第二章聚合物共混改性基本原理

2023/3/21第二章聚合物共混改性基本原理2023/3/22第二章聚合物共混改性基本原理第一節(jié)

聚合物共混的基本概念第二節(jié)聚合物共混物形態(tài)的基本概念第三節(jié)混合的基本方式與基本過程第四節(jié)共混過程的理論模型1234第五節(jié)

共混過程的調(diào)控方法52023/3/23第四節(jié)混合過程的理論模型

一、液滴模型二、作用于分散相粒子上的力三、雙小球模型四、毛細(xì)管不穩(wěn)定模型五、分散相的分散與集聚2023/3/24一、液滴模型液滴模型研究的是剪切力作用下的變形，以懸浮液中的液滴（牛頓流體體系）在剪切力（外力）作用下的變形與破碎行為為研究對象。適用于“海-島結(jié)構(gòu)”聚合物兩相體系。

第四節(jié)混合過程的理論模型

2023/3/25一、液滴模型

1.液滴的形變

粘度比

Weber數(shù)

第四節(jié)混合過程的理論模型

2023/3/26一、液滴模型2.影響液滴形變的因素

Weber數(shù)：We很小時(shí)，σ占據(jù)主導(dǎo)作用，形成穩(wěn)定的液滴。

“液滴模型”認(rèn)為，對于特定的體系和在一定條件下，We可以有特定的Wecrit，當(dāng)We<Wecrit，液滴穩(wěn)定；We＞W(wǎng)ecrit，液滴會變得不穩(wěn)定，進(jìn)而破裂。

：↑→We

↑→D↑。

粒徑：大粒子易變形。第四節(jié)混合過程的理論模型

2023/3/27一、液滴模型2.影響液滴形變的因素

連續(xù)相黏度：ηm↑→We

↑→D↑

界面張力：

σ↓→We

↑→D↑

熔體彈性：

流動場：對于牛頓流體，拉伸流動比剪切流動更能有效地促使液滴破裂。ηm<<ηd，拉伸流動起主導(dǎo)作用。

兩相粘度比：第四節(jié)混合過程的理論模型

2023/3/28一、液滴模型2.影響液滴形變的因素

液滴破碎的判據(jù)

第四節(jié)混合過程的理論模型

2023/3/29二、作用于分散相粒子上的力小球受到的外力

第四節(jié)混合過程的理論模型

2023/3/210二、作用于分散相粒子上的力假定：1、一個(gè)分散相顆粒中，有兩個(gè)假想的球形粒子；2、其一在原點(diǎn)，第二個(gè)小球在某一時(shí)間處于某一固定位置，3、粒子處于恒定剪切速度場中。小球受到的外力F按Stokes方程連續(xù)相與第二個(gè)小球的相對速度

第四節(jié)混合過程的理論模型

FF2F1α2023/3/211二、作用于分散相粒子上的力沿小球中心連線的分力F1：α=45°時(shí)，促使兩小球分離的力F1最大；分散相獲得最大的分散破碎力；α=90°時(shí)，cos=0，F(xiàn)1=0；兩小球無法分開；α=0°時(shí)，y=0，F(xiàn)1=0；兩小球無法分開；分散相粒子的方位對分散破碎有重要意義。第四節(jié)混合過程的理論模型

FF2F1α2023/3/212二、作用于分散相粒子上的力垂直于小球中心連線的分力F2：

促使兩小球共同體發(fā)生轉(zhuǎn)動的力α=90°時(shí)，sinα=1，F(xiàn)2最大；分散相獲得最大的轉(zhuǎn)動力；α=0°時(shí)，y=0，sinα=0，F(xiàn)2=0；兩小球無法分開；第四節(jié)混合過程的理論模型

FF2F1α2023/3/213二、作用于分散相粒子上的力處于連續(xù)相流體剪切力場中的分散相粒子，首先會在F2的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動，與此同時(shí)F1也逐漸增大，分散相粒子在F1作用下發(fā)生伸長變形。當(dāng)分散相粒子的取向與流體速度場的夾角為45°時(shí)，F(xiàn)1達(dá)到最大，這時(shí)，最有利于分散相粒子的破碎分散。共混設(shè)備施加給共混體系的作用力方向應(yīng)該不斷地或周期地變化。第四節(jié)混合過程的理論模型

