CN101261266A - 一种利用超声频振动实现聚合物熔融塑化的测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用超声频振动实现聚合物熔融塑化的测试装置，在机座(9)上设有料筒(4)，料筒(4)内设有毛细管口模(18)、工具头(5)、热电偶(2)、加热圈(3)和高温熔体温度压力传感器(19)，导柱(8)下端设在机座(9)上，导柱(8)上端设有机架(11)，机架(11)上设有液压传动与控制系统，在导柱(8)上滑动设有导向支座(16)，导向支座(16)上设有超声波振动系统，工具头(5)与超声波振动系统传动连接，超声波振动系统与液压传动与控制系统传动连接，在超声波振动系统上设有位移传感器(12)，高温熔体温度压力传感器(19)和位移传感器(12)与计算机数据采集系统电连接。本发明功能上既可同时实现聚合物材料的超声振动熔融塑化和超声塑化成型性能检测，又可满足聚合物常规加工性能测试的需要。

Description

一种利用超声频振动实现聚合物熔融塑化的测试装置

技术领域

本发明涉及测试装置，特别是涉及一种利用超声频振动实现聚合物熔融塑化的测试装置。

背景技术

注射成型技术以其成本低、可成型复杂结构零件、易于实现批量化生产和聚合物材料的良好性能而闻名于世。聚合物熔体的流动性能，显著影响注射成型制品的成型过程。由于聚合物熔体自身较高的粘度，使得其在常规注射成型中成型薄壁制品时需要较高的注射压力和注射速度，否则就会出现短射现象。近年来蓬勃发展的微注射成型技术，一次注射量很小(一般为几毫克)，成型过程中流道浅、型腔小，微量熔体在充填过程中冷却快，流动阻力大，充填困难，易出现充填不足等缺陷。而传统螺杆式塑化和柱塞式塑化应用于微注射成型时分别存在着注射量过大、计量精度不高和塑化质量与效率较低的缺点。因此，针对目前注射成型技术发展过程中遇到的新问题，开发出新型环保、节能的聚合物熔融塑化方式获得低粘度、高流动性的聚合物熔体，实现零件在较低的注射压力和注射速度下成型迫在眉睫。

目前，人们一方面采用高的注射压力(≥200MPa)、高的注射速度(500～1500mm/s)和高的模具温度(大于成型材料的玻璃化转变温度Tg)等方法解决上述困难，这使得注射成型的设备成本急剧上升，产品经济性大大下降。另一方面，人们深入研究了超声振动在注射成型中的应用，例如2002年公开的美国专利US 6361733 B1，2004年公开的美国专利WO 2004/024415A1和2005年公开的日本专利WO 2005/007373 A1都是将超声振动引入成型模具中着眼于改善聚合物熔体的充填性能和制品的物理性能，结果均显示超声振动确实能够降低聚合物熔体的粘度，提高熔体流动性。但是，装有超声振动系统的模具结构复杂、安装不便且互换性也较差，不利于生成实践。为了从根本上解决问题，德国IKV研究所研制了超声塑化方式在微注射成型中的应用，结果表明超声塑化十分适合于微注射成型中聚合物的塑化。但是，针对聚合物材料在超声频振动条件下的熔融塑化过程及成型性能监测技术，国内外还未见有相关报道。而常用的毛细管流变仪、旋转流变仪等聚合物加工性能检测仪已不能够满足新的超声塑化成型工艺的需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是在于针对注射成型中薄壁制品易出现短射、微量熔体充填困难以及现有流变仪产品的不足而提供一种系统安装、操作简便，可靠性高，实用性强、针对聚合物超声熔融塑化成型工艺的测试装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供的利用超声频振动实现聚合物熔融塑化的测试装置，在机座上设有料筒，所述的料筒内设有毛细管口模和工具头，所述的料筒上设有热电偶、加热圈和高温熔体温度压力传感器，导柱下端设在所述的机座上，所述的导柱上端设有机架，在所述的机架上设有液压传动与控制系统，在所述的导柱上滑动设有导向支座，在所述的导向支座上设有超声波振动系统，所述的工具头与所述的超声波振动系统传动连接，所述的超声波振动系统与所述的液压传动与控制系统传动连接，在所述的超声波振动系统上设有位移传感器，所述的高温熔体温度压力传感器和位移传感器与计算机数据采集系统电连接。

所述的超声波振动系统是安装于所述的导向支座上的铝外壳内设有压电陶瓷晶片和换能器及冷却风扇，所述的换能器连接有变幅杆，所述的变幅杆与所述的工具头连接。

所述的液压传动与控制系统是泵站通过电磁换向阀与油缸一端连接，所述的油缸另一端通过单向电液比例调速阀与电磁换向阀连接，所述的泵站出口设有电液比例溢流阀和数字压力表，所述的油缸的活塞杆与所述的超声波振动系统传动连接。

