[实用新型]水辅助混炼挤出和注塑聚合物纳米复合材料的设备

说明书

技术领域

本实用新型涉及聚合物加工设备，特别涉及水辅助混炼挤出/注塑聚合物纳米复合材料的设备。 

背景技术

聚合物基纳米复合材料具有高的强度、模量和耐热性以及优良的阻燃和阻渗等性能，已应用于航空、航天、汽车和包装等工业领域。聚合物纳米复合材料的综合性能取决于多个方面，而实现纳米粒子在聚合物基体中的均匀分散是制备综合性能优异的聚合物纳米复合材料的关键。 

制备聚合物纳米复合材料的方法主要包括原位插层聚合、溶液插层和熔体插层。前两种方法能较好地实现纳米粒子在聚合物基体中的分散，但成本高和效率低等缺点使它们难以实现规模化生产。第三种方法利用挤出机等聚合物混炼设备制备聚合物纳米复合材料，具有成本低、效率高和易产业化等优点，因而成为批量制备聚合物纳米复合材料的方法。然而，此法难以将纳米粒子均匀分散在聚合物基体中。通过化学改性对纳米粒子进行表面处理，或在聚合物和纳米粒子混炼过程中加入相容剂，或预先制备聚合物纳米复合材料母料等，可提高聚合物纳米复合材料的综合性能，但导致效率较低、环境不友好等缺点。 

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于：提供一种成本低、结构紧凑、操作简便、容易实现且能有效地将纳米粒子均匀分散在聚合物基体中以制备聚合物纳米复合材料的水辅助混炼挤出/注塑设备。 

为实现上述目的，本实用新型分别提供水辅助混炼挤出和注塑聚合物纳米复合材料的技术方案。 

水辅助混炼挤出聚合物纳米复合材料的设备的技术方案如下所述。 

一种水辅助混炼挤出聚合物纳米复合材料的设备，包括挤出机、水基纳米粒子悬浮液注入装置和将水基纳米粒子悬浮液中的水汽化后形成的水蒸气从挤出机机筒中排出的排气装置；所述水基纳米粒子悬浮液注入装置和排气装置沿挤出机的挤出方向依次与挤出机机筒连接。 

优选地，所述水基纳米粒子悬浮液注入装置包括依次连接的储存水基纳米 粒子悬浮液的储液缸、阀门开关、高压计量泵、换向阀、溢流阀、第一压力表、节流阀、第二压力表和电动球阀；所述电动球阀通过螺纹与挤出机机筒连接。可根据聚合物原料性质和挤出条件等相应地设定水基纳米粒子悬浮液注入装置注入的水基纳米粒子悬浮液的压力和流量。 

优选地，所述排气装置为真空泵；所述真空泵的进气口通过螺纹与挤出机机筒连接，排气口与大气连通。 

优选地，所述电动球阀包括阀体、阀杆、电动执行器和具有多个细小喷孔结构的球体；所述球体安装在阀体内，阀杆在电动执行器的作用下带动球体在阀体内转动。球体转动角度为0°时电动球阀处于开启状态，可通过电动球阀的球体中喷孔往挤出机机筒内连续地注入压力和流量稳定的水基纳米粒子悬浮液；球体转动角度为90°时电动球阀处于关闭状态，能有效地避免聚合物熔体堵塞球体喷孔。 

一种由上述挤出设备实现的水辅助混炼挤出聚合物纳米复合材料的方法，包括下述步骤：（1）启动挤出机，使聚合物原料塑化、熔融后得到熔体，被连续性地挤出；（2）挤出过程稳定后，启动水基纳米粒子悬浮液注入装置，以所需的压力和流量均匀地将水基纳米粒子悬浮液注入挤出机机筒中，与聚合物熔体混合；在挤出机螺杆的进一步混炼以及水基纳米粒子悬浮液中的水的塑化、汽化和膨胀效应的协同作用下，纳米粒子均匀地分散在聚合物熔体中；（3）启动排气装置，将水基纳米粒子悬浮液中水汽化形成的水蒸气从挤出机机筒中排出。 

所述步骤（1）具体为：设定加工温度、喂料速率和螺杆转速，启动挤出机，聚合物原料从加料斗被加入挤出机机筒中，在挤出机螺杆的剪切和机筒加热的作用下塑化、熔融得到熔体后被连续性地挤出。 

所述步骤（2）具体为：挤出过程稳定后，开启水基纳米粒子悬浮液注入装置的阀门开关、换向阀、电动球阀和高压计量泵，使储液缸中的水基纳米粒子悬浮液以一定的压力和流量进入水基纳米粒子悬浮液注入装置中；调节溢流阀，使第一压力表的显示值略高于悬浮液注入挤出机机筒所需压力值，调节节流阀使悬浮液输出流量为注入机筒所需流量值，微调溢流阀，使第二压力表显示值稳定在悬浮液注入机筒所需压力值，从而使注入的水基纳米粒子悬浮液稳定在 所需压力和流量值；水基纳米粒子悬浮液经过开启的电动球阀的球体中喷孔呈散射状注入机筒内，与聚合物熔体混合；在挤出机螺杆的进一步混炼以及水基纳米粒子悬浮液中的水的塑化、汽化和膨胀效应的协同作用下，纳米粒子均匀地分散在聚合物熔体中。 

所述步骤（3）具体为：开启真空泵，将水蒸气从挤出机机筒中抽出。 

水辅助混炼注塑聚合物纳米复合材料的设备的技术方案如下所述。