PPC系统

PPC系统（共5篇）

PPC系统 篇1

0 引言

枸杞烘干工艺直接影响烘干质量,而烘干工艺主要取决于枸杞的生物物理特性及干燥设备的特性。当烘干工艺确定后,就要依据烘干工艺分析控制需求,制定烘干工艺的实施策略。然后,依据控制策略设计控制系统,并编制控制软件。合理的控制系统不但能确保烘干工艺的精确实施,提高干果的品质和干燥热效率,降低枸杞的烘干成本和设备的成本,而且能提高系统的可靠性。

1 枸杞烘干窑温湿度控制系统硬件选配

根据烘干控制需求,枸杞烘干窑电气配置方案如图1所示。

1.1 上位机硬件配置

为了便于实现枸杞烘干窑的控制算法,上位机选择工控机。工控机是以电子计算机为核心的测量和控制系统,通常由传感器、过程输入/输出设备、计算机以及执行机构等部分组成。工控机具有较高的实时性、较好的工作环境适应性和较高的系统可靠性,并且效率高,成本低,维护方便,适合农副产品干燥作业场合。

枸杞烘干窑选用北京研华公司生产的“研华”工控机,它具有高可靠性的电源装置、高功率双冷风扇制冷系统、全钢标准机箱和减震加固压条装置,14个1SA总线插槽,能够适应生产环境要求。机箱适用于绝大多数插入式板卡,包括CPU卡、视频卡、磁盘监控卡和I0接口卡等,所有板卡均可方便地从机箱安装或更换。机箱采用无源底板的方式可降低死机的概率,简化查错过程,使升级简便并使整个系统更有效。所有的电子元件均采用模块化设计,维修简便。

1.2 下位机PLC的选型及模块配置

1.2.1 PLC的功用

PLC具有取代继电器控制、过程控制、位置、速度控制、数据监控和组成集散控制系统等功用。可以把PLC作为下位机,与上位机的计算机共同组成集散控制系统。

1.2.2 PLC 控制系统的配置遵循的原则

PLC 控制系统的配置应遵循完整性原则、可靠性原则、发展性原则、继承性原则和经济性原则。

1.2.3 枸杞烘干窑PLC的选型及模块配置

1)CPU模块的选择。

根据枸杞烘干窑工作需求,控制系统开关量不超过40点,模拟量输入输出5点,所以可以选择Omron公司CP系列的小型机。本烘干窑选用的是Omron公司型号为CPM2A-40CDR-A的CPU模块。CPM2A在一个小巧的单元内综合各种性能,包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、模拟量设定和时钟功能等。CPM2A单元又是一个独立单元,能处理广范围的机械控制应用,所以它是在设备内用作内装控制单元的理想产品,其完整的通信功能保证了与个人计算机、其它Omron PC和Omron可编程终端的通信。

2)模拟量模块的选择。

Omron公司对CPM2A模块提供了3种模拟量模块,即CPM1A-MAD00,CPM1A-MAD01和CPM1A-MAD02。根据枸杞烘干窑工作需求,模拟量模块需要提供两路AD和3路DA,为此选择一块CPM1A-MAD02。这种模拟量模块有4 路模拟量输入,2路模拟量输出以及1块CPM1A-MAD01,2路模拟量输入,1路模拟量输出。

3)可编程终端模块的选择。

Omron 公司提供的MPT002是一种微型可编程终端,用于工厂自动化设备的现场监控。其主要作用有:实时监视系统和设备的运行状态;现场设定设备运行的参数;及时报告设备的故障和解决方法。

可编程终端与PLC通过RS232总线与端口COM1连接,同时外设端口COM2可连接PC,如图2所示。

1.3 变频器的选配

1.3.1 变频器的功用

变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源,以实现电机的变速运行的设备。其中,控制电路完成对主电路的控制,整流电路将交流电变换成直流电,直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波,逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于(如矢量控制变频器)需要大量运算的变频器来说,有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。

1.3.2 变频器选型依据

1)采用变频的目的;

2) 变频器的负载类型;

3)变频器与负载的匹配问题;

4)在使用变频器驱动高速电机时,由于高速电机的电抗小,高次谐波增加导致输出电流值增大,因此用于高速电机变频器的选型,其容量要稍大于普通电机的选型;

5)对于一些特殊的应用场合(如高温、高海拔),会引起变频器的降容,变频器容量要放大一挡。

1.3.3 枸杞烘干窑变频器的选型

枸杞烘干窑需要2台3kW变频器,分别控制冷风机和热风机,1台0.55kW的变频器控制热风炉的鼓风机。经比较,选用日立公司生产的SJ100系列变频器。SJ100系列变频器的性价比较高,其主要性能有:参数设定使用方便;内置RS-422通讯接口,可与PC及现场总线扩展模块进行通讯;16种可编程的速度级别;电机参数可编程或通过自动调节设置。

1.4 风门执行器的选配

根据枸杞烘干窑的工作需求,窑体上部的排湿口需要根据温湿度的情况打开或关闭。为此选择西门子的开关型的风门执行器。

2 枸杞烘干窑内温湿度控制系统设计

一般来说,PLC系统设计的总体原则是最大限度地满足被控对象的控制要求,并在此前提下,力求使控制系统简单、经济,用户使用和维护方便,保证系统的安全性和可靠性,使之有一定的可扩展性。

