CN114377825A - 一种提高聚合物纳米复合材料中纳米粒子分散度的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高聚合物纳米复合材料中纳米粒子分散度的装置，包括双螺杆挤出机，双螺杆挤出机上分别固定设置有聚合物粒料输入端和纳米粒子输入端；聚合物粒料输入端包括电晕带电区A和聚合物粒料投放口，电晕带电区A的顶部与聚合物粒料投放口底部贯通连接、底部通过延长口A与双螺杆挤出机的机身上表面贯通连接；纳米粒子输入端包括单螺旋挤出机和电晕带电区B,单螺旋挤出机的出料端通过弧形转接头与电晕带电区B的顶部贯通连接，电晕带电区B的底部通过延长口B与双螺杆挤出机的机身上表面贯通连接；本发明装置中的电晕带电区，实现了聚合物粒料及纳米粒子的同步化学处理，在熔融共混的过程中提高了聚合物纳米复合材料中纳米粒子的分散度。
Description
技术领域
本发明涉及纳米粒子分散度装置领域，具体涉及一种提高聚合物纳米复合材料中纳米粒子分散度的装置。
背景技术
随纳米粒子具有高比表面积、高活化能等表面效应，同时具有量子尺寸效应、体积效应、介电限域效应等众多宏观粒子所不具备的优良特性，因此通过向聚合物材料中添加纳米粒子，可将纳米粒子具有的优良特性传递给聚合物材料，显著提升聚合物材料的某些特性，比如通过向XLPE中添加纳米氧化硅颗粒，可以提升XLPE的热稳定性、电绝缘性以及耐环境应力开裂性。
目前在聚合物纳米复合材料加工领域，提高复合材料中纳米粒子分散度的方法共分为两大类，一类是针对纳米粒子本身，通过对纳米粒子进行改性处理来提高纳米粒子的分散性，以防止团聚现象的发生，常见的改性处理剂有乙氧基乙烯基硅烷、顺丁烯二酸酐以及PANI等。这种技术是通过在聚合物纳米复合材料加工之前，对纳米粒子进行预处理来实现纳米粒子的均匀分散。第二类提高复合材料中纳米粒子分散度的方法为采用合适的生产方式和复合工艺来稳定地生产这种材料体系，而不会产生团聚和相分离现象。目前聚合物纳米复合材料的生产方式包括插层法、溶胶-凝胶法、分子复合材料法和直接分散法，具体介绍如下：
（1）插层法。该方法是在层状无机物的层与层之间插入单体或聚合物以使纳米尺度的粒子均匀分散在聚合物中的方法。该方法一般适用于层状硅酸盐。
（2）溶胶凝胶法。溶胶凝胶法是一种条件温和的材料制备方法。溶胶凝胶法是将含高化学活性组分的化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而成的氧化物或其它化合物固体的方法。它允许在室温下形成玻璃状网络的过程中加入有机和无机纳米添加剂。传统上使用该方法来制造玻璃和陶瓷，近几年来，它已用于多晶、多孔复合材料和有机-无机复合材料。
（3）原位聚合法。原位聚合法是把反应性单体(或其可溶性预聚体)与催化剂全部加入分散相(或连续相)中,芯材物质为分散相。由于单体(或预聚体)在单一相中是可溶的，而其聚合物在整个体系中是不可溶的，所以聚合反应在分散相芯材上发生。反应开始，单体预聚，预聚体聚合，当预聚体聚合尺寸逐步增大后，沉积在芯材物质的表面。
（4）直接分散法。直接分散法是最为常用的聚合物纳米复合材料的加工方法。直接混合法是在聚合物玻璃化温度Tg或者熔点Tm以上将纳米颗粒和聚合物混合均匀。此方法也可以将纳米颗粒添加至聚合物溶液中，待溶剂挥发后，颗粒即分散在聚合物基体中。在该方法中，纳米粒子需要提前做好预处理，在其表面上进行化学修饰以增加与聚合物的相容性。
尽管目前有众多聚合物纳米复合材料的加工方法，但仍存在加工效率低，纳米粒子分散不均匀的问题，同时上述的加工方法仅适用于实验室条件下的小规模加工生产，在实际的大规模生产过程中，不能实现材料的持续性和稳定性加工，并且效率极低。
发明内容
