🎨 Смешение в расплаве: распределение, дисперсия и диффузия
Продолжаем разбирать качество расплава. Сегодня — о смешении. Когда расплав полимера смешивается с несмешивающимся дополнительным компонентом, расплав становится непрерывной фазой (матрицей), а дополнительный компонент — дисперсной фазой (дискретные области).
🧩 Два типа смешения (рис.a)
Распределительное смешение — равномерное пространственное распределение различных компонентов. Не требует высокого напряжения.
Диспергирующее смешение (дисперсия) — уменьшение размера компонента. Происходит только когда напряжение в расплаве превышает когезионную прочность компонента.
На практике оба типа смешения присутствуют одновременно.
💧 Если дисперсная фаза — несмешивающаяся жидкость (рис. b)
Форма доменов может быть сферической, цилиндрической или пластинчатой. Это зависит от объёмной доли, вязкости, эластичности и совместимости фаз, а также от интенсивности и типа смешения.
Жидкие домены разрушаются легче и становятся меньше, когда вязкость жидких доменов ниже, чем вязкость расплава полимера. Пример: масло в смазке легко измельчается, а смазка в масле — нет.
🔬 Если компоненты смешиваются (рис. c)
Происходит межмолекулярная диффузия на молекулярном уровне. Меньшие молекулы дополнительного компонента диффундируют в полимерную матрицу. Более крупные молекулы полимера диффундируют в дисперсную фазу с гораздо меньшей скоростью.
Смесь в конечном итоге становится однофазной с однородным составом. Скорость межмолекулярной диффузии увеличивается экспоненциально с ростом температуры, но практически не зависит от напряжения или скорости потока. Время достижения однородного состава уменьшается экспоненциально с ростом температуры или увеличением площади границы раздела.
📏 Как измеряют смешение?
Добавляют небольшое количество пигмента или наполнителя в поток сырья. Экструдат, выходящий из фильеры, спрессовывают в тонкую пленку. С помощью оптического микроскопа наблюдают распределение и размеры частиц пигмента или наполнителя. Различные части экструдата исследуют на равномерность смешения.
Разные части экструдата получают разное количество механической обработки при прохождении через шнек, достигая разных степеней смешения.
⚠️ Одношнековые экструдеры — неэффективны для смешения
Почему? Твёрдая пробка движется как твёрдое тело → смешения внутри пробки нет. Смешение достигается только за счёт сдвигового воздействия расплава полимера.
Распределительное смешение происходит из-за разных скоростей расплава в разных местах. Винтовые траектории потока внутри расплава (разбирали в постах на прошлой неделе) создают расщепление и перемешивание потока, что даёт хорошее распределительное смешение.
Диспергирующее смешение максимально в пленке расплава над твёрдой пробкой во время диссипативного плавления. Твёрдая пробка из гранул создаёт более высокое напряжение, чем пробка из порошков. Поэтому лучшее диспергирующее смешение достигается с гранулами, чем с порошками. Высокое напряжение также создаётся в расплаве над гребнем (в зазоре).
🛠️ Смесительные устройства
Статические смесители — устанавливаются в адаптере между шнеком и фильерой, без движущихся частей. Обеспечивают хорошее распределительное смешение (расщепление и перемешивание), но неэффективны в диспергирующем смешении (не создают высокого напряжения).
Динамические смесители — имеют движущуюся часть, приводимую шнеком. Создают высокое напряжение, расщепляют и перемешивают поток. Обеспечивают лучшее диспергирующее смешение, чем статические, а также хорошее распределительное.
🔧 Выводы
Смешение важно не только для многокомпонентных систем, но и для однокомпонентных полимеров, так как свойства многих полимеров изменяются в зависимости от степени сдвиговой деформации.
Для улучшения смешения в одношнековых экструдерах разработаны уникальные смесительные устройства.
В следующем посте — об эффективном времени пребывания.
#смешение #распределительноесмешение #диспергирующеесмешение #статическийсмеситель #динамическийсмеситель #экструзия #гомогенизация