2.1 控制系统设计步骤

1)根据枸杞烘干窑的工作原理画出任务框图,见图3所示;

2)画出枸杞烘干窑内温湿度控制系统的状态流程图,见图4所示;

3)编写变量表分配变量地址;

4)在CXP平台下编写PLC程序;

5)调试程序。

2.2 Omron PLC编程软件及其应用

本系统采用OMRON公司的CPM2A(PLC)。该机配置有编程器接口和串行接口,所以既可以通过编程器接口,又可以通过串行接口进行程序输入等工作。通过串行接口输入程序,需要在上位机上安装专用开发编程软件。许多PLC生产商开发了这类软件,如SIEMENS公司的SIMATIC STEP 7以及OMRON公司的CXP等软件。CXP软件可适用于OMRON公司的全系列PLC。

2.3基于Controlx2000组态软件的上位机监控界面的设计

基于Microsoft Windows 98,Windows 2000,Windows NT操作系统的ControX2000软件包,内部采用真正的Client/Server体系结构,用户在企业所有层次的各个位置上都能够及时获得系统的实时信息,无论是在控制现场,还是在办公室内,都可以进行交互式的操作,让操作者和管理人员做出快捷有效的决策。

2.3.1 上位机监控软件设计的需求分析

1)监控软件的功能或行为需求:

与PLC的数据通信稳定可靠;有用户管理功能、数据记录功能、打印功能、报警功能和系统管理功能;安全性、可靠性和稳定性要高。

2)软件界面需求:

用户界面清晰美观,易于操作。

3)数据库需求:

能够自动记录枸杞烘干35h过程中的温度湿度采样数据,多余控制量也能够自动记录存储在数据库里。

4)用户操作需求:

用户操作应分为3个等级,初级操作不能对控制系统的进行操作,只能观察系统的运行;中级操作用户可对控制系统的进行操作,但不能对系统的运行参数作修改;高级用户既可以操作控制系统,又可以对系统的运行参数作修改。

5)工作环境需求:

监控软件必须保证连续工作60h内安全、可靠且稳定。

2.3.2 监控软件设计数据流模型

数据流模型如图5所示。

2.3.3 软件编码

用ControX2000组态软件开发的模块有用户管理模块、数据记录模块、温湿度曲线显示模块、历史趋势曲线存储模块、数据报表模块、报警管理模块和监控画面,如图6和图7所示。

2.3.4 软件测试

软件测试是为了发现程序中的错误,软件测试的过程也是程序运行的过程。大型软件系统的测试分为单元测试和综合测试两个阶段。

软件测试策略主要考虑如何把设计测试用例的技术组成一个系统的、有计划的测试步骤。从模块测试开始逐级向外扩展,直至整个系统测试完毕。根据枸杞烘干窑的需求分析,画出测试流程图,如图8所示。

ControX2000是面向对象的开发平台,根据枸杞烘干窑的需求分析设计整个监控软件,最后设计好的软件控制界面如图9所示。

3 结束语

基于PPC系统的枸杞烘干窑温湿度控制系统于2006年6月被用于混合型太阳能枸杞烘干装置。运行结果表明,控制系统合理,既满足控制需求,又节能高效。

参考文献

[1]张增年.枸杞干燥温度的智能控制系统[J].农业机械学报,2002(6):132-134.

[2]王明空,何俊平.枸杞热风干燥工艺研究[J].食品科技,2005(2):22-23.

[3]李清泉.自适应控制系统理论设计与应用[M].北京:科学技术出版社,1990.

[4]贺国光.自适应控制系统[M].天津:天津大学出版社,1988.

PPC系统 篇2

东加里曼省总体为一轴向北东的复式背向斜, 走向与海岸线近于一致, 向南转为近南北向。断层较为发育, 走向为北西、北北西向, 少部分为北北东向、近南北向及近东西向。研究区位于印度尼西亚东加里曼丹省PENAJAM PASER UTARA县, 其东北、东南、西北至各煤层露头, 西南到探矿权边界, 东西长约10 km, 南北宽约9 km, 面积58.40 km2。

根据地表出露、钻孔揭露及区域资料, 研究区地层主要为新近系, 第四系覆盖于基岩之上。研究区基本形态为向斜构造, 轴向北东, 向北东仰起, 地层倾角约9°～24°, 已发现落差大于50 m的断层1条 (F5断层) , 落差0～20 m断层8条, 如图1所示。该地区总体为一宽缓向斜, 地层倾角不大, 落差较大断层较少, 发育一些小断层, 构造复杂程度属中等, 且没有发生岩浆岩侵入现象。

2 煤系特征及含煤性

2.1 含煤地层划分

KAMPUNG BARU组和BALIKPAPAN组为研究区的主要含煤岩系, 如图2所示, KAMPUNG BARU组含有本区主要可采煤层D煤。

2.1.1 KAMPUNG BARU组 (Tpkb)

上部为灰、褐灰色泥岩、粉砂岩为主, 夹数层灰色中厚层状细砂岩及薄煤;

