一种分散相尺寸和维度可控的聚合物共混物制备方法技术

本发明专利技术公开了一种分散相尺寸和维度可控的聚合物共混物制备方法。选择两种加工温度相差大于30℃的聚合物，并分别在两种聚合物中加入一定量的相容剂和功能填料以获得基体母料和分散相母料。再将这两种母料通过微纳层叠挤出形态调控装置制备出含有一定尺寸片状分散相的共混物功能母料。将该功能母料进行二次加工，通过二次加工条件调控共混物功能母料中片状分散相的形态，以获得零维球形、一维纤维、介于一维和二维之间的带、或二维片中的一种或多种分散相形态，从而实现分散相尺寸和维度可控的聚合物共混物的制备。该材料制备方法简单，生产效率高，可以连续批量生产，且可作为分散相填料以制备聚合物基高性能多功能共混材料。相填料以制备聚合物基高性能多功能共混材料。

【技术实现步骤摘要】
一种分散相尺寸和维度可控的聚合物共混物制备方法


[0001]本专利技术属于聚合物的加工、高性能化和功能化
，具体涉及一种分散相尺寸和维度可控的聚合物共混物制备方法。

技术介绍

[0002]聚合物共混是实现聚合物高性能和功能化的主要方法之一，分散相形态包括尺寸和维度等对共混物的最终性能在很大程度上起着决定性的作用。通过界面增容可有效降低两相界面处的界面张力，进而降低分散相尺寸（European Polymer Journal. 2016, 79: 198-218.）。分散相不同维度的形态可分为零维的球体、一维的纤维、二维的片以及介于一维和二维之间的带。通常不同维度的形态需要不同的调控方法：（a）零维的球体：采用传统的熔融共混技术即对共混熔体施加剪切力场获得（Macromolecules 2019, 52, 7547
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7556）；（b）一维的纤维：可进一步通过对共混熔体施加拉伸力场获得（Ind. Eng. Chem. Res. 2017, 56, 9467
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9477）；（c）二维的片：可进一步通过对共混熔体施加拉伸力场和压缩力场获得（CN106867239A）；（d）介于一维和二维之间的带：可通过扁平的口模挤出，再对挤出熔体施加拉伸力场和压缩力场获得（Chemical Engineering Science 178 (2018) 146
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156）。这些调控方法获得的聚合物共混物中，分散相的维度及其对性能的改善比较单一。例如，一维纤维具有最好的增强效果，但增韧效果差；二维片具有最好的阻隔改善效果，但力学性能增强效果一般；介于一维和二维之间的带有较好的增强增韧效果，但阻隔改善效果一般。因此，获得含有多种维度分散相的聚合物共混物对于实现其高性能化和功能化至关重要。但目前尚没有一种聚合物共混物的制备方法能够实现多种维度分散相的形态调控。
[0003]在上述获得具有一定尺寸和维度的分散相过程中，通常需要先对尺寸进行调控，然后进一步调控分散相的维度。在这两步调控过程中，不同聚合物共混体系的调控因素不同，如粘度比、组成比、剪切速率、拉伸速率以及压缩比等，会使调控过程变得复杂，导致不同聚合物共混体系需要考虑不同的调控手段，而且有些粘度比相近的体系在维度上很难调控。因此在聚合物共混物中开发一种易调控、工艺简单且能够同步实现分散相尺寸和维度可控的制备方法具有重要意义。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种制备分散相尺寸和维度可控的聚合物共混物的简单加工方法。选择两种加工温度相差大于30℃的聚合物，并分别在两种聚合物中加入一定量的相容剂和功能填料，以获得分别含相容剂和功能填料的两种原料，再将这两种原料通过微纳层叠挤出形态调控装置制备出共混物功能母料，然后将该母料进行二次加工，通过控制二次加工条件，获得相应尺寸和维度的分散相。二次加工后获得的制品可以直接使用，也可以进一步将其加入到另一种加工温度低于上述二次加工温度的聚合物中，以改善该聚合物的性能。
[0005]本专利技术的技术思路和技术原理如下：本专利技术的技术思路是首先通过微纳层叠挤出形态调控装置制备出含有一定尺寸片状分散相的共混物功能母料，然后将二次加工温度控制在基体聚合物加工温度与分散相聚合物加工温度之间，让片状分散相以固态存在于基体聚合物熔体中，同时通过熔体将外力传递到分散相片上。二维的分散相片受到外力时，内部会产生抵抗变形的内力，当外力大于内力时，分散相片将被撕裂。撕裂后的形态可以是仍然具有二维的小片、介于一维和二维间的带或一维的纤维，具体形态可根据外力的大小进行调节。针对本专利所制备含有一定尺寸片状分散相的共混物功能母料的层界面强度存在特征差异，这是由于微纳层叠挤出过程中先叠加的层界面因受到厚度方向的压力和更长的“界面相互作用”时间，层界面强度更高；因此无论叠加的层数是多少，最后叠加的中间层界面强度最弱。当共混物功能母料受到剪切力时，其多层结构会经历特殊的剥离过程：（1）开始剪切力大于层界面强度，先从薄弱的中间层界面剥离，然后剩余的多层结构会再次从中间层界面剥离，呈现1分2、2分4的剥离过程；（2）当剩余多层结构的中间层界面强度大于剪切力，且分散相片本体强度小于外界剪切力时，分散相片将被撕裂成一定尺寸并具有插层结构的共混物片、带或纤维。通过调控分散相层厚度、层界面强度、剪切力、加工温度和时间可实现共混物功能母料完全剥离成单层的小片、带或纤维。如果上述过程的加工温度高于分散相加工温度，具有不同剥离形态的分散相熔体在剪切作用下形成零维的球形。以上二次加工后获得的分散相具有相应尺寸和维度的共混物材料可以直接使用，也可以进一步将其加入到另一种加工温度低于上述二次加工温度的聚合物中，以改善该聚合物的性能。
