塑料改性用纳米级功能母粒的制备方法

摘要

本发明涉及一种塑料改性用纳米级功能母粒的制备方法。它是采用“两步法”，a前期偶联剂表面修饰处理，b后期熔融共混机械改性以密炼和往复式单螺杆机组连续相均匀分布、分散混炼挤出成型，消除导致纳米颗粒的团聚“瓶颈”技术。所述的设备由间歇式斗式密炼机、翻斗提升机、双腕螺杆喂料机、往复式单螺杆混炼挤出机组、切粒机组成。其中，所述的往复式单螺杆挤出机组由剖分式机筒、内衬、螺杆芯轴、螺杆块、混炼齿和混炼销钉构成；其中剖分式机筒的筒壁内设置内衬，该内衬上设置有混炼齿和混炼销钉，该螺杆芯轴上轴向套设若干螺杆块；套设了螺杆块的螺杆芯轴安装在剖分式机筒内。它解决纳米级功能母粒在制造中的团聚问题，使纳米粒子在聚合物基体中达到均匀分布、分散，有利于实现大规模工业化连续性生产。

权利要求

1.一种塑料改性用纳米级功能母粒的制备方法，它是采用两步法，第一步是前期偶联剂对无机纳米粒子进行表面修饰处理，第二步是后期熔融共混机械改性以密炼和往复式单螺杆机组连续相均匀分布、分散混炼挤出成型，消除导致纳米颗粒在基体材料中的团聚；其特征在于：所述的第二步进一步细分为如下步骤：步骤一：将复合体系中原料按组分比例经自动计量秤计量配制后加入高速混和机进行混和均匀处理；

步骤二：将混和均匀处理的原料输入到间歇式斗式密炼机（1）进行密炼分布塑化呈不规则的团、块状物料；

步骤三：将经过密炼机（1）分布塑化后的团、块状物料通过自动翻斗提升机（2）输送到双腕螺杆喂料机（3）后，再送入往复式单螺杆混炼挤出机组（4）并挤出条状物料连续切粒；

步骤四：将经往复式单螺杆挤出机组（4）均匀分布、分散塑化物料，经切粒机（5）处理后的纳米级功能母粒通过多级旋风分离器冷却后由振动筛进行整粒处理，避免母粒物料之间产生粘连呈均匀颗粒状功能母粒物料，并经定量计量独立包装；

所述的往复式单螺杆挤出机组（4）由剖分式机筒（41）、内衬（42）、螺杆芯轴（43）、螺杆块（44）和混炼销钉（46）构成；其中剖分式机筒（41）的筒壁内设置内衬（42），该内衬（42）上设置有混炼销钉（46），该螺杆芯轴（43）上轴向套设若干螺杆块（44）；套设了螺杆块（44）的螺杆芯轴（43）安装在剖分式机筒（41）内。

2.根据权利要求1所述的塑料改性用纳米级功能母粒的制备方法，其特征在于：所述的第一步中的偶联剂采用硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂。

说明书

塑料改性用纳米级功能母粒的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及功能母粒的制备方法，特别是一种塑料改性用纳米级功能母粒的制备方法。

背景技术

[0002] 众所周知，纳米科技是20世纪80年代末诞生并正在崛起的新科学技术。纳米材料具有广泛应用价值，纳米技术得到世界各国的一致肯定，纷纷投入巨资进行开发；纳米技术已引起我国政府、科学界及社会各界的重视和关注，我国政府把纳米技术列入国家“攀登计划”和国家“重大攻关项目”，科学院等一些科研机构、大专院校对开发纳米技术制定计划、布署方案进行纳米技术研制工作；纳米材料被列入S-863计划范围，纳米材料的研究和应用领域正蓬勃展开。纳米材料的定义：纳米是长度计量单位，1纳米（nm）是1m的十亿分之-9一（10 ）；纳米粒子是指粒径为1-100nm的粒子，当粒径达到一定细度后其凝聚的倾向就相当严重。纳米粒子粒径小、表面能打、极易团聚，所以如何解决团聚问题使纳米粒子在基体材料中达到充分均匀地分布、分散就成了影响复合改性材料性能的关键。由于纳米粒子存在很大的界面自由能，粒子极易自发团聚，要将无机纳米粒子直接分散于有机基质中制备聚合物纳米复合材料，通过必要的化学预分散和物理机械分散技术打开纳米粒子团聚体，将其均匀地分散到聚合物基体材料中并与基体材料产生有良好的亲和性，首先考核的是纳米材料是不是真正以纳米粒子的形式分散到塑料基体中，其次是纳米粒子与塑料基体是否达到真正相容，只有当纳米材料真正以纳米粒子形式均匀分散到塑料基体中，而且与塑料基体真正相容，并发生纳米尺度上的改性后的塑料才是真正的纳米塑料。

