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1、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2015.06.08,3.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)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：
2、不相容；OPE为极性分子，PS为非极性塑料,第一章: 混合与混炼,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。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
3、? 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。,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。 开炼机塑炼，温度越低，塑炼效果越好（通常胶温在4555以下）； 随着时间的延长，胶料温度升高，机械塑炼效果下降； 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； 辊筒速比越大，对胶料剪切作用越大，塑炼效果越好； 装胶量过大，堆积胶过多，塑炼效果差；
4、 塑解剂起化学增塑作用，提高塑炼效果。,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。 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； 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； 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； 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； 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。,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
5、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。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?橡胶的
6、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1:1.11:1.27。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1820rpm。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
7、体系，可适当提高混炼温度。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,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=0.480.75 ；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=150160oC；加入硫化剂体系，T120oC ；,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?,第一章: 混合与混炼,14. 请设计下
8、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48mm，堆积胶含量合适；辊温通过冷却水控制在5060；加硫黄之间一定要开冷却水；辊速控制在1618r/min；速比为1:1.11:1.2；混炼时间不可过长，否则易造成胶料过炼。,第一章: 混合与混炼,挤出成型-熔体输送
9、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，不装机头时聚合物的输出量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,单头螺纹，螺距S即为导程 t,挤出成型-熔体输送理论,（2）此时考虑漏流QL,漏流与正流流量的比值,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
10、量段长L3=1m ，单头螺纹；求：假如螺杆转速为10r/min，不装机头时聚合物的输出量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5MPa时的漏流与正流流量的比值。,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，哪一种搭配形式机头压力降最小，哪一种最大？,机头阻力越大，Q越小；螺槽越深， Q随P的增加下降的越快,因此：深螺槽与低阻力机头的流率高,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,截流比,Vbz
11、,Vbx,y=h3时，Vx= -Vbx,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=2h3/3，螺棱顶部 y=h3处物料质点运动速度的方向。分析螺槽中在0yh3范围内是否有熔体滞留层。,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 、 0， 的物理意义。,：熔融速率系数：熔融速率，表示单位时间单位螺槽长度上的熔化量0：初始熔融速率：熔化系数，表示熔融区起始点处的熔融速率0与单位螺槽深度的质量流率之比,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
12、的间隙时，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。,Vbx: 机筒表面运动速度在x方向上的分量,挤出成型-熔融理论,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。,机筒温度TbTb ZT ，有利于熔融Tb ZT ，不利于熔融,以等深螺槽为例：,（2）螺杆温度Ts,Ts ZT , 有利于熔融,（3）转速 n,7.普通螺杆在结构上为何分段，分段的根据是什么？,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,螺杆挤出机在生产过程中要完成如下三个职能：,各个不同职能
13、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-熔融理论,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。 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
14、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。 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-双螺杆挤出机,10. 双螺杆挤出机有同向、异向转动之分
15、，若分别加工不同产品： 用于共混造粒； 用于异型材成型。 请选择双螺杆的类型，并陈述理由。,异型材：横向截面为非圆形、环形的连续型材，被称为异型材。,选择同向双螺杆挤出机用于共混造粒。 物料走的路径长，每通过一次啮合区就发生一次交换和重新排列，加上同向双螺杆中没有明显的低剪切应力区，这就使均匀塑化和良好混合成为可能；与异向双螺杆挤出机相比，同向双螺杆挤出机的螺杆转数较高，也有利于使物料受到比异向双螺杆高的剪切，这对于物料充分熔融是十分有利的。 选择异向双螺杆挤出机用于异型材成型。 异向双螺杆挤出机正位移输送力强，输送效率高；混合作用差；用于固体输送和熔体输送。,压延成型,3. 用三辊压延机和四
16、辊压延机压出片材，在温度相同的情况下，哪种压延机压出片材的尺寸好控制？为什么？,在温度相同的情况下，四辊压延机压出片材的尺寸好控制。 四辊压延机对物料的压延作业比三辊压延机多了一次，胶片的收缩率比三辊压延机压出的片材小，断面的厚度精度较高，尺寸好控制。,压延成型,4. 今有一种接近牛顿型流体的高分子材料在辊筒上加工，如操作条件参数2=0.1， 试计算在辊筒间隙流道内所给位置点的速度分布，并讨论其物理意义。钳住区的位置点： x=; x= 0; x= -2 x= -4.8。,压延成型,5. 设辊筒半径R=0.1m，长度L=1m，辊距为0.2mm，辊筒表面线速度v=0.4m/s，操作条件参数2=0.
17、1 。某一接近牛顿型流体的物料粘度 = 103Pas，压出薄片的厚度为0.218mm。如物料密度为1000kg/m3 ，比热容为2.09*10 3 J/(kg K)。试求物料在加工过程中的最大压力pmax，辊筒的横压力F，驱动功率N，物料与辊筒之间没有热传递条件下，物料的平均温升T？,压延成型,6. 何谓压延效应？产生的原因及减小的方法有哪些？,压延效应：在压延的片材半成品中，有时会出现一种纵、横方向物理力学性能差异的现象，即沿片材纵方向（沿着压延方向）的拉伸强度大、伸长率小、收缩率大；而沿片材横方向（垂直于压延方向）的拉伸强度小、伸长率大、收缩率小。这种纵横方向性能差异的现象就叫做压延效应。
18、 产生原因：高分子及针状或片状的填料粒子，经压延后产生了取向排列。 减小方法： 避免使用针状或片状的填料粒子； 对于高分子链取向产生的压延效应，是因为分子链取向后不易恢复到原来的自由状态。因此，可以采用提高温度、增加分子链的活动能量的方法来解决。,压延成型,7. 何谓横压力？对压延制品的质量有何影响？在生产上采取哪些措施确保压延制品的尺寸精确？,横压力：进入钳住区的物料，对辊筒有一个横向压力作用。辊筒所受的横压力F，就是辊筒从加料处到出料处的各点压力的总和。 影响：如横压力过大，则会压坏安全垫片，使辊筒弯曲甚至破裂，影响压延制品沿辊筒轴向厚度的均一性，其横向断面会中间厚，两端薄，无法达到精度要求。 生产上采取措施： 中高度补偿法； 轴交叉法； 预应力法。,Thank you!,
