1、彩色填充聚合物材料的设计和制备实验讲义( 初稿)设计型 8 学时化学与环境工程学院 杨 晓 鸿 目录1前言1.1 目的意义1.2 简介2.实验部分2.1 设计思路配方设计选材配合比设计2.2 原料及实验仪器（1）原材料 （2）主要设备2.3 实验方案基本要领实验操作步骤及说明实验结果与记录3. 思考题4. 实验报告附录1：安全知识附录2：SJSZ-7微型双螺杆挤出机 使用说明书1 前言1.1 目的意义：培养学生进行填充聚合物材料配方设计、优化、制备等的基本应用技能，了解填充改性聚丙烯的挤出原理，挤出机的工作特性，以及挤出成型工艺对制品质量的影响，掌握挤出的操作过程。1.2 简介填充聚合物是非聚
2、合物材料对聚合物的填充复合体，比如在树脂中填充混入其他非树脂物质而形成的复合体系，是聚合物料配方的基本形态。通过填充可以极大地改变和延伸聚合物的性能，制备改良或新的品种，目前已成为聚合物材料研究与开发的重要领域。填充的目的、方法和品种繁多，比如，添加填料来控制聚合物对固体表面的粘结强度；在系统中添加两种不同化学性质及宏观结构的填料来直接改变聚合物链间的相互作用，这些填料也就是纤维增强填料及精细的分散填料；用化学吸附长链脂肪族化合物分子得到的带有亲水或疏水表面特性的矿物性填料；颗粒填充改变聚合物 (包括聚合物纳米复合材料 )熔体的模量、频率依赖性、屈服行为等流变行为；等等。这些内容表明，填充聚合
3、物是近年来材料科学领域中的有效技术方法，具有极大的发展前景。挤出机按作用类型可分为连续挤出和非连续挤出，是塑料机械的一种。挤出机的主机由挤压系统、传动系统和加热冷却系统组成(见图 1)。挤压系统包括螺杆、机筒、料斗、机头、和模具，塑料通过挤压系统而塑化成均匀的熔体，并在这一过程中所建立压力下，被螺杆连续的挤出机头。挤出机按其螺杆数量可以分为单螺杆、双螺杆和多螺杆挤出机。目前以单螺杆挤出机应用最为广泛，适宜于一般材料的挤出加工。双螺杆挤出机由于具有由摩擦产生的热量较少、物料所受到的剪切比较均匀、螺杆的输送能力较大、挤出量比较稳定、物料在机筒内停留长,混合均匀。双螺杆挤出机喂料特性也好，适用于粉料
4、加工，且比单螺杆挤出机有更好的混炼、排气、反应和自洁功能，特点是加工热稳定性差的塑料和共混料时更显示出其优越性。近些年来内国外双螺杆挤出机已经有很大的发展，各种形式的双螺杆挤出机已系列化和商品化。挤出机应 用 范 围 广 泛 ， 可 适 用 于 多 种 物 料 的 加 工 ， 比如玻纤增强、阻燃料造粒（如：PA6 、PA66、PET、PBT 、PP 、 PC 增强阻燃等） 、高填充料造粒（如： PE、 PP 填充 75%CaCO） 、热敏性物料造粒（如：PVC、XLPE 电缆料） 、浓色母粒（如：填充 50色粉） 、防静电母粒、合金、着色、低填充共混造粒、电缆料造粒（如：护套料、绝缘料） 、X
5、LPE 管材料造粒（如：用于热水交联的母粒） 、热固性塑料混炼挤出（如：酚醛树脂、环氧树脂、粉末涂料） 、热熔胶、PU 反应挤出造粒（如：EVA 热熔胶、聚氨脂） 、K 树脂、SBS 脱挥造粒、等。图 1 挤出机的结构原理图 2.实验部分2.1 设计思路配方设计：填充聚合物材料的设计主要指配方设计。配方是为制得某种塑料制品，在树脂中混入其他物质而形成的复合体系。混入的其他物质一般称为助剂或添加剂。助剂是指赋予树脂某种特殊性能的材料。助剂的种类很多，具体有增塑剂、稳定剂、增韧剂、加工助剂、着色剂、抗氧剂、填料等。配方设计是指选择在树脂中加入何种助剂，并确定其加入量大小的一个过程。配方设计主要实现
