第五章 高分子材料混合与制备

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混合状态的判定
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混合状态的直接判定
均匀程度：混入物占物料比率与理论或总体比 均匀程度：
率的差异
分散程度：混合体系中各个混入组分的粒子在 分散程度：
混合后的破碎程度
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混合状态的间接判定
检测与混合物的混合状态密切相关的制品或试 样的物理、力学性能等， 样的物理、力学性能等，间接判断多组分体系 的混合状态 ——通过玻璃化转变温度判断：均匀混合体系， 通过玻璃化转变温度判断：均匀混合体系， 只有一个玻璃化转变温度 ——聚合物与填充剂混合越均匀，混合物的力学 聚合物与填充剂混合越均匀， 聚合物与填充剂混合越均匀 性能越好
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开炼机
通过两个转动的辊 筒将物料混合 工作时两个辊筒相 向旋转， 向旋转，且速度不 等，产生的剪切使 物料受到很大应力 分散 主要用于橡胶的塑 炼和混炼、 炼和混炼、塑料的 塑化和混合等
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密炼机
高强度间歇混合设 备 混合中由于剪切、 混合中由于剪切 、 挤压作用 ， 聚合物 逐步软化或塑化， 逐步软化或塑化 ， 达到一定流动性， 达到一定流动性 ， 这一过程称为 炼塑
不良溶剂
——溶剂的粘度随温度上升而下降 溶剂的粘度随温度上升而下降 ——但温度上升后聚合物分子从蜷曲状态变为舒 但温度上升后聚合物分子从蜷曲状态变为舒 展 ——溶液的粘度随温度上升而上升 溶液的粘度随温度上升而上升
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溶液的制备工艺
慢加快搅法
——将溶剂置于溶解釜内加热至一定温度 将溶剂置于溶解釜内加热至一定温度 ——在恒温和不断搅拌作用下缓慢加入固体聚合 在恒温和不断搅拌作用下缓慢加入固体聚合 物
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分散混合过程
在剪切应力作用下， 在剪切应力作用下，把配合剂团聚体的尺寸减 小到聚集之前的初始粒子的最小尺寸 固相粒子分布均化，使粒子发生位移，提高物 固相粒子分布均化，使粒子发生位移， 料的熵或无规程度、 料的熵或无规程度、随机性或均匀性 聚合物和活性填充剂之间产生力－化学作用， 聚合物和活性填充剂之间产生力－化学作用， 使填充物料形成强化结构
e-齿形转子 齿形转子 k-中空双棱转子 中空双棱转子 f-类螺带转子 类螺带转子 l-同向双棱转子 同向双棱转子 21
高速混合机
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高速混合机
塑料混合设备， 塑料混合设备，主要适用于固态和固液混合 工作时高速旋转的叶轮使物料沿叶轮切向运动， 工作时高速旋转的叶轮使物料沿叶轮切向运动， 同时由于离心力左右物料被抛向内壁 快速运动的物料粒子相互摩擦、碰撞， 快速运动的物料粒子相互摩擦、碰撞，使得团 块破碎， 块破碎，进行交叉混合 混合效率高， 混合效率高，有效经济
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混合机理——扩散 扩散 混合机理
体积扩散
——流体质点、液滴或固体粒子由系统的一个空 流体质点、 流体质点 间位置向另一空间位置的运动 ——或者两种或多种组分在相互占有的空间内发 或者两种或多种组分在相互占有的空间内发 生运动， 生运动，达到各组分的均布 ——在聚合物加工中，体积扩散占支配地位 在聚合物加工中， 在聚合物加工中
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形态结构的影响因素
内聚能密度
——内聚能密度大的聚合物，分子间作用力大，不易分 内聚能密度大的聚合物，分子间作用力大， 内聚能密度大的聚合物 散，倾向于形成分散相
制备方法
——接枝共聚－共混法的产物，分散相为较规则的球状 接枝共聚－共混法的产物， 接枝共聚 颗粒 ——熔融共混法的产物分散相的颗粒较不规则，尺寸较 熔融共混法的产物分散相的颗粒较不规则， 熔融共混法的产物分散相的颗粒较不规则 大
低温分散法
——先在溶解釜内将溶剂的温度降低到对聚合物 先在溶解釜内将溶剂的温度降低到对聚合物 失去溶解活性 ——将聚合物一次投入釜内很好的分散在溶剂中 将聚合物一次投入釜内很好的分散在溶剂中 ——在不断搅拌下将温度升高到溶剂具有溶化聚 在不断搅拌下将温度升高到溶剂具有溶化聚 合物的活性
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聚合物共混的目的
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混合过程来自百度文库要素
