聚合物加工工程 习题讲解2019年

5.加料顺序：用量少，难分散的配合剂先加；用料大的，如炭黑填料后加，硫化剂最后添加；
第一章: 混合与混炼
10. 何谓橡胶的混炼? 用开炼机和密炼机塑炼时应控制的工艺条件有哪些? 有何影响?
密炼机混炼
1.设备结构：混炼室结构、转子结构； 2.装胶量：适当，调整好添胶量，不可过多或过少；一般 f=0.48~0.75 ； 3.上顶栓压力：压力提高可提高混炼效果； 4.转子转速：转速提高可提高混炼效率；未加入硫化剂，可快速混炼；加入硫化体系，则需慢速； 5.胶料温度：未加入硫化剂体系，T=150~160oC；加入硫化剂体系，T<120oC ；
聚合物加工工程 习题讲解
（混合与混炼、挤出成型、压延成型）
主讲人：毛立新 研究员 整理者：李凡珠 博士生
2015.06.08
第一章: 混合与混炼
3.试判断下述共混体系是否相容？解释原因?
1. NR/BR:相容； 溶度参数相近原则，NR(16.2)/BR(16.6-17.6)
2. NBR/PVC:相容； 表面张力相近原则；溶度参数相近原则，NBR(19.2)/PVC(19.2-22.1)
高温塑炼以氧化断链为主，由于氧化作用对具有不同分子量的橡胶分子链作用相同， 因此在氧的作用下，橡胶分子链均匀的发生断链反应，即降解。这一般不会影响橡胶 分子量分布，只会使分子量整体下降，即分子量分布曲线向低分子量方向移动，但其 分子量分布曲线峰的宽度基本保持不变。
第一章: 混合与混炼
10. 何谓橡胶的混炼? 用开炼机和密炼机塑炼时应控制的工艺条件有哪些? 有何影响?
排气挤出机工作时，第一阶螺杆的作用与普通单螺杆一样，它将固体 物料向前输送、熔融、混合，达到基本塑化状态。
塑化的物料从第一计量段进入排气段时，由于排气段螺槽的突然变深 ，以及排气口放空或设置真空泵的作用，到达这一段的物料压力骤降 至零或负压，因而使高聚物中原来受压缩的气体和已汽化的挥发物在 此得到释放，并使已基本塑化的熔融塑料膨胀发泡。
橡胶的混炼：为了提升橡胶制品的物理机械性能，改善成型工艺，在生胶中加入各种 配合剂并使之均匀分散在橡胶基体中的工艺过程。
开炼机混炼
1.装胶量：适中。过大会造成堆积量多，影响吃料和分散效果； 不同型号的混炼机，其最大装胶量要求亦不同；
2.辊距：吃粉阶段适当增加，混炼时减小以提高剪切力，出片时在适当增加； 3.辊速：前后辊存在一定速比，约为1:1.1~1:1.27。 辊速快，剪切作用强，但不易控制；辊速慢，则效率低；一般辊速控制在18~20rpm。 4.温度：胶料温度不宜太高或太低，以确保胶料较好的包在辊筒上，并使配合剂较好分散。 加入硫化剂体系，要严格控制胶料温度，应低于硫磺分解温度（120度以下）； 未加入硫化剂体系，可适当提高混炼温度。
3.NBR/EPDM:不相容； NBR为极性橡胶，EPDM为非极性橡胶，NBR(19.2)/EPDM(16.1)
4.PVC/PMMA:相容； 溶度参数相近原则，PVC(19.2-22.1)/PMMA(18.6-26.2)
5.OPE/PS：不相容； OPE为极性分子，PS为非极性塑料
第一章: 混合与混炼
第一章: 混合与混炼
14. 请设计下述两配方材料的共混工艺方法及条件。
配方一：橡胶共混物（以质量份计） 天然橡胶（NR）100.0，炭黑50.0，硫化活化剂5.0，硫黄2.0，硫化促进剂2.5，软化剂 5.0，防老剂2.0。合计总质量份166.5。
利用开炼机混炼，为防止焦烧，硫黄一般要最后加入，采用的加料顺序为：天然橡胶 →炭黑→硫化活化剂，防老剂，硫化促进剂→软化剂→硫黄。 工艺条件：装胶量视胶种、填料含量而定；辊距一般控制在4~8mm，堆积胶含量合适； 辊温通过冷却水控制在50~60℃；加硫黄之间一定要开冷却水；辊速控制在16~18r/min； 速比为1:1.1~1:1.2；混炼时间不可过长，否则易造成胶料过炼。
此外，适量加入合适的相容剂，可显著提高不相容聚合物共混体 系的相容性，有助于获得综合性能良好的共混物。
第一章: 混合与混炼
8. 何谓橡胶的塑炼? 用开炼机和密炼机塑炼时应控制的工艺条件有哪些? 它们对塑 炼有何影响?
橡胶的塑炼：为便于橡胶材料的混炼加工，通常需要在一定条件下，对其进行加 工处理，使橡胶材料由强韧的弹性状态转变为柔软的可塑性状态。这种使弹性材 料增加可塑性（流动性）的工艺过程称为塑炼。
第一章: 混合与混炼
9.某橡胶材料的相对分子质量分布曲线 如下图所示，若将其分别进行高温塑炼 和低温塑炼，塑炼后该材料的相对分子 质量分布曲线将如何变化？请在下图中 画出示意图，并解释原因。
低温塑炼以机械力作用为主，由于大分子活动能力差，在机械力作用下，相对分子质 量大的分子链先被切断生成大分子自由基，故导致橡胶分子链分布变窄，且分子量分 布整体向低分子量方向移动。
哪一种搭配形式机头压力降最小，哪一种最大？
Q

