pobieranie: 08 Sporządzanie mieszanin polimerowych
Pobierz dokument pdfPrzeglądaj wersję html pliku:
Instytut In1 ynierii Materiałowej – Zakład Tworzyw Polimerowych
Sporz3 dzanie mieszanin polimerowych
1. Cel wiczenia
Celem iw czenia jest zapoznanie z podstawowymi poj6 ciami zwi2 zanymi z problemami mieszalno7 ci materiałów polimerowych oraz z metodami mieszania tworzyw polimerowych.
2. Okre8 lenie podstawowych zagadnie9
W obecnych czasach w przemy7 le stosowane s2 ró@ norodne materiały polimerowe, które nie zawsze maj2 zadowalaj2 ce wła7 ciwo7 ci. Dlatego nowe dostosowane do okre7 lonych wymogów odbiorców wła7 ciwo7 ci otrzymuje si6 przez fizyczna i chemiczna modyfikacje polimerów, reaktywne przetwórstwo b2 dA sporz2 dzanie kompozycji polimerowych. Pod poj6 ciem modyfikacji fizycznej rozumiemy zmian6 struktury polimeru spowodowanej wymuszon2 orientacja, zmieszaniem polimeru – matrycy z modyfikatorami tworzeniem kompleksów polimerowych, zmian6 stopnia zdyspergowania poszczególnych faz oraz zmian6 budowy i rozmiarów stref mi6 dzyfazowych. Modyfikacja fizyczna obejmuje tak@ e zmian6 oddziaływaB mi6 dzycz2 steczkowych na granicy faz w wyniku dodania promotorów mieszalno7 ci, które oddziaływaj2 na mikrostruktur6 matrycy i cz6 sto uczestnicz2 w reakcji z innymi składnikami mieszaniny. Dlatego te@ cz6 sto trudno rozgraniczy5 jest metod6 fizyczne i chemicznej modyfikacji polimerów, gdzie chemiczna obejmuje kopolimeryzacj6 blokow2 , statystyczna oraz szczepiona, jak i zmian6 rozkładu ci6 aru cz2 steczkowego oraz budowy makrocz2 steczek, sieciowaniem i tworzeniem wzajemnie przenikaj2 cych si6 sieci. Mieszaniny polimerowe mo@ na podzieli5 na mieszaniny fizyczne, kopolimery szczepione i blokowe oraz układy o wzajemnie przenikaj2 cych si6 sieciach. Wspóln2 cecha wszystkich mieszanin polimerowych jest wyst6 powanie polimerowego o7 rodka dyspersyjnego w którym rozproszone s2 pozostałe składniki. Wła7 ciwo7 ci mieszanin polimerowych zale@ od składu mieszaniny, sposobu jej wykonania oraz wzajemnego oddziaływania składników. Wszystkie te czynniki decyduj2 o strukturze otrzymanej mieszaniny. W zale@ no7 ci od stopnia zdyspergowania składników mieszaniny oraz od wła7 ciwo7 ci fizykochemicznych mog2 powsta5 roztwory rzeczywiste lub układy koloidalne. Przyczynami niejednorodno7 ci wła7 ciwo7 ci mieszaniny polimerowej mo@ e by5 niemieszalno7 termodynamiczna oraz znaczna ró@ nica lepko7 ci, która blokuje mo@ liwo7 uformowania jednorodnej struktury mieszaniny nawet w przypadku mieszalno7 ci termodynamicznej. Termodynamiczna miar2 mieszalno7 ci polimerów jest zmniejszenie energii swobodnej układu przy niezmienionej jego obj6 to7 ci (∆F<0), lub przy stałym ci7 nieniu zmniejszenie entalpii swobodnej (∆Gm<0). Stanowi to warunek konieczny, jednak dla uzyskania jednofazowej mieszaniny musi by5 spełniony nast6 puj2 cy warunek: ∂ 2 ∆Gm >0 ∂ψ 2 p ,T gdzie ψ jest ułamkiem obj6 to7 ciowym składnika mieszaniny Zmian6 entalpii swobodnej układu okre7 la si6 przez zmian6 entalpii ∆Hm i entropii ∆Sm zgodnie z równaniem ∆Gm = ∆Hm - T∆Sm Zmiana entropii układu b6 d2 ca wynikiem zdyspergowania w matrycy polimerowej innego składnika mieszniny przyjmuje warto7 ci dodatnie. Sprzyja to powstaniu roztworu, ale człon entropowy w temperaturze otoczenia jest niewielki. Wi6 ksze znacznie dla mieszalno7 ci układów polimerowych ma entalpia. Zmiana entalpii jest uzale@ niona od oddziaływaB składników mieszaniny. Je7 li podczas sporz2 dzania mieszaniny bez doprowadzania energii z zewn2 trz wydziela si6 ciepło, to takie polimery Sporz2 dzanie mieszanin polimerowych 1
D5