本发明旨在提供一种保证纳米粒子在聚合物材料中的均匀分散，同时在大规模生产时，可以实现纳米粒子的连续供给和含量可控的提高聚合物纳米复合材料中纳米粒子分散度的装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种提高聚合物纳米复合材料中纳米粒子分散度的装置，包括双螺杆挤出机，所述双螺杆挤出机上分别固定设置有聚合物粒料输入端和纳米粒子输入端；所述聚合物粒料输入端包括电晕带电区A和聚合物粒料投放口，所述电晕带电区A的顶部与所述聚合物粒料投放口底部贯通连接、底部通过延长口A与所述双螺杆挤出机的机身上表面贯通连接；所述纳米粒子输入端包括单螺旋挤出机和电晕带电区B,所述单螺旋挤出机的出料端通过弧形转接头与所述电晕带电区B的顶部贯通连接，所述电晕带电区B的底部通过延长口B与所述双螺杆挤出机的机身上表面贯通连接。
进一步，所述电晕带电区A、电晕带电区B为同一结构，均包括圆形球体和弧形电晕棒，所述圆形球体内侧中部对称设置有两个所述弧形电晕棒，所述弧形电晕棒上均匀分布有若干狼牙凸起。
进一步，所述圆形球体的直径为8-15cm，所述弧形电晕棒的弧度为8π/9，所述狼牙凸起的下底面圆直径为14-16mm、上底面圆直径为8-10mm、高度为20-25mm。
进一步，所述电晕带电区A、电晕带电区B的所述圆形球体外表面中部均设置有接电口，且每个所述圆形球体外表面上的所述接电口至少有4个，所述接电口与所述弧形电晕棒端头固定连接。
进一步，所述聚合物粒料输入端与所述纳米粒子输入端呈相反方向设置于所述双螺杆挤出机的机身上表面，所述延长口A与所述延长口B下料位置的圆心距离为10-14cm，所述延长口A与所述延长口B下料位置的圆心不能越过所述双螺杆挤出机的螺杆所在的轴线，同时也不能交叉。
进一步，所述电晕带电区B的顶部固定设置有点状阵列筛网，且该点状阵列筛网的目数为100-300目。
进一步，所述弧形转接头的顶部开设有换气口，所述双螺杆挤出机的机体侧面开设有通孔。
进一步，所述单螺旋挤出机的入料口处固定设置有喇叭状放料口。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
（1）本发明装置中的电晕带电区，实现了聚合物粒料及纳米粒子的同步化学处理，在熔融共混的过程中提高了聚合物纳米复合材料中纳米粒子的分散度；同时，可以根据掺杂的纳米粒子的粒径、种类以及含量来进行定制，选择合适的电晕棒的尺寸以及电晕棒内椎体的长度和分布的数量，使本发明装置具有较强的可扩产性，可在聚合物纳米复合材料实际的加工生产过程中及时进行调整。
（2）本发明装置中，利用单螺杆挤出机的机械力粉碎了纳米粒子的局部结块，提高了纳米粒子的分散性，并且可以实现纳米粒子的连续均匀供给。
（3）本发明装置外接小型鼓风机可以实现机体内空气的连续供给，可实现大规模的连续加工生产。
附图说明
图1是本发明装置的横截面结构示意图；
图2是本发明装置的三维结构示意图；
图3是本发明装置聚合物粒料输入端的结构示意图；
图4是本发明装置纳米粒子输入端的结构示意图；
图5是本发明装置的弧形电晕棒结构示意图。
图中：1、聚合物粒料投放口；2、点状阵列筛网；3、弧形转接头；4、单螺旋挤出机；5、喇叭状放料口；6、电晕带电区A；7、电晕带电区B；8、双螺杆挤出机；9、延长口A；10、延长口B；11、圆形球体；12、弧形电晕棒；13、狼牙凸起；14、接电口；15、通孔；16、换气口。
具体实施方式
下面结合附图说明对本发明做进一步说明。
如图1、2、3、4、5所示的一种提高聚合物纳米复合材料中纳米粒子分散度的装置，包括双螺杆挤出机8，双螺杆挤出机8上分别固定设置有聚合物粒料输入端和纳米粒子输入端；聚合物粒料输入端包括电晕带电区A6和聚合物粒料投放口1，电晕带电区A6的顶部与聚合物粒料投放口1底部贯通连接、底部通过延长口A9与双螺杆挤出机8的机身上表面贯通连接；纳米粒子输入端包括单螺旋挤出机4和电晕带电区B7,单螺旋挤出机4的出料端通过弧形转接头3与电晕带电区B7的顶部贯通连接，电晕带电区B7的底部通过延长口B10与双螺杆挤出机8的机身上表面贯通连接；
为了提高聚合物纳米复合材料中纳米粒子的分散度，电晕带电区A6、电晕带电区B7为同一结构，均包括圆形球体11和弧形电晕棒12，圆形球体11内侧中部对称设置有两个弧形电晕棒12，弧形电晕棒12上均匀分布有若干狼牙凸起13；
