成型物料的配制第五章

成型物料的配制第五章第一節(jié)物料的組成和添加劑的作用塑料組成：簡單組分和復雜組分。復雜組分的塑料由多種組分組成，除樹脂外，還加入多種具有一定功能的輔助材料或添加劑。復雜組分的配合稱為配制。配制方法大多采用混合，目的是將添加劑與聚合物形成均勻的復合物。復合物的形態(tài)可為粒狀、粉狀，或溶液、懸浮液。

成型加工用的物料大多是粒料和粉料，一般的成型工藝多采用粒料。粒料和粉料都是聚合物（樹脂）和添加劑配制而得的。

選擇添加劑的種類和用量要根據(jù)塑料性能的要求和成型工藝需要而定。加入的具體品種，要以能相互發(fā)揮為原則，要避免彼此抑制。主要的添加劑有：增塑劑、防老劑、填料、潤滑劑、著色劑、固化劑等。

一、聚合物

聚合物是粒狀（粉狀）塑料的主要組分，成型后在制品中成為均一的連續(xù)相，將各種添加劑粘結在一起，賦予制品必要的物理機械性能。

聚合物（樹脂）品種不同，所得制品性能、使用范圍也不一樣，即使同一品種，生產(chǎn)方法不同，所得產(chǎn)品的性能也不相同，成型加工工藝和制品的使用范圍也不一樣。因此在配料時要采用不同的工藝條件，保證質量并為成型提供便利。

（一）分子量

分子量對制品的物理——機械性能有影響。分子量增大，有利于提高制品的強度，但加工性能會下降，因為流動性能降低；分子量減小有利于配料和成型，但分子量太小，會使得制品性能差。而且分子量的大小對成型過程中的結晶、取向難易程度有較大影響。因此，要根據(jù)用途和加工方法，適當選擇分子量。（二）分子量分布

分子量分布增寬，材料多數(shù)力學性能、熱性能降低；它還影響配料過程和材料的加工性能。分子量分布一般用重均分子量Mw與數(shù)均分子量Mn的比值表示Mw/Mn，比值≤5時分布窄，>5時分布寬。

（三）顆粒結構

顆粒結構主要對欲增塑的聚合物影響較大。結構疏松的易吸收增塑劑，配制所需的溫度較低，時間較短；結構緊密的吸收增塑劑不易，配制所需的溫度較高，時間較長。。

（四）粒度

粒度主要影響著混合的均勻性。同等重量樹脂，顆粒增大，總表面積減小，與其它添加劑接觸機會少，易造成混合不均勻現(xiàn)象。

樹脂中的水分及揮發(fā)物含量、結晶度、密度等均對粉（粒）料的配制和制品性能有較大的影響定義：凡是添加到聚合物中能使聚合物塑性增加的物質都可以叫做增塑劑。特點：它通常是對熱和化學試劑都很穩(wěn)定的有機物，在一定范圍內能與聚合物相溶而不宜揮發(fā)的液體；少數(shù)是熔點較低的液體。

二、增塑劑

作用：能增加塑料的柔韌性、耐寒性，使塑料的玻璃化溫度、熔點、流動溫度降低；粘度減小，流動性增加；尤其是一些玻璃化溫度較高的合成樹脂，為了制取室溫下軟質的制品，改善加工流動性能，需要添加一定量的增塑劑。141516

增塑劑的作用原理

非極性增塑劑對非極性聚合物的增塑填充隔離，增塑劑的加入能增大分子間的距離，削弱它們之間的作用力。聚合物Tg的降低程度與增塑劑的用量（體積分數(shù)）成正比。17★極性增塑劑對極性聚合物的增塑

其極性基團與聚合物分子的極性基團相互作用（互溶而不被排斥），代替了聚合物極性分子間的作用(減少了聯(lián)結點)，削弱了分子間的作用力；其非極性基團把聚合物的極性基屏蔽起來，減低其分子間作用力聚合物Tg的降低程度與增塑劑的克分子數(shù)正比。18

外增塑：添加增塑劑。

內增塑：用化學方法，在分子鏈上引入其它取代基，或在分子鏈上或分子鏈中引入短的鏈段，降低了大分子間的吸引力，達到使剛性分子鏈變軟和易于活動的目的。

分類增塑劑對塑料制品的影響：

PS、PE和PP等不需增塑，PVC等則常需增塑。在PVC中加入癸二酸二辛酯、己二酸二辛酯，改善耐低溫性能。在PVC中加入季戊四醇酯，改善制品的耐熱性。對于無毒制品（食品袋、輸血袋）必須采用無毒增塑劑（磷酸二苯辛酯）。20三、防老劑

