一種單聚合物複合材料製品擠出成型方法和擠出成型設備的製作方法
2023-05-06 10:03:51
專利名稱：一種單聚合物複合材料製品擠出成型方法和擠出成型設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種單聚合物複合材料製品擠出成型方法和擠出成型設備，屬於聚合物複合材料成型加工技術領域。
背景技術：
隨著材料工業的飛速發展，單一材料的產品遠遠不能滿足各個領域的應用，複合材料的誕生大大彌補了單一材料在物理性能、化學性能等方面的不足。複合材料的定義為有兩個或兩個以上獨立的物理相，包括黏結材料(基體)和粒料、纖維或片狀材料所組成的一種固體產物；是一種由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀 上組成的具有新性能的材料。複合材料的最大特點是複合後的材料特性優於組成該複合材料的各個單一材料的特性。複合材料的組成分為兩大部分基體與增強材料。基體是指構成複合材料連續相的單一材料。增強材料是指複合材料中不構成連續相的材料。複合材料是新材料領域的重要組成部分，已成為新材料領域的重要主導材料。纖維增強複合材料屬於複合材料中的一種，該材料利用纖維增強材料的高比強度和比模量來承擔載荷作用。傳統纖維增強複合材料的基體選用的的材料主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨和碳等，增強材料選用的的材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化矽纖維、石棉纖維、晶須和硬質細粒等。由於基體和增強材料所使用材料的不同，嚴重限制了傳統纖維增強複合材料的回收再利用，導致了廢棄物的增加。隨著自然資源的日益枯竭和環境的嚴重汙染，全球能源回收和再利用意識不斷提高，新型複合材料的設計必須考慮回收再利用的問題。此外，複合材料的基體和增強材料的粘接性直接影響基體與增強材料的微觀狀態和界面性能，界面性能又影響應力傳遞，必將影響複合材料的宏觀力學性質。基體和增強材料的界面粘結強度對複合材料的機械性能起著決定性作用。由於傳統纖維增強複合材料的基體和增強材料是不同的物質，兩者之間必定存在界面，基體本身缺乏可反應的活性官能團，很難與增強材料發生良好化學鍵結合，當承受大的應變時，界面就會發生剝離現象。如何獲得堅固、穩定的界面是複合材料的經典問題。因此，研究力學和界面性能良好、回收利用率高的複合材料成為複合材料發展的迫切需求。單聚合物複合材料是一種基體和增強材料為同種聚合物的複合材料。把兩種化學組分相同，物理性質不同的材料複合在一起成型後得到的單聚合物複合材料的界面結合強度得到提高。單聚合物複合材料因其基體與增強材料之間具有較好的界面粘結性，基體和增強材料所使用材料為同種聚合物有利於材料回收再利用，成為複合材料研究的熱點。目前，製備單聚合物複合材料製品的方法主要為熱壓法，包括纖維熱壓法、溶液浸潰熱壓法、夾層熱壓法以及纖維纏繞熱壓法等。雖然單聚合物複合材料製備的研究對象已涉及到聚烴類、聚酯類等多種材料，但尚停留在實驗室階段；熱壓法是單聚合物複合材料的主要加工方法，基體與增強材料的結合主要通過加壓實現，存在成型周期長、產品尺寸小和不能連續化批量生產等缺點。因此，需要一種可以實現連續、高效地規模化生產大尺寸的單聚合物複合材料製品的方法。擠出成型是聚合物材料加工領域中用途十分廣泛的成型方法。據統計，在聚合物製品成型工業中，採用擠出成型方法生產的製品的總量約佔所有聚合物製品總量的50%以上。