CN103411053B - 塑料微通道管道结构及制备方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种塑料微通道管道结构及制备方法与装置，塑料微通道管道结构为一中空管道，其管道壁面上环绕中央通孔沿圆周均匀排布多个微通道，微通道结构比表面积大，大大强化了结构本身传质和传热等性能；所述微通道管道结构的制备装置包括驱动电机、料斗、挤出机机筒、数据采集控制系统、挤出机头、冷却水槽和牵引收卷装置；驱动电机的输出轴与挤出机机筒内的螺杆的尾部通过带轮相连，料斗固定在挤出机机筒尾部的上方，挤出机头固定连接于挤出机机筒的前端，冷却水槽和牵引收卷装置依次布置在挤出机头的前方；本发明易于操作、生产效率高、成本低廉。

Description

塑料微通道管道结构及制备方法与装置

技术领域

本发明涉及新结构塑料管材与加工技术领域，尤其涉及一种塑料微通道管道结构及制备方法与装置。

背景技术

近年来，随着微纳制造技术和产业的发展，微尺度结构的新型材料成为重要的基础材料器件。其中，多数为含有微流道结构的新型材料。这些微尺度结构材料由于自身结构的特点，能够带来应用性能上的优势，因此常被当作介质载体、基体或者传输管道等等在微电子、生物医学、航空航天及各种运输器材领域具有特殊的应用价值；另外，它还可用于食品包装、建筑消声、电器产品、信息工程及运动器材等方面。比较著名的有芯片实验室相关的微流控器件，如微换热器、微反应器等关键部件，通常也含有多条微流体通道，且对通道的尺寸和界面质量要求较高。但这些部件一般需要通过复杂的蚀刻工艺获得，重复性较低，无法高效生产，不具备产业化潜力。

目前的塑料管材市场大多集中在大尺寸的塑料管件，少有多通道集成的管件材料。微通道结构材料的常见成型技术有通过挤出金属粉末和粘土成型多通道蜂窝结构毛坯材料，再烧结成型。该方法只能间歇操作，且难以得到较长的微通道。也有通过将中空玻璃纤维组合排列，再熔融拉伸，得到多微通道结构的方法。这需要先将原料制成纤维，再二次加工获得多通道材料。可见，其制作工艺复杂、成本高。因此，研究高效快捷的微通道结构材料成型方法具有重要的现实意义和巨大的应用价值。

发明内容

本发明目的是针对现有技术的不足，提供一种塑料微通道管道结构及制备方法与装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种塑料微通道管道结构，它为一中空管道，其管道壁面上环绕中央通孔沿圆周均匀排布多个微通道。

进一步地，所述多个微通道均匀排布在管道壁面内与中央通孔同心的两个不同半径的圆周上。

进一步地，所述多个微通道均匀排布在管道壁面内与中央通孔同心的三个不同半径的圆周上。

进一步地，所述微通道结构管道结构外径1~5mm，管子壁厚0.05~1mm，平均微通道直径50~300μm。

一种上述微通道管道结构的制备装置，包括驱动电机、料斗、挤出机机筒、数据采集控制系统、挤出机头、冷却水槽和牵引收卷装置；其中，所述驱动电机的输出轴与挤出机机筒内的螺杆的尾部通过带轮相连，料斗固定在挤出机机筒尾部的上方，挤出机头固定连接于挤出机机筒的前端，冷却水槽和牵引收卷装置依次布置在挤出机头的前方；数据采集控制系统包括三个高温熔体传感器、一个熔体温度压力传感器、一个接近开关和一具有数据采集卡的PC机，三个高温熔体传感器分别安装在挤出机机筒内部的螺杆的三个加热位置处；接近开关安装在收卷装置上的滚轮处，高温熔体传感器、熔体温度压力传感器和接近开关均与PC机的数据采集卡相连。

