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(fù)合材料的松弛時(shí)間。
同向雙螺桿擠出機(jī)作為納米復(fù)合材料的加工方法已經(jīng)越來(lái)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(shí)間和剪切速率便可得到高質(zhì)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(dá)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(zhuǎn)速下，剪切會(huì)使聚合物的形態(tài)及性能發(fā)生不同的改變，因此存在著加工的最佳的工藝條件。如果對(duì)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(yōu)化。
圖1 制備納米復(fù)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(duì)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(jī)中沿著螺桿被強(qiáng)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(dá)到熔融狀態(tài)，高分子鏈開始產(chǎn)生相對(duì)滑移，此時(shí)，分子鏈傾向于沿著流動(dòng)方向取向，混合過程使得分子鏈解纏結(jié)。分子鏈會(huì)在隨機(jī)的方向折疊、展開、纏結(jié)、在直線和旋轉(zhuǎn)載荷下取向。然而，納米粒子的添加（例如納米粘土）會(huì)使這些流動(dòng)特性發(fā)生改變。加入納米粘土后，無(wú)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(wù)均是分離粘土片晶并將其分散，這個(gè)過程通過增加納米顆粒的表面積使填料長(zhǎng)徑比顯著加大，相比于常規(guī)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(huì)限制分子的運(yùn)動(dòng)。
圖2 在不同螺桿轉(zhuǎn)速下含有30B或15A有機(jī)改性蒙脫石納米粘土混合物的EVA在熔融狀態(tài)的松弛現(xiàn)象及相關(guān)現(xiàn)象示意圖
這些物理形態(tài)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(tài)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(gè)峰值，第一個(gè)對(duì)應(yīng)于分子的短程運(yùn)動(dòng)（取決于聚合物鏈的構(gòu)象），第二個(gè)對(duì)應(yīng)于分子鏈的相對(duì)滑移，第三個(gè)對(duì)應(yīng)于長(zhǎng)鏈的折疊和交聯(lián)。
有研究表明，對(duì)于純乙烯/乙酸乙烯醇共聚物（EVA），螺桿轉(zhuǎn)速不會(huì)引起松弛時(shí)間分布的顯著變化，聚合物鏈在流動(dòng)方向的取向不會(huì)限制鏈的滑移，峰值保持在同樣的松弛時(shí)間。另一方面，在螺桿轉(zhuǎn)速為200-400rpm時(shí)添加30B粘土（具有羥基表面活性劑）會(huì)使第三個(gè)松弛峰值時(shí)間顯著增加。較高的松弛時(shí)間意味著纏結(jié)的長(zhǎng)鏈之間存在更多的空間限制，以及運(yùn)輸?shù)牧髁康母淖?。而?00-800rpm的螺桿轉(zhuǎn)速下，松弛時(shí)間變短，更接近純EVA的松弛時(shí)間，這表明粘土越分離，其對(duì)流動(dòng)過程中的屏障效應(yīng)越小。這種現(xiàn)象并未出現(xiàn)在15A納米粘土中，盡管它具有較長(zhǎng)的非極性表面活性鏈段，而且插層分散體形式趨于主導(dǎo)地位。正如圖中所示，插層增加了與團(tuán)塊滑移相關(guān)的松弛時(shí)間，這表明在粘土與聚合物混合過程中，插層比剝離產(chǎn)生的物理作用更有效。
我們的結(jié)果表明，它是合理的假設(shè)，熔融的聚合物在加工過程中的形態(tài)將改變。由于材料冷卻過程中的結(jié)晶，鏈取向和纏結(jié)對(duì)分子運(yùn)動(dòng)的限制有可能改變。我們現(xiàn)在正在努力理解這個(gè)過程，以便我們對(duì)聚合物-粘土納米復(fù)合材料的性能有更好的認(rèn)識(shí)。
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