高分子材料加工工藝

1、高分子材料加工工藝第五章高分子材料的混合與制備教學(xué)目的：學(xué)習(xí)并掌握高分子材料成型前準(zhǔn)備工藝的原因，高分子材料的混合與分散理論，常見混合設(shè)備及分類，橡膠的塑煉和混煉，塑料的混合與塑化，及聚合物溶液、分散體和膠乳的配制。重點(diǎn)內(nèi)容：粘性流體混合要素，非分散混合和分散混合的差異，橡膠塑煉目的。難點(diǎn)內(nèi)容：混合狀態(tài)的判定方法及應(yīng)用，橡膠的塑煉機(jī)理及混煉膠特點(diǎn)。熟悉內(nèi)容：各種混合設(shè)備的特點(diǎn)及使用場(chǎng)合。主要英文詞匯：mixture混合dispersion分散shear剪切openmill,mill開煉機(jī)internalmixter密閉式煉膠機(jī)mastication塑煉（又稱素?zé)挘﹎ixing混煉latex,r

2、ubberlatex膠乳參考教材或資料：1、 高分子材料成型加工，周達(dá)飛，唐頌超主編，中國(guó)輕工業(yè)出版社，2005年第2版。2、 橡膠及塑料加工工藝，張海，趙素合主編，化學(xué)工業(yè)出版社，1997年第1版。3、 高分子材料加工工藝講義，青島科技大學(xué)印刷廠，2000年。高分子材料是以高分子化合物為主體，加上其它填加劑組成的多相復(fù)合體系。對(duì)絕大部分高分子材料而言，都不是單獨(dú)使用高分子化合物。加入其他物料的目的：1、改善高分子材料制品的使用性能；2、改善成型工藝性能；3、降低成本。高分子材料成型加工前的準(zhǔn)備工藝：由于高分子材料由多種組分組成，因此在成型前必須要將各種組分相互混合，制成合適形態(tài)的物料再進(jìn)行成

3、型加工，這一過(guò)程就稱為混合，又稱為配料，實(shí)施上是成型加工前的準(zhǔn)備工藝。為何需要在成型前進(jìn)行準(zhǔn)備？1、不同的高分子材料成型工藝，對(duì)原料高分子材料形態(tài)有不同的要求。生產(chǎn)橡膠制品：先要按配方把生膠和配合劑混合均勻，制成混煉膠、片狀膠條等。制成粉料、 粒料、生產(chǎn)塑料制品：先要按配方把樹脂和配合劑混合均勻，片狀、溶液或糊狀分散體等。然后再將混煉膠、粉料、粒料、溶液或分散體制成所需要的幾何形狀。這些物料的配制工藝過(guò)程實(shí)際上是橡膠塑料制品成型前的準(zhǔn)備工藝。合成纖維成型前的準(zhǔn)備工藝比較簡(jiǎn)單，但溶液紡絲也要配制聚合物溶液。2、各種配合劑需要進(jìn)行預(yù)處理3、聚合物原料在運(yùn)輸、貯存過(guò)程中會(huì)造成性質(zhì)變劣或混入雜質(zhì)，需要

4、在成型前進(jìn)行預(yù)處理4、聚合物與不同的配合劑需要在成型前進(jìn)行有效地混合5、成型加工的物料必須經(jīng)過(guò)精確計(jì)量高分子材料的性能和形狀可以是干差萬(wàn)別，成型工藝各不相同，但成型前的準(zhǔn)備工藝基本相同，關(guān)鍵是靠混合來(lái)形成均勻的混合物，只有把高分子材料各級(jí)分相互混在一起成為均勻的體系，生產(chǎn)出合格的混煉膠和各種形態(tài)的塑料才有可能得到合格的橡膠制品和塑料制品。第一節(jié)混合與分散理論一、混合機(jī)理混合的定義：混合是一種操作，是一個(gè)過(guò)程，是一種趨向于減少混合物非均勻性的操作，是在整個(gè)系統(tǒng)的全部體積內(nèi)各組分在其基本單元沒有本質(zhì)變化的情況下的細(xì)化和分布過(guò)程。1、擴(kuò)散混合中組分非均勻性的減少和組分的細(xì)化是通過(guò)各組分的物理運(yùn)動(dòng)來(lái)完

5、成的。按照Erodkey混合理論，混合涉及到三種擴(kuò)散的基本運(yùn)動(dòng)形式，即分子擴(kuò)散、渦流擴(kuò)散和體積擴(kuò)散。（1）分子擴(kuò)散。是由濃度梯度驅(qū)使自發(fā)地發(fā)生的一種過(guò)程，各組分的微粒子由濃度較大的區(qū)域遷移到濃度較小的區(qū)域，從而達(dá)到各處組分的均化。分子擴(kuò)散在氣體和低粘度液體中占支配地位。在氣體與氣體之間的混合，分子擴(kuò)散能較快地、自發(fā)地進(jìn)行。在液體與液體或液體與固體間的混合，分子擴(kuò)散作用也較顯著（雖然比氣相擴(kuò)散慢得多）。但在固體與固體間，分子擴(kuò)散極慢，因此聚合物熔體與熔體的混合不是靠分子擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但若參與混合的組分之一是低分子物（如抗氧劑、發(fā)泡劑、顏料等），則分子擴(kuò)散可能也是一個(gè)重要因素。（用課件插圖，加入了

6、高粘度高分子熔體的擴(kuò)散與分散）（2）渦流擴(kuò)散，即素流擴(kuò)散。在化工過(guò)程中，流體的混合一般是靠系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生紊流來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但在聚合物加工中，由于物料的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)不到紊流，而且粘度又高，故很少發(fā)生渦流分散。要實(shí)現(xiàn)紊流，熔體的流速要很高，勢(shì)必要對(duì)聚合物施加極高的剪切速率，但這是有害的，會(huì)造成聚合物的降解，因而是不允許的。（3）體積擴(kuò)散，即對(duì)流混合。是指流體質(zhì)點(diǎn)、液滴或固體粒子由系統(tǒng)的一個(gè)空間位置向另一空間位置的運(yùn)動(dòng)，兩種或多種組分在相互占有的空間內(nèi)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，以期達(dá)到各組分的均勻分布。在聚合物加工中，這種混合占支配地位。對(duì)流混合通過(guò)兩種機(jī)理發(fā)生：一種叫體積對(duì)流混合，通過(guò)塞流對(duì)物料進(jìn)行體積重新排列，而不需要物

7、料連續(xù)變形，這種重復(fù)的重新排列可以是無(wú)規(guī)的，也可以是有序的。（可發(fā)生在固體3物料間，或液體物料問(wèn)）另一種叫層流對(duì)流混合，層流對(duì)流混合是通過(guò)層流而使物料變形，它發(fā)生在熔體之間的混合，在固體粒子之間的混合不會(huì)發(fā)生層流混合。層流混合中，物料要受到剪切、伸長(zhǎng)（拉伸）和擠壓（捏合）。2、混合過(guò)程要素混合的目的：就是使原來(lái)兩種或兩種以上各自均勻分散的物料從一種物料按照可接受的概率分布到另一種物料中去，以便得到組成均勻的混合物。然而，在沒有分子擴(kuò)散和分子運(yùn)動(dòng)的情況下，為了達(dá)到所需的概率分布，混合問(wèn)題就變?yōu)橐环N物料發(fā)生形變和重新分布的問(wèn)題，而且如果最終物料顆粒之間不是互相孤立的，分散的顆粒就有一種凝聚的趨勢(shì)。