[0003] 历年来，纳米材料一直是科技界研究的热点。但就纳米粉体而言，无论是制备还是应用纳米材料的分散都是纳米材料制备的关键。纳米材料作为一项高新技术在塑料的高性能化改性中、开发应用特殊性能的纳米塑料据哟重要的实际意义，尤其是纳米塑料表现出同时增强、增韧的特性，改善力学性能以及其它性能是表现出的“纳米效应”，更为开拓纳米塑料的应用领域开辟了广阔的前景。

发明内容

[0004] 本发明技术是克服由于纳米粒子巨大的表面能为防止纳米粒子团聚，在共混前结合表面偶联剂进行处理技术的同时进行大熔融共混以及特殊的机械共混技术，以求达到纳米粒子与树脂基体材料复合均匀分布、分散的进行，以控制纳米粒子的尺寸形态均匀地分散在基体树脂中。由于纳米粒子表面活性大、极易发生团聚，使用载体材料纳米材料经界面改性偶联剂对其进行表面处理，时期表面部分钝化，有利分散使改性材料性能得到提高；从理论上讲光靠机械力是难以把凝聚体打开的；采用本发明的共混改性方法对纳米级粉体填料与塑料基体的界面改性，制备综合性能优良的复合材料。

[0005] 采用熔融共混法制备纳米塑料：

[0006] 由于纳米粒子高的表面能容易团聚在塑料基体中难以分散，采用熔融机械分布、分散共混法进行改性时，在共混前先对载体材料（如：乙烯辛烯共聚物）进行偶联剂（如：硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂）表面处理后纳米粒子加入到熔融树脂中共混分布、分散塑化加工成型。利用偶联剂表面包覆载体材料改性技术覆盖于纳米粒子表面而赋予粒子表面新的性质，适当的表面修饰可有效地钝化纳米粒子的表面防止硬团聚的产生；仅利用现有的表面活化、共混技术难以获得纳米尺度的均匀分布、分散混和，也就无法体现纳米材料所特有的性能特征，因而如何加强对表面活化处理技术与熔融机械分布、分散共混技术的研究创新、控制纳米相的团聚与分散，有效地防止纳米粒子在制备和应用过程中的团聚、保持纳米尺寸，对纳米材料的研究无疑有着重要的意义，当纳米粒子以纳米尺度均匀地分散于聚合物基体中之后将能大大改进和提高复合改性材料的综合性能，故纳米粒子在聚合物中达到均匀分布、分散就成了影响复合改性材料性能的关键。

[0007] 本发明的目的在于提供一种塑料改性用纳米级功能母粒的制备方法，主要解决纳米级功能母粒在制造中的团聚问题，使纳米粒子在聚合物基体中达到均匀分布、分散，有利于实现大规模工业化连续性生产。

[0008] 为实现上述目的，本发明是这样实现的。

[0009] 本发明的塑料改性用纳米级功能母粒的制备方法，其特征在于它是采用“两步法”，a前期偶联剂表面修饰处理，b后期熔融共混机械改性以密炼和往复式单螺杆机组连续相均匀分布、分散混炼挤出成型，消除导致纳米颗粒的团聚“瓶颈”技术。

[0010] （1）所述的纳米级功能母粒的制备方法，其特征在于所述的前期偶联剂表面修饰处理，表面改性偶联剂是硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂进行修饰处理，是利用偶联剂“分子桥”功能改变颗粒表面形态结构与能态分布，不但可增加无机纳米粒子与有机聚合物基体之间的亲和性，更加有利于纳米粒子的分散，从原理上消除导致纳米硬团聚的化学键因素。

