[发明专利]一种高强度双峰聚乙烯/甲壳素纳米晶复合材料的挤出成型方法

说明书

本发明涉及一种高强度双峰聚乙烯/甲壳素纳米晶复合材料的挤出成型方法。本发明选择特定分子量的双峰聚乙烯，通过加入适量的甲壳素纳米晶，调控加工过程中的工艺参数特别是通过口模后的快速降温促进shish‑kebab晶体的形成，就可以有效提升双峰聚乙烯复合材料挤出制品的力学性能。该方法是一种适合工业生产、高效制备双峰聚乙烯复合材料制品的方法。

技术领域

本发明涉及双峰聚乙烯制品领域，具体涉及一种高强度双峰聚乙烯/甲壳素纳米晶复合材料的挤出成型方法。

技术背景

聚乙烯是五大通用塑料之一，具有无毒价廉、质轻、优异的耐湿性、良好的化学稳定性和易成型加工等特点，在日常生活各个领域都有非常广泛的用途。但聚乙烯制品由于力学强度不够高，严重限制了其在更大范围的应用。双峰聚乙烯是指分子量分布曲线呈现两个峰值的聚乙烯树脂，双峰聚乙烯的高分子量部分和低分子量部分在分子级别上实现了均匀混合，因此与普通聚乙烯相比双峰聚乙烯同时具备优良的物理机械强度和优异的加工性能，但双峰聚乙烯制品的性能仍不足以满足其在工程领域等更大范围的应用。

高分子纳米复合材料是以高分子材料为基体材料、通过加入纳米材料制备得到的复合材料，这是制备高性能高分子材料的常用技术。由于纳米材料比表面积大，很小的添加量就可以使高分子复合材料具有更优异的性能。高分子纳米复合材料兼具高分子材料低密度、高韧性和可塑性等特点以及纳米材料优异的力学性能、高耐热性能、高导电导热性能等诸多优良性质，是实现高分子材料高性能化的重要途径和方法。

甲壳素纳米晶是一种新型的聚多糖纳米晶，其在实际使用中有以下优点：(1)原材料来源广泛、价格低廉、可再生，甲壳素是地球上年产量仅次于纤维素的第二大生物合成高分子，广泛存在于海洋节肢生物如虾、螃蟹等的外壳中，此外在一些昆虫的外壳、真菌植物和海藻植物的细胞壁中也含有大量的甲壳素；(2)具有与聚合物相近的密度，填充后不会显著改变复合材料的体密度；(3)具有很高的强度和模量，如模量可达上百GPa；(4)具有很高的长径比，在两维尺度上保持纳米级，具有高表面活性和高比表面积等纳米尺度效应；(5)表面富含羟基，较无机纳米材料更容易实现在不同环境中的分散稳定性；(6)具有较低的密度，填充后不会过度增加材料比重。这些独特的性质使得甲壳素纳米晶可以作为一种新型的纳米增强填料，通过制备甲壳素纳米晶改性的双峰聚乙烯复合纳米材料来提高双峰聚乙烯制品的力学性能。

聚合物纳米复合材料的制备过程中，加工方式的不同会影响聚合物与纳米材料之间的相互作用，进而影响聚合物纳米复合材料的结构性能。在高分子材料的加工过程中，剪切场或拉伸场等流场的存在会对高分子的分子链取向和结晶产生重要影响，如流场可以诱导高分子shish-kebab晶体(串晶)的形成，从而影响材料的宏观力学性能。相比于通常的球晶，shish-kebab晶体能提高高分子材料制品的强度和热稳定性，对高分子材料制品性能的提高有着重要意义。如在挤出成型过程中熔融的物料在口模内快速流动时高分子链会产生高度取向，在合适的加工条件下形成shish-kebab晶体。shish-kebab晶体中伸直链晶体(shish)的形成要经历分子链构象在流动场作用下从无规线团到伸直链的突变过程，伸直链构象稳定后成核形成shish晶体，折叠链片晶(kebab)在shish晶体上附生生长，从而形成两者分子链轴取向一致的shish-kebab晶体。但是由于在制品的冷却过程中存在分子链的松弛现象，部分伸直链构象会由于松弛作用回复成无规线团构象，从而导致高度取向的高分子链解取向从而得到各向同性的高分子材料制品，因此伸直链构象稳定是shish-kebab晶体的形成过程中的决定性因素。

在分子链从无规线团到伸直链的突变过程中，存在一个临界的分子量，当分子量大于此临界值时，分子链在流场作用下、构象不经过任何的中间相而直接从无规线团转变为完全伸直链，因此双峰聚乙烯中高分子量部分对shish-kebab晶体的形成起决定性作用。如果在双峰聚乙烯中加入纤维状的甲壳素纳米晶，甲壳素纳米晶作为纤维状纳米晶体可以吸附高分子链从而加强分子链的取向、抑制其松弛，从而稳定双峰聚乙烯的高分子量部分的伸直链构象，促进shish-kebab晶体的生成。