8、因此，要混合分散得好，必須要有外加的作用力（剪切力）來(lái)克服顆粒分散后所發(fā)生的凝聚。物料分散的關(guān)鍵：是需要外加的作用力（主要是剪切力），使物料發(fā)生形變和重新分布，并克服顆粒凝聚。粘性流體的混合要素：剪切、分流和位置交換。按分散體系的流變特性，混煉操作可分為：攪拌、混合和混煉。混煉的三要素：壓縮、剪切和分配置換，整個(gè)混煉分散操作是由這三要素多方面反復(fù)地進(jìn)行完成的。壓給分配置帙麒動(dòng)撞覺椎拌-»-r娶混合要飄動(dòng)較易濕房,_城料重*流動(dòng)性各的村斜/旗壓用要甫發(fā)枯.軾鞋現(xiàn)象D混煉三要素P-壓縮；S-W切；D-置換混煉三要素的關(guān)系：“分布”由“置換”來(lái)完成剪切”為進(jìn)行“置換”起輔助作用;壓縮”則是

9、提高物料的密度，為提高“剪切”作用速率而起輔助作用。分散混合過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，在一定的剪切應(yīng)力場(chǎng)作用下，分能相不斷破碎，在分子熱運(yùn)動(dòng)下又重新集聚，達(dá)到平衡后，分散相才將到該條件下的平衡粒徑。分散過(guò)程示意圖在聚合物混合過(guò)程中，混合機(jī)理：包括“剪切”“分流、合并和置換”、“擠£(壓縮)”拉伸“集聚”諸作用，而這些作用并非在每一混合過(guò)程中等程度地出現(xiàn)，它們的出現(xiàn)及其占有的地位因混合最終目的、物料的狀態(tài)、溫度、壓力、速度等的不同而不同。(1)剪切。剪切在高粘度分散相的混煉操作中是最重要的，也是“分散混煉三要素”中最重要的剪切有介于兩塊平行板問(wèn)的物料由于板的平行運(yùn)動(dòng)而使物料內(nèi)部產(chǎn)生永久變

10、形的“粘性剪切：也有刀具切割物料的“分割剪切”，也有由以上兩種剪切合成的如石磨磨碎東西時(shí)的“磨碎剪切”。剪切的作用是把高粘度分散相的粒子或凝聚體分散于其他分散介質(zhì)中高分子材料在擠出機(jī)內(nèi)的混合過(guò)程主要是靠剪切作用來(lái)達(dá)到的，螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)物料在螺槽和料筒間所受到的剪切作用，可以設(shè)想為在二個(gè)無(wú)限長(zhǎng)的平行板之間進(jìn)行。3)(c)在兩個(gè)無(wú)限長(zhǎng)的平行板間流體和粒子之間剪切混合示意圖（黑色方塊代表粒子）利用剪切力的混合作用，特別適用于塑性物料、因?yàn)樗苄晕锪系恼扯却?，流?dòng)性差，又不能粉碎以增加分散程度。應(yīng)用剪切作用時(shí)，由于兩個(gè)剪切力的距離一股總是很小的，因此物料在變形過(guò)程中，就能很均勻地被分散在整個(gè)物料中。提高剪切

11、混合效果的因素：提高剪切速率，混合效果提高；改變剪切方向，混合效果提高。在混合過(guò)程中，水平方向的作用力僅使物料在自身的平面（層）流動(dòng)；如果作用力F與平面具有一定角度，則在垂直方向產(chǎn)生分力，則能造成層與層間的物料流動(dòng)，從而大大增強(qiáng)了混合效果。故在生產(chǎn)中最好能不斷作90度角度的改變，即使物料能連續(xù)承受互為90度角度的兩個(gè)方向剪切力的交替作用，以提高混合效果。通常在物料混煉中，主要不是直接改變剪切力的方向，而是變換物料的受力位置來(lái)達(dá)到這一日的。例如在雙輾開煉機(jī)混煉時(shí)，就是通過(guò)機(jī)械或人力翻動(dòng)的辦法來(lái)不斷改變物料的受力位置，從而更快更好地完成混合。(2)分流、合并和置換。利用器壁，對(duì)流動(dòng)進(jìn)行分流，即在流

12、體的流道中設(shè)置突起狀或隔板狀的剪切片，進(jìn)行分流。分流后，有的在流動(dòng)下游再合并為原狀態(tài)，有的在各分流束內(nèi)引起循環(huán)流動(dòng)后再合并，有的在各分流束進(jìn)行相對(duì)位置交換(置換)后再合并，還有以上幾種過(guò)程一起作用的情況。(3)擠壓(壓縮)。如果物料在承受剪切前先經(jīng)受壓縮，使物料密度提高，這樣剪切時(shí)剪應(yīng)力作用大，可提高剪切效率。而且當(dāng)物料被壓縮時(shí)，物料內(nèi)部會(huì)發(fā)生流動(dòng)，產(chǎn)生由于壓縮引起的流動(dòng)剪切。這種壓縮作用發(fā)生在密煉機(jī)的轉(zhuǎn)子突棱側(cè)壁和室壁之間，也發(fā)生在兩輾開煉機(jī)的兩個(gè)輾隙之間。在擠出機(jī)中，由于螺槽由加料段到均化段,一了乙丁，曲同字勺固體物料進(jìn)行了壓縮，該壓縮有利于固體q子傳套展,也雷利以禰屋到剪切。T所里內(nèi)部的

13、舅切擠壓(壓縮)(4)拉伸。拉伸可以使物料產(chǎn)生變形，減少料層厚度，增加界面，有利于混合。(5)聚集。已破碎的分散相在熱運(yùn)動(dòng)和微粒間相互吸引力的作用下，重新聚集在一起。對(duì)分散的粒度和分布來(lái)說(shuō)，這是混合的逆過(guò)程。二、混合的分類1、按混合形式分類在制備混合物時(shí)，通常有兩個(gè)基本的過(guò)程分散和混合?；旌鲜菍煞N組分相互分布在各自所占的空間中，即使兩種或多種組分所占空間的最初分布情況發(fā)生變化。分散是指混合中一種或多種組分的物理特性發(fā)生了一些內(nèi)部變化的過(guò)程，如顆粒尺寸減少或溶于其他組分中?；旌峡煞譃榉欠稚⒒旌虾头稚⒒旌?。(1)非分散混合。在混合中僅增加粒子在混合物中分布均勻性而不減小粒子初始尺寸的過(guò)程稱為非分

14、散混合或簡(jiǎn)單混合。這種混合的運(yùn)動(dòng)基本形式是通過(guò)對(duì)流來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可通過(guò)包括塞形流動(dòng)和不需要物料連續(xù)變形的簡(jiǎn)單體積排列和置換來(lái)達(dá)到。它又分為分布性混合和層狀混合。分布性混合主要發(fā)生在固體與固體、固體與液體、液體與液體之間；層狀混合發(fā)生在液體與液體之間。(2)分散混合。是指在混合過(guò)程中發(fā)生粒子尺寸減小到極限值，同時(shí)增加相9界面和提高混合物組分均勻性的混合過(guò)程。在聚合物加工中，有時(shí)要遇到將呈現(xiàn)出屈服點(diǎn)的物料混合在一起的情況，如將固體顆?；蚪Y(jié)塊的物料加到聚合物中。例如填充或染色，以及將粘彈性聚合物液滴混合到聚合物熔體中，這時(shí)要將它們分散開來(lái)，使結(jié)塊和液滴破裂。分散混合的目的是把少數(shù)組分的固體顆粒和液滿分散

15、開來(lái)，成為最終粒子或允許的更小顆?；蛞旱危⒕鶆虻胤植嫉蕉嘟M分中，這就涉及少組分在變形粘性流體中的破裂問(wèn)題，這是靠強(qiáng)迫混合物通過(guò)窄間隙而形成的高剪切區(qū)來(lái)完成的。分散混合時(shí)，主要機(jī)械現(xiàn)象和流變現(xiàn)象示意圖13I-使聚合物和配合劑粉碎II-使粉末狀和粒狀配合劑滲入聚合物內(nèi)III-分散IV-分布均化1-聚合物；2、3-任何粒狀和粉狀固體添加劑 匚非分散混合和分散混合a-非分散混合b-分散混合分散混合過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，可以發(fā)生各種物理-機(jī)械和化學(xué)的作用：1）把較大的配合劑團(tuán)聚體和聚合物團(tuán)塊破碎為適合于混合的較小粒子；2）在剪切熱和傳導(dǎo)熱的作用下，使聚合物熔融塑化，降低聚合物相的粘度；3）粉狀或液狀的

