CN103909586B - 一种基于拉伸流变的碳纳米管分散装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于拉伸流变的碳纳米管分散装置，属于碳纳米管分散领域。该装置主要包括进料口堵头、后端盖、转子、键、小齿轮、混合腔体、前端盖、压盖螺钉、输入轴、压盖、轴承、底板螺钉和拉伸取向装置，拉伸取向装置由弯管和底板焊接组成，通过底板螺钉固定在混合腔体的一侧。转子的内齿轮与固定在后端盖中心位置的小齿轮相啮合，转子的孔与输入轴的偏心凸轴段相配合，输入轴带动转子在容腔内转动，使容腔体积呈周期性变化，碳纳米管和环氧树脂的混合物不断被压缩和放松，碳纳米管团聚体在环氧树脂流场中承受拉伸应力而分散，不会破坏碳纳米管自身结构。混合物汇流时会造成流动的局部紊乱，有利于碳纳米管团聚体进行位置交换。

Description

一种基于拉伸流变的碳纳米管分散装置

技术领域

本发明涉及碳纳米管分散领域，具体是指一种基于拉伸流变的碳纳米管分散装置。

背景技术

碳纳米管是一种具有独特结构的碳结构单质，由于其表面效应、小尺寸效应、准一维结构等特点，与聚合物复合能够明显提高聚合物的机械性能、热稳定性、气体阻隔性、阻燃性、导电性以及光学等性能，使得碳纳米管被视为理想的聚合物改性材料之一。

碳纳米管/环氧树脂复合材料是碳纳米管复合材料的研究热点之一，广泛应用于航空、航天等得到了领域。然而，碳纳米管在环氧树脂中的充分分散等基本问题一直未得到真正解决，进而制约了碳纳米管/环氧树脂复合材料的工程应用。由于碳纳米管的长径比和比表面积极大，使其在环氧树脂中极易团聚且难于分散。制备碳纳米管/环氧树脂复合材料的方法主要有原位聚合法、溶液共混法和熔融共混法等。其中，熔融共混法工艺简单，能够在常规加工设备上进行。目前，熔融共混法制备碳纳米管/聚合物复合材料常用设备有密炼机、双螺杆挤出机、双转子连续混炼机、Hakke转矩仪等，其原理是借助于设备提供的高剪切力实现碳纳米管团聚体的破碎分散，剪切力的大小由设备的转速决定。剪切力过小无法使碳纳米管团聚体有效解缠，剪切力过大则会剪短碳纳米管，对其结构产生破坏，进而影响其优异性能的发挥。虽然通过实验的方法能够得到合理的制备工艺，但会耗费大量时间、人力和物力，制约了碳纳米管/聚合物复合材料的规模化生产。

发明内容

为克服上述分散碳纳米管的方法所存在的缺陷，实现碳纳米管在环氧树脂中的良好分散，提供一种基于拉伸流变的碳纳米管分散装置。

为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于拉伸流变的碳纳米管分散装置，主要包括进料口堵头、后端盖、转子、键、小齿轮、混合腔体、前端盖、压盖螺钉、输入轴、压盖、轴承、底板螺钉和拉伸取向装置，后端盖、混合腔体和前端盖由长螺栓连接紧固，混合腔体上端开设有螺纹孔，作为进料口，进料口堵头为一螺栓，与混合腔体通过螺纹连接，共混时防止物料从进料口漏出，小齿轮通过键固定于后端盖的中心位置，小齿轮为具有一定齿数的外齿轮，与转子的内齿轮相啮合，啮合决定了转子在混合腔体内运动的路径和方向，当小齿轮与转子的内齿轮齿数比一定时，混合腔体和转子的理论型线能够唯一确定，混合腔体的理论型线近似为“8”字形，转子的理论型线近似为圆弧边的三角形，转子包括内齿轮和孔两部分，孔的直径大于内齿轮的齿根圆直径，分别位于转子两个侧面的中心，输入轴具有一偏心凸轴段，偏心凸轴段与转子的孔相配合，偏心凸轴段前端的轴与小齿轮一端的孔相配合，偏心凸轴段后端的轴安装有轴承，压盖套在输入轴上并将轴承压于前端盖内部，压盖通过压盖螺钉固定在前端盖一侧，输入轴上开有键槽，通过联轴器与电动机的输出轴连接，带动转子在容腔内旋转运动，拉伸取向装置由弯管和底板焊接组成，通过底板螺钉固定在混合腔体的一侧，混合腔体的这一侧开设有两个长方形槽，底板上开设有长方形槽，弯管两端的内孔与底板的两个长方形槽对应，底板的两个长方形槽与混合腔体的两个长方形槽对应，使得弯管的内部流道与混合腔体的容腔相通。

