CN102350780A

CN102350780A - 一种基于微分原理的聚合物发泡材料制备装置及方法

Info

Publication number: CN102350780A
Application number: CN2011101961835A
Authority: CN
Inventors: 杨卫民; 钟雁; 谢鹏程; 焦志伟; 丁玉梅
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2011-07-13
Filing date: 2011-07-13
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2031-07-13
Also published as: CN102350780B

Abstract

本发明公开了一种基于微分原理的聚合物发泡材料制备装置及方法，该装置的挤出机出口端连接有挤出模头，挤出模头内有熔体流道和气道，气道与熔体流道相通；压缩气体源可以产生发泡气体，管路一端与压缩气体源相连，另一端与挤出模头相通，并且在靠近挤出模头的一端有调节阀，用来控制进入挤出模头内气体的压力大小和气体流量，从而控制发泡倍率；挤出模头与层叠器二者对接，在层叠过程中熔体/气体混合物发生混合，气泡变小，如果串联k个同样的层叠器，使发泡气体在熔体内分散得更为均匀，并且泡孔直径可通过层叠器个数和挤出厚度进行控制，不需要其他辅助设备。本发明适合于各种发泡材料，生产效率高，泡孔均匀，机械性能好，适用于工业化生产。

Description

一种基于微分原理的聚合物发泡材料制备装置及方法

技术领域

本发明涉及一种聚合物成型装置及方法，特别是涉及一种聚合物发泡材料制备装置及方法。

背景技术

在20世纪80年代初期，美国麻省理工学院的Suh等人首先提出微发泡塑料的概念。随着技术的发展，人们对发泡材料的成型技术要求也越来越高，如环境友好要求，不使用可能对聚合物基体或环境造成污染的发泡剂和添加剂，成型工艺可以适用于大多数的聚合物材料，微观结构的可控及能够连续生产等。因而采用微发泡技术成型聚合物微孔材料成为最近研究的热点。

目前制备微孔发泡塑料最常用的发泡方法有物理发泡法、化学发泡法。物理发泡法的原理是将气体注入到树脂体系中，再混合与分散得到发泡材料。其中最常用的就是挤出发泡成型技术和注射发泡成型技术。对于挤出发泡成型技术，单螺杆挤出机在微孔塑料生产中已得到一些应用，但是生产效率比较低下，远不如双螺杆挤出机。双螺杆挤出机以其稳定的固体喂料、良好的分散混合和分布混合，均匀的熔体温度分布而在微孔塑料生产中已经得到了应用。但是，采用双螺杆挤出机进行挤出发泡面临几个问题：(1)设备的投资较大；(2)由于是饥饿式喂料，工作压力较低，因此当采用物理发泡剂时，一方面，发泡气体会由加料斗逃逸，另一方面压力低，溶解在熔体中的发泡气量少，对气泡成核造成负面影响。因此，采用双螺杆挤出机时，必须要对螺杆进行精心设计以维持适宜的机筒压力，保持动态的熔体密封以阻止发泡剂逃逸。同时要在挤出机的出口加装聚合物熔体齿轮泵以稳定和提高即将进入发泡机头的熔体压力，这样就大大提高了生产成本。

发明内容

本发明的目的在于提出一种适合于聚合物发泡材料制备的装置及方法，既能够降低成本，实现连续生产，缩短生产周期，而且产品的泡孔分布更加均匀，性能有很大的提高，适用于工业化生产。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于微分原理的聚合物发泡材料制备装置，主要包括挤出机、挤出模头、密封件、加热装置，层叠器、冷却定型装置、压缩气体源、压力计、管路和调节阀，挤出机出口端连接有挤出模头，挤出模头内有熔体流道和气道，气道与熔体流道相通；压缩气体源可以产生发泡气体，并与压力计相连通，压力计用来显示通入管路内的气体压力，管路一端与压缩气体源相连，另一端与挤出模头相通，并且在靠近挤出模头的一端有调节阀，用来控制进入挤出模头内气体的压力大小和气体流量，从而控制发泡倍率；挤出模头与层叠器二者对接，挤出模头的熔体/气体混合物的出口与层叠器的混合物入口形状相同，并且通过密封件密封，防止发泡气体逸出，层叠器的混合物入口形状与其出口形状相同，混合有气体的熔体在进入层叠器的入口后沿宽度方向平均分割成m等分，每一等分在层叠器中继续向前流动时旋转90°，并且展宽m倍，厚度减薄到入口混合物厚度的1/m倍，成为分支混合物，m等分薄层再叠加在一起，在此过程中气泡被压薄，并在层叠过程中与熔体发生混合，气泡变小。如果串联k个同样的层叠器，则可得到m^k层相叠及混合而形成的发泡材料，大部分的气泡经过m^k次分割，气泡的直径接近于叠层的层厚，其中的m为不小于二的整数，k为不小于一的整数，m和k的取值根据对气泡直径的要求来确定。最后一个层叠器与冷却定型装置连接，挤出模头与层叠器上有加热装置，保证聚合物处于熔融状态。

