CN102634053B - 一种通过热气体和超声波对高分子材料进行改性的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过热气体和超声波对高分子材料进行改性的方法及装置，尤其是利用加热的气体在高能超声的作用下，胁迫受热的高分子材料表面或部分基材链段或大分子链发生运动，实现对材料进行处理的方法及所用的装置。其特点是，包括如下步骤：将待处理高分子材料置于密闭容器中，然后通入气体，在一定压力和温度条件下，启动超声波对该材料进行处理，处理完毕后取出即可。本发明方法是一种对高分子材料产品的基体内部或表面进行结构形态调节或成分调节的方法，在适当的温度、压力和热气体及超声的共同作用下，通过不同参数调节可以达到改变高分子材料的各种性能，例如表面硬度、疏水性、拉伸强度等的目的。而采用本发明的装置能够实现上述方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过热气体和超声波对高分子材料进行改性的方法及装置，尤其是利用加热的气体在高能超声的作用下，胁迫受热的高分子材料表面或部分基材链段或大分子链发生运动，实现对材料进行处理的方法及所用的装置。
背景技术
高聚物的结构包括高分子链的各级结构及聚集态结构。前者是指高分子内的相互作用达到平衡时，一个分子链中原子或基团或链段的几何排列，后者指大分子间的相互作用达到平衡时分子链间的几何排列。对高分子材料而言，上述不同结构的形态将影响聚合物材料的宏观性能。通常，加工中的高分子材料微区过程参数的不均匀性，使得材料的各部分的微观结构不同，从而会导致材料各部分不均匀，进而形成敏感缺陷或与希望的性能不一样。对于加工好的塑件进行后处理，使基材性能均化或按照理想目标进行调节，是具有重要意义的加工过程。
通常，人们为了消除高分子材料制品加工过程中的微区的不均匀性，通常采用的方法是在加工过程中严格控制过程参数，或进行回火等后处理工艺，以消除材料中的敏感缺陷。为了使高分子材料制品达到理想的目标，如表面功能化，采取的方法是表面化学改性、表面蒸镀、表面复合或涂饰等。对于在加工过程中控制参数，引入超声、振动等外场，目前文献来看都是为了提高高分子材料的塑化性能，即在融化或溶解状态进行材料均化，材料在后序的织态形成过程中依然会引起缺陷。这类处理方法并不是针对制品的。对于目前的表面处理工艺，都不是针对材料基材本体进行功能强化或改进，只是在材料表面进行了附加或浅层化学反应。对于热处理工艺，也是依赖材料在自身的分子链段运动，消除内应力，降低缺陷敏感度，并不是一种主动调节方法。
总之，目前并无对高分子材料成型为产品后的基材进行分子链、聚集态结构或基材成份重新主动调控的方法和设备。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种通过热气体和超声波对高分子材料进行改性的方法，能够实现改变高分子材料的各种性能，例如表面硬度、疏水性、拉伸强度等的目的；
本发明的目的之二是提供一种能够实现上述方法的装置。
一种通过热气体和超声波对高分子材料进行改性的方法，其特别之处在于，包括如下步骤：将待处理高分子材料置于密闭容器中，然后通入气体，在一定压力和温度条件下，启动超声波对该材料进行处理，处理完毕后取出即可。
其中气体是通常状态气体、液体挥发气体和固体升华气体中的至少一种。
其中气体是氧气、气态乙醇和气态碘中的至少一种。
将高密度聚乙烯注塑材料置于密闭容器中，然后通入氩气，在气体压力0.15Mpa条件下，升高温度并恒温至55℃保持5分钟，启动超声波对材料进行处理，处理时间20min，超声频率40KHz，功率200w，处理后使材料表面硬度增加。
将蛋白质膜置于密闭容器中，通入乙醇气体，控制气体压力0.15Mpa，在温度55℃恒温5分钟，启动超声波对蛋白质膜进行处理，处理时间15min，超声频率20KHz，功率100w，处理后真空除去乙醇，处理后使样品表面由疏水变为亲水。
将玻纤增强PP材料置于密闭容器中，通入N2气体，控制气体压力0.2Mpa，在温度65℃下恒温10min，启动超声波对材料进行处理，处理时间15min，超声频率40KHz，功率200w，处理后使样品平均拉伸强度增高。