16、較小粒子組分克服聚合物的內(nèi)聚能，滲入到聚合物內(nèi)；4）使較小粒子組分分散，即在剪應(yīng)力的作用下，把配合劑聚集體或團(tuán)聚體的尺寸減小到形成聚集體之前初始粒子的最小尺寸；5）固相最終粒子分布均化，使粒子發(fā)生位移，或均勻性；從而提高物料的熵或無(wú)規(guī)程度、隨機(jī)性或均勻性；6）聚合物和活性填充劑之間產(chǎn)生力-化學(xué)作用，使填充物料形成強(qiáng)化結(jié)構(gòu)。炭黑與橡膠的混合可以作為分散混合的一例。初始的炭黑團(tuán)聚體在變形應(yīng)力的作用下被粉碎成微觀大小的或膠體大小的粒子，增加其總的表面積和與橡膠接觸的表面積，從而達(dá)到增加膠料的均勻性的目的。在討論分散混合時(shí)，主要討論固相在液相熔體中的分散，把液相視作層流混合，把液相的粘性拖曳對(duì)固相施加

17、的力視作剪切力。對(duì)固體結(jié)塊來(lái)說(shuō)，當(dāng)剪切對(duì)其形成的粘性拖曳在結(jié)塊內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)某個(gè)臨界值時(shí)，結(jié)塊就破裂。而固體結(jié)塊是由很多更小的微?？克鼈冎g的互相作用力（粘附力、內(nèi)聚力、靜電吸引力等）而聚集在一起的。這種相互作用力有一定的作用半徑，只有這些微粒被分散得使其相互間的距離超過(guò)作用半徑，才不會(huì)重新集聚，否則被分散的微?？赡苤匦录墼谝黄?。分散混合主要是通過(guò)剪應(yīng)力起作用，為了獲得大的剪應(yīng)力，混合機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)引入高剪切區(qū)（即設(shè)置窄的間隙），保證所有固體顆粒重復(fù)地通過(guò)高剪切區(qū)。分散度取決于混合器內(nèi)最大有效剪切速率和通過(guò)次數(shù)，剪切速率越高，通過(guò)次數(shù)越多，分散越好。剪切應(yīng)力的大小與粒子或結(jié)塊的尺寸有關(guān)，分散能

18、力隨粒子或結(jié)塊的大小面變化。在混合初始，由子粒于或結(jié)塊較大，受到的剪應(yīng)力大，易于破裂，故初始分散速度將取決于大粒子或結(jié)塊的數(shù)量，而小粒子或結(jié)塊的分散速度對(duì)總的分散速度起的作用是很小的。隨著大粒子或結(jié)塊粘度的降低，小粒子或結(jié)塊對(duì)分散速度越來(lái)越起主導(dǎo)作用，但由于小粒子或結(jié)塊受的剪應(yīng)力變小，分散變得困難了，分散速度下降。而當(dāng)粒子或結(jié)塊的粘度達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí)，分散就完全停止了。剪應(yīng)力大小與物料的粘度有關(guān)，粘度大，局部剪應(yīng)力大，粒子或結(jié)塊易破裂。而粘度又與溫度有關(guān)，溫度越高，粘度越低，因此希望在較低的溫度下進(jìn)行分散混合。提高溫合機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)可以提高剪切速度，因而能增加分散能力。在間歇混合機(jī)中，提高轉(zhuǎn)速還可以

19、使物料更頻繁地通過(guò)最大剪切區(qū)，有利于分散混合。2、按物料狀態(tài)分類混合可分為固體與固體混合，液體與液體混合和液體與固體混合三種情況。（1）固體與固體混合。主要是固體聚合物與其他固體組分的混合。聚合物通常是粉狀、粒狀與片狀，而添加劑通常也是粉狀。在聚合物加工中，大多數(shù)情況下。這種混合都先于熔體混合，也先于成型。這種混合通常是無(wú)規(guī)分布性混合。(2)液體與液體混合。這種混合有兩種情況，一種是參與混合的液體是低粘度的單體，中間體或非聚合物添加劑，另一種情況是參與混合的是高粘度的聚合物熔體，這兩種情況的混合機(jī)理和動(dòng)力學(xué)是不同的。在聚合物加工中，發(fā)生在熔體之間的是層流混合。(3)固體與液體混合。有兩種形式，

20、一種是液態(tài)添加劑與固態(tài)聚合物的摻混，而不把固態(tài)轉(zhuǎn)變成液態(tài)，另一種是將固態(tài)添加劑混到熔態(tài)聚合物中，而固態(tài)添加劑的熔點(diǎn)在混合溫度之上，聚合物加工中的填充改性(加入團(tuán)態(tài)填充劑)同這種混合。在聚合物加工中，液體和液體的混合、液體與固體的混合是最主要的混合形式，聚合物共混和填充改性是典型的例子?；旌想y易程度的比較固固固固固液液液通態(tài)態(tài)態(tài)態(tài)態(tài)蕊態(tài)態(tài)態(tài)用冏液液液周箍液液粘( 態(tài)密密態(tài)態(tài)毒套盍態(tài) 用冏固固油液液液靦身相當(dāng)困般困卷相當(dāng)四雄煨易程度取決于國(guó)錦組分粒子大小易T相當(dāng)用浦相當(dāng)困難一困難易一相當(dāng)用雄易物料狀擊混合的噓易程度主亶組分添加劑混含物三、混合狀態(tài)的判定物料各組分混合是否均勻，質(zhì)量是否達(dá)到頂期的要求

21、，生產(chǎn)中混合終點(diǎn)的控制等都涉及到混合狀態(tài)的判定。為了判定混合體系內(nèi)各級(jí)分單元的均勻分布程度，必須采用合適的檢驗(yàn)規(guī)模（對(duì)比尺度）。為此應(yīng)該考慮樣品相對(duì)尺寸的大小，即使是粗混合物，如果用目測(cè)來(lái)分析，也會(huì)呈現(xiàn)為均勻狀，而用顯微鏡來(lái)分析就會(huì)呈現(xiàn)非均勻狀。在分子大小的檢驗(yàn)規(guī)模下，任何混合物都是非均勻的。因此，絕對(duì)均勻的混合物是沒有的，均勻性是與檢驗(yàn)規(guī)模有關(guān)的。1、混合狀態(tài)的直接描述法該法是直接對(duì)混合物取樣，對(duì)其混合狀態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)，觀察混合物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、各組分微粒的大小及分布情況。所用的檢測(cè)分析方法可以是視覺觀察法，聚團(tuán)計(jì)數(shù)法，光學(xué)顯微鏡法和電子顯微鏡法以及光電法。為了說(shuō)明混合物的特性，引人混合物均勻性及組

22、分粒子尺寸這兩個(gè)概念，這是兩個(gè)有著本質(zhì)不同的衡量混合效果的指標(biāo)。衡量混合效果需從物體的均勻程度和分散程度兩方面來(lái)考慮。(d)19混合物示意圖（a）、（b）粗粉碎的（c）、（d）細(xì)粉碎的（a）、（c）混合不好（b）、（d）混合較好（1）均勻程度：指混入物所占物料的比率與理論或總體比率的差異。但就是相同比率的混合情況也是十分復(fù)雜的兩組分固體粒子的混合情況應(yīng)從不同的部位取樣分析，計(jì)算統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果。平均結(jié)果越接近理論或總體比率，混合的均勻程度越好。生產(chǎn)實(shí)際中，由于混合、捏合和剪切的操作時(shí)間均很短，給分析測(cè)試帶來(lái)一定困難，較多的是憑實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)和目測(cè)。(2)分散程度。指混合體系中各個(gè)混入組分的粒子在混合