优选的，圆形球体11的直径为8-15cm，弧形电晕棒12的弧度为8π/9，狼牙凸起13的下底面圆直径为14-16mm、上底面圆直径为8-10mm、高度为20-25mm；
为了给电晕带电区A6、电晕带电区B7内的弧形电晕棒13连接接电电压，电晕带电区A6、电晕带电区B7的圆形球体11外表面中部均设置有接电口14，且每个圆形球体11外表面上的接电口14至少有4个，接电口14与弧形电晕棒12端头固定连接；
优选的，聚合物粒料输入端与纳米粒子输入端呈相反方向设置于双螺杆挤出机8的机身上表面，延长口A9与延长口B10下料位置的圆心距离为10-14cm，延长口A9与延长口B10下料位置的圆心不能越过双螺杆挤出机8的螺杆所在的轴线，同时也不能交叉；
为了细致粉碎单螺杆挤出机4挤出的纳米粒子，以防止其在双螺杆挤出机8内产生结块，电晕带电区B7的顶部固定设置有点状阵列筛网2，且该点状阵列筛网2的目数为100-300目；
为了实现装置内空气的流通，弧形转接头3的顶部开设有换气口16，双螺杆挤出机8的机体侧面开设有通孔15；
为了方便纳米粒子的放料，单螺旋挤出机4的入料口处固定设置有喇叭状放料口5。
本发明装置的工作过程为：该装置使用前，计算聚合物粒料和纳米粒子的配比和使用量，所使用的纳米粒子需要事先用硅烷偶联剂进行处理，双螺杆挤出机8以杰恩特机电SHJ双螺杆系列的SHJ-72系列为母体，将双螺杆挤出机8进行预热，预热温度为200℃，并根据纳米粒子的掺杂比例调节单螺杆挤出机4的螺杆转速；同时将接电口14接电，即给弧形电晕棒12通电，使狼牙凸起13尖端带电，在圆形球体11内，两个对称安装的弧形电晕棒13正负极接电方向应该顺时针同向，即正极-负极-正极-负极，这仅是为了表明连接方向，实际的两个弧形电晕棒13之间并没有电流的流动，是相互独立的模块，可根据聚合物粒料和纳米粒子的种类以及含量的不同，分别为电晕带电区A6、电晕带电区B7内的弧形电晕棒13选择合适的接电电压；单螺杆挤出机4的螺杆为无极调节，根据聚合物纳米复合材料中纳米粒子的占比进行螺杆转速的设置；双螺杆挤出机8的机身侧面设有通孔15，此通孔15连接鼓风机，本发明装置连接罗茨风机，压力控制在8-9.8KPa之间，风量为（0.8-1.2m）³/min；
预热结束后，将聚合物粒料倒入聚合物粒料输入端，纳米粒子倒入喇叭状放料口5中随之进入单螺旋挤出机4中，单螺杆挤出机4负责纳米粒子的挤入，单螺杆挤出机4内螺杆的剪切力和挤压力会粉碎纳米粒子中由于存储和运输产生的结块，同时可以通过单螺杆挤出机4控制纳米粒子的使用量，电晕带电区B7的顶部设置有点状阵列筛网2，点状阵列筛网2的作用是为更细致粉碎单螺杆挤出机4挤出的纳米粒子，以防止其在双螺杆挤出机8内产生结块，除此之外，点状阵列筛网2还能减慢纳米粒子进入电晕带电区B7的速度，使得纳米粒子有足够的停留时间被充分处理，均匀带电,点状阵列筛网2是由不锈钢制成，目数为100-300目；
弧形电晕棒12的弧度为8π/9，且弧形电晕棒12上均匀分布有5个狼牙凸起13，弧形电晕棒12接电后，在其狼牙凸起13的尖端空气会被电离，出现电晕放电的现象，当聚合物粒料通过电晕带电区A6,以及纳米粒子通过电晕带电区B7时，空气电离所产生的低温等离子体，会使聚合物表面产生游离基，使得聚合物粒料和纳米粒子表面具有更高的附着性；经过处理的聚合物粒料和纳米粒子同时落入双螺杆挤出机8中，在高温、挤压力和剪切力的作用下，聚合物粒料与纳米粒子充分混合并熔融共混，最终在双螺杆挤出机8的出口端挤出所需要的聚合物纳米复合材料，双螺杆挤出机8的出口端可与挤管式模具相连接，挤出的复合材料经过水冷，可以包裹在电缆表面，成为绝佳的绝缘层材料；
