О.Б. УШАКОВА
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА СМЕШЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ
Учебно-методическое пособие
Для студентов, обучающихся по направлению подготовки 18.03.01 «Химическая технология» профиль «Технология
И переработка полимеров» и направлению подготовки 18.04.01 «Химическая технология», магистерская программа «Химическая технология переработки пластмасс и композиционных материалов»
Москва МИТХТ 2016
УДК 678.6: 678.05
ББК 35.71
У 93
Утверждено редакционно-издательским советом МИТХТ в качестве учебного пособия для студентов
Подготовлено на кафедре химии и технологии переработки пластмасс и полимерных композитов
Рецензенты: к.т.н. проф. Люсова Л.Р. и
к.т.н. доц. Чалая Н.М.
Ушакова О.Б.
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА СМЕШЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ
Учебно-методическое пособие
М.: МТУ, 2016. – 42 с.
ISBN 978-5-7339- © Ушакова О.Б., 2016
© МИТХТ, 2016
Введение
Смешение – это процесс, уменьшающий композицион-ную неоднородность системы.
Смешению подвергаются разные системы. В переработ-ке пластмасс наибольшее значение имеет смешение твердо-го порошкообразного вещества с вязкой жидкостью (распла-вом полимера или пластификатором) и смешение двух вяз-ких жидкостей, т. е. получение смеси полимеров. Эффек-тивность смешения определяется в большей степени тем, насколько мы овладели техникой смешения, нежели его тео-рией. Тем не менее, знание теории смешения позволяет пол-нее овладеть техникой этого процесса, т. е. обеспечить его наибольшую эффективность.
Виды процессов смешения
Смешение – это сложные физико-механический и фи-зико-химический процессы, связанные с воздействием сило-вых полей, перемещением исходных компонентов в объеме смесительного аппарата по сложным траекториям, с образо-ванием системы, характеризующейся статистически случай-ным распределением компонентов. При получении пласти-ческих масс в полимеры вводят наполнители, стабилизато-ры, пластификаторы, смазки, красители, пигменты и другие модификаторы и добавки. В состав смеси могут входить два и более исходных компонентов. Для многокомпонентных сме-сей процесс смешения можно рассматривать как смешение каждого последующего компонента с ранее полученной сме-сью. Процесс смешения может быть периодическим или непре-рывным.
Периодический процесс смешения заключается в за-грузке всех компонентов одновременно или в определенной последовательности в смеситель и их перемешивании в те-чение заданного времени до получения требуемого качес-тва материала, после чего он выгружается из смесителя. Этот процесс наиболее широко распространен в промыш-ленности переработки пластмасс.
По такому принципу работают смесители разных типов: барабанные, вихревые, роторные, валковые, смесители за-крытого типа Бенбери, а также различные типы мешалок. Такие смесители удобны в работе, позволяют легко менять последовательность введения компонентов и регулировать температуру.
Непрерывный процесс смешения наиболее прогрессив-ный и заключается в осуществлении смешения исходных компонентов в объеме аппарата под воздействием смеси-тельных органов, получении готового материала заданного качества смешения и непрерывной его выгрузке или полу-чения непрерывного изделия.
Для непрерывного смешения чаще всего используют экструдеры различных типов одно- и двухшнековые, осцил-лирующие и дисковые, модификаторы с различными типами смесительных насадок и др.
Значительный прогресс в технологии достигается при совмещении непрерывного процесса смешения с получени-ем готового длинномерного изделия, например методом экструзии. Непрерывное смешение обеспечивает высокую про- изводительность, хорошее качество смешения и высокую про-изводительность.
Различают два основных механизма смешения: прос-тое и дисnергирующее.
Под простым смешением понимают процесс, в ре-зультате которого происходит хаотически случайное рас-пределение частиц исходных компонентов в объеме без из-менения их начальных размеров.
Диспергuрующее смешение – это процесс смешения, который сопровождается изменением (уменьшением) на-чальных размеров частиц компонентов, связанный с их дроблением, разрушением агрегатов, деформированием и распадом дисперсной фазы и т.д. Основная задача диспер-гирующего – смешения разрушить агрегаты твердых частиц распределить их в объеме жидкого полимера.
Критерии эффективности и оценка качества смешения
Многообразие исходных компонентов, их агрегатно-го состояния, конструкций аппаратов для смешения, назна-чение смеси при получении пластических масс позволяет сделать принципиальный вывод об относительности поня-тия качества смешения.
В большинстве случаев процесс смешения предпо-лагает получение из исходной неоднородной смеси одно-родной, характеризующейся статистически случайным распределением компонентов в объеме. На рис. 1 показана картина перехода от абсолютно несмешанной исходной сис-темы (а) к статистически случайному распределению час-тиц диспергируемого компонента (черные точки) в объеме (6, в, г) дисперсионной среды (белое поле).