一种通过热气体和超声波对高分子材料进行改性的装置，其特别之处在于：包括通过管路相互连通的气体混合腔和热气体超声处理装置空腔，并且在该管路上安装有调节阀，在前述气体混合腔和热气体超声处理装置空腔内均各自安装有气体换热器单元，该两个气体换热器单元均与控制台电连接；在前述气体混合腔和热气体超声处理装置空腔内均各自安装有温度传感器，该所有温度传感器均与控制台电连接；在热气体超声处理装置空腔上还安装有超声发生装置，另外在气体混合腔上设有进气口，在热气体超声处理装置空腔上设有排气口。
其中气体混合腔上的进气口有3个，该3个进气口分别与管路连接，在其中每一个管路上均设有进气阀，而热气体超声处理装置空腔上的排气口有1个，该排气口与管路连接，在管路上设有排气阀。
本发明方法是一种对高分子材料产品的基体内部或表面进行结构形态调节或成分调节的方法，在适当的温度、压力和热气体及超声的共同作用下，通过不同参数调节可以达到改变高分子材料的各种性能，例如表面硬度、疏水性、拉伸强度等的目的。而采用本发明的装置能够实现上述方法。
附图说明
附图1为本发明中装置的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种高分子材料改性处理装置，包括通过管路相互连通的气体混合腔4和热气体超声处理装置空腔10，并且在该管路上安装有调节阀8，在前述气体混合腔4和热气体超声处理装置空腔10内均各自安装有气体换热器单元5从而控制温度，该两个气体换热器单元5均与控制台14电连接，控制台可以采用计算机或微控制器；在前述气体混合腔4和热气体超声处理装置空腔10内均各自安装有温度传感器6，该两个温度传感器6均与控制台14电连接从而检测各自的温度。
在热气体超声处理装置空腔10上还安装有超声发生装置9从而产生超声波，另外在气体混合腔4上设有进气口，在热气体超声处理装置空腔10上设有排气口。
其中气体混合腔4上的进气口有3个，该3个进气口分别与管路连接，在其中每一个管路上均设有进气阀，而热气体超声处理装置空腔10上的排气口有1个，该排气口与管路连接，在管路上设有排气阀。
更具体的是，本发明装置由超声处理装置空腔10、气体混合腔4、超声头等组成。其中超声处理装置空腔10内部设置加热元件，超声处理装置空腔10内部设置配套的控制电路，超声处理装置空腔10有气体压力调节阀，以保证压力可调控以满足不同的处理要求。气体混合腔4具有温度和压力控制装置，与超声处理装置空腔10的温度控制系统共同维持处理气体的温度和压力。空腔上端孔插装超声头，超声头上设置有独立的超声发生装置9，空腔一侧设置排气阀，空腔下部设置温度传感器6，空腔侧壁设置气体换热器单元5，气体混合腔4和超声处理装置空腔10之间设置气体管路，管路上设置压力控制表和调节阀，气体混合腔4也设置温度传感器6。各部分控制集中到超声及温度控制台。
目的混合气体在气体混合腔4中混合均化并恒温某设定温度后，通过管路进入带有超声的超声处理装置空腔10，依据实验目的，定时或恒温后启动超声，使高分子材料在热气体-超声共同作用下，实现对高分子材料性能的控制处理。最后通过超声处理装置空腔10的温度控制单元调节样品温度。
本发明方法的核心是热气体-超声共同作用用于高分子材料，热气体促进高分子材料运动单元的运动从而实现材料结构的改变。
本发明装置的核心是一个由气体装置(即气体混合腔)和带有超声发生器的耐压热可控样品处理室(即超声处理装置空腔)。样品处理室带有超声发生装置并能承受较高的压力，并能进行程序温度调节和气体压力调节。本发明装置能够满足对高分子材料制品进行全部或部分基材聚集态或成分进行调节。
很明显，采用本发明装置和其它具备同样功能的类似装置均能使用本发明方法对高分子材料进行改性。
实施例1：
注塑制品表面硬化。取高密度聚乙烯注塑标准样条(无形状和尺寸方面的要求，能放下即可)置于超声处理装置空腔10中，将氩气由气体混合腔4通入超声处理装置空腔10中，在气体压力0.15Mpa条件下，升高温度并恒温至55℃保持5分钟，在保持的同时(也可在温度保持后启动，对结果影响不大，下列实施例2、3也一样)启动超声波进行样品处理，处理时间20min，超声频率40KHz，功率200w。
处理后样品表面硬度平均增加5％。
