CN105235170A - 一种用于制备聚乳酸微孔板材的生产装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于制备聚乳酸微孔板材的生产装置，包括螺杆挤出机，螺杆挤出机包括螺杆以及套在螺杆外面的螺杆套筒，在螺杆挤出机的上游设有物料进口，下游设有动态混合头。在物料进口与动态混合头之间的螺杆套筒的中部区域的壁上设有发泡剂进口。根据本发明的聚乳酸微孔板材的生产装置，发泡剂进口位置既可以防止气体向螺杆进料方向溢出，又可以适当降低气体的进气压力，以便于发泡剂与聚乳酸熔体混合均匀，制备出不含额外添加剂的聚乳酸微孔板材。

Description

一种用于制备聚乳酸微孔板材的生产装置

技术领域

本发明涉及材料制备领域，尤其涉及一种用于制备聚乳酸微孔板材的生产装置。

背景技术

发泡材料在日常生活中，被大量使用在各种包装领域。发泡材料的容积和重量比很高，比起其它非发泡材料，例如，瓶子和纸盒的容器要高得多，对于使用过的发泡材料的回收就成了问题。目前迫切需要找到一种合适的回收方法来解决上述问题。而生物可降解聚乳酸制成的微孔发泡产品，彻底解决了“白色污染”和“回收成本高”的问题。

聚乳酸微孔板材是一种可以降解的包装材料，尤其可以用于食品包装。目前，要制备发泡聚乳酸共聚物板材必须要加入几种添加剂，例如，用于发泡步骤的助剂。这些添加剂要求拥有泡沫，且同时需要拥有可以被接受的机械特性，可以被用作塑化剂、增稠剂、发泡稳定剂以及交联剂等。由于上述添加剂的使用，制备发泡聚乳酸共聚物板材的成本将增加，并且用于包装食品时还有对食物造成污染的可能。

因此，需要一种新型的装置以用于生产不含额外添加剂，且机械性能更好的聚乳酸微孔板材。

发明内容

为了解决上述全部或部分技术问题，本发明提供了一种用于制备聚乳酸微孔板材的生产装置，包括依次连接的螺杆挤出机、混合器、增压泵以及成型模头。在螺杆挤出机的中部区域设有发泡剂进口。发泡剂进口设置在螺杆挤出机的中部区域，使得惰性气体发泡剂在螺杆均化段中部位置加入。由此，既可以防止气体向螺杆进料方向溢出，又可以根据均化段熔体压力选择与之相近的或稍大于的发泡剂的超临界导入压力，以便于发泡剂与聚乳酸熔体混合均匀，生产出不含额外添加剂的聚乳酸微孔板材。

进一步地，螺杆挤出机包括螺杆以及套在螺杆外面的螺杆套筒。在螺杆挤出机的上游设有物料进口，下游设有动态混合头。在物料进口与动态混合头之间的螺杆套筒的壁上设有发泡剂进口。由此，熔体与气体的混合体在一定的温度、压力下通过动态混合头的高剪切得到高效混合，快速形成熔体与气体的均相体。

进一步地，发泡剂进口用于通入的发泡剂包括：超临界流体状态的CO₂和/或NH₃。由此，可以省略额外化合物，例如，发泡辅助剂、起泡剂、稳定剂以及增稠剂等的添加，在发泡剂进口处只加入超临界流体状态的CO₂和/或NH₃即可实现微孔发泡。

进一步地，螺杆挤出机还包括设有用于降温降压的气核引发器。气核引发器的上游与螺杆挤出机相连接，下游与混合器相连接。气核引发器设有引发腔，在引发腔的外部设有压力传感器和温度传感器。由此，采用降温、降压形式的气核引发器可防止聚乳酸熔体的降解。

进一步地，在成型模头的上游设有分流器，分流器的入口端与增压泵流道出口连接，出口端与成型模头的入口连接。由此，经增压泵流道出口流出的聚乳酸熔体由分流器分流并引导至成型模头中。

进一步地，成型模头包括模头壳体、芯棒以及定径套。芯棒的第一端位于模头壳体内，第二端延伸至模头壳体外并与调节器连接。定径套沿周向套设于模头壳体的外壁。由此，调节器在成型模头的外部支撑及调整芯棒与定径套的同心度，保证产品的厚度均匀一致。优选地，定径套与芯棒均采用水冷式，这样既可控制气泡大小，又可防止聚乳酸在成型时气泡在其外表面破裂，保证最终产品外表面的完整性。

进一步地，分流器包括芯部与套在芯部外侧的套管。芯部与套管之间形成有分流器通道，在分流器通道中沿周向上均匀分布有多个分流筋，且与芯棒的第一端相连。由此，分流筋位于聚乳酸熔体进入成型模头前且与芯棒相连，这样既防止了产品结合线的产生又有利于芯棒固定中心。

进一步地，分流器套管的直径大于增压泵流道出口的直径，增压泵流道出口到分流器的入口构造有平滑过渡的斜面，芯部构造有与斜面相平行的锥形凸面。由此，更有利于聚乳酸熔体的流动。

