CN111361072A - 非接触加热式微米级内径柔性聚合物管制备装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种非接触加热式微米级内径柔性聚合物管制备装置及方法，包括：聚合物池以及设置于其外部的感应加热线圈和设置于其内部可轴向移动的金属丝，其中：金属丝浸没于聚合物池中，聚合物池的前端设有用于金属丝加热的加热筒以及用于测量柔性聚合物微管外直径以及在微管拉出未固化PDMS表面时形成的气‑液‑固锥形交界面形状的直径传感器。本发明采用非接触式的感应连续加热，使其长度不受到设备尺寸的限制，同时可进行连续生产并减少对于材料的浪费并控制聚合物管的外径；除可进一步用于聚合物柔性微管的制作外还可用于生物相容的热固性水凝胶等物质的微米内径柔性管的制作。

Description

非接触加热式微米级内径柔性聚合物管制备装置及方法
技术领域
本发明涉及的是一种高分子聚合物成型领域的技术，具体是一种非接触加热式微米级内径柔性聚合物管制备装置及方法。
背景技术
现有的柔性聚合物微管通常采用挤出成型的方法。由于热固性高弹高聚物固化速度较慢，对于微米级内径的聚合物微管，该方法必须使用热塑性塑料进行挤出，限制了其在生物相容的热固性高弹高分子材料，如PDMS(聚二甲基硅氧烷)中的应用。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN109071942A中提出了一种新的弹性体微管的制作方法，但该技术对于作为内核的金属丝采用沿丝通电的间断式的方法进行加热。由于在同一容器中多次间断加热热固性高聚物会造成聚合物微管外径的不均匀，所以为了获得均匀外径的聚合物微管，该方法仅可在盛放热固性聚合物的容器中进行一次加热。因此该方法将该柔性聚合物管前驱体的长度限制于盛放热固性聚合物容器的长度，进而限制了成品柔性聚合物管的长度，同时由于未固化的热固性聚合物在一次加热后化学性质会发生改变无法重复收集使用，增加聚合物容器的长度造成了未固化聚合物的浪费。在微管拉出未固化PDMS时，由于微管-未固化PDMS-空气界面的不稳定性，常常造成微管外直径的不稳定性，造成微管外表面尺寸的周期性变化甚至形成念珠状悬挂的未聚合PDMS液滴。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种非接触加热式微米级内径柔性聚合物管制备装置及方法，可以加工热固性高弹高分子材料，采用非接触式的感应连续加热，使其长度不受到设备尺寸的限制，同时可进行连续生产并减少对于材料的浪费并控制聚合物管的外径；除可进一步用于聚合物柔性微管的制作外还可用于生物相容的热固性水凝胶等物质的微米内径柔性管的制作。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种非接触加热式微米级内径柔性聚合物管制备装置，包括：聚合物池以及设置于其外部的感应加热线圈和设置于其内部可轴向移动的金属丝，其中：金属丝浸没于聚合物池中，聚合物池的前端设有用于金属丝加热的加热筒以及用于测量柔性聚合物微管外直径以及在微管拉出未固化PDMS表面时形成的气-液-固锥形交界面形状的直径传感器。
所述的金属丝通过设置于聚合物池两侧的放线轴和回收线轴实现轴向移动。
所述的聚合物池、加热筒、放线轴和回收线轴通过机架固定设置。
所述的金属丝，优选选用不同直径不同材质的金属丝，优选根据所需微管内径选用不同直径的金属丝，金属丝直径即为在微管内所形成通道的直径。优选依据所需的热效应大小以及提拉速度的不同，选择在高频磁场中电学性能不同以及机械强度不同的金属丝，如铜丝、钨丝、铁丝或钼丝等。
所述的金属丝截面形状除圆形外优选有其他不同形状，金属丝优选是单根也优选是多根或束状，不同形状截面以及单根或多根的各自功能效果具体为：使用不同形状截面的金属丝优选得到不同形状的内部通道；使用多根金属丝优选在一根高聚物管内获得多个通道。