6、下面几方面的目的。（1） 改善树脂加工性能，有些树脂品种加工性能很差，不加入适当的添加剂难于进行常规的加工。（2） 改善树脂的内在性能，十全十美的树脂品种是很难找到的，即使有这样的品种，不是价格过高，就是难于加工。因此配方设计人员常选取性能最接近制品要求的树脂品种，并对其进行适当的改性，使之达到完全满足制品要求。（3） 降低成本物美价廉是每一个配方设计者的首选目标，即是说树脂在满足制品需求性能时，其价格愈低愈好。对于某一填充聚合物材料而言，如何从众多的助剂品种中选择合适的品种，以得到合适的配方，需要依据一定的原则。（1） 根据制品的用途设计：这一原则是制品要什么性能，相应选取何种助剂。制品的性
7、能、结构、用途、使用环境、期望的寿命，都是配方设计的主要依据。（2） 助剂与树脂的相容性：用于配方的各类助剂需与树脂有良好的相容性，这样才能均匀地分散于树脂中，同树脂有机地结合在一起，从而发挥其各自应有的作用。（3） 各类助剂间的组合搭配、相互影响及其协同效应。（4） 助剂的耐加工性：在选择固体助剂时，要保证其在成型加工过程中不分解。在选择液体助剂时，要保证在加工中不逸出。（5） 成型加工用设备、成型加工方法和成型工艺不同加工设备、加工方法要求助剂品种及用量不同。（6） 助剂的来源与成本：在同等性能条件下，要选择来源广、产地近、价格低的品种。（7） 助剂的毒性及对环境的污染：大部分助剂都有毒性
8、或低毒性。粉末状助剂还有粉尘的污染。因而助剂的毒性除需考虑必须满足制品使用性能要求外，尽可能选用对环境污染小，对操作人员健康影响少的助剂。选材：是确定配方原料的具体物质，确定树脂和助剂种类、品种和规格型号，包括增塑剂、稳定剂、热稳定剂、光稳定剂、抗氧剂、填充剂（填料） 、增强剂（如玻璃纤维、碳纤维、硼纤维） 、着色剂、润滑剂、抗静电剂、阻燃剂、等。配合比设计：设计计算配方原料具体数量。2.2 原料及实验仪器（1）原材料 聚丙烯（PP） 粉料或细粒料活性碳酸钙（CaCO3） 325 目以上细度硫酸钙（CaSO4） 325 目以上细度润滑剂（硬 脂 酸 或 硬 脂 酸 丁 酯 或 油 酰 胺 之
9、一 ）无机颜料：钛白粉、碳黑、氧化铁红、铬黄，均为 325 目以上细度，供学生选色设计（以上物料，工业级或试剂级均可）（2）主要设备双螺杆挤出机（SJSZ-07 实验室微型双螺杆挤出机） 武汉瑞鸣塑料机械有限公司 1 台( 见图 2)手套 一副电子天平 搅拌机 烧杯 50ml,100ml，200ml 规格量筒 20ml，50ml 规格移液管 5ml 规格搅拌玻棒图 2 SJSZ-07 实验室微型双螺杆挤出机2.3 实验方案基本要领：将聚丙烯（PP）以及各种无机填料（CaCO3 或 CaSO4） 、颜料、助剂按照设计的比例充分预混合均匀后，加入到双螺杆挤出机中，经过加热，剪切，混合以及排气作用，
10、PP 以及填料、颜料、助剂塑化成均匀熔体，在两个螺杆的挤压下熔体通过口模，自然风冷，最终成为聚丙烯填充改性料细丝。主要流程如下：树脂、助剂、填料、颜料 预混合 螺杆挤出 丝料或造粒挤出机螺杆和料筒结构直接影响塑料原料的塑化效果，熔体质量和生产效率。双螺杆挤出机和单螺杆相比，其塑化能力，混合作用，和生产效率相对较高。主要用于高速挤出，高效塑化，大量挤出造粒、造丝。挤出工艺控制参数包括挤出温度（料筒各段，机头，口模） ，挤出速率，口模压力，冷却速率，牵引速率等。对于双螺杆挤出机而言，物料熔融所需要的热量主要来自于料筒外部加热，挤出温度应在塑料的熔点（Tm）或粘流温度（Tf）至热分解温度范围之间，温
