CN104260310B - 一种叠层法制备纤维材料及制品的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种叠层法制备纤维材料及制品的装置，主要包括有塑化供料装置、汇流器、叠层复合发生器、扭转器、反置型叠层复合发生器和成型装置；复合材料熔体在流经汇流器和叠层复合发生器的流道后在扭转器入口处沿宽度方向被平均分割，其中奇数等分熔体在扭转器中继续流动不发生任何变化，偶数等分熔体的每一股熔体就地在扭转器中沿旋转180°的扭转流道向前流动，在出口段与奇数等分熔体与偶数等分熔体再次相接，在扭转器出口端连接反置型叠层复合发生器，复合熔体经过反置型叠层复合发生器后得到两种材料二维排列的形式，复合熔体从反置型叠层复合发生器流出后与成型装置连接，经过成型装置的流道后经冷却定型得到二维叠层状复合材料纤维制品。
Description
技术领域
本发明属于先进材料加工技术领域，涉及一种叠层复合材料制备加工装置，特别是采用复合挤出或复合注射成型制备多层复合结构高分子材料及制品的装置。
背景技术
目前，光纤原料已由石英玻璃等无机材料扩展到高分子聚合物领域。与石英光纤相比,聚合物光纤具有纤韧性好、便于加工、对振动不敏感、端接成本低等独特优势，应用前景广泛，从而成为材料领域的热点研究课题，并已取得了一些研究成果，提出了一系列用于制备聚合物光纤的加工设备。从目前公开的专利来看，聚合物光纤成形通常采用棒拉法和挤出法。比如CN200710017439.5聚合物光纤预制棒拉伸装置，其核心技术是将热塑性树脂制成预制棒通过在棒管炉中拉伸预制棒，可拉制出一定规格的光纤芯料，再通过涂覆皮材溶液的方式制备芯皮结构，其缺点在于生产效率低，且在生产过程中易受尘埃、杂质的污染；此外，共挤出法是目前发展前景较好的塑料光纤成型技术，其生产效率较高，也易于控制环境中污染物的影响，生产的塑料光纤杂质少、纯净度高、光损耗低；但随着光纤集成化的迅速发展，原先的单根共挤出法已经不能满足需求，还需寻找一种更够生产大批量、集成化的聚合物光纤的制备方法，以克服上述不足；此外，CN200910237622.5一种纳米叠层复合材料制备装置，其核心技术是运用叠层复合发生器制备多层复合材料片体，并不能制备二维叠层状复合材料纤维，此外其叠层复合发生器的流道接口处存在折角，会造成压力损失以及对叠层结构造成破坏，需对其进行优化。
发明内容
针对现有技术在制备大批量、集成化聚合物光纤及光缆方面的不足，本发明的目的旨在提供一种可制备集成化聚合物光纤的二维叠层状复合材料纤维制备装置；同时该装置适用于其他二维叠层状复合材料的制备与成型加工。
可实现上述发明目的的技术方案如下：
一种叠层法制备纤维材料及制品的装置，主要包括有塑化供料装置、汇流器、叠层复合发生器、扭转器、反置型叠层复合发生器和成型装置；塑化供料装置、汇流器、叠层复合发生器、扭转器、反置型叠层复合发生器及成型装置前后依次串联，塑化供料装置有两个，汇流器有两个入口，每个入口连接一个塑化供料装置，汇流器的流道将来自塑化供料装置的两种高分子材料叠加形成交叉相叠的二层复合熔体，汇流器与叠层复合发生器对接，二层复合熔体在进入叠层复合发生器时先沿与流动方向垂直的宽度方向平均分为n等分，每一等分的熔体在叠层复合发生器内继续流动并逐渐旋转90度同时展宽n倍，n倍的二层在叠层复合发生器的出口汇合叠加成2n层的叠层结构熔体，叠层复合发生器入口熔体通道总体尺寸的与出口熔体通道尺寸的总体相同，叠层复合发生器入口与出口旋转了90度，然后再