CN101774265A - 制备原位成纤化高分子复合材料的挤出成型装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备原位成纤化高分子复合材料的挤出成型装置，包括依次连接的成纤层挤出机、连接器和定型器，所述连接器和定型器之间设置有取向器，所述取向器包括模块和壳体，模块设置于壳体内并与壳体之间形成两端汇合中间分开的成纤流道，所述成纤流道的入口与连接器的出口连接，成纤流道出口与定型器入口连接，使用时，原材料中的成纤组分在成纤流道中受剪切、拉伸作用而沿流动方向变形、取向后就地形成增强纤维，本发明的取向器结构简单，易于制造，拆装方便，成本低，易于实现和操作；本发明的具有填料高取向度的高分子复合材料的制备方法工艺过程简单、工艺条件要求低、生产效率高，适合工业化、连续化生产使用，适用面广、易于推广。

Description

制备原位成纤化高分子复合材料的挤出成型装置及方法

技术领域

本发明涉及一种制备原位成纤化高分子复合材料的挤出成型装置及方法。

背景技术

通过聚合物改性方法以达到所需要的应用要求一直得到人们的广泛关注。在各种改性方法中，纤维增强是一种非常普遍的改性方法，所用的主要是玻璃纤维、碳纤维、Kevlar等无机或有机的宏观纤维，这些纤维填充到树脂基体中能起到明显的增强效果，但会使复合材料的加工粘度急剧增大，同时也增加了对加工机械的磨耗。近年来，一种被称作原位复合的增强方式引起人们的关注，这种复合方式是指相容性有限的两种聚合物在熔融共混过程中，分散相因受剪切、拉伸作用而沿流动方向变形、取向，在基体中就地形成增强纤维，由此所得的材料就称为原位复合材料(G.Kiss，Polym Eng Sci，1987，27：410)。原位复合材料中成纤材料大致分为两种：热致性液晶高分子和高熔点热塑性塑料。

目前研究较为广泛的是高熔点热塑性塑料在低熔点热塑性塑料中原位成纤化(李忠明等，中国专利，ZL01128896.5；X D Li，et al.Polym Eng Sci，1999，39：881；Z M Li，et al.Polym-Plast Tech Eng，2002，41(1)：19)。实现该种原位成纤化方法目前大致有两种：一种是将两种类型热塑性塑料共混后进行固相拉伸，然后在两组分熔点之间退火，使作为基体的低熔点组分分子链解取向，保持作为分散相的高熔点组分的取向相结构，这可称为“熔融挤出-固相拉伸-退火处理”方法(S Fakirov，et al.Macromolecules，1993，26：5219；S Fakirov，et al.Adv Mater，1994，6：395)；另一种是在共混挤出时，趁未固化前对熔体进行热拉伸，使分散相的高熔点组分形成纤维，并淬冷将纤维保持下来这可称为“熔融挤出-热拉伸-淬火”方法(Z M Li，et al.J Mater Tech Eng，2002，18：419；MF Boyaud，et al.Polymer，2001，42：6515)。但是“熔融挤出-固相拉伸-退火处理”方法，工艺过程复杂，效率低，很难进行工业化推广；“熔融挤出-热拉伸-淬火”方法虽然工艺过程相对简单，但工艺条件控制特别是成纤温度、拉伸速度等要求较高，很难进行连续化生产。迄今为止，还没有报道专门用于制备原位成纤化的高分子复合材料的挤出成型口模。

针对上述不足，需探索一种专用于制备原位成纤化高分子复合材料的装置及方法，以解决现有制备技术中工艺过程复杂、效率低、工艺条件要求苛刻等问题，并能适应工业化、连续化的生产。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种制备原位成纤化高分子复合材料的挤出成型装置，该装置很好的克服了现有制备技术中工艺过程复杂、效率低、工艺条件要求苛刻等缺点，并能适应工业化、连续化的生产。

本发明的制备原位成纤化高分子复合材料的挤出成型装置，包括依次连接的成纤层挤出机、连接器和定型器，所述连接器和定型器之间设置有取向器，所述取向器包括模块和壳体，模块设置于壳体内并与壳体之间形成两条两端汇合中间分开的成纤流道，所述成纤流道的入口与连接器的出口连接，成纤流道出口与定型器入口连接。