11、度设置一般从加料口至机头呈逐渐升高，最高温度较塑料热分解温度 Td 低 15以上。各段温度设置变化不超过 60。挤出温度高，熔体塑化质量较高，材料微观结构均匀，制品外观较好，但挤出产率低，能源消耗大，所以挤出温度在满足制品要求的情况下应该尽可能的低。挤出速率同时对塑化质量和挤出产率起决定性的作用，对给定的设备和制品性能来说，挤出速率可调的范围则已定，过高的增加挤出速率，追求高产率，只会以牺牲制品的质量为代价。挤出过程中，需冷却的部位包括料斗，螺杆。料斗的下方应通冷却水，防止 PP 过早的熔化粘结搭桥。另外牵引速率与挤出速率相应匹配，以达到所造的塑料粒、丝均匀为准。实验操作步骤及说明：以下所述为
12、普通挤出机操作主要流程，学生在使用前必须严格阅读实验使用的具体的挤出机使用手册，按手册要求操作。（1）挤出机预热升温：依次接通挤出机总电源和各加热段电源，调节加热各段温度仪表以及其他控制仪表设定值致操作值（见表一） 。当预热温度升至设定值后，恒温 30-60min。温度控制分为 7 段。表一 聚丙烯原料挤出机主要参数设定值表温度（ ）一区二区三区四区五区六区机头溶体压力，MPa溶体温度，设定值 175 175 （2）检查冷却水系统是否漏水，真空系统是否漏气：拧开水阀。（3）启动油泵电动机：在启动之前，用手将螺杆后的园盘搬动一圈后，将主电机调速旋钮调至零位，然后启动主电机。调速要缓慢，均匀，转速
13、逐步升高，要注意主电机电流的变化，一般在较低的转速下运转几秒，待有熔融的物料从机头挤出后，再继续提高转速。（4）启动喂料系统以及螺杆清洗：首先将喂料机速度调至零位，启动料斗下的冷凝水。把清洗用的纯 PP 到入料斗，启动喂料电动机，清洗螺杆，待挤出的熔体颜色变为 PP 的本色即可视为清洗完毕。接着将混合好的料倒入喂料斗，调整其转速，在调整的过程中密切注意电动机的电流的变化，要适当控制喂料量，以避免挤出机的负荷太大。（5）将挤出的线状熔体自然冷却。（6）更换不同配方重复以上实验。其他参数：合模时间：12 秒，注射时间 5 秒表压：表 1：0.510Mpa; 表 2: 0.5Mpa; 表 3: 0.
14、5Mpa; 表 4: 0.3Mpa实验结果与记录：记录挤出工艺条件（温度，螺杆转速，加料速度，真空度，牵引速度） 。观察挤出过程中的不稳定现象，记录工艺参数变化后，线性熔体的变化。温度（） ） 一区 二区 三区 四区 五区 六区 机头 溶体温度溶体压力MPa设定值实际值实验现象（正常或异常请记录）：实验人员 实验日期SJSZ-07 实验室微型双螺杆挤出机的操作步骤如下：（1）手动循环a. 将时间继电器调至大于实际需要的循环时间；b. 开启电机，升至需要的转速后装料，放入称好的物料（56g） ；c. 将循环方式旋纽旋向手动循环；d. 根据实验需要看显示时间，将循环旋纽旋向挤出；e. 挤出完毕后，
15、停机，打开机筒，清理。（2） 控制循环a. 调定需要的循环时间；b. 同上；c. 将循环方式旋纽旋向控制循环；d. 时间到机器会自动挤出，e. 挤出完毕后，停机，打开机筒，清理。3 思考题1. 填料的加入对聚合物的加工性能有何影响？2. 改变牵引和挤出速率对线性熔体的直径和光泽度等特征有什么影响？4 实验报告1、写出所选实验题目的设计方案和具体实验方法2、自己设计表格记录实验过程和数据3、用图、表汇总实验结果4、对实验结果作出分析和讨论课 时 授 课 计 划实验名称 彩色填充聚合物材料的设计和制备周次 课次 教 学 内 容（写明章、节扼要内容） 教学时数 教学方式 课外作业 备注1 配方设计、
