CN103336098A - 一种预测功能粒子对聚合物基体有效作用范围的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种预测功能粒子对聚合物基体有效作用范围的方法。该方法是将功能粒子分散于一种聚合物中形成功能粒子填充相，然后与一种纯聚合物进行共挤出，制备得到功能粒子填充相与纯聚合物交替排布的多层复合材料，再通过建立纯聚合物层的单层厚度与整个多层复合材料性能的关系，对功能粒子的有效作用范围进行预测。本发明所涉及的设备简单，模具加工容易，易于组装，制造成本低，清理和维护都十分方便。预测方法原理简单，易于实施推广。

Description

一种预测功能粒子对聚合物基体有效作用范围的方法
技术领域
本发明涉及聚合物基功能复合材料技术领域，更具体地说，本发明涉及一种预测功能粒子对聚合物基体有效作用范围的方法。
背景技术
聚合物材料因其优异的成型加工性能和力学韧性，以及低廉的价格而被广泛地应用于国民经济和国防建设的各个领域。但随着社会和科技的发展，对材料性能和功能的要求也越来越高，特别对具有一定功能的聚合物材料的需求也越来越大，因而，高分子材料的高性能化和功能化仍是目前科学研究和工业应用的热点和难点。
为了使聚合物具有光、电、磁、阻燃、屏蔽等特殊功能，在基体中添加功能粒子被认为是一种简单有效的方法。随着功能粒子含量的增加，复合体系将逐渐具有并接近粒子自身的功能特性。但是，当功能粒子添加到一定程度后，再继续增加其添加量，其改性效果将逐渐减弱，随之而来的却是复合体系加工性能、力学韧性等聚合物原有优势性能的恶化。因此，如何在相同改性效果下添加尽可能少的功能粒子是聚合物功能化改性的关键。
除了优化功能粒子的自身性能，调节其在聚合物基体中的分散也被认为是一种有效的方法。目前，普遍认同的观点是良好的分散有利于增大功能粒子对基体的作用范围，从而避免因功能粒子的局部缺失导致整个体系的改性效果受到影响。但是，当前大量的研究主要集中在如何通过改变加工工艺、表面改性等方法来提高功能粒子的分散性，很少从理论角度来对功能粒子对聚合物基体的有效作用范围进行模拟和预测，进而为实际生产提供指导。实际上，功能粒子的有效作用范围决定了其与相邻粒子在聚合物中的最大距离（hd）。当间距大于hd时，聚合物得不到有效改性；当间距小于hd时，功能粒子分布过密，又会导致原料的浪费以及加工、力学等性能的恶化。因此，可以设计并构筑一种类似功能粒子填充层/纯聚合物层/功能粒子填充层的交替层状结构，通过建立纯聚合物层厚度与整个体系相关性能参数的关系，推测功能粒子的hd值，而hd/2则被定义为功能粒子对聚合物基体的有效作用范围。
发明内容
本发明的目的是针对聚合物基功能复合材料中功能粒子最佳添加量难以选择的现状，而提供一种预测功能粒子对聚合物基体有效作用范围的方法，以解决功能粒子添加量不足导致复合材料性能不能达到预期需求或因添加量过大导致成本提高或加工、机械等性能降低的问题。
本发明的技术方案是：将功能粒子（A）分散于一种聚合物（B）中形成功能粒子填充相（C），然后与一种纯聚合物（D）进行共挤出，制备得到功能粒子填充相(C)与纯聚合物(D)交替排布的多层复合材料，再通过建立聚合物（D）的单层厚度与整个多层复合材料性能的关系，对功能粒子的有效作用范围进行预测。
在上述技术方案中，所述功能粒子（A）可以为相邻层聚合物（D）的阻燃剂、成核剂、增透剂、抗老化剂、硫化剂、发泡剂、交联剂、催化剂中的一种，聚合物（B）和聚合物（D）为选自聚乙烯或其共聚物、聚丙烯或其共聚物、聚苯乙烯或其共聚物、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚己二酸己二醇酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚己内酰胺、聚癸二酸癸二醇酯、聚甲基丙烯酸酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚甲醛、聚碳酸酯、聚氨酯、聚苯醚、聚乳酸、聚己内酯、纤维素、聚异戊二烯、氯丁橡胶、丁基橡胶、三元乙丙橡胶中的同一种。
在上述技术方案中，所述的功能粒子填充层（C）和纯聚合物层（D）交替排布的多层复合材料可以利用多台挤出机共挤出，也可以在共挤出口模处安装若干层倍增器。聚合物层状熔体在进入每一个层倍增器后将被分为m股（m在2-10之间可调），然后m股熔体在出口处沿厚度方向叠加在一起，使整个材料的层数与进入层倍增器前相比提高m倍，而经过n个（n在1-20之间可调）层倍增器后其层数就将提高mn倍。
在上述技术方案中，所述的功能粒子填充层（C）和纯聚合物层（D）交替排布的多层复合材料层数可在2-5000层之间调控，单层厚度最低可至10纳米。
在上述技术方案中，所述的功能粒子填充相（C）的性能在功能粒子（A）质量分数达到一定值后基本不随层数的变化而变化。
在上述技术方案中，所述的功能粒子填充层（C）和纯聚合物层（D）交替排布的多层复合材料的性能可以通过调节总层数来建立其与单层厚度的关系，并将性能趋于稳定时纯聚合物层（D）单层厚度的二分一定义为功能粒子对聚合物（D）的有效作用范围。
在上述技术方案中，所述的多层复合材料可以是片状、膜状、条状、纤维状或粒状。
本发明具有如下优点：1、本发明所涉及的设备简单，模具加工容易，易于组装，制造成本低，清理和维护都十分方便。                     
2、本发明所涉及的方法原理简单，易于实施推广。
本发明还具有其他方面的一些优点。
附图说明
图1为本发明所涉及的共挤出装置结构示意图。在图中，A, B: 挤出机, C: 连接器，D: 汇合器，E: 层倍增器，F: 出口模。
图2为本发明所涉及的预测功能粒子对聚合物基体有效作用范围的原理示意图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明进行进一步的具体描述。在以下各实施例中，各组分的用量均为重量用量。有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本发明产生的积极效果可用实施例来进行说明。
实施例1
将添加了40 wt%阻燃剂的聚乙烯与纯聚乙烯在200℃进行共挤出，制备得到了多种层数的交替层状复合材料。其中，纯聚乙烯层的单层厚度介于0.5-50微米。氧指数测试结果显示，随着纯聚乙烯层单层厚度的逐渐降低，交替多层材料的氧指数逐渐提高，并在纯聚乙烯层单层厚度为8微米时达到稳定，因此预测该阻燃剂对聚乙烯基体的有效作用范围为4微米。
实施例2
将添加了5 wt%透明成核剂的聚丙烯与纯聚丙烯在200℃进行共挤出，制备得到了多种层数的交替层状复合材料。其中，纯聚丙烯层的单层厚度介于0.2-25微米。光学测试结果显示，随着纯聚丙烯层单层厚度的逐渐降低，交替多层材料的雾度逐渐降低，并在纯聚丙烯层单层厚度为10微米时达到稳定，因此预测该透明成核剂对聚丙烯基体的有效作用范围为5微米。
实施例3
将添加了20 wt%发泡剂的聚苯乙烯与纯聚苯乙烯在220 ℃进行共挤出，制备得到了多种层数的交替层状复合材料。其中，纯聚苯乙烯层的单层厚度介于1-500微米。通过显微镜下观察显示，随着纯聚苯乙烯层单层厚度的逐渐降低，其中的泡孔层数逐渐减少，当在纯聚苯乙烯单层厚度为65微米时，其中的泡孔层数为2层，因此预测该发泡剂对聚苯乙烯基体的有效作用范围为32.5微米。