进一步，还包括保护层挤出机和汇合器，所述汇合器内设置两条保护层挤出流道，所述保护层挤出流道一端与汇合器出口连接，另一端与保护层挤出机通过连接器连接，两条保护层挤出流道之间设置成纤层挤出流道，所述成纤层挤出流道一端与成纤流道出口连接，另一端与汇合器出口连接，所述汇合器的出口与定型器连接；

进一步，所述连接器和定型器之间沿纵向并列设置有至少两个相互连接的取向器，与各取向器对应的成纤流道依次连通；

进一步，所述成纤流道为弧形结构；

进一步，所述成纤流道为横截面两端大中间小的结构；

进一步，所述成纤流道的两端形状和尺寸相同；

进一步，所述汇合器的出口横截面为矩形。

本发明还提供一种制备原位成纤化高分子复合材料的方法，包括以下步骤：

a)干燥：将成纤材料和高分子基体材料分别干燥至按重量百分比含水率为0.01～0.05％；

b)混合：将干燥并冷却后的成纤材料和高分子基体材料放入混合机中进行混合，得到混合料；

c)造粒：将混合料加入挤出机中进行熔融造粒制得母料；

d)干燥：将母料干燥至按重量百分比含水率为0.01～0.05％；

e)挤出：将干燥后的母料经所述挤出成型装置挤出热样条；

f)定型：将热样条通过流延辊牵引并经冷却定型后得到高取向度填料分布的高分子复合材料。

进一步，所述成纤材料为聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚碳酸脂和聚苯硫醚中的任意一种；

进一步，所述高分子基体材料为聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯中的任意一种。

发明的有益效果：本发明的制备原位成纤化高分子复合材料的挤出成型装置，包括依次连接的成纤层挤出机、连接器和定型器，所述连接器和定型器之间设置有取向器，所述取向器包括模块和壳体，模块设置于壳体内并与壳体之间形成两端汇合中间分开的成纤流道，所述成纤流道的入口与连接器的出口连接，成纤流道出口与定型器入口连接，使用时，原材料中的成纤组分在成纤流道中受剪切、拉伸作用而沿流动方向变形、取向后就地形成增强纤维，本发明的取向器结构简单，易于制造，拆装方便，成本低，易于实现和操作；本发明的具有填料高取向度的高分子复合材料的制备方法工艺过程简单、工艺条件要求低、生产效率高，适合工业化、连续化生产使用，适用面广、易于推广。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明的结构示意图；

图2为取向器的结构示意图；

图3为可成型带保护层的原位成纤化高分子复合材料挤出成型装置的结构示意图；

图4为汇合器的结构示意图。

图5～图7为几种不同成纤材料挤出物沿挤出方向的截面形貌结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

图1为本发明的结构示意图；图2为取向器的结构示意图；图3为可成型带保护层的原位成纤化高分子复合材料挤出成型装置的结构示意图；图4为汇合器的结构示意图，如图所示：本实施例的制备原位成纤化高分子复合材料的挤出成型装置，包括依次连接的成纤层挤出机1、连接器2和定型器3，所述连接器2和定型器3之间设置有取向器4，所述取向器4包括模块5和壳体6，模块5设置于壳体6内并与壳体6之间形成两端汇合中间分开的成纤流道7，所述成纤流道7的入口与连接器2的出口连接，成纤流道7出口与定型器3入口连接，使用时，原材料中的成纤组分在成纤流道中受剪切、拉伸作用而沿流动方向变形、取向后就地形成增强纤维，本发明的取向器结构简单，易于制造，拆装方便，成本低，易于实现和操作。

本实施例中，还包括保护层挤出机8和汇合器9，所述汇合器9内设置两条保护层挤出流道10，所述保护层挤出流道10一端与汇合器9出口连接，另一端与保护层挤出机8通过连接器2连接，两条保护层挤出流道10之间设置成纤层挤出流道11，所述成纤层挤出流道11一端与成纤流道7出口连接，另一端与汇合器9出口连接，所述汇合器9的出口与定型器3连接，可利用表面保护层来消除模壁高剪切，制备保护层-中间产品层-保护层三层“三明治”结构的复合材料，实现原位成纤程度在垂直于挤出方向上均匀分布。

本实施例中，所述连接器2和定型器3之间沿纵向并列设置有五个相互连接的取向器4，与各取向器4对应的成纤流道依次连通，高分子复合材料的原位成纤程度可以通过增减取向器数目来调控。