聚合物在成型加工過程或長期使用和貯存過程中，會因各種外界因素（如光、熱、氧、射線、細菌、霉菌等）的作用而引起降解或交聯(lián)，并使聚合物性能變壞而不能正常使用。為防止或抑制這種破壞作用而加入的物質統(tǒng)稱防老劑。主要包括穩(wěn)定劑、抗氧劑、光穩(wěn)定劑等。21

（1）抑制聚合物的降解作用－穩(wěn)定劑

①去除聚合物原來的或發(fā)生降解后的活性中心，抑制聚合物的進一步降解，形成比較穩(wěn)定的游離基。

常用：有機錫化合物，如：二丁基二醋酸錫、二丁基二月桂酸錫。

②以穩(wěn)定的化學基團置換PVC分子中不穩(wěn)定的氯原子。常用：硬脂酸鹽類（鉛皂、鎘皂、堿土皂等）、金屬硫醇鹽類。22

③雙鍵常存在于降解后的聚氯乙烯分子結構中。在外界條件的影響下成為降解中心，顏色由淺而深。穩(wěn)定劑及其分解物能對雙鍵起加成作用，防止聚合物繼續(xù)降解及顏色改變。

常用：如硫醇類、順丁烯二酯類等。23

（2）抑制聚合物的氧化作用－抗氧劑

代替易受氧化分解的聚合物與氧反應，防止或推遲氧對聚合物的影響，抑制聚合物的氧化。

分類：主抗氧劑--鏈終止型；輔助抗氧劑--破壞氫過氧化物

協(xié)同：兩者攻擊部位不同；主抗氧劑具有不穩(wěn)定的氫原子，其與游離基或增長鏈發(fā)生作用，避免自由基或增長鏈從聚合物中奪取氫原子，從而阻止了聚合物的氧化降解。輔助抗氧劑分解主抗氧劑反應生成的過氧化物。24

①主抗氧劑

常用：酚類（對苯二酚、二叔丁基對甲氧酚、抗氧劑1010）、仲芳胺兩類化合物，但胺類因污染變色性大而較少使用，酚類最常用。其中高分子量和低揮發(fā)性多元酚類抗氧劑是近20年來的開發(fā)重點。作用原理：氫原子給予體，能使自由基R·或RO

·穩(wěn)定化，自身變成一個活性低的、但又能捕獲其他活性基團的穩(wěn)定自由基，從而使鏈式反應終止。25

②輔助抗氧劑

輔助抗氧劑基本上是有機硫化物和亞磷酸酯類?？寡鮿〥LTP：硫代二丙酸二月桂酯抗氧劑RC626：雙(2,4-二叔丁基苯基)季戊四醇二亞磷酸酯協(xié)同：分解生成的過氧化物O26

①紫外線吸收劑：

能吸收光和射線或移出聚合物吸收的光能，防止聚合物的老化降解。可形成分子內氫鍵，當吸收光能后，氫鍵被破壞，吸收的能量可以由熱能的形式放出，氫鍵恢復，繼續(xù)發(fā)揮作用。羥基二苯甲酮。（3）抑制聚合物的光降解作用－光穩(wěn)定劑27

②淬滅劑：

通過轉移聚合物分子吸收紫外光而產(chǎn)生的“激發(fā)態(tài)能”，從而避免由此而產(chǎn)生游離基而使聚合物進一步降解(鎳螯合物)。

2,2’-硫代雙(4-叔辛基苯酚)正丁胺鎳鹽

③光屏蔽劑：

主要是一些顏料，用于厚制品和不透明制品，在聚合物中主要起屏蔽作用。碳黑、二氧化鈦、氧化鋅、亞硫酸鋅等28（4）消除聚合物雜質的催化作用對聚合物降解有催化作用的主要物質是金屬離子，如鋁、鋅、銅鐵、錫和鎘，具有積極催化作用；較差的是鉛、鎳離子；不起作用的是鈣離子。消除這些重金屬離子催化作用的方法是加入適量的螯合劑，