进一步地，所述挤出机头包括：注射针头模块、口模、口模压盖、调节螺钉、支架压环、机头体、熔体温度压力传感器和加热圈；其中，所述注射针头模块通过间隙配合安装于机头体中心的环形阶梯内；支架压盖通过螺纹连接于机头体端部，并压紧固定注射针头模块；口模固定安装于支架压环前端的同心孔槽内，口模压盖通过螺纹连接固定于支架压环前端的螺纹孔内，并压紧固定口模；调节螺钉安装在支架压环上下两侧的螺纹孔内；温度压力传感器通过螺纹连接固定于机头体上；机头体外部包裹有加热圈，用于对挤出机头进行加热。

进一步地，所述注射针头模块包括芯模顶盖、注射针头、针头支座、分流体支架和分流器。针头支座通过螺纹连接固定于分流体支架的前端螺纹孔内，中空针头牢固配合安插在模块底座上的环型通孔内；芯模顶盖通过螺纹连接固定于针头支座前端的中心螺孔内，芯模顶盖内部为通孔；分流体支架与分流器通过螺纹固定连接。

应用上述制备装置制备微通道管道结构方法，具体为：电机驱动带轮带动挤出机内螺杆转动，由料斗加入的塑料原料在螺杆旋转和电加热作用下，融化形成高黏度熔融的聚合物熔体，熔体进入挤出机头，经由分流器与分流体支架形成的熔体流道流向注射针头末端；聚合物熔体流过注射针头端部时会产生压降，导致气体直接经由与大气相通的注射针头另一端吸入聚合物熔体内，初步成型微通道结构雏形，与此同时熔体被螺杆旋转剪切作用挤出机头外部，挤出件在牵引装置的拉伸作用下，整体尺寸快速减小，聚合物内通道孔径快速缩小，形成微通道结构；挤出件进入冷却水槽快速冷却定型后由收卷装置收集，得到微通道管道结构。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供了单层或多层结构的多微通道集成的新型塑料管道；

2、微尺度的微通道结构比表面积大，大大强化了结构本身传质和传热等性能；

3、MCT生产原料选择多，产品呈现特性易实现多样化，方便二次成型及大规模集成使用；

4、注射针头模块化设计，容易根据生产需求改变微通道集成方式，可以将不同数量的微通道按单层或多层排列集合在管壁内；

5、大量微通道有序可控地在空间内排列，为特定三维网络通道的制作提供了有效途径和基础；

6、MCT加工过程自动化程度高，易于操作，生产效率高，其成本低廉、制品附加值高。

附图说明

图1是单层微通道结构管道示意图；

图2是双层微通道结构管道示意图；

图3是三层微通道结构管道示意图；

图4是MCT生产设备的整体结构示意图；

图5是MCT挤出机头的装配示意图；

图6是机头内部芯模组件的装配示意图；

图7是MCT生产流程的数据采集与控制系统框架的示意图；

图8是数据采集与控制系统工作流程的示意图；

图9是生产实例以挤出机头温度190℃，熔融拉伸距离40mm时，MCT管材外径、平均MCT管壁厚度和平均微通道直径与拉伸比的关系图。

图中：微通道1、管道壁2、驱动电机3、料斗4、挤出机机筒5、数据采集控制系统6、MCT挤出机头7、冷却水槽8、牵引收卷装置9、注射针头模块10、口模11、口模压盖12、调节螺钉13、支架压环14、机头体15、熔体温度压力传感器16、加热圈17、芯模顶盖18、注射针头19、针头支座20、分流体支架21、分流器22。

具体实施方式

如图1所示，本发明塑料微通道管道结构（MCT）为一中空管道，其管道壁面2上环绕中央通孔沿圆周均匀排布多个微通道1，排布形式可根据具体应用要求更换注射针头模块而达成。

如图2所示，多个微通道1均匀排布在管道壁面2内与中央通孔同心的两个不同半径的圆周上；或者如图3所示变成更为复杂的形式，多个微通道1均匀排布在管道壁面2内与中央通孔同心的三个不同半径的圆周上。

本发明微通道管道结构外径1~5mm，管子壁厚0.05~1mm，平均微通道直径50~300μm。其制备材料多样化，适合于聚乙烯（PE）、聚乳酸（PLA）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）等多种热塑性塑料。

