CN101198454A - 使用超声挤压固态聚合物的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固态取向挤压方法。该方法通过挤压胶粒使其通过挤压模头而制备聚合物取向型材,其中该胶粒包含结晶或半结晶聚合物,或者含有聚合物和有机或无机填料的复合材料。所述方法包括以下步骤:将压力室预热达到或低于聚合物熔点的温度;向紧邻压力室且截面面积比压力室小的挤压模头施加超声;和挤压胶粒使其通过压力室和挤压模头以制备聚合物取向型材。该方法省去了加热挤压模头的步骤,从而在提供表面光滑没有任何缺陷的聚合物型材的同时确保了便利快捷的操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用超声的固态取向挤压方法(solid-stateextrusion-orientation process)及其装置。更具体而言,本发明涉及一种固态取向挤压方法及其装置,其中在模塑预制的固态聚合物胶粒时,向挤压模头施加超声而替代常规方法中的加热挤压模头,并且可使固态挤压快速进行而无需进行传统方法中为润滑聚合物胶粒和挤压模头之间的界面而对挤压模头温度的控制,以在提高表面性能的同时确保便利快捷的操作。
背景技术
在以碳-碳键的链为基本主链结构的聚合物中,一些聚合物在聚合物模塑、例如挤压的过程中冷却和固化时转变形成晶体。然而,这些晶体没有取向,而是随机取向的,从而导致机械性能劣化。
如果构成这些晶体的链沿预定方向取向,机械强度和性能都会显著提高,而比重则由于取向聚合链间的距离会明显降低。此外,当使用聚合物复合材料时,可以依据填料的成分制备具有所需性能的材料。例如,当填料为由包含结晶聚合物和木粉或木纤维的复合材料形成的人造木材时,根据其取向可以得到与天然树木非常相似的外观和结构。因此,开发了多种不同的提供这种特征的取向方法和技术。
在一种具代表性的方法中,聚合物的固态塑坯在低于其熔点的温度加热预定时间后,聚合物由于其上施加的力而沿预定方向取向。然而,这样的方法问题在于,其产品的形状和表面质量有缺陷,且取向不规则。
作为解决上述问题而提出的方法之一,有一种固态取向挤压方法使用加热模头使聚合物取向(参见美国专利号5,204,045)。根据这种方法,将聚合物塑坯加热到低于其熔点的温度,并迫使其流过窄内径的模头而使该聚合物取向。具体而言,由于模头的内截面面积以固定比例逐渐减小,聚合物的链在塑坯通过模头时沿压力方向取向。在此,由于当塑坯通过模头时在塑坯和窄内径的模头之间产生剧烈摩擦,所以加热模头以进行其间的润滑。
发明内容
技术问题
在所述方法中,由于塑坯被迫通过窄内径的模头,所以可以形成表面缺陷比由其它传统方法制备的产品少的最终聚合物取向产品。然而,该方法的问题在于,必需持续加热模头以使金属模头保持在预定温度下,而且当塑坯通过模头时仍然会产生剧烈摩擦。
本发明的目的在于解决传统方法的问题以及本领域中其它需要解决的技术问题。
经过广泛的研究和实验,本发明的发明人发现,在向模头施加预定的超声脉冲振动模头以替代加热模头时,使在压力室中加热的聚合物的塑坯接触由超声振动的模头,这样使模头和加热的塑坯之间摩擦表面上的润滑效果最大化,且使最终的聚合物取向型材在表面模塑性能上变得优异。根据这个结果,本发明的发明人完成了本发明。
技术方案
根据本发明的一个技术方案,可以通过提供一种固态取向挤压方法实现上述和其它目的,该方法通过挤压聚合物胶粒使其通过挤压模头而制备聚合物取向型材,所述聚合物胶粒为包含结晶或半结晶聚合物的胶粒和包含聚合物和有机或无机填料的复合材料的胶粒中的一种,所述方法包括以下步骤:将压力室预热达到或低于聚合物熔点的温度;向紧邻压力室且截面面积比压力室小的挤压模头施加超声;和挤压聚合物胶粒使其通过压力室和挤压模头以制备聚合物取向型材。
与加热挤压模头的传统方法不同,本发明的固态取向挤压方法在向挤压模头施加超声的同时进行挤压。其结果是,由于减少了用于控制温度的时间和能量,方法的整体成本降低,并且由于由超声能量导致润滑效果提高而使聚合物胶粒容易通过挤压模头,所以其加工速度比传统方法加快。此外,该固态取向挤压方法有效防止了传统方法可能产生的表面缺陷,从而提供光滑坚固的聚合物取向型材。
