48. Змішування сипких речовин, сипких та рідинних компонентів, розплавів пластмас

Смешение сыпучих веществ, сыпучих и жидких компонентов, полимеров или смесей в вязкотекучем состоянии

Смешение – это технологический процесс, применяемый для введения в полимер добавок, целенаправленно изменяющих его свойства, и гомогенизации композиции. Перед изготовлением изделий в полимеры, как правило, вводят стабилизаторы, красители, пластификаторы, наполнители, вспенивающие компоненты и другие добавки, которые необходимо равномерно распределить в массе полимера, т. е. произвести смешение. Смешение осуществляется преимущественно в несколько стадий. Сначала происходит распределение компонентов на макроуровне – при смешении сыпучих материалов или перемешивании твердых частиц с жидкостью. На последующих стадиях смешение протекает в расплаве, что обеспечивает получение более однородной массы на микроуровне. Смешение применяется не только для достижения равномерного распределения компонентов и получения изотропной массы, но и с целью изменения физического состояния смешиваемых компонентов (растворение, плавление) и обеспечения протекания химической реакции (перемешивание инициатора с мономером или отвердителя с полимером и т. д.).

В зависимости от исходного состояния компонентов различают следующие виды смешения:

– смешение сыпучих веществ, происходящее вследствие перемещения частиц под действием на систему механических сил или сжатого воздуха (создание псевдосжиженного слоя);

– смешение сыпучих и жидких веществ, осуществляемое при механическом воздействии;

– смешение жидкостей, протекающее в результате совместного действия молекулярной диффузии и механических сил;

– смешение полимеров в вязкотекучем состоянии, осуществляемое при механическом воздействии.

Кроме того, процессы смешения подразделяются на периодические и непрерывные, однако во всех случаях смешение является результатом воздействия механических сил на компоненты, находящиеся в рабочем объеме смесителя.

Смешение сыпучих веществ. Данный вид смешения применяется при окрашивании полимера, когда к бесцветному гранулированному или порошкообразному полимеру добавляется окрашенный полимер. В некоторых случаях в полимер вводят пигмент, опудривая гранулы полимера порошком пигмента, но при этом не достигается равномерное распределение пигмента и требуется последующее смешение на вальцах или в экструдерах. Сухое смешение обычно является первой стадией введения в полимер наполнителей или других твердых компонентов, а также вторичного сырья (измельченных отходов производства изделий).

Процесс смешения обычно производится в барабанных смесителях (рис. 11.1). При вращении барабана компоненты перемешиваются за счет циркуляции сыпучего материала. Под действием центростремительных сил частицы прижимаются к поверхности барабана и поднимаются на некоторую высоту, а затем падают вниз, вследствие чего достигается взаимное перемещение компонентов. Данный способ, несмотря на простоту, обеспечивает достаточно хорошее смешение, однако процесс длителен и сравнительно энергоемок. Для интенсификации процесса применяют смесители с мешалками. Под действием лопастей мешалок достигается вращение частиц материала и взаимное перемещение их в объеме смесителя, что позволяет быстро получить однородную смесь. Хорошее смешение обеспечивается в пневматических смесителях (рис. 11.2). После загрузки смешиваемых компонентов в корпус 1 через патрубки под решетку 2 подается сжатый воздух, частицы переходят в псевдосжиженное состояние, и происходит интенсивное перемешивание компонентов.

Процесс является непрерывным, так как через боковые патрубки можно непрерывно подавать компоненты и отводить готовую смесь. Для интенсификации смешения предусматривается дополнительный ввод сжатого воздуха в трубу эрлифта. Недостатком данного процесса является необходимость очистки выходящего воздуха от частиц смешиваемых компонентов, для чего устанавливаются циклоны и фильтры.

Смешение сыпучих и жидких компонентов. В качестве жидких компонентов к полимерам добавляют пластификаторы, стабилизаторы, растворители, красители или перечисленные добавки, приготовленные в виде пасты. В том случае, если компонентов жидкой фазы очень мало, полимер добавляют небольшими порциями, проводят последовательное смешение до получения однородной массы. При приготовлении растворов обычно растворитель или пластификатор добавляют к полимеру по частям: вначале вливают 1/3 – 2/3 жидкости и перемешивают, а затем добавляют остальную часть и перемешивают окончательно.

При введении в порошкообразный или гранулированный полимер жидких компонентов вначале возможно слипание массы и прилипание ее к поверхности смесителя. Чтобы исключить это, смешение проводят в лопастных смесителях. За счет движения лопастей масса перемещается в пространстве и соскабливается со стенок смесителя. При этом обеспечивается равномерное взаимное распределение жидкой и твердой фаз. Как правило, такое смешение осуществляется в несколько стадий: например, сначала холодное смешение, а затем с подогревом массы; можно последовательно использовать различные смесители.

Смешение полимеров в вязкотекучем состоянии. Наиболее равномерное распределение компонентов достигается при смешении полимеров в вязкотекучем состоянии, т. е. при температурах выше температуры текучести. При этом процесс может проводиться как периодическим, так и непрерывным методом.

Наиболее распространенным периодическим методом смешения является вальцевание, когда гомогенизация достигается за счет многократного пропускания массы через зазор между вращающимися валками. Валки располагаются параллельно друг другу и вращаются в противоположные стороны с различной скоростью. Отношение окружных скоростей валков называют фрикцией.

Недостатком метода смешения на вальцах является значительная трудоемкость процесса, а также сильное термоокисление полимера вследствие длительного контакта расплава с кислородом воздуха.

Смешение компонентов в вязкотекучем состоянии можно также проводить в закрытых смесителях роторного типа или с помощью экструдеров. Для получения композиционных полимерных материалов обычно используют одно- или двухчервячные агрегаты, а также дисковые экструдеры.