納米塑料作為一種新型材料，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。為了實(shí)現(xiàn)塑料納米化常常采用配混的方法。雙螺桿擠出機(jī)作為目前應(yīng)用最廣泛的配混設(shè)備，用于納米材料配混時(shí)，對(duì)各段螺桿的構(gòu)型組合有其特殊的要求。

納米復(fù)合技術(shù)簡(jiǎn)介

使用無(wú)機(jī)粉體作為添加劑可以提高塑料的熱變形溫度、硬度、韌性、剛度和注模收縮等性能。聚合物經(jīng)填充改性后得到的復(fù)合材料的力學(xué)及其他性能主要取決于填充粒子的形狀、粒子尺寸、聚集尺寸、表面特性以及分散程度等。隨著納米技術(shù)在塑料改性技術(shù)中的應(yīng)用，填充納米粒子所得到的復(fù)合材料的性能優(yōu)于填充常規(guī)細(xì)微粒子所得到的復(fù)合材料，而且填充納米粒子還可以得到填充常規(guī)細(xì)微粒子所無(wú)法得到的諸如表面光滑度和改進(jìn)的阻隔性等性能的改進(jìn)。通常，填充少量的納米級(jí)粒子或纖維材料就可以使聚合物性能得到極大提高。據(jù)資料介紹，添加0.3%體積容量納米粒子的作用相當(dāng)于加入30%體積容量的微米粒子。這也是近年來(lái)研究熱點(diǎn)轉(zhuǎn)向聚合物/納米復(fù)合材料的原因。

通常來(lái)說(shuō)，聚合物填充改性的效果主要取決于所填充粒子的比表面積，因此具有很大的橫縱表面積比的層狀硅酸鹽（粘土），如蒙脫石，在近年來(lái)納米復(fù)合材料的研究中被普遍采用。聚合物/層狀或片狀無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料具有增強(qiáng)的強(qiáng)度、模量、熱變形溫度和阻隔性能。目前已經(jīng)有部分產(chǎn)品投入工業(yè)化生產(chǎn)。但這種復(fù)合材料的斷裂韌性較低，這就大大地限制了它的加工與應(yīng)用。而無(wú)機(jī)納米粒子填充聚合物除了具有增強(qiáng)作用外，還具有增韌作用，相對(duì)于填充層狀硅酸鹽來(lái)說(shuō)，填充無(wú)機(jī)納米粒子可以使聚合物得到更多方面的性能改進(jìn)。

無(wú)機(jī)納米粒子在聚合物基體中的均勻分散是提高納米復(fù)合材料性能并減少納米粒子填充量的關(guān)鍵所在。但由于納米粒子間的團(tuán)聚力很大，集聚很容易發(fā)生，要實(shí)現(xiàn)納米粒子在聚合物基體中保持納米級(jí)別尺寸并均勻分散是一個(gè)難點(diǎn)。目前通過(guò)對(duì)納米粒子進(jìn)行表面改性以降低納米粒子的團(tuán)聚力是一個(gè)可行的辦法。但如果要進(jìn)行大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，通過(guò)熔融混合工藝使未改性的納米粒子直接在聚合物基體中分散無(wú)疑是更為簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)的手段。但這同時(shí)也對(duì)加工設(shè)備提出了很高的分散和分布混合能力的要求。作為成熟的連續(xù)混合加工設(shè)備，單、雙螺桿擠出機(jī)在聚合物加工生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用。由于嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)具有良好的分布、分散混合能力，其積木式的螺桿和機(jī)筒組合具有極大靈活性，通過(guò)應(yīng)用已有的各種混合元件，并結(jié)合近年來(lái)不斷出現(xiàn)的新型高混合能力元件，進(jìn)行合理的螺桿組合，可以大大提高擠出機(jī)的混合能力，并適應(yīng)不同的混合目的。

嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)

嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)通常能提供足夠的分散、分布混合，更好的溫度控制，對(duì)材料摩擦系數(shù)的依靠性小，熔融速度相對(duì)較快，消滅了靜止區(qū)域，具有良好的自潔性，因此嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)廣泛應(yīng)用于基體樹(shù)脂的物理化學(xué)改性，如填充、增強(qiáng)、增韌、反應(yīng)擠出等。雙螺桿擠出機(jī)的螺桿與機(jī)筒通常使用積木式組合，即螺桿元件和機(jī)筒元件均可拆卸換裝，從而可以針對(duì)不同物料混和要求，使用有限數(shù)量和類型的螺桿元件和機(jī)筒元件進(jìn)行多種排列組合，并對(duì)加工條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

雙螺桿擠出機(jī)的控制參數(shù)包括：

（1）分段變量：螺桿元件的組合；
（2）控制變量：加料量、主機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速、加工溫度。