相對於其它聚合物製品成型方法，擠出成型具有如下突出的特點①生產過程連續可成型任意長度的聚合物製品，生產過程可以實現全自動，生產效率很高；②適應性廣生產製品的種類較多，只需改變機頭上的斷面形狀，便可製備聚合物管材、棒材、片材、板材、薄膜、電纜、單絲、中空製品及各種異型材；③應用範圍大可用於成型幾乎全部熱塑性聚合物材料及部分熱固性聚合物材料；配用不同的成型輔機，不僅可用於成型各類製品，還可以用於聚合物材料的共混改性、造粒、脫揮、著色及反應性加工等生產操作簡單工藝控制容易，產品質量較為穩定；⑤設備成本低投資少、見效快，主機可以多用途使用。擠出成型離不開使用擠出成型機(即主機)，因此，擠出成型機是聚合物加工業中最為重要的加工裝備之一。
一套完整的擠出成型設備應由主機和成型不同製品所配套的輔助機械(簡稱輔機)所組成。通常將這些組成部分統稱為擠出機組。擠出機組各部分的構成和功能可以概述如下(I)主機聚合物製品擠出成型機組的主要設備是主機。主機主要包括擠壓系統、傳動系統、加熱冷卻系統和控制系統四個部分①擠壓系統主要由螺杆、機筒和料鬥所組成。擠壓系統是主機的核心部分，其作用是使聚合物材料塑化成均勻的熔體，同時建立起熔體壓力，在螺杆推動下連續、定壓、定溫和定量地將熔體擠出機頭。②傳動系統由電機、減速箱和調整裝置所組成。作用是給螺杆提供所需的扭矩和轉速。③加熱冷卻系統由溫度控制元件(力口熱器和鼓風機等)組成。作用是按設定條件對機筒(或螺杆)進行加熱或冷卻，保證聚合物材料能在擠出工藝要求的溫度範圍內進行擠出。④控制系統主要由電器元件、儀表和執行機構組成。作用是調節控制螺杆轉速、機筒(或螺杆)溫度以及機頭壓力等。(2)輔機成型聚合物製品，除應具有主機外，還必須配備相應的輔機才能實現。輔機的組成是根據成型不同類型的製品的需要來配備的。通常，擠出成型的配套輔機包括6個部分機頭、定型裝置、冷卻裝置、牽引裝置、切割裝置、卷取(或堆放)裝置。各裝置的作用如下①機頭賦予製品所需的形狀，即使熔融的聚合物材料經機頭獲得製品所需的幾何截面和尺寸。
②定型裝置穩定從機頭擠出的製品的形狀，並對其進行精整，從而得到尺寸更為精確的截面形狀及更為光亮的製品表面。定型過程通常是採用冷卻和加壓的方法來實現。③冷卻裝置對經定型後的製品實施進一步的冷卻，以獲得最終製品的形狀和尺寸。④牽引裝置均勻地牽引製品，並對製品的截面尺寸進行拉伸控制，使擠出過程平穩地進行。調節牽引速度，還可調節製品截面尺寸及性能。⑤切割裝置將連續擠出的硬製品按要求的長度及寬度進行裁切。⑥卷取(或堆放)裝置將連續擠出的軟製品(薄膜、軟管或單絲等)卷繞成卷(或對硬製品進行堆放)。目前對於單聚合物複合材料製品的擠出成型加工設備及方法，國內外還未見報導。
發明內容
針對現有單聚合物複合材料製品的製備方法存在成型周期長、產品尺寸小和不能連續化批量生產的缺陷，本發明的目的之一在於提供一種單聚合物複合材料製品的擠出成型方法，所述方法具備成型周期短、製備得到的製品尺寸大、可連續化批量生產、生產效率高、使用設備結構較簡單以及操作比較容易等優點。本發明的目的之二在於提供一種單聚合物複合材料製品的擠出成型設備。所述擠出成型設備結構簡單、操作容易，通過所述擠出成型設備可以使單聚合物複合材料製品通過擠出成型的加工方法製備得到。本發明的目的是通過以下技術方案實現的。