如亞磷酸的烷酯和芳酯（亞磷酸三苯酯、亞磷酸－苯二異辛酯）及順丁烯二酸酯類等。

四、填料

為了改善塑料的成型加工性能，提高制品的某些技術指標，賦予塑料制品某些新的性能，或為了降低聚合物的單耗、制品的生產(chǎn)成本，在塑料中加入的一類物質稱填料。

填料按其來源來分，有無機填料和有機填料兩種。按其形式可分為粉狀、纖維狀和片狀填料三種。粉狀填料主要有木粉、石棉粉、滑石粉、硅藻土、炭黑粉；纖維狀填料常用石棉、玻璃纖維等；片狀填料常用紙、棉布、玻璃布等。填料的用量通常為塑料組成的40%以下。

五、潤滑劑為了改進塑料特別是熱塑性塑料在成型加工時的流動性和脫模性，以提高制品性能而添加的一種助劑，稱為潤滑劑；與潤滑劑相似的是僅為了避免對塑料、金屬設備的粘附和便于脫模，在成型時涂于與塑料接觸的模具表面的物質，稱為脫模劑。

潤滑劑根據(jù)其作用不同分為內潤滑劑和外潤滑劑。內潤滑劑和聚合物具有一定的相溶性，加入后可減少聚合物分子間的內聚力，降低其熔體粘度，削弱聚合物間的內摩擦。常用的內潤滑劑是硬脂酸及其鹽類、硬脂酸丁酯、硬脂酸胺等。

外潤滑劑與聚合物的相溶性差，成型中易從內部析至表面而粘附在設備的接觸表面，形成一潤滑劑層，降低了熔體與接觸表面的摩擦。屬于這類的有硬脂酸、石蠟、硅油和礦物油等。

潤滑劑的用量：通常小于1%，使用過多，超過其相溶性時，容易造成從制品表面析出，影響外觀；用量過少又起不到潤滑的作用。潤滑劑的作用機理：減少聚合物分子間和聚合物分子與設備間的摩擦，物料受到的剪切變得比較均勻，流動比較平穩(wěn)。潤滑劑應具備的條件：（1）相容性適中；（2）分散性良好；（3）熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性好；（4）不影響產(chǎn)品的物理力學性能；（5）表面張力小，黏度?。唬?）無毒、價廉，不腐蝕設備。六、著色劑為了使塑料制品獲得鮮艷奪日的顏色，增進美觀而加入的有色物質均可以叫做著色劑。例如，電線要有各種顏色的區(qū)別，醫(yī)療用的塑料必須是白色的，就是工業(yè)用塑料，也是有各種色澤的。

著色劑常為油溶性的有機染料和無機顏料；染料大多能溶于水或特殊溶液中，或者借助于適當?shù)幕瘜W藥品而具有可溶性，它不但使被染物表面有著色現(xiàn)象，而且內部也被侵入。

應具備的條件：1.與樹脂相容性良好，能均勻分散于樹脂中；2.具有一定的耐熱性；3.具有良好的光和化學穩(wěn)定性，耐酸性、耐溶劑性良好；4.具有鮮明色彩和高度的著色力；5.在加工機械表面不應有粘附現(xiàn)象等。

七、固化劑在熱固性塑料成型時，有時需要加入一種可以使樹脂完成交聯(lián)或加快交聯(lián)反應的物質；如環(huán)氧樹脂中加入的二元胺、二元酸酐等，常稱為固化劑（或交聯(lián)劑）。

綜上所述,塑料就是由聚合物（樹脂）與添加劑共同組成；加入不同品種和數(shù)量的添加劑，能配制成性能和用途各異的塑料。第二節(jié)物料的混合和分散機理

聚合物加工過程中，大多數(shù)聚合物要與其他物料混合，進行配料后才能應用于成型加工。配料就是把各種組分相互混合在一起，盡可能的成為均勻體系。

混合：使兩種組分相互分布在各自所占的空間內，也就是使各種組分所占空間的最初分布發(fā)生變化。分散：指混合中一種或者多種組分的物理特性發(fā)生了一些內部變化的過程，如顆粒尺寸減小或溶解在溶劑中。混合過程中物料所占空間的變化分散作用示意圖