FF2F1α2023/3/214二、作用于分散相粒子上的力小球受到的內(nèi)力Fr：黏滯力彈性力界面張力等阻礙分散相破碎分散的力。第四節(jié)混合過程的理論模型

Frα2023/3/215三、雙小球模型討論分散相顆粒破裂成兩個(gè)小顆粒的條件和規(guī)律。是“液滴分裂機(jī)理”的模型。假定：1、一個(gè)分散相顆粒中，有兩個(gè)假想的球形粒子；2、兩個(gè)假想的球形粒子處于運(yùn)動中的連續(xù)相流體中，3、粒子處于恒定剪切速度場中。

第四節(jié)混合過程的理論模型

2023/3/216三、雙小球模型粒子在內(nèi)外力的作用下運(yùn)動。r>r*時(shí)，粒子被破碎。連續(xù)相運(yùn)動速度u

粒子所受到得外力——黏滯阻力（Stokes公式）v——連續(xù)相流體與球形粒子的相對速度

第四節(jié)混合過程的理論模型

Fdx/dtdy/dt2023/3/217三、雙小球模型v的分速度——vx,vy

F的分力

——Fx,Fy

令：

第四節(jié)混合過程的理論模型

Fdx/dtFrdy/dt2023/3/218三、雙小球模型解微分方程代入邊界條件，得到假想球形粒子（第二個(gè)粒子）運(yùn)動軌跡方程：

其中

第四節(jié)混合過程的理論模型

Fdx/dtFrdy/dt2023/3/219三、雙小球模型當(dāng)粒子的運(yùn)動軌跡由上式?jīng)Q定；當(dāng)r>r*時(shí)，就不再受該方程約束，決定于流體速度場。

分散相粒子的運(yùn)動軌跡受K，r*和粒子初始位置（x0，y0）的影響。

第四節(jié)混合過程的理論模型

Fdx/dtFrdy/dt2023/3/220三、雙小球模型實(shí)例1初始位置（0，2R）r*=3R=0.5

K=2

K=3

K≥4

第四節(jié)混合過程的理論模型

2023/3/221三、雙小球模型實(shí)例2初始位置（0，4R）r*=3R=0.5

K=0.5K=1K≥2

第四節(jié)混合過程的理論模型

2023/3/222三、雙小球模型K值的影響K值超過某個(gè)臨界值時(shí)，粒子破碎。雙小球模型液滴模型K決定于——外力，內(nèi)力剪切應(yīng)力（外力）、分散相內(nèi)力與分散相顆粒破碎分散密切相關(guān)。增大τ或降低Fr可以促進(jìn)分散相顆粒的破碎。

第四節(jié)混合過程的理論模型

2023/3/223三、雙小球模型r*值的影響r*取決于分散相熔體顆粒的伸長變形能力，即分散相聚合物的性能，與共混時(shí)熔體溫度有關(guān)。

在分散過程中，分散相顆粒會發(fā)生伸長變形和轉(zhuǎn)動。當(dāng)伸長變形的顆粒轉(zhuǎn)動到與剪切應(yīng)力平行的方向時(shí)，破碎不能進(jìn)行。為促進(jìn)分散相的破碎分散，應(yīng)使剪切應(yīng)力周期性發(fā)生變化，以便使不同方位的分散相顆粒都能受到有效的剪切應(yīng)力τ作用。

第四節(jié)混合過程的理論模型

2023/3/224三、雙小球模型初始位置（分散相粒徑）的影響

初始距離（粒徑）大，易于破碎。分散相顆粒的破碎分散過程，亦是分散相粒徑自動均化過程。亦即破碎分散和粒徑均化是同時(shí)進(jìn)行的。

第四節(jié)混合過程的理論模型

2023/3/225四、毛細(xì)管不穩(wěn)定模型是柱形流體線條在另一種流體中的不穩(wěn)定現(xiàn)象，變形的細(xì)線會分裂成一系列細(xì)小的液滴。是“細(xì)流線破裂機(jī)理”的模型。分散相大粒子，在拉伸應(yīng)力作用下先變形為細(xì)線，再瞬間破裂成細(xì)小的粒子（液滴）。