23、后的破碎程度。破碎度大，粒徑小，其分散程度就高；反之，粒徑大，破碎程度小，則分散得不好。分散程度可以用同一組分的相鄰粒子間平均距離來(lái)描述，距離越短，分散程度越好。而同一組分的相鄰粒子間距離的大小與各組分粒子的大小有關(guān)。粒子的體積越小，或在很合過(guò)程中不斷減小粒子的體積，則可達(dá)到的均勻程度就越高。從幾率的概念出發(fā)，同樣質(zhì)量或體積的試樣，粒子越小，則相當(dāng)質(zhì)量的同種粒子集中于一局部位置的可能性越小，即微觀分布越均勻。2、混合狀態(tài)的間接判定混合狀態(tài)的間接判定：是指不檢查混合物各組分的混合狀態(tài)，而檢測(cè)制品或試樣的物理性能、力學(xué)性能和化學(xué)性能等，間接地判斷多組分體系的混合狀態(tài)，因?yàn)檫@些性能往往與混合物的混合

24、狀態(tài)密切相關(guān)。聚合物共混物的玻璃化溫度與兩種聚合物組分分子級(jí)的混合均勻程度有直接關(guān)系。若兩聚合物完全達(dá)到分子級(jí)的均勻混合，呈均相體系，則只有個(gè)玻璃化溫度，而且這個(gè)玻璃化溫度值由兩組分的玻璃化溫度和各組分在共混物中所占的體積分?jǐn)?shù)所決定。如果兩組分聚合物共混體系完全沒有分子級(jí)的混合，共混物就可測(cè)得兩個(gè)玻璃化溫度，而且分別等于兩種聚合物獨(dú)立存在時(shí)的玻璃化溫度。當(dāng)兩組分聚合物有一定程度的分子級(jí)混合時(shí)，共混物雖仍有兩個(gè)玻璃化溫度，但這兩個(gè)玻璃化溫度相互靠近了，其靠近程度取決于共混物的分子級(jí)混合程度，靠近程度越大，分子級(jí)混合程度越大。因此，只要測(cè)出共混物的玻璃化溫度及其變化情況，就可推測(cè)其分子級(jí)的混合程度

25、。填充改性所得的混合物的力學(xué)性能除了與參與填充改性的聚合物種類、數(shù)量和填充劑的種類、數(shù)量以及偶聯(lián)劑的使用與否和種類等一系列因素有關(guān)外，也與填充劑與聚合物的混合狀態(tài)有關(guān)，一般聚合物與填充劑混合得超均勻，混合物的力學(xué)性能越好，因此，我們也可以通過(guò)測(cè)定混合物試樣或制品的力學(xué)性能來(lái)間接判定混合狀態(tài)。第二節(jié)混合設(shè)備混合設(shè)備是完成混合操作工序必不可少的工具，混合物的混合質(zhì)量指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（產(chǎn)量及能耗等）及其他各項(xiàng)指標(biāo)在很大程度上取決于混合設(shè)備的性能。由于混合物的種類及性質(zhì)各不相同，混合的質(zhì)量指標(biāo)也有不同，所以出現(xiàn)了各式各樣的具有不同性能特征的混合設(shè)備。、混合設(shè)備的分類混合設(shè)備根據(jù)其操作方式，一般可分為間歇

26、式和連續(xù)式兩大類；根據(jù)混合過(guò)程特征，可分為分布式和分散式兩類；根據(jù)混合物強(qiáng)度大小，又可分為高強(qiáng)度、中強(qiáng)度和低強(qiáng)度混合設(shè)備。1、間歇式和連續(xù)式間歇式混合設(shè)備的混合過(guò)程是不連續(xù)的?；旌线^(guò)程主要有三個(gè)步驟：投料、混煉、卸料，此過(guò)程結(jié)束后，再重新投料、混煉、卸料，周而復(fù)始。捏合機(jī)、開煉機(jī)等的混合操作即屬間歇式。連續(xù)式混合設(shè)備的混合過(guò)程是連續(xù)的，如單、雙螺桿擠出機(jī)和各種連續(xù)混合設(shè)備。由于是連續(xù)操作，故可提高生產(chǎn)能力，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，減少能量消耗，混合質(zhì)量穩(wěn)定，降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，尤其是配備相應(yīng)裝置后，可連續(xù)混合成型，達(dá)一方面減少了工序，另一方向又可避免聚合物性能的降低，所以連續(xù)式混合設(shè)備是目前的發(fā)展

27、趨勢(shì)。盡管連續(xù)式混合設(shè)備較之間歇式混合設(shè)備有許多優(yōu)點(diǎn)，但是，目前聚合物加工過(guò)程中的許多工序仍是間歇式的，加之間歇式混合設(shè)備發(fā)展歷史早，在操作中可隨時(shí)調(diào)整混合工藝，特別是某些間歇式混合設(shè)備具有很高的混合強(qiáng)度，因而間歇式混合設(shè)備的使用仍很廣泛。2、分布式和分散式分布混合設(shè)備主要具有使混合物中組分?jǐn)U散、位置更換、形成各組分在混合物中濃度趨于均勻的能力，即具有分布混合的能力。代表性設(shè)備有重力混合器、氣動(dòng)混合器及一般用于干混合的中、低強(qiáng)度混合器等。分布混合設(shè)備主要是通過(guò)對(duì)物料的攪動(dòng)、翻轉(zhuǎn)、推拉作用使物料中各組分發(fā)生位置更換，對(duì)于熔體則可使其產(chǎn)生大的剪切應(yīng)變和拉伸應(yīng)變，增大組分的界面面積以及配位作用等達(dá)到

28、分布混合目的。分散混合設(shè)備主要具有使混合物中組分粒度減小，即具有分散混合的能力。分散混合設(shè)備主要通過(guò)向物料施加剪切力、擠壓力而達(dá)到分散目的，如開煉機(jī)、密煉機(jī)等。分散混合能力與分布混合能力往往是混合設(shè)備同時(shí)具有的，因?yàn)槿我换旌线^(guò)程總是同時(shí)有分散與分布的要求，只是由于要求的側(cè)重點(diǎn)不同而己。3、高強(qiáng)度、中強(qiáng)度和低強(qiáng)度混合設(shè)備根據(jù)混合設(shè)備在混合過(guò)程中向混合物施加的速度、壓力、剪切力及能量損耗的大小，又可分為高強(qiáng)度、中強(qiáng)度和低強(qiáng)度混合設(shè)備。強(qiáng)度大小的區(qū)分并無(wú)嚴(yán)格的數(shù)量指標(biāo)，有些資料建議以混合單位質(zhì)量物料所耗功率來(lái)標(biāo)定混合強(qiáng)度，如對(duì)間歇式混合設(shè)備，所耗功率相同，能混合物料的批量多的混合設(shè)備定為低強(qiáng)度混合設(shè)

29、備；反之，能混合物料的批量少的混合設(shè)備則定為高強(qiáng)度混合設(shè)備。習(xí)慣上，又常以物料所受的剪切力大小或剪切變形程度來(lái)決定混合強(qiáng)度的高低。二、間歇式混合設(shè)備間歇式混合設(shè)備的種類很多，就其基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)可分為靜態(tài)混合設(shè)備、滾筒類混合設(shè)備和轉(zhuǎn)子類混合設(shè)備。靜態(tài)混合設(shè)備主要有重力混合器和氣動(dòng)混合器，這類混合器的混合室是靜止的，靠重力和氣動(dòng)力促使物料流動(dòng)混合，是溫和的低強(qiáng)度混合器，適用于大批量固態(tài)物料的分布混合。滾筒類混合設(shè)備是利用混合室的旋轉(zhuǎn)達(dá)到混合目的的，如鼓式混合機(jī)、雙錐混合機(jī)和V形混合機(jī)。滾筒類混合設(shè)備是中、低強(qiáng)度的分布混合設(shè)備，主要用于粉狀、粒狀固態(tài)物料的初混，如混色、配料和干混，也可適用于向固