挤压：物料在承受剪切前先经受压缩， 挤压：物料在承受剪切前先经受压缩，使物料 密度提高， 密度提高，可提高剪切应力和效率 拉伸：使物料产生变形，减少料层厚度，增加 拉伸：使物料产生变形，减少料层厚度， 界面， 界面，有利于混合 聚集： 聚集：已破碎的分散相在热运动和微粒间相互 吸引力的作用下，重新聚集在一起， 吸引力的作用下，重新聚集在一起，混合的逆 过程
4
混合过程的要素
P
S S S
A B
A B
A B
A B
D
A B
A B
5
混合过程的要素——剪切 剪切 混合过程的要素
剪切的作用是把高粘度分散相的粒子或凝聚体 分散于其他分散介质中 高分子材料在挤出机内的混合主要靠剪切来完 成 剪切的混合效果与剪切力的大小和力的作用距 离有关
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混合过程的要素——分流、合并和置换 分流、 混合过程的要素 分流
利用器壁， 利用器壁，对 流动进行分流 在流体的流道 中设置突起状 或隔板式的剪 切片， 切片，进行分 流
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混合过程的要素——分流、合并和置换 分流、 混合过程的要素 分流
分流后经置换再合并时， 分流后经置换再合并时，希望在分流后相邻流 束合并时尽可能离的远，而分流后相距较远的 束合并时尽可能离的远， 流束合并时尽可能近些
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混合机理——扩散 扩散 混合机理
涡流扩散
——在聚合物加工中，物料运动速度达不到紊流 在聚合物加工中， 在聚合物加工中 ——要实现紊流必须对聚合物施加极高的剪切速 要实现紊流必须对聚合物施加极高的剪切速 率，但是会造成聚合物的降解 ——聚合物体系粘度高，很少发生涡流扩散 聚合物体系粘度高， 聚合物体系粘度高
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混合物料的状态
液体与液体混合
——参与混合的是低粘度液体、中间体或非聚合 参与混合的是低粘度液体、
物添加剂：流体内产生的紊流扩散机理 物添加剂：
——参与混合的是高粘度聚合物熔体：混合体积 参与混合的是高粘度聚合物熔体： 扩散
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混合物料的状态
固体与液体混合
——液态添加剂与固态聚合物的掺混，而不把固 液态添加剂与固态聚合物的掺混， 液态添加剂与固态聚合物的掺混 态转变为液态 ——将固态添加剂混到熔态聚合物中，而固态添 将固态添加剂混到熔态聚合物中， 将固态添加剂混到熔态聚合物中 加剂的熔点在混合温度上
第五章 高分子材料混合与制备
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混合机理——扩散 扩散 混合机理
分子扩散
——在气体和低粘度液体中占支配地位 在气体和低粘度液体中占支配地位 ——是由浓度梯度驱使，自发的发生的一种过程 是由浓度梯度驱使， 是由浓度梯度驱使 ——各组分的微粒子由浓度较大的区域迁移到浓 各组分的微粒子由浓度较大的区域迁移到浓 度较小的区域， 度较小的区域，达到各处组分的均化
容性
两相之间的粘接性质与界面层的类型有关
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形态结构的影响因素
相容性
——是聚合物能否获得均匀混合的主要影响因素 是聚合物能否获得均匀混合的主要影响因素
配比
——一般含量多的组分易形成连续相，含量少的组分易 一般含量多的组分易形成连续相， 一般含量多的组分易形成连续相 形成分散相
粘度
——粘度小的组分易形成连续相 粘度小的组分易形成连续相 ——两聚合物熔体粘度相近时易获得分散均匀的共混物 两聚合物熔体粘度相近时易获得分散均匀的共混物
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共混物制备方法
干粉共混法
——将两种或两种以上不同类型聚合物在非加热熔融 将两种或两种以上不同类型聚合物在非加热熔融 设备中混合 ——设备简单，操作容易，大分子受机械破坏程度小 设备简单， 设备简单 操作容易，
熔融共混法
——将聚合物各组分在软化或熔融流动状态下用各种 将聚合物各组分在软化或熔融流动状态下用各种 混炼设备加以混合成为共混物熔体，经冷却、 混炼设备加以混合成为共混物熔体，经冷却、粉碎 或粒化后成型 ——要求聚合物各组分易熔融，并且在混炼温度下熔 要求聚合物各组分易熔融， 要求聚合物各组分易熔融 体粘度相近， 体粘度相近，模量也相差不大
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共混物的形态结构
两相互锁或交错结构
——每一组分都没有形成贯穿整个体系的连续相 每一组分都没有形成贯穿整个体系的连续相 ——以嵌段共聚物为主要成份的聚合物共混物容 以嵌段共聚物为主要成份的聚合物共混物容 易形成这种结构
两连续相结构
——两种聚合物网络相互贯穿，使得整个体系成 两种聚合物网络相互贯穿， 两种聚合物网络相互贯穿 为交织网络， 为交织网络，两个相都是连续相 ——典型例子是互穿聚合物网络 典型例子是互穿聚合物网络(IPNs) 典型例子是互穿聚合物网络