所述的聚合物池内设有用于保持聚合物粘度的冷却液系统。
所述的聚合物池为透明或具有透明部分，直径传感器可以拍摄到其内部微管-未固化聚合物-空气的交界面上形成的锥形部分，以及微管的外直径。
所述的聚合物优选为PDMS或类似热固性高分子材料优选得到生物相容的不透水的透明高弹性聚合物微管；使用热固性凝胶如Geltrex Matrix，优选得到生物相容的可进行内外物质交换的可降解的透明高弹性聚合物微管。
所述的加热筒上设有控温装置。
所述的放线轴上进一步设有用于保持金属丝张力的张力装置。
所述的加热筒上进一步设有气流限制装置，减小气流对于未固化聚合物的影响。
所述的制备装置中进一步设有控制系统，该控制系统分别与感应加热线圈、冷却液系统、控温装置、直径传感器、回收线轴和张力装置相连以实现微米级内径柔性聚合物管的精确制造，该控制系统包括：温度测量模块、直径测量模块、温度控制模块和直径控制模块，其中：温度测量模块与冷却液系统、控温系统相连并传输冷却液温度信息和加热筒温度信息，直径测量模块与直径传感器相连并传输聚合物管前驱体的直径信息以及气液固三相界面的形状信息。温度控制模块与冷却液系统和加热筒相连并提供控制信号，直径控制模块与感应加热线圈、张力装置和回收线轴相连并提供控制信号。温度控制系统的作用在于保持加热筒和冷却液系统温度恒定或依需要变化。直径控制系统在当前驱体直径大于预定直径及锥形交界面与预定形状不同时，使张力保持恒定的情况下，控制回收线轴的转速加快金属丝的拉出速度，同时降低冷却液的温度减小未固化PDMS的黏度，或减小感应电流的大小进而减小微管前驱体直径；当直径小于设定直径时，减小金属丝拉出的速度，提高冷却液温度使未固化聚合物粘度上升或加大感应电流的大小，使微管前驱体的直径保持在稳定范围内。
本发明涉及一种基于上述装置的非接触加热式微米级内径柔性聚合物管制备方法，通过将金属丝浸泡于未聚合的热固性高聚物中，利用电磁感应加热金属丝，使金属丝周围高聚物固化的同时连续提拉金属丝，通过耦合动态控制高分子聚合物聚合过程中的固化反应速度、高分子材料液相粘性的变化和气液固三相表面张力，监控提拉出的微管前驱体的外直径以及微管-PDMS-空气三相界面的形状，进而控制提拉的速度以及感应电流强度和未聚合高聚物的温度，从而控制微管前驱体的外直径。
技术效果
本发明整体解决了高聚物柔性微管制造中，微管的长度受到制造设备的限制的同时造成大量物料的浪费以及微管的外直径不稳定的问题。
与现有技术相比，本发明通过无接触的感应加热方法替代了直接接触的沿丝的加热方法，使得高聚物柔性微管的制造长度不再受到聚合物池长度的限制，使用较短的聚合物池和较少的物料制造出较长的高聚物柔性微管。使用直径控制装置使制作的微管的外直径保持在一定范围内。
与已有的通电加热固化后拔出的微管制作方法相比，本发明通过耦合动态控制高分子聚合物聚合过程中的固化反应速度、高分子材料液相粘性的变化和气液固三相表面张力，实现非接触加热条件下连续提拉高分子聚合物微管的制作方法。
附图说明
图1为本发明非接触式微米级内径柔性聚合物管制备装置的一实施例结构示意图；
图中：金属丝1、放线轴2、聚合物池3、加热筒4、聚合物回收线轴5、感应加热线圈6、未固化PDMS 7、柔性PDMS管前驱体8、直径传感器9、冷却水入口10、冷却水出口11、进料口12。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，为本实施例涉及一种基于非接触-加热式微米级内径柔性聚合物管制备装置的柔性聚合物管的制备方法，包括以下步骤：100um的铜丝1从放线轴2抽出，依次经过聚合物池3，加热筒4，绷直后固定于聚合物回收线轴5上。高150mm的聚合物池外有长度为90mm的感应加热线圈6。在聚合物池中由进料口加入未固化的基质固化剂配比为10:1的PDMS7，打开聚合物池的冷却液系统，保持聚合物池中PDMS温度为0℃。调节感应线圈使铜丝上感应电流为1.6A，加热铜丝使周围的PDMS固化。加热的同时启动拉丝器，设置基础速度为1mm/s，将包裹有初步固化PDMS的柔性PDMS管前驱体8从聚合物池中拉出，加热筒进一步加热已经拉出的金属丝，使得PDMS完全固化。使用直径传感器9监控前驱体外直径为400um，进而控制金属丝抽拉速度。