!0¢'(!%&%$" !¨¦¤¢ ) ¥©## ¥ © §¥£ ¡ EE FG D5 @ ¨ C2 HIPH
4
5
Instytut Inf ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad sg mieszalne w peł zakresie sth ep . Dla wih kszoq ci polimerów efekt cieplny mieszania jest ujemny nym lub bliski zeru. Entalpia mieszania wyrai ana jest za pomocg rói nicy energii oddział ywap makroczg steczek dwóch rói nych polimerowych skł adników A i B w stosunku do energii oddział ywap pomih dzy makroczg steczkami tych samych polimerów. W literaturze najczh ciej spotykanym sposobem charakteryzacji oddział ywap mih dzyczg steczkowych sg parametry rozpuszczalnoq ci Hildebranda (δ) lub współ czynnik Flory’ego-Hugginsa (χAB) ∆Hm = Vm (δΑ −δΒ)2 ψA ψΒ lub
gdzie: Vm – objh toq mieszaniny, δ1,δ2 – parametry rozpuszczalnoq ci skł adników mieszaniny, równe pierwiastkowi kwadratowemu z gh stoq ci energii kohezji, ψ1,ψ2 - uł amki objh toq ciowe skł adników mieszaniny, χAB – parametr charakteryzujg cy entalpih oddział ywap skł adników mieszaniny, który moi na w przyblii eniu okreq lir zalei noq cig : V χ AB = r (δ A − δ B ) 2 RT Dla speł niania termodynamicznego warunku mieszalnoq ci okreq la sih krytyczne parametry mieszaniny, których przekroczenie zawsze prowadzi do rozdział faz. Krytyczny parametr u oddział ywania powig zany jest taki e bezpoq rednio z krytyczng temperaturg , której przekroczenie uniemoi liwia uzyskanie jednorodnej mieszaniny. O cał kowitej mieszalnoq ci polimerów moi na mówir gdy β =(δ1-δ2)2 <= 0,7 – 1 MJ/m2, czh ciowa mieszalnoq wysth puje dla β = 1-3 MJ/m2. Natomiast o braku mieszalnoq ci samorzutnej mówimy przy β >= 3 MJ/m2. Stabilnoq rozproszenia skł adników mieszaniny w matrycy polimerowej (niezalei nie od tego, umaczy sih wzrastaniem entropii ukł adu, która zalei y od szybkoq ci czy sg one mieszalne czy nie) tł dyfuzji skł adników mieszaniny. W ukł adach polimerowych ze wzglh du na znaczne lepkoq ci procesy dyfuzyjne zachodzg doq wolno. Dui a czh polimerów jest termodynamicznie niemieszalna. Dlatego po mechanicznym ady ej) zmieszaniu tworzg ukł mikroheterogeniczne, co oznacza ze w matrycy (oq rodku, fazie cig gł zdyspergowana jest, najczh ciej w postaci drobnych czg stek (domen), druga faza polimerowa. Rozmiary i kształ domen nie sg jednak stabilne. W stanie stopionym bez oddział t ywap sił c inajg cych istnieje tendencja do separacji fazowej. Zjawisko takie zachodzi w procesach przetwórstwa podczas chł odzenia materiał Zatem niemieszalne ukł u. ady polimerowe sg bardzo czuł na kolejne cykle e przetwórcze. Aby otrzymar dobry materiałpolimerowy, nalei y zadbar nie tylko o dobre zdyspergowanie jednego skł adnika w drugim, ale taki e o ustabilizowanie tego stopnia dyspersji. Jednym ze sposobów stabilizacjh struktury fazowej jest poprawa oddział ywap mih dzyczg steczkowych, którg moi na uzyskar przez: wykonywanie kompozycji polimerowych ze skł adników mał steczkowych czynnych mih dzyfazowo, dodatek trzeciego skł oczg adnika polimerowego utrudniajg cego proces wymiany masy w stopionym ukł adzie, tworzenie chemicznych poł c zep mih dzyfazowych w procesie technologicznym, tworzenie wzajemnie przenikajg cych sih sieci. Di- i triblokowe kopolimery znalazł szerokie zastosowanie jako kompatybilizatory, gdzie kai dy y z bloków wykazuje dobrg mieszalnoq z innymi skł adnikiem ukł adu (Rysunek 2.1). Dochodzi do zwih kszenia sih udział ł cuchów przenikajg cych z jednej fazy do drugiej, które wchodzg taki e w skł y ap ad stosunkowo stabilnej fazy poq redniej. Innym sposobem otrzymywania kompatybilizatorów jest czh ciowe szczepienie jednego skł adnika na drugim, czh sto prowadzone w trakcie procesu mieszania (in-situ).
