第二章聚合物共混改性基本原理

2023/3/21第二章聚合物共混改性基本原理2023/3/22第二章聚合物共混改性基本原理第一节

聚合物共混的基本概念第二节聚合物共混物形态的基本概念第三节混合的基本方式与基本过程第四节共混过程的理论模型1234第五节

共混过程的调控方法52023/3/23第四节混合过程的理论模型

一、液滴模型二、作用于分散相粒子上的力三、双小球模型四、毛细管不稳定模型五、分散相的分散与集聚2023/3/24一、液滴模型液滴模型研究的是剪切力作用下的变形，以悬浮液中的液滴（牛顿流体体系）在剪切力（外力）作用下的变形与破碎行为为研究对象。适用于“海-岛结构”聚合物两相体系。

第四节混合过程的理论模型

2023/3/25一、液滴模型

1.液滴的形变

粘度比

Weber数

第四节混合过程的理论模型

2023/3/26一、液滴模型2.影响液滴形变的因素

Weber数：We很小时，σ占据主导作用，形成稳定的液滴。

“液滴模型”认为，对于特定的体系和在一定条件下，We可以有特定的Wecrit，当We<Wecrit，液滴稳定；We＞Wecrit，液滴会变得不稳定，进而破裂。

：↑→We

↑→D↑。

粒径：大粒子易变形。第四节混合过程的理论模型

2023/3/27一、液滴模型2.影响液滴形变的因素

连续相黏度：ηm↑→We

↑→D↑

界面张力：

σ↓→We

↑→D↑

熔体弹性：

流动场：对于牛顿流体，拉伸流动比剪切流动更能有效地促使液滴破裂。ηm<<ηd，拉伸流动起主导作用。

两相粘度比：第四节混合过程的理论模型

2023/3/28一、液滴模型2.影响液滴形变的因素

液滴破碎的判据

第四节混合过程的理论模型

2023/3/29二、作用于分散相粒子上的力小球受到的外力

第四节混合过程的理论模型

2023/3/210二、作用于分散相粒子上的力假定：1、一个分散相颗粒中，有两个假想的球形粒子；2、其一在原点，第二个小球在某一时间处于某一固定位置，3、粒子处于恒定剪切速度场中。小球受到的外力F按Stokes方程连续相与第二个小球的相对速度

第四节混合过程的理论模型

FF2F1α2023/3/211二、作用于分散相粒子上的力沿小球中心连线的分力F1：α=45°时，促使两小球分离的力F1最大；分散相获得最大的分散破碎力；α=90°时，cos=0，F1=0；两小球无法分开；α=0°时，y=0，F1=0；两小球无法分开；分散相粒子的方位对分散破碎有重要意义。第四节混合过程的理论模型

FF2F1α2023/3/212二、作用于分散相粒子上的力垂直于小球中心连线的分力F2：

促使两小球共同体发生转动的力α=90°时，sinα=1，F2最大；分散相获得最大的转动力；α=0°时，y=0，sinα=0，F2=0；两小球无法分开；第四节混合过程的理论模型

FF2F1α2023/3/213二、作用于分散相粒子上的力处于连续相流体剪切力场中的分散相粒子，首先会在F2的作用下发生转动，与此同时F1也逐渐增大，分散相粒子在F1作用下发生伸长变形。当分散相粒子的取向与流体速度场的夹角为45°时，F1达到最大，这时，最有利于分散相粒子的破碎分散。共混设备施加给共混体系的作用力方向应该不断地或周期地变化。第四节混合过程的理论模型

FF2F1α2023/3/214二、作用于分散相粒子上的力小球受到的内力Fr：黏滞力弹性力界面张力等阻碍分散相破碎分散的力。第四节混合过程的理论模型

Frα2023/3/215三、双小球模型讨论分散相颗粒破裂成两个小颗粒的条件和规律。是“液滴分裂机理”的模型。假定：1、一个分散相颗粒中，有两个假想的球形粒子；2、两个假想的球形粒子处于运动中的连续相流体中，3、粒子处于恒定剪切速度场中。

