專利名稱：氣體輔助超低溫制造塑膠粉末的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所提供的一種氣體輔助超低溫制造塑膠粉末的方法，特別是針對(duì)熱塑性(Thermoplastic)塑膠，先利用熔爐將其熔融成液態(tài)，并在熔爐的塑膠熔液出口處輔以利用高壓空氣去吹化分離塑膠熔液，漸進(jìn)形成較細(xì)小的球狀塑膠微粒，再利用超低溫液態(tài)氮?dú)庾饔迷撍苣z微粒，使塑膠微粒產(chǎn)生低延伸率(Elongation)、低耐沖擊值(Impact Resistance)、低破裂韌性(Fracture Toughness)及非常脆(Brittle)且易碎裂(Fragmentation)的特性，以便接受一低溫輾壓輪的輾壓運(yùn)作，完成快速取得粒徑在10微米以下的塑膠粉末的方法。
由于，熱塑性塑膠較熱固性(Thermosetting)塑膠具有明顯且優(yōu)越的破裂韌性與制振性(Vibration Damping)，以其作為基材(Matrix)的制成的纖維強(qiáng)化熱塑性塑膠(Fiber Reinforced Thermoplastics，F(xiàn)RTP)，較一般泛用的纖維強(qiáng)化熱固性塑膠(Fiber Reinforced Thermosets，F(xiàn)RTS)復(fù)合材料具有不易破裂、制造工藝簡(jiǎn)單、成本低、使用壽命長(zhǎng)以及減少運(yùn)動(dòng)傷害等優(yōu)點(diǎn)；更由于熱塑性塑膠具有可回收(Recycling)再利用的特性，在目前全球注重生態(tài)環(huán)保之際，更能為世人所接受，因此新開發(fā)的航空用復(fù)合材料，以及民生用的高爾夫球桿、自行車架及網(wǎng)球拍等休閑運(yùn)動(dòng)用品，皆已大量應(yīng)用FRTP產(chǎn)品；其中以高性能連續(xù)纖維補(bǔ)強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，更是日后應(yīng)用的趨勢(shì)。
在利用連續(xù)纖維強(qiáng)化熱塑性塑膠(FRTP)制作工件時(shí)，通常所使用的材料并非直接將纖維及塑膠混合應(yīng)用，而是先將纖維和塑膠依一定比例混合，做成片狀或編織筒狀的預(yù)浸料(Prepreg)，此種FRTP預(yù)浸料具有成份均勻、儲(chǔ)存容易以及使用方便等特性，為發(fā)展FRTP復(fù)合材料中不可或缺的中間原料(Intermediate Material)，世界上能制造出高品質(zhì)FRTP預(yù)浸料的廠商并不多見。
然以目前現(xiàn)行制作連續(xù)性纖維FRTP預(yù)浸料的方法，主要有粉末浸滲法(Powder Prepregging)、熱熔法(Hot Melting)、溶液法(Solution DipPrepregging)以及薄膜輾合法(Film Clalendering)，其中以粉末浸滲法可得到較佳的材料性能，此乃由于熱塑性塑膠熔融時(shí)的粘度很大，且其破斷伸長(zhǎng)率(Elongation at Break)相當(dāng)高，如參見下載之表一所示
表一熱塑性塑膠于室溫(25℃)的性質(zhì)資料來(lái)源Engineered Materials Handbook，Vol.2，ASM International，1998.