通過(guò)對(duì)這些控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，便可以得到最佳的混合效果。

嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)的螺桿在軸向主要分為：加料段，固體輸送段，熔融塑化段，混合段，計(jì)量段。為了達(dá)到特定目的如排氣，還可以加入排氣段。雙螺桿擠出機(jī)的分散混合能力主要是由合適的螺桿構(gòu)型來(lái)實(shí)現(xiàn)，下面分段討論適于無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料的螺桿各段的構(gòu)型組合。

加料段的螺桿構(gòu)型

此處所說(shuō)的加料段，除了指第一（或）主加料口下方對(duì)著的螺桿區(qū)段以外，還包括下游加料口對(duì)著的螺桿區(qū)段。對(duì)加料段的主要要求是能順利地、多適應(yīng)性地加入各種物料。這一段一般采用大導(dǎo)程、正向螺紋輸送元件。對(duì)于填充納米粉體的物料而言，需要避免架橋和粉體過(guò)多的粘附在機(jī)筒上。

固體輸送段的螺桿構(gòu)型

固體輸送段的功能就是把加入的固體物料沿螺桿向口模方向輸送，同時(shí)在這一輸送過(guò)程中將松散的粉狀低松密度物料壓實(shí)或提高粒狀物料在螺槽中的充滿度，以促進(jìn)物料在下游的熔融塑化。這一段的螺桿構(gòu)型應(yīng)當(dāng)是：與加料段相接的螺紋元件應(yīng)采用大導(dǎo)程正向螺紋元件，其后應(yīng)采用使螺槽容積變小的正向螺紋元件。采用由導(dǎo)程分段變小的螺紋元件組成的螺紋區(qū)段，沿輸送方向螺槽的充滿度逐漸變大，使物料得到壓縮、密實(shí)。

熔融塑化段的螺桿構(gòu)型

熔融塑化段的最佳螺桿局部構(gòu)型取決于物料的比熱、熔點(diǎn)、熔體粘度及聚合物在固體狀態(tài)時(shí)粒子的大小。用于熔融、塑化的局部螺桿構(gòu)型設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在設(shè)定的溫度下將物料均勻、快速地熔融，而又不給物料輸入過(guò)多的能量。使物料熔融的熱源有兩個(gè)：一個(gè)是由機(jī)筒加熱器提供的外熱，另一個(gè)是由螺桿導(dǎo)入的剪切熱，后者是主要的。為導(dǎo)入剪切熱，在熔融塑化段應(yīng)設(shè)置捏合盤，反向螺紋元件，反向（正反向）密煉機(jī)轉(zhuǎn)子式（或大導(dǎo)程）非標(biāo)準(zhǔn)螺紋元件，并將這些元件在預(yù)定的螺桿軸向位置與其上游的正向螺紋元件有效地組合起來(lái)。由于此段熔體粘度很高，聚合物熔體能夠提供給納米粒子聚集體很大的作用力，因此此段使用具有高剪切的螺桿構(gòu)型十分有利于分散混合。

排氣區(qū)的螺桿構(gòu)型

嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)可設(shè)有排氣區(qū)，以便把物料中的濕氣、夾帶的空氣及可揮發(fā)的組分除去。在排氣口上游的螺桿上應(yīng)設(shè)置密封元件，將熔體密封，以建立起高壓；在排氣區(qū)，即與排氣口對(duì)著的螺桿區(qū)段，應(yīng)使物料在螺槽中充滿度較低，并與大氣或真空泵相通。為使熔體密封并建立高壓可采用反向螺紋元件、反向捏合盤或調(diào)壓閥。在排氣區(qū)應(yīng)采用大導(dǎo)程螺紋元件，以形成低充滿度和薄的熔體層，使物料有可暴露的自由表面，長(zhǎng)的停留時(shí)間，以利于排氣。

混合段的螺桿構(gòu)型

嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)的混合功能最重要，因而混合段的螺桿構(gòu)型設(shè)計(jì)具有非常重要的意義（當(dāng)然，混合的好壞，還與物料的配方和操作條件有關(guān)）。分散相顆粒尺寸在軟化（對(duì)無(wú)定型聚合物）階段或熔融階段（對(duì)半結(jié)晶聚合物）變化很大，分散相的較大顆粒在剪切及拉伸作用下，尺寸進(jìn)一步減小，而當(dāng)聚合物完全熔融后其分散相顆粒尺寸變化不大。這就提醒人們，嚙合同向雙螺桿擠出過(guò)程的熔融階段也就是混合開(kāi)始的階段。因而，應(yīng)當(dāng)把熔融段和混合段的螺桿構(gòu)型統(tǒng)一起來(lái)考慮，當(dāng)聚合物尚未完全熔融粘度較大時(shí)應(yīng)主要使用高分散混合元件；當(dāng)聚合物完全熔融粘度很小的時(shí)候應(yīng)主要使用分布混合元件。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)納米粒子在聚合物熔體中的分散，還可以考慮使用新型混合元件來(lái)增強(qiáng)混合效果。