本发明一种基于微分原理的聚合物发泡材料制备装置中，挤出模头与层叠器之间的密封件可采用石棉垫或聚四氟乙烯密封带等。

采用本发明一种基于微分原理的聚合物发泡材料制备装置来制备发泡材料方法是：首先打开加热装置，将挤出模头和层叠器加热到物料加工温度，然后将物料加入挤出机中进行塑化加工，待挤出稳定后，将压缩气体源通过管路与挤出模头相连接，将发泡气体注入聚合物熔体内，通过观察压力计示数并调整调节阀使机头内形成一定比例的气体和熔体混合物，此时，气泡泡体较大，且分布不均，混合有气体的熔体在进入层叠器的入口后沿宽度方向平均分割成m等分，每一等分在层叠器中继续向前流动时旋转90°，并且展宽m倍，厚度减薄到入口混合物厚度的1/m倍，m等分薄层再叠加在一起，经过层叠器的强制分割、延展、剪切、叠加、混合作用，气泡泡体减小并且进一步分散，混合物经过k个层叠器后，得到泡体大小合适的混合物，再经过冷却定型装置得到最终产品。在串联的某个层叠器上设置有气体通道及注气系统，气体通道与混合物流道相通，通过带有气道的层叠器向混合物注入气体。

本发明一种基于微分原理的聚合物发泡材料制备装置及其方法中，通过将发泡气体直接通过管路注入挤出模头内，避免了常规微孔塑料挤出成型中将气体注入机筒内产生的密封问题，只需要常规挤出机即可，设备更为简单；通过层叠器的微分原理对聚合物/气体混合物的强制分割、延展、剪切、叠加、混合作用，使发泡气体在熔体内分散得更为均匀，并且泡孔直径可通过层叠器个数和挤出厚度进行控制，不需要其他辅助设备(静态混合器等)，节约成本，挤出材料为多层发泡材料，机械性能更优。本发明可适合于各种发泡材料，生产效率高，泡孔均匀，机械性能好，适用于工业化生产。

附图说明

图1是本发明一种基于微分原理的聚合物发泡材料制备装置的原理图。

图2是本发明一种基于微分原理的聚合物发泡材料制备装置中挤出模头内结构图。

图3是本发明一种基于微分原理的聚合物发泡材料制备装置中层叠器流道示意图。

图中：1-挤出机，2-挤出模头，3-密封件，4-加热装置，5-层叠器，6-冷却定型装置，7-压缩气体源，8-压力计，9-管路，10-调节阀，11-主气道，12-分气道，13-熔体通道。

具体实施方式

本发明一种基于微分原理的聚合物发泡材料制备装置的原理图如图1所示，主要包括挤出机1、挤出模头2、密封件3、加热装置4，层叠器5、冷却定型装置6、压缩气体源7、压力计8、管路9和调节阀10，挤出机1前端连接有挤出模头2，挤出模头2与层叠器5相连接，并且通过密封件3密封，防止发泡气体逸出，层叠器5与冷却定型装置6连接，挤出模头2与层叠器5上有加热装置4，压缩气体源7可以产生发泡气体，并与压力计8相连通，压力计8用来观测通入管路9内的气体压力，管路9一端与压缩气体源7相连，另一端与挤出模头2相通，并且在靠近挤出模头2的一端有调节阀10，用来控制注入挤出模头2内气体的压力大小和气体的流量，从而控制发泡倍率。

本发明一种基于微分原理的聚合物发泡材料制备装置中，挤出模头2与层叠器5入口对接，混合有气体的熔体在进入层叠器5的入口后沿宽度方向平均分割成m等分，每一等分在层叠器5中继续向前流动时旋转90°，并且展宽m倍，厚度减薄到1/m倍，成为分支混合物，在此过程中气泡被压薄，叠加时原先有泡孔的位置不会与原泡孔相遇，在层叠过程中与熔体发生混合，气泡变小。如果串联k个同样的层叠器5，则可得到m^k层相叠及混合的发泡材料，大部分的气泡经过m^k次分割，气泡的直径接近于叠层的层厚，其中的m为不小于二的整数，k为不小于一的整数，m和k的取值根据对气泡直径的要求来确定。

本发明一种基于微分原理的聚合物发泡材料制备装置中，所串联的若干个层叠器5的每一等分在层叠器5中继续向前流动时旋转90°，某些等分为顺时针方向旋转，其余等分为逆时针方向旋转，以增强混合效果。

本发明一种基于微分原理的聚合物发泡材料制备装置中，挤出模头2内气道可以包括有主气道11和分气道12，主气道11与分气道12间有气体汇合区，如图2所示，气体通过分气道12注入到熔体通道13中，图中所示分气道12与熔体通道13垂直。为了便于气体加入，分气道12与熔体通道13可以成斜角，各分气道12的中心线位于一个锥面内，锥面的中心线与熔体流道13的中心线重合，使发泡气体通过管路9注入聚合物熔体的方向与熔体流动方向形成一个角度，减少熔体流动阻力，有利于气体分散，加入的气体量容易保持连续和均匀。分气道12内气体压力越高及分气道12的数量越多，在挤出模头2内熔体混入的气体总量越多，发泡倍率越高。