下部为灰、褐灰、灰白色泥岩、粉砂岩和0、A、B、C、D五个煤组10余层薄～中厚层煤, 间夹3～4层浅灰白色分选较好的块状细砂岩, 其胶结差。

2.1.2 BALIKPAPAN组 (Tmbp)

砂岩和粘土岩夹砂质泥岩、页岩、石灰岩和煤层。石英砂岩呈白至微黄色, 厚度1～3 m。钙质砂岩:褐色、薄层状和透镜状, 厚度20～40 cm, 含少量的有孔虫化石夹含碳物质。粘土岩为暗灰色, 局部地区发现含有氧化铁和残留物, 而其他地区主要是含碳的砂岩。含钙泥岩:薄层状、褐色, 含砂石灰岩含大量有孔虫类、软体动物贝壳类及珊瑚等动物骨骼残体, 为生物碎屑灰岩。该地层顶部稳定分布的1～2层含生物碎屑泥灰岩, 厚度2.20～12.90 m, 平均6.62 m, 其中还发育下分层, 厚度4.50～6.00 m, 其间为厚8.45～12.00 m的含炭质细砂岩, 含少量棕褐色油页岩。

2.2 研究区主要含煤性

本区含煤地层为KAMPUNG BARU组和BALIKPAPAN组, 钻探工程揭露含煤地层平均总厚40.54 m, 煤层平均总厚3.32 m, 含煤系数8.19%。KAMPUNG BARU组厚0～411.55 m, 平均厚311.53 m, 在该组下部含0、A、B、C、D一共五个煤组, 煤层均厚3.29 m, 含煤系数9.66%, 如表1所示。

2.3 研究区煤层对比

BALIKPAPAN组顶部的泥灰岩, 其层位和厚度稳定, 是进行煤层对比的理想标志层。该泥灰岩为灰色, 块状, 粉砂质～泥质结构, 泥钙质胶结。结构相对松散, 含大量珊瑚、海螺、有孔虫类、贝壳等海相动物碎屑化石, 为生物碎屑泥灰岩。厚度2.20～12.90 m, 平均6.62 m, 局部还发育下分层, 厚度4.50～6.00 m。

研究区KAMPUNG BARU组D煤层测井曲线特征明显, 可作为煤层对比的辅助标志, 如图3所示。D煤层长源距曲线呈上下高, 中间低的燕尾状, 此特征不论煤层厚薄均存在。

2.4 可采煤层的划分

本区揭露的可采煤层为KAMPUNG BARU组的0、A、B、C、D煤层, 其中A、B、D煤层为主要可采煤层, 0、C煤层为局部可采煤层。

D煤层位于KAMPUNG BARU组底部, 煤层底板下距BALIKPAPAN组顶部泥灰17.00～31.40m, 平均间距22.56 m。研究区内D煤层厚0.60～5.70 m, 平均厚3.43 m, 向斜轴部较厚, 两翼较薄。D煤层厚度较稳定, 一般在2～5 m, F5断层以西厚度2～3 m, F5断层以东厚度较大, 多在4m以上。靠近煤层露头处厚度较小, 一般小于2m。D煤层仅有两个不可采点, 可采性指数0.99, 变异系数33%, 属基本全区可采的较稳定煤层, 其为本区的主要可采煤层。

研究区内D煤层顶板以泥岩为主, 少部分为粉细～中砂岩, 砂岩顶板多分布于F5断层以东。D煤层底板也以泥岩为主, 少部分为粉细～中砂岩, 砂岩也多分布于F5断层以东。由于成岩时间短, 岩层胶结很差, D煤层顶底板极易风化, 呈泥、砂状。D煤顶板砂岩、泥岩或炭质泥岩均属软岩不稳定性顶板;直接底板炭质泥岩为极软岩不稳定性底板, 细砂岩、粉砂岩为不稳定性底板。

B煤层位于KAMPUNG BARU组下部, 煤层底板下距D煤34.20～44.10 m, 平均间距27.33 m。在B煤与D煤之间有一薄煤 (C煤) 。区域内B煤层厚0.20～3.00 m, 平均厚度1.13 m, 可采性指数0.54, 变异系数74%, 不可采区位于向斜西北仰起端的煤层露头附近, 属大部可采的较稳定煤层。B煤层含夹矸0～7层, 东北角煤层结构复杂, 其余多为单层结构。煤层的最下分层一般较厚, 夹矸多为炭质泥岩、泥岩。研究区内B煤层顶、底板均以泥岩为主, 极少部分为粉细～中砂岩, 有时有炭质泥岩伪顶或伪底。

A煤层位于KAMPUNG BARU组下部, 煤层底板下距B煤5.10～14.40 m, 平均8.96 m。A煤层厚煤厚0.10～2.36 m, 平均厚度1.40 m, 可采性指数0.79, 变异系数39%, 不可采区位于向斜西北仰起端的煤层露头附近, 属大部可采的较稳定煤层。A煤层含夹矸0～3层, 东北角煤层结构复杂, 其余多为单层结构。夹矸多为炭质泥岩、泥岩。A煤层顶、底板均以泥岩为主, 极少部分为粉细～中砂岩, 有时有炭质泥岩伪顶或伪底。

