非極性聚合物的塑化設(shè)備和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及非極性聚合物的塑化技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種非極性聚合物的塑化設(shè)備和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]塑料已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中，成為四大基礎(chǔ)材料之一。塑料產(chǎn)業(yè)是輕工業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)之一，塑料加工成型機(jī)械是輕工裝備的重要組成部分。隨著輕工業(yè)的生產(chǎn)方式向“綠色”轉(zhuǎn)變，低耗、高效、環(huán)保型的加工成型技術(shù)正成為塑料加工行業(yè)的發(fā)展趨勢，每一次技術(shù)創(chuàng)新性研宄都會推動行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。
[0003]目前的塑料加工成型是物料在熱機(jī)械作用下的形變過程，普遍來說，是采用的擠出或注射成型都是剪切力場起主導(dǎo)作用的塑化輸運(yùn)過程作業(yè)。該加工方法普遍存在物料塑化輸運(yùn)所經(jīng)歷的能耗高、對物料特性依賴性強(qiáng)等缺陷，并造成聚合物和添加劑的降解而降低制品的性能和回收性。
[0004]因此，在高分子成型加工領(lǐng)域遭遇到了這樣一個基本的科學(xué)問題，即高分子材料能否在成型過程中保持事先優(yōu)化設(shè)計的材料微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)。解決這些問題的有效辦法是縮短聚合物塑化輸運(yùn)所經(jīng)歷的熱機(jī)械歷程和降低加工溫度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]基于此，有必要針對上述問題，提供一種非極性聚合物的塑化設(shè)備和系統(tǒng)。采用該塑化設(shè)備或系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)非極性聚合物的低溫成型加工。
[0006]本實用新型還公開了一種非極性聚合物的塑化方法的設(shè)備，包括:至少兩個輥筒、傳動機(jī)構(gòu)、電機(jī)、機(jī)架、進(jìn)料斗和出料部，所述電機(jī)輸出軸通過傳動機(jī)構(gòu)傳動至輥筒，所述至少兩個輥筒平行放置且異向旋轉(zhuǎn)，所述進(jìn)料斗的出口設(shè)于輥筒上方；所述出料部的入口設(shè)于輥筒下方；
[0007]該設(shè)備還包括陶瓷軸承、滑環(huán)和用于連接高頻電場發(fā)生器的電刷，所述輥筒通過陶瓷軸承安裝固定于機(jī)架上，所述滑環(huán)包覆于輥筒上，所述電刷與所述滑環(huán)相接觸。
[0008]在常規(guī)技術(shù)中，如何使聚合物在較低溫度下實現(xiàn)塑化流動進(jìn)而成型一直是聚合物加工領(lǐng)域的重點(diǎn)問題，可能的研宄方向集中在聚合物擠脹成型加工、壓塑性聚合物壓力加工、聚合物高頻電場焊接加工等領(lǐng)域。
[0009]本發(fā)明人經(jīng)過大量考察研宄后總結(jié)發(fā)現(xiàn)，擠脹成型加工中，擠脹成型是一種塑性成型方法，預(yù)成型的管坯在組合外力的作用下沿徑向向外擴(kuò)張，通過塑性變形形成與模具型腔相一致的制品具有成型設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，被加工物料不產(chǎn)生相變，能耗少等優(yōu)點(diǎn)。塑料擠脹成型只是一種塑料二次成型方法，是對塑料管坯施加內(nèi)壓，使其在脹形壓力作用下沿徑向向外擴(kuò)張，在固相下產(chǎn)生塑性變形，即在結(jié)晶態(tài)或玻璃態(tài)下的塑性成型，主要適用于成型管類零件，無法廣泛應(yīng)用于其它塑料制品。
[0010]壓塑性聚合物壓力加工中，壓力可使聚苯乙烯嵌段聚丙烯酸正丁酯(PS-b-PBMA)產(chǎn)生熔體式的流動行為。這種行為已經(jīng)在其他一系列嵌段共聚物體系中相繼發(fā)現(xiàn)，這些聚合物被稱為壓塑性塑料。美國MIT的Mayes教授在Nature雜志上報道了某些壓塑性塑料在室溫下表現(xiàn)出熔體式的流動行為，這一體系的兩種成份分別是納米相尺度的高-Tg和低-Tg聚合物。雖然這類嵌段共聚物取代今天的通用塑料有潛在的弊端，一方面，其合成工藝較為復(fù)雜，成本較高，另一方面，可合成的嵌段共聚物有限。但是作為塑料加工的一個新范例，壓塑性塑料的半固態(tài)加工為塑料低溫成型帶來了希望。
[0011 ] 而在聚合物高頻電場焊接加工中，前人采用高頻電場技術(shù)對聚合物材料進(jìn)行焊接等加工，節(jié)約了能源，提高了效率。但是他們只能對環(huán)氧樹脂等介電損失系數(shù)大的聚合物進(jìn)行加工，然而一般聚合物的介電損耗都非常小(tans = 10_3?10_4)，換言之，大多數(shù)熱塑性聚合物都不具備高頻介質(zhì)加熱的條件。
