CN109927192A - 一种协同制备超高粘度聚合物共混物的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种协同制备超高粘度聚合物共混物的方法与装置。该方法物料在体积周期性变化中做循环压缩与膨胀流动，受到与沿流动方向一致的体积拉伸应力作用，在垂直流动方向通过设置在偏心定子通孔上的超声装置叠加超声波振动，实现振动剪切应力与体积拉伸应力协同作用的高分子材料混合。该装置的转子轴上径向设有矩形通槽，滑板置于转子轴的径向矩形通槽中，容积封闭空间被滑板分成周期性变化的两部分，两部分由过料槽连通；传振杆与超声波发生器连接；传振杆通过法兰盘及法兰安装在偏心定子上的通孔中。本发明强化了混合过程中的传质、传热过程，具有混合装置结构简单、混合效率高、混合性能好以及自清洁等特点。

Description

一种协同制备超高粘度聚合物共混物的方法与装置

技术领域

本发明涉及一种聚合物共混物的制备，特别是涉及一种通过正应力与振动剪切应力协同制备超高粘度聚合物共混物的方法与装置。

技术背景

超高粘度聚合物由于其分子量极高而具有优异性能。如超高分子量聚乙烯具有制品力学强度高、耐磨性能优异、质轻、环保、吸水率低等特点，广泛应用于纺织、造纸、食品机械、运输、冶金、煤炭等领域，但其也有热变形温度低、热稳定性差、蠕变性能差等不足，限制了其进一步推广应用。为了克服这些缺点，常用的方法是将普通的聚合物、填料及各种助剂等与超高粘度聚合物共混，从而提高制品的综合性能。

混合方法及相应装置对混合效率的提高、混合性能的改善及制品性能的优化影响巨大。高分之材料共混设备的发展经历了间歇式混合和连续式混合两个发展阶段。间歇式混合设备主要包括开炼机、密炼机、捏炼机等，而连续式混炼设备主要有单螺杆挤出机，以及在单螺杆挤出机的基础上发展而来的双螺杆挤出机、多螺杆挤出机等。螺杆式混合设备在混合过程中物料主要受到剪切形变作用，物料的流动方向与速度梯度方向垂直，从而造成：(1)填料在流动中自旋转运动，混合效率低，效果差；(2)高剪切作用易造成局部高温，造成物料降解甚至热分解，同时混合过程中物料的温度控制困难；(3)对大长径比填料如碳纳米管、玻璃纤维材料的折断等破坏严重；(4)比能耗高，驱动负载大。为了提高混合装置的混合效率及改善混合效果，相关领域的技术人员对成型设备及混合装置的几何结构进行改进，如在成型设备或模具中产生截面面积变化的流道，使物料受到压缩/膨胀作用，从而强化拉伸形变的作用以提高混合效率与效果，在一定程度上起到了积极作用。

然而，上述现有方法中物料在混合过程中依然由剪切应力/剪切形变支配，是以剪切形变为主的混合过程，对粘度较低的常规聚合物体系的混合效率及效果的改善起到了一定的积极作用，但对流动性差、分子链缠结密度高的超高粘度聚合物体系其影响非常有限。

发明内容

本发明旨在解决目前混合设备混合效率低、无法有效混合超高粘度聚合物体系的问题，提供一种利用体积拉伸应正应力与超声波振动剪切应力协同作用的制备超高粘度聚合物共混物的方法与装置，达到提高混合效果的目的。

本发明利用体积拉伸应正应力与超声波振动剪切应力协同作用，将超声波的微观空化作用及宏观的体积拉伸形变作用相耦合，实现超声振动辅助的分子链解缠结与体积拉伸形变支配的高效分散相互协同，极大提高填料在基体中的分散与分布效果，从而达到提高制品性能的目的。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种制备超高粘度聚合物共混物的方法：物料通过料斗进入转子轴与偏心定子内腔偏心的混合装置中，通过设置在转子轴径向通孔内的滑板分隔成体积周期性由大变小的排料区及由小变大的加料区，物料在体积周期性变化中做循环压缩与膨胀流动，受到与沿流动方向一致的体积拉伸应力作用，在垂直流动方向通过设置在偏心定子通孔上的超声波装置叠加超声波振动，实现振动剪切应力与体积拉伸应力协同作用的高分子材料混合。