3 煤质特征

本区各煤层的物理性质较为相似, 颜色为深褐～黑色, 棕色条痕, 玻璃光泽, 参差状断口, 条带状结构, 内生裂隙较发育, 性脆易碎, 为暗淡型煤, 本区煤质属为褐煤。本次研究共采集27个煤样, 进行了煤质化验, 首先根据煤样的代表性和可靠性对数值异常样品进行筛选, 然后进行统计分析。

3.1 水分

A煤原煤内在水分含量在14.98%～15.31%之间, 平均为15.15%;B煤原煤内在水分含量在12.51%～14.11%之间, 平均值为13.29%;D煤原煤内在水分含量在9.57%～14.98%之间, 平均为12.74%, 水分含量均较高。这主要是因为褐煤的煤化度较低, 煤的内表面积大, 含氧量高, 极性基团多, 能吸附较多的水分所致, 但对煤的开采利用影响不大。

3.2 灰分

A原煤灰分在4.98%～10.27%之间, 平均7.63%;B原煤灰分在4.01%～8.32%之间, 平均6.40%;D原煤灰分在3.40%～13.29%之间, 平均7.03%, 均为低灰分煤。

3.3 发热量

A煤空干基发热量值在20.88～22.25 MJ/kg之间, 平均21.56 MJ/kg;B煤空干基发热量值在21.42～24.86 MJ/kg之间, 平均22.93 MJ/kg;D煤空干基发热量值在19.58～24.64 MJ/kg之间, 平均22.53 MJ/kg, 发热量较高。一般煤的灰分产率与发热量高低呈反比[1,2], 该区煤层煤的灰分产率与发热量关系亦均符合此规律。

3.4 挥发分

A煤原煤挥发分含量在38.02%～39.91%之间, 平均38.97%;B煤原煤挥发分含量在40.89%～43.42%之间, 平均42.52%;D煤原煤挥发分含量在37.70%～46.08%之间, 平均41.79%, 数值相对较高。

3.5 全硫与磷

本区各煤层原煤硫分含量在0.21%～0.42%之间, A、B、D煤层原煤硫分含量平均值分别为0.41%、0.31%、0.33%, 均为特低硫煤;根据国家标准GB/T 20475.1-2006中的规定, 特低磷煤为煤中磷含量低于<100×10-6, 各煤层磷分含量均在0.001%～0.004%之间, 为特低磷煤。

4 结论

确定该研究区含有两套含煤岩系, 即KAMPUNG BARU组 (Tpbk) 和BALIKBABAN组 (Tmbp) , 且KAMPUNG BARU组含0、A、B、C、D五个煤组, 其中A、B、D三层煤为本区主采煤层;该区含煤地层平均总厚40.54 m, 煤层平均总厚3.32 m, 含煤系数8.19%, 可采煤层分布范围广, 适合煤层的开采;该区煤层一般含有较高的水分, 较低的灰分产率, 较高的挥发分和发热量, 全部煤层均为特低硫、特低磷煤。

摘要：通过对印尼PPCⅠ区域内的地层进行勘查, 划分出此区域的两套含煤岩系, 并介绍其岩性特征, 确定出该地区的主要标志层, 进行了煤层对比, 大致确定可采煤层为KAMPUNG BAR U组的A、B、D煤层, 判定此煤类为褐煤, 并阐述了印尼PPCⅠ地区的含煤性与煤质特征。

关键词：PPCⅠ地区,含煤性,煤质特征

参考文献

[1]刘治青.煤中灰分与发热量相关性和回归方程[J].山西焦煤科技, 2006 (4) :13-14

PPC系统 篇3

一、基于holon的CAPP/PPC集成模型

“holon”是希腊词“holos” (意思是整体、全部) 和后缀“on” (意思是部分) 的组合, 每一个holon是既独立又协作的完整的个体, 相对于上层组织是具有协作特性的部分, 相对于下层组织是具有自律性的整体, 协作性和自律性构成了holon最基本的两个属性。基于holon思想的CAPP/PPC集成模型包括如下模块:

CAPP holon:包括初步工艺计划holon和非线性工艺规划holon, 包括综合工艺信息、设备工艺信息、零件工序构成信息、产品零件构成信息、产品种类信息, 用于实现产品的工艺设计。PPC holon:包含定单holon和资源holon, 其中订单holon拥有关于生产订单和生产任务的知识, 包括订单的组织、处理、分解信息以及相应的功能, 用于实现订单处理、生产调度、加工进度监视、作业计划调整、制造任务或作业过程的开始、中止、继续和停止等制造功能;资源holon拥有源于制造资源的组织、使用和控制方面的知识, 包括车间设备对应信息, 设备工序对应信息, 物料资源信息及人力资源信息, 提供企业的制造能力, 用于实现企业各种制造资源的监控、分配、组织、使用和控制。

