CN110561647B - 聚合物超声振动与圆盘剪切联用解缠结装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚合物超声振动与圆盘剪切联用解缠结装置，包括挤压机、机头和超声振动机构，机头内部设置有模腔，模腔的一端设置有口模，另一端连接有进料口，进料口与挤压机相连；超声振动机构的超声振动头插入机头并延伸至模腔，机头内设置有圆盘剪切腔，圆盘剪切腔通过连接口与模腔连通，圆盘剪切腔内设置有旋转圆盘，旋转圆盘连接有电机。本装置利用超声振动机构产生超声振动，对熔融状态下的高分子聚合物进行振动解缠结，具有良好的解缠结效果，且在超声振动的同时利用旋转圆盘对高分子聚合物进行剪切，可大幅度降低解缠结结构再次缠结的数量，从而提高解缠结效果，有利于提升高分子聚合物的加工性能。

Description

聚合物超声振动与圆盘剪切联用解缠结装置

技术领域

本发明属于聚合物生产设备领域，尤其是一种聚合物超声振动与圆盘剪切联用解缠结装置。

背景技术

高分子聚合物是由成千上万的单体通过聚合反应以共价键连接而成的链状分子，其分子链长随着分子量的增加而增加。特别是当聚合物分子量超过某一临界值(也称为临界缠结分子量M_c)时，聚合物分子链会在分子水平(甚至链段尺度)互相穿插，从而形成拟网状结构，形成拓扑和凝聚缠结。聚合物分子链之间形成的这种拓扑和凝聚缠结会使分子链的运动受到周围其他分子的羁绊和限制，从而对聚合物的最终凝聚态结构和性能产生非常重要的影响。一方面，聚合物分子链的缠结会导致聚合物熔体的黏度较高，熔体流动性变差，使加工过程中的能耗变高，同时使聚合物加工成型更困难，出现如收缩、蛇纹及变形等现象，影响制品的最终性能；另一方面，链缠结也会对聚合物的玻璃化转变和结晶行为产生巨大影响，分子链的缠结不仅限制高分子链的长程运动，使得聚合物的玻璃化转变温度变高，同时还对高分子链的内旋转造成阻碍，使链段的运动受到限制，从而阻碍链的构象调整和链单元的规整排列，对聚合物的结晶行为产生不利的影响。为了解决以上问题，降低聚合物熔体中分子的链缠结(也就是分子链解缠结)是一种非常可行的方法。高效的解缠结能够有效地降低聚合物熔体黏度，降低聚合物加工成型的能耗和难度，同时有效地调控聚合物玻璃化转变及结晶行为，从而制备得到具备理想性能的聚合物材料。

超声波是一种只能在介质中传播，频率在20KHZ以上的机械振动波。目前，超声焊接、超声清洗、超声分散、超声振动筛等应用已经比较成熟，基本实现工业化。研究表明，聚合物经超声振动后，聚合物熔体黏度下降明显，聚合物分子链发生解缠结，因此，目前实验室都是研究超声振动对解缠结的作用。然而，聚合物熔体的粘度是一个缠结与解缠的一个动态平衡，一旦超声振动场停止施加到聚合物熔体时，聚合物的高度缠结状态又会很快结束，因而超声振动作用后聚合物解缠结状态保留的研究变得十分重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种聚合物超声振动与圆盘剪切联用解缠结装置，能够更好地保留解缠结结构。

本发明的目的是这样实现的：聚合物超声振动与圆盘剪切联用解缠结装置，包括挤压机、机头和超声振动机构，所述机头内部设置有模腔，模腔的一端设置有口模，另一端连接有进料口，所述进料口与挤压机相连；所述超声振动机构的超声振动头插入机头并延伸至模腔。