第四节混合过程的理论模型

2023/3/216三、双小球模型粒子在内外力的作用下运动。r>r*时，粒子被破碎。连续相运动速度u

粒子所受到得外力——黏滞阻力（Stokes公式）v——连续相流体与球形粒子的相对速度

第四节混合过程的理论模型

Fdx/dtdy/dt2023/3/217三、双小球模型v的分速度——vx,vy

F的分力

——Fx,Fy

令：

第四节混合过程的理论模型

Fdx/dtFrdy/dt2023/3/218三、双小球模型解微分方程代入边界条件，得到假想球形粒子（第二个粒子）运动轨迹方程：

其中

第四节混合过程的理论模型

Fdx/dtFrdy/dt2023/3/219三、双小球模型当粒子的运动轨迹由上式决定；当r>r*时，就不再受该方程约束，决定于流体速度场。

分散相粒子的运动轨迹受K，r*和粒子初始位置（x0，y0）的影响。

第四节混合过程的理论模型

Fdx/dtFrdy/dt2023/3/220三、双小球模型实例1初始位置（0，2R）r*=3R=0.5

K=2

K=3

K≥4

第四节混合过程的理论模型

2023/3/221三、双小球模型实例2初始位置（0，4R）r*=3R=0.5

K=0.5K=1K≥2

第四节混合过程的理论模型

2023/3/222三、双小球模型K值的影响K值超过某个临界值时，粒子破碎。双小球模型液滴模型K决定于——外力，内力剪切应力（外力）、分散相内力与分散相颗粒破碎分散密切相关。增大τ或降低Fr可以促进分散相颗粒的破碎。

第四节混合过程的理论模型

2023/3/223三、双小球模型r*值的影响r*取决于分散相熔体颗粒的伸长变形能力，即分散相聚合物的性能，与共混时熔体温度有关。

在分散过程中，分散相颗粒会发生伸长变形和转动。当伸长变形的颗粒转动到与剪切应力平行的方向时，破碎不能进行。为促进分散相的破碎分散，应使剪切应力周期性发生变化，以便使不同方位的分散相颗粒都能受到有效的剪切应力τ作用。

第四节混合过程的理论模型

2023/3/224三、双小球模型初始位置（分散相粒径）的影响

初始距离（粒径）大，易于破碎。分散相颗粒的破碎分散过程，亦是分散相粒径自动均化过程。亦即破碎分散和粒径均化是同时进行的。

第四节混合过程的理论模型

2023/3/225四、毛细管不稳定模型是柱形流体线条在另一种流体中的不稳定现象，变形的细线会分裂成一系列细小的液滴。是“细流线破裂机理”的模型。分散相大粒子，在拉伸应力作用下先变形为细线，再瞬间破裂成细小的粒子（液滴）。

第四节混合过程的理论模型

2023/3/226四、毛细管不稳定模型“细流线”受到外界扰动时，柱状流线逐渐发生正弦式的变形，其振幅受到扰动的波长、界面张力σ、分散相与连续相的黏度比λ、细流线的初始半径R0等影响。在一定条件下，变形随时间发生指数式增长。α——在时间t的扰动振幅。α0——扰动的初始振幅。q

——扰动增长速率，决定于扰动的波长、分散相与连续相的黏度比λ、界面张力σ等。t——时间。

第四节混合过程的理论模型

波长2023/3/227四、毛细管不稳定模型“细流线”破裂的时间决定于界面张力σ、分散相与连续相的黏度比λ、细流线的直径等。当扰动振幅α=0.8R0时，“细流线”可以断裂。第四节混合过程的理论模型

2023/3/228五、分散相的分散与集聚聚合物的共混过程是一个“分散”与“集聚”的动态过程。大颗粒→小粒子大颗粒←小粒子分散相粒子破碎←强迫进行←外力（剪切应力）分散相粒子集聚←自发进行←能量最小化聚合物的共混过程中，分散相粒径自动均化，结果是使分散相粒子达到一个最终的“平衡粒径R*”。