一種單聚合物複合材料製品擠出成型方法，具體步驟如下將固體狀的基體加入擠出成型設備中，使基體達到熔融溫度，並在擠出壓力作用 下使熔融狀態基體連續向前輸送；同時將熔融狀態基體冷卻得到準熔融狀態基體，所述準熔融狀態基體在擠出壓力作用下繼續向前輸送；將增強材料加入準熔融狀態的基體中混合併向前輸送，在擠出壓力作用下從擠出成型設備中擠出，得到本發明所述的一種單聚合物複合材料製品。其中，所述基體和增強材料為同種聚合物；優選將增強材料進行預熱後再加入基體，預熱溫度<增強材料的準熔融溫度。一種單聚合物複合材料製品擠出成型設備，所述擠出成型設備由主機和輔機組成,主機主要由擠壓系統、傳動系統、加熱冷卻系統和控制系統組成,擠壓系統主要由螺杆、機筒和料鬥組成，特徵在於所述機筒分為四部分，分別為機筒I、機筒II、機筒III和機筒IV，所述機筒I、機筒II、機筒III和機筒IV依次固定連接，機筒I、機筒II、機筒III和機筒IV的外壁或/和壁中分別相應設有加熱冷卻系統I、加熱冷卻系統II、加熱冷卻系統III和加熱冷卻系統IV，機筒I上設有基體加料料鬥，內部設有螺杆，機筒III上設有增強材料加料料鬥，機筒IV內部設有混合元件。其中，加熱冷卻系統為本領域擠出成型設備中的常規加熱冷卻系統，可採用風冷和電加熱組合控制或水冷和電加熱組合控制，在機筒外壁或/和壁中設置冷卻流道和加熱器；優選在機筒I與機筒II連接處設置絕熱板，在機筒I與機筒II連接處內部設置分流板。優選增強材料加料料鬥採用電機驅動自動加料，控制加料量，優選在增強材料加料料鬥外設置預熱裝置。所述混合元件採用靜態混合器、動態混合器或本領域擠出成型設備中的常規混煉元件；機頭為本領域常規擠出成型設備機頭，可根據需要製備的的單聚合物複合材料製品種類進行設計，改變機頭上的斷面形狀即可得到如管材、棒材、片材、板材、薄膜、電纜、單絲、中空製品及各種異型材。使用本發明所述單聚合物複合材料製品擠出成型設備的擠出成型方法如下I)通過基體加料料鬥將固態基體加入到機筒I中，基體經加熱冷卻系統I和螺杆作用達到熔融狀態，同時在螺杆擠出壓力作用下連續向前輸送至機筒II ;2)機筒II中，熔融狀態的基體經加熱冷卻系統II冷卻至準熔融狀態，同時在擠出壓力作用下繼續向前輸送至機筒III ；
3)將增強材料通過增強材料加料料鬥加入機筒III中，同準熔融狀態的基體一起經加熱冷卻系統III保持基體準熔融溫度，同時在擠出壓力作用下繼續向前輸送至機筒IV ；4)機筒IV中，增強材料和準熔融狀態基體經加熱冷卻系統IV保持準基體熔融溫度，同時經混合元件充分混合併在擠出壓力作用下進入機頭，擠出成型得到一種單聚合物複合材料製品。 其中，所述基體和增強材料為同種聚合物。所述步驟I)中的加熱冷卻系統I設定的溫度高於基體的熔點，優選設定溫度高於基體熔點20 50°C。步驟2)中的加熱冷卻系統II設定的溫度冷卻速度>基體結晶溫度對應的冷卻速度，為抑制基體從熔融狀態到準熔融狀態轉變過程中發生結晶，在保證溫度控制精度的基礎上冷卻速度越快越好。 步驟3)中優選增強材料加入基體前先進行預熱，預熱溫度應基體結晶溫度並且<增強材料熔點。有益效果I.本發明提供一種單聚合物複合材料製品擠出成型方法，利用單聚合物複合材料的基體和增強材料屬於同種聚合物材料，當增強材料和準熔融狀態基體混合時，增強材料不會發生熔融而保持增強作用特點，將增強材料和準熔融狀態基體混合均勻後通過擠出成型方法製備，可連續生產出具有良好的界面粘結性能和優越的回收再利用性能的單聚合物複合材料製品；2.本發明提供一種單聚合物複合材料製品擠出成型方法，所述方法具備成型周期短、製備得到的製品尺寸大、可連續化批量生產、生產效率高、使用設備結構較簡單以及操作比較容易等優點；3.