納米塑料作為一種新型材料，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。為了實現(xiàn)塑料納米化常常采用配混的方法。雙螺桿擠出機作為目前應(yīng)用最廣泛的配混設(shè)備，用于納米材料配混時，對各段螺桿的構(gòu)型組合有其特殊的要求。
納米復(fù)合技術(shù)簡介
使用無機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)細微粒子所無法得到的諸如表面光滑度和改進的阻隔性等性能的改進。通常，填充少量的納米級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。這也是近年來研究熱點轉(zhuǎn)向聚合物/納米復(fù)合材料的原因。
通常來說，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/層狀或片狀無機納米復(fù)合材料具有增強的強度、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。而無機納米粒子填充聚合物除了具有增強作用外，還具有增韌作用，相對于填充層狀硅酸鹽來說，填充無機納米粒子可以使聚合物得到更多方面的性能改進。
無機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聚力很大，集聚很容易發(fā)生，要實現(xiàn)納米粒子在聚合物基體中保持納米級別尺寸并均勻分散是一個難點。目前通過對納米粒子進行表面改性以降低納米粒子的團聚力是一個可行的辦法。但如果要進行大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，通過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疑是更為簡單和經(jīng)濟的手段。但這同時也對加工設(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具有良好的分布、分散混合能力，其積木式的螺桿和機筒組合具有極大靈活性，通過應(yīng)用已有的各種混合元件，并結(jié)合近年來不斷出現(xiàn)的新型高混合能力元件，進行合理的螺桿組合，可以大大提高擠出機的混合能力，并適應(yīng)不同的混合目的。
嚙合同向雙螺桿擠出機
嚙合同向雙螺桿擠出機通常能提供足夠的分散、分布混合，更好的溫度控制，對材料摩擦系數(shù)的依靠性小，熔融速度相對較快，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廣泛應(yīng)用于基體樹脂的物理化學(xué)改性，如填充、增強、增韌、反應(yīng)擠出等。雙螺桿擠出機的螺桿與機筒通常使用積木式組合，即螺桿元件和機筒元件均可拆卸換裝，從而可以針對不同物料混和要求，使用有限數(shù)量和類型的螺桿元件和機筒元件進行多種排列組合，并對加工條件進行優(yōu)化設(shè)計。
雙螺桿擠出機的控制參數(shù)包括：
(1)分段變量：螺桿元件的組合;
(2)控制變量：加料量、主機螺桿轉(zhuǎn)速、加工溫度。
通過對這些控制參數(shù)進行優(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，計量段。為了達到特定目的如排氣，還可以加入排氣段。雙螺桿擠出機的分散混合能力主要是由合適的螺桿構(gòu)型來實現(xiàn)，下面分段討論適于無機納米復(fù)合材料的螺桿各段的構(gòu)型組合。
加料段的螺桿構(gòu)型
此處所說的加料段，除了指第一(或)主加料口下方對著的螺桿區(qū)段以外，還包括下游加料口對著的螺桿區(qū)段。對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。對于填充納米粉體的物料而言，需要避免架橋和粉體過多的粘附在機筒上。
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，同時在這一輸送過程中將松散的粉狀低松密度物料壓實或提高粒狀物料在螺槽中的充滿度，以促進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。
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、熔體粘度及聚合物在固體狀態(tài)時粒子的大小。用于熔融、塑化的局部螺桿構(gòu)型設(shè)計的目標(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多的能量。使物料熔融的熱源有兩個：一個是由機筒加熱器提供的外熱，另一個是由螺桿導(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。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，長的停留時間，以利于排氣。
混合段的螺桿構(gòu)型
嚙合同向雙螺桿擠出機的混合功能最重要，因而混合段的螺桿構(gòu)型設(shè)計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(對無定型聚合物)階段或熔融階段(對半結(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程的熔融階段也就是混合開始的階段。因而，應(yīng)當(dāng)把熔融段和混合段的螺桿構(gòu)型統(tǒng)一起來考慮，當(dāng)聚合物尚未完全熔融粘度較大時應(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候應(yīng)主要使用分布混合元件。為了實現(xiàn)無機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增強混合效果。
用于熔體輸送(計量段)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，而物料通過這些元件需在其上游建立壓力;為使物料通過口模，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自物料對螺桿連續(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)合材料性能的評定
無機納米復(fù)合材料的性能反映出了無機納米粒子對于聚合物的改性作用。同時相對于理想狀態(tài)下無機納米粒子的改性作用，使用嚙合同向雙螺桿擠出機制得的復(fù)合材料的性能也反映出了擠出機的混合能力，因此這也成為評定嚙合同向雙螺桿擠出機是否適用于無機納米復(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)進行觀察。通過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。
納米粒子對于基體聚合物結(jié)晶的影響
對于納米復(fù)合材料來說，基體聚合物的結(jié)晶特性變化對機械性能的影響非常大。因此可以用差式掃描量熱法(DSC)來測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脂的使用場合，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機納米粒子進行改性的主要目的之一便是改進聚合物的拉伸性能。
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，可以通過裂口拉伸實驗得到的J-R曲線來判定復(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)實現(xiàn)。一般來說，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具有更好的分布、分散混合能力，其積木式的螺桿和機筒組合具有極大靈活性，有可能實現(xiàn)無機納米粒子在聚合物基體中的均勻分散。
首先針對需要生產(chǎn)的無機納米復(fù)合材料選擇一系列的螺桿構(gòu)型及加工條件，然后對擠出機流場進行計算機數(shù)值模擬與分析，選出一個最優(yōu)的組合，再通過納米粒子在聚合物熔體中的分散理論來檢驗這個組合能否克服納米粒子間的團聚力并使其均勻分散，最終得到一個適合工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)的工藝路線。這是一個理想的技術(shù)路線，真正要實現(xiàn)它還需要大量的研究工作，希望隨著雙螺桿擠出機混合理論的發(fā)展、新型螺桿元件的發(fā)明以及計算機輔助設(shè)計水平的增加，我們最終能夠克服這個技術(shù)難題。
