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第三章成型用物料及其配制 內(nèi)容簡介 塑料用樹脂 助劑 添加劑 的基本性能 不同狀態(tài)原料的配制方法 本章重點 3 1粉料的配制3 2粒料的配制 3 1粉料的配制 學(xué)習(xí)目標 1 熟悉原料的性能 2 掌握物料配制方法 熟悉配制中常用的操作 3 掌握混合原理 混合原理 混合理論分析擴散 靠各組分間濃度差推動微粒從濃度高向濃度低的區(qū)域遷移 對固 液態(tài)物料 這種作用不明顯 對流 靠各組分在外界因素下向其它組分所占空間流動 達到各組分在空間上的均勻分布 主要手段為機械攪拌 剪切 機械作用產(chǎn)生剪切力使物料各組分的物料塊形變甚至分離崩潰 達到均一混合的目的 物料初混以對流為主 塑煉主要靠剪切作用 混合的概念和重要性 混合是塑料成型前的準備工藝 混合是一種操作 是一個過程 是一種趨向于減少混合物非均勻性的操作 是在整個系統(tǒng)的全部體積內(nèi)各組分在其基本單元沒有本質(zhì)變化的情況下的細化和分布過程 混合是把高分子材料各組分 樹脂及助劑 相互混在一起成為均勻的體系 生產(chǎn)出合格的各種形態(tài)的塑料才有可能得到合格的塑料制品 混合效果評定 混合狀態(tài)的直接描述法均勻程度 指混入物所占物料的比率與理論或總體比率的差異 分散程度 指混合體系中各個混入組分的粒子在混合后的破碎程度 混合狀態(tài)的間接判定法通過檢測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) 一 粉料和粒料的組成 在塑料成型加工中 壓制成型 壓延和擠出都可采用粉料 壓制成型最好采用粉料 一般配制粉料是把各組分混合分散均勻 因此這種粉料也稱作干混料 不管是粉料還是粒料 都是聚合物和助劑兩類物質(zhì)組成的 其中聚合物是主要成分 助劑則是為使復(fù)合物或其制品具有某種特性而加入的一些物質(zhì) 常用的塑料助劑種類很多 主要有增塑劑 穩(wěn)定劑 加工助劑 沖擊改性劑 填充劑 增強劑 著色劑 潤滑劑 防靜電劑 阻燃劑 防霉劑等20多類 加至塑料中的助劑是隨制品的不同要求而定的 并不是各類都需要 加入的各類助劑必須以相互發(fā)揮為要則 切忌彼此抑制 1 聚合物 樹脂 作用和要求 聚合物的作用和要求 聚合物是塑料的主要成分 所以它決定了制品的基本性能 在塑料制品中 聚合物應(yīng)成為均一的連續(xù)相 其作用在于將各種助劑粘結(jié)成一個整體 從而具有一定的物理力學(xué)性能 由聚合物與助劑配制成復(fù)合物需要有良好的成型工藝性能 例如在成型過程中 一般應(yīng)在一定的溫度 壓力下具有可塑性 連續(xù)流動的行為 從配料的角度來考慮 對聚合物的選擇要求主要是相對分子質(zhì)量大小及其分布 顆粒大小 結(jié)構(gòu)和它們與增塑劑 溶劑等相互作用的難易等 凡相對分子質(zhì)量偏高 顆粒結(jié)構(gòu)緊密 以及與增塑劑和溶劑作用較難的 則配制時需較高的溫度 較強的外作用力和較長的作用時間 常用的聚合物樹脂品種 常用的聚合物樹脂有 PE聚乙烯 PVC聚氯乙烯 PP聚丙烯 PS聚苯乙烯 ABS丙烯脯 丁二烯 苯乙烯共聚物 PA聚酰胺 PC聚碳酸脂 PMMA聚甲基丙烯酯甲酯 POM聚甲醛 PPO聚苯醚 PPS聚苯硫醚 PUR聚氨酯 PSU聚砜 PF酚醛樹脂 PTFE聚四氟乙烯等 2 增塑劑 增塑劑的作用增塑劑的應(yīng)用要求聚合物與增塑劑的相容性增塑劑的效率 增塑劑的作用 功效 為降低塑料的軟化溫度范圍和提高其加工性 柔韌性或延展性 加入的低揮發(fā)性或揮發(fā)性可忽略的物質(zhì)稱為增塑劑 而這種作用則稱為增塑作用 增塑劑通常是一類對熱和化學(xué)試劑都很穩(wěn)定的有機物 大多是揮發(fā)性低的液體 少數(shù)則是熔點較低的固體 而且至少在一定范圍內(nèi)能與聚合物相容 混合后不會離析 經(jīng)過增塑的聚合物 