CN103753827B - 水辅助混炼挤出/注塑聚合物纳米复合材料的设备及实现方法 - Google Patents

水辅助混炼挤出/注塑聚合物纳米复合材料的设备及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供水辅助混炼挤出和注塑聚合物纳米复合材料的设备。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；水辅助混炼注塑聚合物纳米复合材料的设备，包括注塑机、注塑模具、水基纳米粒子悬浮液注入装置以及向注塑模具型腔内提供和排出反压气体的模具型腔气体反压装置。本发明同时提供水辅助混炼挤出和注塑聚合物纳米复合材料的方法。本发明可使纳米粒子均匀地分散在聚合物基体中，具有成本低、结构紧凑、操作简便等优点，便于工业化应用。

Description

水辅助混炼挤出/注塑聚合物纳米复合材料的设备及实现方法
技术领域
本发明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及实现方法。
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。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于：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/注塑设备及实现方法。
为实现上述目的，本发明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。
一种水辅助混炼注塑聚合物纳米复合材料的设备，包括注塑机、注塑模具、水基纳米粒子悬浮液注入装置以及向注塑模具型腔内提供和排出反压气体的模具型腔气体反压装置；所述水基纳米粒子悬浮液注入装置与注塑机机筒连接；所述模具型腔气体反压装置与注塑模具连接。
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注塑机机筒连接。可根据聚合物原料性质和注塑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，所述模具型腔气体反压装置包括气体增压回路和气体泄压回路；所述气体增压回路包括依次连接的空气压缩机、阀门、增压泵、调压阀、压力表和单向阀；所述气体泄压回路包括二位二通换向阀和程控减压阀；所述单向阀与注塑模具的进气口连接；所述二位二通换向阀的一端与注塑模具的排气口连接，另一端与程控减压阀相连接；程控减压阀与大气连通。可根据聚合物原料性质和注塑条件等相应地设定模具型腔气体反压装置中增压回路注入模具型腔的气体压力和泄压回路的气体泄压速率。
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注塑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。
一种由上述注塑设备实现的水辅助混炼注塑聚合物纳米复合材料的方法，包括下述步骤：（1）启动注塑机的合模机构使注塑模具合模，然后启动模具型腔气体反压装置，模具型腔气体反压装置中的气体增压回路工作，使注塑模具型腔内的气体压力维持高于对应的水蒸气在熔体温度时的饱和压力值；（2）启动注塑机的塑化/注射装置，使聚合物原料塑化、熔融后得到熔体，启动水基纳米粒子悬浮液注入装置，向注塑机机筒内注入一定压力和流量的水基纳米粒子悬浮液，与聚合物熔体混合，在注塑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）塑化过程结束后，注塑机的塑化/注射装置将混炼均匀的聚合物纳米复合材料熔体注入注塑模具的型腔中，同时开启模具型腔气体反压装置中的气体泄压回路，对注塑模具型腔内的气体按预定的泄压速率进行泄压，以保证模具型腔内的气体在被填充熔体压缩过程中维持稳定的压力，在高于对应的水蒸气在熔体温度时的饱和压力的注塑模具型腔内的气体压力作用下，溶解在熔体中的水蒸气不被析出；（4）注塑制品冷却固化后，启动注塑机的开模机构使注塑模具开模，得到表面光洁且内部无气泡的聚合物纳米复合材料制品。
所述步骤（1）具体为：启动注塑机的合模机构使注塑模具合模，然后，启动模具型腔气体反压装置增压回路中的空气压缩机、阀门和增压泵，使压缩空气通过注塑模具的注气口注入注塑模具的型腔中；观察压力表的显示值，调节调压阀，使模具型腔内的气体压力维持高于对应的水蒸气在熔体温度时的饱和压力值。
