纳米塑料配混用螺杆构型组合浅析

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-07-02 原文发表时间:2007-07-02 人气:1

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纳米塑料作为一种新型材料，其应用领域不断拓展。为了实现塑料纳米化常常采用配混的方法。双螺杆挤出机作为目前应用最广泛的配混设备，用于纳米材料配混时，对各段螺杆的构型组合有其特殊的要求。

纳米复合技术简介

使用无机粉体作为添加剂可以提高塑料的热变形温度、硬度、韧性、刚度和注模收缩等性能。聚合物经填充改性后得到的复合材料的力学及其他性能主要取决于填充粒子的形状、粒子尺寸、聚集尺寸、表面特性以及分散程度等。随着纳米技术在塑料改性技术中的应用，填充纳米粒子所得到的复合材料的性能优于填充常规细微粒子所得到的复合材料，而且填充纳米粒子还可以得到填充常规细微粒子所无法得到的诸如表面光滑度和改进的阻隔性等性能的改进。通常，填充少量的纳米级粒子或纤维材料就可以使聚合物性能得到极大提高。据资料介绍，添加0.3%体积容量纳米粒子的作用相当于加入30%体积容量的微米粒子。这也是近年来研究热点转向聚合物/纳米复合材料的原因。

通过对双螺杆螺纹元件合理的构型设计可以实现无机纳米粉体材料与聚合物的有效配混。
（相片提供 Photo Courtesy:南京永腾）

通常来说，聚合物填充改性的效果主要取决于所填充粒子的比表面积，因此具有很大的横纵表面积比的层状硅酸盐（粘土），如蒙脱石，在近年来纳米复合材料的研究中被普遍采用。聚合物/层状或片状无机纳米复合材料具有增强的强度、模量、热变形温度和阻隔性能。目前已经有部分产品投入工业化生产。但这种复合材料的断裂韧性较低，这就大大地限制了它的加工与应用。而无机纳米粒子填充聚合物除了具有增强作用外，还具有增韧作用，相对于填充层状硅酸盐来说，填充无机纳米粒子可以使聚合物得到更多方面的性能改进。

无机纳米粒子在聚合物基体中的均匀分散是提高纳米复合材料性能并减少纳米粒子填充量的关键所在。但由于纳米粒子间的团聚力很大，集聚很容易发生，要实现纳米粒子在聚合物基体中保持纳米级别尺寸并均匀分散是一个难点。目前通过对纳米粒子进行表面改性以降低纳米粒子的团聚力是一个可行的办法。但如果要进行大规模的工业化生产，通过熔融混合工艺使未改性的纳米粒子直接在聚合物基体中分散无疑是更为简单和经济的手段。但这同时也对加工设备提出了很高的分散和分布混合能力的要求。作为成熟的连续混合加工设备，单、双螺杆挤出机在聚合物加工生产中具有广泛的应用。由于啮合同向双螺杆挤出机具有良好的分布、分散混合能力，其积木式的螺杆和机筒组合具有极大灵活性，通过应用已有的各种混合元件，并结合近年来不断出现的新型高混合能力元件，进行合理的螺杆组合，可以大大提高挤出机的混合能力，并适应不同的混合目的。

啮合同向双螺杆挤出机

啮合同向双螺杆挤出机通常能提供足够的分散、分布混合，更好的温度控制，对材料摩擦系数的依靠性小，熔融速度相对较快，消灭了静止区域，具有良好的自洁性，因此啮合同向双螺杆挤出机广泛应用于基体树脂的物理化学改性，如填充、增强、增韧、反应挤出等。双螺杆挤出机的螺杆与机筒通常使用积木式组合，即螺杆元件和机筒元件均可拆卸换装，从而可以针对不同物料混和要求，使用有限数量和类型的螺杆元件和机筒元件进行多种排列组合，并对加工条件进行优化设计。

双螺杆挤出机的控制参数包括：

（1）分段变量：螺杆元件的组合；
（2）控制变量：加料量、主机螺杆转速、加工温度。

通过对这些控制参数进行优化，便可以得到最佳的混合效果。

啮合同向双螺杆挤出机的螺杆在轴向主要分为：加料段，固体输送段，熔融塑化段，混合段，计量段。为了达到特定目的如排气，还可以加入排气段。双螺杆挤出机的分散混合能力主要是由合适的螺杆构型来实现，下面分段讨论适于无机纳米复合材料的螺杆各段的构型组合。

加料段的螺杆构型

此处所说的加料段，除了指第一(或)主加料口下方对着的螺杆区段以外，还包括下游加料口对着的螺杆区段。对加料段的主要要求是能顺利地、多适应性地加入各种物料。这一段一般采用大导程、正向螺纹输送元件。对于填充纳米粉体的物料而言，需要避免架桥和粉体过多的粘附在机筒上。

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