[0011] （2）所述的纳米级功能母粒的制备方法，其特征在于所述的后期熔融共混连续挤出成型、机械粉碎室制备超细粉体的重要方法之一，聚合物在机械粉碎过程中颗粒细化的同时粉体的形态结构、物理化学性质将产生变化，在应力承受点或受应力反复作用的局部区域将产生力化学反应，产生常规化学过程不能得到的非平衡态结构，成为通用高分子材料高性能和功能化的重要途径之一。如：聚合物纳米复合材料的制备是经表面处理消除硬团聚因素的纳米粒子，其粒子间仍然会通过范德华力和库仑力等作用产生物理吸附形成软团聚。因此与前期纳米填料表面改性效果好坏一样，后期成型加工设备分散性能的优劣对纳米复合材料的最终性能更有重要影响，在后期加工中采用间歇式密炼机分布混炼塑化和连续往复式单螺杆混炼挤出机分散能力强大的结构新颖的组合熔融共混混炼塑化，使纳米粒子均匀分布、分散于聚合物基体中，达到对聚合物纳米改性的目的，尚能较好地解决纳米粒子软团聚的技术“瓶颈”问题。

[0012] 所述的纳米级功能母粒的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

[0013] 步骤一：将复合体系中原料按组分比例经自动计量秤计量配制后加入高速混和机进行混和均匀处理；

[0014] 步骤二：将混和均匀处理的原料输入到斗式密炼机进行密炼分布塑化呈不规则的团、块状物料；

[0015] 步骤三：将经过密炼机分布塑化后的团、块状物料通过自动翻斗提升机输送到双腕螺杆喂料机后，再送入往复式单螺杆混炼挤出机组并挤出条状物料连续切粒；

[0016] 步骤四：将经往复式单螺杆挤出机组均匀分布、分散塑化物料，经切粒处理后的纳米级功能母粒通过多级旋风分离器冷却后由振动筛进行整粒处理，避免母粒物料之间产生粘连呈均匀颗粒状功能母粒物料，并经定量计量独立包装。

[0017] 所述的往复式单螺杆挤出机组由剖分式机筒、内衬、螺杆芯轴、螺杆块、混炼齿和混炼销钉构成；其中剖分式机筒的筒壁内设置内衬，该内衬上设置有混炼齿和混炼销钉，该螺杆芯轴上轴向套设若干螺杆块；套设了螺杆块的螺杆芯轴安装在剖分式机筒内。

附图说明

[0018] 图1是实现本发明塑料改性用纳米级功能母粒的制备方法的生产工艺设备结构图。

[0019] 图2是往复式单螺杆混炼挤出机组的结构示意图。

具体实施方式

[0020] 图1公开了一种本发明实现塑料改性用纳米级功能母粒的制造方法的生产设备，它由间歇式斗式密炼机1、翻斗提升机2、双腕螺杆喂料机3、往复式单螺杆混炼挤出机组4、切粒机5。

[0021] 所述的往复式单螺杆挤出机组4由剖分式机筒41、内衬42、螺杆芯轴43、螺杆块44和混炼销钉46构成；其中剖分式机筒41的筒壁内设置内衬42，该内衬42上设置有和混炼销钉46，该螺杆芯轴43上轴向套设若干螺杆块44；套设了螺杆块44的螺杆芯轴43安装在剖分式机筒41内。

[0022] 本发明的一种塑料改性用纳米级功能母粒的制备方法，它是采用两步法，第一步是前期偶联剂对无机纳米粒子进行表面修饰处理，第二步是后期熔融共混机械改性以密炼和往复式单螺杆机组连续相均匀分布、分散混炼挤出成型，消除导致纳米颗粒在基体材料中的团聚；其特征在于：所述的第二步进一步细分为如下步骤：

[0023] 步骤一：将复合体系中原料按组分比例经自动计量秤计量配制后加入高速混和机进行混和均匀处理；

[0024] 步骤二：将混和均匀处理的原料输入到间歇式斗式密炼机1进行密炼分布塑化呈不规则的团、块状物料；

[0025] 步骤三：将经过密炼机1分布塑化后的团、块状物料通过自动翻斗提升机2输送到双腕螺杆喂料机3后，再送入往复式单螺杆混炼挤出机组4并挤出条状物料连续切粒；

