CN102602007A - 一种微积分叠层高分子复合材料原位反应成型装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微积分叠层高分子复合材料原位反应成型装置及方法，装置包括塑化供料装置、汇流器、层叠器、成型装置，它们前后依次串联。微积分叠层复合材料中基体层和粘结层的加工方法不变，功能层原料采用单体或低聚物等取代传统的高聚物，利用真空反应釜作为塑化供料装置，解决了其与加工温度低的基体层材料微积分叠层复合的难题。功能层原位反应成型技术可根据不同的基体材料选择相应的高分子改性助剂，改性效果显著，功能层的厚度小于甚至远远小于基体层的厚度，节约原料。并且功能层一次聚合成型避免了反复热加工带来的费时、降解等不利影响。

Description

一种微积分叠层高分子复合材料原位反应成型装置及方法

技术领域

本发明属于高分子材料先进制造领域，更具体地说，是涉及一种多层高分子复合材料的原位反应成型装置及方法。

背景技术

微积分叠层高分子复合材料是将多种高分子材料通过特殊的层叠模块挤出，生产出几十乃至上千层的高分子复合材料，挤出制品每层厚度可以是微米级甚至达到纳米级，具有优异的力学性能、阻隔性能、导电性能、光学性能等，应用前景广泛，成为材料领域的热点研究课题。从目前公开专利来看，传统的多层共挤出技术主要采用多流道方式，每个流道控制一层，结构设计过于复杂、分层数量少。专利2000610022348.6提出一种一分为二，展宽交汇实现一次折叠的层叠器，流道的不对称性给流道设计带来很大困难，并且流道对材料不具有普适性。专利200910237622.5提出了一种分割效率高(分割数量可以大于2)，流动对称性好，压力损失小的新型层叠器，专利201010246370.5提出一种结构简单、各层厚度均匀、阻隔材料及粘结材料包裹在基材里面的高阻隔性微积分叠层复合材料制备装置，但上述发明的塑化供料装置均采用挤出机、注射成型机的注塑部分或压铸机，微积分叠层高分子复合材料的原料均为高聚物，对于加工温差大的高聚物之间进行微积分叠层复合存在困难，因此需要寻求新的方案，以解决上述问题。

发明内容

针对现有制备微积分叠层复合材料设备与方法的不足，本发明的目的旨在基于原位反应成型技术提出一种制备微积分叠层高分子复合材料的装置及方法。微积分叠层高分子复合材料中基体层和粘结层的加工方法不变，功能层原料采用单体或低聚物等取代传统的高聚物，利用真空反应釜作为塑化供料装置，聚合温度可远远低于高聚物熔融加工温度，解决了其与加工温度低的基体层材料微积分叠层复合的难题。功能层原位反应成型可根据不同的基体材料选择相应的高分子改性助剂，高分子改性助剂可在功能层中充分分散，改性效果显著，因此功能层的厚度可以小于甚至远远小于基体层的厚度，节约原料。并且功能层一次聚合成型避免了反复热加工带来的费时、降解等不利影响。

本发明可通过如下技术方案实现：

本发明一种微积分叠层高分子复合材料原位反应成型装置，主要包括有三个塑化供料装置、汇流器、层叠器、成型装置，汇流器、层叠器、成型装置前后依次串联，塑化供料装置包括基体层原料塑化供料装置、粘结层原料塑化供料装置、功能层原料塑化供料装置，功能层原料塑化供料装置与汇流器连接处有计量输送装置。基体层原料塑化供料装置、粘结层原料塑化供料装置采用挤出机、注射成型机的注塑装置或压铸机，功能层原料塑化装置采用真空反应釜，真空反应釜与汇流器连接处的计量输送装置为计量泵。汇流器有三个入口，每个入口连接一个塑化供料装置，汇流器的流道间隙不相同，功能层流道间隙小于甚至远远小于基体层流道间隙。层叠器包括一个反向层叠器和至少一个同向层叠器，反向层叠器流道沿宽度方向平均分割成两等分，每一等分流道相互反向扭转90度同时展宽两倍、厚度减半，然后合并成一层流道；同向层叠器流道沿宽度方向平均分割成m等分，每一等分流道同向扭转90度并且展宽m倍、厚度变为原来的1/m，然后合并成一层流道，其中反向层叠器与汇流器相连接。成型装置是两辊压延机、挤出机头、注射喷嘴与模具的组合或压制模具。