所述步骤（2）具体为：启动注塑机的塑化/注射装置，聚合物原料在注塑机螺杆剪切和机筒加热的作用下塑化、熔融得到熔体，塑化过程稳定后，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注塑机机筒所需压力值，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；在注塑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：塑化过程结束后，关闭水基纳米粒子悬浮液注入装置的电动球阀，同时切换换向阀的通路；注塑机的塑化/注射装置将混炼均匀的聚合物纳米复合材料熔体注入注塑模具的型腔中，同时开启模具型腔气体反压装置泄压回路中的二位二通换向阀，并控制程控减压阀的开度，使模具型腔内的气体按所需的泄压速率进行泄压，以保证模具型腔内的气体在被填充熔体压缩过程中维持稳定的压力；在高于对应的水蒸气在熔体注射温度时的饱和压力的注塑模具型腔内的气体压力作用下，溶解在熔体中的水蒸气不被析出。
本发明的作用原理如下所述。水基纳米粒子悬浮液经过水基纳米粒子悬浮液注入装置的电动球阀的球体中细小喷孔呈散射状注入挤出机或注塑机的机筒内，与聚合物熔体进行混合；高温、高压的聚合物熔体使注入的悬浮液处于过热状态，在流场作用下发生变形而逐渐细化成小液滴。水起两方面的效应：（1）对聚合物产生塑化和溶胀效应，提高混炼效果；（2）水分子在纳米粒子片层之间扩散，被吸附在片层表面。此两效应可促进聚合物分子链扩散进入纳米粒子片层之间，被吸附在片层表面，解吸先前吸附的水分子。在挤出机的真空排气口处，压力降低使过热水快速汽化、膨胀，保持纳米粒子片层撑开，同时留下被吸附在纳米粒子片层表面的大分子链；水被排出后，流场的继续作用进一步提高纳米粒子片层在聚合物基体中的分散和分布均匀性。对水辅助混炼注塑设备，通过模具型腔气体反压装置往模具型腔内注入压力高于对应的水蒸气在熔体注射温度时的饱和压力的气体，使溶解在熔体中的水蒸气不被析出，从而获得表面光洁且内部无气泡的聚合物纳米复合材料制品。综上，本发明可获得纳米粒子分散良好的聚合物纳米复合材料或制品。
本发明相对于现有技术及设备具有如下的优点和效果。
（1）本发明提供的水辅助混炼挤出/注塑聚合物纳米复合材料的设备，具有成本低、结构紧凑和操作简便等优点。
（2）采用本发明提供的水辅助混炼挤出/注塑聚合物纳米复合材料的方法制备纳米复合材料，可有效地使纳米粒子在聚合物基体中均匀分散。
（3）本发明具有作业流程合理、生产过程稳定和绿色环保等优点，易于在工业生产中推广应用。
附图说明
图1是本发明水辅助混炼挤出聚合物纳米复合材料的设备的结构示意图。
图2是本发明水辅助混炼注塑聚合物纳米复合材料的设备的结构示意图。
图3是图1和图2所示设备中电动球阀的结构示意图。
图4a和图4b分别是图3所示电动球阀中球体的正视图和侧视图。
上述各图中标号说明如下。A1—挤出机；A2—注塑机；B—水基纳米粒子悬浮液注入装置；C—模具型腔气体反压装置；D—注塑模具；1—储液缸；2—水基纳米粒子悬浮液；3—阀门开关；4—高压计量泵；5—换向阀；6—溢流阀；7—第一压力表；8—节流阀；9—第二压力表；10—电动球阀；10-1—阀体；10-2—阀杆；10-3—电动执行器；10-4—球体；11—真空泵；12—挤出机螺杆；13—挤出机机筒；14—加料斗；15—注塑机螺杆；16—注塑机机筒；17—加料斗；18—空气压缩机；19—阀门；20—增压泵；21—调压阀；22—压力表；23—单向阀；24—二位二通换向阀；25—程控减压阀。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明实施方式不限于此。
实施例一
图1示出了本发明水辅助混炼挤出聚合物纳米复合材料的设备，包括挤出机A1、水基纳米粒子悬浮液注入装置B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13中排出的真空泵11；水基纳米粒子悬浮液注入装置B和真空泵11沿挤出机A1的挤出方向依次与挤出机机筒13连接。
水基纳米粒子悬浮液注入装置B包括依次连接的储液缸1、阀门开关3、高压计量泵4、换向阀5、溢流阀6、第一压力表7、节流阀8、第二压力表9和电动球阀10；电动球阀10通过螺纹与挤出机机筒13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B注入的水基纳米粒子悬浮液2的压力和流量。例如在本实施例中，注入压力为5～20MPa，注入流量为4～10L/h。
真空泵11的进气口通过螺纹与挤出机机筒13连接，排气口与大气连通。
如图3所示，电动球阀10包括阀体10-1、阀杆10-2、电动执行器10-3和具有多个细小喷孔结构的球体10-4；球体10-4安装在阀体10-1内，阀杆10-2在电动执行器10-3的作用下带动球体10-4在阀体10-1内转动。当球体10-4转动角度为0°时，电动球阀10处于开启状态，可通过电动球阀10的球体10-4中喷孔往挤出机机筒13内连续地注入压力和流量稳定的水基纳米粒子悬浮液2；当球体10-4转动角度为90°时，电动球阀10处于关闭状态，能有效地避免聚合物熔体堵塞球体10-4中的喷孔。