Sporzg dzanie mieszanin polimerowych
g
q
a`e TWVcWc !0¢d(!%&%$b a!W¨¦¤¢Q `T Y X V UTS R
∆Hm = RT ψA ψΒ χAB
¨ q
Dr
i¨
q¨
Dr
Dr
Dr
Dr¨ q
Dr
q ¨ q ¨
2
Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad
Chemiczna reakcja wymiany pomi dzy makrocz steczkami ró nych polimerów wchodz cych w skł mieszaniny mog prowadzi nawet do otrzymywania statystycznych kopolimerów multiblokowych. ad Odmian takiej modyfikacji jest cz ciowa reakcja pomi dzy ko cami ró nych ł cuchów polimerowych a (endlinking). Jednym z przykł adów stabilizacji struktury fazowej na skutek oddział ywa mi dzycz steczkowych s kopolimery blokowe. W wyniku chemicznego powi zania pomi dzy segmentami kopolimeru i wytworzonymi z nich mikrofazami, tworz one ukł ady polimerowe charakteryzuj ce si du stabilno ci struktury przy powtarzaj cych si cyklach przetwórczych. Stopie separacji fazowej i rozmiar domen zale y przede wszystkim od rodzaju, dł ci i udział ugo u poszczególnych segmentów w kopolimerze, natomiast stosunkowo mał zale y od warunków o technologicznych chł odzenia lub stapiania.
Rysunek 2.1. Model rozmieszczenia ł cuchów polimerowych na granicy faz. a
3. Metody
Istnieje wiele sposobów sporz dzania mieszanin polimerowych, najbardziej rozpowszechnione jest mieszanie polimerów w stanie stał powy ej temperatury plastyczno ci. Ze wzgl du na specyfik ym prowadzonego procesu. Mieszanie w stanie plastycznym mo na prowadzi metodami ci gł i ymi okresowymi.
3.1. Metoda ci gł sporz dzania mieszanin polimerowych w stanie plastycznym a
Wiele mieszanin polimerowych ze wzgl du na konieczno zapewnienia du ych sił c inaj cych adu adu aczarki w ci gu krótkiego czasu w celu otrzymania danego rozkł fazowego ukł stosuje si wytł mieszaj ce (Rysunek 3.1).
Sporz dzanie mieszanin polimerowych
vyx y !0¢(!%&%$ !y¨¦¤¢s v x wvu t D ¨
3
Instytut Inq ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad
Wytł aczarki mieszajr ce sł ut miu dzy innymi do mieszania plastomerów. Zwykle sr to wytł aczarki z odpowiednio ukształ towanymi il makami a czasami takt e z profilowanym cylindrem. Zazwyczaj wzdł ut il maka rozrót nia siu nastu pujr ce strefy: zasilania, uplastyczniania, mieszania, odpowietrzania i generacji civ nienia. Efektywnov procesu mieszania w wytł aczarce zwiu kszy siu gdy zwiu kszymy dł ugov il maka, zmniejszymy gł bokov kanał il maka a zwiu kszymy przev wit pomiu dzy zwojem il maka a cylindrem. u Na poprawu efektywnov ci mieszania ma takt e wpł zwiu kszenie oporów w gł yw owicy oraz zwiu kszenie pru dkov ci obrotowej il maka. W celu zwiu kszenia intensywnov ci mieszania stosuje siu specjalne il maki zaopatrzone w elementy konstrukcyjne, które intensyfikujr c inanie i homogenizowanie mieszaniny. Wykonanie kompozycji z udział wytł em aczarki mot na podzieliw na etapy: przygotowanie skł adników mieszaniny w stanie sypkim lub pł ynnym, homogenizowanie skł adników mieszaniny wraz z dodatkami, ki formowanie y ł i granulowanie. Podczas operacji technologicznych nalet y ustaliw takie parametry prowadzenia procesu mieszania aby nie doszł do degradacji makroczr steczek polimerów oraz o zminimalizowaw rozkł termiczny niestabilnych skł ad adników kompozycji a takt e prawidł owo zdyspergowaw skł adniki mieszaniny i optymalnie zhomogenizowaw . Do realizacji procesu sporzr dzania mieszanin polimerowych w sposób cir gł mot na ut yw y wytł aczarki jedno- lub dwuv limakowej. Wytł aczarki dwuv limakowe w porównaniu z jednov limakowymi atwiejsze pobieranie surowców, krótszy czas mieszania, lepsza regulacja majr nastu pujr ce zalety: ł temperatury plastycznego wsadu, dut e i ł atwo regulowane napru enia c inajr ce, samoczyszczenie. Wadami sr natomiast wiu kszy kosztu zakupu i ekpsloatacji.