第四節(jié)混合過程的理論模型

2023/3/226四、毛細(xì)管不穩(wěn)定模型“細(xì)流線”受到外界擾動時(shí)，柱狀流線逐漸發(fā)生正弦式的變形，其振幅受到擾動的波長、界面張力σ、分散相與連續(xù)相的黏度比λ、細(xì)流線的初始半徑R0等影響。在一定條件下，變形隨時(shí)間發(fā)生指數(shù)式增長。α——在時(shí)間t的擾動振幅。α0——擾動的初始振幅。q

——擾動增長速率，決定于擾動的波長、分散相與連續(xù)相的黏度比λ、界面張力σ等。t——時(shí)間。

第四節(jié)混合過程的理論模型

波長2023/3/227四、毛細(xì)管不穩(wěn)定模型“細(xì)流線”破裂的時(shí)間決定于界面張力σ、分散相與連續(xù)相的黏度比λ、細(xì)流線的直徑等。當(dāng)擾動振幅α=0.8R0時(shí)，“細(xì)流線”可以斷裂。第四節(jié)混合過程的理論模型

2023/3/228五、分散相的分散與集聚聚合物的共混過程是一個(gè)“分散”與“集聚”的動態(tài)過程。大顆粒→小粒子大顆?！×Ｗ臃稚⑾嗔Ｗ悠扑椤麖?qiáng)迫進(jìn)行←外力（剪切應(yīng)力）分散相粒子集聚←自發(fā)進(jìn)行←能量最小化聚合物的共混過程中，分散相粒徑自動均化，結(jié)果是使分散相粒子達(dá)到一個(gè)最終的“平衡粒徑R*”。

第四節(jié)混合過程的理論模型

2023/3/229五、分散相的分散與集聚1.分散（破碎）過程

影響破碎的因素有二，一是外界作用于共混體系的剪切能E，二是分散相物料自身的破碎能Edb

（1）剪切能剪切能E←作用于分散相的剪切能←剪切流變場

第四節(jié)混合過程的理論模型

2023/3/230五、分散相的分散與集聚1.分散（破碎）過程

（2）破碎能破碎能Edb←取決于分散相物料自身。

第四節(jié)混合過程的理論模型

2023/3/231五、分散相的分散與集聚1.分散（破碎）過程

（2）破碎能分散相物料宏觀破碎能Edk←取決于顆粒內(nèi)部阻礙變形和破碎的因素，即熔體黏度、熔體彈性等。分散相物料表面能Edf←取決于界面張力

第四節(jié)混合過程的理論模型

2023/3/232五、分散相的分散與集聚2.破碎過程的影響因素剪切能E←破碎能Edb←破碎過程

↑、ηm↑→E

↑；→加速破碎。σ

↓、

ηd↓→Edb↓

；→加速破碎。第四節(jié)混合過程的理論模型

2023/3/233五、分散相的分散與集聚3.集聚過程與影響因素

集聚過程是由于分散相粒子的相互碰撞而實(shí)現(xiàn)的，即分散相粒子相互碰撞而導(dǎo)致集聚成大粒子。集聚過程的影響因素

取決于碰撞的有效率和碰撞次數(shù)（分散相的體積分?jǐn)?shù)、分散相粒子總數(shù)、剪切速率等）。

σ

↓→抑制集聚（亦有利于促進(jìn)分散相的破碎）。分散相粒徑↓→分散相粒子數(shù)↑→集聚速度↑；→破碎速度↓（小粒子比大粒子難破碎）

第四節(jié)混合過程的理論模型

2023/3/234五、分散相的分散與集聚4.平衡粒徑R*第四節(jié)混合過程的理論模型

2023/3/235第二章聚合物共混改性基本原理第一節(jié)

