工藝條件影響聚合物鏈的插層、剝離、滑脫以及聚合物-粘土納米復合材料的松弛時間。
 

同向雙螺桿擠出機作為納米復合材料的加工方法已經越來越受歡迎。它提供了一種混合多種物料的方法，通過改變停留時間和剪切速率便可得到高質量制品。在聚合物加工過程中，剪切為高聚物的熔融提供了高達80%的熱量，它成為了混合過程最重要的一部分。在不同的螺桿轉速下，剪切會使聚合物的形態及性能發生不同的改變，因此存在著加工的最佳的工藝條件。如果對熔體的物理性有了更好的理解，那么成型加工的效益將大大優化。



 

圖1 制備納米復合材料過程中剪切與粘土小片的影響示意圖
 

最近我們研究了納米粘土的添加和混合速度的改變對聚合物熔融的影響，圖1是研究的原理圖。在加工過程中，聚合物在擠出機中沿著螺桿被強制擠出，隨著聚合物受到螺桿元件的拖曳和均化作用，聚合物開始達到熔融狀態，高分子鏈開始產生相對滑移，此時，分子鏈傾向于沿著流動方向取向，混合過程使得分子鏈解纏結。分子鏈會在隨機的方向折疊、展開、纏結、在直線和旋轉載荷下取向。然而，納米粒子的添加（例如納米粘土）會使這些流動特性發生改變。加入納米粘土后，無論是將聚合物鏈嵌入到粘土片晶中還是使片晶剝離分散到聚合物基體中，混合的首要任務均是分離粘土片晶并將其分散，這個過程通過增加納米顆粒的表面積使填料長徑比顯著加大，相比于常規填料這是最顯著的變化。除此之外，正如圖1所闡述的，粘土片晶還會限制分子的運動。

圖2 在不同螺桿轉速下含有30B或15A有機改性蒙脫石納米粘土混合物的EVA在熔融狀態的松弛現象及相關現象示意圖
 

這些物理形態的影響可以通過圖2的分子松弛曲線分析。我們采用非線性正態化算法得到了光譜圖，圖中闡述了松弛特性。記錄的光譜顯示了三個峰值，第一個對應于分子的短程運動（取決于聚合物鏈的構象），第二個對應于分子鏈的相對滑移，第三個對應于長鏈的折疊和交聯。
 

有研究表明，對于純乙烯/乙酸乙烯醇共聚物（EVA），螺桿轉速不會引起松弛時間分布的顯著變化，聚合物鏈在流動方向的取向不會限制鏈的滑移，峰值保持在同樣的松弛時間。另一方面，在螺桿轉速為200-400rpm時添加30B粘土（具有羥基表面活性劑）會使第三個松弛峰值時間顯著增加。較高的松弛時間意味著纏結的長鏈之間存在更多的空間限制，以及運輸的流量的改變。而在600-800rpm的螺桿轉速下，松弛時間變短，更接近純EVA的松弛時間，這表明粘土越分離，其對流動過程中的屏障效應越小。這種現象并未出現在15A納米粘土中，盡管它具有較長的非極性表面活性鏈段，而且插層分散體形式趨于主導地位。正如圖中所示，插層增加了與團塊滑移相關的松弛時間，這表明在粘土與聚合物混合過程中，插層比剝離產生的物理作用更有效。
 

我們的結果表明，它是合理的假設，熔融的聚合物在加工過程中的形態將改變。由于材料冷卻過程中的結晶，鏈取向和纏結對分子運動的限制有可能改變。我們現在正在努力理解這個過程，以便我們對聚合物-粘土納米復合材料的性能有更好的認識。