实现上述述方法的制备超高粘度聚合物共混物的装置，主要包括驱动电机、减速箱、转子轴、偏心定子、加热器、排料盖、端盖和料斗；所述端盖和排料盖设置在偏心定子两端；料斗设置在偏心定子的前端；加热器固定在偏心定子的外表面，驱动电机与减速箱同轴安装连接；转子轴一端安装在减速箱的传动轴内，另一端置于偏心定子的内腔中，转子轴与偏心定子的内腔偏心；由转子轴的外表面、偏心定子内腔、排料盖及端盖形成封闭的密炼室；所述装置还包括滑板、超声波探头以及超声波发生器；所述转子轴上径向设有矩形通槽，滑板置于转子轴的径向矩形通槽中，滑板的两顶端分别与偏心定子内腔接触，密炼室空间被滑板分成体积周期性变化的两部分，两部分由过料槽连通；超声波探头与传振杆连接，传振杆与超声波发生器连接；传振杆通过法兰盘及法兰安装在偏心定子上的通孔中，超声波探头通过所述通孔深入到偏心定子的内腔并与过料槽内的熔体直接接触；弹性密封件安装在传振杆上的法兰盘及法兰之间的圆环槽内。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述转子轴与偏心定子的内腔偏心的偏心距为e，偏心距e<4mm。

优选地，所述滑板的长度小于偏心定制的内腔直径。

优选地，所述超声波的振动频率为20-40KHZ，超声波发生器功率为100-1200W可调。

优选地，所述超声波探头与传振杆螺纹连接。

优选地，所述端盖通过螺钉固定在减速箱的端盖上。

优选地，所述加热器通过螺钉固定在偏心定子的外表面。

优选地，所述偏心定子、排料盖通过螺钉固定安装端盖上。

优选地，所述法兰盘及法兰通过螺钉连接在偏心定子上。

本发明通过滑板将混炼室分隔成体积周期性由大变小的排料区及由小变大的加料区，由过料槽将排料区与加料区连通，转子轴旋转时，混炼室中的物料在滑板的挤压作用下沿径向作周期性压缩与膨胀流动，物料主要受到体积拉伸应力作用，实现物料在混炼室中的循环流动与熔融塑化混合。本发明由置于圆柱形内腔偏心定子的内腔中并与偏心定子偏心的圆柱形转子轴、布置在转子轴上的径向矩形截面通槽中有滑板，以及布置在偏心定子两端的压盖、排料盖组成混合系统。

本发明物料在混合室中沿径向(旋转方向)作周期性变化的收敛与发散流动，物料受到反复的压缩与膨胀作用，其流动方向与速度梯度方向基本一致；同时，通过超声波探头将超声波发生器产生的超声波振动垂直叠加到熔体的流动方向，实现正应力与超声波振动剪切应力协同作用的塑化混合。

采用具有圆柱形内腔的空心偏心定子、置于定子内腔中并与定子偏心的圆柱形转子轴、布置在转子轴的径向矩形截面通槽中的滑板以及在定子两侧布置并与定子同心安装的端盖与排料盖等零件组成滑板式混合系统。该滑板式混合系统中，转子轴与偏心定子的偏心距可以改变，其值大于0并小于偏心定子内腔半径与转子轴半径之差；偏心定子内表面、转子外表面、端盖及排料盖围成具有一定几何形状的空间，该空间容积被滑板分隔成两部分。转子轴旋转时，滑板随转子轴旋转的同时在转子轴的矩形截面通槽中窜动，将上述空间中分隔成空间容积由小变大及空间容积由大变小的两部分。空间容积由小变大的区域称为加料区，相应地，空间容积由大变小的区域称为排料区。在排料区，由于空间容积不断缩小，物料主要受到压缩作用；在加料区，空间容积不断增大，物料因压力释放而膨胀；同时在偏心定子内腔与转子轴靠近的位置开设有过料槽，使得加料区与排料区相互连通，在滑板的挤压作用下实现物料在加料区与排料区的循环流动，实现正应力支配的塑化混合。将超声波探头安装在偏心定子的过料槽内，使得超声波探头与偏心定子内的熔体直接接触，从而将超声波发生器产生的超声波振动叠加到熔体上，因而熔体受到振动剪切应力作用。新方法及装置协同了脉动剪切形变高效分散混合与体积拉伸形变高效分布混合的优势，提高了混合效率及混合效果。