Rysunek 3.1. Schemat wytł aczarki dwus limakowej.
3.2. Metoda okresowa uplastycznionym.
sporzx dzania
mieszanin
polimerowych
w
stanie
Bazujr c na podstawach procesów technologicznych sporzr dzania mieszanek gumowych do sporzr dzania mieszanek polimerowych z plastomerów stosuje siu podobne techniki. Czu sto wykorzystywanym mieszalnikiem jest mieszalnik zamkniu ty, skł adajr cy siu z komory (Rysunek 3.2) z dwoma rotorami (gniotownikami) zamkniu tej od góry stemplem poprawiajr cym efektywnov mieszania. Dla ograniczenia procesów oksydacji skł adników kompozycji stosuje siu atmosferu ochronnr .
Kształ i rozmiar rotorów decydujr o wartov ciach sił c inajr cych oraz o intensywnov ci t przenikania siu potoków wsadu wu drujr cych wewnr trz komory. Optymalny stopiey wypeł nienia komory,
Rysunek 3.2. Schemat mieszalnika z rotorami
Sporzr dzanie mieszanin polimerowych
v
v Dw
Dw
v
lkp ehgnhn !0¢o(!%&%$m l!h¨¦¤¢ ke j i g fed v ¨ t v v v Cr v Dw v v Dw
u
t
4
Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad temperatura jak i sama szybko dyspergowania jednego polimeru w drugim wsadu zale od warunków prowadzonego procesu mieszania jak i od konstrukcji mieszalnika. W pracach laboratoryjnych w celu zminimalizowania poniesionych nakł adów materiał owych mieszaniny polimerowe mo na wykonywa w ukł adzie mieszaj cym pł ytka-sto ek (Rysunek 3.3). Termostatowana komora mieszania wraz z wiruj cym sto kiem tworz ukł uplastyczniaj cy. ad Intensywno procesu mieszania jak i jako mieszanki polimerowej jest zale na od pr dko ci obrotowej sto ka jak i czasu przebywania wsadu w ukł adzie mieszaj cym.
N2
Rysunek 3.3. Schemat mieszalnika pł ytka-sto ek
Dla zmniejszenia skutków oksydacji stosuje si atmosfer ochronn .
4. Wykonanie mieszanek.
wiczenie obejmuje wykonanie dwuskł adnikowej mieszaniny polimerowej na bazie ada niemieszalnych polimerów. wiczenie skł si z nast puj cych etapów: przygotowanie i zmieszanie skł adników mieszanki (dla mieszalnika zamkni tego okoł 50g masy cał o kowitej wsadu, dla mieszalnika pł ytka-sto ek 10g), dobranie parametrów procesu mieszania, wykonanie mieszanki, wykonanie próbek do bada i poddanie ich dalszej analizie.
5. Literatura
1. Rosł aniec Z., Ukł polimerowe o wł ciwo ciach elastotermoplastycznyh, Prace naukowe ady a Politechniki Szczeci skiej, Szczecin 1993 2. Jurkowski B., Jurkowska B., Sporz dzanie kompozycji polimerowych. Elementy teorii i praktyki, WNT Warszawa 1995
Sporz dzanie mieszanin polimerowych
} !0¢(!%&%$ !¨¦¤¢z } ~}| { D D
D
5
08 Sporządzanie mieszanin polimerowych
Instytut In1 ynierii Materiałowej – Zakład Tworzyw Polimerowych
Sporz3 dzanie mieszanin polimerowych
1. Cel wiczenia
Celem iw czenia jest zapoznanie z podstawowymi poj6 ciami zwi2 zanymi z problemami mieszalno7 ci materiałów polimerowych oraz z metodami mieszania tworzyw polimerowych.