只要加热时其流动性适合挤压且当以塑坯(胶粒)形态存在时具有结晶或半结晶结构,则聚合物不限于特定种类。优选地,聚合物可为具有直链分子的热塑性聚合物。热塑性聚合物的优选例子包括聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯等。
根据本发明,如上所述,对含有聚合物和有机或无机填料的复合材料胶粒以及聚合物胶粒进行固态挤压。在此,为了方便说明,聚合物胶粒以及含有聚合物和填料的复合材料胶粒均称为“聚合物胶粒”。
填料为有机或无机材料,其不限于特定种类。优选地,填料可为木粉、木纤维、矾土、硅石、滑石等。
压力室用于提供将聚合物胶粒加热达到或低于聚合物的熔点以使聚合物胶粒可以进行挤压以及挤压聚合物胶粒的驱动力。
挤压模头的面积比压力室的小,使固态挤压得以进行,所以挤压以聚合物胶粒经压力室加热和挤压后被推入模头的方式进行。因此,在挤压过程中,聚合物胶粒的晶体受到巨大的压力,并沿前进方向取向。挤压模头优选具有如下的锥形结构(倾斜表面):该挤压模头的面积沿挤压方向逐渐减小,以在聚合物胶粒进入挤压模头时使聚合物胶粒和小面积的挤压模头之间的摩擦最小化。
然而,尽管具有锥形结构,聚合物胶粒和挤压模头的内表面之间的界面仍经受剧烈的摩擦,因此传统方法中必需将挤压模头加热到高于压力室的温度,即加热到聚合物熔点的0.9~1.2倍的温度范围之间。因此,在传统方法中,尽管分别加热压力室和挤压模头以使其具有不同温度,但是由于其中挤压模头紧邻压力室的结构,所以为使其具有不同温度而对其进行的单独控制是有限的。例如,当挤压模头设定到高于聚合物熔点的温度时,由挤压模头到压力模头产生热传导,并且压力模头温度升高到压力模头温度与挤压室接近或相同的程度,所以在挤压的过程中聚合物胶粒在其表面过度熔化,而不能具有理想的固态取向。
相反地,在本发明中,由于向挤压模头施加超声而非加热挤压模头,所以可以得到理想的固态取向挤压。结果是,本发明使压力室和挤压模头的温度可以容易控制,并同时防止将挤压模头加热到高于聚合物的熔点。在有些情况下,可以将挤压模头加热到与压力室大约相同的温度。即使在这种情况,不同于传统技术,由于对压力室和挤压室的不断调节,仍具有容易进行温度控制的优点。
下文将详细说明本发明的特征。
根据本发明,向挤压模头施加超声以降低在挤压模头内表面和聚合物胶粒之间界面上的摩擦,从而使其间得到润滑。聚合物胶粒在压力室中加热预定时间而达到或低于聚合物的熔点后,其接触到超声振动下的挤压模头时,在挤压模头和聚合物胶粒的摩擦表面即刻实现直接的润滑效果。结果是,聚合物胶粒可以容易通过内径以固定比例减小的挤压模头,所以与采用挤压模头加热方法的传统固态取向挤压方法相比,最终产品具有优异的表面。
根据将要提取的聚合物的性能,施加于挤压模头的超声的频率为几~几十口,也就是1~100kHz的频率。聚合物的取向度可由聚合物取向之前和之后的拉伸强度之间的差异得到。值得注意的是,由本发明的方法制得的挤压取向型材的拉伸强度变化与传统方法的相比时,由本发明的方法得到的取向度大于或等于由传统方法得到的取向度。
根据本发明的另一个技术方案,提供了一种压力-张力取向装置(pressure-tensioning orientation),其可以有效实施本发明的方法。
根据本发明的压力-张力取向装置包括:适合使温度升高并提供将聚合物胶粒推向挤压模头的推力的压力室;紧邻压力室且截面面积比压力室小的挤压模头;和向挤压模头施加超声的超声施加部件。
挤压模头的截面面积可根据包括聚合物的种类、聚合物的分子量等的多种因素决定。优选地,挤压模头的截面面积约为作为塑坯提供的聚合物胶粒的0.3~0.5倍。其同样可用拉伸比表示,其可以为聚合物胶粒的截面面积/最终取向型材的截面面积(模头出口面积)的平方值。优选地,构造挤压模头的拉伸比为4~10。
只要可以通过向挤压模头施加预定脉冲的超声实现本发明的目的,超声施加部件可以安在挤压模头的内部或外部的任何地方。
超声施加部件优选包括能够控制超声的频率和振幅的控制器。
由以上说明明显可见,本发明的固态取向挤压方法向挤压模头施加超声,而省去了加热挤压模头的步骤,在提供表面光滑没有任何缺陷的聚合物型材的同时确保了便利快捷的操作。因此,本发明可以广泛有效地应用于制造结晶或半结晶的聚合物产品。