本发明与现有混合方法及装置相比，具有如下优点：

1、新装置通过振动剪切应力与体积拉伸应力相结合，协同了振动剪切应力支配的高效分散混合与体积拉伸形变支配的高效分布混合，混合效率提高；

2、新装置通过对共混物料的周期性压缩与释放，避免了填料在混合过程中的纯滚动，界面更新快，混合效果好；

3、新装置实现了物料的完全正位移输送，共混物料的性质对输送过程影响小，可用于粘度极高的高分子复合材料体系的混合，对物料适应性广；

4、新装置的混炼室为光滑圆柱面，结构简单，自清洁能力强，混合好的物料无需拆开装置便可从排料盖上的排料口排出，劳动强度降低。

附图说明

图1是本发明制备超高粘度聚合物共混物的装置的结构示意图；

图2是图1的A—A剖视图；

图3是图1的B—B剖视图；

图4是图1中偏心定子内孔上流道形状示意图；

图5是无超声波作用时混合得到的超高分子量聚乙烯/碳纳米管的透射电镜照片；

图6是超声波功率为500w、作用时间为20s时混合得到的超高分子量聚乙烯/碳纳米管复合体系的透射电镜照片；

图7是超声波功率为500w、作用时间为40s时混合得到的超高分子量聚乙烯/碳纳米管复合体系的透射电镜照片；

图8是超声波作用时间为30s、功率为500w时混合得到的超高分子量聚乙烯/碳纳米管复合体系的透射电镜照片；

图9是超声波作用时间为30s、功率为1000w时混合得到的超高分子量聚乙烯/碳纳米管复合体系的透射电镜照片；

图中示出：驱动电机1、减速箱2、转子轴3、偏心定子4、加热器5、排料盖6、端盖7、料斗8、固体物料9、螺钉10、排料孔11、法兰盘及法兰12、滑板13、超声波探头14、传振杆15、弹性密封件16、过料槽17、超声波发生器18。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

实施例1

如图1-图4所示，一种协同制备超高粘度聚合物共混物的装置，主要由驱动电机1、减速箱2、转子轴3、偏心定子4、加热器5、排料盖6、端盖7、料斗8、滑板13、超声波探头14以及超声波发生器18组成；驱动电机1与减速箱2同轴安装连接；端盖7和排料盖6设置在偏心定子两端。加热器5通过螺钉固定在偏心定子4的外表面。端盖7通过螺钉固定在减速箱2的端盖上，偏心定子4、排料盖6通过螺钉10固定安装端盖7上，螺钉10同时穿过排料盖6及偏心定子4固定在端盖7上；排料盖6上设有排料孔11；转子轴3一端安装在减速箱2的传动轴内，并在传动轴的旋转带动下为混合系统提供需要的转速与转矩，另一端置于偏心定子4的内腔中，料斗8设置在偏心定子4的前端；转子轴3与偏心定子4的内腔偏心，其偏心距为e，优选偏心距e<4mm；转子轴3上径向设有矩形通槽，滑板13置于转子轴3的径向矩形通槽中，滑板13的两顶端分别与偏心定子4内腔接触，滑板13的长度小于偏心定制4的内腔直径。转子轴3旋转时，滑板13随转子轴3旋转的同时并在偏心定子4内表面机械力的作用下在转子轴3的径向矩形通槽中窜动。由转子轴3的外表面、偏心定子4内腔、排料盖6及端盖7形成封闭的密炼室，该密炼室被滑板13分成容积周期性变化的两部分，由过料槽17连通；空间容积由大变小的区域称为排料区I，空间容积由小变大的区域称为加料区II；超声波探头14与传振杆15螺纹连接，传振杆15与超声波发生器18连接；传振杆15通过法兰盘及法兰12安装在偏心定子4上的通孔中，超声波探头14通过偏心定子4上的通孔从偏心定子4外表面深入到偏心定子的内腔，并与过料槽17内的熔体直接接触；弹性密封件16安装在传振杆15上的法兰盘及法兰12之间的圆环槽内；弹性密封件16用于防止熔体漏出。法兰盘及法兰12通过螺钉连接在偏心定子4上。

参考图1-图4，塑化混合时驱动电机1带动减速箱2的传动套、转子轴3在偏心定子4的内腔中旋转。由转子轴3的外表面、偏心定子4内腔、排料盖6及端盖7形成密炼室，同时该密炼室被滑板13分成两部分，由过料槽17将上述两部分相连通。转子轴3旋转时，上述两部分空间容积发生由小变大及由大变小的周期性变化，即空间容积由大变小的排料区I和空间容积由小变大的加料区II。经过预混合后的固体物料9从料斗8加入到加料区II内，被加热，并在转子轴3的旋转带动下进入排料区I内逐渐被压缩，再由过料槽回到加料区II，实现物料在密炼室内的循环流动与塑化混合，形成熔体。熔体流动过程中，在排料区I由于空间容积不断缩小，熔体主要受到压缩作用，在加料区，空间容积不断增大，熔体因压力释放而膨胀，实现正应力支配的塑化混合过程。同时由于熔体流经过料槽17时与超声波探头14接触，由超声波发生器18产生的超声波振动通过传振杆15带动超声波探头14叠加到熔体上，将振动剪切应力引入到物料的塑化混合。超声振动剪切应力有利于聚合物分子链的解缠结，提高分散混合效果；而体积拉伸形变有利于促进物料的分布混合，通过将二者进行耦合，实现振动剪切应力与体积拉伸应力协同作用的高分子材料的塑化混炼。物料在混合装置中的流动为完全正位移体积流动，材料特性对物料的流动无影响，尤其适合粘度极高的聚合物共混体系的塑化混合，满足混合要求的物料从排料盖6上的排料口11排出。