30、態(tài)物料中加入少量液態(tài)添加劑的混合。轉(zhuǎn)子類混合設(shè)備是利用混合室內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件一一轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行混合的，如螺帶混合機(jī)、錐筒螺桿混合機(jī)、犁狀混合機(jī)、雙行星混合機(jī)、Z形捏合機(jī)、高速混合機(jī)等。間歇混合設(shè)備中的另外兩種最主要的設(shè)備是開煉機(jī)與密煉機(jī)，從結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，應(yīng)屬于轉(zhuǎn)子類混合器，其用途廣泛，混合強(qiáng)度很高，主要用在橡膠的塑煉與混煉、塑料的混煉、高濃度母料的制備等。在高分子材料加工過(guò)程中，間歇混合設(shè)備用得最多的是Z形捏合機(jī)、高速混合機(jī)、開煉機(jī)和密煉機(jī)。1、Z形捏合機(jī)是一種常用的物料初混裝置，適用于固態(tài)物料（非潤(rùn)性）和固液物料（潤(rùn)性）的混合。它的主要結(jié)構(gòu)部分是一個(gè)有可加熱和冷卻夾套的鞍型底部的混合室和一對(duì)Z型

31、攪拌器?；旌蠒r(shí)，物料借助于相向轉(zhuǎn)動(dòng)的一對(duì)攪拌器沿著混合室的仍壁上翻而后在混合室的中間下落，再次為攪拌器所作用。這樣，周而復(fù)始，物料得到重復(fù)折疊和撕捏作用，從而取得均勻的混合。用捏合機(jī)混合，一般需要較長(zhǎng)時(shí)間，約半小時(shí)至數(shù)小時(shí)不等。2、高速混合機(jī)高速混合機(jī)是使用極為廣泛的塑料混合設(shè)備，適用于固態(tài)混合和固液混合，更適于配制粉料。該機(jī)主要由附有加熱或冷卻夾套的圓筒形混合室和一個(gè)裝在混合室內(nèi)底部的高速轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪所組成?；旌鲜矣行锌梢源怪闭{(diào)整高度的擋板，擋板的使用是使物體運(yùn)動(dòng)呈流化狀，更有利于分散均勻。高速混合機(jī)及其工作原理1-回轉(zhuǎn)蓋2-外套3-折流板4-葉輪5-驅(qū)動(dòng)軸6-排料口7-排料氣缸8-夾套高速混合

32、機(jī)工作時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的葉輪借助表面與物料的摩擦力和側(cè)面對(duì)物料的推力沿葉輪切向運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，由于離心力的作用，物料被拋向混合室內(nèi)壁，并且沿壁面上升，當(dāng)升到一定高度后，由于重力的作用，又落回到葉輪中心，接著又被拋起。由于葉輪轉(zhuǎn)速很高，物料運(yùn)動(dòng)速度很快，快速運(yùn)動(dòng)著的粒子間相互碰控、摩擦，使得團(tuán)塊破碎，物料溫度相應(yīng)升高，同時(shí)迅速地進(jìn)行著交叉混合，這些作用促進(jìn)了組分的均勻分布和對(duì)液態(tài)添加劑的吸收。高速混合機(jī)的混合效率較高，所用時(shí)間遠(yuǎn)比捏合機(jī)短，通常一次混合時(shí)間只需8-10min。就一般配料而言，使用高速混合機(jī)是有效的相經(jīng)濟(jì)的。3、開煉機(jī)開煉機(jī)又稱雙輾煉塑機(jī)或煉膠機(jī)。它是通過(guò)兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的輾筒將物料混合或使物料達(dá)

33、到規(guī)定狀態(tài)。開煉機(jī)主要用于橡膠的塑煉和混煉，塑料的塑化和混合，填充與共混改性物的混煉，為壓延機(jī)連續(xù)供料，母料的制備等。開煉機(jī)的主要工作部分是兩個(gè)輾筒。兩個(gè)輾筒并列在一個(gè)平面上，分別以不同的轉(zhuǎn)速作向心轉(zhuǎn)動(dòng)（兩輾筒轉(zhuǎn)速略有差異，速度比為1:1.15K:1.27）,兩輾筒之間的距離可以調(diào)節(jié)。輾筒為中空結(jié)構(gòu)，其內(nèi)可通人介質(zhì)加熱或冷卻。開煉機(jī)工作時(shí)，兩個(gè)輾簡(jiǎn)相向旋轉(zhuǎn)，且速度不等。放在輾筒上的物料由于與輾簡(jiǎn)表面的摩擦和粘附作用以及物料之間的粘接力面被拉人輾隙之間，在輾隙內(nèi)物料受到強(qiáng)烈的擠壓和剪切，這種剪切使物料產(chǎn)生大的形變，從而增加了各組分之間的界面，產(chǎn)生了分布混合。該剪切也使物料受到大的應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力大于

34、物料的許用應(yīng)力對(duì)，物料就會(huì)分散開。所以提高剪切作用就能提高混合塑煉效果。影響開煉機(jī)熔融塑化和混合質(zhì)量的因素有輾簡(jiǎn)溫度的調(diào)節(jié)與控制，輾距的大小與調(diào)節(jié)，輾簡(jiǎn)速度，物料在輾隙上方的堆放量，以及物料沿輾筒軸線方向的分布與換位等。開煉機(jī)1-筒輥2-后輥3-擋板4-大齒輪傳動(dòng)5、8、12、17-機(jī)架6-刻度級(jí)7-控制螺旋桿9-轉(zhuǎn)動(dòng)軸齒輪10-加強(qiáng)桿11-基礎(chǔ)板13-安裝孔14-傳動(dòng)軸齒輪15-傳動(dòng)軸16-摩擦齒輪18-加油裝置19-安全開關(guān)箱20-緊急停車裝置4、密煉機(jī)密煉機(jī)即是密閉式塑煉機(jī)或煉膠機(jī)，是在開煉機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種高強(qiáng)度間歇混合設(shè)備。由于密煉機(jī)的混煉室是密閉的，混合過(guò)程中物科不會(huì)外泄，可避

35、免混合物中添加劑的氧化與揮發(fā)，并且較易加入液態(tài)添加劑。混煉室的密閉有效地改善了工作環(huán)境，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了生產(chǎn)周期，為自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。密煉機(jī)最早用于橡膠的混煉與塑煉，繼面又在塑料混合中得到應(yīng)用，是目前高分子材料加工中典型的混合設(shè)備之一。密煉機(jī)的主要工作部件是一對(duì)表面有螺旋形突棱的轉(zhuǎn)子和一個(gè)密煉室。兩個(gè)轉(zhuǎn)予以不同的速度相向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子在密煉室里，密煉室出室壁和上頂栓、下頂栓組成，室壁外和轉(zhuǎn)子內(nèi)部有加熱或冷卻系統(tǒng)。兩個(gè)轉(zhuǎn)子的側(cè)面頂尖以及頂尖與密煉室內(nèi)壁之間的間距都很小，因此轉(zhuǎn)子對(duì)物料施有強(qiáng)大的剪切力轉(zhuǎn)子密煉機(jī)結(jié)構(gòu)1-底座2-卸料門鎖緊裝置3-卸料裝置4-下機(jī)體5-下密煉室6-上機(jī)體

36、7-上密陳室8-轉(zhuǎn)子9-壓料裝置10-加料裝置11-翻扳門12-填科箱13-活塞14-氣缸三、連續(xù)混合設(shè)備連續(xù)混合設(shè)備主要有單螺桿擠出機(jī)、雙螺桿擠出機(jī)、行星螺桿擠出機(jī)以及由密煉機(jī)發(fā)展而成的各種連續(xù)混煉機(jī)，如FCM混煉機(jī)等。1、單螺桿擠出機(jī)單螺桿擠出機(jī)是聚合物加工中應(yīng)用最廣泛的設(shè)備之一，主要用來(lái)擠出造粒，成型板、管、絲、膜、中空制品、異型材等，也有用來(lái)完成某些混合任務(wù)。單螺桿擠出機(jī)的主要部件是螺桿和料筒。在單螺桿擠出機(jī)中，物料自加料斗加入到由口模擠出，經(jīng)歷了固體輸送、熔觸、熔體輸送、混合等區(qū)段。在固體體輸送區(qū)，不會(huì)發(fā)生固體粒子間的混合；在熔融區(qū)的因相內(nèi)各顆粒之間仍沒有相對(duì)移動(dòng)，因而也不會(huì)發(fā)生混合

