CN102601962A - 一种超临界流体辅助聚合物加工方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超临界流体辅助聚合物加工，属于高分子材料加工领域。本发明提供一种多用途超临界流体辅助聚合物加工方法及装置，利用该装置的加热及剪切作用可实现熔融状态下超临界流体向聚合物内部的快速剪切扩散，辅助热塑性塑料及热塑性弹性体的加工，主要包括聚合物多相共混、聚合物/纳米粒子复合材料制备及聚合物超临界流体发泡等，加工完毕可进行快速冷却。本发明装置具有结构紧凑、便于操作、节省原材料、适应范围广等优点，适于实验研究。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料加工领域，一种超临界流体辅助聚合物加工方法及装置，可用于辅助聚合物多相共混、聚合物/纳米粒子复合材料制备、热塑性弹性体制备、聚合物超临界流体发泡等。
背景技术
超临界流体是指温度和压力均高于其临界点的流体，超临界流体具有类似气体的扩散性和类似液体的溶解能力，同时兼具低黏度，低表面张力的特性等，因此超临界流体具有超强的渗透能力。超临界CO2和N2具有无毒、不燃、价廉、化学上呈惰性等特点，应用于聚合物的加工中能显著够降低聚合物加工粘度、降低聚合物的玻璃化转变温度、从而可以降低聚合物加工过程中的温度，降低能耗。可用于辅助聚合物多相体系的共混、聚合物/纳米粒子复合材料制备。同时由于其自成核能力强，在热力学不稳定时(压力突然降低或温度升高时)可以析出大量泡核，通过冷却定型，可以制备聚合物微孔发泡材料。但是超临界流体应用于辅助聚合物加工及发泡的大量研究还处于研究阶段，对这个过程中的许多科学问题还有待解决。在超临界流体辅助聚合物加工的研究中没有专门的设备来进行研究，如果采用挤出或注射都需耗费大量的原材料，并且加工过程中的各项参数对加工过程及聚合物形态和性能的影响不易进行独立的控制。该方法利用密闭的腔室和能够转动产生剪切作用的剪切元件，在一定温度下模拟超临界流体辅助聚合物加工过程，并可进行快速的冷却，便于研究材料的微观结构。该装置具有结构简单、易操作、适应范围广、各参数可独立调节、节省塑料原材料等显著优点。
发明内容
一种超临界流体辅助聚合物加工的方法，将超临界CO2通入填有聚合物的腔室，剪切元件作用下，实现超临界流体向熔融聚合物内部的快速剪切混合，可辅助进行聚合物多相共混、纳米复合材料制备、微孔发泡等，并可对聚合物材料在腔室内快速冷却。
所述聚合物材料为热塑性塑料或热塑性弹性体。
所述剪切作用的剪切形式、剪切强度可通过变换剪切元件结构、转动速度进行调节。
所述剪切元件可以是单螺杆形式或双螺杆形式的剪切元件，剪切元件可以是螺杆、转子、啮合块中的一种。
所述腔室带有多点进气结构，防止堵塞。
所述腔室带有能够通入超临界流体进行冷却的结构，可实现聚合物材料的快速冷却。
所述腔室带有加热及温度控制装置，用于显示和控制腔室内温度。
所述腔室还带有压力显示和压力释放装置，且压力释放的速率是可调节的。
一种实现上述方法的装置，该装置包括可承受压力的腔室、剪切元件、多点进气结构、冷却结构、超临界流体输送装置、压力释放装置、压力显示装置、加热元件及温度控制系统等。
所述剪切元件的结构形式、转动速度可调节，从而改变剪切作用的剪切形式、剪切强度。
所述剪切元件可以是单螺杆形式或双螺杆形式的剪切元件，双螺杆形式的剪切元件可以是螺杆、转子、啮合块中的一种。
所述腔室带有多点进气结构，防止堵塞。
所述腔室带有能够通入超临界流体进行冷却的结构，可实现聚合物材料的快速冷却。
所述腔室带有加热及温度控制装置，用于显示和控制腔室内温度。
所述腔室还带有压力显示和压力释放装置，且压力释放的速率是可调节的。
腔室带有密封结构，可防止腔室内部压力损失。
其优点在于：
(1)在超临界CO2及剪切元件作用下可进行聚合物多相体系熔融共混、聚合物纳米复合材料制备、聚合物微孔发泡等过程的研究。
(2)采用夹套形式多点进气及排气，不易堵塞。
(3)利用此夹套结构还可通入超临界流体来进行冷却，可实现物料的快速冷却。
(4)可以通过调节腔室温度、超临界CO2压力、剪切元件的剪切速率、剪切元件的构型、压力释放的速率、反复剪切及释压的次数等主要参数来调控制备不同微观结构和性能的聚合物材料。
(5)适应范围广，该装置除了可以采用超临界CO2和N2外，还可以采用其他超临界流体，可以采用不同的工艺参数和剪切元件的构型来适应多种聚合物材料的加工，如各种热塑性塑料(如PP、PE、PB、PS、PVC、PVDC、PA、PMMA、PC、PET、PBT、ABS、POM、PLA、EVA等)及热塑性弹性体(如TPE、TPU、TPV)。
附图说明
图1为本发明超临界CO2辅助聚合物加工装置一实施例的结构示意图；
图2为偏心圆盘式剪切元件结构示意图，但不仅限于此种结构及组合；
图3为高压腔室可用于多点进气及冷却的结构示意图；
图4为利用此方法和装置制备的聚苯乙烯发泡材料脆断面上泡孔形貌的电镜扫描照片。
具体实施方式
1.聚合物多相共混及聚合物/纳米粒子复合材料制备