2. Okre8 lenie podstawowych zagadnie9
W obecnych czasach w przemy7 le stosowane s2 ró@ norodne materiały polimerowe, które nie zawsze maj2 zadowalaj2 ce wła7 ciwo7 ci. Dlatego nowe dostosowane do okre7 lonych wymogów odbiorców wła7 ciwo7 ci otrzymuje si6 przez fizyczna i chemiczna modyfikacje polimerów, reaktywne przetwórstwo b2 dA sporz2 dzanie kompozycji polimerowych. Pod poj6 ciem modyfikacji fizycznej rozumiemy zmian6 struktury polimeru spowodowanej wymuszon2 orientacja, zmieszaniem polimeru – matrycy z modyfikatorami tworzeniem kompleksów polimerowych, zmian6 stopnia zdyspergowania poszczególnych faz oraz zmian6 budowy i rozmiarów stref mi6 dzyfazowych. Modyfikacja fizyczna obejmuje tak@ e zmian6 oddziaływaB mi6 dzycz2 steczkowych na granicy faz w wyniku dodania promotorów mieszalno7 ci, które oddziaływaj2 na mikrostruktur6 matrycy i cz6 sto uczestnicz2 w reakcji z innymi składnikami mieszaniny. Dlatego te@ cz6 sto trudno rozgraniczy5 jest metod6 fizyczne i chemicznej modyfikacji polimerów, gdzie chemiczna obejmuje kopolimeryzacj6 blokow2 , statystyczna oraz szczepiona, jak i zmian6 rozkładu ci6 aru cz2 steczkowego oraz budowy makrocz2 steczek, sieciowaniem i tworzeniem wzajemnie przenikaj2 cych si6 sieci. Mieszaniny polimerowe mo@ na podzieli5 na mieszaniny fizyczne, kopolimery szczepione i blokowe oraz układy o wzajemnie przenikaj2 cych si6 sieciach. Wspóln2 cecha wszystkich mieszanin polimerowych jest wyst6 powanie polimerowego o7 rodka dyspersyjnego w którym rozproszone s2 pozostałe składniki. Wła7 ciwo7 ci mieszanin polimerowych zale@ od składu mieszaniny, sposobu jej wykonania oraz wzajemnego oddziaływania składników. Wszystkie te czynniki decyduj2 o strukturze otrzymanej mieszaniny. W zale@ no7 ci od stopnia zdyspergowania składników mieszaniny oraz od wła7 ciwo7 ci fizykochemicznych mog2 powsta5 roztwory rzeczywiste lub układy koloidalne. Przyczynami niejednorodno7 ci wła7 ciwo7 ci mieszaniny polimerowej mo@ e by5 niemieszalno7 termodynamiczna oraz znaczna ró@ nica lepko7 ci, która blokuje mo@ liwo7 uformowania jednorodnej struktury mieszaniny nawet w przypadku mieszalno7 ci termodynamicznej. Termodynamiczna miar2 mieszalno7 ci polimerów jest zmniejszenie energii swobodnej układu przy niezmienionej jego obj6 to7 ci (∆F<0), lub przy stałym ci7 nieniu zmniejszenie entalpii swobodnej (∆Gm<0). Stanowi to warunek konieczny, jednak dla uzyskania jednofazowej mieszaniny musi by5 spełniony nast6 puj2 cy warunek: ∂ 2 ∆Gm >0 ∂ψ 2 p ,T gdzie ψ jest ułamkiem obj6 to7 ciowym składnika mieszaniny Zmian6 entalpii swobodnej układu okre7 la si6 przez zmian6 entalpii ∆Hm i entropii ∆Sm zgodnie z równaniem ∆Gm = ∆Hm - T∆Sm Zmiana entropii układu b6 d2 ca wynikiem zdyspergowania w matrycy polimerowej innego składnika mieszniny przyjmuje warto7 ci dodatnie. Sprzyja to powstaniu roztworu, ale człon entropowy w temperaturze otoczenia jest niewielki. Wi6 ksze znacznie dla mieszalno7 ci układów polimerowych ma entalpia. Zmiana entalpii jest uzale@ niona od oddziaływaB składników mieszaniny. Je7 li podczas sporz2 dzania mieszaniny bez doprowadzania energii z zewn2 trz wydziela si6 ciepło, to takie polimery Sporz2 dzanie mieszanin polimerowych 1
D5
!0¢'(!%&%$" !¨¦¤¢ ) ¥©## ¥ © §¥£ ¡ EE FG D5 @ ¨ C2 HIPH
4
5
