CN109177237A - 一种可连续在线加工聚合物复合材料的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可连续在线加工聚合物复合材料的设备，包括：等离子体处理装置，用于处理增强材料，以使增强材料的表面产生凹陷孔而增加增强材料与聚合物熔体的接触面积；聚合物挤出机，其进料端与等离子体处理装置的输出端连通，用于接收等离子体处理装置处理后的增强材料；超声波处理装置，设于聚合物挤出机挤出方向的下游，用于处理熔融状态的复合材料混合物，促进增强材料在熔融态聚合物中的分散状态并改善聚合物的流变性能；控制单元，分别与等离子体处理装置和超声波处理装置通信连接。本可连续在线加工聚合物复合材料的设备，可连续在线加工聚合物复合材料。本发明还公开了一种可连续在线加工聚合物复合材料的方法。

Description

一种可连续在线加工聚合物复合材料的设备和方法

技术领域

本发明涉及聚合物复合材料技术领域，具体涉及一种可连续在线加工聚合物复合材料的设备和方法。

背景技术

目前，聚合物复合材料是实现汽车轻量化的主要材料之一，提高聚合物复合材料的性能是聚合物复合材料研究中的重要目标。其中界面增强是实现聚合物复合材料增强的重要方式，而利用(聚合物)挤出机加工聚合物实现复合材料增强主要通过两种方式实现：一种是物理处理，即通过各种物理手段预先对增强材料蚀刻，以提高增强材料与聚合物的接触面积，然后把准备好的增强材料倒入专用加料口，缺点是不能够连续加料，无法满足工业连续化生产需求；另一种是化学处理，即通过添加特定的化学偶联剂预先对增强材料进行处理，使材料表面附有与聚合物亲近的化学基团，从而提高增强材料与聚合物之间的界面强度，缺点是不同的聚合物需要不同的偶联剂，选择自由度低，对人体及环境有一定的危害。以上两种方式都是提前预先处理，无法在线实时连续化生产。

发明内容

为克服现有的聚合物复合材料加工技术无法实现连续在线加工的技术问题，本发明提供一种可连续在线加工聚合物复合材料的设备和方法。

为实现上述目的，本发明所提供的一种可连续在线加工聚合物复合材料的设备，包括：

等离子体处理装置，用于处理增强材料，以使增强材料的表面产生凹陷孔而增加增强材料与聚合物熔体的接触面积，从而使增强材料与聚合物熔体的界面强度提高；

聚合物挤出机，其进料端与所述等离子体处理装置的输出端连通，用于接收所述等离子体处理装置处理后的增强材料；

超声波处理装置，设于所述聚合物挤出机挤出方向的下游，用于处理熔融状态的复合材料混合物，促进增强材料在熔融态聚合物中的分散状态并改善聚合物的流变性能；

控制单元，分别与所述等离子体处理装置和所述超声波处理装置通信连接，以控制所述等离子体处理装置喷射等离子的强度和所述超声波处理装置的发射超声功率。

上述可连续在线加工聚合物复合材料的设备中，所述等离子体处理装置包括等离子主机、用于放置增强材料的金属履带、用于处理所述金属履带上的增强材料的等离子处理单元、用于改变所述等离子处理单元相对所述金属履带上的增强材料的位置的移动单元、用于为所述移动单元的运动提供动力的动力单元、用于安装所述移动单元和动力单元的支撑单元、用于将所述等离子处理单元处理后的增强材料收集并传送至所述聚合物挤出机的进料端的收料单元；

所述控制单元与所述等离子主机连接以控制所述等离子处理单元喷射等离子的强度；所述等离子处理单元设于所述移动单元上；所述动力单元与所述移动单元动力连接并可驱动所述移动单元运动，以改变所述等离子处理单元相对所述金属履带上的增强材料的位置。

上述可连续在线加工聚合物复合材料的设备中，所述等离子处理单元包括用于处理所述金属履带上的增强材料的等离子喷头、用于使所述等离子喷头与所述等离子主机连接的等离子喷管；所述等离子喷头设于所述移动单元上；

所述动力单元与所述移动单元动力连接并可驱动所述移动单元运动，以使所述等离子喷头不仅能相对所述金属履带上下运动，也能相对所述金属履带上的增强材料的传送方向的垂直方向进行往复移动。

