实验讲义-彩色填充聚合物材料的设计和制备

彩色填充聚合物材料的设计和制备实验讲义(初稿)设计型8学时化学与环境工程学院杨晓鸿目录1．前言1.1目的意义1.2简介2.实验部分2.1 设计思路配方设计选材配合比设计2.2原料及实验仪器（1）原材料（2）主要设备2.3 实验方案基本要领实验操作步骤及说明实验结果与记录3. 思考题4. 实验报告附录1：安全知识附录2：SJSZ-7微型双螺杆挤出机使用说明书1前言1.1目的意义：培养学生进行填充聚合物材料配方设计、优化、制备等的基本应用技能，了解填充改性聚丙烯的挤出原理，挤出机的工作特性，以及挤出成型工艺对制品质量的影响，掌握挤出的操作过程。

1.2简介填充聚合物是非聚合物材料对聚合物的填充复合体，比如在树脂中填充混入其他非树脂物质而形成的复合体系，是聚合物料配方的基本形态。

通过填充可以极大地改变和延伸聚合物的性能，制备改良或新的品种，目前已成为聚合物材料研究与开发的重要领域。

填充的目的、方法和品种繁多，比如，添加填料来控制聚合物对固体表面的粘结强度；在系统中添加两种不同化学性质及宏观结构的填料来直接改变聚合物链间的相互作用，这些填料也就是纤维增强填料及精细的分散填料；用化学吸附长链脂肪族化合物分子得到的带有亲水或疏水表面特性的矿物性填料；颗粒填充改变聚合物(包括聚合物纳米复合材料)熔体的模量、频率依赖性、屈服行为等流变行为；等等。

这些内容表明，填充聚合物是近年来材料科学领域中的有效技术方法，具有极大的发展前景。

挤出机按作用类型可分为连续挤出和非连续挤出，是塑料机械的一种。

挤出机的主机由挤压系统、传动系统和加热冷却系统组成(见图1)。

挤压系统包括螺杆、机筒、料斗、机头、和模具，塑料通过挤压系统而塑化成均匀的熔体，并在这一过程中所建立压力下，被螺杆连续的挤出机头。

挤出机按其螺杆数量可以分为单螺杆、双螺杆和多螺杆挤出机。

目前以单螺杆挤出机应用最为广泛，适宜于一般材料的挤出加工。

双螺杆挤出机由于具有由摩擦产生的热量较少、物料所受到的剪切比较均匀、螺杆的输送能力较大、挤出量比较稳定、物料在机筒内停留长,混合均匀。

双螺杆挤出机喂料特性也好，适用于粉料加工，且比单螺杆挤出机有更好的混炼、排气、反应和自洁功能，特点是加工热稳定性差的塑料和共混料时更显示出其优越性。

近些年来内国外双螺杆挤出机已经有很大的发展，各种形式的双螺杆挤出机已系列化和商品化。

挤出机应用范围广泛，可适用于多种物料的加工，比如玻纤增强、阻燃料造粒（如：PA6、PA66、PET、PBT、PP、PC增强阻燃等）、高填充料造粒（如：PE、PP填充75%CaCO）、热敏性物料造粒（如：PVC、XLPE电缆料）、浓色母粒（如：填充50％色粉）、防静电母粒、合金、着色、低填充共混造粒、电缆料造粒（如：护套料、绝缘料）、XLPE管材料造粒（如：用于热水交联的母粒）、热固性塑料混炼挤出（如：酚醛树脂、环氧树脂、粉末涂料）、热熔胶、PU反应挤出造粒（如：EVA热熔胶、聚氨脂）、K 树脂、SBS脱挥造粒、等。