其軟化點 或流動溫度 玻璃化溫度 脆性 硬度 拉伸強度 彈性模量等均將下降 而耐寒性 柔順性 斷裂伸長率等則會提高 目前工業(yè)上大量應(yīng)用增塑劑的聚合物只有聚氯乙烯 醋酸纖維 硝酸纖維等少數(shù)幾種 其中主要是聚氯乙烯 所耗增塑劑占其總產(chǎn)量的80 以上 因此 以下著重講聚氯乙烯的增塑劑 但所述的原理部分對其它塑料也同樣適用 增塑劑的應(yīng)用要求 增塑劑的應(yīng)用要求 實際采用的增塑劑 除要求它們對聚合物的相容性好 增塑效率高 揮發(fā)度低 化學(xué)穩(wěn)定性高 對光 熱穩(wěn)定性好等外 還要求無色 無臭 無毒 不燃 吸水量低 在水 油 溶劑等中的溶解度和遷移性小 介電性能好 在室溫和低溫下制品外觀和手感好耐霉菌及污染以及價廉等 要求一種增塑劑同時兼具這些性能是困難的 但其中相容性好和揮發(fā)度低是最基本的要求 在使用時 應(yīng)在滿足這兩項要求后再按具體情況作適當選擇 在多數(shù)情況下 常將幾種增塑劑混用來達到要求 增塑劑的相容性 聚合物與增塑劑的相容性 由于增塑劑對聚合物的作用是發(fā)生在它們分子之間的 因此 最重要的要求是它們之間應(yīng)該有相容性 即彼此之間有互溶性 相容性好的可作為主增塑劑 能單獨使用 增塑劑不易析出 相容性差的對聚合物的親合力差 只能與主增塑劑共用 增塑劑的效率 它是從改變聚合物的一定量的物理性能所需加入增塑劑的量作為標記的 選擇的物理性能指標可以不同 如用彈性模量 柔順性 玻璃化溫度 脆折溫度 回彈量以及一切變形 伸長 彎曲 扭曲 壓縮等 等均可 一般以DOP為參考 代號見書本P47表3 1 3 穩(wěn)定劑 在塑料中加入穩(wěn)定劑是制止或抑制聚合物因受外界因素 光 熱 氧 細菌 霉菌以至簡單的長期存放等 所引起的破壞作用 穩(wěn)定劑可分為熱穩(wěn)定劑 光穩(wěn)定劑 紫外線吸收劑 紫外線猝滅劑 光屏蔽劑等 及抗氧劑等 常見的穩(wěn)定劑類型 紫外線抗御劑 含紫外線吸收劑 能量轉(zhuǎn)移劑 紫外線吸收劑先于聚合物吸收入射的紫外線而放出無破壞性的光能或熱能 從而使聚合物減緩或免除降解 所以紫外線吸收劑最常用 具體品種見P50的表3 3 抗氧劑具體品種見P51的表3 4 轉(zhuǎn)變降解催化劑的物質(zhì)三鹽或二鹽 重金屬鹽 有機錫化合物 環(huán)氧化合物去除活性中心的物質(zhì) 4 填充劑 填料 填充劑一般都是粉末狀的物質(zhì) 配制塑料時加入填充劑的目的是改善塑料的成型加工性能 提高制品的某些性能 賦予塑料新的性能和 或 降低成本 通常用偶聯(lián)劑或表面活性劑處理 以改善填料在塑料中的分散程度 填充劑的加入量一般為塑料組成的40 以下 近年來生產(chǎn)的一些高填充塑料制品等 填充劑的加入量則可能遠超過此范圍 填充劑的大小和表面狀況對塑料性能有一定影響 球狀 立方體狀的通?？商岣叱尚图庸ば阅?但機械強度差 而鱗片狀的則相反 粒子愈細時對塑料制品的剛性 沖擊性 拉伸強度 因次穩(wěn)定性和外觀等改進作用愈大 5 增強劑 加入聚合物中使其機械性能得到提高的纖維類材料 稱作增強劑 它實際上也是聚合物的填料 只是由于性能上的差別和目前有很大的發(fā)展 所以特將其單獨列作一類 增強劑用量越高 增強效果也越大 但卻使塑料流動性下降 惡化成型加工性能 對設(shè)備的磨蝕也較嚴重 主要在復(fù)合材料學(xué)中介紹 6 看色劑 色料 給予塑料以色彩或特殊光學(xué)性能或使之具有易于識別等功能的材料稱為著色劑 塑料著色劑主要有無機顏料 有機顏料和染料三類 色料一般有粒狀 膏狀 粉狀之分 用前兩種在運輸上雖較方便 但在混合時比較費工 用后一種 操作時會引起粉塵飛揚 需要添加防塵措施 所以選擇色料時應(yīng)該結(jié)合混合成本以及工廠所能提供的設(shè)備和環(huán)境保護的要求作出合理的選擇 此外目前也有工廠專業(yè)生產(chǎn)一些高濃度 50 200倍或更高 的色母料 供成型加工廠使用 因它清潔 方便又易于控制 