本发明微通道管道结构的制备装置如图4所示，包括驱动电机3、料斗4、挤出机机筒5、数据采集控制系统6、挤出机头7、冷却水槽8和牵引收卷装置9。驱动电机3的输出轴与挤出机机筒5内的螺杆的尾部通过带轮相连，传动驱动挤出机机筒5内部的螺杆工作，料斗4固定在挤出机机筒5尾部的上方，挤出机头7固定连接于挤出机机筒5的前端，冷却水槽8和牵引收卷装置9依次布置在挤出机头7的前方。数据采集控制系统6包括三个高温熔体传感器、一个熔体温度压力传感器、一个接近开关和一具有数据采集卡的PC机，高温熔体传感器安装在挤出机机筒5内部的螺杆的三个加热位置处，用于检测螺杆不同部位的工作温度。接近开关安装在收卷装置9上的滚轮处，用于测量牵引拉伸速度，高温熔体传感器、熔体温度压力传感器和接近开关均与PC机的数据采集卡相连。

区别于一般管材挤出机，如图5、图6所示，本发明的挤出机头7具体结构如下：它包括注射针头模块10、口模11、口模压盖12、调节螺钉13、支架压环14、机头体15、加热圈17。注射针头模块10通过间隙配合安装于机头体15中心的环形阶梯内；支架压盖14通过螺纹连接于机头体15端部，并压紧固定注射针头模块10；口模11固定安装于支架压环14前端的同心孔槽内，口模压盖12通过螺纹连接固定于支架压环14前端的螺纹孔内，并压紧固定口模11；调节螺钉13安装在支架压环14上下两侧的螺纹孔内，通过将调节螺钉13上下拧动，可以有效调节口模11与注射针头19之间的空隙大小，进而影响MCT成型质量；熔体温度压力传感器16通过螺纹连接固定于机头体15上，其测量端与流道内熔融物料直接接触，用于测量变送机头内温度以及压力信号；机头体15外部包裹有加热圈17，用于对挤出机头7进行加热。

注射针头模块10包括芯模顶盖18、注射针头19、针头支座20、分流体支架21和分流器22。针头支座20通过螺纹连接固定于分流体支架21上已加工的前端螺纹孔内，中空针头19牢固配合安插在模块底座20上的环型通孔内（通孔可经由电火花等技术成型），针头19另一端直接连通大气，用于成型MCT环状微通道，针头支座20上针头19排列方式直接决定微通道在管壁上的排列布局，具体情况可根据生产需求对注射针头模块10进行选型；芯模顶盖18通过螺纹连接固定于针头支座20前端的中心螺孔内，芯模顶盖18内部为通孔，用于成型MCT中央通孔；分流体支架21与分流器22通过螺纹固定连接。分流体支架21、分流器22、注射针头19、芯模顶盖18和针头支座20联合组成注射针头模块10。

MCT挤出成型自动化的实现主要是由于数据采集控制系统的设计，其整体构建如图7：

1、物料由料斗喂入，在机筒内部随螺杆转动，在加热和剪切作用下达到熔融状态，数据采集系统获取机筒段三段温度信号T1、T2、T3；

2、熔融物料被推挤通过微通道成型流道和口模时，形成微通道初步结构，在机头体内采集熔融物料的温度T4和压力信号P；

    3、挤出的物料快速进入冷却水槽进行冷却，由牵引装置以一定的速度收卷并最终成型，牵引装置处安置有接近开关，测量牵引速度V并将信号反馈至数据采集系统；

    4、根据最终产品的成型情况可实时调节四段加热温度T1~T4和牵引速度V，注射针头另一端可与简易的注气装置相连，因而微通道内部夹带气体压力可主要参考压力信号P进行调控；

系统中数据处理统一由安装有数据采集卡的PC机完成，最终生产过程中可以实时多通道监控挤出工艺的温度，压力和速度参数，并由产品实际特性进行灵活调节，从而获得理想加工条件。