在所述腔室内放入一定量的树脂(或树脂及纳米粒子)，根据树脂的种类设定温度，利用加热元件15进行加热至设定温度后，恒温一定时间，剪切元件14开始转动，使树脂熔融塑化，然后通入一定压力的超临界CO2，将腔室内部空气排掉，继续通超临界CO2，关闭释压阀10，使腔室压力保持恒定，关闭进气阀18。在剪切元件的作用下，经过一段时间的剪切混合，超临界CO2能够快速扩散渗透到聚合物基体中，聚合物体系的粘度降低，自由体积增大，使多相聚合物或聚合物与纳米粒子混合。剪切元件14停止转动，打开释压阀10快速释放压力，超临界CO2气泡成核，在聚合物基体内部形成大量泡孔，泡孔形成过程会进一步均化聚合物多相体系或聚合物/纳米粒子的混合。压力释放完毕，可继续通入超临界CO2，进一步在超临界CO2作用下进行剪切混合，根据聚合物种类加工一定时间后，加热元件15停止加热，剪切元件继续转动，打开释压阀10释放压力，压力释放完毕，通入超临界CO2冷却或在室温下风冷，至聚合物的玻璃化转变温度以下，打开腔室得到多相共混的聚合物材料或聚合物/纳米粒子复合材料。此过程可根据聚合物种类及不同的聚合物的制备调节重复加工的次数。
2.聚合物发泡
在所述腔室内放入一定量的树脂(可以是纯的聚合物、加了各种助剂或纳米粒子的聚合物及聚合物共混物)，根据树脂的种类设定温度，利用加热元件15进行加热至设定温度后，恒温一定时间，剪切元件14开始转动，使树脂熔融塑化，然后通入一定压力的超临界CO2，将腔室内部空气排掉，继续通超临界CO2，关闭释压阀10，使腔室压力保持恒定，关闭进气阀18。在剪切元件14的作用下，经过一段时间的剪切混合，超临界CO2能够快速扩散渗透到聚合物基体中。加热元件15停止加热，剪切元件14停止转动，打开释压阀10快速释放压力，压力释放完毕，立即通入超临界CO2冷却至聚合物的玻璃化转变温度以下，打开腔室得到发泡的聚合物材料。
聚苯乙烯(PS)的超临界流体发泡，设定加工温度为130℃～170℃，利用加热元件15加热至设定温度后，恒温4～10分钟，剪切元件14开始转动，转动速度20～80转/分，使树脂熔融塑化，通入压力为7.38～20MPa的超临界CO2，将腔室内部空气排掉，继续通超临界CO2，关闭释压阀10，使腔室压力保持在设定的压力值，关闭进气阀18。在剪切元件14的作用下，经过3～10分钟的剪切混合，超临界CO2快速扩散渗透到聚合物基体中。加热元件15停止加热，剪切元件14停止转动，打开释压阀10快速释放压力，压力释放完毕，立即通入超临界CO2冷却至25～50℃，打开腔室得到PS发泡材料。
所得PS发泡材料脆断面泡孔形貌的电镜扫描照片如图4所示，所得发泡材料密度在0.3～0.7g/cm3之间，平均泡孔直径10～50微米，泡孔数量在107～1011个/cm3之间。
Claims (16)
1.一种超临界流体辅助聚合物加工的方法，其特征在于将超临界CO2通入填有聚合物的腔室，剪切元件作用下，实现超临界流体向熔融聚合物内部的快速剪切混合，可辅助进行聚合物多相共混、纳米复合材料制备、微孔发泡等，并可在腔室内快速冷却。
2.根据权力要求1所述的方法，其特征在于所述聚合物材料为热塑性塑料或热塑性弹性体。
3.根据权力要求1、2任一项所述的方法，其特征在于所述剪切作用的剪切形式、剪切强度可通过变换剪切元件结构、转动速度进行调节，以适应不同聚合物的加工。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于所述剪切元件可以是单螺杆形式或双螺杆形式的剪切元件，剪切元件可以是螺杆、转子、啮合块中的一种。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于所述腔室带有多点进气结构，防止堵塞。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于所述腔室带有能够通入超临界流体进行冷却的结构，可实现聚合物材料的快速冷却。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于所述腔室带有加热及温度控制装置，用于显示和控制腔室内温度。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于所述腔室带有压力显示和压力释放装置，且压力释放的速率是可调节的。
9.一种实现权力要求1-8所述方法的装置，其特征在于所述装置包括可承受压力的腔室、剪切元件、冷却结构、多点进气结构、密封结构、超临界流体输送装置、压力释放装置、压力显示装置、加热元件及温度控制系统等。
10.根据权力要求9所述的装置，其特征在于所述剪切作用的剪切形式、剪切强度可通过变换剪切元件结构、转动速度进行调节。
11.根据权利要求9、10任一项所述的装置，其特征在于所述剪切元件可以是单螺杆形式或双螺杆形式的剪切元件，剪切元件可以是螺杆、转子、啮合块中的一种。
12.根据权利要求9-11任一项所述的装置，其特征在于所述腔室带有多点进气结构，防止堵塞。
13.根据权利要求9-12任一项所述的装置，其特征在于所述腔室带有能够通入超临界流体进行冷却的结构，可实现聚合物材料的快速冷却。
14.根据权利要求9-13任一项所述的装置，其特征在于所述腔室带有加热及温度控制装置，用于显示和控制腔室内温度。
15.根据权利要求9-14任一项所述的装置，其特征在于所述腔室带有压力显示和压力释放装置，且压力释放的速率是可调节的。
16.根据权力要求9-15任一项所述装置，其特征在于所述腔室带有密封结构，可防止腔室内部压力损失。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120725 |