Qd
QP
QL

1 2

2
D2nh3
sin
cos
Dh33 sin2 121
P L3

2D2 3 tan 102e
P L3
B C

An


1

2

P
Q
低阻力机头
h3大
机头阻力越大，Q越小； 螺槽越深， Q随P的增加下降的越快
5MPa时的漏流与正流流量的比值。
（2）此时考虑漏流QL
QL
2D2 3 tan

102e
P 1229cm3 L3
min
漏流与正流流量的比值 QL 1229 0.425 Qd 2892
挤出成型-熔体输送理论
3.比较熔体输送区的流率：深螺槽与低阻力机头；浅螺槽与高阻力机头。两种 搭配中哪种流率高？深螺槽与浅螺槽，高阻力与低阻力机头可以任意搭配，
物料在排气段螺杆的搅拌和剪切下，使气泡破裂，并使气体从物料中 脱出。脱出的气体在排气口被真空泵抽走。
挤出成型-排气挤出机
9.排气挤出机的排气效果是如何产生的? 排气挤出机稳定操作的条件是什么?
稳定操作的条件： 排气挤出机前后两段的生产率必须 相等，即Q1=Q2，既不冒料，也不缺 料。 补充： 第二计量段的生产率与机头压力有 关，其数值由口模特性曲线与二阶 螺杆特性线的交点决定。
挤出成型-熔体输送理论
2.一台单螺杆挤出机，计量段尺寸为：料筒内径D=150mm ，螺距S= 150mm ， 螺槽深h3=9mm ，螺棱宽e=15mm，计量段长L3=1m ，单头螺纹； 求：假如螺杆转速为10r/min， ① 不装机头时聚合物的输出量 ② 当螺杆与料筒的间隙增至1mm，挤出表观粘度为115Pa s熔体、机头压力为
截流比 a QP 2 Qd 3
Vz
Vbz
y

h3
3
y h3
QP Qd
1
y h3

Vbz
2y2

h32

y h3

Vx

Vbx y h3

2

3
y h3

Vbz
Vbx
y=h3时，Vx= -Vbx
挤出成型-熔融理论
5. 用文字和简图描述高聚物在挤出机中的熔融过程。解释熔融理论中，固相分布 函数式中Φ 、ω、 ω0，ψ 的物理意义。
高阻力机头
因此：深螺槽与低阻力机头的流率高
h3小 P
螺杆特性线
浅螺槽与低阻力机头搭配压力降最小 深螺槽与高阻力机头搭配压力降最大
挤出成型-熔体输送理论
4.示意画出Qp/Qd=-2/3操作条件下，熔体输送区螺槽中，螺槽底部y=0 ，
螺槽中y=Leabharlann h3/3，螺棱顶部 y=h3处物料质点运动速度的方向。分析螺槽中 在0<y<h3范围内是否有熔体滞留层。
Tb↑→η ↓→ Φ ↓ → ZT ↑，不利于熔融
熔融速率：= X
熔融速率系数：= Vbx m
2
融化系数：= W G H0
熔融区长度：ZT

