CN104812544A - 高分子复合材料的制备装置及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种既抑制投入的液媒的量，又稳定地制备高配合率的填充材料均匀分散了的高分子复合材料的技术。高分子复合材料的制备装置(20)包括：料筒(23)，上游侧设有投入原料的料斗(21)、下游侧设有挤压混炼物的模口部(22)；螺杆(24)，在该料筒(23)的内部进行轴旋转，一边从上游向下游挤压原料一边进行热量输入，制成混炼物；通风口部(25)，使从混炼物分离出的气体成分从料筒(23)排出；容器(26(26a、26b、26c))，至少分别收纳粉体、合成高分子及液媒，并分别供给规定的分量；以及混合部(27)，将供给来的粉体、合成高分子及液媒混合作为原料投入料斗(21)。

Description

高分子复合材料的制备装置及其制备方法
技术领域
本发明涉及填充有粉体的高分子复合材料的制备技术。
背景技术
如图1所示，在煤炭火力发电厂10中，使粉碎成粉状的煤在锅炉11内燃烧，将其能量通过涡轮机12及发电机13转换成电。
随着该煤的燃烧，生成相当于约其一成的大量煤灰。
而且，该煤灰分类为飞灰和熟料灰。
飞灰是熔融的煤灰粒子浮游在高温的燃烧气体中，经低温的锅炉出口冷却成为气体状的球形粒子，被电集尘器14回收的。飞灰被回收后的燃烧气体从烟囱15向大气中释放。
对于该飞灰，按照粒径的尺寸进行分选后，分别贮藏在筒仓16中。
另一方面，熟料灰是锅炉11内的煤灰粒子相互粘附成为多孔块，残留在锅炉11内部的。
该熟料灰下降到锅炉11下部所设的水槽(熟料斗17)中并堆积。然后，经粉碎机粉碎成沙状，经脱水槽18脱水后，以沙状的状态被直接贮藏在贮藏槽19中。
近年来，鉴于核能发电厂的事故，对煤炭火力发电的依赖度提高了。
因此，由煤炭火力发电产生的飞灰的新的有效利用用途正在被研究。
以往飞灰被利用于填埋用途、混凝土混合剂等。
然而，关于填埋用途，地震灾害时产生的液化现象大多发生在利用飞灰的填埋地，所以存在回避该利用方式的倾向。
另一方面，作为混凝土混合剂的用途，其需求已饱和，无法预见今后会扩大。
作为可预见飞灰被大量消耗的用途，想到了将其作为塑料复合材料的填充材料，但尚未实用化。
另一方面，报道了许多将飞灰这样的微粉作为塑料复合材料的填充材料来使用的尝试。
具体来讲，为了将塑料复合材料用挤压机高效地混炼，公开了下面的技术：将毛体积比重小的多种原料并不是集合起来由一处投入，而是从多个投料口分别各自投入(例如专利文献1)。
另外，还公开了下面的技术：为了在合成树脂的基体相中均匀地形成将贝壳粉碎后的填充材料的分散相，将合成树脂和填充材料与液媒(水)一起混炼(例如专利文献2)。
进而，还公开了下面的技术：当将合成树脂、填充材料和液媒(水)一起混炼时，为了使填充材料的分散相进一步微细化、均匀化，设置开关阀来调节挤压机的内部压力(例如专利文献3)。
〔现有技术文献〕
〔专利文献〕
专利文献1：日本特许第3650915号公报
专利文献2：日本特许第5097191号公报
专利文献3：日本特许第4660528号公报
发明内容
〔发明所要解决的课题〕
然而，专利文献1的公开技术存在挤压机的结构复杂化的问题。
另外，专利文献2、3的公开技术，可以实现微观层次的分散相的微细化(均匀化)，但存在当个别地连续供给的各原料出现配合不均的情况时，在宏观层次变得不均匀的问题。此外，由于螺杆的旋转阻力发生变动，存在挤压机的工作稳定性欠缺的问题。
另外，专利文献2、3的公开技术存在下面的问题：当提高填充材料的配合比例时，为确保分散相的微细化(均匀化)而需要投入过量的液媒(水)，但该液媒排出时，大量的汽化热被从混炼物夺走。
本发明是考虑到这样的情况而完成的，其目的在于提供一种既抑制要投入的液媒量、又稳定地制造均匀分散有高配合率的填充材料的高分子复合材料的技术。
〔用于解决课题的手段〕