利用实施例1的混合装置，对分子量为2.7×10⁶与碳纳米管进行混合实验(重量含量：碳纳米管3％，超高分子量聚乙烯97％)。混合温度为230℃、转子轴转速为40rpm、混合时间为4min以及不同超声波作用条件下制备得到的碳纳米管/超高分子量聚乙烯共混物，选用型号为JEM-1400Plus透射电子显微镜对共混物中碳纳米管的分散状态进行表征。图5-图9分别是无超声波、超声波功率为500w及作用时间为20s、超声波功率为500w及作用时间为40s、超声波作用时间为30s及功率为500w、超声波作用时间为30s及功率为1000w时混合得到的超高分子量聚乙烯/碳纳米管复合体系的透射电镜照片。从图5-图9可以看出，在超声波振动剪切应力与正应力协同作用下，无需添加任何其它助剂的情况下实现了碳纳米管在粘度极高的超高分子量聚乙烯基体中的均匀分散。当没有超声波作用时，由于碳纳米管表面能大，分散困难，大部分碳纳米管团聚在一起，因而基体中可见直径超过1mm的团聚体；对比图5-图7，随着超声作用时间的延长，碳纳米管团聚体的直径逐渐变小，大部分以单根碳纳米管的形式分散在基体中；对比图5、图8、图9碳纳米管团聚体的大小可以看出，随着超声波功率的增大，碳纳米管在基体中的分散性能提高。可见在超声波振动剪切应力与正应力协同作用下，有效改善了碳纳米管在基体中的分散状态，并且随着超声功率的增大，碳纳米管在基体中的分散性更好。

利用实施例1的混合装置混合得到的共混物中的混合效果表明，新装置通过超声波振动剪切应力实现了碳纳米管在超高分子量聚乙烯中的分散混合，而体积拉伸形变实现了碳纳米管在超高分子量聚乙烯中的分布混合，通过分散混合与分布混合的相互协同，实现了填料在超高粘度聚合物中的高效分散。

Claims (10)

1.一种制备超高粘度聚合物共混物的方法，其特征在于，物料通过料斗进入转子轴与偏心定子内腔偏心的混合装置中，通过设置在转子轴径向通孔内的滑板分隔成体积周期性由大变小的排料区及由小变大的加料区，物料在体积周期性变化中做循环压缩与膨胀流动，受到与沿流动方向一致的体积拉伸应力作用，在垂直流动方向通过设置在偏心定子通孔上的超声波装置叠加超声波振动，实现振动剪切应力与体积拉伸应力协同作用的高分子材料混合。

2.实现权利要求1所述方法的制备超高粘度聚合物共混物的装置，主要包括驱动电机、减速箱、转子轴、偏心定子、加热器、排料盖、端盖和料斗；所述端盖和排料盖设置在偏心定子两端；料斗设置在偏心定子的前端；加热器固定在偏心定子的外表面，驱动电机与减速箱同轴安装连接；转子轴一端安装在减速箱的传动轴内，另一端置于偏心定子的内腔中，转子轴与偏心定子的内腔偏心；由转子轴的外表面、偏心定子内腔、排料盖及端盖形成封闭的混炼室，其特征在于：所述装置还包括滑板、超声波探头以及超声波发生器；所述转子轴上径向设有矩形通槽，滑板置于转子轴的径向矩形通槽中，滑板的两顶端分别与偏心定子内腔接触，混炼室的空间被滑板分成体积周期性变化的两部分，两部分由过料槽连通；超声波探头与传振杆连接，传振杆与超声波发生器连接；传振杆通过法兰盘及法兰安装在偏心定子上的通孔中，超声波探头通过所述通孔深入到偏心定子的内腔并与过料槽内的熔体直接接触；弹性密封件安装在传振杆上的法兰盘及法兰之间的圆环槽内。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述转子轴与偏心定子的内腔偏心的偏心距为e，偏心距e<4mm。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述滑板的长度小于偏心定制的内腔直径。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述超声波的振动频率为20-40KHZ，超声波发生器功率为100-1200W可调。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述超声波探头与传振杆螺纹连接。

7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述端盖通过螺钉固定在减速箱的端盖上。

8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述加热器通过螺钉固定在偏心定子的外表面。

9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述偏心定子、排料盖通过螺钉固定安装端盖上。

10.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述法兰盘及法兰通过螺钉连接在偏心定子上。