塑料改性用納米級功能母粒的製備方法
2023-05-03 06:27:51 1
專利名稱：塑料改性用納米級功能母粒的製備方法
技術領域：
本發明涉及功能母粒的製備方法，特別是一種塑料改性用納米級功能母粒的製備方法。
背景技術：
眾所周知，納米科技是20世紀80年代末誕生並正在崛起的新科學技術。納米材料具有廣泛應用價值，納米技術得到世界各國的一致肯定，紛紛投入巨資進行開發；納米技術已引起我國政府、科學界及社會各界的重視和關注，我國政府把納米技術列入國家「攀登計劃」和國家「重大攻關項目」，科學院等一些科研機構、大專院校對開發納米技術制定計劃、布署方案進行納米技術研製工作；納米材料被列入S-863計劃範圍，納米材料的研究和應 用領域正蓬勃展開。納米材料的定義納米是長度計量單位，I納米(nm)是Im的十億分之一(1(T9);納米粒子是指粒徑為I-IOOnm的粒子，當粒徑達到一定細度後其凝聚的傾向就相當嚴重。納米粒子粒徑小、表面能打、極易團聚，所以如何解決團聚問題使納米粒子在基體材料中達到充分均勻地分布、分散就成了影響複合改性材料性能的關鍵。由於納米粒子存在很大的界面自由能，粒子極易自發團聚，要將無機納米粒子直接分散於有機基質中製備聚合物納米複合材料，通過必要的化學預分散和物理機械分散技術打開納米粒子團聚體，將其均勻地分散到聚合物基體材料中並與基體材料產生有良好的親和性，首先考核的是納米材料是不是真正以納米粒子的形式分散到塑料基體中，其次是納米粒子與塑料基體是否達到真正相容，只有當納米材料真正以納米粒子形式均勻分散到塑料基體中，而且與塑料基體真正相容，並發生納米尺度上的改性後的塑料才是真正的納米塑料。歷年來，納米材料一直是科技界研究的熱點。但就納米粉體而言，無論是製備還是應用納米材料的分散都是納米材料製備的關鍵。納米材料作為一項高新技術在塑料的高性能化改性中、開發應用特殊性能的納米塑料據喲重要的實際意義，尤其是納米塑料表現出同時增強、增韌的特性，改善力學性能以及其它性能是表現出的「納米效應」，更為開拓納米塑料的應用領域開闢了廣闊的前景。
發明內容
本發明技術是克服由於納米粒子巨大的表面能為防止納米粒子團聚，在共混前結合表面偶聯劑進行處理技術的同時進行大熔融共混以及特殊的機械共混技術，以求達到納米粒子與樹脂基體材料複合均勻分布、分散的進行，以控制納米粒子的尺寸形態均勻地分散在基體樹脂中。由於納米粒子表面活性大、極易發生團聚，使用載體材料納米材料經界面改性偶聯劑對其進行表面處理，時期表面部分鈍化，有利分散使改性材料性能得到提高；從理論上講光靠機械力是難以把凝聚體打開的；採用本發明的共混改性方法對納米級粉體填料與塑料基體的界面改性，製備綜合性能優良的複合材料。採用熔融共混法製備納米塑料
由於納米粒子高的表面能容易團聚在塑料基體中難以分散，採用熔融機械分布、分散共混法進行改性時，在共混前先對載體材料(如乙烯辛烯共聚物)進行偶聯劑(如矽烷偶聯劑或鈦酸酯偶聯劑)表面處理後納米粒子加入到熔融樹脂中共混分布、分散塑化加工成型。利用偶聯劑表面包覆載體材料改性技術覆蓋於納米粒子表面而賦予粒子表面新的性質，適當的表面修飾可有效地鈍化納米粒子的表面防止硬團聚的產生；僅利用現有的表面活化、共混技術難以獲得納米尺度的均勻分布、分散混和，也就無法體現納米材料所特有的性能特徵，因而如何加強對表面活化處理技術與熔融機械分布、分散共混技術的研究創新、控制納米相的團聚與分散，有效地防止納米粒子在製備和應用過程中的團聚、保持納米尺寸，對納米材料的研究無疑有著重要的意義，當納米粒子以納米尺度均勻地分散於聚合物基體中之後將能大大改進和提高複合改性材料的綜合性能，故納米粒子在聚合物中達到均 勻分布、分散就成了影響複合改性材料性能的關鍵。