一、混合的基本原理1、塑料配制中的混合過程包括混合、捏合、塑煉混合：通常指的是粉狀固體物的混合；捏合：是指液體和粉狀固體物料的浸漬和混合；塑煉：是指塑性物料與液體或者固體物料的混合。

2、三者的區(qū)別混合、捏合是在低于聚合物流動溫度和比較緩和的剪切速率下進行的，混合后物料各組分的本質沒有發(fā)生改變，塑煉則是在高于流動溫度和較強的剪切速率下進行的，塑煉后的物料中各組分在化學性質和物理性質方面會發(fā)生改變。

3、混合的目的將原來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，以便得到組成均勻的混合物。

4、混合過程中的三種作用混合過程是靠擴散、對流、剪切三種作用來完成的。（1）擴散利用物料各組分間的濃度差，推動構成物料各組分的微粒，從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域遷移，達到組成均一。（2）對流兩種物料相互向各自占有的空間進行流動，以期達到組成均一。機械攪拌，就是使物料作不規(guī)則流動而達到對流混合的目的。

（3）剪切依靠機械作用產(chǎn)生的剪切力，促使物料組成達成均一。剪切在高粘度分散相的混煉操作中是最重要的。高分子材料在擠出機內的混合過程主要是靠剪切作用。在兩個無限長的平行板間流體和粒子（黑色方塊代表）之間剪切混合示意圖

剪切的混合效果與剪切力的大小和力的作用距離有關，剪切力大、剪切力的作用距離越小，混合效果越好，受剪切作用的物料被拉長變形越大，越有利于與其它物料的混合。

在混合的過程中，水平方向的作用力只會使物料在自身的平面層內流動；如果作用力與平面具有一定角度則在垂直方向產(chǎn)生分力，能形成層與層間的物料流動；增加了混合效果。

二、混合效果的評定固體及塑性物料的混合效果1、分散程度混合體系中各個混入組分的粒子在混合后的破碎程度。破碎度大，粒徑小，其分散程度就高。

描述分散程度最簡單的方法就是用相鄰的同一組分間的平均距離（條痕寬度r）來衡量，r可以由混合物單位體積V內各組分的接觸表面積S來計算：

在混合過程中不斷減小粒子的體積，增加接觸面，可達到的分散程度就越高。

2.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。如果從混合物中任意位置取樣，分析結果（各組分的比率）與總體比率越接近，物料的混合均勻程度越高。

混合組分的粒子愈細，其表面積愈大，越有利于得到較高的均勻分散程度。

檢測制品或試樣的物理力學性能和化學性能等，可以間接地判斷多組分體系的混合狀態(tài)。

一般聚合物與填充劑混合得越均勻，混合物的力學性能越好。

三、混合設備混合設備是完成混合操作工序必不可少的工具，混合物的混合質量在很大程度上取決于混合設備的性能。

塑料工業(yè)常用的混合設備有：捏合機、高速混合機等，主要用于初混合；開煉機、密煉機、擠出機等主要用于混合密煉。1．Z形捏合機是一種常用的物料初混裝置，適用于固態(tài)物料和固液物料的混合。它的主要結構部分是一個有可加熱和冷卻夾套的鞍型底部的混合室和一對Z型攪拌器，

2.高速混合機

高速混合機是使用極為廣泛的塑料混合設備，適用于固態(tài)混合和固液混合，更適于配制粉料。主要由附有加熱或冷卻夾套的圓筒形混合室和一個裝在混合室內底部的高速轉動葉輪所組成。3．開煉機開煉機又稱雙輥煉塑機或煉膠機。它是通過兩個轉動的輥筒將物料混合。開煉機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，為壓延機連續(xù)供料，母料的制備等。開煉機的主要工作部分是兩個輥筒。兩個輥筒并列在一個平面上，分別以不同的轉速作向心轉動，兩輥筒之間的距離可以調節(jié)。輥筒為中空結構，其內可通入介質加熱或冷卻。

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提高剪切作用就能提高混合塑煉效果。影響開煉機熔融塑化和混合質量的因素有：輥筒溫度的調節(jié)與控制，輥距的大小與調節(jié)，輥筒速度，物料在輥隙上方的堆放量等。4．密煉機密煉機即密閉式塑煉機或煉膠機．是在開煉機基礎上發(fā)展起來的一種高強度間歇混合設備。由于密煉機的混煉室是密閉的，混合過程中物料不會外泄，可避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。

第三節(jié)配料