在串联的某个层叠器5上也可以连接有气体通道及注气系统，气体通道与混合物流道相通，使最终得到的发泡材料的发泡倍率更高。

本发明一种基于微分原理的聚合物发泡材料制备装置中，挤出模头2与层叠器5之间的密封件3可采用石棉垫或聚四氟乙烯密封带等，串联的各层叠器5之间及层叠器5与冷却定型装置6之间也可以采用类似的密封件，防止气体逸出。

采用本发明一种基于微分原理的聚合物发泡材料制备装置制备发泡材料的方法是：首先打开加热装置4，将挤出模头2和层叠器5加热到物料加工温度，然后将物料加入挤出机1中进行塑化加工，待挤出稳定后，将压缩气体源7通过管路9与挤出模头2相连接，将发泡气体注入聚合物熔体内，通过观察压力计8示数并调整调节阀10使机头内形成一定比例的聚合物/气体混合物，此时，气泡泡体较大，且分布不均，待混合物进入层叠器5后，经过层叠器5的强制分割、旋转、剪切、叠加、分散作用，气泡泡体减小并且进一步分散，这样经过若干个层叠器5后，得到泡体大小合适的混合物，再经过冷却定型装置6得到最终产品。

利用本发明一种基于微分原理的聚合物发泡材料制备装置制备方法制备发泡产品，选用PP作为发泡材料，冷却定型装置出口厚度尺寸为3mm，加热装置温度设定为200℃，层叠器5的数量为5，层叠器5的分割流道示意如图3所示，每个层叠器5的流道等分数量为4，这样最终挤出发泡材料片材层数N＝4⁵＝1024层，每层叠层的厚度约为S＝3/1024≈3μm，每一层内的发泡气体都均匀分布，泡孔尺寸大部分不会超过层厚，连接的层叠器5的数量越多，得到的发泡材料的泡孔直径越小，可以满足微孔发泡材料对泡孔大小的要求。

Claims

1.一种基于微分原理的聚合物发泡材料制备装置，其特征在于：主要包括挤出机、挤出模头、密封件、加热装置，层叠器、冷却定型装置、压缩气体源、压力计、管路和调节阀，挤出机出口端连接有挤出模头，挤出模头内有熔体流道和气道，气道与熔体流道相通；压缩气体源与压力计相连通，管路一端与压缩气体源相连，另一端与挤出模头相通，并且在靠近挤出模头的一端有调节阀；挤出模头与层叠器二者对接，挤出模头的熔体/气体混合物的出口与层叠器的混合物入口形状相同，并且通过密封件密封，层叠器的混合物入口形状与其出口形状相同，混合有气体的熔体在进入层叠器的入口后沿宽度方向平均分割成m等分，每一等分在层叠器中继续向前流动时旋转90°，并且展宽m倍，厚度减薄到入口混合物厚度的1/m倍，m等分薄层再叠加在一起，串联k个同样的层叠器，其中的m为不小于二的整数，k为不小于一的整数，m和k的取值根据对气泡直径的要求来确定；最后一个层叠器与冷却定型装置连接，挤出模头与层叠器上有加热装置。

2.根据权利要求1所述的一种基于微分原理的聚合物发泡材料制备装置，其特征在于：所串联的若干个层叠器的每一等分在层叠器中继续向前流动时旋转90°，某些等分为顺时针方向旋转，其余等分为逆时针方向旋转。

3.根据权利要求1所述的一种基于微分原理的聚合物发泡材料制备装置，其特征在于：挤出模头内气道可以包括有主气道和分气道，主气道与分气道间有气体汇合区。

4.根据权利要求3所述的一种基于微分原理的聚合物发泡材料制备装置，其特征在于：分气道与熔体通道成斜角，各分气道的中心线位于一个锥面内，锥面的中心线与熔体流道的中心线重合。

5.根据权利要求1所述的一种基于微分原理的聚合物发泡材料制备装置，其特征在于：在串联的某个层叠器上设置有气体通道及注气系统，气体通道与混合物流道相通。

6.采用权利要求所述1的一种基于微分原理的聚合物发泡材料制备装置制备发泡材料的方法，其特征在于：首先打开加热装置，将挤出模头和层叠器加热到物料加工温度，然后将物料加入挤出机中进行塑化加工，待挤出稳定后，将压缩气体源通过管路与挤出模头相连接，将发泡气体注入聚合物熔体内，通过观察压力计示数并调整调节阀使机头内形成一定比例的气体和熔体混合物，混合有气体的熔体在进入层叠器的入口后沿宽度方向平均分割成m等分，每一等分在层叠器中继续向前流动时旋转90°，并且展宽m倍，厚度减薄到入口混合物厚度的1/m倍，m等分薄层再叠加在一起；混合物经过k个层叠器后，再经过冷却定型装置得到最终产品。

7.根据权利要求6所述的一种基于微分原理的聚合物发泡材料制备方法，其特征在于：在串联的某个层叠器上设置有气体通道及注气系统，气体通道与混合物流道相通，通过带有气道的层叠器向混合物注入气体。