本实施例中，所述成纤流道7为弧形结构，高分子复合材料的原位成纤程度可以通过控制成纤流道相应弧形弧度来调控。

本实施例中，所述成纤流道7为两端大中间小的结构，以便于使原材料更容易沿流动方向拉伸，提高成纤效果，同时也可提高纤维的均匀度。

本实施例中，所述成纤流道7的两端形状和尺寸相同，使相邻两个取向器之间衔接更精确，以免发生漏料和溢料。

本实施例中，所述汇合器9的出口横截面为矩形，可用于制造板材、片材、薄膜等形式的产品，适用范围广。

本发明在使用过程中，由于取向器结构合理，不需特殊条件即可促使原材料成纤，使用其进行挤出生产效率高、工艺过程简单、工艺条件要求低，适合工业化、连续化生产使用。

实施例2：

制备尼龙6/聚丙烯原位成纤化高分子复合材料，包括以下步骤：

a)干燥：将尼龙6在110℃左右温度条件下干燥24～48小时，聚丙烯在90℃左右温度条件下干燥24小时，界面改性剂马来酸酐接枝聚丙烯在70℃左右温度条件下干燥24小时，控制含水率按重量百分比为0.05％；

b)混合：将干燥冷却后的尼龙6、聚丙烯和界面改性剂马来酸酐接枝聚丙烯按照重量比为20∶75∶5的比例放入混合机中，在50℃左右温度条件下混合30分钟得到混合料；

c)造粒：将混合料加入挤出机中在挤出温度为230℃左右、口模温度为235℃左右和螺杆转速为20转/分钟条件下进行熔融造粒制得母料；

d)干燥：将母料在90℃左右温度条件下干燥24小时，控制含水率按重量百分比为0.05％；

e)挤出：将干燥冷却后母料用所述的挤出成型装置挤出尼龙6/聚丙烯原位成纤化高分子复合材料热样条，取向器选择壳体内腔弧面半径与模块弧面半径之比为2，取向器个数为2个，挤出温度为235℃左右，螺杆转速为25转/分钟。

f)定型：将样条通过25℃左右温度的流延辊牵引冷却定型，得到尼龙6/聚丙烯原位成纤化高分子复合材料。

所制备的聚丙烯复合材料中尼龙6纤维的分布类似于示意图5所示，所制备的原位成纤化高分子复合材料可进行模压、挤出和注射等再加工。

实施例3：

制备聚对苯二甲酸乙二醇酯/高密度聚乙烯原位成纤化高分子复合材料，包括以下步骤：

a)干燥：将聚对苯二甲酸乙二醇酯在130℃左右温度条件下干燥36小时，高密度聚乙烯在90℃左右温度条件下干燥36小时，控制含水率按重量百分比为0.03％；

b)混合：将干燥冷却后的聚对苯二甲酸乙二醇酯和高密度聚乙烯按照重量比为10∶90的比例放入混合机中，在60℃左右温度条件下混合1.5小时得到混合料；

c)造粒：将混合料加入挤出机中在挤出温度为245℃左右、口模温度为270℃左右和螺杆转速为30转/分钟条件下进行熔融造粒制得母料；

d)干燥：将母料在90℃左右温度条件下干燥36小时，控制含水率按重量百分比为0.03％；

e)挤出：将干燥冷却后母料用所述的挤出成型装置挤出热样条，取向器选择壳体内腔弧面半径与模块弧面半径之比为5，取向器个数为3个，表面层原料为与高密度聚乙烯粘度较接近的聚苯乙烯，表面层材料的选择为不易降解并且与中间层高分子相容性较差的低熔点热塑性塑料，挤出温度为245℃左右，螺杆转速为30转/分钟。

f)定型：将步骤e)挤出的热样条通过40℃左右温度的流延辊牵引冷却定型后，剥离聚苯乙烯表面层，得到聚对苯二甲酸乙二醇酯/高密度聚乙烯原位成纤化高分子复合材料。

所制备的高密度聚乙烯复合材料中聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维的分布类似于示意图6所示，所制备的原位成纤化高分子复合材料可进行模压、挤出和注射等再加工。

