工艺条件影响聚合物链的插层、剥离、滑脱以及聚合物-粘土纳米复合材料的松弛时间。
同向双螺杆挤出机作为纳米复合材料的加工方法已经越来越受欢迎。它提供了一种混合多种物料的方法，通过改变停留时间和剪切速率便可得到高质量制品。在聚合物加工过程中，剪切为高聚物的熔融提供了高达80%的热量，它成为了混合过程最重要的一部分。在不同的螺杆转速下，剪切会使聚合物的形态及性能发生不同的改变，因此存在着加工的最佳的工艺条件。如果对熔体的物理性有了更好的理解，那么成型加工的效益将大大优化。
图1 制备纳米复合材料过程中剪切与粘土小片的影响示意图
最近我们研究了纳米粘土的添加和混合速度的改变对聚合物熔融的影响，图1是研究的原理图。在加工过程中，聚合物在挤出机中沿着螺杆被强制挤出，随着聚合物受到螺杆元件的拖曳和均化作用，聚合物开始达到熔融状态，高分子链开始产生相对滑移，此时，分子链倾向于沿着流动方向取向，混合过程使得分子链解缠结。分子链会在随机的方向折叠、展开、缠结、在直线和旋转载荷下取向。然而，纳米粒子的添加（例如纳米粘土）会使这些流动特性发生改变。加入纳米粘土后，无论是将聚合物链嵌入到粘土片晶中还是使片晶剥离分散到聚合物基体中，混合的首要任务均是分离粘土片晶并将其分散，这个过程通过增加纳米颗粒的表面积使填料长径比显著加大，相比于常规填料这是最显著的变化。除此之外，正如图1所阐述的，粘土片晶还会限制分子的运动。
图2 在不同螺杆转速下含有30B或15A有机改性蒙脱石纳米粘土混合物的EVA在熔融状态的松弛现象及相关现象示意图
这些物理形态的影响可以通过图2的分子松弛曲线分析。我们采用非线性正态化算法得到了光谱图，图中阐述了松弛特性。记录的光谱显示了三个峰值，第一个对应于分子的短程运动（取决于聚合物链的构象），第二个对应于分子链的相对滑移，第三个对应于长链的折叠和交联。
有研究表明，对于纯乙烯/乙酸乙烯醇共聚物（EVA），螺杆转速不会引起松弛时间分布的显著变化，聚合物链在流动方向的取向不会限制链的滑移，峰值保持在同样的松弛时间。另一方面，在螺杆转速为200-400rpm时添加30B粘土（具有羟基表面活性剂）会使第三个松弛峰值时间显著增加。较高的松弛时间意味着缠结的长链之间存在更多的空间限制，以及运输的流量的改变。而在600-800rpm的螺杆转速下，松弛时间变短，更接近纯EVA的松弛时间，这表明粘土越分离，其对流动过程中的屏障效应越小。这种现象并未出现在15A纳米粘土中，尽管它具有较长的非极性表面活性链段，而且插层分散体形式趋于主导地位。正如图中所示，插层增加了与团块滑移相关的松弛时间，这表明在粘土与聚合物混合过程中，插层比剥离产生的物理作用更有效。
我们的结果表明，它是合理的假设，熔融的聚合物在加工过程中的形态将改变。由于材料冷却过程中的结晶，链取向和缠结对分子运动的限制有可能改变。我们现在正在努力理解这个过程，以便我们对聚合物-粘土纳米复合材料的性能有更好的认识。
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