本發明提供的一種單聚合物複合材料製品擠出成型方法，製備得到的單聚合物複合材料應用領域廣，可取代木材金屬合金和玻纖複合材料，廣泛應用於航空航天、船舶、汽車、通信電子、建材、醫療器械和健身器材等領域，可推動新材料技術和加工行業的發展；4.本發明提供的一種單聚合物複合材料製品擠出成型方法中，步驟3)將增強材料先進行預熱再加入基體，可使增強材料能夠更好的同基體結合，避免在混合過程中由於增強材料同基體之間存在溫度差而產生氣泡，增強材料的預熱溫度應 < 增強材料的準熔融溫度，避免使增強材料發生橋接粘連或者破壞增強材料的基本形態；5.本發明提供一種單聚合物複合材料製品擠出成型設備，所述設備結構較簡單、操作比較容易；6.本發明提供一種單聚合物複合材料製品擠出成型設備，所述設備中機筒I、螺杆和加熱冷卻系統I相當於基體塑化裝置，用於塑化熔融基體；機筒II和加熱冷卻系統II相當於快速冷卻裝置，用於使塑化好的基體由熔融狀態快速冷卻轉變為準熔融狀態，並保證冷卻過程中不會發生結晶而固化；機筒III和加熱冷卻系統III相當於準熔融裝置，用於使基體保持準熔融狀態，機筒IV、混合元件和加熱冷卻系統IV相當於混合裝置，用於基體保持熔融狀態並與增強材料混合；7.本發明提供一種單聚合物複合材料製品擠出成型設備，所述設備在機筒I與機筒II連接處設置絕熱板，避免機筒I向機筒II傳熱，以便機筒II中基體的冷卻；8.本發明提供一種單聚合物複合材料製品擠出成型設備，所述設備在機筒I與機筒II連接處內部設置分流板，可使機筒I中螺杆將基體壓實，產生的擠出壓力增大，便於基體更均勻地向前輸送。
圖I是實施例I 一種單聚合物複合材料製品擠出成型設備的剖面圖。圖中1一機筒I ,2—機筒II, 3—機筒III，4一機筒IV，5—加熱冷卻系統I，6—加熱冷卻系統II，7一加熱冷卻系統III，8一加熱冷卻系統IV，9一基體加料料鬥，10一增強材料 加料料鬥，11—螺杆，12—混合元件，13—機頭，14 一絕熱板，15—分流板，16—電機。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的優選實施方式作進一步詳細說明。實施例I一種單聚合物複合材料製品擠出成型設備，所述擠出成型設備由主機和輔機組成,主機主要由擠壓系統、傳動系統、加熱冷卻系統和控制系統組成,擠壓系統主要由螺杆
11、機筒和料鬥組成。如圖I所示，所述機筒分為四部分，分別為機筒I I、機筒II 2、機筒III 3和機筒IV 4，所述機筒I I、機筒II 2、機筒III 3和機筒IV 4依次固定連接，機筒I I、機筒II 2、機筒III 3和機筒IV 4的外壁和壁中分別相應設有加熱冷卻系統I 5、加熱冷卻系統II 6、加熱冷卻系統III 7和加熱冷卻系統IV 8，機筒I I上設有基體加料料鬥9，內部設有螺杆11，機筒III3上設有增強材料加料料鬥10，機筒IV 4內部設有混合元件12，機筒IV 4與機頭13固定連接。其中，所述加熱冷卻系統I 5採用風冷和電加熱組合控制、加熱冷卻系統II 6、加熱冷卻系統III 7和加熱冷卻系統IV 8均採用水冷和電加熱組合控制，通過分別在機筒II 2、機筒III 3和機筒IV 4外壁上設置電加熱器，壁中設置冷卻流道實現；在機筒I I與機筒II 2連接處設置絕熱板14，機筒I I與機筒II 2連接處內部設置分流板15 ;增強材料加料料鬥10採用電機16驅動自動加料，控制加料量；混合元件12為SK靜態混合器。