二、色织企业非线性工艺规划的描述

在生产过程中, 结合非线性工艺规划方法, 首先, 初步工艺计划holon根据主生产计划holon提供的订单信息及资源holon提供的企业制造资源信息制定初步工艺设计方案并提供给主生产计划holon, 主生产计划holon根据此方案及资源信息产生企业主生产计划;然后, 非线性工艺规划holon根据企业制造资源信息制定非线性工艺规划方案并提供给车间作业holon, 车间作业holon根据车间加工能力等信息产生总体优化的车间生产计划。

在集成系统中, 为了便于在各个holon之间进行信息的传送、识别和处理, 采用一种逻辑语言描述工艺计划过程模型, 色织企业主要工序的非线性工艺规划可描述为process (原纱, or (筒染, 轴染, 配轴染色) , 上浆, 穿综插口, or (剑杆织机, 比喷织机, 比多织机, 日喷织机, 多臂织机) , 后整理) , 其中, process () 关系中的单元按从左至右方向完成, or () 关系中的单元有且只有一个被执行。

三、基于非线性工艺规划的CAPP/PPC集成过程中的资源决策

在非线性工艺规划中, 包括两类资源选择问题:同一加工特征利用不同的加工方法实现;同一加工特征利用一种加工方法实现, 但可以选取不同类型的设备加工。这两类问题都涉及到同一工序可能对应多个设备, 这就需要资源holon根据车间实际情况, 对每一工序对应的车间设备进行优先级排序, 使得订单holon能够选择最优的设备资源。

在资源决策过程中, 资源holon首先确定加工该批量产品相对应的设备加工能力, 然后根据车间计划系统反馈的加工资源实际情况, 确定车间中满足加工能力的设备, 最后根据设备能力及实时状态计算车间每一个可用设备的优先指标。具体过程及方法如下:

基于得到的设备相对加工能力, 以及排队时间、准备时间等动态因素, 确定适合该加工特征的每一类型设备的优先指标ij= (j=1, 2, …, n) , ij可以通过优先指标矩阵I计算得出。

C是由满足非线性工艺规划确定的加工能力的车间设备构成的能力需求满足矩阵, 它是由1和0构成的对角矩阵。如果第j个设备满足加工要求, 则cij=1 (j=1, 2, …, n) , 否则为0。cij对应第j个加工工序的设备类型。

S=[s1…sj…sn]T, 是由满足加工能力的每一类型设备的相对加工能力指数mj、准备时间指数rj、排队时间指数qj得到的设备状态矩阵, 其中sj=1÷ (mi+rj+qj) , mj、rj、qj分别表示第j个类型设备的相对加工能力、准备时间、排队时间。

利用上述方法, 通过资源选择模块就可以得到满足某一加工特征要求的多个加工设备, 然后根据这一加工特征的优先指标矩阵I选择优先级别高的设备安排加工。

四、结论

本文建立基于holon思想的CAPP/PPC集成模型, 提出此种集成环境下的色织企业的资源选择方法, 改善了设备负荷不均和调度瓶颈问题, 大幅度提高了CAPP系统产生的工艺计划的可执行性。

摘要：分析了色织企业的生产及工艺特点, 将holon思想引入到CAPP与PPC的系统集成中, 建立基于holon思想的CAPP/PPC的集成模型, 并结合非线性工艺规划方法, 讨论了色织企业工艺规划描述, 提出了holon思想下的CAPP与PPC集成过程中的资源决策方法。

关键词：色织企业,holon,CAPP/PPC集成,资源决策

参考文献

[1]唐任仲狄瑞坤:合弄及其在制造领域中的应用[J].系统工程理论与实践, 1999, 19 (3) :67～70

PPC系统 篇4

淀粉是一种天然高分子材料,具有来源广泛、价格便宜、亲水、可生物降解且可再生等诸多优点。将PLA和淀粉进行共混改性不失为一种简单易行的好方法。但原淀粉颗粒不具备热塑性,淀粉与PLA共混体系为热力学不相容体系,亲水性树脂和憎水性PLA基体之间的界面结合力很差,且二者的简单共混膜力学性能很差。所以有必要添加第三组分来有效的提高它们之间的界面结合力[3]。二氧化碳共聚物脂肪族聚碳酸酯(PPC)是聚酯高聚物的重要分支,在自然环境中可完全分解成水和二氧化碳,显示出不同于其他传统塑料的性能。将PPC加入到PLA-淀粉的共混体系,不仅可以改变其共混体系的相容性还可以提高PLA的生物降解速度[4]。

本研究主要介绍了一种采用溶液共混的方法,通过用PPC、改性淀粉对PLA改性,制备出具有良好韧性的PPC/PLA/淀粉共混薄膜,并对其拉伸性能进行了测试研究。

1 实验部分

1.1 实验药品

PPC粉末:蒙西集团公司;PLA粒料:深圳光华伟业公司;丙三醇、聚乙二醇200、聚乙二醇400、聚乙二醇600、三氯甲烷:化学纯试剂,北京化工集团公司;玉米淀粉:北京兴沧工贸有限公司。