[0006]本专利技术通过以下技术原理实现分散相尺寸和维度可控的聚合物共混物的制备：（1）分别在两种加工温度相差大于30℃的聚合物中加入一定量的相容剂和功能填料获得基体相母料和分散相母料，以此来控制下一步微纳层叠挤出形态调控时的层界面强度和分散相的功能化；（2）将上述两种母料通过微纳层叠挤出形态调控装置制备出含有一定尺寸片状分散相的共混物功能母料；（3）将已经获得的共混物功能母料放入加工设备中再进行简单的二次加工，通过控制二次加工条件可制备获得分散相具有相应尺寸和维度的聚合物共混物；（4）将上一步获得的材料添加到加工温度低于二次加工温度的聚合物基体中，经过加工混合后，最终获得分散相具有特定尺寸和维度的聚合物基高性能多功能共混材料。
[0007]本专利技术中，所谓的“微纳层叠挤出形态调控装置”是指一项新型的熔体加工技术，其中“微纳层叠挤出”的制备过程是将两种聚合物分别投入到两台挤出机中，熔融后同时进入初始层叠单元，并叠合成具有两到四层结构的熔体，再通过一定数量的层叠单元，层叠成上千层的熔体。在层叠单元中，熔体首先在垂直于流动方向被分割成两等份、四等份或八等份，并分别进入上下两个流道后再上下叠合，形成与初始厚度相同且层数增加一到四倍的熔体。熔体中相邻两层间的层厚比可以通过两台挤出机不同的转速比调节，同时可选择具有不同极性的基体，制备出具有不同层界面强度的多层共混物母料。其中的“形态调控装置”是指在上述层叠单元出口连接上可减小片材厚度以及增大宽度的扩口模；扩口模出口再连接一个刀片间距可调的分流槽，可将片材沿着流动方向切割成宽度不同的条带，然后条带经过切割机被切割成具有一定宏观尺寸的母料。
[0008]本专利技术中，所谓的“界面相互作用”是指基体聚合物与分散相聚合物之间的分子链缠结作用、极性基团间的氢键作用以及反应基团间的化学作用中的一种或多种。如果基体
聚合物与分散相聚合物不相容，则只有分子链的缠结作用；如果加入了非反应性相容剂，则存在分子链缠结作用和氢键作用；如果加入了反应性相容剂，则存在分子链缠结作用、极性基团间的氢键作用以及反应基团间的化学作用。这些作用都存在时间依赖性，作用时间越长，界面处基体聚合物和分散相聚合物的分子链相互扩散进入对方的程度越高，能相互接触的极性基团和反应基团也越多，使界本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分散相尺寸和维度可控的聚合物共混物制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：第一步：在基体聚合物中加入一定量的相容剂C，经过熔融混合造粒成基体相母料A；在分散相聚合物中加入一定量的功能填料D，经过熔融混合造粒成分散相母料B，将A和B真空干燥处理后待用，第二步：将A和B分别投入到由两台挤出机、初始层叠单元、层叠单元、扩口模、分流槽以及切割机构成的微纳层叠挤出形态调控装置上的两台挤出机中，获得含有一定尺寸片状分散相B的共混物功能母料E，真空干燥处理后待用，第三步：将干燥后的共混物功能母料E进行二次加工，破坏片状分散相B的尺寸和形态，并选择二次加工条件控制其破坏程度，获得含有一定尺寸和维度分散相B的聚合物共混物F，第四步：将上述F经造粒、真空干燥后加入到另一种基体聚合物G中，在G的熔融加工条件下进行共混，最终获得分散相具有特定尺寸和维度的聚合物基高性能多功能共混材料。2.根据权利要求1所述的制备分散相尺寸和维度可控的聚合物共混物的方法，其特征在于第一步所用的分散相聚合物加工温度比基体聚合物至少高30℃。3.根据权利要求1所述的制备分散相尺寸和维度可控的聚合物共混物的方法，其特征在于第一步所用的相容剂C可以是分散相与基体聚合物的共聚物、分散相接枝物、基体接枝物中的一种，添加的质量分数为0~100%，功能填料D可以是具有导热、导电或者阻隔性能的无机填料，导热填料可以是：石墨、炭黑、石墨烯、碳纳米管、铜、银、金、铝、镍、碳化硅、碳化硼、碳化钛、 碳化锆、碳化铬、碳化钨、氮化硅、氮化硼、氮化铝、氧化铍、氧化铝或氧化锌中的一种或几种混合物，导电填料可以是：炭黑、石墨、石墨烯、碳纤维、碳纳米管、金属或金属氧化物中的一种或几种混合物，阻隔填料可以是：石墨烯、蒙脱土、埃洛石中的一种或几种混合物，添加的质量分数为0~50%。4.根据权利要求1所述的制备分散相尺寸和...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴宏，刘帅，郭少云，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：