聚合物熔體剪切振動擠出成型裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型提供的聚合物熔體剪切振動擠出成型裝置，包括擠出機13、通過法蘭盤與擠出機聯(lián)接的擠出機頭1、口模12、定型模14、冷卻水槽15、牽引裝置16和切割裝置17，其特征在于還包括設置在擠出機頭1上方的曲柄連桿剪切振動系統(tǒng)18和擠出機頭1內熔體流道振動腔2，其中曲柄連桿剪切振動系統(tǒng)是由曲柄連桿機構和往復振動桿3構成，往復振動桿3位于擠出機頭1上所開的通孔9內，該通孔9與熔體流道振動腔2貫通。本裝置不僅能同時促進聚合物分子鏈取向，串晶結構的生成以及聚合物晶粒的細化，提高制品的力學性能，且還能降低擠出阻力，提高生產效率。
【專利說明】聚合物熔體剪切振動擠出成型裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于聚合物擠出成型加工裝置【技術領域】，具體涉及一種曲柄連桿式聚合物熔體剪切振動擠出成型裝置。
【背景技術】
[0002]聚合物熔體振動成型加工技術是指在成型過程中施加振動場，以影響聚合物熔體流變性能和凝聚態(tài)結構的技術。該技術不僅可有效地促進聚合物分子的解纏，降低聚合物熔體的粘度，提高熔體的流動性，從而改善擠出時的熔體破碎現(xiàn)象和聚合物擠出脹大程度，提高擠出產率和質量，同時還能使擠出物晶粒細化，熱穩(wěn)定性提高。
[0003]目前，有關聚合物熔體振動擠出成型加工儀器和裝置的研究已有一些報道，如彭響方、瞿金平等研制出毛細管動態(tài)流變儀(《中國塑料》，聚合物動態(tài)擠出流變行為研究，2000,14 (1):42)。該毛細管動態(tài)流變儀是在常規(guī)毛細管流變儀基礎上，通過振動加壓系統(tǒng)作用于壓料柱塞對料筒里的熔體疊加I個正弦振動場，其振動頻率為O?80Hz，振幅為O?0.3mm,但該流變儀還只是對加工過程的一個簡單模擬，并不是真實的成型加工裝置。又如郭少云、李惠林等報道了一種聚合物熔體的超聲擠出裝置(《化學通報》，超聲輻照下聚乙烯熔體擠出流變特性的研究，2001，1:40)。該裝置的振動場是由超聲波發(fā)生器和超聲探頭產生的，其超聲頻率可達20kHz，功率O?300W連續(xù)可調，超聲探頭直徑15mm,超聲振動方向與熔體流動方向平行，機頭口模為變截面毛細管擠出口模，并配有高溫熔體壓力傳感器以連續(xù)測量擠出口模壓力。該裝置與毛細管動態(tài)流變儀相比，其振動屬于超高頻振動。另外，Isayev 等(A.1.1sayev, Rishi Kumar, Todd M.Lewis, Ultrasoundassisted twin screw extrusion of polymer - nanocomposites containing carbonnanotubes, Polymer, 2009, 50:250)也進行了超聲振動擠出研究，發(fā)現(xiàn)超聲振動對于聚合物熔體的流變行為有很顯著的改善作用，施加超聲振動場后，聚合物擠出壓力、擠出脹大和熔體粘度均減小，對結晶有細化作用，并使共混物相容性增強。但超聲振動在制品力學性能的改善方面卻不盡理想，甚至在某些情況下經過長時間的超聲處理力學性能出現(xiàn)下降(Fridman M L Peshkovsky S L Vinogradov G V.The rheology of thermoplasticsunder conditions of spiral flow and vibrations on extrusion.Polym.Eng.Sc1.198121 (12):755.)。