上述可连续在线加工聚合物复合材料的设备中，所述移动单元包括安装在所述支撑单元上且能相对所述金属履带上下运动的第一滑杠、安装在所述第一滑杠上且能在所述第一滑杠上相对所述金属履带上的增强材料的传送方向的垂直方向进行往复移动的第二滑杠；

所述等离子喷头设于所述第二滑杠上；

所述动力单元包括与所述第一滑杠动力连接的第一伺服电机、与所述第二滑杠动力连接的第二伺服电机。

上述可连续在线加工聚合物复合材料的设备中，所述超声波处理装置包括超声波激发器、超声波探头和连接线；

所述超声波探头安装于所述聚合物挤出机的出料端并通过所述连接线与所述超声波激发器相连；所述超声波激发器发射的超声波经所述超声波探头射入聚合物复合材料熔体，超声波在聚合物复合材料熔体内部产生高频振动；

所述控制单元与所述超声波激发器连接以控制所述超声波激发器的发射超声功率。

上述可连续在线加工聚合物复合材料的设备中，所述超声波探头的外部罩设有外罩。

为了解决相同的技术问题，本发明还提供了一种可连续在线加工聚合物复合材料的方法，包括如下步骤：

S1、将增强材料置于等离子体处理装置上，通过控制单元对等离子体处理装置喷射等离子的强度进行控制，对增强材料进行等离子处理，使增强材料的表面产生凹陷孔而增加增强材料与聚合物熔体的接触面积，从而使增强材料与聚合物熔体的界面强度提高；

S2、将经过等离子体处理装置处理后的增强材料传送到聚合物挤出机内，增强材料经聚合物挤出机处理后形成熔融状态的复合材料混合物并被传送到聚合物挤出机挤出方向的下游；

S3、超声波处理装置对熔融状态的复合材料混合物进行处理，以促进增强材料在熔融态聚合物中的分散状态并改善聚合物的流变性能，超声波处理装置的发射超声功率由控制单元控制。

上述可连续在线加工聚合物复合材料的方法中，所述步骤S1具体为：

S11、将增强材料置于等离子体处理装置的金属履带上，控制单元通过等离子体处理装置的等离子主机控制等离子处理单元喷射等离子的强度，等离子处理单元对金属履带上的增强材料进行等离子处理；在此过程中，等离子体处理装置的动力单元根据加工需要驱动移动单元运动，使等离子处理单元相对金属履带上的增强材料的位置发生改变，以实现增强材料的处理可连续化、强度可控化；

S12、等离子体处理装置的收料单元将等离子处理单元处理后的增强材料收集并传送至聚合物挤出机的进料端。

上述可连续在线加工聚合物复合材料的方法中，所述步骤S3具体为：

控制单元控制超声波处理装置的超声波激发器的发射超声功率，超声波激发器发射的超声波经超声波探头射入聚合物复合材料熔体，超声波在聚合物复合材料熔体内部产生高频振动，以提高增强材料的均匀分散性、聚合物复合材料的可加工性，并降低聚合物基体的黏度，实现聚合物复合材料的连续在线加工。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

由于等离子体处理装置和超声波处理装置均由控制单元控制，本发明的设备和方法能够持续稳定的对聚合物复合材料进行加工，即可实现聚合物复合材料的连续在线加工，本发明的加工方式简单、环保、易控；本发明的设备和方法克服了传统界面增强方法在聚合物复合材料在线加工过程的限制，解决了传统界面增强方法只能离线小批量加工、使用复杂等技术问题，拓展了复合材料加工领域的范围；本发明的设备和方法适合大规模工业化生产，对聚合物加工工程的技术发展以及汽车零部件材料轻量化具有现实意义。

附图说明

图1是本发明实施例的可连续在线加工聚合物复合材料的设备的结构示意图；

图2是本发明实施例的等离子体处理装置的结构示意图。

其中，1、主进料口；2、侧进料口；3、聚合物挤出机；4、超声波探头；5、外罩；6、连接线；7、超声波激发器；8、控制单元；9、等离子主机；10、等离子喷管；11、金属履带；12、支撑单元；13、第二滑杠；14、第二伺服电机；15、第一滑杠；17、第一伺服电机；18、等离子喷头；19、收料单元；20、传送带。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