附图说明
结合附图,通过下面的详细说明可更加清楚地理解本发明的上述和其它目的、特点及其它优点,其中:
图1为说明根据本发明一个实施方式的压力室、挤压模头和超声施加部件的截面图;以及
图2为说明应用了图1所示部件的压力-张力取向装置的一种示例性构造的示意图。
具体实施方式
下文将说明本发明的优选实施方式。
图1示出了根据本发明一个实施方式的固态取向挤压装置。
参照图1,根据本发明的压力-张力取向装置100包括:压力室110、挤压模头120和超声施加部件130。压力室110在其一侧设置有用于将聚合物胶粒(未显示)推向挤压模头120的可动活塞112,并在其外部设置有加热部件114。
活塞112用于通过向聚合物胶粒施加预定的压力而迫使聚合物胶粒通过挤压模头110。加热部件114将压力室110加热达到或低于聚合物熔点的温度。加热部件114可安装在压力室110内。优选地,压力室110的温度控制在聚合物熔点的大约0.6~0.9倍的温度范围内。
挤压模头120紧邻压力室110,其具有以预定角度倾斜的内部结构,以使挤压模头的内径向其一端逐渐变窄。
挤压模头120的内角优选设定为10~40度。挤压模头120的长度取决于拉伸比。根据聚合物胶粒的截面面积适当控制挤压速度,优选为0.1~2m/min。
尽管图中显示超声施加部件130安装在挤压模头120的外部,但是其也可以安装在挤压模头120内。
由图1所示的挤压模头挤压后,聚合物型材200依次与引线(cable)300、线轴(spool)310和与马达320连接的线夹(gripper)接触,然后向外部卸出。
工业实用性
根据本发明的固态取向挤压方法,由于减少了用于控制温度的时间和能量,方法的整体成本降低,并且由于由超声能量导致润滑效果提高而使聚合物胶粒容易通过挤压模头,所以其加工速度比传统方法加快。此外,该固态取向挤压方法有效防止了传统方法可能产生的表面缺陷,从而提供了光滑坚固的聚合物取向型材。
尽管出于说明性目的公开了本发明的优选实施方式,但本领域的技术人员应理解,不偏离如附属权利要求书中公开的本发明的范围和实质的多种修改、添加和代替是可行的。
Claims (10)
1.一种固态取向挤压方法,该方法通过挤压聚合物胶粒使其通过挤压模头而制备聚合物取向型材,所述聚合物胶粒为包含结晶或半结晶聚合物的胶粒和包含含有聚合物和有机或无机填料的复合材料的胶粒中的一种,所述方法包括以下步骤:
将压力室预热达到或低于聚合物熔点的温度;
向紧邻压力室且截面面积比压力室小的挤压模头施加超声;和
挤压聚合物胶粒使其通过压力室和挤压模头以制备聚合物取向型材。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述聚合物为具有直链分子的热塑性聚合物,且所述填料为木粉、木纤维、矾土、硅石和滑石中的一种。
3.根据权利要求1所述的方法,其中,所述压力室加热所述聚合物胶粒至其熔点的0.6~0.9倍的温度范围内。
4.根据权利要求1所述的方法,其中,所述挤压模头具有如下的锥形结构(倾斜表面):该挤压模头的截面面积沿挤压方向逐渐减小,以在所述聚合物胶粒进入挤压模头时使聚合物胶粒和小内径的挤压模头之间的摩擦最小化。
5.根据权利要求1所述的方法,其中,所述挤压模头的截面面积约为所述聚合物胶粒的截面面积的0.3~0.5倍。
6.根据权利要求1所述的方法,其中,以1~100kHz的频率向所述挤压模头施加超声。
7.一种实施根据权利要求1所述方法的压力-张力取向装置,其包括:
适合使温度升高并提供将聚合物胶粒推向挤压模头的推力的压力室;
紧邻压力室且截面面积比压力室小的挤压模头;和
向挤压模头施加超声的超声施加部件。
8.根据权利要求7所述的装置,其中,所述挤压模头的拉伸比为4~10。
9.根据权利要求7所述的装置,其中,所述超声施加部件安装在所述挤压模头的内部或外部。
10.根据权利要求7所述的装置,其中,所述超声施加部件包括能够控制所述超声的频率和振幅的控制器。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20080611 |