【發(fā)明內容】

[0004]本實用新型的目的是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種聚合物熔體剪切振動擠出成型裝置，該裝置不僅可避免過高頻率引起的制品力學降解，還能促進聚合物分子鏈取向、串晶結構的生成以及聚合物晶粒的細化，以提高制品力學性能。
[0005]本實用新型提供的聚合物熔體剪切振動擠出成型裝置，包括擠出機、通過法蘭盤與擠出機聯(lián)接的擠出機頭、口模、定型模、冷卻水槽、牽引裝置和切割裝置，其特征在于還包括設置在擠出機頭上方的曲柄連桿剪切振動系統(tǒng)和擠出機頭內的熔體流道振動腔，其中曲柄連桿剪切振動系統(tǒng)是由曲柄連桿機構和往復振動桿構成，往復振動桿位于擠出機頭上所開的通孔內，該通孔與熔體流道振動腔貫通。
[0006]上述裝置工作時，當聚合物熔體進入熔體流道振動腔時，往復振動桿就會在曲柄連桿機構的帶動下，連續(xù)不斷地在通孔內上下往復運動，其桿頭就會不停的對熔體流道振動腔中的聚合物熔體進行上下擠壓抽動，使熔腔內的熔體受到強烈的剪切作用力，促進聚合物分子鏈取向、串晶結構的生成以及聚合物晶粒的細化。
[0007]上述裝置中曲柄連桿機構是由其特征在于曲柄連桿機構是由無級變速電機、聯(lián)軸器、曲柄、連桿和活塞構成，無級變速電機通過聯(lián)軸器與曲柄連接，連桿一端通過連桿蓋與曲柄連接，另一端與活塞連接。
[0008]為了使流經熔體流道振動腔的聚合物熔體受到更為強烈的剪切作用，上述裝置中往復振動桿為2?6個，每個往復振動桿分別與曲柄連桿機構中對應的活塞連接，其端頭穿過擠出機頭上的通孔伸入擠出機頭內的熔體振動腔內。另外，往復振動桿與口模的距離盡量短，以免由振動剪切作用引起的聚合物分子鏈的取向和解纏結在此距離段得到太多回復。
[0009]上述裝置中擠出機的熔體流道與擠出機頭內的熔體振動腔之間設置有單向閥，該單向閥位于與擠出機頭呈過盈配合的單向閥套筒中。單向閥的設置可以使機頭部分的振動不至于影響單螺桿擠出機螺桿部分熔體的流動，以確保其中的聚合物熔體流態(tài)更穩(wěn)定。
[0010]上述裝置中擠出機頭上部的通孔內均設置有粉末冶金軸承，該粉末冶金軸承與通孔呈過盈配合，與往復振動桿呈間隙配合，以減小往復振動桿與通孔的摩擦。
[0011]上述裝置中的口模與擠出機頭可采用拆卸式連接，以保證設計制造的多種尺寸口模，包括用于研究聚合物流變性能的毛細管口模，用于研究制品縱橫兩向力學性能的厚、薄片材口模等能方便安裝其上，以利于研究聚合物的流變性能及制品結構性能?？谀５拈L度應盡量取短，出口模后應盡快定型，這樣才有利于聚合物熔體取向結構的保留。
[0012]以上聚合物熔體剪切振動擠出成型裝置，所用的定型模為真空定型?；驂嚎s空氣定型?；蚱渌瑒邮蕉ㄐ湍！?br> [0013]以上聚合物熔體剪切振動擠出成型裝置，擠出機頭包覆有加熱圈，機頭上開設有壓力傳感器孔和溫度計及熱電偶插孔以便測量機頭壓力和溫度。
[0014]與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有以下有益效果:
[0015]1、由于本實用新型提供的擠出成型裝置增設了曲柄連桿剪切振動系統(tǒng)，其中的往復振動桿在擠出機頭通孔內進行往復運動，可使擠出過程中的熔腔內熔體受到強烈的剪切作用力，因而即有利于聚合物分子鏈取向和串晶結構的生成，也有利于聚合物復合材料中填料進行均勻的分散與取向，改變擠出熔體的流變性能和凝聚態(tài)結構，提高聚合物熔體的成型加工性能，改善制品的力學性能，同時還能降低擠出阻力，提高生產效率。