其中如Nylon6的破斷伸長(zhǎng)率為30％，Nylon66為60％，PET為50％；甚至有超過(guò)100％，例如PC為110％，PP則超過(guò)200％，因此熱塑性塑膠在滲入(Infiltrate)及對(duì)纖維浸潤(rùn)(Wetting)時(shí)的情況不佳，故以熱熔法或溶液法或薄膜輾合法皆不易有效克服上述的缺點(diǎn)，而以粉末法制造，則可藉其具有微細(xì)粉末的特性，較容易均勻分散滲入散開的纖維束(Tow)內(nèi)，經(jīng)由后續(xù)制作工件時(shí)的加溫加壓程序完成固化(Consolidation)，而得浸潤(rùn)性良好的FRTP產(chǎn)品，使得纖維得以充份發(fā)揮其高強(qiáng)度及高彈性模數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，確保產(chǎn)品的品質(zhì)。
粉末法雖較易得到性能均勻優(yōu)秀的產(chǎn)品，惟卻必須是在塑膠粉末的粒徑夠小(10微米以內(nèi))，容易分布滲入纖維束內(nèi)的條件下，才能確保此法的優(yōu)越性。因此，如何制造粒徑小于10微米且粒徑分布集中的熱塑性膠粉末，就成為制作連續(xù)纖維FRTP預(yù)浸料的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
以目前制造熱塑性塑膠粉末的技術(shù)而言，皆必須使用粉碎與研磨的手段，將熱塑性塑膠的粗粒狀原料磨成細(xì)粉末，例如使用沖擊粉碎機(jī)(HammerMill)及球磨機(jī)(Ball Mill)施行加工。其中以球磨機(jī)來(lái)負(fù)責(zé)最后的研磨工作，較可取得粒徑10微米以下的熱塑性塑膠粉末，但研磨時(shí)間長(zhǎng)達(dá)24至48小時(shí)，在大量生產(chǎn)時(shí)磨球的消耗量以及磨罐的消耗數(shù)目相當(dāng)可觀，并不符合經(jīng)濟(jì)效益；再者，因熱塑性塑膠在受到研磨時(shí)的應(yīng)力或剪刀的作用后，往往會(huì)產(chǎn)生再熔(Re-melt)的現(xiàn)象，使細(xì)粉末再變成凝聚體(Agglomerate)，而使粒徑加大，研磨效果大打折扣，此亦是使用球磨機(jī)研磨熱塑性塑膠的粗粒狀原料時(shí)，經(jīng)常發(fā)生的困擾。
本發(fā)明人有鑒于上述大量制造熱塑性塑膠微細(xì)粉末所遭遇到的困難等實(shí)情，乃積極針對(duì)熱塑性塑膠的性質(zhì)加以研究，本發(fā)明的目的是進(jìn)而應(yīng)用熱塑性塑膠在超低溫環(huán)境下所具有的低延伸率、低耐沖擊值、低破裂韌性及非常脆且易碎裂等特性，以便再配合獨(dú)特的制造步驟設(shè)計(jì)，取得一種快速且有效率的熱塑性塑膠粉末制造方法，達(dá)到可連續(xù)生產(chǎn)取得成本低廉且粒徑在10微米以下的熱塑性塑膠粉末。
本發(fā)明的目的是按下述實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明氣體輔助超低溫制造塑膠粉末的方法，其特征在于包含以下制程熔料，取用粗粒狀熱塑性塑膠作為原料，將其熔融成塑膠熔液；高壓空氣吹化分離，利用高壓空氣去沖擊流動(dòng)中心的塑膠熔液，使其逐漸冷卻硬化，并降低其粘度，以利逐漸吹化分離至形成較細(xì)小的塑膠球狀微粒；超低溫氮?dú)獯嗷瘺_擊，利用超低溫液態(tài)氮?dú)馊_擊作用該等塑膠球狀微粒，以便大幅降低塑膠球狀微粒的伸長(zhǎng)率、耐沖擊值以及抗脆裂的韌性，形成極脆且易破裂的低溫脆化特性的塑膠球狀微粒；低溫輾壓，利用—同接受液態(tài)氮?dú)獾牡蜏刈饔玫妮殙狠?