用于熔體輸送（計(jì)量段）的螺桿構(gòu)型

熔體輸送一般采用正向螺紋元件。但有時(shí)在螺桿熔體輸送區(qū)要采用捏合盤或反向螺紋元件，而物料通過(guò)這些元件需在其上游建立壓力；為使物料通過(guò)口模，在螺桿末端的熔體輸送段也要建立壓力。只有在完全充滿物料的螺桿段才能建立壓力，因而嚙合同向雙螺桿的壓力建立來(lái)自物料對(duì)螺桿連續(xù)充滿的能力。 100％的充滿度能使軸向有通道的螺桿構(gòu)型在短距離內(nèi)建立起壓力。熔體對(duì)螺桿的充滿度取決于物料的粘度、螺桿導(dǎo)程、螺桿轉(zhuǎn)數(shù)、加料量和口模阻力。影響建壓能力的有螺紋導(dǎo)程和螺紋頭數(shù)。

納米復(fù)合材料性能的評(píng)定

無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料的性能反映出了無(wú)機(jī)納米粒子對(duì)于聚合物的改性作用。同時(shí)相對(duì)于理想狀態(tài)下無(wú)機(jī)納米粒子的改性作用，使用嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)制得的復(fù)合材料的性能也反映出了擠出機(jī)的混合能力，因此這也成為評(píng)定嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)是否適用于無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)之一。

納米粒子在聚合物基體中的形態(tài)及分散均勻度

納米粒子在聚合物基體中的形態(tài)及分散均勻度通常由透射電子顯微鏡（TEM）進(jìn)行觀察。通過(guò)TEM照片可以直觀地觀察納米粒子在聚合物基體中的聚集形態(tài)以及粒子的分散情況。

納米粒子對(duì)于基體聚合物結(jié)晶的影響

對(duì)于納米復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，基體聚合物的結(jié)晶特性變化對(duì)機(jī)械性能的影響非常大。因此可以用差式掃描量熱法（DSC）來(lái)測(cè)試聚合物的熔融和結(jié)晶特性。

納米復(fù)合材料的拉伸特性

塑料的拉伸性能是塑料力學(xué)性能中最重要、最基本的性能之一，它在很大程度上決定了樹(shù)脂的使用場(chǎng)合，也是劃分通用塑料與工程塑料的主要依據(jù)，因此聚合物中添加無(wú)機(jī)納米粒子進(jìn)行改性的主要目的之一便是改進(jìn)聚合物的拉伸性能。

納米復(fù)合材料的斷裂韌性及沖擊斷面研究

J積分方法是標(biāo)準(zhǔn)的斷裂韌性判斷方法，可以通過(guò)裂口拉伸實(shí)驗(yàn)得到的J-R曲線來(lái)判定復(fù)合材料的斷裂韌性。

沖擊斷裂面可視化研究由掃描電子顯微鏡（SEM）實(shí)現(xiàn)。一般來(lái)說(shuō)，沖擊斷裂面非常平滑，斷口尖銳，且在同一方向發(fā)生斷裂，屬于脆性斷裂；而斷裂面粗糙甚至有拉絲現(xiàn)象，斷裂方向趨于分散，則屬于韌性斷裂。通過(guò)斷面上粒子與聚合物的結(jié)合程度，如是否有空洞等還可以看出納米粒子與聚合物集體之間的結(jié)合力。

總結(jié)

由于嚙合同向雙螺桿擠出機(jī)具有更好的分布、分散混合能力，其積木式的螺桿和機(jī)筒組合具有極大靈活性，有可能實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)納米粒子在聚合物基體中的均勻分散。

首先針對(duì)需要生產(chǎn)的無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料選擇一系列的螺桿構(gòu)型及加工條件，然后對(duì)擠出機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬與分析，選出一個(gè)最優(yōu)的組合，再通過(guò)納米粒子在聚合物熔體中的分散理論來(lái)檢驗(yàn)這個(gè)組合能否克服納米粒子間的團(tuán)聚力并使其均勻分散，最終得到一個(gè)適合工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)的工藝路線。這是一個(gè)理想的技術(shù)路線，真正要實(shí)現(xiàn)它還需要大量的研究工作，希望隨著雙螺桿擠出機(jī)混合理論的發(fā)展、新型螺桿元件的發(fā)明以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)水平的增加，我們最終能夠克服這個(gè)技術(shù)難題。