一種單聚合物複合材料製品擠出成型方法，所述方法使用的擠出成型設備為本實施例所提供的擠出成型設備，基體為聚丙烯粒料(美國Philips Sumika Polypropylene公司生產)，增強材料為聚丙烯纖維(美國Irmegrity公司生產)，經差式掃描量熱儀(Q200，美國TA公司生產)測試確定聚丙烯的熔點為167°C，聚丙烯纖維的熔點為152°C，聚丙烯的冷卻速度與結晶溫度關係如下1°C /min下的結晶溫度為135°C、10°C /min下的結晶溫度為123°C、20°C /min下的結晶溫度為121°C、30°C /min下的結晶溫度為119°C，根據以上測試數據，設定加熱冷卻系統I 5的溫度為200°C，加熱冷卻系統II 6的冷卻速度為10°C /min,加熱冷卻系統III 7和加熱冷卻系統IV 8的溫度為140°C。具體步驟如下I)通過基體加料料鬥9將固體顆粒形態的聚丙烯加入到機筒I I中，聚丙烯一邊經加熱冷卻系統I 5和螺杆11作用達到熔融狀態，一邊在螺杆11擠出壓力作用下連續向前輸送至機筒II 2 ；2)機筒II 2中，熔融狀態的聚丙烯一邊經加熱冷卻系統II 6冷卻至準熔融狀態，一邊在擠出壓力作用下繼續向前輸送至機筒III 3 ;3)將聚丙烯纖維預熱至140°C後，通過增強材料加料料鬥10加入機筒III 3中，同準熔融狀態的聚丙烯一起一邊經加熱冷卻系統III 7保持準聚丙烯熔融溫度，一邊在擠出壓力作用下繼續向前輸送至機筒IV 4 ；4)機筒IV 4中，聚丙烯纖維和準熔融狀態的聚丙烯一邊經加熱冷卻系統IV 8保持聚丙烯準熔融溫度，一邊經混合元件12充分混合，同時在擠出壓力作用下進入機頭13，最終連續擠出成型得到一種厚4mm，寬20mm的板狀聚丙烯單聚合物複合材料製品。本發明包括但不限於以上實施例，凡是在本發明的精神和原則之下進行的任何等 同替換或局部改進，都將視為在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種單聚合物複合材料製品擠出成型方法，其特徵在於所述方法具體步驟如下 將固體狀的基體加入擠出成型設備中，使基體達到熔融溫度，並在擠出壓力作用下使熔融狀態基體連續向前輸送；同時將熔融狀態基體冷卻得到準熔融狀態基體，所述準熔融狀態基體在擠出壓力作用下繼續向前輸送；將增強材料加入準熔融狀態的基體中混合併向前輸送，在擠出壓力作用下從擠出成型設備中擠出，得到一種單聚合物複合材料製品；其中，所述基體和增強材料為同種聚合物。
2.根據權利要求I所述的一種單聚合物複合材料製品擠出成型方法，其特徵在於將增強材料進行預熱後再加入基體，預熱溫度 < 增強材料的準熔融溫度。
3.一種單聚合物複合材料製品擠出成型設備，所述擠出成型設備由主機和輔機組成,主機主要由擠壓系統、傳動系統、加熱冷卻系統和控制系統組成,擠壓系統主要由螺杆(11)、機筒和料鬥組成，其特徵在於所述機筒分為四部分，分別為機筒I (I)、機筒II (2)、 機筒III (3 )和機筒IV (4 )，所述機筒I (I)、機筒II (2 )、機筒III (3 )和機筒IV (4 )依次固定連接，機筒I (I)、機筒II (2 )、機筒III (3 )和機筒IV (4)的外壁或/和壁中分別相應設有加熱冷卻系統I (5)、加熱冷卻系統II (6)、加熱冷卻系統111(7)和加熱冷卻系統IV(8)，機筒I (I)上設有基體加料料鬥(9)，內部設有螺杆(11)，機筒111(3)上設有增強材料加料料鬥(10)，機筒IV (4)內部設有混合元件(12)。