1.2 测试仪器

电子拉力测试机,DXLL-300,上海化工机械四厂

1.3 淀粉的改性

淀粉与增塑剂(丙三醇、聚乙二醇等)按照一定比例加水充分糊化后,在95℃下干燥24h后粉碎,待用。

1.4 共混膜的制备

按配方分别称取PPC、PLA与改性淀粉,加入三氯甲烷,回流温度下搅拌1h,使之完全溶解。

1.5 成膜

将成膜液在聚氯乙烯基板上流涎成膜,静置空气中,待其干燥后揭膜。

1.6 拉伸性能测试

采用拉伸力学试验研究共混物薄膜的拉伸性能,包括拉伸强度与断裂伸长率。拉伸速度20mm/min。

2 结果与讨论

2.1 PPC含量对PLA-PPC共混膜拉伸性能的影响

PLA和PPC都是脂肪族聚酯,链结构有相似之处,因此存在一定相容性。实验表明,两者在共溶剂三氯甲烷中易于共混,共混膜显微观察下无相分离。但室温附近PLA呈玻璃态,硬而脆,拉伸强度为7.43MPa,断裂伸长率为57.7%,而PPC软而弱,拉伸强度仅为1.72MPa,断裂伸长率却为135.6%。PPC的混入对共混膜的力学性能有明显影响。图1和图2分别为PLA-PPC共混物的拉伸强度和断裂伸长率与PPC含量的关系。如图1、图2所示,随PLA-PPC共混膜中PPC质量百分含量的增加,膜的拉伸强度降低,断裂伸长率增加。当PPC含量增加到共混膜总质量的10%以上,共混膜的拉伸强度即明显降低;当PPC含量达到30%时,共混膜的拉伸强度为4.38MPa,比纯PLA膜降低约22.6%,断裂伸长率为73.11%,比纯PLA膜增加约26.8%。这说明加入PPC是改善PLA塑性的有效方法,且两者易于相容,可利用PPC对PLA进行增塑;但PPC用量须控制在一定范围内,否则会使PLA的的强度损失过多。

2.2 糊化淀粉中甘油用量对PLA-PPC共混膜拉伸性能的影响

亲水性的原淀粉与聚酯不相容。原淀粉中的结晶结构不利于淀粉颗粒在聚酯中的分散。淀粉糊化时加入甘油能够降低淀粉的结晶度,有利于增强淀粉相与树脂相界面间的粘结性。因此本实验先将淀粉用水和甘油进行预糊化处理后,再与PLA、PPC进行三元共混。三元共混组分配比表示为W,即PLA∶PPC∶淀粉的质量比。实验表明,预糊化过程中甘油的用量对三元共混膜的力学性能有一定影响。图3和图4分别为糊化中甘油/淀粉质量比与三元共混物拉伸强度和断裂伸长率的关系。如图3、图4所示,随着糊化过程中甘油与淀粉质量比由1/10增加到5/10,三元共混膜的断裂伸长率呈现先增大后减小的趋势;而拉伸强度在甘油含量较低时变化不大,当甘油含量较高时下降明显;当甘油与淀粉质量比为3/10时,共混膜的拉伸强度及断裂伸长率均相对较高。但是,分别将图1、图2中PPC含量为30%的数据依次与图3、图4中系列1(三元组分质量比为60∶20∶20)的数据进行比较(此时,PLA与PPC的质量比与系列1中相近),发现对于PLA与PPC质量比相近的两种共混膜,改性淀粉的加入使其拉伸强度和断裂伸长率都有所降低。同时,对共混膜的显微观察表明,预糊化淀粉与聚酯的共混体系中糊化后的淀粉呈细小颗粒状均匀分散在聚酯连续相中,共混体系的分散状态虽比原淀粉与聚酯共混体系有所改善,但体系仍存在相分离。

这是由于亲水性的淀粉与疏水性的聚酯热力学不相容,淀粉的加入破坏了聚酯相的连续性,使共混体系强度和断裂伸长率均下降。甘油作为一种小分子多羟基醇,在淀粉预糊化时扩散到淀粉分子链间,破坏淀粉链内/间氢键,从而降低了淀粉大分子间作用力,有利于打破淀粉颗粒结构。因此甘油的存在能使淀粉分子更易于分散,但并不能从本质上改变淀粉与聚酯不相容的状态。同时,甘油分子在共混体系中的存在还能提高淀粉相及聚酯相部分链段乃至整个大分子链的活动性,对于淀粉和最终的共混体系都起到增塑作用,从而改善共混膜的塑性。当体系中甘油含量较低时,这种塑化作用可能不充分;随着甘油量的增加,塑化趋于充分,表现为共混膜的断裂伸长率提高。但甘油量过多可能导致大分子间作用力减弱,材料的强度降低,并且甘油作为小分子增塑剂在共混膜表面明显渗出。

(系列1和2依次代表W=60∶20∶20和60∶10∶30的共混物)

(系列1和2依次代表W=60∶20∶20和60∶10∶30的共混物)

3 结论

通过溶液共混的方法,用PPC、改性淀粉对PLA改性,制备出具有韧性改善的PLA/PPC/改性淀粉共混薄膜,并对其拉伸性能进行了测试研究。分析测试结果显示,三组份质量比对于断裂伸长率这一性能具有显著的影响。随着PPC组分的增加,提高了共混膜的断裂伸长率,增强了其韧性,但是加入量较大时会降低共混膜的拉伸强度,因此应控制其加入比例,一般PPC/PLA应小于3/7。加入用甘油改性后的淀粉,主要作用是降低了成本,但对于拉伸性能有些负面贡献,这种副作用比未改性的原淀粉加入时的副作用小得多,试验结果表明,加入30%甘油对淀粉进行糊化,对淀粉改性效果较好PLA/PPC/改性淀粉(甘油/淀粉=3∶7)三组份质量比为60∶20∶20的三元共混膜具有良好的断裂伸长率,达到增韧效果,同时拉伸强度并未下降太多。

参考文献

[1]邹君,凌秀琴.可生物降解性高分子材料—聚乳酸[J].广西化纤通讯,2000,(2):35-38.