所述机头内设置有圆盘剪切腔，所述圆盘剪切腔通过连接口与模腔连通，圆盘剪切腔内设置有旋转圆盘，所述旋转圆盘连接有电机，且旋转圆盘的部分边缘穿过连接口并伸入模腔内。

进一步地，所述超声振动头和旋转圆盘分别位于模腔的两侧，且超声振动头的中心线沿旋转圆盘的径向经过旋转圆盘的中心。

进一步地，所述机头内设置有从机头外壁延伸至模腔的超声振动孔，所述超声振动头位于超声振动孔内，且超声振动头的外壁与超声振动孔的内壁之间设置有耐高温减震套。

进一步地，所述超声振动机构包括电参仪、超声波发生器、超声换能器、变幅杆和连接套，所述电参仪、超声波发生器、超声换能器、变幅杆和超声振动头依次连接，所述连接套套在变幅杆外，且连接套的一端与机头固定连接，另一端与变幅杆固定连接。

进一步地，所述变幅杆上设置有径向贯穿变幅杆的冷却水孔。

进一步地，所述机头内设置有从机头外壁延伸至模腔的压力检测腔。

进一步地，所述旋转圆盘通过联轴器与电机相连。

进一步地，所述机头包括左模和右模，左模和右模可拆卸连接。

进一步地，所述旋转圆盘的外壁与连接口的内壁滑动且密封配合。

本发明的有益效果是：本装置利用超声振动机构产生超声振动，对熔融状态下的高分子聚合物进行振动解缠结，具有良好的解缠结效果，且在超声振动的同时利用旋转圆盘对高分子聚合物进行剪切，可大幅度降低解缠结结构再次缠结的数量，从而提高解缠结效果，有利于提升高分子聚合物的加工性能。

附图说明

图1是本发明的整体示意图。

图2是本发明的机头剖视示意图。

图3是冷却水孔的示意图。

附图标记：1—圆盘剪切腔；2—旋转圆盘；3—口模；4—耐高温减震套；5—超声振动腔；6—超声振动头；7—压力检测腔；8—模腔；9—进料口；10—挤压机；11—电机；12—联轴器；13—机头；14—连接套；15—变幅杆；16—超声换能器；17—超声波发生器；18—电参仪；19—电源插头；20—冷却水孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1和图2所示，本发明的聚合物超声振动与圆盘剪切联用解缠结装置，包括挤压机10、机头13和超声振动机构，挤压机10采用现有的各种挤压机即可，所述机头13内部设置有模腔8，模腔8的一端设置有口模3，口模3内设置有出料通道，另一端连接有进料口9，进料口9、模腔8以及口模3组成了高分子聚合物在机头13内的运动通道，所述进料口9与挤压机10相连，经过挤压机10挤压后的高分子聚合物可通过进料口9进入模腔8，进料口9可采用开口较大的浇口，以便于高分子聚合物快速进入模腔8。

所述超声振动机构的超声振动头6插入机头13并延伸至模腔8。超声振动机构用于产生超声振动，可以是现有的各种超声振动设备，优选的，所述超声振动机构包括电参仪18、超声波发生器17、超声换能器16、变幅杆15和连接套14，所述电参仪18、超声波发生器17、超声换能器16、变幅杆15和超声振动头6依次连接，所述连接套14套在变幅杆15外，且连接套14的一端与机头13固定连接，另一端与变幅杆15固定连接。电参仪18上连接有电源插头19，使用时可将电源插头19插入插线板，以便于获取电能。超声波发生器17将低频的电能输出为高频电能，高频电能经过超声换能器16内的压电陶瓷晶片将高频电能转化为高频机械振动并将高频机械振动输出到变幅杆15，随后高频机械振动传递至超声振动头6，超声振动头6即可带动模腔8内的聚合物熔体高频振动，以实现结缠绕。由于聚合物熔体粘度太大，会使一部分超声波发射不出去，所以真正作用在聚合物熔体中的超声功率并不是超声发生器17上设定的功率。电参仪18能够显示整个超声振动系统所耗费的功率，通过减去仪器所耗费的功率，能够换算出实际作用于聚合物熔体中的超声功率，进而根据电参仪18上的数据调整超声输出功率的大小。