Instytut Inf ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad sg mieszalne w peł zakresie sth ep . Dla wih kszoq ci polimerów efekt cieplny mieszania jest ujemny nym lub bliski zeru. Entalpia mieszania wyrai ana jest za pomocg rói nicy energii oddział ywap makroczg steczek dwóch rói nych polimerowych skł adników A i B w stosunku do energii oddział ywap pomih dzy makroczg steczkami tych samych polimerów. W literaturze najczh ciej spotykanym sposobem charakteryzacji oddział ywap mih dzyczg steczkowych sg parametry rozpuszczalnoq ci Hildebranda (δ) lub współ czynnik Flory’ego-Hugginsa (χAB) ∆Hm = Vm (δΑ −δΒ)2 ψA ψΒ lub
gdzie: Vm – objh toq mieszaniny, δ1,δ2 – parametry rozpuszczalnoq ci skł adników mieszaniny, równe pierwiastkowi kwadratowemu z gh stoq ci energii kohezji, ψ1,ψ2 - uł amki objh toq ciowe skł adników mieszaniny, χAB – parametr charakteryzujg cy entalpih oddział ywap skł adników mieszaniny, który moi na w przyblii eniu okreq lir zalei noq cig : V χ AB = r (δ A − δ B ) 2 RT Dla speł niania termodynamicznego warunku mieszalnoq ci okreq la sih krytyczne parametry mieszaniny, których przekroczenie zawsze prowadzi do rozdział faz. Krytyczny parametr u oddział ywania powig zany jest taki e bezpoq rednio z krytyczng temperaturg , której przekroczenie uniemoi liwia uzyskanie jednorodnej mieszaniny. O cał kowitej mieszalnoq ci polimerów moi na mówir gdy β =(δ1-δ2)2 <= 0,7 – 1 MJ/m2, czh ciowa mieszalnoq wysth puje dla β = 1-3 MJ/m2. Natomiast o braku mieszalnoq ci samorzutnej mówimy przy β >= 3 MJ/m2. Stabilnoq rozproszenia skł adników mieszaniny w matrycy polimerowej (niezalei nie od tego, umaczy sih wzrastaniem entropii ukł adu, która zalei y od szybkoq ci czy sg one mieszalne czy nie) tł dyfuzji skł adników mieszaniny. W ukł adach polimerowych ze wzglh du na znaczne lepkoq ci procesy dyfuzyjne zachodzg doq wolno. Dui a czh polimerów jest termodynamicznie niemieszalna. Dlatego po mechanicznym ady ej) zmieszaniu tworzg ukł mikroheterogeniczne, co oznacza ze w matrycy (oq rodku, fazie cig gł zdyspergowana jest, najczh ciej w postaci drobnych czg stek (domen), druga faza polimerowa. Rozmiary i kształ domen nie sg jednak stabilne. W stanie stopionym bez oddział t ywap sił c inajg cych istnieje tendencja do separacji fazowej. Zjawisko takie zachodzi w procesach przetwórstwa podczas chł odzenia materiał Zatem niemieszalne ukł u. ady polimerowe sg bardzo czuł na kolejne cykle e przetwórcze. Aby otrzymar dobry materiałpolimerowy, nalei y zadbar nie tylko o dobre zdyspergowanie jednego skł adnika w drugim, ale taki e o ustabilizowanie tego stopnia dyspersji. Jednym ze sposobów stabilizacjh struktury fazowej jest poprawa oddział ywap mih dzyczg steczkowych, którg moi na uzyskar przez: wykonywanie kompozycji polimerowych ze skł adników mał steczkowych czynnych mih dzyfazowo, dodatek trzeciego skł oczg adnika polimerowego utrudniajg cego proces wymiany masy w stopionym ukł adzie, tworzenie chemicznych poł c zep mih dzyfazowych w procesie technologicznym, tworzenie wzajemnie przenikajg cych sih sieci. Di- i triblokowe kopolimery znalazł szerokie zastosowanie jako kompatybilizatory, gdzie kai dy y z bloków wykazuje dobrg mieszalnoq z innymi skł adnikiem ukł adu (Rysunek 2.1). Dochodzi do zwih kszenia sih udział ł cuchów przenikajg cych z jednej fazy do drugiej, które wchodzg taki e w skł y ap ad stosunkowo stabilnej fazy poq redniej. Innym sposobem otrzymywania kompatybilizatorów jest czh ciowe szczepienie jednego skł adnika na drugim, czh sto prowadzone w trakcie procesu mieszania (in-situ).