，?duì)經(jīng)過(guò)上述脆化后的塑膠球狀微粒進(jìn)行碾壓運(yùn)作；即可完成快速產(chǎn)制取得粒徑在10微米以下的大量塑膠粉末成品的方法。上述在溶料時(shí)，必須加溫至超過(guò)熱塑性塑膠的熔點(diǎn)至少50℃以上的溫度，以充分將粗粒狀熱塑性塑膠原料熔融成流動(dòng)性更佳的塑膠熔液，并促進(jìn)后續(xù)吹化分離塑膠熔液成球狀微粒的效果。上述該經(jīng)由高壓氣體吹化分離而形成的較細(xì)小的塑膠球狀微粒，先由帶狀體至橢圓體進(jìn)而逐漸分離演變形成的。上述利用超低溫氮?dú)鈱?duì)塑膠球狀微粒進(jìn)行脆化沖擊時(shí)，可使塑膠球狀微粒降溫至零下60至160℃左右，以形成較佳的脆化作用。
為能再加詳述本發(fā)明，將列舉一較具體的實(shí)施例，配合附圖詳細(xì)說(shuō)明如后

圖1是本發(fā)明制法的流程圖；圖2是本發(fā)明制法所運(yùn)用設(shè)備的制造流程剖示圖；圖3是本發(fā)明制法中利用氣體吹化分離塑膠熔液的放大示意圖；圖4是本發(fā)明以氟化碳為例顯示其溫度與伸長(zhǎng)率之間的性能曲線圖；圖5是本發(fā)明以醋酸纖維素為例顯示其伸張率與應(yīng)力間的性能曲線圖；圖6是本發(fā)明以HIPS及PS為例顯示其溫度與沖擊力之間的作用曲線圖；圖7是本發(fā)明揭示多種超強(qiáng)硬熱塑性塑膠的溫度與沖擊值之間的關(guān)系曲線圖；圖8是本發(fā)明揭示熱塑性塑膠在受到液態(tài)氮的降溫作用下可大幅降低破碎硬度的曲線圖。
A……熔料 B……高壓空氣吹化分離C……超低溫氮?dú)獯嗷瘺_擊D……低溫輾壓1……塑膠熔液 11……帶狀體12……橢圓體 13……塑膠球狀微粒14……塑膠粉末 2……熔爐21……出口 3……高壓空氣30……膨脹區(qū) 31……供氣流道4……腔室 41……濾網(wǎng)42……集粉岐管 43……集粉室44……頸口 45……斜錐壁面46……震動(dòng)器 5……液態(tài)氮?dú)?0……腔壁 51……供氣室52……斜錐臺(tái)面 6，60……閥件7……輾壓輪71……刮板8……篩選組81……回收管9……包裝組首觀圖1所示，本發(fā)明所提供一種氣體輔助超低溫制造塑膠粉末的方法，是經(jīng)過(guò)熔料A、高壓空氣吹化分離B、超低溫氮?dú)獯嗷瘺_擊C、低溫輾壓D等連貫式的獨(dú)特制程，以利取得粒徑在10微米以下的熱塑性塑膠粉末標(biāo)的物。請(qǐng)配合圖2所示的設(shè)備流程實(shí)施說(shuō)明如下如圖2所示的設(shè)備，是依照本發(fā)明制法流程所架構(gòu)形成的一種較佳實(shí)施形態(tài)，主要是包含由頂層的熔爐2，位于熔爐2底部的熔液出口21處所設(shè)置的高壓空氣3的供氣流道31，設(shè)一熔爐2底端用來(lái)收集粒料用的腔室4，腔室4底部的頸口44處所設(shè)置的閥件6，腔室4底端所設(shè)置的保冷隔熱用腔壁50，腔壁50內(nèi)形成供應(yīng)超低溫液態(tài)氮?dú)?的供氣室51，供氣室51內(nèi)設(shè)置的斜錐臺(tái)面52、閥件61與輾壓輪7，以及輾壓輪7底端的篩選組8與包裝組9等部位所組成。