[發明專利]靜態拉伸混合器及其用于制備聚合物納米復合材料的方法

有效

• 申請號: 201711251182.X
• 申請日: 2017-12-01
• 公開（公告）號: CN108016017B
• 公開（公告）日: 2020-01-17
• 發明（設計）人: 林祥
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: B29C48/36
• 分類號: B29C48/36;B29B9/06
• 代理公司: 11401 北京金智普華知識產權代理有限公司
• 代理人: 皋吉甫

本發明屬于有機材料加工技術領域，具體涉及一種靜態拉伸混合器及其用于制備聚合物納米復合材料的方法。所述靜態拉伸混合器包括軸套、芯軸和封板；所述芯軸包括依次連接的分配區、收集區、拉伸區和旋合區；所述拉伸區由基于拉伸流變原理設計的具有可周期性變化的拉伸流道組成，為所述芯軸的主要工作區；所述拉伸流道由所述拉伸區與所述軸套之間的間隙組成。所述靜態拉伸混合器是基于拉伸流變原理設計具有周期性震蕩特征的拉伸流動界面，對高黏度的聚合物納米復合材料熔體多次施加流動方向上的拉伸形變與拉伸應力，誘導建立多尺度地分流?旋轉?拉伸?合流的流動形態，擴大熔體壓力釋放瞬間的流動不穩定性，從而實現納米粒子均勻分散與分布混合。

技術領域

本發明屬于有機材料加工技術領域，具體涉及靜態拉伸混合器及其用于制備聚合物納米復合材料的方法。

背景技術

具有柔性加工特點的聚合物納米復合材料幾乎是目前所有高分子領域的研究重點，其一般通過將黏彈性聚合物連續相與納米顆粒分散相在熔體或溶液等狀態下進行混合制備。

熔體的分散混合主要有兩種方法：一是熔體的剪切分散混合；一是熔體的拉伸破碎分散混合。就熔體的剪切分散混合而言(以雙螺桿擠出過程為例)，施加在聚合物納米復合材料熔體上的剪切作用力，其本質上在微納尺度上仍然是促使聚合物分子鏈在流動方向上產生不可逆的拉伸形變，導致團聚的納米顆粒發生破碎分離，再通過多次往復混合達到預期的分散與分布混合效果；對低粘度溶液或者懸浮液，其多相體系的混合在螺旋槳攪拌下發生速度的急劇突變，使得流動過程中的液滴單元發生拉伸破碎。

所謂拉伸破碎分散，是相對剪切分散而言，是指在拉伸應力的作用下，原先為單相納米粒子整體或多相粒子團簇在拉伸應力方向上發生形變，球形分散的粒子或液滴變形成橢圓形，并逐步形成夾斷區，隨著夾斷區寬度的減小，粒子團最終發生破碎，形成體積更小的粒子。這類似于液滴拉伸破碎原理：當混合兩相具有較大的黏度比值且連續相具有較高的黏度時，分散相在拉伸作用場下能夠實驗拉伸變細、斷裂，然后逐步平衡，再拉伸變細、再破碎。假設兩球形顆粒相互粘結團聚，則團聚顆粒在剪切流動和拉伸流動中的所承受的最大作用力如下：

式中：F_SH-max為最大剪切力，單位為N；F_EX-max為最大拉伸切力，單位為N；η_m為連續相黏度，單位為Pa·s；ε為拉伸流動中的拉伸應變速率，單位為s^-1；為剪切流動中的剪切應變速率，單位為s^-1；r₁為顆粒1半徑，單位為m；r₂為顆粒2半徑，單位為m。顯然，拉伸作用力是剪切作用力的兩倍，在分子間纏結力保持不變的情況下，采用拉伸流動效應可以產生更佳的分散效果。

其中，熔體剪切混合法以其低成本、易規模化及工藝簡單等優勢在工業生產中被大量使用，但如何實現納米顆粒在聚合物熔體中真正意義上的納米尺度分散已經成為制約進一步提升材料性能及宏量制備的關鍵瓶頸。

目前，工業界使用較多的靜態混合器主要為分布式混合器(靜態)主要包括美國的Kenics型、Ross型，瑞士的Sulzer SMV型、SMX型和SMXL型，日本的HI型，均可實現熔體在壓力、溫度及分散相在空間位置上均勻分布。但是，這些靜態混合器只能實現較好的分布混合，無法實現納米尺度的顆粒均勻分散。目前，如何一步宏量制備含納米顆粒的聚合物基納米復合材料，高效低成本地實現納米顆粒在聚合物基體中的均勻分散，一直以來是眾多科學家致力于解決的問題，也是制備高性能聚合物納米復合材料的先決條件。目前，在實驗研究中小批量的顆粒均勻分散的納米復合材料的制備已經實現，但工業化規模以上生產還存在較大的難度，主要受限于效率與效益之間的矛盾。

發明內容