本發明的目的在於提供一種塑料改性用納米級功能母粒的製備方法，主要解決納米級功能母粒在製造中的團聚問題，使納米粒子在聚合物基體中達到均勻分布、分散，有利於實現大規模工業化連續性生產。為實現上述目的，本發明是這樣實現的。本發明的塑料改性用納米級功能母粒的製備方法，其特徵在於它是採用「兩步法」，a前期偶聯劑表面修飾處理，b後期熔融共混機械改性以密煉和往復式單螺杆機組連續相均勻分布、分散混煉擠出成型，消除導致納米顆粒的團聚「瓶頸」技術。(I)所述的納米級功能母粒的製備方法，其特徵在於所述的前期偶聯劑表面修飾處理，表面改性偶聯劑是矽烷偶聯劑或鈦酸酯偶聯劑進行修飾處理，是利用偶聯劑「分子橋」功能改變顆粒表面形態結構與能態分布，不但可增加無機納米粒子與有機聚合物基體之間的親和性，更加有利於納米粒子的分散，從原理上消除導致納米硬團聚的化學鍵因素。(2)所述的納米級功能母粒的製備方法，其特徵在於所述的後期熔融共混連續擠出成型、機械粉碎室製備超細粉體的重要方法之一，聚合物在機械粉碎過程中顆粒細化的同時粉體的形態結構、物理化學性質將產生變化，在應力承受點或受應力反覆作用的局部區域將產生力化學反應，產生常規化學過程不能得到的非平衡態結構，成為通用高分子材料高性能和功能化的重要途徑之一。如聚合物納米複合材料的製備是經表面處理消除硬團聚因素的納米粒子，其粒子間仍然會通過範德華力和庫侖力等作用產生物理吸附形成軟團聚。因此與前期納米填料表面改性效果好壞一樣，後期成型加工設備分散性能的優劣對納米複合材料的最終性能更有重要影響，在後期加工中採用間歇式密煉機分布混煉塑化和連續往復式單螺杆混煉擠出機分散能力強大的結構新穎的組合熔融共混混煉塑化，使納米粒子均勻分布、分散於聚合物基體中，達到對聚合物納米改性的目的，尚能較好地解決納米粒子軟團聚的技術「瓶頸」問題。所述的納米級功能母粒的製備方法，其特徵在於包括如下步驟
步驟一將複合體系中原料按組分比例經自動計量秤計量配製後加入高速混和機進行混和均勻處理；
步驟二 將混和均勻處理的原料輸入到鬥式密煉機進行密煉分布塑化呈不規則的團、塊狀物料；
步驟三將經過密煉機分布塑化後的團、塊狀物料通過自動翻鬥提升機輸送到雙腕螺杆餵料機後，再送入往復式單螺杆混煉擠出機組並擠出條狀物料連續切粒；步驟四將經往復式單螺杆擠出機組均勻分布、分散塑化物料，經切粒處理後的納米級功能母粒通過多級旋風分離器冷卻後由振動篩進行整粒處理，避免母粒物料之間產生粘連呈均勻顆粒狀功能母粒物料，並經定量計量獨立包裝。所述的往復式單螺杆擠出機組由剖分式機筒、內襯、螺杆芯軸、螺杆塊、混煉齒和混煉銷釘構成；其中剖分式機筒的筒壁內設置內襯，該內襯上設置有混煉齒和混煉銷釘，該螺杆芯軸上軸向套設若干螺杆塊；套設了螺杆塊的螺杆芯軸安裝在剖分式機筒內。
圖I是實現本發明塑料改性用納米級功能母粒的製備方法的生產工藝設備結構圖。 圖2是往復式單螺杆混煉擠出機組的結構示意圖。