[0012]因此，對于聚合物低溫塑化加工，塑料擠脹成型加工方法可使聚合物材料在固相下產(chǎn)生塑性變形，即實現(xiàn)在結(jié)晶態(tài)或玻璃態(tài)下的低溫塑性成型；一些嵌段共聚物由于自身特別的結(jié)構(gòu)而能夠在低溫條件下在一定壓力誘導(dǎo)作用下可以實現(xiàn)流動而成型；而一些具有較高介電常數(shù)和介電損耗的極性聚合物也可以實現(xiàn)高頻電場加熱熔融塑化。但上述加工方法或者依賴于熱成型前處理且局限于加工管類制品，或者局限于加工某一類特定的聚合物材料，而對于一些通用的既不屬于嵌段共聚物，且大多數(shù)為非極性的聚烯烴材料(如聚乙烯、聚丙烯)，不論是壓力誘導(dǎo)還是高頻電場加熱均難以實現(xiàn)低溫塑化成型加工。
[0013]但是，本發(fā)明人經(jīng)過大量的基礎(chǔ)研宄和實驗摸索后發(fā)現(xiàn)，給聚合物固體施加正應(yīng)力(輥壓應(yīng)力)后，聚合物固體會產(chǎn)生裂紋，而聚合物固體的裂紋擴(kuò)展力GI (t) —旦達(dá)到極限平衡條件，裂紋就將失穩(wěn)擴(kuò)展，且裂紋擴(kuò)展力與輥壓應(yīng)力的4次方成正比，與輥壓扭矩N的4次方成正比，隨著聚合物的黏度和彈性模量E的增大而減小。因此，將固態(tài)聚烯烴類材料(非極性聚合物)施加足夠大的正應(yīng)力(輥壓應(yīng)力)后，在該正應(yīng)力作用下該非極性聚合物將不可避免地在某些局部產(chǎn)生變形、裂痕、缺陷等，出現(xiàn)許多微界面，這些界面上由于分子鏈被扭曲、變形甚至錯位、斷裂而呈電極性，便可能使這些微界面上介電損耗系數(shù)tan δ大幅提尚而具備尚頻介質(zhì)加熱的條件。
[0014]也就是可利用正應(yīng)力使普通聚烯烴類高分子材料(非極性聚合物)在微觀層面的某些局部介電損耗系數(shù)tan δ ^ 0.01，從而被高頻介質(zhì)加熱熔融塑化，其他部分仍然處于固態(tài)，實現(xiàn)了類似于壓塑性塑料的低溫半固態(tài)加工的效果。
[0015]因此，本發(fā)明人在上述基礎(chǔ)上，提出了將高頻電場與正應(yīng)力協(xié)同作用于普通非極性聚烯烴類高分子材料(非極性聚合物)，使其半熔融成型，由于半熔融成型過程中，將高分子材料加熱至半熔融狀態(tài)所需時間較短，固液共存體系比固體的流動阻力小，固相粒子不易變形，固相與液相的微觀結(jié)構(gòu)不同，所以，高分子材料原始粉末粒子的初始的微相分散狀態(tài)在受熱、受力和流動作用下，僅會發(fā)生很小程度的變化，這將能夠使成型制品的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)與原始粒子初始的微相分散狀態(tài)相近，從而實現(xiàn)了在低溫條件下實現(xiàn)非極性聚合物的成型加工，并且，該低溫塑化方法具有在成型過程中能夠保持事先優(yōu)化設(shè)計的材料微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)。
[0016]上述非極性聚合物塑化設(shè)備的原理如下:
[0017]對非極性聚合物施加正應(yīng)力，使該非極性聚合物局部產(chǎn)生變形、裂痕，出現(xiàn)微界面，該微界面上非極性聚合物的分子鏈被扭曲、變形、錯位或斷裂而呈電極性；
[0018]同時，對所述非極性聚合物施加高頻電場，使所述呈電極性的聚合物分子在高頻電場中發(fā)生振動，分子間相互碰撞、磨擦而產(chǎn)生熱能，致使所述非極性聚合物被加熱而熔融軟化，進(jìn)而產(chǎn)生塑化流動，進(jìn)行塑化。
[0019]上述非極性聚合物塑化方法的設(shè)備，通過在輥筒部分施加高頻電場，從而實現(xiàn)將高頻電場與正應(yīng)力協(xié)同作用的目的。并且，為了解決將高頻電場引入設(shè)備所帶來的困難和產(chǎn)生的新問題，本發(fā)明人首先選取了相互配合的滑環(huán)和電刷，通過滑環(huán)和電刷的相互配合將高頻電場引入；更為重要的是，為了避免引入的高頻電場對設(shè)備的其它部件造成影響，本發(fā)明人采用陶瓷軸承作為連接輥筒和機(jī)架的介質(zhì)設(shè)施，從而既確保了輥筒的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，又將輥筒與機(jī)架等其它設(shè)備絕緣絕熱，避免對其它部件造成影響。
[0020]在其中一個實施例中，所述傳動機(jī)構(gòu)包括依次傳動的擺線針齒輪減速器、驅(qū)動軸、第一同步帶輪、同步帶和第二同步帶輪，所述電機(jī)輸出軸連接擺線針齒輪減速器，所述第二同步帶輪帶動輥筒轉(zhuǎn)動，所述第二同步帶輪由絕緣絕熱材料制成。所述絕緣絕熱材料可以為聚四氟乙烯等。通過上述傳動機(jī)構(gòu)的作用，能夠很好的利用電機(jī)帶動輥筒轉(zhuǎn)動，其中，電機(jī)可以米用異步交流電機(jī)。
[0021]在其中一個實