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熔融混炼挤出是一种经济高效的聚合物基纳米复合材料制备方法,在挤出过程中实现纳米粒子在聚合物基体中的良好剥离和分散一直是制备高性能聚合物基纳米复合材料所面临的重要挑战。本文基于数值模拟结果组合连续性水辅混炼挤出(WAME)用双螺杆挤出机的螺杆结构,用于制备聚偏二氟乙烯(PVDF)/石墨烯,聚苯乙烯(PS)/PVDF和聚酰胺6(PA6)/PVDF共混物及其石墨烯复合材料。通过促进石墨烯在聚合物基体中的分散,实现较低石墨烯含量下复合材料的导热和介电性能的改善。利用高压流变仪研究水对聚合物流变性能的影响,结合材料的微观结构和宏观性能,分析水辅混炼挤出促进石墨烯分散和共混物形态演变的机理。聚合物熔体在不同螺杆结构所形成流道中的流动的数值模拟结果表明,在反向螺纹元件上游布置捏合块特别是错列角为90?捏合块,有利于提高整个流道内的熔体压力,从而保证混炼挤出过程中注入的水以液态的形式存在。计算不同螺杆结构所形成流道中液滴的比毛细数,并用于评估不同螺杆结构对液滴的分散混合能力。结果表明,使用含有捏合块的螺杆结构,获得的最大比毛细数较大,即该螺杆的分散混合效率较高。采用WAME制备PVDF/氧化石墨烯(GO)纳米复合材料。透射电镜显微照片表明,GO片层被良好地剥离和分散在PVDF基体当中。良好分散的GO提高了PVDF的结晶度特别是β晶含量。其原因在于,GO表面的羰基对PVDF中氢原子吸引作用以及对氟原子的排斥作用诱导PVDF中的α晶向β晶转变。GO片层对PDVF基体具有增强作用,当GO含量为0.6 wt%时,材料的杨氏模量和拉伸强度分别提高了31.2%和12.3%。采用Halpin-Tsai方程预测的GO宽厚比大于PVDF/GO复合材料中的实际值,这可归因于PVDF与GO之间较强的相互作用。基于PVDF分子链、GO片层和水分子之间的相互作用的综合分析,揭示了WAME促进GO片层剥离和分散的机理。WAME同时促进GO在PVDF基体中的原位热还原。注入的水通过增强PVDF与GO之间的相互作用和促进GO的脱水反应加速了GO表面的含氧基团特别是C-O基团的去除以及碳sp~3键向sp~2键转变。此外,GO与PVDF界面处的晶粒成核有利于降低界面热阻,因而WAME制备的PVDF/GO纳米复合材料的热导率明显提高。与PVDF样品相比,采用普通混炼挤出和WAME制备的GO含量为1.0 wt%纳米复合材料的热导率分别提高了64.1%和132.5%。采用WAME制备PS/PVDF-GO共混物纳米复合材料。加入GO后,PS/PVDF-GO复合材料中PVDF相的尺寸逐渐变小,同时PS/PVDF-GO复合材料的断裂伸长率逐渐提高,表明GO对PS/PVDF共混物起到了增容的作用。WAME过程中,水分子通过增强GO与PVDF的化学亲和力并降低PS的粘度,在熔融混炼的过程中使分布在PS相中的GO向两相界面处迁移,进一步促进了其增容效应。GO对PS和PVDF的增容效应可归因于GO表面的含氧基团与PVDF分子链之间的相互作用及其基面与PS苯环结构之间的π-πstacking作用。同时,GO的“空间位阻”效应对PVDF相的聚集起到了抑制作用。高压水条件下,PVDF特别是PA6的复数粘度、弹性模量和损耗模量降低。其中,复数粘度的降低可归因于水分子在PVDF和PA6熔体中的扩散,增大分子链的自由体积,提高其活动能力。采用WAME制备的PA6/PVDF(50/50)共混物中分散相PVDF液滴尺寸变大,这是由于在WAME过程中,注入的水使分散相PVDF与连续相PA的粘度比和弹性力之差增加;WAME制备的PA6/PVDF(40/60)共混物中分散相PA6破裂成小液滴,这是由于在WAME过程中,注入的水使分散相PA与连续相PVDF的粘度比和弹性力之差减小。采用WAME制备PA6/PVDF(50/50)/膨胀石墨(A50F50EG-W)共混物复合材料,注入的水促进了PA6分子链对EG的插层和剥离,使共混物复合材料的介电常数提高。与WAME制备的相同EG体积分数(2.5 vol%)的PA/EG复合材料(PA/EG-W)相比,A50F50EG-W共混物复合材料的介电常数更高,同时保持了较低的介电损耗增大的问题。在100 Hz频率下,A50F50EG-W共混物复合材料的介电常数为33.2,比PA/EG-W复合材料的介电常数(18.2)高近一倍,而介电损耗仅为0.11。这是由于:一方面,在A50F50EG-W共混物复合材料中,分散相PVDF起到的“体积排除”作用,使分布在PA6相中EG的含量增大,从而介电常数明显提高;另一方面,分散相PVDF在一定程度上阻碍了复合材料中EG片层间的直接接触,从而使A50F50EG-W共混物复合材料保持较低的介电损耗。