本发明一种微积分叠层高分子复合材料原位反应成型方法，基体层原料塑化供料装置、粘结层原料塑化供料装置采用挤出机、注射成型机的注塑装置或压铸机，功能层原料塑化装置采用真空反应釜，真空反应釜与汇流器连接处的计量输送装置为计量泵；基体层原料、粘结层原料、功能层原料分别通过所述塑化供料装置以流体状态输送至汇流器，在汇流器中均匀汇流于一个公共流道，形成三层厚度不相同的复合流体，其中功能层厚度小于甚至远远小于基体层厚度，三层复合流体从汇流器中流出之后进入反向层叠器，沿宽度方向平均分割成两等分，每一等分流体反向扭转90度同时展宽两倍，形成最外层为基体层的六层复合流体，六层复合流体进入同向层叠器沿宽度方向平均分割成m等分，每一等分流体同向扭转90度并且展宽m倍，在出口端汇流成6×m层的复合流体，串联k个同样的层叠器，则可得到6×m^k层复合流体，复合流体在层叠器中进行微积分叠层复合时相接触的是同种材料，层间粘结性好，复合流体达到预期的层数之后，最后进入成型装置定型成相应制品。

本发明一种微积分叠层高分子复合材料原位反应成型方法，基体层材料是聚乙烯、聚丙烯、天然橡胶、丁苯橡胶、异戊二烯橡胶、丁二烯橡胶，粘结层材料是改性苯乙烯共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物或马来酸酐接枝聚合物，功能层原料是由原位反应成型单体或低聚物与高分子改性助剂、催化剂和活化剂组成。

本发明一种微积分叠层高分子复合材料原位反应成型方法，原位反应成型单体是苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、乙烯、氯乙烯、己内酰胺或醋酸乙烯酯，高分子改性助剂是碳纤维、层状硅酸盐、无机纳米粒子、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。

本发明一种微积分叠层高分子复合材料原位反应成型方法，基体层原料是聚乙烯，粘结层原料是乙烯-醋酸乙烯酯共聚物，功能层原料单体是己内酰胺，高分子改性助剂是碳纳米管、层状硅酸盐、无机纳米粒子中的至少一种，催化剂是氢氧化钠、甲醇钠或乙醇钠，活化剂是酰氯、酸酐、异氰酸酯、N-酰化内酰胺类化合物中的至少一种。首先将己内酰胺、高分子改性助剂加入真空反应釜，开启真空泵减压加热熔融，在70～120℃下真空脱水，维持10～20min；解除真空，加入催化剂在真空条件下加热到90～130℃，维持15～20min；充入惰性气体氮气，使釜内压力与外界大气压平衡，加入活化剂充分搅拌均匀，然后开启计量泵将功能层原料注入汇流器，与此同时基体层原料、粘结层原料也通过塑化供料装置进入汇流器，汇流器温度控制在100～140℃，在汇流器4中形成三层复合流体，功能层厚度小于或远远小于基体层厚度，三层复合流体经过同向层叠器形成六层复合流体、六层复合流体继续经过k个反向层叠器形成6×m^k层复合流体、其中层叠器温度可控制在100～140℃，最后流体进入成型装置，形成规定层数的微积分叠层高分子复合材料制品，同时功能层材料完成聚合。

本发明功能层材料利用原位反应成型技术，反应单体或低聚物粘度低，高分子改性助剂容易均匀分散，改性效果优于传统共混方法，功能层厚度小于甚至远远小于基体层厚度，节约原料。原位反应成型温度低，解决了高熔点功能层材料与低加工温度材料微积分叠层复合的难题，而且原位反应一次聚合成型避免了功能层材料多次热加工引起的降解。

附图说明

图1是本发明一种微积分叠层高分子复合材料原位反应成型装置示意图

图2是流体流经汇流器在出口端流体截面示意图

图3是本发明一种微积分叠层高分子复合材料原位反应成型装置反向层叠器中微积分叠层复合原理示意图

图4是流体流经反向层叠器在出口端流体截面示意图

图5是本发明一种微积分叠层高分子复合材料原位反应成型装置制备的微积分叠层复合流体截面示意图

图中：1-粘结层原料塑化供料装置 2-基体层原料塑化供料装置 3-功能层原料塑化供料装置 4-汇流器 5-反向层叠器 6-同向层叠器 7-成型装置 8-计量输送装置 9-功能层 10-粘结层 11-基体层