聚合物共混的基本概念第二節(jié)聚合物共混物形態(tài)的基本概念第三節(jié)混合的基本方式與基本過程第四節(jié)共混過程的理論模型1234第五節(jié)

共混過程的調(diào)控方法52023/3/236第五節(jié)共混過程的調(diào)控方法

一、影響熔融共混的主要因素二、共混物過程的調(diào)控三、共混物熔體黏度與熔體彈性的調(diào)控2023/3/237一、影響熔融共混的主要因素聚合物兩相體系的熔體黏度（比值）及熔體彈性。聚合物兩相體系的界面張力。聚合物兩相體系的組分含量以及物料的初始狀態(tài)。流動場形式和強(qiáng)度。共混時(shí)間。

第五節(jié)

共混過程的調(diào)控方法2023/3/238二、共混過程的調(diào)控1.共混組分熔體黏度的影響與調(diào)控（1）分散相黏度降低分散相物料的黏度可以減小宏觀破碎能，從而使分散相平衡粒徑降低。

第五節(jié)

共混過程的調(diào)控方法2023/3/239二、共混過程的調(diào)控1.共混組分熔體黏度的影響與調(diào)控（2）連續(xù)相黏度提高連續(xù)相的黏度可以增大分散相顆粒的變形，有利于分散相顆粒的破碎，從而降低分散相粒徑。提高連續(xù)相的黏度有利于連續(xù)相將外界的作用力（剪切力）傳遞給分散相。

第五節(jié)

共混過程的調(diào)控方法2023/3/240二、共混過程的調(diào)控1.共混組分熔體黏度的影響與調(diào)控（3）制約因素共混過程的基本規(guī)律：熔體黏度較低的一相傾向于成為連續(xù)相，而熔體黏度較高的一相傾向于成為分散相。即“熔體黏度較低的一相易于包覆在熔體黏度較高的一相之外”。重要推論：為了獲得較好的分散效果，兩相熔體黏度不可相差過于懸殊，兩相熔體黏度較為接近為好，即“黏度相近原則”。

第五節(jié)

共混過程的調(diào)控方法2023/3/241二、共混過程的調(diào)控1.共混組分熔體黏度的影響與調(diào)控（4）熔體黏度的調(diào)控調(diào)節(jié)共混溫度：根據(jù)共混組分的黏溫曲線，通過調(diào)節(jié)共混溫度來調(diào)控共混體系的熔體黏度比值。

第五節(jié)

共混過程的調(diào)控方法2023/3/242二、共混過程的調(diào)控1.共混組分熔體黏度的影響與調(diào)控（4）熔體黏度的調(diào)控調(diào)節(jié)剪切應(yīng)力：根據(jù)聚合物切力變稀的流變特性，通過調(diào)節(jié)剪切應(yīng)力來調(diào)控共混體系的熔體黏度比值。

第五節(jié)

共混過程的調(diào)控方法2023/3/243二、共混過程的調(diào)控1.共混組分熔體黏度的影響與調(diào)控（4）熔體黏度的調(diào)控通過助劑調(diào)節(jié)：填充劑、軟化劑、增塑劑等均可以調(diào)節(jié)物料的熔體黏度。調(diào)節(jié)共混組分的相對分子量：聚合物的相對分子量也是影響熔體黏度的重要因素。

第五節(jié)

共混過程的調(diào)控方法2023/3/244二、共混過程的調(diào)控2.共混組分熔體彈性的影響與調(diào)控（1）熔體彈性的影響熔體彈性較高的分散相顆粒難于破碎。熔體彈性較高的組分傾向于成為分散相；具有較低彈性的組分傾向于成為連續(xù)相。共混組分在共混溫度下的熔體彈性不應(yīng)相差過大，即“彈性相近原則”。熔體彈性相差過大，會使各組分在共混過程中受力不均，影響混合效果。高彈性的共混體系中的分散相粒徑值，會高于理論預(yù)測值。由于高彈性的熔體難于發(fā)生形變，從而難于破碎所致。

第五節(jié)

共混過程的調(diào)控方法2023/3/245二、共混過程的調(diào)控2.共混組分熔體彈性的影響