[0026] 步骤四：将经往复式单螺杆挤出机组4均匀分布、分散塑化物料，经切粒机5处理后的纳米级功能母粒通过多级旋风分离器冷却后由振动筛进行整粒处理，避免母粒物料之间产生粘连呈均匀颗粒状功能母粒物料，并经定量计量独立包装。

[0027] 所述的第一步中的偶联剂采用硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂。

[0028] 本发明是通过复合物体系中表面改性偶联剂的加入有助于改善纳米级颗粒粒子的团聚特性，然后再通过间歇式斗式密炼机1和往复式单螺杆混炼挤出机组4（如图2）的结构，使纳米级颗粒料在熔融基体塑化过程达到均匀分布、分散混炼，它是一种通过化学配伍和机械剪切的双重方式克服纳米级颗粒团聚的特性方法，实现塑料改性用纳米级功能母粒在连续性规模制备生产。

[0029] 该间歇式斗式密炼机1的主要作用是将加入的复合物料进行强迫预塑化处理，物料的投入、输出方式是间歇式的，且输出的预塑化物料呈团、块不规则结构；由于密炼机其两个转自具有特殊的几何形状，有正反向螺杆、转自顶部与室壁形成窄间隙，当转自旋转时就会在楔形区和窄间隙中产生很高的剪切速率和拉伸速率，这非常有利于纳米颗粒的分布混和，故可以达到很高的混炼质量。

[0030] 该往复式单螺杆挤出机组4在结构上与现有普通单螺杆和双螺杆挤出机有很大的不同，其螺杆上的螺纹不是连续的螺纹每转一圈中断数次（3-4次），机筒是剖分式的可迅速打开，内表面按一定规律（如：轴向的三排）安排混炼销钉46，组合式的螺杆由螺杆芯轴43和螺杆芯轴43上轴向套设若干螺杆块44构成，它是一种积木式的套设结构。螺杆在连续旋转的同时还按一定规律做轴向往复运动，这使物料在螺杆和机筒中的运动大为复杂，机筒41的内衬42上的混炼销钉46和混炼齿45如同第二根螺杆，对物料的混炼和输送，对物料进行分布、分散混和的作用。销钉与每个螺块的相对运动轨迹呈¥曲线，，是物料承受连续的剪切、取向、切割、折叠、拉伸等过程，得到良好的混炼、分散效果是螺杆具有连续混炼工作特性的混炼机械，这种往复式运动可产生强烈混炼效果，既保留了间歇式密炼机的优良混炼性能，又发挥了螺杆挤出机的连续轴向混炼和径向混和的特点，连续式混炼机是一种调节范围较广的机械混炼设备，可以得到不同混炼效果满足不同工艺技术要求，在混炼混和过程中物料于混炼室内进行强烈的轴向循环流动，使得该设备具有较强的轴向分散混和能力，在塑料材料共混改性、功能母粒的制造等领域得到创新应用，由于其具有非常优异的轴向及径向分布、分散混和性能，故在纳米级高填充分布、分散混和的场所得到了应用。
往复式单螺杆连续混炼挤出机组转自的混炼段螺棱的长度、螺棱角和旋向的各不相同在转子的混炼段物料依次收到来自螺棱的大小与方向不同的推理作用，这种变化加剧了混炼物料界面的更新和流动的紊乱程度，促进了分散混炼和低熔点挥物通过机身段设置的真空排气口的脱排极为有利；这种循环流动导致物料的返混与交换促进了混炼与分散的进行，物料循环流动速度越快转子对物料的混炼作用月强烈，共混物的分散在此熔体剪应力的作用下被伸展、拉长、团块被碾碎，在紊流流动的作用下得到重新分布于分散，强化了分散相在连续相中的分散防止其重新积聚、结团，促进共混物相混炼和轴向混炼的分散混炼和分布混炼的进行，达到提高混炼均匀的“纳米效应”塑化结果。

[0031] 综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围，即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。