对接下一个叠层复合发生器，2n层的叠层结构熔体经过第二个叠层复合发生器入口处被平均分割成n等分，同时在流道中流动时旋转90度并展宽n倍，得到2×n×n层的叠层结构熔体；串联j个同样的叠层复合发生器，则可得到2×nj层的叠层复合材料；经j个叠层复合发生器挤出的叠层复合材料熔体在扭转器入口处沿宽度方向被平均分割成m等分，其中奇数等分熔体在扭转器中继续流动不发生任何变化，偶数等分熔体的每一股熔体就地在扭转器中沿旋转180°的扭转流道向前流动，在出口段与奇数等分熔体与偶数等分熔体再次相接，扭转器入口熔体通道总体尺寸与出口熔体通道尺寸的总体相同，在扭转器出口两种物料形成横纵皆为分隔交叉状态的叠层复合材料熔体，熔体的分布成m等分，每一等分熔体的层数都为2×nj；在扭转器出口端连接反置型叠层复合发生器，反置型叠层复合发生器的流道与前述的叠层复合发生器的流道相同，只是反置型叠层复合发生器的流道与叠层复合发生器的流道反向放置相同，复合熔体经过反置型叠层复合发生器后得到两种材料二维排列的形式，出口截面断面图中，一个方向材料束数为m×n,另一个方向材料束数为(2×nj)/n，即两种材料相互间隔组成的纤维材料；复合熔体从反置型叠层复合发生器流出后与成型装置连接，经过成型装置的流道经定型后得到二维叠层状复合材料纤维制品；其中m和n为不小于2的整数，j为不小于1的整数。
本发明一种叠层法制备纤维材料及制品的装置，反置型叠层复合发生器的数量可以为k个，但k≤j。随着k的增大，两种材料束的尺寸会发生变化。
本发明一种叠层法制备纤维材料及制品的装置，采用的叠层复合发生器和扭转器采用三阶曲线流道，各流道连接处不存在折角，能够减少挤出压力损失，减少折角对叠层复合材料熔体结构的破坏。
本发明一种叠层法制备纤维材料及制品的装置，两个塑化供料装置塑化的原料其中有一种可以溶于溶剂，成型装置为片材机头情况下，将所得片材通过溶剂浸泡，则可以得到一种纤维材料，所以此时可以采用该装置进行纤维的加工。
本发明一种叠层法制备纤维材料及制品的装置，两个塑化供料装置塑化的原料为不相容的材料，成型装置为片材机头情况下，所得的片材中两种材料分离，得到复合纤维。
本发明一种叠层法制备纤维材料及制品的装置，塑化供料装置是挤出机、注射成型机的注塑装置或压铸机。塑化供料装置加工的物料是制备聚合物光纤所用的有机玻璃(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)和/或聚对苯二甲酸丙二醇脂(PTT)一种和/或两种，物料也可以为其他高分子基、陶瓷基、金属基复合材料一种和/或两种。所得二维材料可以作为光纤制品的原料，由于多种纤维是同时生成，不是单独成丝再成束，不会因增加中间环节被污染。另外，两种丝贴合紧密，相互间没有缝隙，传输效果更好。
本发明一种叠层法制备纤维材料及制品的装置，成型装置是挤出机头、注射喷嘴与模具的组合或压制模具，得到的制品为纤维制品。
本发明一种叠层法制备纤维材料及制品的装置，可广泛应用于制备聚合物光纤及其他各种熔融共混加工的二维叠层状复合材料，如高分子复合材料领域可生产单向抗拉伸纤维，同时可推广应用到陶瓷基复合材料和金属基复合材料等领域。本发明的二维叠层状复合材料纤维制备装置可以与两台及以上塑化装置的注塑料或压铸机连用，可直接加工多种材料相间排列的二维叠层状纤维制品。
附图说明
图1是本发明一种叠层法制备纤维材料及制品的装置的总体结构组成示意图。
图2是本发明一种叠层法制备纤维材料及制品的装置中熔体经过两个叠层复合发生器、扭转器和反置型叠层复合发生器的熔体流道结构示意图。