本发明的另一结构是：导柱下端设在机座上，所述的导柱上端设有机架，在所述的机架上设有超声波振动系统，在所述的导柱上滑动设有导向支座，在所述的导向支座上设有料筒，所述的料筒内设有毛细管口模和工具头，所述的料筒上设有热电偶、加热圈和高温熔体温度压力传感器，所述的工具头与所述的超声波振动系统传动连接，在所述的导向支座上设有位移传感器，在所述的机座上设有液压传动与控制系统，所述的液压传动与控制系统与所述的导向支座连接，所述的高温熔体温度压力传感器和位移传感器与计算机数据采集系统电连接。

所述的超声波振动系统是安装于所述的机架上的铝外壳内设有压电陶瓷晶片和换能器及冷却风扇，所述的换能器连接有变幅杆，所述的变幅杆与所述的工具头连接。

所述的液压传动与控制系统是泵站通过电磁换向阀与油缸一端连接，所述的油缸另一端通过单向电液比例调速阀与电磁换向阀连接，所述的泵站出口设有电液比例溢流阀和数字压力表，所述的油缸的活塞杆与所述的超声波振动系统传动连接。

采用上述技术方案的利用超声频振动实现聚合物熔融塑化的测试装置，利用超声频振动实现聚合物熔融塑化的方法，其原理是超声振动系统中工具头以超声频振动使聚合物材料颗粒之间产生摩擦、剪切、挤压、研磨效应以及超声波在聚合物熔体中的空化作用产生的高温声冲流和高压冲击波，使聚合物瞬间产生大量的耗散热，自由体积急剧增加，同时诱导大分子链的解缠结，高效高质量地完成聚合物的熔融塑化。

本发明利用超声频振动实现聚合物熔融塑化的测试装置中，超声波驱动电源频率为20KHz，采用数字式超声波发生电路，具有换能器故障、负载超额双重保护功能，频率自动跟踪范围达到2KHz。工具头节点处加工有配合法兰，保证密封的同时不影响振动子的正常工作。

聚合物材料塑化过程中通过电液比例溢流阀调节活塞杆的输出力大小并保持塑化过程中的压力恒定，流变测试过程中通过单向电液比例调速阀调节系统流量来调整活塞杆的运动速度以得到不同大小的毛细管挤出流量。

本发明利用超声频振动实现聚合物熔融塑化的方法及测试装置，融合了超声波振动技术、聚合物加工流变学和计算机信息处理技术。与传统螺杆式、柱塞式塑化方法相比，本发明所述塑化方法突破了螺杆式塑化在微量注射和柱塞式塑化在塑化质量上的制约，同时具有熔融速率快、塑化质量高以及可实现微量注射的优点；所述装置即可实现聚合物的超声振动熔融塑化，又可作为检测仪器检测聚合物材料的加工性能。整个装置安装、操作简便，可靠性高，实用性强。

附图说明

图1为聚合物熔融塑化装置一种结构示意图；

图2为聚合物熔融塑化装置另一种结构示意图；

图3为聚合物熔融塑化的装置中液压系统原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

参见图1和图3，在机座9上设有料筒4，料筒4内设有毛细管口模18、螺纹托块1和工具头5，料筒4上设有热电偶2、加热圈3和高温熔体温度压力传感器19，导柱8下端设在机座9上，导柱9上端设有机架11，在机架11上设有油缸10，泵站20通过电磁换向阀23与油缸10一端连接，油缸10另一端通过单向电液比例调速阀22与电磁换向阀23连接，泵站20出口设有电液比例溢流阀21和数字压力表24，在导柱8上滑动设有导向支座16，在导向支座16上设有铝外壳7，铝外壳7内设有压电陶瓷晶片14和换能器15及冷却风扇13，换能器15连接有变幅杆6，变幅杆6与工具头5连接，铝外壳7与油缸10的活塞杆传动连接，在铝外壳7上设有位移传感器12，高温熔体温度压力传感器19和位移传感器12与计算机数据采集系统电连接。

本发明利用超声频振动实现聚合物熔融塑化的方法，其原理是超声振动系统中工具头5以超声频振动使聚合物材料颗粒之间产生摩擦、剪切、挤压、研磨效应以及超声波在聚合物熔体中的空化作用产生的高温声冲流和高压冲击波，使聚合物瞬间产生大量的耗散热，自由体积急剧增加，同时诱导大分子链的解缠结，高效高质量地完成聚合物的熔融塑化。

本发明利用超声频振动实现聚合物熔融塑化的方法中，信息处理装置包括计算机及嵌入其中的软件、数据测量与采集系统，软件开发环境为Visual Basic 6.0。

图1中所示为利用超声频振动实现聚合物熔融塑化的装置结构示意图。在超声波电源的驱动下，换能器15通过将压电陶瓷晶片14产生高频伸缩变形转变为自身的金属变形(振动)，实现了电能到机械能的转变过程。换能器15振动的频率与压电陶瓷晶片14的驱动信号频率有关，当驱动信号的频率与换能器15的固有频率一致时，变形量(振幅)达到最大值。变幅杆6将换能器15的振幅予以放大，最后通过工具头5将振动所产生的能量传递给料筒4中的聚合物材料。