4.根據權利要求3所述的一種單聚合物複合材料製品擠出成型設備，其特徵在於力口熱冷卻系統I (5)、加熱冷卻系統II (6)、加熱冷卻系統111(7)或/和加熱冷卻系統IV(S)為風冷和電加熱組合控制或水冷和電加熱組合控制，在機筒外壁或/和壁中設置冷卻流道和加熱器。
5.根據權利要求3所述的一種單聚合物複合材料製品擠出成型設備，其特徵在於在機筒I (I)與機筒II (2)連接處設置絕熱板(14)。
6.根據權利要求3所述的一種單聚合物複合材料製品擠出成型設備，其特徵在於在機筒I (I)與機筒II (2)連接處內部設置分流板(15)。
7.根據權利要求3所述的一種單聚合物複合材料製品擠出成型設備，其特徵在於增強材料加料料鬥(10)採用電機(16)驅動自動加料，增強材料加料料鬥(10)外設置預熱裝置。
8.根據權利要求3所述的一種單聚合物複合材料製品擠出成型設備，其特徵在於所述混合元件(12)為靜態混合器、動態混合器或混煉元件。
9.一種單聚合物複合材料製品擠出成型方法，所述擠出成型方法在如權利要求3所述的一種單聚合物複合材料製品擠出成型設備上進行，其特徵在於具體步驟如下 1)通過基體加料料鬥(9)將固態基體加入到機筒I(I)中，基體經加熱冷卻系統I (5)和螺杆(11)作用達到熔融狀態，同時在螺杆(11)擠出壓力作用下連續向前輸送至機筒II(2)； 2)機筒II(2)中，熔融狀態的基體經加熱冷卻系統II (6)冷卻至準熔融狀態，同時在擠出壓力作用下繼續向前輸送至機筒III(3)； 3)將增強材料通過增強材料加料料鬥(10)加入機筒III(3)中，同準熔融狀態的基體一起經加熱冷卻系統111(7)保持基體準熔融溫度，同時在擠出壓力作用下繼續向前輸送至機筒IV⑷；.4)機筒IV(4)中，增強材料和準熔融狀態基體經加熱冷卻系統IV(8)保持準基體熔融溫度，同時經混合元件(12)充分混合併在擠出壓力作用下進入機頭(13)，擠出成型得到一種單聚合物複合材料製品； 其中，所述基體和增強材料為同種聚合物； 步驟I)中的加熱冷卻系統I (5)設定的溫度高於基體的熔點； 步驟2)中的加熱冷卻系統II (6)設定的溫度冷卻速度>基體結晶溫度對應的冷卻速度； 步驟3)中的加熱冷卻系統111(7)和步驟4)中加熱冷卻系統IV(S)設定的溫度均>基體結晶溫度並且<增強材料熔點。
10.根據權利要求9所述的一種單聚合物複合材料製品擠出成型方法，其特徵在於步驟3)中增強材料加入基體前先進行預熱，預熱溫度<增強材料的準熔融溫度。
全文摘要
本發明涉及一種單聚合物複合材料製品擠出成型方法和擠出成型設備，屬於聚合物複合材料成型加工技術領域。所述擠出成型方法是將熔融狀態基體在擠出壓力下向前輸送並冷卻為準熔融狀態，再將增強材料加入準熔融狀態基體中混合併向前輸送，在擠出壓力下擠出成型得到單聚合物複合材料製品；所述方法成型周期短、製品尺寸大且可連續化批量生產。所述擠出成型設備主機的擠壓系統主要由螺杆、機筒和料鬥組成，所述機筒分為固定連接的機筒Ⅰ～Ⅳ，機筒外壁或/和壁中設有加熱冷卻系統，機筒Ⅰ上設有基體加料料鬥，內部設有螺杆，機筒Ⅲ上設有增強材料加料料鬥，機筒Ⅳ內部設有混合元件；所述設備結構簡單、操作容易，可擠出成型得到單聚合物複合材料製品。
文檔編號B29C70/54GK102744892SQ201210204150
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月15日 優先權日2012年6月15日
發明者代攀, 姚冬剛, 王幼江, 王建, 陳晉南 申請人:喬治亞理工學院, 北京理工大學