本发明的工作过程如下：首先接通电源，打开加热开关，对挤出机螺杆三段和机头外壳进行加热，温度数据反馈至集成了采集卡的PC机记录并分析，判断温度是否达到设定的参数。若未达到目标，则进行继续加热；若达到设定目标，则启动电机，由电机驱动螺杆转动，此时可以从料斗进行喂料。直到有物料从机头处稳定挤出，此时获取机头处测得的压力值，若出现超常的大小数值，则需要停机检查故障；若压力参数正常，则可进行正常的牵引收卷工序。牵引速度由滚轮附近的接近开关计数测得，实时反馈在PC机的可视面板上。整个过程四个温度参数T1~T4、机头压力P、牵引速度V在PC机上可实时获取。

本发明的MCT加工设备的工作原理（方法）：电机3驱动带轮带动挤出机内螺杆转动，由料斗4加入的塑料原料在螺杆旋转和电加热作用下，融化形成高黏度熔融的聚合物熔体，熔体进入一个特别设计挤出机头7，经由分流器22与分流体支架21形成的熔体流道，来到注射针头19末端。黏稠的聚合物流体流过注射针头19端部时由于熔融流体自身性质会引起轻微的压力下降，产生的压降足以导致气体直接经由与大气相通的注射针头19另一端吸入熔融聚合物内，初步成型微通道结构雏形，与此同时熔体被螺杆旋转剪切作用挤出机头7外部。此外也可以选用硅油等高沸点的液体通过注射针头19另一端注入熔融的物料，形成充满液体的微通道塑料结构。机头7出口至冷却槽8的距离可人为调节，在这段距离内，挤出件在牵引装置9的拉伸作用下，整体尺寸快速减小，聚合物内通道孔径快速缩小，基本上确定了MCT的微通道结构。然后，挤出件进入冷却水槽8快速冷却定型。最后由收卷装置9收集，得到最终的MCT产品。

MCT挤出成型实例加工步骤如下，以LLDPE为原料：

1、启动挤出设备，设定挤出螺杆三段加热温度在160℃~180℃以及包覆机头的加热圈温度190℃~200℃，开启加热开关。所有温度由特殊设计配套集成的PLC控制程序调控稳定，波动幅度可自由设置；

2、待温度稳定后，启动电机使螺杆转动，调节转速在10~15rpm/min，并通过料斗喂料；

3、冷却水槽与机头出口的距离定义为熔融拉伸长度，成型模具中芯模与口模间的环形截面积与MCT横截面积的比值定义为拉伸比。实验事先设定一定组别的熔融拉伸长度，通过改变牵引速度引起拉伸比的变化，最终观察熔融拉伸长度和拉伸比对MCT挤出成型的影响效果；

4、在熔融拉伸长度为20mm~150mm工况下进行MCT挤出，从而制备得到本发明塑料微通道结构管道结构。

试样使用立体显微镜拍摄并测量MCT的横截面结构参数：MCT外径、MCT内外壁厚、MCT微孔平均直径和平均微孔间隔，将结果记录在表并进行分析。

通过一系列的实验，得出加工参数和MCT结构尺寸参数的关系。在特定的挤出机头温度下，MCT外径、平均MCT内外管壁厚度、平均微通道直径和平均微孔间隔都随拉伸比的增大而减小，尤其对MCT外径影响更明显。保持挤出机头温度和拉伸比不变，MCT结构尺寸随熔融拉伸距离的增大而减小，但相对来说不如拉伸比率的作用强。通过调节工艺参数方便地调节，MCT的结构参数变化范围MCT外径2~5mm，MCT壁厚0.2~1mm，平均微通道直径50~300μm。MCT再通过冷拉伸，尺寸还可以减小为一半左右。选取熔融拉伸距离40mm条件为例，实验得到加工参数与MCT结构尺寸的关系如图，图中可以明显看出拉伸比对MCT结构尺寸的影响。

本发明中的MCT结构新颖、加工简单、制造成本低，其结构与尺寸调节方便。多条微米尺度的通道集成在管壁内，可以加工成单层、双层或多层排列。因此，微通道可与宏观通道巧妙地结合为一体，实现微通道和中间大通道的连接；MCT内微通道可以看做是各向异性的开孔泡孔，可以通过调节工艺参数方便地定制空隙度范围达到10~30%；MCT拥有高透明度和高弹性，每个微通道内可以实现光催化反应，光传输等应用； MCT有柔韧性，弯折不易闭合微通道，可以在微创手术领域应用等等。MCT加工方法适用于大多数热塑性塑料，因此可以依据应用需要选择亲疏水性、透明度、耐温性、传热性等各种性能的材料。MCF作为一种全新的塑料管材结构，具有在广泛领域内的应用潜力，如微流控器件、微型换热器、小型热管、海洋工程、生命科学和生物医学检测等。