При идеальном статистическом смешении распреде-ление Р(х) доли диспергируемого компонента (х) вещества в отбираемых пробах подчиняется биномиальному закону:
Р(х)= 
, (1)
где N – суммарное число частиц двух фаз в пробе;
b – число частиц диспергируемой фазы в пробе;
q - относительное содержание диспергируемой фазы (q = b/N)
Рисунок 1 – Упорядоченное (1), неравномерное распределение (2,3) и случайное (4) распределение частиц в смеси.
Белые клетки на 2,3,4 поле – размер пробы; маленькая черная – размер частицы диспергируемого вещества.
Биномиальное распределение характеризуется определен-ным разбросом (среднеквадратичное отклонение содержа-ния диспергируемого компонента в пробах) или генеральной дисперсией (σ2).
Генеральная (теоретическая) дисперсия распределения определяется по формуле
σ2 = q (1 - q)/N (2)
Средняя концентрация частиц диспергируемой фазы в i-той пробе 
= 
(3)
Для реальных смесей за критерий качества смешения при-нимают значение дисперсии (S2), которое рассчитывают по концентрации диспергируемого компонента (сi) в отбираемых по ходу смешения пробах (не менее 10-25 проб):
S2 = 
, (3)
или 
(3а)
где М – число проб, Хi – концентрация частиц в i -той пробе.
Размер пробы должен быть большим по сравнению с размером частиц, но небольшим по отношению к объему сме-си. Рекомендуют минимальный размер пробы определять как:
Nмин = 9/q(1-q) (4)
Наибольшее распространение для оценки качества смешения получил коэффициент неоднородности (вариа-ции) смеси – Кс, который определяется экспериментально и рассчитывается как
, (5)
где Хо – концентрация частиц компонента при идеальном (предельном, теоретически равна заданной концентрации дис-персной фазы) распределении в смеси (Кс в этом случае →0);.
Хi – концентрация частиц компонента в i- той пробе.
Значение выбранного критерия качества меняется в процессе смешения и достигает своего предела, что харак-теризует получение предельного уровня качества данной смеси на данном оборудовании при заданных технологичес-ких параметрах смешения. Хорошее качество смешения, до-стигается при определенном минимальном значении дефор-мации сдвига (γ мин) при ламинарном смешении систем жидкость – твердый компонент, жидкость – жидкость, кото-рое равно для промышленного смесительного оборудования 800 – 3000. Так при смешении в смесителе Бенбери
γ мин = 800 – 1300, в экструдерах – γ мин = 1000 – 2100, на вальцах и каландрах – γ мин = 2100 – 2600.
Смешение высоковязких жидкостей (расплавы полимеров) происходит в результате деформирования компонентов при воздействии сдвиговых деформаций в рабочих органах машин, которое сопровождается их перемещением в объеме, вытягиванием диспергируемого компонента в полосы уменьшающейся толщины, увеличением поверхности раздела фаз и статистически случайным распределением исходных компонентов в смеси.
Реальное смешение расплавов полимеров с плотностью -103 кг/м3 и вязкостью 102 – 106 Па·с происходит в ламинар-ном режиме течения при критерии Рейнольдса менее 2320.
Одним из удобных методов оценки качества смеше-ния таких смесей является определение средней ширины полос между слоями одного и того же компонента..
Вытягивание и утонение полосы диспергируемого компонента удобнее рассматривать в зазоре между парал-лельными пластинами (рис. 3). В этом случае деформация сдвига равна
γ = L/ Н или γ = ctg φ. (6)
С деформацией сдвига средняя ширина полос (r) свя- зана соотношением
r = (r0 / γ q) (η1 / η2), (7)
где ro – начальная ширина полос; q – объемное содержание диспергируемой фазы; η1 и η2 – вязкость дисперсионной среды и дисперсной фазы.
С уменьшением толщины полосы улучшается качес-тво смешения. Средняя толщина полос с увеличением вре-мени смешения уменьшается и установлена ее связь с объ-емом смеси (V) и поверхностью раздела фаз (S):
r= 2V/S (8)
Задавая критерий смешения (I), можно рассчитать ми-нимальное значение деформации сдвига (γ мин) для его до-стижения в смеси с учетом вязкости исходных компонентов:
γ мин = 
(9)
Из приведенной зависимости следует, что при введе-нии малых количеств дисперсной фазы от доли до несколь-ких процентов, оптимальное значение деформации сдвига существенно возрастает. Достижение хорошего качества смешения требует большого времени.
Для равномерного распределения малых количеств компонента в смеси (пигмента) используют стадию предва-рительного получения концентрата, в котором содержится
до 30% об. дисперсной фазы, с последующим его введени-
ем в основной компонент.