水辅助混炼挤出聚合物纳米复合材料的方法的整个工作过程如下所述。设定加工温度、喂料速率和螺杆转速，启动挤出机，聚合物原料连续、均匀地从加料斗14被加入挤出机机筒13中，在挤出机螺杆12的剪切和挤出机机筒13的加热的共同作用下塑化、熔融得到熔体后被连续性地挤出；挤出过程稳定后，开启水基纳米粒子悬浮液注入装置B的阀门开关3、换向阀5、电动球阀10和高压计量泵4，使储液缸1中的水基纳米粒子悬浮液2以一定的压力和流量进入水基纳米粒子悬浮液注入装置B中；调节溢流阀6，使第一压力表7的显示值略高于水基纳米粒子悬浮液2注入挤出机机筒13所需的压力值，调节节流阀8使悬浮液2输出流量为注入机筒13所需的流量值，微调溢流阀6，使第二压力表9显示值稳定在悬浮液2注入机筒13所需的压力值，从而使注入的悬浮液2稳定在所需的压力和流量值；水基纳米粒子悬浮液2经过开启的电动球阀10的球体10-4中喷孔呈散射状注入机筒13内，与聚合物熔体混合；在螺杆12的进一步混炼以及水基纳米粒子悬浮液2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；开启真空泵11，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13中抽出。
实施例二
图2示出了本发明水辅助混炼注塑聚合物纳米复合材料的设备，包括注塑机A2、注塑模具D、水基纳米粒子悬浮液注入装置B以及向注塑模具型腔内提供和排出反压气体的模具型腔气体反压装置C；水基纳米粒子悬浮液注入装置B与注塑机机筒16连接；模具型腔气体反压装置C与注塑模具D连接。
水基纳米粒子悬浮液注入装置B包括依次连接的储存水基纳米粒子悬浮液的储液缸1、阀门开关3、高压计量泵4、换向阀5、溢流阀6、第一压力表7、节流阀8、第二压力表9和电动球阀10；电动球阀10通过螺纹与注塑机机筒16连接。可根据聚合物原料性质和注塑条件等相应地设定水基纳米粒子悬浮液注入装置B注入的水基纳米粒子悬浮液2的压力和流量。例如本实施例中，注入压力为5～20MPa，注入流量为4～10L/h。
模具型腔气体反压装置C包括气体增压回路和气体泄压回路；气体增压回路包括依次连接的空气压缩机18、阀门19、增压泵20、调压阀21、压力表22和单向阀23；气体泄压回路包括二位二通换向阀24和程控减压阀25；单向阀23与注塑模具D的进气口连接；二位二通换向阀24的一端与注塑模具D的排气口连接，另一端与程控减压阀25相连接；程控减压阀25与大气连通。可根据聚合物原料性质和注塑条件等相应地设定模具型腔气体反压装置C的增压回路注入模具型腔的气体压力和泄压回路的泄压速率。例如本实施例中，注入气体压力为1～10MPa，泄压速率为2～5MPa/s。
如图3所示，电动球阀10包括阀体10-1、阀杆10-2、电动执行器10-3和具有多个细小喷孔结构的球体10-4；球体10-4安装在阀体10-1内，阀杆10-2在电动执行器10-3的作用下带动球体10-4在阀体10-1内转动。当球体10-4转动角度为0°时，电动球阀10处于开启状态，可通过电动球阀10的球体10-4中喷孔往注塑机机筒16内连续地注入压力和流量稳定的水基纳米粒子悬浮液2；当球体10-4转动角度为90°时，电动球阀10处于关闭状态，能有效地避免聚合物熔体堵塞球体喷孔。
水辅助混炼注塑聚合物纳米复合材料的方法的整个工作过程如下所述。启动注塑机A2的合模机构使注塑模具D合模，然后，启动模具型腔气体反压装置C增压回路中的空气压缩机18、阀门19和增压泵20，使压缩空气通过注塑模具D的注气口注入注塑模具D的型腔中；观察压力表22的显示值，调节调压阀21，使模具型腔内的气体压力维持高于对应的水蒸气在熔体温度时的饱和压力值。
启动注塑机A2的塑化/注射装置，聚合物原料从加料斗17被加入注塑机机筒16中，在注塑机螺杆15的剪切和注塑机机筒16的加热的共同作用下塑化、熔融得到熔体；塑化过程稳定后，开启水基纳米粒子悬浮液注入装置B的阀门开关3、换向阀5、电动球阀10和高压计量泵4，使储液缸1中的水基纳米粒子悬浮液2以一定的压力和流量进入水基纳米粒子悬浮液注入装置B中；调节溢流阀6，使第一压力表7的显示值略高于水基纳米粒子悬浮液2注入注塑机机筒16所需的压力值，调节节流阀8使悬浮液2输出流量为注入机筒16所需的流量值，微调溢流阀6，使第二压力表9显示值稳定在悬浮液2注入机筒16所需的压力值，从而使注入的悬浮液2稳定在所需的压力和流量值；水基纳米粒子悬浮液2经过开启的电动球阀10的球体10-4中喷孔呈散射状注入机筒16内，与聚合物熔体混合；在螺杆15的进一步混炼以及水基纳米粒子悬浮液2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。