Claims (8)

1.一种预测功能粒子对聚合物基体有效作用范围的方法，其特征在于将功能粒子（A）分散于一种聚合物（B）中形成功能粒子填充相（C），然后与一种纯聚合物（D）进行共挤出，制备得到功能粒子填充相(C)与纯聚合物(D)交替排布的多层复合材料，再通过建立聚合物（D）的单层厚度与整个多层复合材料性能的关系，对功能粒子的有效作用范围进行预测。
2.按照权利要求1所述的一种预测功能粒子对聚合物基体有效作用范围的方法，其特征在于功能粒子（A）可以为相邻层聚合物（D）的阻燃剂、成核剂、增透剂、抗老化剂、硫化剂、发泡剂、交联剂、催化剂中的一种。
3.按照权利要求1所述的一种预测功能粒子对聚合物基体有效作用范围的方法，其特征在于聚合物（B）和聚合物（D）为选自聚乙烯或其共聚物、聚丙烯或其共聚物、聚苯乙烯或其共聚物、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚己二酸己二醇酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚己内酰胺、聚癸二酸癸二醇酯、聚甲基丙烯酸酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚甲醛、聚碳酸酯、聚氨酯、聚苯醚、聚乳酸、聚己内酯、纤维素、聚异戊二烯、氯丁橡胶、丁基橡胶、三元乙丙橡胶中的同一种。
4.按照权利要求1所述的一种预测功能粒子对聚合物基体有效作用范围的方法，其特征在于功能粒子填充层（C）和纯聚合物层（D）交替排布的多层复合材料可以利用多台挤出机共挤出，也可以在共挤出口模处安装若干层倍增器，使材料的层数可在2-5000层之间调控，单层厚度最低可至10纳米。
5.按照权利要求4所述的层倍增器的层倍增作用，其特征在于聚合物层状熔体在进入每一个层倍增器后将被分为m股（m在2-10之间可调），然后m股熔体在出口处沿厚度方向叠加在一起，使整个材料的层数与进入层倍增器前相比提高m倍，而经过n个（n在1-20之间可调）层倍增器后其层数就将提高mn倍。
6.按照权利要求1、4所述的一种预测功能粒子对聚合物基体有效作用范围的方法，其特征在于当功能粒子（A）的质量分数达到一定值后，功能粒子填充层（C）的性能基本不随层数的变化而变化。
7.按照权利要求1、4、6所述的一种预测功能粒子对聚合物基体有效作用范围的方法，其特征在于功能粒子填充层（C）和纯聚合物层（D）交替排布的多层复合材料的性能可以通过调节总层数来建立其与单层厚度的关系，并将性能趋于稳定时纯聚合物层（D）单层厚度的二分一定义为功能粒子对聚合物（D）的有效作用范围。
8.按照权利要求1所述的一种预测功能粒子对聚合物基体有效作用范围的方法，其特征在于制得的多层复合材料可以是片状、膜状、条状、纤维状或粒状。
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