图1 挤出机的结构原理图2.实验部分2.1 设计思路配方设计：填充聚合物材料的设计主要指配方设计。

配方是为制得某种塑料制品，在树脂中混入其他物质而形成的复合体系。

混入的其他物质一般称为助剂或添加剂。

助剂是指赋予树脂某种特殊性能的材料。

助剂的种类很多，具体有增塑剂、稳定剂、增韧剂、加工助剂、着色剂、抗氧剂、填料等。

配方设计是指选择在树脂中加入何种助剂，并确定其加入量大小的一个过程。

配方设计主要实现下面几方面的目的。

（1）改善树脂加工性能，有些树脂品种加工性能很差，不加入适当的添加剂难于进行常规的加工。

（2）改善树脂的内在性能，十全十美的树脂品种是很难找到的，即使有这样的品种，不是价格过高，就是难于加工。

因此配方设计人员常选取性能最接近制品要求的树脂品种，并对其进行适当的改性，使之达到完全满足制品要求。

（3）降低成本物美价廉是每一个配方设计者的首选目标，即是说树脂在满足制品需求性能时，其价格愈低愈好。

对于某一填充聚合物材料而言，如何从众多的助剂品种中选择合适的品种，以得到合适的配方，需要依据一定的原则。

（1）根据制品的用途设计：这一原则是制品要什么性能，相应选取何种助剂。

制品的性能、结构、用途、使用环境、期望的寿命，都是配方设计的主要依据。

（2）助剂与树脂的相容性：用于配方的各类助剂需与树脂有良好的相容性，这样才能均匀地分散于树脂中，同树脂有机地结合在一起，从而发挥其各自应有的作用。

（3）各类助剂间的组合搭配、相互影响及其协同效应。

（4）助剂的耐加工性：在选择固体助剂时，要保证其在成型加工过程中不分解。

在选择液体助剂时，要保证在加工中不逸出。

（5）成型加工用设备、成型加工方法和成型工艺不同加工设备、加工方法要求助剂品种及用量不同。

（6）助剂的来源与成本：在同等性能条件下，要选择来源广、产地近、价格低的品种。

（7）助剂的毒性及对环境的污染：大部分助剂都有毒性或低毒性。

粉末状助剂还有粉尘的污染。

因而助剂的毒性除需考虑必须满足制品使用性能要求外，尽可能选用对环境污染小，对操作人员健康影响少的助剂。

选材：是确定配方原料的具体物质，确定树脂和助剂种类、品种和规格型号，包括增塑剂、稳定剂、热稳定剂、光稳定剂、抗氧剂、填充剂（填料）、增强剂（如玻璃纤维、碳纤维、硼纤维）、着色剂、润滑剂、抗静电剂、阻燃剂、等。

配合比设计：设计计算配方原料具体数量。

2.2原料及实验仪器（1）原材料聚丙烯（PP）粉料或细粒料活性碳酸钙（CaCO3）325目以上细度硫酸钙（CaSO4）325目以上细度润滑剂（硬脂酸或硬脂酸丁酯或油酰胺之一）无机颜料：钛白粉、碳黑、氧化铁红、铬黄，均为325目以上细度，供学生选色设计（以上物料，工业级或试剂级均可）（2）主要设备双螺杆挤出机（SJSZ-07实验室微型双螺杆挤出机）武汉瑞鸣塑料机械有限公司1台(见图2)手套一副电子天平搅拌机烧杯 50ml,100ml，200ml规格量筒 20ml，50ml规格移液管 5ml规格搅拌玻棒图2 SJSZ-07实验室微型双螺杆挤出机2.3 实验方案基本要领：将聚丙烯（PP）以及各种无机填料（CaCO3或CaSO4）、颜料、助剂按照设计的比例充分预混合均匀后，加入到双螺杆挤出机中，经过加热，剪切，混合以及排气作用，PP 以及填料、颜料、助剂塑化成均匀熔体，在两个螺杆的挤压下熔体通过口模，自然风冷，最终成为聚丙烯填充改性料细丝。

主要流程如下：树脂、助剂、填料、颜料预混合螺杆挤出丝料或造粒挤出机螺杆和料筒结构直接影响塑料原料的塑化效果，熔体质量和生产效率。

双螺杆挤出机和单螺杆相比，其塑化能力，混合作用，和生产效率相对较高。

主要用于高速挤出，高效塑化，大量挤出造粒、造丝。

挤出工艺控制参数包括挤出温度（料筒各段，机头，口模），挤出速率，口模压力，冷却速率，牵引速率等。

对于双螺杆挤出机而言，物料熔融所需要的热量主要来自于料筒外部加热，挤出温度应在塑料的熔点（Tm）或粘流温度（Tf）至热分解温度范围之间，温度设置一般从加料口至机头呈逐渐升高，最高温度较塑料热分解温度Td低15℃以上。