[0016]2、由于本實用新型提供的擠出成型裝置的曲柄連桿剪切振動系統(tǒng)中，往復振動桿的振動頻率和振幅可通過調節(jié)電機的轉速來進行調節(jié)和控制，因而既能避免過高頻率引起制品的力學降解，又能通過調節(jié)獲得不同取向度和串晶結構的聚合物制品，以滿足不同的使用要求。
[0017]3、由于本實用新型提供的聚合物熔體剪切振動擠出成型裝置的擠出機與擠出機頭之間安裝有單向閥，因而不僅機頭部分的振動不至于影響單螺桿擠出機螺桿部分熔體的流動，使流態(tài)更穩(wěn)定，且也不會因往復振動桿的振動擠壓使聚合物熔體倒流，影響擠出效率。
[0018]4、由于本實用新型提供的擠出成型裝置的擠出機頭和口模為可拆卸連接方式，且熔體所受到的剪切方向又與熔體流動方向平行，因而不僅口模更換方便，振動效果好，且還能只通過更換口模，就可將振動擠出技術應用于不同尺寸和類型的擠出制品。
[0019]5、由于本實用新型提供的擠出成型裝置中曲柄連桿機構驅動的往復振動桿的往復運動產生的振動噪音小，因而裝置運行平穩(wěn)，噪聲污染小。
[0020]6、本實用新型提供的擠出成型裝置不僅可作為研究真實加工過程中低頻剪切振動對聚合物熔體流變行為的影響的新設備，也可作為實用性很強的高聚物制品的加工設備。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本實用新型提供的聚合物熔體剪切振動擠出成型裝置的結構示意圖。
[0022]圖2為本實用新型提供的聚合物熔體剪切振動擠出成型裝置中的曲柄連桿剪切振動系統(tǒng)的結構示意圖。
[0023]圖3為不同螺桿轉速下HDPE 5000S熔體表觀粘度隨振動頻率的變化曲線。
[0024]由圖3可知，經剪切振動后HDPE 5000S熔體的表觀粘度明顯降低，螺桿轉速越低，振動場對熔體表觀粘度的影響越大。轉速為4r/min時，表觀粘度從2994.1Pa.S降低為1963.4Pa.S，最大降幅為 34.42%。
[0025]圖4為不同口模溫度下HDPE 5000S熔體表觀粘度隨振動頻率的變化曲線。
[0026]由圖4可知，口模溫度為180°C、190°C和200°C時，HDPE5000S熔體的表觀粘度最大降幅分別為19.83%、15.86%和16.85%。
[0027]圖5為不同螺桿轉速下PP F401熔體的表觀粘度隨振動頻率的變化曲線。
[0028]由圖5可知，經剪切振動后PP F401熔體的表觀粘度明顯降低。隨著振動頻率增大，表觀粘度先是降低較快，到1.0Hz以后，降低速度趨于平緩。螺桿轉速越低，振動場對熔體表觀粘度的影響越大，轉速為4r/min時，表觀粘度從2179.5Pa.S降低為1459.0Pa.S，最大降幅為33.06%ο
[0029]圖6為不同口模溫度下PP F401熔體的表觀粘度隨頻率的變化曲線。
[0030]由圖6可知，口模溫度為180°C、190°C和200°C時，PP F401熔體的表觀粘度最大降幅分別為 22.96%,20.46% 和 24.37%。
[0031]由圖3?6可知，聚合物熔體在剪切振動場中的表觀粘度變化與振動頻率、口模溫度和擠出機螺桿轉速均有關，施加剪切振動后HDPE和PP的熔體表觀粘度均有明顯降低，表觀粘度的降低有利于分子鏈的解纏結與取向以及聚合物復合材料中填料的均勻分散，另夕卜，表觀粘度降低，熔體流動阻力減小，擠出壓力降低；在熔體達到相同的表觀粘度時，所需的擠出溫度也有所降低。
[0032]圖7為PP T30S通過本實用新型聚合物熔體剪切振動擠出成型裝置振動擠出前后拉伸強度的變化曲線。