进一步地，模头壳体构造成铃形，模头壳体的内壁与芯棒的第一端之间形成有成型空间，成型空间与分流器通道连通。由此，聚乳酸熔体经分流器通道流入成型空间内，经定径套与芯棒水冷，成型为近似铃形的管状产品。

进一步地，在成型模头的下游还包括依次连接的风冷器、旋转切刀、牵引机以及成卷机。由此，管状聚乳酸产品经风冷器进一步冷却后，由旋转切刀剖切展开形成板材。牵引机将聚乳酸板材牵引拉伸，最后由成卷机卷装成卷。

本发明的有益效果为：(1)由于以超临界流体状态的惰性气体为发泡剂，简化了生产装置的复杂度；且制备出的聚乳酸微孔板材不含有额外的化合物，具有更高的使用安全性；(2)通过设置气核引发器、铃形成型模头以及水冷式定径套和芯棒，保证了生产出的聚乳酸微孔板材在储存运输或包装时具有更好的抗机械变形能力和热稳定性。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为本发明实施例的制备聚乳酸微孔板材的生产装置的结构示意图；

图2为图1的局部放大示意图；

图3为图1的另一局部放大示意图；

图4为本发明实施例的生产装置的成型模头、风冷器以及旋转切刀的示意图；

图5为本发明实施例的生产装置的分流器的结构示意图；

图6为图5的D-D剖面的结构示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种用于制备聚乳酸微孔板材的生产装置100，包括依次连接的螺杆挤出机1、气核引发器2、静态混合器3、计量增压泵4、成型模头5、风冷器6、旋转切刀7、牵引机8以及成卷机9。

在本发明的一个具体实施例中，如图2所示，螺杆挤出机1包括螺杆16以及套在螺杆16外面的螺杆套筒15。在螺杆挤出机1的上游设有物料进口12，下游设有动态混合头19。在物料进口12与动态混合头19之间的螺杆套筒15的壁上设有发泡剂进口17。物料进口12的上游为螺杆传动装置11。在螺杆套筒15的外壁上套设有多个加热器c，在多个加热器c的间隙之间设置有温度传感器a和压力传感器b。优选地，生产装置采用单台、单螺杆完成聚乳酸切片的熔融。超临界流体状态的惰性气体CO₂和NH₃作为发泡剂从发泡剂进口17通入螺杆挤出机1内部。在发泡剂进口17的螺杆上装有销钉，以利于发泡剂与聚乳酸熔体的初步混合形成混合体。

在本发明的一个具体实施例中，如图2所示，用于降温降压的气核引发器2设置于螺杆挤出机1的下游。气核引发器2设有引发腔23，在引发腔23的外部设有温度传感器a、压力传感器b以及加热器c。在气核引发器2的下游依次设有静态混合器3和计量增压泵4。根据具体的需要，在静态混合器3和计量增压泵4的外部同样设置有多个温度传感器a、压力传感器b以及加热器c。静态混合器3包括混合腔33，聚乳酸熔体与发泡剂在混合腔33内进一步混合，使熔体内的气核分布更加均匀。计量增压泵4由泵座41和泵体44组成。采用计量增压泵4可以将含有大量气核的熔体输入成型模头5。在这种情况下，既保证了熔体输出量的稳定，又保证了计量增压泵4前后压力的稳定。泵前压力的稳定即气核引发器2内压力的稳定；泵后压力的稳定即保证聚乳酸成品气泡形态的稳定。

在本发明的一个具体实施例中，如图3所示，在计量增压泵4的下游依次设有成型模头5、风冷器6、旋转切刀7、牵引机8以及成卷机9。聚乳酸熔体经计量增压泵4流入成型模头5内，成型为管状聚乳酸产品经风冷器6进一步冷却后，由旋转切刀7剖切展开形成板材。牵引机8将聚乳酸板材牵引拉伸，最后由成卷机9卷装成卷。优选地，牵引机8采用三辊形式，包角大便于增加张力。在熔体挤出成型模头5的同时，由牵引机8施以一定的牵引力，确保固化成形的片材具有双向拉伸张力和稳定的尺寸，大大提高了产品的物理机械性能。

在本发明的一个具体实施例中，如图3至5所示，在成型模头5的上游设有分流器A。分流器A的入口端与增压泵流道出口连接，出口端与成型模头5的入口连接。如图4所示，成型模头5包括模头壳体51、芯棒53以及定径套52。芯棒53的第一端位于模头壳体51内，第二端延伸至模头壳体51外并与调节器54连接。在芯棒53的第二端部设有冷却水出口57、58。定径套52沿周向套设于模头壳体51的外壁。优选地，定径套52与芯棒53均采用水冷式，这样既可控制发泡剂的气泡大小，又可防止聚乳酸在成型时气泡在其外表面破裂，保证最终产品外表面的完整性。另外，底座59装有滑轮60，可消除热应力对成型摸头5等构件的影响。