各段温度设置变化不超过60℃。

挤出温度高，熔体塑化质量较高，材料微观结构均匀，制品外观较好，但挤出产率低，能源消耗大，所以挤出温度在满足制品要求的情况下应该尽可能的低。

挤出速率同时对塑化质量和挤出产率起决定性的作用，对给定的设备和制品性能来说，挤出速率可调的范围则已定，过高的增加挤出速率，追求高产率，只会以牺牲制品的质量为代价。

挤出过程中，需冷却的部位包括料斗，螺杆。

料斗的下方应通冷却水，防止PP过早的熔化粘结搭桥。

另外牵引速率与挤出速率相应匹配，以达到所造的塑料粒、丝均匀为准。

实验操作步骤及说明：以下所述为普通挤出机操作主要流程，学生在使用前必须严格阅读实验使用的具体的挤出机使用手册，按手册要求操作。

（1）挤出机预热升温：依次接通挤出机总电源和各加热段电源，调节加热各段温度仪表以及其他控制仪表设定值致操作值（见表一）。

当预热温度升至设定值后，恒温30-60min。

温度控制分为7段。

表一聚丙烯原料挤出机主要参数设定值表（2）检查冷却水系统是否漏水，真空系统是否漏气：拧开水阀。

（3）启动油泵电动机：在启动之前，用手将螺杆后的园盘搬动一圈后，将主电机调速旋钮调至零位，然后启动主电机。

调速要缓慢，均匀，转速逐步升高，要注意主电机电流的变化，一般在较低的转速下运转几秒，待有熔融的物料从机头挤出后，再继续提高转速。

（4）启动喂料系统以及螺杆清洗：首先将喂料机速度调至零位，启动料斗下的冷凝水。

把清洗用的纯PP到入料斗，启动喂料电动机，清洗螺杆，待挤出的熔体颜色变为PP的本色即可视为清洗完毕。

接着将混合好的料倒入喂料斗，调整其转速，在调整的过程中密切注意电动机的电流的变化，要适当控制喂料量，以避免挤出机的负荷太大。

（5）将挤出的线状熔体自然冷却。

（6）更换不同配方重复以上实验。

其他参数：合模时间：12秒，注射时间5秒表压：表1：≥0.5～10Mpa; 表2:～0.5Mpa; 表3:～0.5Mpa; 表4:～0.3Mpa实验结果与记录：①记录挤出工艺条件（温度，螺杆转速，加料速度，真空度，牵引速度）。

②观察挤出过程中的不稳定现象，记录工艺参数变化后，线性熔体的变化。

SJSZ-07实验室微型双螺杆挤出机的操作步骤如下：（1）手动循环a. 将时间继电器调至大于实际需要的循环时间；b. 开启电机，升至需要的转速后装料，放入称好的物料（5~6g）；c. 将循环方式旋纽旋向手动循环；d. 根据实验需要看显示时间，将循环旋纽旋向挤出；e. 挤出完毕后，停机，打开机筒，清理。

（2）控制循环a. 调定需要的循环时间；b. 同上；c. 将循环方式旋纽旋向控制循环；d. 时间到机器会自动挤出，e. 挤出完毕后，停机，打开机筒，清理。

3 思考题1. 填料的加入对聚合物的加工性能有何影响？2. 改变牵引和挤出速率对线性熔体的直径和光泽度等特征有什么影响？4 实验报告1、写出所选实验题目的设计方案和具体实验方法2、自己设计表格记录实验过程和数据3、用图、表汇总实验结果4、对实验结果作出分析和讨论课时授课计划实验名称彩色填充聚合物材料的设计和制备附录1：安全知识在实验过程中或在实验室里遇到突发的实验事故时，应立即采取应对措施。

1. 现场人员意外受到危险化学品伤害和玻璃划伤当人皮肤接触了剧毒、中等毒品、有害品或腐蚀品时，应立即脱去衣着，用大量水冲洗至少15min。

就医。

当人眼睛接触接触了剧毒、中等毒品、有害品或腐蚀品时，应立即提起眼睑用大量流动清水或生理盐水冲洗眼睛至少15min。

就医。

当人吸入剧毒、中等毒品、有害品或腐蚀品时，应迅速撤离现场到空气新鲜处；如呼吸困难，应供给输氧(如有适当的解毒剂，立即服用)，必要时进行人工呼吸。