Claims (4)

1.一种塑料微通道管道结构的制备装置，所述塑料微通道管道结构为一中空管道，其管道壁面（2）上环绕中央通孔沿圆周均匀排布多个微通道（1）；其特征在于，包括驱动电机（3）、料斗（4）、挤出机机筒（5）、数据采集控制系统（6）、挤出机头（7）、冷却水槽（8）和牵引收卷装置（9）；其中，所述驱动电机（3）的输出轴与挤出机机筒（5）内的螺杆的尾部通过带轮相连，料斗（4）固定在挤出机机筒（5）尾部的上方，挤出机头（7）固定连接于挤出机机筒（5）的前端，冷却水槽（8）和牵引收卷装置（9）依次布置在挤出机头（7）的前方；数据采集控制系统（6）包括三个高温熔体传感器、一个熔体温度压力传感器、一个接近开关和一具有数据采集卡的PC机，三个高温熔体传感器分别安装在挤出机机筒（5）内部的螺杆的三个加热位置处；接近开关安装在收卷装置（9）上的滚轮处，高温熔体传感器、熔体温度压力传感器和接近开关均与PC机的数据采集卡相连。

2.根据权利要求1所述微通道管道结构的制备装置，其特征在于，所述挤出机头（7）包括：注射针头模块（10）、口模（11）、口模压盖（12）、调节螺钉（13）、支架压环（14）、机头体（15）、熔体温度压力传感器（16）和加热圈（17）；其中，所述注射针头模块（10）通过间隙配合安装于机头体（15）中心的环形阶梯内；支架压环（14）通过螺纹连接于机头体（15）端部，并压紧固定注射针头模块（10）；口模（11）固定安装于支架压环（14）前端的同心孔槽内，口模压盖（12）通过螺纹连接固定于支架压环（14）前端的螺纹孔内，并压紧固定口模（11）；调节螺钉（13）安装在支架压环（14）上下两侧的螺纹孔内；温度压力传感器（16）通过螺纹连接固定于机头体（15）上；机头体（15）外部包裹有加热圈（17），用于对挤出机头（7）进行加热。

3.根据权利要求2所述微通道管道结构的制备装置，其特征在于，所述注射针头模块（10）包括芯模顶盖（18）、注射针头（19）、针头支座（20）、分流体支架（21）和分流器（22）；针头支座（20）通过螺纹连接固定于分流体支架（21）的前端螺纹孔内，中空针头（19）牢固配合安插在针头支座（20）上的环型通孔内；芯模顶盖（18）通过螺纹连接固定于针头支座（20）前端的中心螺孔内，芯模顶盖（18）内部为通孔；分流体支架（21）与分流器（22）通过螺纹固定连接。

4.一种应用权利要求1所述制备装置制备塑料微通道管道结构方法，其特征在于，该方法具体为：电机（3）驱动带轮带动挤出机内螺杆转动，由料斗（4）加入的塑料原料在螺杆旋转和电加热作用下，融化形成高黏度熔融的聚合物熔体，熔体进入挤出机头（7），经由分流器（22）与分流体支架（21）形成的熔体流道流向注射针头（19）末端；聚合物熔体流过注射针头（19）端部时会产生压降，导致气体直接经由与大气相通的注射针头（19）另一端吸入聚合物熔体内，初步成型微通道结构雏形，与此同时熔体被螺杆旋转剪切作用挤出机头（7）外部，挤出件在牵引装置（9）的拉伸作用下，整体尺寸快速减小，聚合物内通道孔径快速缩小，形成微通道结构；挤出件进入冷却水槽（8）快速冷却定型后由收卷装置（9）收集，得到最终微通道管道结构。