塑化过程结束后，关闭水基纳米粒子悬浮液注入装置B的电动球阀10，同时切换换向阀5的通路。注塑机A2的塑化/注射装置将混炼均匀的聚合物纳米复合材料熔体注入注塑模具D的型腔中，同时开启模具型腔气体反压装置C泄压回路中的二位二通换向阀24，并控制程控减压阀25的开度，使模具型腔内的气体按所需的泄压速率进行泄压，以保证模具型腔内的气体在被填充熔体压缩过程中维持稳定的压力。在高于对应的水蒸气在熔体注射温度时的饱和压力的注塑模具型腔内的气体压力作用下，溶解在熔体中的水蒸气不被析出。
注塑制品冷却固化后，启动注塑机A2的开模机构使注塑模具D开模，得到表面光洁且内部无气泡的聚合物纳米复合材料制品。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种水辅助混炼挤出聚合物纳米复合材料的设备，其特征在于：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；
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；
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，球体转动角度为90°时电动球阀处于关闭状态。
2.根据权利要求1所述的水辅助混炼挤出聚合物纳米复合材料的设备，其特征在于：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。
3.根据权利要求1或2所述的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，其特征在于：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汽化、水的作用下的塑化、水的作用下的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后形成的水蒸气从挤出机机筒中排出。
4.一种水辅助混炼注塑聚合物纳米复合材料的设备，其特征在于：包括注塑机、注塑模具、水基纳米粒子悬浮液注入装置以及向注塑模具型腔内提供和排出反压气体的模具型腔气体反压装置；所述水基纳米粒子悬浮液注入装置与注塑机机筒连接；所述模具型腔气体反压装置与注塑模具连接。
5.根据权利要求4所述的水辅助混炼注塑聚合物纳米复合材料的设备，其特征在于：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注塑机机筒连接。
6.根据权利要求4所述的水辅助混炼注塑聚合物纳米复合材料的设备，其特征在于：所述模具型腔气体反压装置包括气体增压回路和气体泄压回路；所述气体增压回路包括依次连接的空气压缩机、阀门、增压泵、调压阀、压力表和单向阀；所述气体泄压回路包括二位二通换向阀和程控减压阀；所述单向阀与注塑模具的进气口连接；所述二位二通换向阀的一端与注塑模具的排气口连接，另一端与程控减压阀相连接；程控减压阀与大气连通。
7.根据权利要求5所述的水辅助混炼注塑聚合物纳米复合材料的设备，其特征在于：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，球体转动角度为90°时电动球阀处于关闭状态。
8.根据权利要求4～7中任一项所述的注塑设备实现的水辅助混炼注塑聚合物纳米复合材料的方法，其特征在于：包括下述步骤：(1)启动注塑机的合模机构使注塑模具合模，然后启动模具型腔气体反压装置，模具型腔气体反压装置中的气体增压回路工作，使注塑模具型腔内的气体压力维持高于对应的水蒸气在熔体温度时的饱和压力值；(2)启动注塑机的塑化/注射装置，使聚合物原料塑化、熔融后得到熔体，启动水基纳米粒子悬浮液注入装置，向注塑机机筒内注入一定压力和流量的水基纳米粒子悬浮液，与聚合物熔体混合，在注塑机螺杆的进一步混炼以及水基纳米粒子悬浮液中的水的汽化、水的作用下的塑化、水的作用下的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)塑化过程结束后，注塑机的塑化/注射装置将混炼均匀的聚合物纳米复合材料熔体注入注塑模具的型腔中，同时开启模具型腔气体反压装置中的气体泄压回路，对注塑模具型腔内的气体按预定的泄压速率进行泄压，以保证模具型腔内的气体在被填充熔体压缩过程中维持稳定的压力，在高于对应的水蒸气在熔体温度时的饱和压力的注塑模具型腔内的气体压力作用下，溶解在熔体中的水蒸气不被析出；(4)注塑制品冷却固化后，启动注塑机的开模机构使注塑模具开模，得到表面光洁且内部无气泡的聚合物纳米复合材料制品。
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