所述机头13内设置有圆盘剪切腔1，圆盘剪切腔1呈圆形，所述圆盘剪切腔1通过连接口与模腔8连通，圆盘剪切腔1内设置有旋转圆盘2，旋转圆盘2也呈圆形，旋转圆盘2的直径小于圆盘剪切腔1的直径，且圆盘剪切腔1与圆盘剪切腔1偏心设置，所述旋转圆盘2连接有电机11，具体可通过联轴器12相连。旋转圆盘2的部分边缘穿过连接口并伸入模腔8内，即旋转圆盘2的大部分位于圆盘剪切腔1内，其整个圆形边缘处有一段位于连接口内，且位于连接口内的部分伸入了模腔8中。电机11带动旋转圆盘2按照一定的速度转动，旋转圆盘2即可对模腔8内的聚合物熔体进行剪切，避免解缠结结构再次缠结，从而增强解缠结的效果。

所述超声振动头6和旋转圆盘2分别位于模腔8的两侧，且超声振动头6的中心线沿旋转圆盘2的径向经过旋转圆盘2的中心。具体地，超声振动头6可以设置在模腔8的上方，而旋转圆盘2设置在模腔8的下方，进料口9、模腔8以及口模3组成的高分子聚合物运动通道水平设置，超声振动头6竖直设置，使得超声振动头6垂直于聚合物熔体的流动方向，同时，旋转圆盘2转动时，其最顶点的速度方向与聚合物熔体的流动方向平行，避免超声振动头6的高频振动和旋转圆盘2影响聚合物熔体的流动。将超声振动头6设置在旋转圆盘2的正上方，保证了超声振动头6解缠结和旋转圆盘2的剪切同时作用到同一部分聚合物熔体上，从而保证良好的解缠结效果以及防止解缠结结构再次缠结。

由于超声振动头6高频振动，如果超声振动头6与机头13直接接触会导致超声波能量传递到机头13，造成机头13晃动，并且会造成超声振动头6损伤，因此，所述机头13内设置有从机头13外壁延伸至模腔8的超声振动孔5，所述超声振动头6位于超声振动孔5内，且超声振动头6的外壁与超声振动孔5的内壁之间设置有耐高温减震套4。耐高温减震套4采用具有一定弹性的材质，可起到减震、防磨损的作用，保证装置的使用寿命；且由于聚合物熔体的温度较高，需要采用耐高温材质，因此，耐高温减震套4可采用耐热性较好的氟橡胶。

超声换能器16中的压电陶瓷最高工作温度为80℃，所以超声波设备适用于常温介质。但是聚合物熔体温度一般是为170～300℃，热量会沿着钛合金材质的超声振动头6和变幅杆15传递到压电陶瓷晶体中，导致压电陶瓷晶体温度升高，超声换能器16即会停止工作，为了解决这一问题，如图3所示，所述变幅杆15上设置有径向贯穿变幅杆15的冷却水孔20，冷却水孔20可连接水冷系统，可以加快变幅杆15的散热冷却，避免热量传递至压电陶瓷晶体而导致超声换能器16停止工作。

所述机头13内设置有从机头13外壁延伸至模腔8的压力检测腔7，可在压力检测腔7内设置压力传感器，用于检测模腔8内的聚合物熔体的压力，如果本装置对聚合物熔体的解缠结效果较好，则聚合物熔体的压力较小，如果本装置对聚合物熔体的解缠结效果交差，则聚合物熔体的压力较大，因此，可以根据模腔8内聚合物熔体的压力判断解缠结的效果是否理想。

为了便于机头13的拆卸和安装，所述机头13包括左模和右模，左模和右模可拆卸连接，左模和右模上均具有一半的进料口9、一半的模腔8以及一半的口模3，将左模和右模拼接后就能够围成完整的进料口9、模腔8以及口模3。