具體實施例方式圖I公開了一種本發明實現塑料改性用納米級功能母粒的製造方法的生產設備，它由間歇式鬥式密煉機I、翻鬥提升機2、雙腕螺杆餵料機3、往復式單螺杆混煉擠出機組4、切粒機5。所述的往復式單螺杆擠出機組4由剖分式機筒41、內襯42、螺杆芯軸43、螺杆塊44和混煉銷釘46構成；其中剖分式機筒41的筒壁內設置內襯42，該內襯42上設置有和混煉銷釘46，該螺杆芯軸43上軸向套設若干螺杆塊44 ;套設了螺杆塊44的螺杆芯軸43安裝在首1J分式機筒41內。本發明的一種塑料改性用納米級功能母粒的製備方法，它是採用兩步法，第一步是前期偶聯劑對無機納米粒子進行表面修飾處理，第二步是後期熔融共混機械改性以密煉和往復式單螺杆機組連續相均勻分布、分散混煉擠出成型，消除導致納米顆粒在基體材料中的團聚；其特徵在於所述的第二步進一步細分為如下步驟
步驟一將複合體系中原料按組分比例經自動計量秤計量配製後加入高速混和機進行混和均勻處理；
步驟二 將混和均勻處理的原料輸入到間歇式鬥式密煉機I進行密煉分布塑化呈不規則的團、塊狀物料；
步驟三將經過密煉機I分布塑化後的團、塊狀物料通過自動翻鬥提升機2輸送到雙腕螺杆餵料機3後，再送入往復式單螺杆混煉擠出機組4並擠出條狀物料連續切粒；
步驟四將經往復式單螺杆擠出機組4均勻分布、分散塑化物料，經切粒機5處理後的納米級功能母粒通過多級旋風分離器冷卻後由振動篩進行整粒處理，避免母粒物料之間產生粘連呈均勻顆粒狀功能母粒物料，並經定量計量獨立包裝。所述的第一步中的偶聯劑採用矽烷偶聯劑或鈦酸酯偶聯劑。本發明是通過複合物體系中表面改性偶聯劑的加入有助於改善納米級顆粒粒子的團聚特性，然後再通過間歇式鬥式密煉機I和往復式單螺杆混煉擠出機組4 (如圖2)的結構，使納米級顆粒料在熔融基體塑化過程達到均勻分布、分散混煉，它是一種通過化學配伍和機械剪切的雙重方式克服納米級顆粒團聚的特性方法，實現塑料改性用納米級功能母粒在連續性規模製備生產。
該間歇式鬥式密煉機I的主要作用是將加入的複合物料進行強迫預塑化處理，物料的投入、輸出方式是間歇式的，且輸出的預塑化物料呈團、塊不規則結構；由於密煉機其兩個轉自具有特殊的幾何形狀，有正反向螺杆、轉自頂部與室壁形成窄間隙，當轉自旋轉時就會在楔形區和窄間隙中產生很高的剪切速率和拉伸速率，這非常有利於納米顆粒的分布混和,故可以達到很高的混煉質量該往復式單螺杆擠出機組4在結構上與現有普通單螺杆和雙螺杆擠出機有很大的不同，其螺杆上的螺紋不是連續的螺紋每轉一圈中斷數次(3-4次)，機筒是剖分式的可迅速打開，內表面按一定規律(如軸向的三排)安排混煉銷釘46，組合式的螺杆由螺杆芯軸43和螺杆芯軸43上軸向套設若干螺杆塊44構成，它是一種積木式的套設結構。螺杆在連續旋轉的同時還按一定規律做軸嚮往復運動，這使物料在螺杆和機筒中的運動大為複雜，機筒41的內襯42上的混煉銷釘46和混煉齒45如同第二根螺杆，對物料的混煉和輸送，對物料進行分布、分散混和的作用。銷釘與每個螺塊的相對運動軌跡呈￥曲線，，是物料承受連續的剪切、取向、切割、摺疊、拉伸等過程，得到良好的混煉、分散效果是螺杆具有連續混煉工作特性的混煉機械，這種往復式運動可產生強烈混煉效果，既保留了間歇式密煉機的優良混煉性能，又發揮了螺杆擠出機的連續軸向混煉和徑向混和的特點，連續式混煉機是一種調節範圍較廣的機械混煉設備，可以得到不同混煉效果滿足不同工藝技術要求，在混煉混和過程中物料於混煉室內進行強烈的軸向循環流動，使得該設備具有較強的軸向分散混和能力，在塑料材料共混改性、功能母粒的製造等領域得到創新應用，由於其具有非常優異的軸向及徑向分布、分散混和性能，故在納米級高填充分布、分散混和的場所得到了應用。