结合图1和图2所示，本发明所提供的一种可连续在线加工聚合物复合材料的设备，包括：

等离子体处理装置，用于处理增强材料，以使增强材料的表面产生凹陷孔而增加增强材料与聚合物熔体的接触面积，从而使增强材料与聚合物熔体的界面强度提高；

聚合物挤出机3，其进料端与等离子体处理装置的输出端连通，用于接收等离子体处理装置处理后的增强材料；

超声波处理装置，设于聚合物挤出机3挤出方向的下游，用于处理熔融状态的复合材料混合物，促进增强材料在熔融态聚合物中的分散状态并改善聚合物的流变性能；

控制单元8，分别与等离子体处理装置和超声波处理装置通信连接，以控制等离子体处理装置喷射等离子的强度和超声波处理装置的发射超声功率。

本发明设备的加工对象是聚合物复合材料；具体地，等离子体处理装置的加工对象是增强材料，用于改善增强材料的微观界面结构；超声波处理装置的加工对象是聚合物熔体，用于改善增强材料的分散行为。

结合图1和图2所示，优选地，等离子体处理装置包括等离子主机9、用于放置并传送待处理的增强材料的金属履带11、用于处理金属履带11上的增强材料的等离子处理单元、用于改变等离子处理单元相对金属履带11上的增强材料的位置的移动单元、用于为移动单元的运动提供动力的动力单元、用于安装移动单元和动力单元的支撑单元12、用于将等离子处理单元处理后的增强材料收集并传送至聚合物挤出机3的进料端的收料单元19；收料单元19具有实现对金属履带11上分布的增强材料进行收集、以利于传送至聚合物挤出机3的进料端的功能；

控制单元8与等离子主机9连接以控制等离子处理单元喷射等离子的强度；等离子处理单元设于移动单元上；动力单元与移动单元动力连接并可驱动移动单元运动，以改变等离子处理单元相对金属履带11上的增强材料的位置。

结合图1和图2所示，优选地，等离子处理单元包括用于处理金属履带11上的增强材料的等离子喷头18、用于使等离子喷头18与等离子主机9连接的等离子喷管10；等离子喷头18设于移动单元上；优选地，金属履带11位于等离子喷头18的正下方；

动力单元与移动单元动力连接并可驱动移动单元运动，以使等离子喷头18不仅能相对金属履带11上下运动(图1和图2中的Z轴方向运动)，也能相对金属履带11上的增强材料的传送方向的垂直方向进行往复移动(图1和图2中的Y轴方向运动)。

结合图1和图2所示，优选地，移动单元包括安装在支撑单元12上且能相对金属履带11上下运动的第一滑杠15、安装在第一滑杠15上且能在第一滑杠15上相对金属履带11上的增强材料的传送方向的垂直方向进行往复移动的第二滑杠13；

等离子喷头18设于第二滑杠13上；

动力单元包括与第一滑杠15动力连接的第一伺服电机17、与第二滑杠13动力连接的第二伺服电机14；

这样可以使得等离子喷头18在三维空间内移动，不仅使等离子喷头18突破了空间的限制，也使等离子喷头18移动速度及等离子喷头18与增强材料的距离精确可调，实现对增强材料进行精确的等离子处理，使增强材料的处理可连续化，强度可控化。

如图1所示，聚合物挤出机3的进料端包括两个进料口，分别为主进料口1和侧进料口2；优选地，聚合物挤出机3的侧进料口2与等离子体处理装置的输出端连通；其中，等离子体处理装置的输出端位于收料单元19的末端。优选地，控制单元8为计算机。

如图1所示，优选地，聚合物挤出机3的侧进料口2与等离子体处理装置的输出端通过传送带20连通。

如图1所示，优选地，超声波处理装置包括超声波激发器7、超声波探头4和连接线6；

超声波探头4安装于聚合物挤出机3的出料端并通过连接线6与超声波激发器7相连；超声波激发器7发射的超声波经超声波探头4射入聚合物复合材料熔体，超声波在聚合物复合材料熔体内部产生高频振动，这样能够提高增强材料的均匀分散性，降低聚合物基体的黏度，从而进一步提高聚合物复合材料的可加工性以及产品的最终性能，实现聚合物复合材料的连续在线加工；