[2]张志永,冯钠等.生物降解材料—聚乳酸改性研究进展[J].橡胶技术与装备,2007.33(7):38-41.

[3]杨斌.绿色塑料聚乳酸[M](第一版).北京:化学工业出版社,2007:10.

PPC系统 篇5

关键词：复合材料,聚碳酸亚丙酯,纳米碳酸钙,钛酸酯偶联剂,马来酸酐

聚碳酸亚丙酯 (PPC) 是由二氧化碳和环氧丙烷共聚得到的脂肪族聚碳酸酯[1]。PPC具有优良的生物降解性、气体阻隔性, 在食品和医用包装材料等方面有重要的应用前景[2]。然而纯PPC力学性能和热稳定性较差, 应用受到一定限制。向PPC中添加纳米碳酸钙[3], 使用MA对PPC封端[4]能有效的提高PPC的机械性能和热稳定性。但由于纳米碳酸钙粒径小, 表面能高, 极易团聚, 大量填充将导致与聚合物基体结合力差, 纳米材料的优势得不到应有的发挥[5,6]。使用偶联剂对纳米碳酸钙表面改性可以提高与聚合物的相容性, 材料的冲击强度和其他一些力学性能得到提高[7]。

1 实验部分

1.1 主要原料

PPC:BioCO2TM 100, 蒙西高分子材料有限公司;纳米CaCO3:SN-5300, 福建三农碳酸钙有限公司;MA:分析纯, 天津市科密欧化学试剂有限公司;钛酸酯偶联剂:YDH-201, 南京裕德恒精细化工有限公司。

1.2 主要设备及仪器

转矩流变仪:RM200A, 哈尔滨哈博电气制造公司;塑料压力成型机:SL-6, 哈尔滨特种塑料制品有限公司;电子万能试验机:RGT-20A, 深圳市瑞格尔仪器有限公司;冲击试验机:XJC-5, 承德精密试验机有限公司;扫描电子显微镜:QUAN-TA200, 美国FEI公司;旋转蒸发器:R205, 上海申胜生物技术有限公司。

1.3 试样制备

1.3.1 纳米CaCO3的表面改性

纳米CaCO3与钛酸酯偶联剂按一定的质量比加入到无水乙醇中, 混合物超声分散一段时间, 然后使用旋转蒸发器蒸除乙醇, 粉体经60℃真空干燥12h, 机械粉碎备用。

1.3.2 纳米CaCO3/PPC复合材料的制备

将经60℃真空干燥12h的PPC与一定量的MA在转矩流变仪中混炼2~3min左右, 再添加一定配比的纳米CaCO3混炼。在一定温度, 压力下热压成型, 冷却后制成标准试样。

1.4 性能测试

拉伸强度按GB/T1040-1992测试;弯曲强度按GB/T9341-2000测试;缺口冲击强度按GB/T 1843-1996进行测试;每组试样测5次, 取平均值。SEM分析:试样在液氮环境下淬断, 断裂面表面喷金, 加速电压15kV。

2 结果与讨论

2.1 钛酸酯偶联剂含量对纳米CaCO3/PPC复合材料力学性能的影响

钛酸酯偶联剂可以通过醇解反应在无机填料的表面形成分子层, 在聚合物和无机填料之间形成架桥, 从而将极性差别很大的填料和树脂结合起来[8]。纳米CaCO3表面存在许多羟基, 钛酸酯偶联剂能与其发生键合, 形成Ti-O-Ca键[5], 因此使用钛酸酯偶联剂改性纳米CaCO3可以提高其复合材料的力学性能。PPC 90份, 纳米CaCO310份时不同量的钛酸酯偶联剂与复合材料力学性能的关系见表1。

从表1可以看出, 拉伸强度和弯曲强度在钛酸酯偶联剂与纳米CaCO3质量比为2.0%时达到最大, 与未使用偶联剂改性制备的复合材料相比, 改性纳米CaCO3/PPC复合材料的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别提高了27.58%、46.63%和11.01%。偶联剂的用量和偶联效果并不成正比的关系, 这可能是由于偶联剂用量较少时, 不能完全包覆纳米CaCO3粒子, 起不到良好的偶联效果。用量过大时偶联剂在填料表面将形成多分子层, 造成了填料和树脂间界面结构不均匀, 反而降低了两者相容性, 导致复合材料的力学性能下降。因此, 钛酸酯偶联剂的用量以纳米CaCO3质量的2%左右为宜。