图3是本发明一种叠层法制备纤维材料及制品的装置扭转器的熔体流道结构示意图。
图4是本发明一种叠层法制备纤维材料及制品的装置实施例中汇流器出口的二层复合熔体示意图。
图5是本发明一种叠层法制备纤维材料及制品的装置实施例中第一个叠层复合发生器的出口的复合熔体示意图。
图6是本发明一种叠层法制备纤维材料及制品的装置实施例中第二个叠层复合发生器的出口的复合熔体示意图。
图7是本发明一种叠层法制备纤维材料及制品的装置实施例中扭转器出口复合熔体示意图。
图8是本发明一种叠层法制备纤维材料及制品的装置实施例中反置型叠层复合发生器出口复合熔体示意图。
图中：1、塑化供料装置；2、汇流器；3、叠层复合发生器；3-1、第一个叠层复合发生器流道；3-2、第二个叠层复合发生器流道；3-3、反置型叠层复合发生器流道；4、扭转器；4-1、不扭转流道；4-2、180°扭转流道；5、成型装置；a、第一种材料；b、第二种材料。
具体实施方式
本发明一种叠层法制备纤维材料及制品的装置，整体结构如图1所示，包括有两台塑化供料装置1、汇流器2、叠层复合发生器3、扭转器4、反置型叠层复合发生器和成型装置5，它们如图所示前后依次串联；所述汇流器2将来自两台塑化供料装置1的高分子熔体汇集成如图4中所示的上下两层高分子熔体a和b，各层熔体的厚度相同；叠层复合发生器流道的结构示意图如图2所示，高分子熔体a和b在流出汇流器2并进入第一个叠层复合发生器流道3-1时沿宽度方向被平均分割成四等分，每一等分在第一个叠层复合发生器流道3-1中继续向前流动时旋转90度并且展宽四倍，在出口端相互汇流成2×4＝8层的叠层结构的复合熔体；复合熔体在进入第二个叠层复合发生器流道3-2流道时沿宽度方向再次被平均分割成四等分，每一等分在第二个叠层复合发生器流道道3-2中继续向前流动时旋转90度并且展宽四倍，在出口端相互汇流成2×4×4＝32层的叠层结构的复合熔体；复合熔体在扭转器4入口处沿宽度方向被平均分割成四等分，其中奇数等分熔体在扭转器中沿不扭转流道4-1向前流动，偶数等分熔体在扭转器中沿旋转180°的扭转流道4-2向前流动，在出口段与相邻奇数等分熔体汇合形成横向四层、纵向三十二层的分隔交叉状态的叠层复合材料熔体；复合熔体在进入反置型叠层复合发生器流道3-3时沿宽度方向被平均分割成四等分，每一等分在反置型叠层复合发生器流道3-3中继续向前流动时旋转90度，在出口端形成相互汇流形成横向八层(2×42/4)、纵向十六层(4×4)的分隔交叉状态的叠层复合材料熔体；图4-图8显示了复合熔体在各装置出口的示意图，反置型叠层复合发生器与成型装置连接，复合熔体经过成型装置的流道经冷却定型后得到二维叠层状复合材料纤维制品，例如当成型装置的口模为8×16mm时，能够挤出纤维尺寸为1×1mm的聚合物光纤，该实施例中，m＝n＝4，j＝2。
本发明一种叠层法制备纤维材料及制品的装置，叠合复合发生器3和扭转器4的流道加工可采用精密铸造方法或电镀的方法，或将扭转器3剖切成片，每片采用数控加工获得所需的流道形状，分片加工后再组装成叠层复合发生器3和扭转器4。
本发明一种叠层法制备纤维材料及制品的装置，，如果上述实施例中，两个塑化供料装置塑化的原料其中有一种可以溶于溶剂，成型装置为片材机头情况下，将所得片材通过溶剂浸泡，则可以得到一种纤维材料，纤维的直径为1mm，所以此时可以采用该装置进行纤维的加工。
本发明一种叠层法制备纤维材料及制品的装置，如果上述实施例中，两个塑化供料装置塑化的原料为不相容的材料，成型装置为片材机头情况下，所得的片材中两种材料分离，得到复合纤维，两种纤维的直径都为1mm。