16、工艺设计 2 集中讲授 课外设计2 配方设计、工艺设计 2 集中点评 完善设计方案3 备料、预配制 2 操作实验4 挤出塑化 2 操作实验 实验报告每组24人附录1：安全知识在实验过程中或在实验室里遇到突发的实验事故时，应立即采取应对措施。1. 现场人员意外受到危险化学品伤害和玻璃划伤当人皮肤接触了剧毒、中等毒品、有害品或腐蚀品时，应立即脱去衣着，用大量水冲洗至少15min。就医。当人眼睛接触接触了剧毒、中等毒品、有害品或腐蚀品时，应立即提起眼睑用大量流动清水或生理盐水冲洗眼睛至少15min。就医。当人吸入剧毒、中等毒品、有害品或腐蚀品时，应迅速撤离现场到空气新鲜处；如呼吸困难，应供给输氧(如
17、有适当的解毒剂，立即服用)，必要时进行人工呼吸。就医。当人某部位被玻璃割伤时，如果为一般轻伤，应及时挤出污血，并用消毒过的镊子取出玻璃碎片，用蒸馏水洗净伤口，贴上创可贴；如果为大伤口，应立即用绷带扎紧伤口上部，使伤口停止出血，急送医疗所。2. 火灾及火伤在实验室里操作和处理易爆、易燃溶剂时，应远离火源。所有仪器设备在使用前一定按操作说明书安装、调试、检查。一旦发生火灾事故，应首先切断电源，然后迅速将周围易着火的东西移开。有机物着火燃烧时，应向火源撒沙子、用石棉布覆盖火源以及使用灭火器，在大多数情况下，严禁用水灭火。衣服着火时，应立刻用石棉布覆盖着火处或迅速将衣服脱下；若火势较大，应在呼救的同时
18、，立刻卧地打滚，绝不能用水浇泼。如果人体被烧伤或烫伤，在伤处涂以苦味酸溶液、玉树油、兰油烃或硼酸油膏；如为重伤，立即送往医院。3. 爆炸某些化合物容易爆炸，例如有机过氧化物、芳香族多硝基化合物和硝酸酯等，受热或敲击均会爆炸。芳香族多硝基化合物不宜在烘箱内干燥。乙醇和浓硝酸混合在一起，会引起极强烈的爆作。因此应尽可能将易燃易爆物品分隔存放在通风阴凉处。若发生爆炸，应立即切断电源，撤离现场，拨打119 报警。附录2：SJSZ-7 微型双螺杆挤出机使用说明书目 录一 用途 二 技术参数三 工作原理与结构特征四 安装、调试与操作五 维修与保养六 附图七 合格证八 装箱单一用途此微型双螺杆挤出机可混合和
19、挤出非常小量的物料（max 5g） ，因此可用于实验室对于高分子或其它材料的研究开发工作。二 技术参数SJSZ-7 微型双锥双螺杆试验挤出机原配件配置及主要技术参数项目 型号/材质 备注小头直径 7mm大头直径 16mm螺纹长度 110mm中心线夹角 4.4螺杆材质 38CrMoAlA 渗氮形式 可开式机筒材质 38CrMoAlA 渗氮齿轮材质 38CrMoAlA分配箱轴承 径向采用进口轴承电机及减速器 国产优质产品 FAF37温控器 日本欧姆龙 E5ZC-2压力传感器 国产优质产品PT 数显压力传感器空压机或空气瓶 压力 78kg/c 自备SJSZ-7 微型双锥双螺杆试验挤出机整机技术参数项
20、目 指标 备注螺杆转速(rpm) 0-70原料用量(g/次) Max 5挤出形式 可循环挤出电机功率(kW) 0.37电机额定电压(V) 370-400电机额定电流(A) 0.75-1.1操作温度(C) 0-400分辨率.(C) 1加热功率(kW) 0.156加热额定电流(A) 3主机外形尺寸(mm) 680380240控制柜外形尺寸(mm) 550580250重量(Kg)三工作原理与结构特征本机主要由驱动电动机、传动装置、加料和挤出装置、电气控制系统等组成。1. 驱动和传动装置：电动机的动力传递至减速器，再由减速器输出轴与螺杆连接，驱动螺杆旋转。减速器为硬齿面减速器，结构紧凑，工作平稳。2.
