[发明专利]静态拉伸混合器及其用于制备聚合物纳米复合材料的方法

说明书

本发明属于有机材料加工技术领域，具体涉及一种静态拉伸混合器及其用于制备聚合物纳米复合材料的方法。所述静态拉伸混合器包括轴套、芯轴和封板；所述芯轴包括依次连接的分配区、收集区、拉伸区和旋合区；所述拉伸区由基于拉伸流变原理设计的具有可周期性变化的拉伸流道组成，为所述芯轴的主要工作区；所述拉伸流道由所述拉伸区与所述轴套之间的间隙组成。所述静态拉伸混合器是基于拉伸流变原理设计具有周期性震荡特征的拉伸流动界面，对高黏度的聚合物纳米复合材料熔体多次施加流动方向上的拉伸形变与拉伸应力，诱导建立多尺度地分流‑旋转‑拉伸‑合流的流动形态，扩大熔体压力释放瞬间的流动不稳定性，从而实现纳米粒子均匀分散与分布混合。

技术领域

本发明属于有机材料加工技术领域，具体涉及静态拉伸混合器及其用于制备聚合物纳米复合材料的方法。

背景技术

具有柔性加工特点的聚合物纳米复合材料几乎是目前所有高分子领域的研究重点，其一般通过将黏弹性聚合物连续相与纳米颗粒分散相在熔体或溶液等状态下进行混合制备。

熔体的分散混合主要有两种方法：一是熔体的剪切分散混合；一是熔体的拉伸破碎分散混合。就熔体的剪切分散混合而言(以双螺杆挤出过程为例)，施加在聚合物纳米复合材料熔体上的剪切作用力，其本质上在微纳尺度上仍然是促使聚合物分子链在流动方向上产生不可逆的拉伸形变，导致团聚的纳米颗粒发生破碎分离，再通过多次往复混合达到预期的分散与分布混合效果；对低粘度溶液或者悬浮液，其多相体系的混合在螺旋桨搅拌下发生速度的急剧突变，使得流动过程中的液滴单元发生拉伸破碎。

所谓拉伸破碎分散，是相对剪切分散而言，是指在拉伸应力的作用下，原先为单相纳米粒子整体或多相粒子团簇在拉伸应力方向上发生形变，球形分散的粒子或液滴变形成椭圆形，并逐步形成夹断区，随着夹断区宽度的减小，粒子团最终发生破碎，形成体积更小的粒子。这类似于液滴拉伸破碎原理：当混合两相具有较大的黏度比值且连续相具有较高的黏度时，分散相在拉伸作用场下能够实验拉伸变细、断裂，然后逐步平衡，再拉伸变细、再破碎。假设两球形颗粒相互粘结团聚，则团聚颗粒在剪切流动和拉伸流动中的所承受的最大作用力如下：

式中：F_SH-max为最大剪切力，单位为N；F_EX-max为最大拉伸切力，单位为N；η_m为连续相黏度，单位为Pa·s；ε为拉伸流动中的拉伸应变速率，单位为s^-1；为剪切流动中的剪切应变速率，单位为s^-1；r₁为颗粒1半径，单位为m；r₂为颗粒2半径，单位为m。显然，拉伸作用力是剪切作用力的两倍，在分子间缠结力保持不变的情况下，采用拉伸流动效应可以产生更佳的分散效果。

其中，熔体剪切混合法以其低成本、易规模化及工艺简单等优势在工业生产中被大量使用，但如何实现纳米颗粒在聚合物熔体中真正意义上的纳米尺度分散已经成为制约进一步提升材料性能及宏量制备的关键瓶颈。

目前，工业界使用较多的静态混合器主要为分布式混合器(静态)主要包括美国的Kenics型、Ross型，瑞士的Sulzer SMV型、SMX型和SMXL型，日本的HI型，均可实现熔体在压力、温度及分散相在空间位置上均匀分布。但是，这些静态混合器只能实现较好的分布混合，无法实现纳米尺度的颗粒均匀分散。目前，如何一步宏量制备含纳米颗粒的聚合物基纳米复合材料，高效低成本地实现纳米颗粒在聚合物基体中的均匀分散，一直以来是众多科学家致力于解决的问题，也是制备高性能聚合物纳米复合材料的先决条件。目前，在实验研究中小批量的颗粒均匀分散的纳米复合材料的制备已经实现，但工业化规模以上生产还存在较大的难度，主要受限于效率与效益之间的矛盾。

发明内容