本发明的高分子复合材料的制备装置，其特征在于，包括：料筒，上游侧设有投入原料的料斗、下游侧设有挤压混炼物的模口部；螺杆，在所述料筒的内部进行轴旋转，一边从上游向下游挤压所述原料一边进行热量输入，制成所述混炼物；通风口部，使从所述混炼物分离出的气体成分从所述料筒排出；容器，至少分别收纳粉体、合成高分子及液媒，并分别供给规定的分量；以及混合部，将供给来的粉体、合成高分子及液媒混合作为所述原料投入所述料斗。
〔发明效果〕
通过本发明，能提供一种既抑制投入的液媒量，又稳定地制备均匀分散高配合率的填充材料的高分子复合材料的技术。
附图说明
图1是煤炭火力发电厂的的示意图。
图2的(A)是表示本发明的高分子复合材料的制备装置的第1实施方式的纵向剖视图，图2的(B)是其水平剖视图。
图3是表示本发明的高分子复合材料的制备装置的第2实施方式的纵向剖视图。
具体实施方式
(第1实施方式)
以下，基于附图说明本发明的实施方式。
如图2所示那样，第1实施方式的高分子复合材料的制备装置20具备：投入原料的料斗21被设置在上游侧、挤压出混炼物的模口部22被设置在下游侧的料筒23；在该料筒23的内部进行轴旋转，一边从上游向下游挤压原料一边进行热量输入而制成混炼物的螺杆24；将从混炼物分离出的气体成分从料筒23排出的通风口部25；至少分别收纳粉体、合成高分子及液媒，并分别供给规定的分量的容器26(26a、26b、26c)；将供给的粉体、合成高分子及液媒进行混合，作为原料投入料斗21的混合部27。
在容器26(26a、26b、26c)中分别收纳粉体、合成高分子及液媒。
在本实施方式中，作为粉体而采用的飞灰是球形和不定形混合存在的平均粒径为10～30μm的形态。
从图1所示的生成工艺也可以判定，该飞灰是以含水量几乎为零的极干燥状态供给的。
而且，飞灰的主要成分中二氧化硅(SiO2)及氧化铝(Al2O3)占70～80％，其他成分为氧化铁(Fe2O3)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化钠(Na2O)、氧化钾(K2O)等。
合成高分子是形成高分子复合材料的基体相的高分子，可以采用通过加热来熔融的热塑性树脂、通过加热来固化的热固化性树脂中的任一种，适用通过从常温升温到规定温度来进行流动化的材料。
作为热塑性树脂，优选成形为颗粒状的、低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、乙烯-乙酸乙酯共聚物(EVA)、乙烯-丙烯酸乙酯共聚物(EEA)等聚烯烃系树脂。
另外，不限于这些，其他的如聚碳酸酯树脂(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂(PET)、丙烯基·丁烯·苯乙烯(ABS)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚酰胺(PA)等，只要是具有通过加热而热流动的性质、通常可以挤压成形的材料，就可以没有特殊限制地加以使用。
进而，这些热塑性树脂也可以混合两种以上来使用。
另外，还可以使用这些热塑性树脂的再生品。
液媒优选采用水，但只要是在料筒23内的设定温度及大气压水平下进行汽化的媒体，都可以适当采用。
该液媒如与粉体和合成树脂一起在密闭状态下进行加热混炼，则给合成树脂的流动体基体相带来形成粉体的微细的分散相的作用。
换言之，液媒具有在加热混炼时防止粉体在合成树脂的流动体中凝聚、使复合体在微观层次均匀化的作用。
收纳在各个容器26(26a、26b、26c)中的原料朝混合部27以相对于粉体(飞灰)100重量份、按合成高分子5～500重量份、液媒0.1～1重量份的比例供给。
此处，当合成高分子的比例比5重量份低时，构成高分子复合材料的合成高分子的基体相的形成变得不充分。
而且，当合成高分子的比例比500重量份高时，粉体的配合相对变小，作为高分子复合材料的各种特性会下降。
