。因此，低温塑炼和高温塑炼的机理是不同的。低温塑炼时，主要是由机械破坏作用使橡胶分子断链；高温塑炼时，主要是由氧的氧化裂解作用使橡胶分子链降解。由于高温塑炼时，氧化对分子量最大至分子最小部分的作用是相同的，所以高温塑炼在平均分子量变小的同时，并不发生分子量分布变窄的情况，塑炼后，分子量很低的级分可能较多。此外，高温塑炼时，机械的作用主要是翻动和搅拌生胶，以增加生胶和氧接触的机会，从而加快橡胶的氧化裂解过程。3、曲线分片超低温区（1区）：-30～40℃以下-不可使用（学生分析原因）-机械受不了低温塑炼区（2区）：50～80℃中温区（3区）：80～130℃-不可使用（学生分析原因）-效率低高温塑炼区（4区）：140～170℃超高温区（5区）：180℃以上-不可使用（学生分析原因）-无法控制如下图所示（四）．化学塑解剂的作用1、作用与定义：生胶塑炼工艺中，使用化学塑解剂能增强生胶塑炼效果，缩短塑炼时间，丛而提高塑炼效率。2、原理：化学塑解剂在塑炼过程中的增塑作用一是增塑剂本身受热、氧的作用分解生成自由基，而导致橡胶分子发生氧化降解；另一种是封闭塑炼时橡胶分子链断链的端基，使其失去活性，阻止其重新结聚。因此，化学塑解剂实质上可看作是一种氧化催化剂，其生成自由基能力越大，塑解能力也越大。一般，化学增塑剂的增塑作用随温度增高而增大。3、选用：根据化学塑解剂的使用温度范围，可分为：低温塑解剂，如二甲苯基硫酚、五氯硫酚、五氯硫酚锌盐和2-苯甲酰胺基硫酚锌盐等，适用于开炼机塑炼；高温塑解剂，如二甲苯基二硫化物，2，2’-二苯甲酰胺基二苯基二硫化物等，适用于密炼机塑炼；混合型塑解剂，如促进剂M、DM等，在低温和高温下均有效，即适用于开炼机又适用于密炼机塑炼。（五）．静电的作用塑炼时，生胶受到炼胶机的剧烈摩擦而产生静电。实验测定，辊筒或转子的金属表面与橡胶接触处产生的平均电位差在2000～6000V之间，个别可达15000V。因此，使辊筒和堆积胶间经常有电火花产生。这种放电作用促使生胶表面的氧激发活化，生成原子态氧和臭氧，从而提高氧对橡胶分子链的断链作用。讨论三：塑炼方法分组讨论：课下完成学生汇报：学生分四组讨论，每组轮流选择住发言人总结汇报，其他同学补充，教师引导。教师总结：塑炼方法按设备：XK塑炼法、XM塑炼法、XJ塑炼法三种方法；按塑炼次数分一段塑炼法、二段塑炼法和多段塑炼法；按是否加塑解剂分为普通塑炼法和塑解剂塑炼法。讨论四：塑性大小的表示方法。分组讨论：课下完成学生汇报：学生分四组讨论，每组轮流选择住发言人总结汇报，其他同学补充，教师引导。教师总结：胶料塑性可用可塑性（度）和门尼粘度表示，可塑性测试方法有三种：压缩法、旋转扭力法、压出法。压缩法常用的是威廉式法和华莱式法二种，该法具有操作简单、测试准确，但测定时试样所受切变速率比较低，与实际生产有一定距离。威廉式（Williams)可塑度是在定温、定负荷下，用试样经过一定时间的高度变化来评定可塑性。仪器：威廉式可塑度计试样：直径为16mm，高10mm的圆柱形试样条件及过程：测定室温的原高h0，在70土1℃温度下，先预热3min，然后在此温度下，于两平行板间加5kg负荷，压缩3min后测定高度h1，除去负荷，取出试片，置于室温下恢复3min，测定恢复后的高度h2。计算公式：P—试样的可塑度；h0—试样原高，mm；h1—试样压缩3min后的高度，mm；h2—去掉负荷恢复3min后的试样的高度，mm。案例分析讨论：（与学生互动式）问题：三个高度大小排列、完全弹性、完全塑性、完全刚性的P、P的范围学生分4组讨论与总结学生发言讨论抽2组同学代表发言、说明，其它同学补充教师总结三个高度大小排列、完全弹性、完全塑性、完全刚性的P三个高度大小排列：h1＜h2＜h0完全弹性：h2=h0、h1=0、p=0（绝对弹性体）完全塑性：h2=h1=0、p=1（绝对流动体）完全刚性：h2=h1=h0、p=0一般值：由于橡胶是粘弹性物质，故应用此式计算出的可塑度应在0～l之间，数值越大表示可塑性越大。为了使可塑性试验简化，也有的直接以A1的数值来表示胶料的柔软性(通常以1／100mm为单位)，值越小表示可塑性越大。2、门尼(Mooney)粘度门尼(Mooney)粘度测定（旋转扭力法）是根据试样在一定温度、时间和压力下，在活动面(转子)和固定面(上、下模腔)之间变形时所受到的扭力来确定橡胶的可塑性的。测量结果以门尼粘度来表示。门尼粘度值因测试条件不同而异，所以要注明测试条件。门尼粘度通常以ML1+4100℃表示，其中M表示门尼，L1+4100℃表示用大转子(直径为38.1mm)在100℃下预热1min，转动4min时所测得的扭力值(一般用百分表指示)。门尼粘度法测定值范围为0～200，数值越大表示粘度越大，即可塑性越小。讨论五：请比较以下胶料门尼粘度的大小：胎面胶用塑炼胶、缓冲层帘布胶用塑炼胶、海绵胶料用塑炼胶、三角带线绳浸胶用塑炼胶。分组讨论：学生汇报：学生分四组讨论，每组轮流选择住发言人总结汇报，其他同学补充，教师引导。可塑度大小顺序规律原因教师总结：原则：生胶的可塑性并非越大越好，而是在满足工艺加工要求的前提下，以具有最小的可塑性为宜。或不塑炼。1、塑炼对象：NR（同学分析）目前，大多数合成橡胶和某些天然橡胶品种，如软丁苯橡胶、软丁腈橡胶、恒粘度和低粘度天然橡胶等，已在制造过程中控制了生胶的初始可塑度，一般门尼粘度在60以下的均可不经过塑炼而直接混炼。若混炼胶可塑度要求较高时，也可进行塑炼，以进一步提高可塑度。2、案例分析：题目表常用塑炼胶的可塑度塑炼胶种类威氏可塑度塑炼胶种类威氏可塑度胎面胶用塑炼胶0.22～0.24缓冲层帘布胶用塑炼胶0.50左右胎侧胶用塑炼胶0.35左右海绵胶料用塑炼胶0.50～0.60内胎用塑炼胶0.42左右胶管内层胶用塑炼胶0.25～0.30胶管外层胶用塑炼胶0.30～0.35三角带线绳浸胶用塑炼胶0.50左右胶鞋大底胶（一次硫化）用塑炼胶0.35～0.41薄膜压延胶料用塑炼胶膜厚0.1mm以上膜厚0.1mm以下0.35～0.450.47～0.56胶鞋大底胶（模压）用塑炼胶0.38～0.44胶布胶桨用塑炼胶