控制单元8与超声波激发器7连接以控制超声波激发器7的发射超声功率。

如图1所示，优选地，超声波探头4的外部罩设有外罩5。

本发明还提供了一种可连续在线加工聚合物复合材料的方法，包括如下步骤：

S1、将增强材料置于等离子体处理装置上，通过控制单元8对等离子体处理装置喷射等离子的强度进行控制，对增强材料进行等离子处理，使增强材料的表面产生凹陷孔而增加增强材料与聚合物熔体的接触面积，从而使增强材料与聚合物熔体的界面强度提高；

S2、将经过等离子体处理装置处理后的增强材料传送到聚合物挤出机3内，增强材料经聚合物挤出机3处理后形成熔融状态的复合材料混合物并被传送到聚合物挤出机3挤出方向的下游；

S3、超声波处理装置对熔融状态的复合材料混合物进行处理，以促进增强材料在熔融态聚合物中的分散状态并改善聚合物的流变性能，超声波处理装置的发射超声功率由控制单元8控制。

优选地，所述步骤S1具体为：

S11、将增强材料置于等离子体处理装置的金属履带11上，控制单元8通过等离子体处理装置的等离子主机9控制等离子处理单元喷射等离子的强度，等离子处理单元对金属履带11上的增强材料进行等离子处理；在此过程中，等离子体处理装置的动力单元根据加工需要驱动移动单元运动，使等离子处理单元相对金属履带11上的增强材料的位置发生改变，以实现增强材料的处理可连续化、强度可控化；

S12、等离子体处理装置的收料单元19将等离子处理单元处理后的增强材料收集并传送至聚合物挤出机3的进料端。

优选地，所述步骤S3具体为：

控制单元8控制超声波处理装置的超声波激发器7的发射超声功率，超声波激发器7发射的超声波经超声波探头4射入聚合物复合材料熔体，超声波在聚合物复合材料熔体内部产生高频振动，以提高增强材料的均匀分散性、聚合物复合材料的可加工性，并降低聚合物基体的黏度，实现聚合物复合材料的连续在线加工。

综上，本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

由于等离子体处理装置和超声波处理装置均由控制单元8控制，本发明的设备和方法能够持续稳定的对聚合物复合材料进行加工，即可实现聚合物复合材料的连续在线加工，本发明的加工方式简单、环保、易控；本发明的设备和方法克服了传统界面增强方法在聚合物复合材料在线加工过程的限制，解决了传统界面增强方法只能离线小批量加工、使用复杂等技术问题，拓展了复合材料加工领域的范围；本发明的设备和方法适合大规模工业化生产，对聚合物加工工程的技术发展以及汽车零部件材料轻量化具有现实意义。

而且，本发明方法能研究聚合物填充体系中聚合物熔体的流变性能、增强材料的表观及分散行为。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种可连续在线加工聚合物复合材料的设备，其特征在于，包括：

等离子体处理装置，用于处理增强材料，以使增强材料的表面产生凹陷孔而增加增强材料与聚合物熔体的接触面积，从而使增强材料与聚合物熔体的界面强度提高；

聚合物挤出机，其进料端与所述等离子体处理装置的输出端连通，用于接收所述等离子体处理装置处理后的增强材料；

超声波处理装置，设于所述聚合物挤出机挤出方向的下游，用于处理熔融状态的复合材料混合物，促进增强材料在熔融态聚合物中的分散状态并改善聚合物的流变性能；

控制单元，分别与所述等离子体处理装置和所述超声波处理装置通信连接，以控制所述等离子体处理装置喷射等离子的强度和所述超声波处理装置的发射超声功率。

2.如权利要求1所述的可连续在线加工聚合物复合材料的设备，其特征在于，所述等离子体处理装置包括等离子主机、用于放置增强材料的金属履带、用于处理所述金属履带上的增强材料的等离子处理单元、用于改变所述等离子处理单元相对所述金属履带上的增强材料的位置的移动单元、用于为所述移动单元的运动提供动力的动力单元、用于安装所述移动单元和动力单元的支撑单元、用于将所述等离子处理单元处理后的增强材料收集并传送至所述聚合物挤出机的进料端的收料单元；