另外，当液媒的比例比0.1重量份低时，无法润湿飞灰粒子的表面，加热混炼过程中的粉体凝聚的抑制效果会下降。另外，在混合部27中混合原料时或向料斗21投下时，飞灰的粉体会扬起，作业环境变差。
此外，当液媒的比例比1重量份高时，从混炼体中充分地除去液媒所需的通风口部25的要求规格会提高，设备成本上升。
混合部27以规定的配合率将粉体、合成高分子及液媒均匀地混合后，将原料投入料斗21。
由此，投入料斗21的原料的配合不均被消除，从而能确保连续地制造出的高分子复合材料的宏观层次的均匀性。
另外，投入料斗21的原料的配合不均被消除，从而可以使粉体的配合比率提高，进而无需过剩地投入液媒，能够减轻通风口部25的负荷。
进而，投入料斗21的原料的配合不均被消除，从而可以抑制使螺杆24以恒定速度旋转所需的驱动部29的扭矩变动，能够确保高分子复合材料的制备稳定性。
料筒23被分类成设有投入原料(粉体、合成高分子及液媒)的料斗21的进料区A、所投入的原料的加热混炼区B、使混炼物中所含的液媒汽化而从通风口部25排出的液媒排出区C、以及进行调整使得熔融状态的混炼物从模口部22恒定压力且恒定量地挤出的计量区D。
该料筒23在除进料区A以外的部分的外周设有加热器28。利用该加热器28，料筒23的各区域被控制为适当的温度。
而且，熔融状态的混炼物从被设在最下游的模口部22排出，通过冷却路径(省略图示)而凝固后，被造粒机(省略图示)切割成米粒状的颗粒。
螺杆24是在其轴周围形成有螺旋状的叶片的构件，通过设置在其末端的驱动部29而进行轴旋转。由此，受到来自叶片的压力的原料及混炼物被从料筒23的上游向下游挤压。
该螺杆24优选其外径和根径之比所代表的啮合比在1.5以上。
这样，通过设定螺杆24的啮合比，在料筒23内形成较大的自由体积，即使是容积密度小的原料，也能使处理量稳定化。
需要说明的是，作为实施方式中的高分子复合材料的制备装置20，例示了叶片的螺旋方向相同的同向旋转的双轴型，但叶片的螺旋方向相反的异向旋转也可以，可以是单轴型或多轴型。另外，也可以适用于螺杆外径越靠近前端越变细的锥形的挤压机。
在料筒23中，进料区A是未设有加热器28的非加热区，因此可以防止所投入的原料(粉体、合成高分子及液媒)中的液媒汽化而从料斗21散逸。
在加热混炼区B，原料通过轴旋转的螺杆24及加热器28的作用而被加热混炼，该原料中所含的合成树脂熔融。
原料中所含的粉体通过密闭体系中的高温高压状态的液媒作用而被抑制再凝聚，在熔融体的基质中微细地均匀分散。
接下来，当混炼物通过液媒排出区C时，从密闭体系切换为开放体系，内部压力下降为大气压水平，故所含的液媒汽化。
然后，在通风口部25排出从混炼物分离的气体成分。
该通风口部25被以如下方式构成：用网眼板(省略图示)覆盖料筒23上所形成的开口，混炼体不会从该通风口部25飞出到外侧。
另一方面，液媒的汽化气体通过该网眼板而被选择性地排出到外部。
需要说明的是，也可以在料筒23的长度方向上配置多个设有调节阀(省略图示)的通风口部25，并进行设定使得它们的内部压力从上游到下游逐渐接近大气压，由此来防止液媒的急剧汽化。
另外，还可以在通风口部25设置减压泵(省略图示)，通过将料筒23的内部压力设定为比大气压更低的压力，来促进液媒的排出。
最终从模口部22排出、被成形为颗粒状的高分子复合材料在流通于市场后，被再次熔融而成形为各种最终产品。
作为适合以实施方式示出的填充飞灰高分子复合材料成形的最终产品，可以举出混凝土型框用胶合板(混凝土面板)等土木用树脂板，以及采用聚丙烯作为合成高分子、以30～70重量份配合了飞灰的塑料硬板，采用低密度聚乙烯或/和直链状低密度聚乙烯作为合成高分子、以20～60重量份配合了飞灰的片材、膜或袋等。
(第2实施方式)
接着，根据图3对本发明的第2实施方式进行说明。
需要说明的是，在图3中，对于具有与图2共通的结构或功能的部分，用同样的标号进行表示，并省略重复的说明。
第2实施方式的高分子复合材料的制备装置20被设定为：设有通风口部25的料筒的区域C与其前后的区域B、D相比，在螺杆24的槽部分形成的空隙33要大。