具体实施方式

本发明一种微积分叠层高分子复合材料原位反应成型装置，如图1所示，包括三个塑化装置、汇流器4、反向层叠器5、同向层叠器6、成型装置7、计量泵8，塑化装置包括基体层原料塑化供料装置2、粘结层原料塑化供料装置1、功能层原料塑化供料装置3，汇流器4、反向层叠器5、同向层叠器6、成型装置7前后依次串联，基体层原料塑化供料装置2、粘结层原料塑化供料装置1采用挤出机、注射成型机的注塑装置或压铸机，功能层原料塑化供料装置3采用真空反应釜，真空反应釜与汇流器4间有计量输送装置计量泵8。汇流器4有三个入口，每个入口连接一个塑化供料装置，汇流器4的流道间隙不相同，功能层9流道间隙小于甚至远远小于基体层11流道间隙。层叠器包括一个反向层叠器5和至少一个同向层叠器6，反向层叠器5流道如图3所示，沿宽度方向平均分割成两等分，每一等分流道相互反向扭转90度同时展宽两倍、厚度减半，然后合并成一层流道；同向层叠器6流道沿宽度方向平均分割成m等分，每一等分流道同向扭转90度并且展宽m倍、厚度变为原来的1/m，然后合并成一层流道，其中反向层叠器5与汇流器4相连接。成型装置7是两辊压延机、挤出机头、注射喷嘴与模具的组合或压制模具。

本发明一种微积分叠层高分子复合材料原位反应成型方法，基体层11原料、粘结层10原料、功能层9原料分别通过塑化供料装置以流体状态输送至汇流器4，在汇流器4中均匀汇流于一个公共流道，形成三层厚度不相同的复合流体，功能层9厚度小于甚至远远小于基体层11厚度，如图2所示。复合流体从汇流器4中流出之后进入反向层叠器5，三层复合流体沿宽度方向平均分割成两等分，每一等分流体反向扭转90度同时展宽两倍，形成最外层为基体层的六层复合流体，如图4所示。六层复合流体进入同向层叠器6，沿宽度方向平均分割成m等分，每一等分流体同向扭转90度并且展宽m倍，在出口端汇流成6×m层的复合流体，串联k个同样的层叠器，则可得到6×m^k层复合流体，如图5所示。复合流体在层叠器中进行微积分叠层复合时相接触的是同种材料，层间粘结性好，复合流体达到预期的层数之后，最后进入成型装置定型成相应制品。

本发明一种微积分叠层高分子复合材料原位反应成型方法，基体层11材料是聚乙烯、聚丙烯、天然橡胶、丁苯橡胶、异戊二烯橡胶、丁二烯橡胶，粘结层10材料是改性苯乙烯共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物或马来酸酐接枝聚合物，功能层9原料是原位反应成型单体或低聚物、高分子改性助剂、催化剂、活化剂。

本发明一种微积分叠层高分子复合材料原位反应成型方法，原位反应成型单体是苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、乙烯、氯乙烯、己内酰胺或醋酸乙烯酯，高分子改性助剂是碳纤维、层状硅酸盐、无机纳米粒子、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。

实施例1

本发明一种微积分叠层高分子复合材料原位反应成型方法，基体层11原料是聚乙烯，粘结层10原料是乙烯-醋酸乙烯酯共聚物，功能层9原料单体是己内酰胺，高分子改性助剂是碳纳米管、层状硅酸盐、无机纳米粒子中的至少一种，催化剂是氢氧化钠、甲醇钠或乙醇钠，活化剂是酰氯、酸酐、异氰酸酯、N-酰化内酰胺类化合物中的至少一种。首先将己内酰胺、高分子改性助剂加入真空反应釜，开启真空泵减压加热熔融，在70～120℃下真空脱水，维持10～20min；解除真空，加入催化剂在真空条件下加热到90～130℃，维持一定时间；充入惰性气体氮气，使釜内压力与外界大气压平衡，加入活化剂充分搅拌均匀，然后开启计量泵8将功能层原料注入汇流器4，与此同时基体层11原料、粘结层10原料也通过塑化供料装置进入汇流器4，汇流器温度控制在100～140℃，在汇流器4中形成三层复合流体，功能层厚度小于或远远小于基体层厚度，三层复合流体经过同向层叠器5形成六层复合流体、六层复合流体继续经过k个反向层叠器6形成6×m^k层复合流体、其中层叠器温度可控制在100～140℃，最后流体进入成型装置，形成规定层数的微积分叠层高分子复合材料制品，同时功能层材料完成聚合。