本发明一种基于拉伸流变的碳纳米管分散装置，将碳纳米管与环氧树脂的预混料通过进料口倒入装置的容腔中，拧紧进料口堵头后，输入轴开始转动，在输入轴的偏心凸轴段产生力矩，带动转子在容腔内旋转，转子与混合腔体的内壁面构成三个体积不同的腔室，当转子的顶点位于混合腔体的两个长方形槽之间时，若转子顺时针转动，转子与混合腔体的左上侧内壁面构成的腔室体积由大变小，碳纳米管和环氧树脂的混合物在此区域被压缩且压力增大，转子与混合腔体的左下侧内壁面构成的腔室体积由小变大，碳纳米管和环氧树脂的混合物在此区域被放松且压力减小，在压力差作用下，部分碳纳米管和环氧树脂的混合物通过拉伸取向装置由左上侧容腔流入左下侧容腔，混合物通过拉伸取向装置时速度提高，碳纳米管团聚体在环氧树脂流场中沿速度方向被拉伸，当碳纳米管团聚体承受的拉伸应力超过其分子团聚力时将分散为较小团聚体，且从拉伸取向装置流出的混合物与左下侧容腔中的混合物汇流时会产生强烈的撞击，造成流动的局部紊乱，有利于碳纳米管团聚体进行位置交换，从而提高了混合物的分布混合效果，输入轴转动三周时，转子转动一周，容腔体积呈周期性变化，碳纳米管和环氧树脂混合物不断被压缩和放松，不同于其他混合设备依靠高剪切应力分散碳纳米管，该装置依靠环氧树脂流场产生的拉伸应力使碳纳米管进行分散，不会破坏碳纳米管自身结构，混合时间越长，累积拉伸应力越大，碳纳米管的分散和分布效果越好。

本发明的有益效果是：

1、装置结构简单，操作方便，占地面积小，有效的节约了制造成本及空间资源；

2、容腔体积呈周期性变化，碳纳米管和环氧树脂的混合物不断被压缩和放松，混合物通过拉伸取向装置时，碳纳米管团聚体在环氧树脂流场中沿速度方向被拉伸进而分散为较小团聚体，且从拉伸取向装置流出的混合物与容腔中的混合物汇流时会产生强烈的撞击，造成流动的局部紊乱，有利于碳纳米管团聚体进行位置交换，从而提高了混合物的分布混合效果。

3、不同于其他混合设备依靠高剪切应力分散碳纳米管，该装置依靠环氧树脂流场产生的拉伸应力使碳纳米管进行分散，不会破坏碳纳米管自身结构。

附图说明

图1是本发明一种基于拉伸流变的碳纳米管分散装置装配图的右视图剖视图。

图2是本发明一种基于拉伸流变的碳纳米管分散装置装配图的主视图。

图3是本发明一种基于拉伸流变的碳纳米管分散装置的转子的剖视图。

图4是本发明一种基于拉伸流变的碳纳米管分散装置的拉伸取向装置的主视图剖视图。

图5是本发明一种基于拉伸流变的碳纳米管分散装置的拉伸取向装置的仰视图。

图6是本发明一种基于拉伸流变的碳纳米管分散装置中转子的一个顶点位于混合腔体的两个长方形槽之间时的示意图。

图7是本发明一种基于拉伸流变的碳纳米管分散装置中转子的一个顶点位于混合腔体的上侧长方形槽与进料口之间时的示意图。

图中：1-进料口堵头，2-后端盖，3-转子，4-键，5-小齿轮，6-混合腔体，7-前端盖，8-压盖螺钉，9-输入轴，10-压盖，11-轴承，12-弯管，13-底板螺钉，14-底板。

