Тема 1.1. (Продолжение)

1.1.3. Теория смешения полимеров с другими компонентами при приготовлении композиций. Вид теоретической кривой распределения компонентов в объеме композиции.

4. Закономерности смешения компонентов в твердом и жидком состоянии.

5. Вальцевание.

6. Гранулирование.

Смешение компонентов

Говоря о полимерном материале, специалист обычно имеет в виду базовую марку, на основе которой, путём смешения базовой марки с:

1. Светостабилизатором;

2. Термостабилизатором;

3. Антикоррозионной добавкой;

4. Внутренним пластификатором;

5. Внешним пластификатором (смазкой);

6. Пластификатором;

7. Эластификатором;

8. Наполнителем;

9. Пигментом;

10. Красителем;

11. Спецдобавкой,

получают полимерные материалы. Любому процессу переработки предшествует смешение компонентов.

Теория смешения компонентов с наполнителем

Смешение компонентов при получении полимерных материалов производится в твёрдом или жидком состоянии, при этом для описания распределения компонентов друг в друге, используется не обычное нормальное распределение, а биноминальное:

n - общее количество частиц компонентов в пробе;

b- количество частиц вводимого вновь компонента;

q - объёмная доля вводимого компонента, который необходимо получить.

Используя данную зависимость можно рассчитать концентрацию и соотношение исходных компонентов смеси.

Следует отметить, что оптимальное смешение компонентов может быть достигнуто далеко не всегда и определяется используемым оборудованием.

Смешение двух компонентов производится в вискозиметре, в котором имеется два цилиндра (внешний и внутренний). В базовую марку полимерного материала, находящуюся в виде расплава между цилиндрами, вводится новый компонент. Причём при неподвижной системе, он размещается в виде полосы (а), точки (б), или кольца (в). После одного оборота цилиндров распределение диспергируемого компонента будет иметь вид спирали, которая по мере увеличения числа оборотов будет раскручиваться всё больше, до тех пор, пока в системе не произойдёт равномерное распределение компонента по всему объёму базовой марки термопласта.

В случае если компонент вводится в виде локального участка, то динамика его распределения в объёме маточной фазы будет представлена на рисунке (б). За один оборот цилиндра точка растянется и перейдёт в следующий квадрант. На следующем обороте вытягивание компонента продолжится, но его след переместится в следующий квадрант. При бесконечном числе оборотов точка вытянется и образует кольцо. Если компонент распределяется в виде кольцевого слоя, то вращение коаксиальных цилиндров к его разрушению не приводит.

Особенности технологии смешения

В зависимости от компонентов, которые смешиваются, используется различное оборудование, для получения однородной композиции. Сыпучие компоненты, в виде: порошков, гранул или порошков, смешивают в горизонтальных или наклонных смесителях.

Смесители типа (б) называются "пьяной бочкой". При смешении порошков или гранул с жидким компонентом используют лопастные смесители, при этом сыпучий компонент вносится в количестве 1/3 от объёма жидкости, затем производится засыпка оставшегося количества компонента. Наиболее эффективно смешение компонентов с помощью вальцов. Вальцы представляют собой машину или агрегат, состоящий из двух параллельно расположенных в горизонтальном направлении валов, называемых валками, вращающимися навстречу друг другу.

Вальцеванию подвергают термопластичные материалы, находящиеся в платичновязком состоянии. Вальцы нагревают тэном или паром, до температуры, превышающей температуру текучести. На рисунке представлено изменение давления между валками вальцов, эпюра скорости движения вальцуемой массы над валками. Эпюр скорости движения отвальцованной массы (3) и траектории движения частиц в потоках, возникающих в верхней части вальцов. Материал помещается на вальцы, при этом он подплавляется, расплав прилипает к поверхности валков и втягивается в межвалковый зазор, который по ходу движения расплава уменьшается. Из-за того, что через широкую часть зазора втягивается больше материала, чем пропускается через узкую часть, в узкой части возникает подпор и избыточное давление, а масса в центре потока начинает течь в обратную сторону. Рассмотрим составляющие процесса смешения на вальцах. Изменение давления до и после вальцов описывается кривой (1), оно постепенно повышается до средней части зазора, где возникают большие распорные усилия, действующие на упорные подшипники. После выхода из узкой части давление падает до нуля. Скорость движения массы в верхней части валков, вначале, совпадает с вращением валков, но по мере приближения к узкой части, меняет свой знак на обратный, так как в узкую часть, проходит лишь малая часть материала. Изменение знака скорости движения вальцуемого материала приводит к появлению круговых потоков, эти потоки показаны на рисунке в виде окружностей (4). Отвальцованная масса выходит из щели вальцов, со скоростью, которая определяется соотношением скорости валков. Если V1>V2, то скорость может быть изображена в виде трапеции, смещённой в сторону более нагретого валка (быстроходного). В ходе вальцевания к пластичновязкой массе добавляются необходимые сыпучие компоненты, которые за счёт циркуляционных токов в верхней части вальцов перемешиваются.

При переработке высокопроизводительными методами экструзии и литья под давлением обязательно используют композиции в виде гранул, цилиндрической, сферической или кубической формы. Гранулирование композиции позволяет более эффективно использовать загрузочные устройства. Гранулы цилиндрической формы, получают, выдавливая экструдат из червячного пресса - экструдатора, через отверстия. Экструдат охлаждается на решетке, и режутся вращающимися ножами. Срезанные части экструдата сжатым воздухом транспортируются в бункер. Иногда экструдат охлаждают паром, а затем сбрасывают в воду. При гранулировании необходимо учитывать эффект "эластичного восстановления струи расплава". Этот эффект оценивается коэффициентом Кэ, Кэ>1 таким образом диаметр цилиндрической гранулы экструдата определяется по формуле:

d_г = d_отв ּК_э

Таблетирование - предварительная операция, предшествующая переработке полимерные материалы. Таблетирование заключается в уплотнении пресс материалов, необходимых для ускорения прогрева материала, облегчения дозирования, улучшения экологии, за счёт устранения выброса порошка, имеющего место при горячем прессовании в момент сжатия пресс-формы, равномерности нагревания. Для таблетирования используются ротационные или гидравлические пресс автоматы. Материал загружается в полость матрицы, где подвергается, с помощью штока - пуансона, сжатию и выдерживанием под давлением. Уплотнение проводится при 70 - 120 Мпа и температуре не более 100^оС. Сохранение формы таблетки достигается за счёт сил электростатического взаимодействия.