2.2 MA对纳米CaCO3/PPC复合材料力学性能的影响

使用MA对PPC封端不仅可以提高PPC的力学性能而且还可以抑制PPC大分子在高温下发生的主链断裂及从端基开始的解拉式降解[4]。纳米CaCO3添加量为30%时考察了不同含量的MA与纳米CaCO3/PPC复合材料力学性能的关系, 结果见表2。

从表2可知, 纳米CaCO3/PPC复合材料的拉伸强度和弯曲强度随着MA含量的增加呈现先增大后减小的趋势, 冲击强度则变化不大。MA与PPC的质量比为0.8%时, 纳米CaCO3/PPC复合材料的力学性能最佳。这与文献MA/PPC不超过1/99相符[9]。少量的MA可以提高纳米CaCO3/PPC复合材料的力学性能, 但MA含量过大时, MA的均聚反应与封端反应相互竞争, 导致封端率降低, 复合材料的力学性能呈下降趋势。

2.3 钛酸酯偶联剂与MA对纳米CaCO3/PPC复合材料力学性能的影响

2.3.1 拉伸强度

图1、图2为不同含量的纳米CaCO3、改性纳米CaCO3填充PPC、PPC-MA制备复合材料的拉伸强度及断裂伸长率曲线。从图1可以看出, 填料含量相同时使用MA封端PPC或钛酸酯偶联剂改性纳米CaCO3均能显著提高其复合材料的拉伸强度。当填料含量为5%时, 改性纳米CaCO3/PPC-MA复合材料拉伸强度为34.23MPa, 与纯PPC (17.1MPa) 相比增加了100.2%, 这主要是由于MA对PPC封端提高了其分子量, 以及使分子间缠结密度增加[10];改性碳酸钙和聚合物之间形成了架桥, 增加了聚合物和填料之间的相互作用[11]。

改性、未改性纳米CaCO3均能使纳米CaCO3/PPC复合材料的断裂伸长率降低 (见图2) , 使用MA封端PPC后复合材料的断裂伸长率较未封端PPC复合材料的断裂伸长率更低, 这是因为MA能使PPC的缠结密度增加, 致使材料脆性增大。

2.3.2 弯曲强度

图3a可以看出, 复合材料的弯曲强度随填料含量的增加而增大。填料含量为50%时改性纳米CaCO3/PPC-MA复合材料的弯曲强度为21.52MPa, 与纯PPC弯曲强度 (1.37MPa) 相比提高了14.7倍。从图3b可知, 复合材料的弯曲弹性模量随纳米CaCO3含量的增加而增加。使用钛酸酯偶联剂改性纳米CaCO3与添加MA使复合材料的弯曲强度和弯曲弹性模量显著提高。这是因为在熔融加工时MA不仅可以对PPC封端扩链增加分子量而且还能够活化纳米CaCO3表面, 起到了相容剂的作用。改性纳米CaCO3可以在PPC、PPC-MA基体中较为均匀的分散, 提高其与基体的结合力。

▲—纳米CaCO3/PPC-MA;▼—改性纳米CaCO3/PPC-MA;■—纳米CaCO3/PPC;●—改性纳米CaCO3/PPC

▲—纳米CaCO3/PPC-MA;▼—改性纳米CaCO3/PPC-MA;■—纳米CaCO3/PPC;●—改性纳米CaCO3/PPC

2.3.3冲击强度

从图4可以看出, 随着填料添加量的增加, 复合材料的冲击强度呈先增加后减小的趋势。改性纳米CaCO3添加量为30%时的PPC-MA复合材料的冲击强度为1.32kJ/m2, 为纯PPC材料冲击强度 (1.09kJ/m2) 的1.2倍。一定量的纳米CaCO3填充PPC、PPC-MA可以提高复合材料的冲击强度。改性纳米CaCO3粒子能更均匀的分散在基体中, 与基体之间有较好的界面结合力。因而比未改性的纳米CaCO3有更好的增韧效果。纳米CaCO3/PPC复合材料中加入MA使分子间形成了许多物理交联点或缠结, 复合材料的冲击强度小幅提高。

2.4 SEM分析

从图5a中可以看出, 纳米CaCO3/PPC复合材料表面凹凸不平, 并且有较大的空隙, 填料和基体之间的界面粘合性差。而改性纳米CaCO3/PPC复合材料断面 (图5b) 中纳米CaCO3和PPC基体界面结合比较紧密。纳米CaCO3/PPC-MA复合材料 (图5c) 中纳米CaCO3比较均匀的分散在PPC基体中, 无明显界面。使用钛酸酯偶联剂和MA都能改善填料和基体的相容性, 这与力学性能分析的结果相吻合。

3结论

(1) 钛酸酯偶联剂用量为纳米CaCO3质量的2%时纳米CaCO3/PPC复合材料的力学性能较好。

(2) 适量的MA能提高纳米CaCO3/PPC复合材料的力学性能。

(3) 使用2%的钛酸酯偶联剂改性纳米CaCO3, 添加0.8%MA封端PPC制备的改性纳米CaCO3/PPC-MA复合材料的力学性能最佳。

(4) 使用钛酸酯偶联剂或MA时, 复合材料中纳米CaCO3与PPC界面结合比较紧密。

参考文献

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