[0033]圖8為PP T30S通過本實用新型聚合物熔體剪切振動擠出成型裝置振動擠出前后斷裂伸長率的變化曲線。[0034]由圖7、圖8可知，經剪切振動擠出后的PP T30S試樣最大斷裂伸長率為837%，較常規(guī)PP T30S式樣的斷裂伸長率(552%)提高了 51.6%，拉伸強度從常規(guī)試樣的39.17MPa提高到41.53MPa，可見力學性能尤其斷裂伸長率得到較明顯提升。
[0035]圖9為PP T30S試樣通過本實用新型聚合物熔體剪切振動擠出成型裝置振動擠出前后的偏光顯微鏡照片，其中a為未經剪切振動的常規(guī)試樣，b為振動頻率F=2.0Hz時剪切振動擠出成型的的PP T30S試樣，c為振動頻率F=2.5Hz時剪切振動擠出成型的的PP T30S試樣。
[0036]從圖9可以看出，振動后試樣的晶粒尺寸明顯變小，這說明剪切振動場下擠出成型有利于聚合物晶粒的細化，從而有利于試樣斷裂伸長率的提高。
[0037]圖10為PLA在轉速為2rpm時常規(guī)擠出與通過本實用新型聚合物熔體剪切振動擠出成型裝置振動擠出的DSC對比曲線。
[0038]從圖10可知，PLA (聚乳酸)在振動頻率為2.0Hz，螺桿轉速為2rpm擠出時冷結晶峰消失，振動試樣的結晶度顯著提高，從常規(guī)試樣的2.69%提高為振動試樣的38.03%，這說明剪切振動可以加快聚乳酸的結晶，從而使聚乳酸材料呈現(xiàn)良好的機械性能、熱性能和較低的收縮性能，熱變形溫度有所提高。
【具體實施方式】
[0039]下面結合附圖給出實施例并對本實用新型提供的聚合物熔體剪切振動擠出成型裝置進行具體描述。有必要在此指出的是以下實施例只用于對本實用新型作進一步說明，不能理解為對本實用新型保護范圍的限制，該領域的專業(yè)技術人員根據(jù)上述本實用新型的內容做出的一些非本質的改進和調整，仍屬于本實用新型的保護范圍。
[0040]實施例
[0041]如圖1、2所示，本實施例提供的聚合物熔體剪切振動擠出成型裝置，包括擠出機13、通過法蘭盤與擠出機聯(lián)接的擠出機頭1、口模12、定型模14、冷卻水槽15、牽引裝置16、切割裝置17和設置在擠出機頭I上方的曲柄連桿剪切振動系統(tǒng)18和擠出機頭I內的熔體流道振動腔2，其中曲柄連桿剪切振動系統(tǒng)是由曲柄連桿機構和往復振動桿3構成。
[0042]曲柄連桿機構又是由無級變速電機4、聯(lián)軸器5、曲柄6、連桿7和活塞8構成，無級變速電機4通過聯(lián)軸器5與曲柄6連接，連桿7 —端通過連桿蓋和螺栓與曲柄6連接，連桿7與曲柄6及連桿蓋與曲柄6的接觸面上放置有連桿瓦，另一端通過活塞銷與活塞8連接。
[0043]往復振動桿3本實施例為2個，每個往復振動桿3分別與曲柄連桿機構中對應的活塞8連接，其端頭穿過擠出機頭上的通孔9可伸入到擠出機頭內的熔體振動腔2內。擠出機頭上部的通孔9內均設置有粉末冶金軸承20，該粉末冶金軸承20與通孔9呈過盈配合，與往復振動桿3呈間隙配合。本實施例擠出機頭上的通孔9是與熔體流道振動腔2垂直貫通的，且熔體流道振動腔2的截面形狀為圓形。
[0044]擠出機的熔體流道19與擠出機頭內的熔體振動腔2之間設置有單向閥10，該單向閥10位于與擠出機頭呈過盈配合的單向閥套筒11中。
[0045]擠出機頭前的口模12由上口模和下口模組成，并用螺釘與擠出機頭固定連接。
[0046]在聚合物熔體擠出成型過程中，擠出機料筒內被螺桿輸送來的熔融聚合物經過柵板進入與擠出機頭呈過盈配合的單向閥套筒內的單向閥，流入擠出機頭內熔體流道振動腔內。無極變速電機帶動曲柄旋轉，曲柄的旋轉運動帶著連桿作直線往復運動，連桿又帶著與活塞相連的往復振動桿在擠出機頭熔體振動腔內進行直線往復運動。振動桿的往復運動使得擠出機頭流道內的聚合物熔體受到強烈的剪切作用力，使聚合物分子鏈取向或使聚合物復合材料中的填料進行均勻分散與取向，緊接著經剪切振動后的聚合物熔體流入上口模和下口模組成的狹縫口模內，再從狹縫口模流出，經定型、冷卻、牽引、切割以后即成為聚合物片材。