Sporzg dzanie mieszanin polimerowych
g
q
a`e TWVcWc !0¢d(!%&%$b a!W¨¦¤¢Q `T Y X V UTS R
∆Hm = RT ψA ψΒ χAB
¨ q
Dr
i¨
q¨
Dr
Dr
Dr
Dr¨ q
Dr
q ¨ q ¨
2
Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad
Chemiczna reakcja wymiany pomi dzy makrocz steczkami ró nych polimerów wchodz cych w skł mieszaniny mog prowadzi nawet do otrzymywania statystycznych kopolimerów multiblokowych. ad Odmian takiej modyfikacji jest cz ciowa reakcja pomi dzy ko cami ró nych ł cuchów polimerowych a (endlinking). Jednym z przykł adów stabilizacji struktury fazowej na skutek oddział ywa mi dzycz steczkowych s kopolimery blokowe. W wyniku chemicznego powi zania pomi dzy segmentami kopolimeru i wytworzonymi z nich mikrofazami, tworz one ukł ady polimerowe charakteryzuj ce si du stabilno ci struktury przy powtarzaj cych si cyklach przetwórczych. Stopie separacji fazowej i rozmiar domen zale y przede wszystkim od rodzaju, dł ci i udział ugo u poszczególnych segmentów w kopolimerze, natomiast stosunkowo mał zale y od warunków o technologicznych chł odzenia lub stapiania.
Rysunek 2.1. Model rozmieszczenia ł cuchów polimerowych na granicy faz. a
3. Metody
Istnieje wiele sposobów sporz dzania mieszanin polimerowych, najbardziej rozpowszechnione jest mieszanie polimerów w stanie stał powy ej temperatury plastyczno ci. Ze wzgl du na specyfik ym prowadzonego procesu. Mieszanie w stanie plastycznym mo na prowadzi metodami ci gł i ymi okresowymi.
3.1. Metoda ci gł sporz dzania mieszanin polimerowych w stanie plastycznym a
Wiele mieszanin polimerowych ze wzgl du na konieczno zapewnienia du ych sił c inaj cych adu adu aczarki w ci gu krótkiego czasu w celu otrzymania danego rozkł fazowego ukł stosuje si wytł mieszaj ce (Rysunek 3.1).
Sporz dzanie mieszanin polimerowych
vyx y !0¢(!%&%$ !y¨¦¤¢s v x wvu t D ¨
3
Instytut Inq ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad
Wytł aczarki mieszajr ce sł ut miu dzy innymi do mieszania plastomerów. Zwykle sr to wytł aczarki z odpowiednio ukształ towanymi il makami a czasami takt e z profilowanym cylindrem. Zazwyczaj wzdł ut il maka rozrót nia siu nastu pujr ce strefy: zasilania, uplastyczniania, mieszania, odpowietrzania i generacji civ nienia. Efektywnov procesu mieszania w wytł aczarce zwiu kszy siu gdy zwiu kszymy dł ugov il maka, zmniejszymy gł bokov kanał il maka a zwiu kszymy przev wit pomiu dzy zwojem il maka a cylindrem. u Na poprawu efektywnov ci mieszania ma takt e wpł zwiu kszenie oporów w gł yw owicy oraz zwiu kszenie pru dkov ci obrotowej il maka. W celu zwiu kszenia intensywnov ci mieszania stosuje siu specjalne il maki zaopatrzone w elementy konstrukcyjne, które intensyfikujr c inanie i homogenizowanie mieszaniny. Wykonanie kompozycji z udział wytł em aczarki mot na podzieliw na etapy: przygotowanie skł adników mieszaniny w stanie sypkim lub pł ynnym, homogenizowanie skł adników mieszaniny wraz z dodatkami, ki formowanie y ł i granulowanie. Podczas operacji technologicznych nalet y ustaliw takie parametry prowadzenia procesu mieszania aby nie doszł do degradacji makroczr steczek polimerów oraz o zminimalizowaw rozkł termiczny niestabilnych skł ad adników kompozycji a takt e prawidł owo zdyspergowaw skł adniki mieszaniny i optymalnie zhomogenizowaw . Do realizacji procesu sporzr dzania mieszanin polimerowych w sposób cir gł mot na ut yw y wytł aczarki jedno- lub dwuv limakowej. Wytł aczarki dwuv limakowe w porównaniu z jednov limakowymi atwiejsze pobieranie surowców, krótszy czas mieszania, lepsza regulacja majr nastu pujr ce zalety: ł temperatury plastycznego wsadu, dut e i ł atwo regulowane napru enia c inajr ce, samoczyszczenie. Wadami sr natomiast wiu kszy kosztu zakupu i ekpsloatacji.
