Оборудование для смешения полимерных материалов

Смешение широко применяют в различных отраслях промышленности, в том числе в производстве и при переработке пластмасс. Известно, что в подавляющем большинстве случаев чистый полимер не обладает нужным комплексом свойств и не может использоваться для изготовления изделий. Поэтому смешение применяют для введения в базовый полимер пластификаторов, наполнителей, стабилизаторов, красителей, пигментов, противостарителей, структурообразователей и других добавок.

Процесс смешения можно осуществлять в системах твердое сыпучее вещество – твердое сыпучее вещество, жидкость – жидкость, твердое сыпучее вещество – жидкость.

Классификация смесителей для полимерных материалов

Применяемые в настоящее время в промышленности смесители для пластмасс можно классифицировать следующим образом: 1) по физическому состоянию исходных компонентов – смесители для сыпучих материалов (без изменения физического состояния), низковязких и высоковязких жидкостей, вязкоэластичных жидкостей (с изменением в процессе смешения агрегатного состояния смеси); 2) по характеру процесса смешения – смесители периодического и непрерывного действия; 3) по механизму процесса смешения – смесители конвективного, диффузионного и конвективно-диффузионного смешения; 4) по режиму процесса смешения – смесители турбулентного и ламинарного смешения; 5) по способу воздействия на смесь – смесители гравитационные, центробежные, сдвиговые; 6) по конструктивному признаку – смесители барабанные (без перемешивающих и с перемешивающими устройствами), с быстроходными, тихоходными, планетарными, овальными, Z-образными, червячными роторами, дисковые и т.д.

На практике при классификации смесителей определяющим обычно является признак физического состояния и конструктивный, хотя в ряде случаев, как это будет показано ниже, могут использоваться любые из перечисленных выше признаков.

Статистическая теория смешения

Смешение – это физический процесс, целью которого является получение однородной смеси, состоящей из двух и более компонентов. При этом начальное состояние системы характеризуется упорядоченным распределением компонентов, а конечное – неупорядоченным, статистически случайным распределением компонентов.

Для реализации процесса смешения смеситель должен обеспечить проведение по меньшей мере двух процессов: измельчения (диспергирования) одного из компонентов (например, при получении дисперсий несмешивающихся жидкостей), в некоторых случаях сопровождающегося изменением физического состояния компонентов (растворением, плавлением, поглощением); статистически случайного распределения ингредиентов по всему объему смеси.

В состав любой смеси обычно входят два или более компонентов. Компонент смеси, концентрация которого выше всех остальных, называется дисперсионной средой (ДС). Компоненты смеси, распределяемые в дисперсионной среде, называют диспергируемой фазой (ДФ). В многокомпонентных системах смешение рассматривается как процесс последовательного смешения каждого компонента по очереди с ранее приготовленной смесью, играющей роль дисперсионной среды.

Для статистической оценки качества процесса смешения необходимо ввести понятия «размер предельной частицы» и «размер пробы».

Предельная частица – это наименьшая по размеру частица ДФ, получающаяся в процессе смешения. Предельные частицы могут быть молекулярных, коллоидных, микроскопических и макроскопических размеров. В истинных растворах предельными частицами являются молекулы ДФ. Наибольших размеров предельные частицы достигают при сухом смешении порошков или гранул полимеров.

Размер пробы обычно определяется размером предельной частицы. Если размер пробы соизмерим с размером предельной частицы, то в отобранной пробе окажется сравнительно мало таких частиц, и по внешнему виду рассматриваемая смесь может быть отнесена к крупнозернистым смесям. Если размер пробы много больше размера предельной частицы, то экспериментатору будет казаться, что в пробе содержится много таких частиц, и рассматриваемая смесь будет отнесена к мелкозернистым смесям.

Для статистического описания смеси используют два статистически определяемых показателя: степень неоднородности (гомогенность смеси) и степень измельчения; первый характеризует изменение концентрации ДФ в объеме смеси, второй – изменение размера частиц ДФ.

Гомогенность смеси можно определить, рассматривая содержание ДФ в пробах смеси. Для простоты будем считать, что ДФ состоит из частиц одинакового размера, а дисперсионная среда является жидкостью, состоящей из одинаковых частиц, размер которых равен размеру частиц ДФ. Такое допущение позволяет ввести понятие «общее число частиц в пробе», складывающееся из числа частиц ДФ и числа частиц ДС. Это допущение может быть также применено при анализе сыпучих смесей, состоящих из частиц одинаковых размеров. Если в процессе смешения достигается случайное (беспорядочное) распределение частиц ДФ по всему объему смеси, то вероятность того, что в любой точке смеси содержится частица ДФ, определяется долей частиц ДФ в общем объеме смеси.