因而發(fā)展很快 常見塑料配制與成型時情況對色料的要求見P57表3 8 7 潤滑劑 為改進塑料熔體的流動性能 減少或避免對設(shè)備的摩擦和粘附 粘附也可能由其它助劑引起 以及改進制品表面光亮度等 而加入的一類助劑稱為潤滑劑 分為內(nèi) 外潤滑劑 常用熱塑性塑料中需要加潤滑劑的有聚烯烴 聚苯乙烯 醋酸纖維素 聚酰胺 ABS 聚氯乙烯等 其中又以硬聚氯乙烯更為突出 常用的潤滑劑有脂肪酸及其皂類 脂肪酸酯類 脂肪醇類和酰胺類 石蠟 低相對分子質(zhì)量聚乙烯 合成蠟 丙烯酸酯類及某些有機硅化合物 潤滑劑的用量常低于1 選用時應(yīng)注意的是 潤滑劑的用量和品種對物料的配制及成型加工都有較大的影響 8 防靜電劑 聚烯烴 聚苯乙烯 聚酰胺 聚氯乙烯等塑料制品的表面 常因在成型過程中與模具或設(shè)備表面分開而積有靜電 這種積電還會在制品后加工或運轉(zhuǎn)中增加 帶有靜電的制品表面容易積灰 對生產(chǎn)與使用不利 靜電過大時常會震擊人身 如果靜電壓大至3000V時還會產(chǎn)生靜電火花 甚至引起火災(zāi) 為使制品具有適量的導(dǎo)電能力以消除帶靜電的現(xiàn)象 可在塑料中加入少量 小于1 防靜電劑 防靜電劑主要有胺的衍生物 季胺鹽類 磷酸酯類和聚乙二醇酯類 也可在塑料中加入一些導(dǎo)電填料 如碳黑 石墨 金屬粉等 9 阻燃劑 不少塑料是可燃的 這給應(yīng)用帶來許多限制 如在塑料中加入一些含磷 鹵素的有機物或三氧化二銻等物質(zhì)常能阻止或減緩其燃燒 這類物質(zhì)即稱為阻燃劑 此外在某些聚合物 如環(huán)氧 聚酯 聚氨酯 ABS等 合成時 引人一些難燃結(jié)構(gòu) 基團 也可起到降低其燃燒性能的作用 這些稱為反應(yīng)型阻燃劑 常用阻燃劑如磷酸酯類 含鹵磷酸酯類 有機鹵化物 無機阻燃劑 添加型阻燃劑的使用量一般較大 從百分之幾到30 因此 添加型阻燃劑常會使制品的性能 特別是力學(xué)性能下降 反應(yīng)型阻燃劑則有可能克服這一缺點 10 驅(qū)避劑 塑料制品在貯存 使用過程中 可能遭受老鼠 昆蟲 細菌 霉菌等的危害 用于抵御 避免和消滅這類情況發(fā)生的物質(zhì)統(tǒng)稱驅(qū)避劑 PVC塑料本身一般不會被細菌侵蝕 被侵蝕的只是一些助劑 常見的殺菌驅(qū)避劑有正汞鹽和四元堿式鹽等 對人體有毒性 使用時應(yīng)注意使用安全 11 其它助劑 生產(chǎn)泡沫塑料用的發(fā)泡劑 將在第九章中介紹 為防止聚烯烴和聚氯乙烯薄膜自身之間的粘著所加入的改性脂肪酸類 在吹塑薄膜中使用時常稱作開口劑 為免除農(nóng)用薄膜因水汽凝結(jié)而出現(xiàn)的霧層而加入的非離子型表面活化劑 如木糖醇酯 加入這種物質(zhì)的薄膜也有利于包裝一般含有少量水分的食品 為增進聚氯乙烯制品在受荷下的熱穩(wěn)定性所加入的氯化聚氯乙烯 為降低聚氯乙烯熔體粘度而有利于成型和后加工 指板材 所加入的丙烯酸類樹脂 氯化聚乙烯和ABS樹脂等 為提高聚氯乙烯的沖擊強度 耐熱性 耐寒性而加入的增韌劑 如氯化聚乙烯 丙烯腈一苯乙烯共聚物 甲基丙烯酸甲酯 丁二烯等的合成物 應(yīng)該指出的是 上列的后幾類添加劑都是不同品種的聚合物 因此 可看作是高分子共混合物 也被稱為高分子相容劑 而不屬于助劑的范疇 二 混合過程 原料的準備 樹脂的干燥 稱量 固體助劑的研磨等 原料的混合 混合設(shè)備轉(zhuǎn)鼓式混合機 靠混合室的轉(zhuǎn)動來完成 用于非潤性物料的混合 螺帶式混合機 多用在高速捏合后物料的冷卻上 也叫冷混合機 捏合機 混合時間長 均勻性差 效率較前兩者高高速捏合機 粉料混合用機械 粉料混合用常見機械圖 捏合機原理 動畫效果 高速混合機原理 高速混合機原理 動畫效果 二 混合過程 加料順序 非潤性物料 以樹脂 穩(wěn)定劑 加工助劑 沖擊改性劑 色料 填充劑 潤滑劑的順序加入混合設(shè)備 潤性物料 樹脂 增塑劑 穩(wěn)定劑 其它助劑投料 熱混與冷混的區(qū)別