2H
（2）螺杆温度Ts
Ts↑→Φ ↑→ψ ↑→ZT ↓, 有利于熔融
Km
Tb
Tm


V j 2
2
Cs Tm Ts
挤出成型-双螺杆挤出机
Vbx: 机筒表面运动速度在x方向上的分量
压缩物料，固体粒子与机筒内壁接触时，由于机筒传热和摩擦热的作用，固体粒子熔融， 形成熔膜。当熔膜厚度超过机筒与螺杆的间隙δ时，被旋转的螺杆刮落形成熔池。固体床 逐渐推进，固相宽度减小，熔池逐渐扩大，直至完全熔融。 Φ：熔融速率系数 ω：熔融速率，表示单位时间单位螺槽长度上的熔化量 ω0：初始熔融速率 Ψ：熔化系数，表示熔融区起始点处的熔融速率ω0与单位螺槽深度的质量流率之比
min
挤出成型-熔体输送理论
2.一台单螺杆挤出机，计量段尺寸为：料筒内径D=150mm ，螺距S= 150mm ， 螺槽深h3=9mm ，螺棱宽e=15mm，计量段长L3=1m ，单头螺纹； 求：假如螺杆转速为10r/min， ① 不装机头时聚合物的输出量 ② 当螺杆与料筒的间隙增至1mm，挤出表观粘度为115Pa s熔体、机头压力为
挤出成型-熔融理论
6. 根据熔融理论公式，分析Tb、Ts、n以及A对熔融过程的影响。
以等深螺槽为例：
熔融速率：= X
熔融速率系数：= Vbx m
2
Km
Tb
Tm


V j 2
2
Cs Tm Ts
融化系数：= W G H0
熔融区长度：ZT

2H
(1) 机筒温度Tb Tb↑→Φ ↑→ψ ↑→ZT ↓，有利于熔融
5MPa时的漏流与正流流量的比值。
（1）不装机头时熔体输送段只有正流
Qd

1 2

2
D2
nh3
sin
cos
单头螺纹，螺距S即为导程 t
tan t S 1741' D D
Qd
1 *3.142 *1502 *10*9*0.953*0.304 mm3 2
min 2892 cm3
开炼机塑炼工艺控制条件：辊温、时间、辊距、速比、装胶量和塑解剂等。 ① 开炼机塑炼，温度越低，塑炼效果越好（通常胶温在45~55℃以下）； ② 随着时间的延长，胶料温度升高，机械塑炼效果下降； ③ 辊筒速比恒定时，辊距越小，胶料受剪切力越大，胶片薄且易冷却，塑炼效果越好； ④ 辊筒速比越大，对胶料剪切作用越大，塑炼效果越好； ⑤ 装胶量过大，堆积胶过多，塑炼效果差； ⑥ 塑解剂起化学增塑作用，提高塑炼效果。
（3）转速 n
（4）渐变度A
等深螺槽：
ZT
2H
大
渐变螺槽：ZT

H

2-
A

小
渐变度增大对熔融有利，但对输送不利（易造成固体床解体）
挤出成型-熔融理论
7.普通螺杆在结构上为何分段，分段的根据是什么？
螺杆挤出机在生产过程中要完成如下三个职能： 连续稳定地输送物料-----固体输送 将固体物料塑化成熔融物料-----物料熔融 使物料在温度和组分上均匀一致-----熔体输送
各个不同职能对螺杆的结构和尺寸等要求不同，因此普通螺杆在结构上要分段， 分为固体输送段（加料段），熔融段（压缩段），熔体输送段（计量段）。
挤出成型-排气挤出机
9.排气挤出机的排气效果是如何产生的? 排气挤出机稳定操作的条件是什么?
作为二阶单螺杆排气挤出机，其螺杆从本质上可以认为是由两根普通 单螺杆串联而成。排气段之前称为第一阶螺杆，排气段之后称为第二 阶螺杆。在两段螺杆之间是排气段，排气段的螺槽比其他各段都深。
4.上述若有不相容体系，请说明能否共混？如何改善不相容体系共混物的形态-结 构和性能？
答：可以共混。
上述不相容体系均属于热力学不相容体系。但是，由于聚合物相 对分子量较高，粘度相对较大，在外加机械力场作用下，将两种 聚合物强制分散混合后，分散相再次凝聚情况也较难发生，故各 相可长期处于动力学相对稳定状态。因此，两种不相容的聚合物 可通过共混具有一定程度的工艺相容性，进而获得综合性能良好 的共混物。
第一章: 混合与混炼
密炼机塑炼工艺控制条件：温度、时间、转子转速、装胶量和上顶栓压力等。 ① 塑炼效果随温度升高而增大；温度过高会使胶料物理性能下降，须严格控制； ② 温度一定时，生胶可塑性随时间延长而增大；一定时间后，增长速度逐渐变缓； ③ 一定温度下，转子转速越快，胶料达到相同可塑度需要的密炼时间越短； ④ 装胶量过大，生胶得不到充分搅拌，设备超负荷；过小则得不到有效塑炼； ⑤ 上顶栓加压，增加转子对胶料的剪切作用，保证良好的塑炼效果。