21、 挤出装置机筒和螺杆是本机的关键部分，物料的塑化和挤出在这里进行。机筒采用独特回流渠道设计，可以准确控制试验物料塑化时间及塑化程度。采用独特的可开启式机筒设计，可方便地观察试验效果，并可方便的进行试验后的清洁工作。机筒和螺杆均采用具有较高硬度、耐磨性和抗腐蚀能力的氮化钢（38CrMoAlA）制成，并经表面氮化处理，提高其机械性能和延长使用寿命。本机采用加热管加热器，耐热性能好，传热均匀，更换方便。 3. 氮气保护本机装有氮气保护通道，客户可自行将氮气接入氮气接头对材料进行氮气防氧化处理。 四安装、调试与操作1.电气系统电气系统是本机重要组成部分之一。安装、调试及操作人员必须充分了解电气系统的工
22、作原理，熟练掌握本机操作方法，才能保证机器的正常运行。 1）. 本机电控柜的安装可以不用基础，用户可以根据需要确定电控柜的放置位置，但必须以操作方便，便于维护、检修为原则。2）. 按电控柜电气安装接线图进行安装接线。3）. 试车检查（1）试车前，应再检查一次接线是否正确无误;(2) 用 500V 兆欧表测量电柜、线路、电机绝缘是否良好；(3) 检查机械传动是否灵活，有无卡死现象；（4）以上检查均无误后，方可进行开机试运转。（5）合上电源开关（位于电控柜右侧） ，此时红色信号灯亮，表示电控柜已通电，变频器已通电，可以启动电机；（6）将循环方式旋钮旋至手动循环档；（7）按电机启动按钮，此时电动机已
23、投入运行（此时电动机可能处于静止状态） ，并由电流表指示电动机工作电流；注意：正常运行时，电流表所指示的电流值不得超过电动机的额定电流。（8）按变频器说明书操作运行电机，开始升速，直至额定转速。用户可根据需要，通过变频器面板任意选择电动机的转速以及停机；2. 机械部分1） 主要功能部件(1) 主电源开关位于电控柜侧面；(2)紧急停止开关位于机器前面。在紧急情况下关闭紧急停止开关时请注意：按下紧急停止开关后，驱动装置，控制和加热装置的电源全部被切断；重新启动驱动装置时，将紧急停止开关逆时针转动直到回到原位置(3) 安全设置此机器将对超过安全设置值的温度（T） ，扭矩（M）和压力（p）发出警报。系
24、统有下列安全值；T-最大 360 摄氏度 M-最大 30Nmp-最大 200kg/cm2在警报状态，电机停止，在警报状态下电机不能启动。2) 机器的安装（1）将机器放在一个方便操作的水平平面上。注意不要将机器放在易燃的物体表面上。对周围环境的要求是：a. 机器必须安放在室内，最大海拔2000m；b. 环境温度 5-40 摄氏度；c.相对湿度最大 80%/31 摄氏度(50%/40 摄氏度); d.，允许+/-10%的电压波动。（2）连接电源和控制线路；3) 安装螺杆（1）放入并安装好螺杆，检查左右旋螺杆安装是否正确，注: 面向挤出方向，左边应为右旋螺杆，右边为左旋螺杆，并且将螺杆向分配箱方向推
25、到底；（2）紧固挤出机机筒螺丝；4）操作步骤：（1）手动循环a. 将时间继电器调至大于实际需要的循环时间；b. 开启电机，升至需要的转速后装料，放入称好的物料（56g） ；c. 将循环方式旋纽旋向手动循环；d. 根据实验需要看显示时间，将循环旋纽旋向挤出；e. 挤出完毕后，停机，打开机筒，清理。（2） 控制循环a. 调定需要的循环时间；b. 同上；c. 将循环方式旋纽旋向控制循环；d. 时间到机器会自动挤出，e. 挤出完毕后，停机，打开机筒，清理。五 维护与保养1. 清洁此机器应在实验后及时清洁,步骤为：1) 将旁路设为挤出位置，以低速排出实验物料2) . 将旁路设为循环位置3）. 装入清洁用
26、混合物，用中速循环并挤出物料4）. 将旁路设为挤出，以低速排出物5）. 停止电机6）. 松开机筒螺丝，打开机筒7）.将轴衬从驱动轴上移回，拿下螺杆并立即清洁。8). 清洁挤出机机筒。9). 清洁螺杆后，在螺杆没有冷却时，立即将其放回挤出机。注意：要戴防热手套清洁挤出机不要在挤出机内留下可反应的或有腐蚀性的物料。不能用可能引起损伤的工具清洁挤出机传感器。2. 润滑齿轮定期检查齿轮箱润滑油情况，必要时添加或更换润滑油3. 常见故障处理问题 可能原因 方法挤出机不加热 加热器没有电 检查连接。 挤出机温度过高 控制热电偶次序不对 调换控制热电偶次序挤出机运行时噪音过大没有物料或有金属片在挤出机里1. 检查物料2. 检查气缸和螺杆看是否有损伤物料分解 挤出机或机头温度过高 检查温度信息，降低温度物料不挤出 螺杆装反 重装螺杆如果还不能解决问题，请联系我公司。