实施例2：
表面基团构象改变。取蛋白质膜置于超声处理装置空腔10中，乙醇在气体混合腔4内气化，通入超声处理装置空腔10中形成压力0.15Mpa、温度80℃的气体，恒温5分钟，在恒温的同时启动超声波处理15min，超声频率20KHz，功率100w。
处理后真空除去乙醇，样品表面由疏水变为亲水。
实施例3：
聚集态结构发生变化。玻纤增强PP材料样条置于处理空腔中，将N2气体在气体混合腔4内形成，再通入超声处理装置空腔10中，气体压力0.2Mpa、温度65℃，恒温10min，在恒温的同时启动超声处理装置，超声处理15min，超声频率40KHz，功率200w。
处理后样品平均拉伸强度可提高10％。
Claims (8)
1.一种通过热气体和超声波对高分子材料进行改性的方法，其特征在于，包括如下步骤：将待处理高分子材料置于密闭容器中，然后通入气体，在一定压力和温度条件下，启动超声波对该材料进行处理，处理完毕后取出即可；
其中的密闭容器包括通过管路相互连通的气体混合腔（4）和热气体超声处理装置空腔（10），并且在该管路上安装有调节阀（8），在前述气体混合腔（4）和热气体超声处理装置空腔（10）内均各自安装有气体换热器单元（5），该两个气体换热器单元（5）均与控制台（14）电连接；在前述气体混合腔（4）和热气体超声处理装置空腔（10）内均各自安装有温度传感器（6），该所有温度传感器（6）均与控制台（14）电连接；在热气体超声处理装置空腔（10）上还安装有超声发生装置（9），另外在气体混合腔（4）上设有进气口，在热气体超声处理装置空腔（10）上设有排气口。
2.如权利要求1所述的一种通过热气体和超声波对高分子材料进行改性的方法，其特征在于：其中气体是通常状态气体、液体挥发气体和固体升华气体中的至少一种。
3.如权利要求2所述的一种通过热气体和超声波对高分子材料进行改性的方法，其特征在于：其中气体是氩气、氮气、氧气、气态正己烷、气态乙醇和气态碘中的至少一种。
4.如权利要求1所述的一种通过热气体和超声波对高分子材料进行改性的方法，其特征在于：将高密度聚乙烯注塑材料置于密闭容器中，然后通入氩气，在气体压力0.15MPa条件下，升高温度并恒温至55℃保持5分钟，启动超声波对材料进行处理，处理时间20min，超声频率40KHz， 功率200W，处理后使材料表面硬度增加。
5.如权利要求1所述的一种通过热气体和超声波对高分子材料进行改性的方法，其特征在于：将蛋白质膜置于密闭容器中，通入乙醇气体，控制气体压力0.15MPa，在温度80℃恒温5分钟，启动超声波对蛋白质膜进行处理，处理时间15min，超声频率20KHz，功率100W，处理后真空除去乙醇，处理后使样品表面由疏水变为亲水。
6.如权利要求1所述的一种通过热气体和超声波对高分子材料进行改性的方法，其特征在于：将玻纤增强PP材料置于密闭容器中，通入N2气体，控制气体压力0.2MPa，在温度65℃下恒温10min，启动超声波对材料进行处理，处理时间15min，超声频率40KHz，功率200W，处理后使样品平均拉伸强度增高。
7.一种通过热气体和超声波对高分子材料进行改性的装置，其特征在于：包括通过管路相互连通的气体混合腔（4）和热气体超声处理装置空腔（10），并且在该管路上安装有调节阀（8），在前述气体混合腔（4）和热气体超声处理装置空腔（10）内均各自安装有气体换热器单元（5），该两个气体换热器单元（5）均与控制台（14）电连接；在前述气体混合腔（4）和热气体超声处理装置空腔（10）内均各自安装有温度传感器（6），该所有温度传感器（6）均与控制台（14）电连接；在热气体超声处理装置空腔（10）上还安装有超声发生装置（9），另外在气体混合腔（4）上设有进气口，在热气体超声处理装置空腔（10）上设有排气口。
8.如权利要求7所述的一种通过热气体和超声波对高分子材料进行改性的装置，其特征在于：其中气体混合腔（4）上的进气口有3个，该3个进气口分别与管路连接，在其中每一个管路上均设有进气阀，而热气体超声处理装置空腔（10）上的排气口有1个，该排气口与管路连接，在管路上设有排气阀。
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