往復式單螺杆連續混煉擠出機組轉自的混煉段螺稜的長度、螺稜角和旋向的各不相同在轉子的混煉段物料依次收到來自螺稜的大小與方向不同的推理作用，這種變化加劇了混煉物料界面的更新和流動的紊亂程度，促進了分散混煉和低熔點揮物通過機身段設置的真空排氣口的脫排極為有利；這種循環流動導致物料的返混與交換促進了混煉與分散的進行，物料循環流動速度越快轉子對物料的混煉作用月強烈，共混物的分散在此熔體剪應力的作用下被伸展、拉長、團塊被碾碎，在紊流流動的作用下得到重新分布於分散，強化了分散相在連續相中的分散防止其重新積聚、結團，促進共混物相混煉和軸向混煉的分散混煉和分布混煉的進行，達到提高混煉均勻的「納米效應」塑化結果。綜上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，並非用來限定本發明的實施範圍，即凡依本發明申請專利範圍的內容所作的等效變化與修飾，都應為本發明的技術範疇。
權利要求
1.一種塑料改性用納米級功能母粒的製備方法，它是採用兩步法，第一步是前期偶聯劑對無機納米粒子進行表面修飾處理，第二步是後期熔融共混機械改性以密煉和往復式單螺杆機組連續相均勻分布、分散混煉擠出成型，消除導致納米顆粒在基體材料中的團聚；其特徵在於所述的第二步進一步細分為如下步驟 步驟一將複合體系中原料按組分比例經自動計量秤計量配製後加入高速混和機進行混和均勻處理； 步驟二 將混和均勻處理的原料輸入到間歇式鬥式密煉機(I)進行密煉分布塑化呈不規則的團、塊狀物料； 步驟三將經過密煉機(I)分布塑化後的團、塊狀物料通過自動翻鬥提升機(2 )輸送到雙腕螺杆餵料機(3)後，再送入往復式單螺杆混煉擠出機組(4)並擠出條狀物料連續切粒； 步驟四將經往復式單螺杆擠出機組(4)均勻分布、分散塑化物料，經切粒機(5)處理後的納米級功能母粒通過多級旋風分離器冷卻後由振動篩進行整粒處理，避免母粒物料之間產生粘連呈均勻顆粒狀功能母粒物料，並經定量計量獨立包裝； 所述的往復式單螺杆擠出機組(4 )由剖分式機筒(41)、內襯(42 )、螺杆芯軸(43 )、螺杆塊(44)和混煉銷釘(46)構成；其中剖分式機筒(41)的筒壁內設置內襯(42)，該內襯(42)上設置有混煉銷釘(46)，該螺杆芯軸(43)上軸向套設若干螺杆塊(44);套設了螺杆塊(44)的螺杆芯軸(43)安裝在剖分式機筒(41)內。
2.根據權利要求I所述的塑料改性用納米級功能母粒的製備方法，其特徵在於所述的第一步中的偶聯劑採用矽烷偶聯劑或鈦酸酯偶聯劑。
全文摘要
本發明涉及一種塑料改性用納米級功能母粒的製備方法。它是採用「兩步法」，a前期偶聯劑表面修飾處理，b後期熔融共混機械改性以密煉和往復式單螺杆機組連續相均勻分布、分散混煉擠出成型，消除導致納米顆粒的團聚「瓶頸」技術。所述的設備由間歇式鬥式密煉機、翻鬥提升機、雙腕螺杆餵料機、往復式單螺杆混煉擠出機組、切粒機組成。其中，所述的往復式單螺杆擠出機組由剖分式機筒、內襯、螺杆芯軸、螺杆塊、混煉齒和混煉銷釘構成；其中剖分式機筒的筒壁內設置內襯，該內襯上設置有混煉齒和混煉銷釘，該螺杆芯軸上軸向套設若干螺杆塊；套設了螺杆塊的螺杆芯軸安裝在剖分式機筒內。它解決納米級功能母粒在製造中的團聚問題，使納米粒子在聚合物基體中達到均勻分布、分散，有利於實現大規模工業化連續性生產。
文檔編號B29B7/00GK102626963SQ20121007951
公開日2012年8月8日 申請日期2012年3月23日 優先權日2012年3月23日
發明者周寶茂, 鄭阿松 申請人:周寶茂, 鄭阿松