使用時(shí)，將配合本發(fā)明的制法步驟說(shuō)明如下熔粒A是將粗粒狀熱塑性塑膠原料載入熔爐2中，使熔爐2加溫至超過(guò)熱塑性塑膠的熔點(diǎn)至少50℃以上的溫度，以利充分將粗粒狀熱塑性塑膠原料熔融成流動(dòng)更佳的塑膠熔液1，并促進(jìn)后續(xù)吹化分離的效果；高壓空氣吹化分離B是在熔爐2底端的膠熔液1的出口21處，輔予注入高壓氣體3，使高壓氣體3在出口21處沖擊塑膠熔液1時(shí)形成一膨脹區(qū)30，并使流動(dòng)中的塑膠熔液1受到高壓強(qiáng)力的冷卻空氣的吹化作用，而逐漸硬化并降低其粘度，亦即逐漸被吹化形成由帶狀體11、橢圓體12以至逐漸分離成為較細(xì)小的塑膠球狀微粒13形態(tài)(配合圖3所示)；這些被吹化分離而成的塑膠球狀微粒13的粒徑均尚未均勻，有些微粒粒徑已形成小于10微米(Micrometer)，但大多數(shù)的微粒則尚大于10微米的要求；當(dāng)這些粒度尚未均勻的塑膠球狀微粒13落入至設(shè)備的腔室4過(guò)程中，該等小于10微米粒徑者即形成為塑膠粉末14，會(huì)先被腔室4端壁上設(shè)有濾網(wǎng)41的集粉岐管42中的真空吸力吸至另一集粉室43內(nèi)收集，其他的微粒則被濾網(wǎng)41阻擋，并在腔室4內(nèi)往下飄落至頸口44上的導(dǎo)流用斜錐壁面45間，經(jīng)斜錐壁面45上設(shè)置的震動(dòng)器46(Vibrator)所產(chǎn)生的抖料作用，使塑膠球狀微粒13能經(jīng)由閥件6的適時(shí)啟/閉運(yùn)作，而定量下載至底端腔壁50內(nèi)的供氣室51中；超低溫氮?dú)獯嗷瘺_擊C必須先令腔壁50頂、底端的閥件6及60施行同步張位運(yùn)作，以便關(guān)閉供氣室51內(nèi)的進(jìn)、出料口，然后在供氣室51內(nèi)注入超低溫的液態(tài)氮?dú)?，促使在供氣室51中的塑膠球狀微粒13，得以受到超低溫的氮?dú)獾臎_擊作用，而降溫至零下-60至160℃左右，并藉此大幅降低塑膠球狀微粒13的伸長(zhǎng)率；例如以圖4中所示的氟化碳(Fluorocarbons)為例，在其降溫至零下-60至-160℃左右時(shí)的伸長(zhǎng)率降伏最為理想，同時(shí)以圖5中所示的醋酸纖維素(Cellulose acetate)為例，在不同溫度下的應(yīng)力(Stress)與應(yīng)變率(Strain)的性能變化中可知，愈低于零下溫度時(shí)，其伸張率愈低，且應(yīng)力逐漸提高至硬脆狀態(tài)；相同于在利用超低溫液態(tài)氮?dú)?將塑膠球狀微粒13大幅降溫的作用下，亦可使塑膠球狀微粒13的耐沖擊值大幅降低，如圖6及圖7所示為例，當(dāng)其溫度愈低時(shí)，其所示的熱塑性塑膠材料的耐沖擊值亦愈低再者，利用超低溫液態(tài)氮?dú)?將塑膠球狀微粒13大幅降溫的作用下，亦可大幅減低其抗脆裂的韌性，例如圖8的熱塑性塑膠在不同溫度作用下所顯示的表面破碎強(qiáng)硬度可知，當(dāng)溫度低至零下時(shí)，其抵抗破裂的壓力即愈低；換言之，即促使塑膠球狀微粒13產(chǎn)生極脆且易破裂的低溫特性，完成超低溫脆化沖擊作用；低溫輾壓D當(dāng)在供氣室51內(nèi)經(jīng)過(guò)超低溫脆化沖擊作用后的熱塑性塑膠球狀微粒13，即會(huì)而落入另一足以產(chǎn)生震動(dòng)抖料作用的斜錐臺(tái)面52，并配合閥件60適時(shí)開啟，使塑膠球狀微粒13被抖入二只同受超低溫液態(tài)氮?dú)?作用的輾壓輪7之間，促使同樣備具有極脆且易破裂的特性的塑膠微粒13，得以被低溫輾壓輪7輾壓成更加細(xì)小的塑膠粉末14，且受輾壓后所形成的塑膠粉末14成品，其粒徑大多已小于10微米以下，以符合制作連續(xù)纖維FRTP預(yù)浸料的需求條件；該輾壓輪7的底緣輪面間皆貼設(shè)有刮板71，可將輾壓后所形成的塑膠粉末14刮落，且為確保輾壓后所取得的塑膠粉末14粒徑的均勻性，可于輾壓輪7底端再予利用一分級(jí)篩選組8，將小于10微米以下或是粒徑不合需求者加以篩選分離，使大于10微米以上粒徑的粉末，再經(jīng)回收管81回收，以利重新進(jìn)行脆化沖擊及輾壓等制程，使粉末粒徑再次變?。划?dāng)然大多數(shù)經(jīng)過(guò)分級(jí)篩選組8所篩選出小于10微米以下粒徑的塑膠粉末14，即會(huì)利用一包裝組9包裝成袋，完成快速生產(chǎn)連續(xù)纖維FRTP預(yù)浸料所需的塑膠粉末14的目的。