在本发明的一个具体实施例中，如图5和6所示，分流器A包括芯部20与套在芯部20外侧的套管21。芯部20与套管21之间形成有分流器通道E，在分流器通道E中沿周向上均匀分布有多个分流筋22，且与芯棒53的第一端相连。分流器套管21的直径大于增压泵流道出口(未视出)的直径。增压泵流道出口到分流器的入口构造有平滑过渡的斜面24，芯部20构造有与斜面24相平行的锥形凸面24’。优选地，模头壳体51构造成铃形，模头壳体51的内壁与芯棒53的第一端之间形成有成型空间F，成型空间F与所述分流器通道E连通。

下面对本发明的用于制备聚乳酸微孔板材的生产装置的使用过程进行说明。

首先，将经过干燥的聚乳酸切片与适量的成核剂(纳米级滑石粉、硅酸钙等)按比例(1-5wt％)完成混合干燥，混合均匀后从物料进口12进入螺杆挤压机1，这时螺杆套筒15各段根据工艺要求已由加热器c加热到设定的工艺温度。各段工艺温度由温度传感器a检测，闭环控制生产。

随后，混合均匀的聚乳酸切片及成核剂随着螺杆16的转动向前推进，同时温度逐步升高直至熔融形成聚乳酸熔体。熔体在螺杆内向前推进的过程中将压力也逐步提高。在发泡剂进口17通入适量的超临界状态的物理发泡剂，例如，CO₂和/或NH₃气体。发泡剂的压力根据压力传感器b检测到的熔体压力值来确定。发泡剂进入螺杆后与熔体经过初混形成两相混合体，当两相混合体到达动态混合头19后，在一定的温度和压力的作用下，经过动态混合头19的剪切混合，发泡剂溶解到聚乳酸熔体中，最终形成聚乳酸熔体与发泡剂的均相体。

当聚乳酸熔体与发泡剂的均相体进入气核引发器2的引发腔23后，由于瞬间压力降及温度的变化，使得聚乳酸熔体与气体的均相体处于力学不稳定状态而引发生成足够数目的气核。含有大量气核的聚乳酸熔体进入静态混合器3的混合腔33混合，使得气核分布更均匀。然后通过计量增压泵4计量，增压输送到成型模头5。

最后，当含有大量气核的聚乳酸熔体进入成型模头5挤出后，由于压力的释放导致气核长大形成气泡；又由于定径套52及芯棒53的快速冷却，使气泡迅速固化定型，随后挤出形成微孔固体管材。微孔管材再经过风冷器6进一步冷却后经旋转切刀7剖切展平之后由牵引机8牵引拉伸，最后由成卷机9卷装成卷。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种用于制备聚乳酸微孔板材的生产装置，包括螺杆挤出机，其特征在于，所述螺杆挤出机包括螺杆以及套在所述螺杆外面的螺杆套筒；

在所述螺杆挤出机的上游设有物料进口，下游设有动态混合头；

在所述物料进口与所述动态混合头之间的螺杆套筒的中部区域的壁上设有发泡剂进口。

2.根据权利要求1所述的生产装置，其特征在于，所述发泡剂包括：超临界状态的CO₂和/或NH₃。

3.根据权利要求1所述的生产装置，其特征在于，还包括气核引发器；所述气核引发器的引发腔的上游与螺杆挤出机相连通，下游与混合器相连通。

4.根据权利要求3所述的生产装置，其特征在于，在所述引发腔的外部设有压力传感器和温度传感器。

5.根据权利要求1所述的生产装置，其特征在于，在所述成型模头的上游设有分流器；所述分流器的入口与增压泵流道出口连通；出口与所述成型模头的入口连通。

6.根据权利要求5所述的生产装置，其特征在于，所述成型模头包括模头壳体、芯棒以及定径套；

所述芯棒的第一端位于模头壳体内，第二端延伸至模头壳体外并与调节器连接；

所述定径套沿周向套设于模头壳体的外壁。

7.根据权利要求6所述的生产装置，其特征在于，所述分流器包括芯部与套在所述芯部外侧的套管；

所述芯部与套管之间形成有分流器通道，在所述分流器通道中沿周向上均匀分布有多个分流筋，且与所述芯棒的第一端相连。

8.根据权利要求7所述的生产装置，其特征在于，所述分流器套管的直径大于所述增压泵流道出口的直径；

所述增压泵流道出口到所述分流器的入口构造有平滑过渡的斜面；

所述芯部构造有与所述斜面相平行的锥形凸面。

9.根据权利要求8所述的生产装置，其特征在于，所述模头壳体构造成半椭球形，所述模头壳体的内壁与所述芯棒的第一端之间形成有成型空间，所述成型空间与所述分流器通道连通。

10.根据权利要求1所述的生产装置，其特征在于，在所述成型模头的下游还包括依次连接的风冷器、旋转切刀、牵引机以及成卷机。