实施例4：

制备聚碳酸脂/聚乙烯原位成纤化高分子复合材料，包括以下步骤：

a)干燥：将聚碳酸脂在125℃左右温度条件下干燥48小时，聚乙烯在90℃左右温度条件下干燥48小时，控制含水率按重量百分比为0.01％；

b)混合：将干燥冷却后的聚碳酸脂和聚乙烯按照重量比为20∶80的比例放入混合机中，在70℃左右温度条件下混合40分钟得到混合料；

c)造粒：将混合料加入挤出机中在挤出温度为255℃左右、口模温度为265℃左右和螺杆转速为30转/分钟条件下进行熔融造粒制得母料；

d)干燥：将母料在85℃左右温度条件下干燥48小时，控制含水率按重量百分比为0.01％；

e)挤出：将干燥冷却后的母料用所述挤出成型装置挤出热样条，取向器选择壳体内腔弧面半径与模块弧面半径之比为10，取向器个数为5个，表面层原料为与聚乙烯较接近的聚苯乙烯，表面层材料的选择为不易降解并且与中间层高分子相容性较差的低熔点热塑性塑料，挤出温度在220℃左右，螺杆转速在40转/分钟。

f)定型：将步骤e)挤出的样条通过40℃左右温度的流延辊牵引冷却定型后，剥离聚苯乙烯表面层，得到聚碳酸脂/聚乙烯原位成纤化高分子复合材料。

所制备的聚乙烯复合材料中聚碳酸脂的分布类似于示意图7所示，所制备的原位成纤化高分子复合材料可进行模压、挤出和注射等再加工。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种制备原位成纤化高分子复合材料的挤出成型装置，包括依次连接的成纤层挤出机(1)、连接器(2)和定型器(3)，其特征在于：所述连接器(2)和定型器(3)之间设置有取向器(4)，所述取向器(4)包括模块(5)和壳体(6)，模块(5)设置于壳体(6)内并与壳体(6)之间形成两条两端汇合中间分开的成纤流道(7)，所述成纤流道(7)的入口与连接器(2)的出口连接，成纤流道(7)出口与定型器(3)入口连接。

2.根据权利要求1所述的制备原位成纤化高分子复合材料的挤出成型装置，其特征在于：还包括保护层挤出机(8)和汇合器(9)，所述汇合器(9)内设置两条保护层挤出流道(10)，所述保护层挤出流道(10)一端与汇合器(9)出口连接，另一端与保护层挤出机(8)通过连接器(2)连接，两条保护层挤出流道(10)之间设置成纤层挤出流道(11)，所述成纤层挤出流道(11)一端与成纤流道(7)出口连接，另一端与汇合器(9)出口连接，所述汇合器(9)的出口与定型器(3)连接。

3.根据权利要求1所述的制备原位成纤化高分子复合材料的挤出成型装置，其特征在于：所述连接器(2)和定型器(3)之间沿纵向并列设置有至少两个相互连接的取向器(4)，与各取向器(4)对应的成纤流道依次连通。

4.根据权利要求3所述的制备原位成纤化高分子复合材料的挤出成型装置，其特征在于：所述成纤流道(7)为弧形结构。

5.根据权利要求4所述的制备原位成纤化高分子复合材料的挤出成型装置，其特征在于：所述成纤流道(7)为横截面两端大中间小的结构。

6.根据权利要求5所述的制备原位成纤化高分子复合材料的挤出成型装置，其特征在于：所述成纤流道(7)两端的形状和尺寸相同。

7.根据权利要求6所述的制备原位成纤化高分子复合材料的挤出成型装置，其特征在于：所述汇合器(9)的出口横截面为矩形。

8.一种制备原位成纤化高分子复合材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：

a)干燥：将成纤材料和高分子基体材料分别干燥至按重量百分比含水率为0.01～0.05％；

b)混合：将干燥并冷却后的成纤材料和高分子基体材料放入混合机中进行混合，得到混合料；

c)造粒：将混合料加入挤出机中进行熔融造粒制得母料；

d)干燥：将母料干燥至按重量百分比含水率为0.01～0.05％；

e)挤出：将干燥后的母料经所述挤出成型装置挤出热样条；

f)定型：将热样条通过流延辊牵引并经冷却定型后得到高取向度填料分布的高分子复合材料。

9.根据权利要求8所述的制备原位成纤化高分子复合材料的方法，其特征在于：所述成纤材料为聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚碳酸脂和聚苯硫醚中的任意一种。

10.根据权利要求9所述的制备原位成纤化高分子复合材料的方法，其特征在于：所述高分子基体材料为聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯中的任意一种。

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