37、；而在熔體輸送區(qū)，物料在前進(jìn)方向的橫截面上形成了環(huán)狀層流混合。因此在單螺桿擠出機(jī)中，只有當(dāng)物料熔融后，混合才得以進(jìn)行。雖然單螺桿擠出機(jī)具有一定的混合能力，在一定程度上能完成一定范圍的混合任務(wù)，但出于單螺桿擠出機(jī)剪切力較小，分散強(qiáng)度較弱，同時(shí)分布能力也有限，因而不能用來(lái)有效地完成要求較高的混合任務(wù)。為了改進(jìn)混合性能，在螺桿和機(jī)筒結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，如在螺桿上加上混合元件和剪切元件，形成各種屏障型螺桿、分離型螺桿、銷釘型螺桿及各種專門結(jié)構(gòu)的混煉螺桿。有些在機(jī)筒上采用了增強(qiáng)混合性能的結(jié)構(gòu)，如機(jī)筒銷釘結(jié)構(gòu)等。也有在螺桿和機(jī)頭之間設(shè)置靜態(tài)混合器，以增強(qiáng)分布混合。采用這些措施，單螺桿擠出機(jī)已廣泛用于共混改性、

38、填充改性及反應(yīng)加工等方面。2、雙螺桿擠出機(jī)雙螺桿擠出機(jī)是極為有效的混合設(shè)備，可用作粉狀PVC料的熔融混合、填充改性、纖維增強(qiáng)改性、共混改性以及反應(yīng)性擠出等。雙螺桿擠出機(jī)的其作用主要是將聚合物及各種添加劑熔融、混合、塑化、定量、定壓、定溫地由口模擠出。雙螺桿擠出機(jī)的種類很多，主要有嚙合異向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)，廣泛應(yīng)用于擠出成型和配料造粒等；嚙合同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿擠出機(jī)，主要應(yīng)用于聚合物的物理改性-共混、填充和纖維增強(qiáng)等；非嚙合（相切）型雙螺桿擠出機(jī)，用于反應(yīng)擠出、著色、玻璃纖維增強(qiáng)等。3、行星螺桿擠出機(jī)這是一種應(yīng)用越來(lái)越廣泛的混煉機(jī)械，特別適于加工聚氯乙烯，如作為壓延機(jī)的供料裝置，其具有混煉和塑化雙重

39、作用。該擠出機(jī)有兩根結(jié)構(gòu)不同、作用各異、串聯(lián)在一起的螺桿。第一根為常規(guī)螺桿，起供料作用；第二根為行星螺桿，起混煉、塑化作用；末端呈齒輪狀，螺桿套簡(jiǎn)上有特殊螺旋齒。在螺桿和套簡(jiǎn)的齒間嵌入12只帶有螺旋齒的特殊幾何形狀行星式齒柱，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，這些齒柱既能自轉(zhuǎn)，又能圍繞螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)物料通過(guò)嚙合的齒側(cè)間隙時(shí)，形成0.20.4mm的薄層，具表面不斷更新，這非常有利于塑化熔融。行星螺桿擠出機(jī)(a)整體示意圖(b)A-A截面(c)擠出系統(tǒng)剖示4、FCM連續(xù)混煉機(jī)FCM(FarrelContinuousMixer)連續(xù)混煉機(jī)既保持了密煉機(jī)的優(yōu)異混合特性，又使其轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)工作。其萬(wàn)能性較好，可在很寬的范圍內(nèi)完

40、成混合任務(wù)，可用于各種類型的塑料利橡膠的混合。FCM的外形很像雙螺仟擠出機(jī)，但喂料、混煉和卸料的方式與擠出機(jī)不同。在內(nèi)部有兩根并排的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子的上作部分由加料段、混煉段和排料段組成，兩根轉(zhuǎn)子作相向運(yùn)動(dòng)，但速度不同。加料段很像異向旋轉(zhuǎn)相切型雙螺桿擠出機(jī)，在分開的機(jī)筒孔中間轉(zhuǎn)，混煉段的形狀很像密煉機(jī)轉(zhuǎn)子，它有兩段螺紋，在混煉段，混合料受到捏合、輥壓，發(fā)生混合。另外還有雙階擠出機(jī)，傳遞式混煉擠出機(jī)，Buss-kneade旌續(xù)混煉機(jī)以及隔板式連續(xù)混煉機(jī)等都是口前世界上已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的連續(xù)混煉設(shè)備。第三節(jié)橡膠的塑煉與混煉橡膠制品成型前的準(zhǔn)備工藝包括原材料處理、生膠的塑煉、配料和膠料的混煉等工藝過(guò)程，也

41、就是按照配方規(guī)定的比例將生膠和配合劑混合均勻，制成混煉膠的過(guò)程。在這些工藝過(guò)程中，生膠的塑煉和膠料的混煉是最主要的兩個(gè)工序。一、生膠的塑煉生膠是線型的高分子化合物，在常溫下大多數(shù)處于高彈態(tài)。高彈性是橡膠及具制品的最寶貴性質(zhì)，然而生膠的這一寶貴性質(zhì)卻給制品的生產(chǎn)帶來(lái)極大的困難。如果不首先降低生膠的彈性，在加工過(guò)程中，一方面各種配合劑無(wú)法在生膠中分散均勻，另一入面，大部分機(jī)械能將消耗在彈性變形上，不能獲得人們所需的各種形狀。所以為了滿足各種加工工藝的要求，必須使生膠由強(qiáng)韌的彈性狀態(tài)變成柔軟而具有可塑性的狀態(tài)，這種使彈性生膠變成可塑狀態(tài)的工藝過(guò)程稱作塑煉。1、塑煉的目的主要是為了獲得適合各種加工工藝

42、要求的可塑性，即降低生膠的彈性，增加可塑性，獲得適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性，使橡膠與配合劑在混煉過(guò)程中易于混合分散均勾；同時(shí)也有利于膠料進(jìn)行各種成型操作。止匕外，還要使生膠的可塑性均勻一致，從而使制得的膠料質(zhì)量也均勻一致。隨著生膠可塑性的增大，硫化膠的機(jī)械強(qiáng)度、彈性、耐磨耗性能、耐老化性能下降，因此，塑煉膠的可塑性不能過(guò)大，應(yīng)避免生膠的過(guò)度塑煉。近年來(lái)，隨著合成橡膠上業(yè)的發(fā)展，許多合成橡膠在制造過(guò)程中控制了生膠的初始可塑度，在加工時(shí)可不經(jīng)塑煉而直接進(jìn)行混煉。之2、塑煉機(jī)理橡膠經(jīng)塑煉以增加其可塑性，其實(shí)質(zhì)是橡膠分子鏈斷裂，相對(duì)分子質(zhì)量降低，從而橡膠的彈性下降。在橡膠塑煉時(shí)，主要受到機(jī)械力、氧、熱、電和某些化學(xué)

43、增塑劑等因素的作用，其中氧和機(jī)械力起主要作用，而且兩者是相輔相成的。工藝用以降低橡膠相對(duì)分子質(zhì)量獲得可塑性的塑煉方法可分為機(jī)械塑煉法和化學(xué)塑煉法兩大類，其中機(jī)械塑煉法應(yīng)用最為廣泛。機(jī)械塑煉又可分為低溫塑煉和高溫塑煉，前者以機(jī)械降解作用為主，氧起穩(wěn)定游離基的作用；后者以自動(dòng)氧化降解作用為主，機(jī)械作用強(qiáng)化橡膠與氧的接觸。(1)機(jī)械塑煉機(jī)理。橡膠的機(jī)械塑煉的實(shí)質(zhì)是力化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，即以機(jī)械力作用及在氧或其他自由基受體存在下進(jìn)行的。在機(jī)械塑煉過(guò)程中，機(jī)械力作用使大分子鏈斷裂，氧對(duì)橡膠分子起化學(xué)降解作用，這兩個(gè)作用同時(shí)存在。根據(jù)所采用的塑煉方法和工藝條件不同，它們各自所起作用的程度不同，塑煉效果也不同。a