Claims (7)

1.一种微积分叠层高分子复合材料原位反应成型装置，主要包括有三个塑化供料装置、汇流器、层叠器、成型装置，汇流器、层叠器、成型装置前后依次串联，其特征在于：塑化供料装置包括基体层原料塑化供料装置、粘结层原料塑化供料装置、功能层原料塑化供料装置，功能层原料塑化供料装置与汇流器连接处有计量输送装置；基体层原料塑化供料装置、粘结层原料塑化供料装置采用挤出机、注射成型机的注塑装置或压铸机，功能层原料塑化装置采用真空反应釜，真空反应釜与汇流器连接处的计量输送装置为计量泵；汇流器有三个入口，每个入口连接一个塑化供料装置；层叠器包括一个反向层叠器和至少一个同向层叠器；反向层叠器流道沿宽度方向平均分割成两等分，每一等分流道相互反向扭转90度同时展宽两倍、厚度减半，然后合并成一层流道；同向层叠器流道沿宽度方向平均分割成m等分，每一等分流道同向扭转90度并且展宽m倍、厚度变为原来的1/m，然后合并成一层流道，其中反向层叠器与汇流器相连接，反向层叠器出口与正向层叠器连接。

2.根据权利要求1所述的一种微积分叠层高分子复合材料原位反应成型装置，其特征在于：汇流器的流道间隙不相同，功能层流道间隙小于甚至远远小于基体层流道间隙。

3.根据权利要求1所述的一种微积分叠层高分子复合材料原位反应成型装置，其特征在于：成型装置是两辊压延机、挤出机头、注射喷嘴与模具的组合或压制模具。

4.权利要求1所述的一种微积分叠层高分子复合材料原位反应成型装置的成型方法，其特征在于：基体层原料塑化供料装置、粘结层原料塑化供料装置采用挤出机、注射成型机的注塑装置或压铸机，功能层原料塑化装置采用真空反应釜，真空反应釜与汇流器连接处的计量输送装置为计量泵；基体层材料、粘结层材料、功能层材料分别通过所述塑化供料装置以流体状态输送至汇流器，在汇流器中均匀汇流于一个公共流道，形成三层复合流体，复合流体从汇流器中流出之后进入反向层叠器，三层复合流体沿宽度方向平均分割成两等分，每一等分流体反向扭转90度同时展宽两倍、厚度减半，形成最外层为基体层的六层复合流体，六层复合流体进入同向层叠器沿宽度方向平均分割成m等分，每一等分流体同向扭转90度并且展宽m倍、厚度变为原来的1/m，在出口端汇流成6×m层的复合流体，串联k个同样的层叠器，则可得到6×m^k层复合流体，复合流体达到预期的层数之后，最后进入成型装置定型成相应制品。

5.权利要求4所述的一种微积分叠层高分子复合材料原位反应成型装置的成型方法，其特征在于：基体层材料是聚乙烯、聚丙烯、天然橡胶、丁苯橡胶、异戊二烯橡胶、丁二烯橡胶，粘结层材料是改性苯乙烯共聚物、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物或马来酸酐接枝聚合物，功能层原料是原位反应成型单体或低聚物、高分子改性助剂、催化剂、活化剂。

6.权利要求5所述的一种微积分叠层高分子复合材料原位反应成型装置的成型方法，其特征在于：原位反应成型单体或低聚物是苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、乙烯、氯乙烯、己内酰胺或醋酸乙烯酯，高分子改性助剂是碳纤维、层状硅酸盐、无机纳米粒子、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。

7.根权利要求4所述的一种微积分叠层高分子复合材料原位反应成型装置的成型方法，其特征在于：基体层原料是聚乙烯，粘结层原料是乙烯-醋酸乙烯酯共聚物，功能层原料是己内酰胺、层状硅酸盐、甲醇钠、N-酰化内酰胺类化合物。

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