由于电晕带电区内的气体放电会发生化学反应，产生臭氧、二氧化氮、一氧化氮等有害气体，其中，臭氧对金属及有机绝缘物有强烈氧化作用，不仅对聚合物粒料有腐蚀作用，长期使用更会对设备产生腐蚀,因此在纳米粒子输入端上的弧形转接头3顶部设置有换气口16，以实现空气的流通，换气口16的高度≥2cm；除设置换气口16之外，在双螺杆挤出机8的机身主体侧面设有通孔15，此通孔15的目的是外接鼓风机，本发明装置外接鼓风机为罗茨风机，可以实现双螺杆挤出机8机体内部空气的流通，以及加快纳米粒子的移动速率，防止纳米粒子因为密度太小而漂浮在粒料表面，导致混合不充分不均匀；在两个电晕带电区工作的同时，鼓风机也同时在工作，新鲜的空气通过换气口16进入，臭氧等有害气体通过与鼓风机相连接的通孔15排出。
本发明装置中的电晕带电区，实现了聚合物粒料及纳米粒子的同步化学处理，在熔融共混的过程中提高了聚合物纳米复合材料中纳米粒子的分散度；同时，可以根据掺杂的纳米粒子的粒径、种类以及含量来进行定制，选择合适的电晕棒的尺寸以及电晕棒内椎体的长度和分布的数量，使本发明装置具有较强的可扩产性，可在聚合物纳米复合材料实际的加工生产过程中及时进行调整。
Claims (8)
1.一种提高聚合物纳米复合材料中纳米粒子分散度的装置，包括双螺杆挤出机（8），其特征在于：所述双螺杆挤出机（8）上分别固定设置有聚合物粒料输入端和纳米粒子输入端；所述聚合物粒料输入端包括电晕带电区A（6）和聚合物粒料投放口（1），所述电晕带电区A（6）的顶部与所述聚合物粒料投放口（1）底部贯通连接、底部通过延长口A（9）与所述双螺杆挤出机（8）的机身上表面贯通连接；所述纳米粒子输入端包括单螺旋挤出机（4）和电晕带电区B（7）,所述单螺旋挤出机（4）的出料端通过弧形转接头（3）与所述电晕带电区B（7）的顶部贯通连接，所述电晕带电区B（7）的底部通过延长口B（10）与所述双螺杆挤出机（8）的机身上表面贯通连接。
2.根据权利要求1所述的一种提高聚合物纳米复合材料中纳米粒子分散度的装置，其特征在于：所述电晕带电区A（6）、电晕带电区B（7）为同一结构，均包括圆形球体（11）和弧形电晕棒（12），所述圆形球体（11）内侧中部对称设置有两个所述弧形电晕棒（12），所述弧形电晕棒（12）上均匀分布有若干狼牙凸起（13）。
3.根据权利要求2所述的一种提高聚合物纳米复合材料中纳米粒子分散度的装置，其特征在于：所述圆形球体（11）的直径为8-15cm，所述弧形电晕棒（12）的弧度为8π/9，所述狼牙凸起（13）的下底面圆直径为14-16mm、上底面圆直径为8-10mm、高度为20-25mm。
4.根据权利要求2所述的一种提高聚合物纳米复合材料中纳米粒子分散度的装置，其特征在于：所述电晕带电区A（6）、电晕带电区B（7）的所述圆形球体（11）外表面中部均设置有接电口（14），且每个所述圆形球体（11）外表面上的所述接电口（14）至少有4个，所述接电口（14）与所述弧形电晕棒（12）端头固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种提高聚合物纳米复合材料中纳米粒子分散度的装置，其特征在于：所述聚合物粒料输入端与所述纳米粒子输入端呈相反方向设置于所述双螺杆挤出机（8）的机身上表面，所述延长口A（9）与所述延长口B（10）下料位置的圆心距离为10-14cm，所述延长口A（9）与所述延长口B（10）下料位置的圆心不能越过所述双螺杆挤出机（8）的螺杆所在的轴线，同时也不能交叉。
6.根据权利要求1所述的一种提高聚合物纳米复合材料中纳米粒子分散度的装置，其特征在于：所述电晕带电区B（7）的顶部固定设置有点状阵列筛网（2），且该点状阵列筛网（2）的目数为100-300目。
7.根据权利要求1所述的一种提高聚合物纳米复合材料中纳米粒子分散度的装置，其特征在于：所述弧形转接头（3）的顶部开设有换气口（16），所述双螺杆挤出机（8）的机体侧面开设有通孔（15）。
8.根据权利要求1所述的一种提高聚合物纳米复合材料中纳米粒子分散度的装置，其特征在于：所述单螺旋挤出机（4）的入料口处固定设置有喇叭状放料口（5）。
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