44、.機(jī)械力作用：非晶態(tài)橡膠分子的構(gòu)象是卷曲的，分子之間以范德華力相互作用著。在塑煉時(shí)，由于受到機(jī)械的劇烈摩擦、擠壓和剪切的反復(fù)作用，使卷曲纏結(jié)的大分子鏈互相牽扯，容易使機(jī)械應(yīng)力局部集中,當(dāng)應(yīng)力大于分子鏈上某一個(gè)鍵的斷裂能時(shí)，則造成大分子鏈斷裂，相對(duì)分子質(zhì)量降低，因而可獲得可塑性。橡膠的粘度越大，剪切速率越大，分子受力越大；相對(duì)分子質(zhì)量越大，受力越大，分子鏈也越容易被切斷。當(dāng)外力作用的機(jī)械功大于化學(xué)鍵能時(shí)，分子斷裂幾率上升，相對(duì)分子質(zhì)量下降，即斷裂往往發(fā)生在鍵能低的化學(xué)鍵上。由于橡膠大分子的主鏈比側(cè)鏈長(zhǎng)得多，大分子間的范德華力和幾何位相的纏結(jié)使得主鏈上受到的應(yīng)力要比側(cè)鏈上受到的應(yīng)力大得多，所以主鏈

45、斷裂的可能性比側(cè)鏈斷裂的可能性大很多。根據(jù)這個(gè)原理，機(jī)械力作用的結(jié)果是生膠的最大相對(duì)分子質(zhì)量級(jí)分最先斷裂而消失，低相對(duì)分子質(zhì)量級(jí)分幾乎不變，而中等相對(duì)分子質(zhì)量級(jí)分得以增加，這就使生膠相對(duì)分子質(zhì)量下降的同時(shí)，其相對(duì)分子質(zhì)量分布變窄。b.氧的作用：低溫下機(jī)械力作用首先使橡膠大分子斷裂生成大分子自由基，自由基的化學(xué)性質(zhì)很活潑，生成的自由基會(huì)重新結(jié)合起來(lái)，從而得不到塑煉效果；因此，單純機(jī)械力的作用是不夠的，實(shí)踐證明，在惰性氣體中進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的塑煉的可塑性幾乎不變，而在氧氣中塑煉，生膠的粘度迅速下降。在實(shí)際塑煉過(guò)程中，橡膠都與周圍空氣中的氧接觸，氧既可以直接與橡膠大分子發(fā)生氧化反應(yīng)，使大分子氧化裂解，又可

46、以作為活性自由基的穩(wěn)定劑使自由基轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的分子，即氧是起著極為重要的雙重作用。c.溫度的作用：溫度對(duì)橡膠的塑煉效果有很大影響，高溫機(jī)械塑煉的機(jī)理與低溫機(jī)械塑煉機(jī)理是不同的，由于溫度較高，橡膠分子和氧都活潑，橡膠大分子主要以氧的直接氧化引發(fā)作用導(dǎo)致自催化氧化連鎖反應(yīng)。高溫塑煉時(shí)，因?yàn)檠趸瘜?duì)相對(duì)分于質(zhì)量最大和最小部分同樣起作用，所以并不發(fā)生相對(duì)分子質(zhì)量分布變窄的情況。d.靜電作用：在塑煉過(guò)程中，橡膠受到強(qiáng)烈的機(jī)械作用而發(fā)生反復(fù)變形、剪切和擠壓，在橡膠之間、橡膠與機(jī)械設(shè)備之間不斷產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致橡膠表面帶電，電壓可達(dá)數(shù)千伏到數(shù)萬(wàn)伏，這樣的電壓必然引起放電現(xiàn)象，這種放電會(huì)使周圍空氣中的氧活化生成活性很

47、高的原子態(tài)氧或臭氧，從而促進(jìn)橡膠分子進(jìn)一步氧化斷裂。(2)化學(xué)塑煉機(jī)理。在低溫和高溫塑煉過(guò)程中，加入化學(xué)增塑劑能加強(qiáng)氧化作用，促進(jìn)橡膠分子斷裂，從而增加塑煉效果。化學(xué)增塑劑主要有三大類。a.自由基接受型：如硫酚、苯酶和偶氮苯等，在低溫塑煉時(shí)起著和氧一樣的自由基接受體作用，使斷鏈的橡膠分子自由基穩(wěn)定，從而生成較短分子。b.引發(fā)型：如過(guò)氧化二苯甲酰和偶氮二異丁月青等，在高溫塑煉時(shí)分解成極不穩(wěn)定的自由基，再引發(fā)橡膠大分子生成大分子自由基，進(jìn)而氧化斷鏈。c.混合型或鏈轉(zhuǎn)移型：如硫醇類和二鄰苯甲酰氨基苯基二硫化物類，它們既能使橡膠分子自由基穩(wěn)定，又能在高溫下引發(fā)橡膠形成自由基加速自動(dòng)氧化斷鏈。3、塑煉工

48、藝在橡膠工業(yè)中，應(yīng)用最廣泛的塑煉方法是機(jī)械塑煉法。用于塑煉的機(jī)械是開煉機(jī)、密煉機(jī)和螺桿式塑煉機(jī)。生膠塑煉之前需先經(jīng)過(guò)烘膠、切膠、選膠和破膠等準(zhǔn)備工序，然后進(jìn)行塑煉。烘膠是為了降低生膠的硬度，便于切割，同時(shí)還能解除生膠結(jié)晶。烘膠多數(shù)是在烘房中進(jìn)行，溫度一般為5070C,不宜過(guò)高，時(shí)間需長(zhǎng)達(dá)數(shù)十小時(shí)。切膠是把從供房?jī)?nèi)取出的生膠用切膠機(jī)切成10kg左右的小塊，便于塑煉。切膠后應(yīng)人工選除表而砂粒和雜質(zhì)。破膠是在輾筒粗而短的破膠機(jī)中進(jìn)行，以提高塑煉效率。破膠時(shí)的輾距一般在2、3mm,輾溫在45c以下。(1)開煉機(jī)塑煉。開煉機(jī)塑煉是最早的塑煉方法，塑煉時(shí)生膠在輾筒表面之間摩擦力的作用下，被帶入兩輾的間隙中

49、，由于兩輾相對(duì)速度不同，對(duì)生膠產(chǎn)生剪切力及強(qiáng)烈的碾壓和拉撕作用，橡膠分子鏈被扯斷而獲得可塑性。開煉機(jī)塑煉方法的優(yōu)點(diǎn)是塑煉膠料質(zhì)量好，可塑度均勻，收縮小，但此法生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，因此此法主要適用于膠料品種化多，耗膠量少的工廠。在開煉機(jī)上進(jìn)行塑煉，常用薄通塑煉、一次塑煉和分段塑煉等不同的工藝方法，還可添加塑解劑進(jìn)行塑煉。薄通塑煉是生膠在輾距0.5-1.0mm下通過(guò)輾繞不包輾而直接落盤，然后把膠扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)90度再通過(guò)輾縫，反復(fù)多次，直至獲得所需可塑度為止。此法塑煉效果大，獲得的可塑度大而均勻，膠料質(zhì)量高，是常用的機(jī)械塑煉方法。一次塑煉是將生膠加到開煉機(jī)上，使膠料包輾后連續(xù)塑煉，直至達(dá)到要求的可塑度