本发明一种叠层法制备纤维材料及制品的装置，成型装置是挤出机头、注射喷嘴与模具的组合或压制模具，得到的制品为两种材料相互间隔的纤维复合制品。
Claims (7)
1.一种叠层法制备纤维材料及制品的装置，其特征在于：主要包括有塑化供料装置、汇流器、叠层复合发生器、扭转器、反置型叠层复合发生器和成型装置；塑化供料装置、汇流器、叠层复合发生器、扭转器、反置型叠层复合发生器及成型装置前后依次串联，塑化供料装置有两个，汇流器有两个入口，每个入口连接一个塑化供料装置，汇流器的流道将来自塑化供料装置的两种高分子材料叠加形成交叉相叠的二层复合熔体，汇流器与叠层复合发生器对接，二层复合熔体在进入叠层复合发生器时先沿与流动方向垂直的宽度方向平均分为n等分，每一等分的熔体在叠层复合发生器内继续流动并逐渐旋转90度同时展宽n倍，n倍的二层在叠层复合发生器的出口汇合叠加成2n层的叠层结构熔体，叠层复合发生器入口熔体通道总体尺寸的与出口熔体通道尺寸的总体相同，叠层复合发生器入口与出口旋转了90度，然后再对接下一个叠层复合发生器，2n层的叠层结构熔体经过第二个叠层复合发生器入口处被平均分割成n等分，同时在流道中流动时旋转90度并展宽n倍，得到2×n×n层的叠层结构熔体；串联j个同样的叠层复合发生器，则可得到2×nj层的叠层复合材料；经j个叠层复合发生器挤出的叠层复合材料熔体在扭转器入口处沿宽度方向被平均分割成m等分，其中奇数等分熔体在扭转器中继续流动不发生任何变化，偶数等分熔体的每一股熔体就地在扭转器中沿旋转180°的扭转流道向前流动，在出口段与奇数等分熔体与偶数等分熔体再次相接，扭转器入口熔体通道总体尺寸与出口熔体通道尺寸的总体相同，在扭转器出口两种物料形成横纵皆为分隔交叉状态的叠层复合材料熔体，熔体的分布成m等分，每一等分熔体的层数都为2×nj；在扭转器出口端连接反置型叠层复合发生器，反置型叠层复合发生器的流道与前述的叠层复合发生器的流道相同，只是反置型叠层复合发生器的流道与叠层复合发生器的流道反向放置相同，复合熔体经过反置型叠层复合发生器后得到两种材料二维排列的形式，出口截面断面图中，一个方向材料束数为m×n,另一个方向材料束数为(2×nj)/n；复合熔体从反置型叠层复合发生器流出后与成型装置连接；其中m和n为不小于2的整数，j为不小于1的整数。
2.根据权利要求1所述的一种叠层法制备纤维材料及制品的装置，其特征在于：反置型叠层复合发生器的数量可以为k个，且k不大于j，k为整数。
3.根据权利要求1所述的一种叠层法制备纤维材料及制品的装置，其特征在于：叠层复合发生器和扭转器采用3阶曲线流道，各流道连接处不存在折角。
4.根据权利要求1所述的一种叠层法制备纤维材料及制品的装置，其特征在于：两个塑化供料装置塑化的原料其中有一种可以溶于溶剂，成型装置为片材机头。
5.根据权利要求1所述的一种叠层法制备纤维材料及制品的装置，其特征在于：两个塑化供料装置塑化的原料为不相容的材料，成型装置为片材机头。
6.根据权利要求1所述的一种叠层法制备纤维材料及制品的装置，其特征在于：塑化供料装置加工的物料是制备聚合物光纤所用的PMMA、PS、PC或PTT。
7.根据权利要求1所述的一种叠层法制备纤维材料及制品的装置，其特征在于：成型装置是挤出机头、注射喷嘴与模具的组合或压制模具。
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