[0047]為了考察本實用新型提供的聚合物熔體剪切振動擠出成型裝置的加工效果，本實用新型將HDPE5000S、HDPE5000S/CF、PLA (聚乳酸)、PLA/0MMT (有機蒙脫土)等聚合物體系用該裝置在不同螺桿轉速、不同口模溫度和不同振動頻率下進行擠出，然后考察了擠出過程中熔體表觀粘度隨振動頻率的變化、擠出前后拉伸強度、斷裂伸長率、晶粒尺寸和結晶度的變化，其結果見圖3-10。發(fā)現(xiàn)其中力學性能提高最為顯著的是PLA/0MMT (5%)體系，該體系力學性能數(shù)據(jù)見下表，由下表可知經過本實用新型裝置剪切振動擠出后試樣的拉伸強度、斷裂伸長率和彈性模量均得到提高。
[0048]表
[0049]
【權利要求】
1.一種聚合物熔體剪切振動擠出成型裝置，包括擠出機(13)、通過法蘭盤與擠出機聯(lián)接的擠出機頭(I)、口模(12)、定型模(14)、冷卻水槽(15)、牽引裝置(16)和切割裝置(17)，其特征在于還包括設置在擠出機頭(I)上方的曲柄連桿剪切振動系統(tǒng)(18)和擠出機頭(I)內的熔體流道振動腔(2)，其中曲柄連桿剪切振動系統(tǒng)是由曲柄連桿機構和往復振動桿(3)構成,往復振動桿(3)位于擠出機頭(I)上所開的通孔(9)內，該通孔(9)與熔體流道振動腔(2)貫通。
2.根據(jù)權利要求1所述聚合物熔體剪切振動擠出成型裝置，其特征在于曲柄連桿機構是由無級變速電機(4)、聯(lián)軸器(5)、曲柄(6)、連桿(7)和活塞(8)構成，無級變速電機(4)通過聯(lián)軸器(5)與曲柄(6)連接，連桿(7) —端通過連桿蓋與曲柄(6)連接，另一端與活塞(8)連接。
3.根據(jù)權利要求1或2所述聚合物熔體剪切振動擠出成型裝置，其特征在于往復振動桿(3)為2?6個，每個往復振動桿(3)分別與曲柄連桿機構中對應的活塞(8)連接，其端頭穿過擠出機頭上的通孔(9)伸入擠出機頭內的熔體流道振動腔(2)內。
4.根據(jù)權利要求1或2所述聚合物熔體剪切振動擠出成型裝置，其特征在于擠出機的熔體流道(19)與擠出機頭內的熔體流道振動腔(2)之間設置有單向閥(10)，該單向閥(10)位于與擠出機頭呈過盈配合的單向閥套筒(11)中。
5.根據(jù)權利要求3所述聚合物熔體剪切振動擠出成型裝置，其特征在于擠出機的熔體流道(19)與擠出機頭內的熔體流道振動腔(2)之間設置有單向閥(10)，該單向閥(10)位于與擠出機頭呈過盈配合的單向閥套筒(11)中。
6.根據(jù)權利要求1或2所述聚合物熔體剪切振動擠出成型裝置，其特征在于擠出機頭上部的通孔(9)內均設置有粉末冶金軸承(20)，該粉末冶金軸承(20)與通孔(9)呈過盈配合，與往復振動桿(3 )呈間隙配合。
7.根據(jù)權利要求3所述聚合物熔體剪切振動擠出成型裝置，其特征在于擠出機頭上部的通孔(9)內均設置有粉末冶金軸承(20)，該粉末冶金軸承(20)與通孔(9)呈過盈配合，與往復振動桿(3 )呈間隙配合。
8.根據(jù)權利要求5所述聚合物熔體剪切振動擠出成型裝置，其特征在于擠出機頭上部的通孔(9)內均設置有粉末冶金軸承(20)，該粉末冶金軸承(20)與通孔(9)呈過盈配合，與往復振動桿(3 )呈間隙配合。
【文檔編號】B29C47/58GK203527847SQ201320709256
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年11月11日 優(yōu)先權日:2013年11月11日
【發(fā)明者】高雪芹, 楊其, 安方振, 王中武, 申開智 申請人:四川大學