所述控制单元与所述等离子主机连接以控制所述等离子处理单元喷射等离子的强度；所述等离子处理单元设于所述移动单元上；所述动力单元与所述移动单元动力连接并可驱动所述移动单元运动，以改变所述等离子处理单元相对所述金属履带上的增强材料的位置。

3.如权利要求2所述的可连续在线加工聚合物复合材料的设备，其特征在于，所述等离子处理单元包括用于处理所述金属履带上的增强材料的等离子喷头、用于使所述等离子喷头与所述等离子主机连接的等离子喷管；所述等离子喷头设于所述移动单元上；

所述动力单元与所述移动单元动力连接并可驱动所述移动单元运动，以使所述等离子喷头不仅能相对所述金属履带上下运动，也能相对所述金属履带上的增强材料的传送方向的垂直方向进行往复移动。

4.如权利要求3所述的可连续在线加工聚合物复合材料的设备，其特征在于，所述移动单元包括安装在所述支撑单元上且能相对所述金属履带上下运动的第一滑杠、安装在所述第一滑杠上且能在所述第一滑杠上相对所述金属履带上的增强材料的传送方向的垂直方向进行往复移动的第二滑杠；

所述等离子喷头设于所述第二滑杠上；

所述动力单元包括与所述第一滑杠动力连接的第一伺服电机、与所述第二滑杠动力连接的第二伺服电机。

5.如权利要求1或2所述的可连续在线加工聚合物复合材料的设备，其特征在于，所述超声波处理装置包括超声波激发器、超声波探头和连接线；

所述超声波探头安装于所述聚合物挤出机的出料端并通过所述连接线与所述超声波激发器相连；所述超声波激发器发射的超声波经所述超声波探头射入聚合物复合材料熔体，超声波在聚合物复合材料熔体内部产生高频振动；

所述控制单元与所述超声波激发器连接以控制所述超声波激发器的发射超声功率。

6.如权利要求5所述的可连续在线加工聚合物复合材料的设备，其特征在于，所述超声波探头的外部罩设有外罩。

7.一种可连续在线加工聚合物复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将增强材料置于等离子体处理装置上，通过控制单元对等离子体处理装置喷射等离子的强度进行控制，对增强材料进行等离子处理，使增强材料的表面产生凹陷孔而增加增强材料与聚合物熔体的接触面积，从而使增强材料与聚合物熔体的界面强度提高；

S2、将经过等离子体处理装置处理后的增强材料传送到聚合物挤出机内，增强材料经聚合物挤出机处理后形成熔融状态的复合材料混合物并被传送到聚合物挤出机挤出方向的下游；

S3、超声波处理装置对熔融状态的复合材料混合物进行处理，以促进增强材料在熔融态聚合物中的分散状态并改善聚合物的流变性能，超声波处理装置的发射超声功率由控制单元控制。

8.如权利要求7所述的可连续在线加工聚合物复合材料的方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

S11、将增强材料置于等离子体处理装置的金属履带上，控制单元通过等离子体处理装置的等离子主机控制等离子处理单元喷射等离子的强度，等离子处理单元对金属履带上的增强材料进行等离子处理；在此过程中，等离子体处理装置的动力单元根据加工需要驱动移动单元运动，使等离子处理单元相对金属履带上的增强材料的位置发生改变，以实现增强材料的处理可连续化、强度可控化；

S12、等离子体处理装置的收料单元将等离子处理单元处理后的增强材料收集并传送至聚合物挤出机的进料端。

9.如权利要求7所述的可连续在线加工聚合物复合材料的方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

控制单元控制超声波处理装置的超声波激发器的发射超声功率，超声波激发器发射的超声波经超声波探头射入聚合物复合材料熔体，超声波在聚合物复合材料熔体内部产生高频振动，以提高增强材料的均匀分散性、聚合物复合材料的可加工性，并降低聚合物基体的黏度，实现聚合物复合材料的连续在线加工。