由此，在液媒排出区C中，混炼体从料筒23及螺杆24受到的压力下降，液媒的汽化得到促进，并且还能抑制混炼体从通风口部25隆起的现象。
进而，第2实施方式的高分子复合材料的制备装置20在设有通风口部25的区域C中的螺杆24两端，形成有将混炼物向相反方向挤压的逆向输送形状31、32。
通过上游侧的逆向输送形状31，在加热混炼区B中被赋予了背压的混炼体到达液媒排出区C时，压力急剧地下降，液媒的汽化得到促进。
并且，通过下游侧的逆向输送形状32，液媒排出区C中的混炼体的滞留时间被延长，液媒的排出被促进。
若采用以上所述的至少一个实施方式的高分子复合材料的制备装置，则将粉体、合成高分子及液媒混合后再提供到挤压机的料斗，由此能既抑制要投入的液媒的量，又能稳定地制造出高配合率的填充材料均匀地分散了的高分子复合材料。
对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提出的，其意义并不是限定本发明的范围。这些实施方式可以由其他各种形态来实施，在不脱离本发明主旨的范围内，可以进行各种省略、置换、变更、组合。这些实施方式及其变形与发明的范围、主旨中所包含的内容一样，也包括在与权利要求书所记载的发明及其等同的范围中。
〔标号说明〕
10…煤炭火力发电厂、20…高分子复合材料的制备装置、21…料斗、22…模口部、23…料筒、24…螺杆、25…通风口部、26(26a、26b、26c)…容器、27…混合部、28…加热器、29…驱动部、31、32…逆向输送形状、33…空隙、A…进料区、B…加热混炼区、C…液媒排出区、D…计量区。

Claims (8)

1.一种高分子复合材料的制备装置，其特征在于，包括：
料筒，上游侧设有投入原料的料斗、下游侧设有挤压混炼物的模口部；
螺杆，在所述料筒的内部进行轴旋转，一边从上游向下游挤压所述原料一边进行热量输入，制成所述混炼物；
通风口部，使从所述混炼物分离出的气体成分从所述料筒排出；
容器，至少分别收纳粉体、合成高分子及液媒，并分别供给规定的分量；以及
混合部，将供给来的粉体、合成高分子及液媒进行混合，作为所述原料投入所述料斗。
2.如权利要求1所述的高分子复合材料的制备装置，其特征在于，
所述粉体为飞灰。
3.如权利要求2所述的高分子复合材料的制备装置，其特征在于，
所述原料是相对于所述粉体100重量份混合合成高分子5～500重量份、液媒0.1～1重量份而成的。
4.如权利要求1所述的高分子复合材料的制备装置，其特征在于，
在所述料筒的所述通风口部所被设置的区域，所述螺杆的槽部分处所形成的空隙被设定得比其前后的区域大。
5.如权利要求4所述的高分子复合材料的制备装置，其特征在于，
在所述通风口部所被设置的区域中的所述螺杆的两端，形成有将所述混炼物向反方向挤压的逆向输送形状。
6.如权利要求1所述的高分子复合材料的制备装置，其特征在于，
所述料筒的所述料斗所被设置的区域是非加热区域。
7.如权利要求1所述的高分子复合材料的制备装置，其特征在于，
所述螺杆的啮合比在1.5以上。
8.一种高分子复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
在料筒内部使螺杆进行轴旋转的步骤，所述料筒为在上游侧设有投入原料的料斗、在下游侧设有挤压混炼物的模口部的料筒；
至少将粉体、合成高分子及液媒从分别容纳其的容器中分别以规定的分量供给混合部的步骤；
将被供给到所述混合部的粉体、合成高分子及液媒混合，作为所述原料投入所述料斗的步骤；
使从混炼物中分离出的气体成分从通风口部排出的步骤，所述混炼物是将所述原料一边从所述料筒的上游向下游挤压一边进行热量输入而得到的混炼物；以及
使排出所述气体成分后的所述混炼物从所述模口部输出的步骤。
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