Rysunek 3.1. Schemat wytł aczarki dwus limakowej.
3.2. Metoda okresowa uplastycznionym.
sporzx dzania
mieszanin
polimerowych
w
stanie
Bazujr c na podstawach procesów technologicznych sporzr dzania mieszanek gumowych do sporzr dzania mieszanek polimerowych z plastomerów stosuje siu podobne techniki. Czu sto wykorzystywanym mieszalnikiem jest mieszalnik zamkniu ty, skł adajr cy siu z komory (Rysunek 3.2) z dwoma rotorami (gniotownikami) zamkniu tej od góry stemplem poprawiajr cym efektywnov mieszania. Dla ograniczenia procesów oksydacji skł adników kompozycji stosuje siu atmosferu ochronnr .
Kształ i rozmiar rotorów decydujr o wartov ciach sił c inajr cych oraz o intensywnov ci t przenikania siu potoków wsadu wu drujr cych wewnr trz komory. Optymalny stopiey wypeł nienia komory,
Rysunek 3.2. Schemat mieszalnika z rotorami
Sporzr dzanie mieszanin polimerowych
v
v Dw
Dw
v
lkp ehgnhn !0¢o(!%&%$m l!h¨¦¤¢ ke j i g fed v ¨ t v v v Cr v Dw v v Dw
u
t
4
Instytut In ynierii Materiał owej – Zakł Tworzyw Polimerowych ad temperatura jak i sama szybko dyspergowania jednego polimeru w drugim wsadu zale od warunków prowadzonego procesu mieszania jak i od konstrukcji mieszalnika. W pracach laboratoryjnych w celu zminimalizowania poniesionych nakł adów materiał owych mieszaniny polimerowe mo na wykonywa w ukł adzie mieszaj cym pł ytka-sto ek (Rysunek 3.3). Termostatowana komora mieszania wraz z wiruj cym sto kiem tworz ukł uplastyczniaj cy. ad Intensywno procesu mieszania jak i jako mieszanki polimerowej jest zale na od pr dko ci obrotowej sto ka jak i czasu przebywania wsadu w ukł adzie mieszaj cym.
N2
Rysunek 3.3. Schemat mieszalnika pł ytka-sto ek
Dla zmniejszenia skutków oksydacji stosuje si atmosfer ochronn .
4. Wykonanie mieszanek.
wiczenie obejmuje wykonanie dwuskł adnikowej mieszaniny polimerowej na bazie ada niemieszalnych polimerów. wiczenie skł si z nast puj cych etapów: przygotowanie i zmieszanie skł adników mieszanki (dla mieszalnika zamkni tego okoł 50g masy cał o kowitej wsadu, dla mieszalnika pł ytka-sto ek 10g), dobranie parametrów procesu mieszania, wykonanie mieszanki, wykonanie próbek do bada i poddanie ich dalszej analizie.
5. Literatura
1. Rosł aniec Z., Ukł polimerowe o wł ciwo ciach elastotermoplastycznyh, Prace naukowe ady a Politechniki Szczeci skiej, Szczecin 1993 2. Jurkowski B., Jurkowska B., Sporz dzanie kompozycji polimerowych. Elementy teorii i praktyki, WNT Warszawa 1995
Sporz dzanie mieszanin polimerowych
} !0¢(!%&%$ !¨¦¤¢z } ~}| { D D
D
5