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共混物的界面
热力学不相容的两聚合物在共混过程中， 热力学不相容的两聚合物在共混过程中，由于两 种聚合物大分子链段之间的相互扩散， 种聚合物大分子链段之间的相互扩散，在共混物 的相界面上形成过渡层， 的相界面上形成过渡层，即界面层 界面层的结构及两聚合物之间的粘结强度对共混 物的性质和机械强度有很大影响 界面层的厚度主要取决于两种聚合物的热力学相
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混合的类型
非分散混合：在混合中仅增加粒子在混合物中 非分散混合：
空间分布均匀性而不减小粒子初始尺寸的过程
分散混合：混合过程中发生粒子尺寸减小到极 分散混合：
限值， 限值，同时增加相界面和提高混合物组分均匀 性的混合过程
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分散混合过程
把较大的配合剂团聚体破碎成适合混合的较小 粒子 在剪切热和传导热的作用下，使聚合物熔融塑 在剪切热和传导热的作用下， 化，降低聚合物的粘度 粉状或液状的较小粒子组分克服聚合物的内聚 能，渗入聚合物内
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Z型捏合机 型捏合机
适用于固态 和固液物料 可通过夹套 加热或冷却 可在真空或 惰性气体封 闭条件下工 作
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a-Z形转子 形转子
g-导向双螺棱 导向双螺棱 转子
b-单螺棱转子 单螺棱转子
h-X形转子 形转子
c-爪形转子 爪形转子
i-刀片形转子 刀片形转子
d-双棱转子 双棱转子
j-三棱转子 三棱转子
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共混物的形态结构
均相体系
——两种或两种以上的聚合物混合后形成的均一 两种或两种以上的聚合物混合后形成的均一 的、不分相的体系 ——热力学相容的共混体系 热力学相容的共混体系
单相连续体系
——聚合物共混物中的两个相或多个相中只有一 聚合物共混物中的两个相或多个相中只有一 个是连续相， 个是连续相，称为分散介质 ——其他的相分散在连续相中，称为分散相 其他的相分散在连续相中， 其他的相分散在连续相中 ——分散相的形状、大小及连续相结合情况的不 分散相的形状、 分散相的形状 同可以呈现不同状态
利用各聚合物组分优点，取长补短，得到综合性能 利用各聚合物组分优点，取长补短， 优异的聚合物材料 少量某聚合物作为另一聚合物的改性剂， 少量某聚合物作为另一聚合物的改性剂，获得显著 改性效果 通过共混改善聚合物的加工性能 通过共混使聚合物获得一些特殊性能， 通过共混使聚合物获得一些特殊性能，制备新型聚 合物材料 在不影响使用要求条件下， 在不影响使用要求条件下，降低原材料的成本
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剪切应力的影响因素
剪切应力大小与粒子或结块尺寸有关 物料粘度大， 物料粘度大，局部剪切应力大 温度越高，粘度越低， 温度越高，粘度越低，希望在较低的温度下进 行分散混合 加大混合机的转速可提高剪切速度， 加大混合机的转速可提高剪切速度，增加分散 能力
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混合物料的状态
固体与固体混合
——先于熔体混合 先于熔体混合 ——先于成型 先于成型 ——混合机理为体积扩散 混合机理为体积扩散 ——无规分布性混合 无规分布性混合
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挤出机的螺杆
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行星螺杆挤出机的机筒和螺杆
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溶剂的选择
对聚合物有较好的溶解能力 ——根据聚合物和溶剂两种溶度参数相近的法则 根据聚合物和溶剂两种 进行选择 无色、无臭、无毒、不燃、 无色、无臭、无毒、不燃、化学稳定性好 沸点低， 沸点低，在加工中易挥发 成本低
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聚合物的溶解
良溶剂
——溶剂的粘度随温度上升而下降 溶剂的粘度随温度上升而下降 ——溶液的粘度随温度上升而下降 溶液的粘度随温度上升而下降
过程
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单螺杆混合挤出机
主要用来挤出造粒、 主要用来挤出造粒、成型板等 剪切力较小，分散强度较弱，分布能力有限， 剪切力较小，分散强度较弱，分布能力有限， 难以完成要求较高的混合任务
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双螺杆挤出机
极为有效的混合设 备，可以将聚合物 及各种添加剂熔融、 及各种添加剂熔融、 混合、塑化，定量、 混合、塑化，定量、 定压、 定压、定温的从口 模挤出