铝外壳7与油缸活塞杆10相连接，通过导柱支座16和导柱8的导向实现往复运动并保证工具头5节点处的法兰与料筒4的活塞式密封配合上下滑动平稳。料筒4中聚合物材料在工具头5的超声频振动所产生的摩擦、剪切、挤压、研磨以及空化效应作用下熔融塑化，所得聚合物熔体在工具头5的压力下通过毛细管口模18挤出，可测试其流变性能。整个熔融塑化过程中聚合物材料体系的温度变化信息，以及熔体挤出过程中毛细管口模18的入口压力和熔体挤出流量信息，均通过高温熔体温度压力传感器19、位移传感器12和数据采集与处理系统输入到计算机中进行信息处理。

参见图2和图3，本发明的另一结构形式，导柱8下端设在机座9上，导柱8上端设有机架11，在机架11上设有铝外壳7，铝外壳7内设有压电陶瓷晶片14和换能器15及冷却风扇13，换能器15连接有变幅杆6，变幅杆6与工具头5连接，在导柱8上滑动设有导向支座16，在导向支座16上设有料筒4，料筒4内设有毛细管口模18、螺纹托块1和工具头5，料筒4上设有热电偶2、加热圈3和高温熔体温度压力传感器19，在导向支座16上设有位移传感器12，在机座9上设有油缸10，油缸10的活塞杆与导向支座16连接，泵站20通过电磁换向阀23与油缸10一端连接，油缸10另一端通过单向电液比例调速阀22与电磁换向阀23连接，泵站20出口设有电液比例溢流阀21和数字压力表24，高温熔体温度压力传感器19和位移传感器12与计算机数据采集系统电连接。

Claims (6)

1、一种利用超声频振动实现聚合物熔融塑化的测试装置，其特征是：在机座(9)上设有料筒(4)，所述的料筒(4)内设有毛细管口模(18)和工具头(5)，所述的料筒(4)上设有热电偶(2)、加热圈(3)和高温熔体温度压力传感器(19)，导柱(8)下端设在所述的机座(9)上，所述的导柱(8)上端设有机架(11)，在所述的机架(11)上设有液压传动与控制系统，在所述的导柱(8)上滑动设有导向支座(16)，在所述的导向支座(16)上设有超声波振动系统，所述的工具头(5)与所述的超声波振动系统传动连接，所述的超声波振动系统与所述的液压传动与控制系统传动连接，在所述的超声波振动系统上设有位移传感器(12)，所述的高温熔体温度压力传感器(19)和位移传感器(12)与计算机数据采集系统电连接。

2、根据权利要求1所述的利用超声频振动实现聚合物熔融塑化的测试装置，其特征是：所述的超声波振动系统是安装于所述的导向支座(16)上的铝外壳(7)内设有压电陶瓷晶片(14)和换能器(15)及冷却风扇(13)，所述的换能器(15)连接有变幅杆(6)，所述的变幅杆(6)与所述的工具头(5)连接。

3、根据权利要求1或2所述的利用超声频振动实现聚合物熔融塑化的测试装置，其特征是：所述的液压传动与控制系统是泵站(20)通过电磁换向阀(23)与油缸(10)一端连接，所述的油缸(10)另一端通过单向电液比例调速阀(22)与电磁换向阀(23)连接，所述的泵站(20)出口设有电液比例溢流阀(21)和数字压力表(24)，所述的油缸(10)的活塞杆与所述的超声波振动系统传动连接。

4、一种利用超声频振动实现聚合物熔融塑化的测试装置，其特征是：导柱(8)下端设在机座(9)上，所述的导柱(8)上端设有机架(11)，在所述的机架(11)上设有超声波振动系统，在所述的导柱(8)上滑动设有导向支座(16)，在所述的导向支座(16)上设有料筒(4)，所述的料筒(4)内设有毛细管口模(18)和工具头(5)，所述的料筒(4)上设有热电偶(2)、加热圈(3)和高温熔体温度压力传感器(19)，所述的工具头(5)与所述的超声波振动系统传动连接，在所述的导向支座(16)上设有位移传感器(12)，在所述的机座(9)上设有液压传动与控制系统，所述的液压传动与控制系统与所述的导向支座(16)连接，所述的高温熔体温度压力传感器(19)和位移传感器(12)与计算机数据采集系统电连接。

5、根据权利要求4所述的利用超声频振动实现聚合物熔融塑化的测试装置，其特征是：所述的超声波振动系统是安装于所述的机架(11)上的铝外壳(7)内设有压电陶瓷晶片(14)和换能器(15)及冷却风扇(13)，所述的换能器(15)连接有变幅杆(6)，所述的变幅杆(6)与所述的工具头(5)连接。

6、根据权利要求4或5所述的利用超声频振动实现聚合物熔融塑化的测试装置，其特征是：所述的液压传动与控制系统是泵站(20)通过电磁换向阀(23)与油缸(10)一端连接，所述的油缸(10)另一端通过单向电液比例调速阀(22)与电磁换向阀(23)连接，所述的泵站(20)出口设有电液比例溢流阀(21)和数字压力表(24)，所述的油缸(10)的活塞杆与所述的超声波振动系统传动连接。

Images