具体实施方式

本发明一种基于拉伸流变的碳纳米管分散装置，如图1、图2所示，该装置主要包括进料口堵头1、后端盖2、转子3、键4、小齿轮5、混合腔体6、前端盖7、压盖螺钉8、输入轴9、压盖10、轴承11、底板螺钉13和拉伸取向装置。后端盖2、混合腔体6和前端盖7由长螺栓连接紧固，混合腔体6上端开设有螺纹孔，作为进料口，进料口堵头1为一螺栓，与混合腔体6通过螺纹连接，共混时防止物料从进料口漏出。小齿轮5通过键4固定于后端盖2的中心位置，小齿轮5为具有一定齿数的外齿轮，与转子3的内齿轮相啮合，啮合决定了转子3在混合腔体6内运动的路径和方向。当小齿轮5与转子3的内齿轮齿数比一定时，混合腔体6和转子3的理论型线能够唯一确定，混合腔体6的理论型线近似为“8”字形，转子3的理论型线近似为圆弧边的三角形。如图3所示，转子3包括内齿轮和孔两部分，孔的直径大于内齿轮的齿根圆直径，分别位于转子3两个侧面的中心。输入轴9具有一偏心凸轴段，偏心凸轴段与转子3的孔相配合，偏心凸轴段前端的轴与小齿轮5一端的孔相配合，偏心凸轴段后端的轴安装有轴承11，压盖10套在输入轴9上并将轴承11压于前端盖7内部，压盖10通过压盖螺钉8固定在前端盖7一侧。输入轴9上开有键槽，通过联轴器与电动机的输出轴连接，带动转子3在容腔内旋转运动。如图4、图5和图2所示，拉伸取向装置由弯管12和底板14焊接组成，通过底板螺钉13固定在混合腔体6的一侧，混合腔体6的这一侧开设有两个长方形槽，底板14上开设有长方形槽，弯管12两端的内孔与底板14的两个长方形槽对应，底板14的两个长方形槽与混合腔体6的两个长方形槽对应，使得弯管12的内部流道与混合腔体6的容腔相通。

本发明一种基于拉伸流变的碳纳米管分散装置，将碳纳米管与环氧树脂的预混料通过进料口倒入装置的容腔中，拧紧进料口堵头1后，输入轴9开始转动，在输入轴9的偏心凸轴段产生力矩，带动转子3在容腔内旋转，转子3与混合腔体6的内壁面构成三个体积不同的腔室，如图2和图6所示，当转子3的顶点位于混合腔体6的两个长方形槽之间时，若转子3顺时针转动，转子3与混合腔体6的左上侧内壁面构成的腔室体积由大变小，碳纳米管和环氧树脂的混合物在此区域被压缩且压力增大，转子3与混合腔体6的左下侧内壁面构成的腔室体积由小变大，碳纳米管和环氧树脂的混合物在此区域被放松且压力减小，在压力差作用下，部分碳纳米管和环氧树脂的混合物通过拉伸取向装置由左上侧容腔流入左下侧容腔，混合物通过拉伸取向装置时速度提高，碳纳米管团聚体在环氧树脂流场中沿速度方向被拉伸，当碳纳米管团聚体承受的拉伸应力超过其分子团聚力时将分散为较小团聚体，且从拉伸取向装置流出的混合物与左下侧容腔中的混合物汇流时会产生强烈的撞击，造成流动的局部紊乱，有利于碳纳米管团聚体进行位置交换，从而提高了混合物的分布混合效果。图7所示为本发明一种基于拉伸流变的碳纳米管分散装置中转子3的一个顶点位于混合腔体6的上侧长方形槽与进料口之间时的示意图。输入轴9转动三周时，转子3转动一周，容腔体积呈周期性变化，碳纳米管和环氧树脂混合物不断被压缩和放松。不同于其他混合设备依靠高剪切应力分散碳纳米管，该装置依靠环氧树脂流场产生的拉伸应力使碳纳米管进行分散，不会破坏碳纳米管自身结构，混合时间越长，累积拉伸应力越大，碳纳米管的分散和分布效果越好。

Claims (1)

1.一种基于拉伸流变的碳纳米管分散装置，其特征在于：主要包括进料口堵头、后端盖、转子、键、小齿轮、混合腔体、前端盖、压盖螺钉、输入轴、压盖、轴承、底板螺钉和拉伸取向装置，后端盖、混合腔体和前端盖由长螺栓连接紧固，混合腔体上端开设有螺纹孔，作为进料口，进料口堵头为一螺栓，与混合腔体通过螺纹连接，预混料通过进料口倒入混合腔体中，小齿轮通过键固定于后端盖的中心位置，小齿轮为具有一定齿数的外齿轮，与转子的内齿轮相啮合，混合腔体的理论型线近似为“8”字形，转子的理论型线近似为圆弧边的三角形，转子包括内齿轮和孔两部分，孔的直径大于内齿轮的齿根圆直径，内齿轮和孔分别位于转子两个侧面的中心，输入轴具有一偏心凸轴段，偏心凸轴段与转子的孔相配合，偏心凸轴段前端的轴与小齿轮一端的孔相配合，偏心凸轴段后端的轴安装有轴承，压盖套在输入轴上并将轴承压于前端盖内部，压盖通过压盖螺钉固定在前端盖一侧，输入轴上开有键槽，拉伸取向装置由弯管和底板焊接组成，通过底板螺钉固定在混合腔体的一侧，混合腔体的这一侧开设有两个长方形槽，底板上开设有长方形槽，弯管两端的内孔与底板的两个长方形槽对应，底板的两个长方形槽与混合腔体的两个长方形槽对应，弯管的内部流道与混合腔体的容腔连通。