《Journal of Materials Research and Technology》：Developing a new technique for enhanced processing of clay-based polyethylene nanocomposites to avoid and minimise defect and crack nucleation during manufacturing
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为了提高以纳米黏土（nanoclay, NC）层增强的聚乙烯纳米复合材料（clay-based polyethylene nanocomposites, CPNCs）的质量、均匀性、界面结合以及避免缺陷，粘结的NC层的剥离和分散是关键控制因素，因为NC颗粒容易
为了提高以纳米黏土（nanoclay, NC）层增强的聚乙烯纳米复合材料（clay-based polyethylene nanocomposites, CPNCs）的质量、均匀性、界面结合以及避免缺陷，粘结的NC层的剥离和分散是关键控制因素，因为NC颗粒容易团聚。因此，研究人员开发了一种新型干-湿熔融共混方法，用于制备由预剥离纳米层增强的聚合物纳米复合材料，这些纳米层通过高剪切工艺制备，并储存在冰块中以保持剥离的纳米层处于分离状态，随时可用。该研究基于基础实验技术，旨在生产适用于不同应用的高质量纳米复合材料。研究人员使用了天然NC纳米颗粒、蒙脱石（montmorillonite, MMT）和沙特埃洛石纳米管（Saudi halloysite nanotubes, SHNT），并采用专门的混合和加工技术。该开发的技术最大限度地减少了缺陷，同时提高了所得材料的力学性能和断裂性能，从而生产出高质量的材料，使其在载荷下具有更好的抗开裂和抗破坏能力。为避免空隙、夹杂物和其他缺陷并实现均匀的微观结构，该方法结合了断裂力学，通过考虑临界应力强度因子来控制并防止开裂，方法是在剥离的NC层与聚乙烯链之间建立牢固的双界面键合。研究人员使用扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）、透射电子显微镜（transmission electron microscope, TEM）、能量色散X射线光谱（energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDX）和X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）分析对力学性能和断裂性能进行了检测，证实了新技术取得成功并实现了研究目标。
黏土基聚合物纳米复合材料（clay-based polymer nanocomposites, CPNC）因多功能性在多个领域应用广泛。然而，纳米黏土（nanoclay, NC）颗粒如蒙脱石（montmorillonite, MMT）和沙特埃洛石纳米管（Saudi halloysite nanotubes, SHNT）亲水性强，易团聚，常规加工难以剥离，导致缺陷。为此，研究人员开发了基于预剥离NC层的新型干-湿熔融共混技术，结合断裂力学控制裂纹，旨在获得高性能无缺陷CPNC。研究人员以高密度聚乙烯（high-density polyethylene, HDPE）和低密度聚乙烯（low-density polyethylene, LDPE）为基体，采用预剥离MMT和SHNT为填料，通过双辊开炼机和双螺杆挤出机反复混炼，实现了均匀分散，断裂载荷提高约80%。该方法为绿色制备提供了新途径。
研究人员采用的主要关键技术包括：①预剥离工艺：通过高剪切干法或水力湿法将团聚NC剥离成单层纳米片，并封装于5.0 mm×5.0 mm×5.0 mm冰立方中保持分离；②干-湿熔融共混：将5%预剥离NC与95%聚合物粉末混合，依次经双辊开炼机、双螺杆挤出机在高温高剪切下反复混炼、造粒，确保均匀分散与插层；③断裂力学控制：依据临界应力强度因子（K