第四节混合过程的理论模型

2023/3/229五、分散相的分散与集聚1.分散（破碎）过程

影响破碎的因素有二，一是外界作用于共混体系的剪切能E，二是分散相物料自身的破碎能Edb

（1）剪切能剪切能E←作用于分散相的剪切能←剪切流变场

第四节混合过程的理论模型

2023/3/230五、分散相的分散与集聚1.分散（破碎）过程

（2）破碎能破碎能Edb←取决于分散相物料自身。

第四节混合过程的理论模型

2023/3/231五、分散相的分散与集聚1.分散（破碎）过程

（2）破碎能分散相物料宏观破碎能Edk←取决于颗粒内部阻碍变形和破碎的因素，即熔体黏度、熔体弹性等。分散相物料表面能Edf←取决于界面张力

第四节混合过程的理论模型

2023/3/232五、分散相的分散与集聚2.破碎过程的影响因素剪切能E←破碎能Edb←破碎过程

↑、ηm↑→E

↑；→加速破碎。σ

↓、

ηd↓→Edb↓

；→加速破碎。第四节混合过程的理论模型

2023/3/233五、分散相的分散与集聚3.集聚过程与影响因素

集聚过程是由于分散相粒子的相互碰撞而实现的，即分散相粒子相互碰撞而导致集聚成大粒子。集聚过程的影响因素

取决于碰撞的有效率和碰撞次数（分散相的体积分数、分散相粒子总数、剪切速率等）。

σ

↓→抑制集聚（亦有利于促进分散相的破碎）。分散相粒径↓→分散相粒子数↑→集聚速度↑；→破碎速度↓（小粒子比大粒子难破碎）

第四节混合过程的理论模型

2023/3/234五、分散相的分散与集聚4.平衡粒径R*第四节混合过程的理论模型

2023/3/235第二章聚合物共混改性基本原理第一节

聚合物共混的基本概念第二节聚合物共混物形态的基本概念第三节混合的基本方式与基本过程第四节共混过程的理论模型1234第五节

共混过程的调控方法52023/3/236第五节共混过程的调控方法

一、影响熔融共混的主要因素二、共混物过程的调控三、共混物熔体黏度与熔体弹性的调控2023/3/237一、影响熔融共混的主要因素聚合物两相体系的熔体黏度（比值）及熔体弹性。聚合物两相体系的界面张力。聚合物两相体系的组分含量以及物料的初始状态。流动场形式和强度。共混时间。

第五节

共混过程的调控方法2023/3/238二、共混过程的调控1.共混组分熔体黏度的影响与调控（1）分散相黏度降低分散相物料的黏度可以减小宏观破碎能，从而使分散相平衡粒径降低。

第五节

共混过程的调控方法2023/3/239二、共混过程的调控1.共混组分熔体黏度的影响与调控（2）连续相黏度提高连续相的黏度可以增大分散相颗粒的变形，有利于分散相颗粒的破碎，从而降低分散相粒径。提高连续相的黏度有利于连续相将外界的作用力（剪切力）传递给分散相。

第五节

共混过程的调控方法2023/3/240二、共混过程的调控1.共混组分熔体黏度的影响与调控（3）制约因素共混过程的基本规律：熔体黏度较低的一相倾向于成为连续相，而熔体黏度较高的一相倾向于成为分散相。即“熔体黏度较低的一相易于包覆在熔体黏度较高的一相之外”。重要推论：为了获得较好的分散效果，两相熔体黏度不可相差过于悬殊，两相熔体黏度较为接近为好，即“黏度相近原则”。

第五节

共混过程的调控方法2023/3/241二、共混过程的调控1.共混组分熔体黏度的影响与调控（4）熔体黏度的调控调节共混温度：根据共混组分的黏温曲线，通过调节共混温度来调控共混体系的熔体黏度比值。

第五节

共混过程的调控方法2023/3/242二、共混过程的调控1.共混组分熔体黏度的影响与调控（4）熔体黏度的调控调节剪切应力：根据聚合物切力变稀的流变特性，通过调节剪切应力来调控共混体系的熔体黏度比值。

第五节

共混过程的调控方法2023/3/243二、共混过程的调控1.共混组分熔体黏度的影响与调控（4）熔体黏度的调控通过助剂调节：填充剂、软化剂、增塑剂等均可以调节物料的熔体黏度。调节共混组分的相对分子量：聚合物的相对分子量也是影响熔体黏度的重要因素。

第五节

共混过程的调控方法2023/3/244二、共混过程的调控2.共混组分熔体弹性的影响与调控（1）熔体弹性的影响熔体弹性较高的分散相颗粒难于破碎。熔体弹性较高的组分倾向于成为分散相；具有较低弹性的组分倾向于成为连续相。共混组分在共混温度下的熔体弹性不应相差过大，即“弹性相近原则”。熔体弹性相差过大，会使各组分在共混过程中受力不均，影响混合效果。高弹性的共混体系中的分散相粒径值，会高于理论预测值。由于高弹性的熔体难于发生形变，从而难于破碎所致。

第五节

共混过程的调控方法2023/3/245二、共混过程的调控2.共混组分熔体弹性的影响