由于旋转圆盘2在接触聚合物熔体时可能会有聚合物熔体粘附在旋转圆盘2上，为了避免聚合物熔体随着旋转圆盘2进入圆盘剪切腔1，所述旋转圆盘2的外壁与连接口的内壁滑动且密封配合，旋转圆盘2的外壁与连接口的内壁之间的配合间隙较小，粘附在旋转圆盘2上的聚合物熔体可被连接口的端口挂掉，从而避免聚合物熔体进入圆盘剪切腔1而难以清理。

本发明具体的工作流程为：聚合物经过挤压机10挤压后形成聚合物熔体，熔体通过进料口进入机头13，随后经超声振动以及旋转圆盘2剪切的复合作用进行解缠结，同时实现解缠结结构的更好保留，同时聚合物熔体压力信息通过压力检测腔7内的压力传感器传递给挤压机10的控制系统，可以根据压力数值在施加复合场时下降的大小来判断解缠结的效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.聚合物超声振动与圆盘剪切联用解缠结装置，包括挤压机(10)、机头(13)和超声振动机构，所述机头(13)内部设置有模腔(8)，模腔(8)的一端设置有口模(3)，另一端连接有进料口(9)，所述进料口(9)与挤压机(10)相连；所述超声振动机构的超声振动头(6)插入机头(13)并延伸至模腔(8)，其特征在于：

所述机头(13)内设置有圆盘剪切腔(1)，所述圆盘剪切腔(1)通过连接口与模腔(8)连通，圆盘剪切腔(1)内设置有旋转圆盘(2)，所述旋转圆盘(2)连接有电机(11)，且旋转圆盘(2)的部分边缘穿过连接口并伸入模腔(8)内。

2.根据权利要求1所述的聚合物超声振动与圆盘剪切联用解缠结装置，其特征在于：所述超声振动头(6)和旋转圆盘(2)分别位于模腔(8)的两侧，且超声振动头(6)的中心线沿旋转圆盘(2)的径向经过旋转圆盘(2)的中心。

3.根据权利要求1所述的聚合物超声振动与圆盘剪切联用解缠结装置，其特征在于：所述机头(13)内设置有从机头(13)外壁延伸至模腔(8)的超声振动孔(5)，所述超声振动头(6)位于超声振动孔(5)内，且超声振动头(6)的外壁与超声振动孔(5)的内壁之间设置有耐高温减震套(4)。

4.根据权利要求1所述的聚合物超声振动与圆盘剪切联用解缠结装置，其特征在于：所述超声振动机构包括电参仪(18)、超声波发生器(17)、超声换能器(16)、变幅杆(15)和连接套(14)，所述电参仪(18)、超声波发生器(17)、超声换能器(16)、变幅杆(15)和超声振动头(6)依次连接，所述连接套(14)套在变幅杆(15)外，且连接套(14)的一端与机头(13)固定连接，另一端与变幅杆(15)固定连接。

5.根据权利要求4所述的聚合物超声振动与圆盘剪切联用解缠结装置，其特征在于：所述变幅杆(15)上设置有径向贯穿变幅杆(15)的冷却水孔(20)。

6.根据权利要求1所述的聚合物超声振动与圆盘剪切联用解缠结装置，其特征在于：所述机头(13)内设置有从机头(13)外壁延伸至模腔(8)的压力检测腔(7)。

7.根据权利要求1所述的聚合物超声振动与圆盘剪切联用解缠结装置，其特征在于：所述旋转圆盘(2)通过联轴器(12)与电机(11)相连。

8.根据权利要求1所述的聚合物超声振动与圆盘剪切联用解缠结装置，其特征在于：所述机头(13)包括左模和右模，左模和右模可拆卸连接。

9.根据权利要求1所述的聚合物超声振动与圆盘剪切联用解缠结装置，其特征在于：所述旋转圆盘(2)的外壁与连接口的内壁滑动且密封配合。

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