I、K
II、K
I-K
II）预测裂纹行为，优化加工参数；④表征与测试：利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、能量色散X射线光谱（EDX）和X射线衍射（XRD）分析微观结构和化学组成，并按ASTM D638、D5045标准进行拉伸与断裂韧性测试。材料来源：HDPE和LDPE由沙特SABIC公司提供，MMT和SHNT取自沙特土壤。
研究结果部分：
4.1.1 化学成分表征（EDX）：EDX分析确认CPNC中同时存在NC元素（Si、Al、O）和聚合物元素（C、O），且NC含量远小于聚合物基体，验证了CPNC组成和均匀分散。
4.1.2 SEM和TEM显微结构表征：SEM和TEM显示，团聚MMT为复杂叠层，SHNT为管状；预剥离后MMT呈大表面积薄片，SHNT易分散。CPNC微观结构均匀，NC片层分散于聚乙烯基体中，未见明显缺陷或裂纹。
4.1.3 XRD晶体学表征：利用Bragg定律和Scherrer公式计算层间距（d）和晶粒尺寸（D）。CPNC的d值较原始NC增大，表明NC层剥离；D值增大，表明NC与聚合物链间形成了界面键合。
4.2.1 力学性能测试：拉伸测试表明，CPNC相比纯HDPE和LDPE，拉伸强度提高，断裂载荷增加约80%，伸长率显著降低，材料从高延性弹性-塑性行为转变为低延性近似准弹性行为。
4.2.2 断裂性能测试：按ASTM D5045测定I型临界应力强度因子，并预测了边缘裂纹和中心裂纹在复合载荷下的K
I-K
II断裂包络线，用于判断裂纹稳定性、临界载荷和扩展方向。
讨论部分总结：研究人员指出，NC团聚是缺陷主因。常规反复挤出仍残留团聚体；预剥离结合冰立方储存可避免再团聚。MMT高表面积（约800 m
2/g）与SHNT（约160 m
2/g）促进界面键合，延性降低证实键合形成。SEM和TEM表征需防范电子束热损伤。与有机黏土辅助熔融共混、水辅助挤出等方法相比，本方法核心是使用预剥离NC层。
结论翻译：本研究所开发的合成技术新颖之处在于使用预剥离的NC层。由于NC层之间结合牢固且NC颗粒倾向于团聚成大颗粒，在合成过程中实现剥离非常困难。因此，本技术依赖于预剥离NC层，并将其作为生产NC基纳米复合材料的主要参数。预剥离的纳米层通过储存在极小的冰立方中保持分离状态。该技术可被描述为一种干-湿方法，因为它使用了湿态NC层。结果表明，该方法的主要目标已成功实现。第一个目标——基于断裂抗力基本特性的信息来控制材料设计——已通过确定临界断裂参数、临界应力和临界应力强度因子来实现，以控制和防止开裂及退化。这一目标通过对不同样品进行断裂性能测试来完成，这些性能控制着材料质量和适用性，并通过增强抵抗破坏的内在断裂参数来增加安全使用寿命。此外，研究人员对每个样品进行了SEM、TEM、EDX和XRD表征，以评价均匀性并识别缺陷和裂纹，从而支持生产目的。第二个主要目标——在剥离的NC片与聚合物链之间建立双界面键合以防止开裂和退化，并获得高材料强度——也已实现，表征和测试结果支持这一点。第三个主要目标——避免空隙、夹杂物和缺陷以获得增强的力学和断裂性能——也已实现。夹杂物和空隙的存在被最小化，因为这些特征会产生应力集中区域，导致开裂和力学性能弱化。所得材料表现出良好的微观结构形态和均匀性，支持可持续性、质量和经济目标。XRD结果清楚地显示NC层间距（d）增大，表明NC层被剥离，支持了新技术成功。此外，结果清楚显示粒径（D）增大，表明NC层与聚合物链之间实现了双界面键合，证实了新CPNC合成的成功。EDX结果支持XRD结果。SEM和TEM结果也支持XRD和EDX结果，显示没有明显缺陷或裂纹的清晰均匀性。此外，力学和断裂性能结果支持实现了高质量CPNC。CPNC的拉伸强度提高，而伸长率降低，表明新CPNC表现出与原始聚合物基体显著不同的力学行为，同时具有增强的力学和断裂性能。断裂载荷增加了约80%。最后，本方法是一种新开发的方法，因为以往研究中报道的加工方法均未使用机械或水力预剥离的NC颗粒。