綜上所述，本發(fā)明所提供的一種熱塑性塑膠粉末的創(chuàng)新制法，確實(shí)具有理論上的基礎(chǔ)以及產(chǎn)業(yè)上所需求的高度利用性，且可達(dá)到縮短工時(shí)、降低產(chǎn)制成本以及提升塑膠粉末品質(zhì)的進(jìn)步效益，應(yīng)已符合發(fā)明專利要件，于是依法提出申請(qǐng)，懇請(qǐng)賜準(zhǔn)，至感德便。
權(quán)利要求
1.一種氣體輔助超低溫制造塑膠粉末的方法，其特征在于包含以下制程熔料，取用粗粒狀熱塑性塑膠作為原料，將其熔融成塑膠熔液；高壓空氣吹化分離，利用高壓空氣去沖擊流動(dòng)中心的塑膠熔液，使其逐漸冷卻硬化，并降低其粘度，以利逐漸吹化分離至形成較細(xì)小的塑膠球狀微粒；超低溫氮?dú)獯嗷瘺_擊，利用超低溫液態(tài)氮?dú)馊_擊作用該等塑膠球狀微粒，以便大幅降低塑膠球狀微粒的伸長(zhǎng)率、耐沖擊值以及抗脆裂的韌性，形成極脆且易破裂的低溫脆化特性的塑膠球狀微粒；低溫輾壓，利用一同接受液態(tài)氮?dú)獾牡蜏刈饔玫妮殙狠?，?duì)經(jīng)過(guò)上述脆化后的塑膠球狀微粒進(jìn)行碾壓運(yùn)作；即可完成快速產(chǎn)制取得粒徑在10微米以下的大量塑膠粉末成品的方法。
2.如權(quán)利要求1所述的氣體輔助超低溫制造塑膠粉末的方法，其特征在于在溶料時(shí)，必須加溫至超過(guò)熱塑性塑膠的熔點(diǎn)至少50℃以上的溫度，以充分將粗粒狀熱塑性塑膠原料熔融成流動(dòng)性更佳的塑膠熔液，并促進(jìn)后續(xù)吹化分離塑膠熔液成球狀微粒的效果。
3.如權(quán)利要求1所述的氣體輔助超低溫制造塑膠粉末的方法，其特征在于該經(jīng)由高壓氣體吹化分離而形成的較細(xì)小的塑膠球狀微粒，先由帶狀體至橢圓體進(jìn)而逐漸分離演變形成的。
4.如權(quán)利要求1所述的氣體輔助超低溫制造塑膠粉末的方法，其特征在于利用超低溫氮?dú)鈱?duì)塑膠球狀微粒進(jìn)行脆化沖擊時(shí)，可使塑膠球狀微粒降溫至零下60至160℃左右，以形成較佳的脆化作用。
全文摘要
一種氣體輔助超低溫制造塑膠粉末的方法,特征是先利用熔爐將熱塑性塑膠粒狀原料熔融成液態(tài),并在熔爐的塑膠熔液出口處,輔予注入高壓空氣,使流動(dòng)中的塑膠熔液的粘度降低,并逐漸吹化分離成帶狀體、橢圓體以至漸進(jìn)形成至較細(xì)小的球狀微粒,再經(jīng)過(guò)一腔室內(nèi)噴流供應(yīng)超低溫的液態(tài)氮?dú)獾拇嗷饔?使細(xì)小塑膠球狀微粒的耐沖擊值及韌性得再大幅降低,并形成極脆且易破裂的特性,以便經(jīng)由低溫輾壓輪的輾壓運(yùn)作,進(jìn)而快速取得粒徑10微米以下的塑膠粉末。
文檔編號(hào)B05B1/02GK1240162SQ9810245
公開日2000年1月5日 申請(qǐng)日期1998年6月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月22日
發(fā)明者曾紹謙 申請(qǐng)人:曾紹謙