以上所述的内含金属丝的柔性PDMS管前驱体中将金属丝抽出，即为微米级内径柔性管。以100μm铜丝和PDMS聚合物为例，在1.6A感应电流作用下，可以制作出长2m外径400μm内径100μm的PDMS柔性管，同时微管外直径的范围在400±20um以内。
与现有技术相比，本装置使用了无接触的感应加热方法替代了直接接触的沿丝的加热方法，使得高聚物柔性微管的制造长度不再受到聚合物池长度的限制，使用较短的聚合物池(150mm)和较少的物料制造出较长的高聚物柔性微管(>2m)。使用基于微管外径和气液固界面形状的检测控制方法保持微管直径的稳定。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (5)

1.一种非接触加热式微米级内径柔性聚合物管制备装置，其特征在于，包括：聚合物池以及设置于其外部的感应加热线圈和设置于其内部可轴向移动的金属丝，其中：金属丝浸没于聚合物池中，聚合物池的前端设有用于金属丝加热的加热筒以及用于测量柔性聚合物微管外直径以及在微管拉出未固化PDMS表面时形成的气-液-固锥形交界面形状的直径传感器。
2.根据权利要求1所述的柔性聚合物管制备装置，其特征是，所述的聚合物池内设有用于保持聚合物粘度的冷却液系统。
3.根据权利要求1所述的柔性聚合物管制备装置，其特征是，所述的聚合物为PDMS或类似热固性高分子材料或热固性凝胶如Geltrex Matrix。
4.根据权利要求1所述的柔性聚合物管制备装置，其特征是，进一步设有控制系统，该控制系统分别与感应加热线圈、冷却液系统、控温装置、直径传感器、回收线轴和张力装置相连以实现微米级内径柔性聚合物管的精确制造，该控制系统包括：温度测量模块、直径测量模块、温度控制模块和直径控制模块，其中：温度测量模块与冷却液系统、控温系统相连并传输冷却液温度信息和加热筒温度信息，直径测量模块与直径传感器相连并传输聚合物管前驱体的直径信息以及气液固三相界面的形状信息，温度控制模块与冷却液系统和加热筒相连并提供控制信号，直径控制模块与感应加热线圈、张力装置和回收线轴相连并提供控制信号，温度控制系统的作用在于保持加热筒和冷却液系统温度恒定或依需要变化；
所述的直径控制系统在：①当前驱体直径大于预定直径及锥形交界面与预定形状不同时，使张力保持恒定的情况下，控制回收线轴的转速加快金属丝的拉出速度，同时降低冷却液的温度减小未固化PDMS的黏度或减小感应电流的大小进而减小微管前驱体直径；②在直径小于设定直径时，减小金属丝拉出的速度，提高冷却液温度使未固化聚合物粘度上升或加大感应电流的大小，使微管前驱体的直径保持在稳定范围内。
5.一种基于上述任一权利要求所述装置的非接触加热式微米级内径柔性聚合物管制备方法，其特征在于，通过将金属丝浸泡于未聚合的热固性高聚物中，利用电磁感应加热金属丝，使金属丝周围高聚物固化的同时连续提拉金属丝，通过耦合动态控制高分子聚合物聚合过程中的固化反应速度、高分子材料液相粘性的变化和气液固三相表面张力，监控提拉出的微管前驱体的外直径以及微管-PDMS-空气三相界面的形状，进而控制提拉的速度以及感应电流强度和未聚合高聚物的温度，从而控制微管前驱体的外直径。
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