50、為止。此法所需塑煉時(shí)間較長(zhǎng)，塑煉效果也較差。分段塑煉是將全塑煉過(guò)程分成若干段來(lái)完成，每段塑煉一定時(shí)間后，生膠下片停放冷卻，以降低膠溫，這樣反復(fù)塑煉數(shù)次，直至達(dá)到要求。塑煉可分為23段，每段停放冷卻48h。此法生產(chǎn)效率高，可獲較高可塑度。在機(jī)械塑煉的同時(shí)可加入化學(xué)塑解劑來(lái)提高塑煉效果。操作方法一樣，只是塑煉溫度應(yīng)適當(dāng)提高一些，以充分發(fā)揮塑解劑的化學(xué)作用。影響開煉機(jī)塑煉的主要因素有輾溫、時(shí)間、輾距、速比、裝膠量和塑解劑等。開煉機(jī)塑煉屬于低溫機(jī)械塑煉，溫度越低，塑煉效果越好。所以，在塑煉過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)輾筒的冷卻，通常膠料溫度控制在4555c以下。開煉機(jī)塑煉在最初的1075min內(nèi)塑煉效果顯著。隨著時(shí)

51、間的延長(zhǎng)，膠料溫度升高，機(jī)械塑煉效果下降。為了提高塑煉效果，膠料塑煉一定時(shí)間后，可使膠料下片停放冷卻一定時(shí)間，再重新塑煉，這即是分段塑煉的目的。輾筒速比一定時(shí)，輾距越小，膠料受到的剪切作用越大，且膠片較薄也易冷卻，塑煉效果也越大。輾筒速比越大，膠料所受的剪刀作用也大，塑煉效果就越大。一般用于塑煉的開煉機(jī)輾筒速比在1:1.25、1:1.27之間。(2)密煉機(jī)塑煉。密煉機(jī)塑煉時(shí)，膠料所受到的機(jī)械捏煉作用十分強(qiáng)烈，生膠在密煉室內(nèi)一方面在轉(zhuǎn)子與密煉室壁之間受剪應(yīng)力和摩擦力作用，另一方面還受到上頂栓的外壓作用。密煉機(jī)塑煉的生產(chǎn)能力大，勞動(dòng)強(qiáng)度低，自動(dòng)化程度高，但由于是密閉系統(tǒng)，清理相對(duì)困難，散熱也較困難

52、，所以屬高溫塑煉，溫度通常達(dá)140C,生膠在密煉機(jī)中主要借助于高溫下的強(qiáng)烈氧化斷鏈來(lái)提高橡膠的可塑性。由于密爍機(jī)塑陳溫度較高，可采用兩段塑煉法，亦可用化學(xué)塑解劑塑煉方法，其效果要比開煉機(jī)低溫下的增塑效果大。密煉機(jī)塑煉效果取決于塑煉溫度、時(shí)間、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、裝膠量和上頂栓壓力等。密煉機(jī)塑煉屬高溫塑煉，塑煉效果隨溫度升高而增大.但溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致橡膠分子過(guò)度氧化降解，使物理機(jī)械性能下降。因此，要嚴(yán)格控制塑煉溫度，對(duì)于天然橡膠，塑煉溫度一般控制在140160Co塑煉溫度一定時(shí)，生膠的可塑性隨塑煉時(shí)間的增長(zhǎng)面不斷增大，但經(jīng)過(guò)一定時(shí)間以后，可塑性增長(zhǎng)速度逐漸變緩。在一定溫度下，轉(zhuǎn)于速度越快，膠料達(dá)到同樣可塑

53、度所需的塑煉時(shí)間越短，所以，提高轉(zhuǎn)子速度可以大大提高生產(chǎn)效率。(3)螺桿塑煉機(jī)塑煉。螺桿塑煉機(jī)塑煉是在高溫下進(jìn)行的連續(xù)塑煉，在螺桿塑煉機(jī)中生膠一方面受到螺桿的螺紋與機(jī)筒壁的摩擦攪拌作用，另一方面由于摩擦產(chǎn)生大量的熱使塑煉溫度較高，致使生膠在高溫下氧化裂解而獲得可塑性。螺桿塑煉機(jī)生產(chǎn)能力大，生產(chǎn)效率高，能連續(xù)生產(chǎn)，適用于大型工廠。但由于溫度高，膠料的塑煉質(zhì)量不均，對(duì)制品性能有所影響。塑煉前對(duì)生膠先切成小塊并要預(yù)熱，而且螺桿塑煉機(jī)的機(jī)身、機(jī)頭、螺桿都要預(yù)熱到一定的溫度，再進(jìn)行塑煉。影響螺桿塑煉機(jī)的塑煉效果的主要因素是機(jī)頭和機(jī)身溫度、生膠的溫度、填膠速度和機(jī)頭出膠空隙的大小等。二、膠料的混煉混煉就是

54、將各種配合劑與可塑度合乎要求的生膠或塑煉膠在機(jī)械作用下混合均勻，制成混煉膠的過(guò)程?；鞜捠窍鹉z加工中最重要的工藝過(guò)程之一，制造出的混煉膠要求能保證橡膠制品具有良好的物理機(jī)械性能和具有良好的加工工藝性能。因此，混煉過(guò)程配合劑能完全均勻地分散在橡膠中，保證膠料的組成和各種性能均勻一致。1、混煉理論混煉過(guò)程是各種配合劑在生膠中的均勻分散過(guò)程，為了獲得配合劑在生膠中的均勻混合分散程度，必須借助煉膠機(jī)的強(qiáng)烈機(jī)械作用進(jìn)行混煉?；鞜捘z的質(zhì)量控制對(duì)保持橡膠半成品和成品性能有著重要意義。混煉膠組分比較復(fù)雜，不同性質(zhì)的組分對(duì)混煉過(guò)程、分散程度以及混煉膠的結(jié)構(gòu)有很大的影響。(1)配合劑的性質(zhì)。膠料里各種配合劑的性質(zhì)相

55、差很大，不同性質(zhì)的配合劑與生膠的混合難易程度是不同的。軟化劑、促進(jìn)劑、硫黃等配合劑多數(shù)能溶解于橡膠中，易混合均勻；填充劑、補(bǔ)強(qiáng)劑等往往與橡膠不相容，難以混合均勻。各種配合劑的幾何形狀也不盡相同，片狀的陶土、滑石粉、針狀的石棉、玻璃絲比球狀的炭黑等配合劑難以分散。在泥煉過(guò)程中，配合劑與橡膠混合首先是配合劑粒子表面與橡膠接觸，所以配合劑表面性質(zhì)與混煉效果關(guān)系密切。有些配合劑粒子表面性質(zhì)與生膠表面性質(zhì)接近，兩者界面極性相差較小，易與橡膠混合，例如各種炭黑等。有些配合劑粒子表面性質(zhì)與生膠相差較大，兩者界面極性相差很大，這樣的配合劑就難以在橡膠中分散均勻，例如陶土、硫酸鋇、碳酸鈣、氧化鋅、氧化鎂、氧化鈣

56、等表面具有親水性的配合劑。為了改善親水件配合劑的表面性質(zhì)可以便用表面活性劑。常用的表面活性劑有硬脂酸、高級(jí)醇、含氟有機(jī)化合物，某些樹脂和增塑劑等，多數(shù)具有不對(duì)稱兩性分子結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物，分子的一端為-COOH、-OH、-NH2、-NO、-SH等極性基團(tuán)，具有親水性；另一端為非極性長(zhǎng)鏈、苯環(huán)式烴基，具有疏水性。由于表面活性劑兩端具有不同的性質(zhì)，當(dāng)表面活性劑處于親水性配合劑表面時(shí)，其親水性一端與配合劑粒子相吸附，面疏水性一端向外，能與橡膠很好的結(jié)合，這樣就使得配合劑粒子容易與橡膠混煉均勻。另外表面活性劑還起到穩(wěn)定已分散的配合劑粒子在膠料中的分散狀態(tài)的作用。細(xì)粒狀的配合劑往往是以聚集體形式存在的，例如，直