CN112497794A - 负曲率空芯太赫兹聚合物波导管的制备方法及制备装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种负曲率空芯太赫兹聚合物波导管的制备方法及制备装置，制备的波导管长度理论上可以无限长，有利于太赫兹波导器件质量的稳定性、批量化生产，为太赫兹波导通信系统的大规模应用提供低价格高品质薄壁波导管器件。该方法的主要实现步骤包括：1、将颗粒光学聚合物原料进行充分干燥；2、将干燥后的颗粒料，送入竖式单螺杆挤出机，并在竖式单螺杆挤出机的搅拌、推动下充分加热和塑化，形成流体料；3、波导管预制结构的成型与同步拉伸；4、对负曲率空芯太赫兹聚合物波导管进行绕制收卷。
Description
技术领域
本发明一种太赫兹聚合物微结构波导管的制备方法，具体涉及一种负曲率空芯太赫兹聚合物波导管的制备方法及制备装置。
背景技术
现有太赫兹聚合物微结构波导管是采用大尺寸预制棒制备后，在拉丝塔拉伸的两步法制备。根据预制棒的制备方法不同，又可以分为堆积-拉伸法与挤出-拉伸两步法。堆积预制棒的制造方法主要是用大直径聚合物管材把根数根或数百根小直径管材按一定规律排列的小管子套在一起的方法；挤出预制棒的制造方法主要是利用挤出机与预制棒模具链接利用热塑挤出成型法制作预制棒在模具中，脱模后得到预制棒。该两种方法均为间歇式制造、预制棒长度有限，中间环节多，既费工费电费人力、又不能实现连续生产等问题，而且大直径聚合物预制棒被拉伸成型时聚合物材料在拉伸炉二次受热老化，这增加了材料的损耗；从预制棒尺寸到达稳定的目标管材尺寸要消耗1/4的预制棒，在最后阶段预制棒的尾部因为被夹持也不能利用，所以有近一半预制棒(头、尾)不能被利用，导致出现高品质微结构聚合物波导管的实际产出率低，耗材耗电严重的问题。
随着对太赫兹聚合物微结构波导管研究的不断深入，负曲率空芯聚合物薄壁管材料作为太赫兹波导管的一种新结构形式，迅速成为太赫兹波导器件研究领域的焦点。这种太赫兹波导管不仅传输损耗低和模式纯度高，还拥有任何现有太赫兹波导器件都无法匹敌的宽带导波和超高激光损伤阈值的特性。与现有的太赫兹聚合物微结构波导管器件相比，它的微结构被大大简化，不仅空气占空比高使得管波导器件柔软性更好，而且这使得制造它的方法也可以简化。
现有负曲率空芯太赫兹聚合物波导管目前主要是采用了以下两种实现方法：
一种沿用了大管套小管构建预制棒后再拉伸的工艺技术研制了直径8mm的负曲率空芯波导管材。但该工艺制造的负曲率空芯管材的损耗并没有突破性改善(在0.47THz，30dB/m)，其主要原因是管材本身质量差，管壁太厚无柔性，预制棒结构的力学性能差，设计结构与预制棒拉伸后得到的管材的实际结构存在很大的偏离，因而没有显示出低损耗高带宽设计结构应有的优势。
另外一种是采用3D打印方法制备空芯负曲率太赫兹聚合物波导管。但是这样制备负曲率空芯太赫兹聚合物波导管长度仅在10-20厘米，无法满足太赫兹波导系统应用所需要数米以上长度的要求。
发明内容
为了解决现有采用预制棒结合拉伸技术制备负曲率空芯聚合物波导管时存在的损耗大、产率低的问题，以及采用3D打印的方式制备负曲率空芯太赫兹聚合物波导管时无法满足实际所需长度要求的问题，本发明提供了一种负曲率空芯太赫兹聚合物波导管的制备方法及制备装置。
本发明的具体技术方案是：
本发明提供了一种负曲率空芯太赫兹聚合物波导管的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：干燥
将颗粒光学聚合物原料进行充分干燥；
步骤2：塑化过程
将干燥后的颗粒料，送入竖式单螺杆挤出机，并在竖式单螺杆挤出机的搅拌、推动下充分加热和塑化，形成流体料；
步骤3：波导管预制结构的成型与同步拉伸；
在螺杆推动下将充分塑化后的流体料挤入预成型模具中，随着波导管预制结构的逐渐成型，波导管预制结构的头部逐渐暴露到空气中，并被空气降温；预成型模具的截面结构与波导管预制结构的截面结构为互补关系；
利用牵引机的夹具夹住波导管预制结构头部，在牵引力的作用下波导管预制结构被逐步拉伸形成目标尺寸的负曲率空芯太赫兹聚合物波导管；
步骤4：对负曲率空芯太赫兹聚合物波导管进行绕制收卷。
进一步地，上述预成型模具的具体结构包括上部固定盖板、外固定管、模具内管、多个棒针、芯体以及出口盖板；
上部固定盖板包括外环板、内圆盘以及至少两个连接筋板；内圆盘同轴设置于外环板内部，并通过连接筋板固连；外环板、内圆盘之间具有多个流体通道；
上部固定盖板安装于外固定管上端，出口盖板安装于外固定管下端；
模具内管同轴安装于外固定管内，模具内管上端与上部固定盖板的内圆盘固连，模具内管下端与出口盖板相接触；
多个棒针以及芯体均位于模具内管中，且多个棒针上端以及芯体上端均与上部固定盖板的内圆盘固连，多个棒针下端以及芯体下端均与出口盖板相接触；
多个棒针、芯体与模具内管之间构成用于形成波导管预制结构的镂空缝隙。
进一步地，上述步骤2中的加热过程分为三个阶段，第一阶段为135℃、第二阶段为150℃、第三阶段为170℃。
进一步地，上述步骤3中还包括对负曲率空芯太赫兹聚合物波导管的直径进行检测。
基于上述方法，现提供一种负曲率空芯太赫兹聚合物波导管的制备装置，包括自上而下依次布置的聚合物原料干燥机、竖式单螺杆挤出机、预成型模具、牵引机以及收卷机；
干燥机的出料口与竖式单螺杆挤出机入口连通，竖式单螺杆挤出机出口与预成型模具连通；
竖式单螺杆挤出机上设置有加热装置；
预成型模具的截面结构与波导管预制结构的截面结构互补；
牵引机的夹具设置在成型模具的出口，用于将波导管预制结构直接拉制成所需直径的负曲率空芯太赫兹聚合物波导管；
收卷机用于将负曲率空芯太赫兹聚合物波导管绕制成盘。
进一步地，上述预成型模具的具体结构为：
进一步地，上述加热装置自竖式单螺杆挤出机入口至出口，依次分为三个加热区，第一加热区的加热温度为135℃，第二加热区的加热温度为150℃，第三加热区的加热温度为170℃。
进一步地，上述系统还包括对负曲率空芯太赫兹聚合物波导管的直径进行检测的激光测径仪；所述激光测径仪位于牵引机与收卷机之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提供的制备方法采用干燥、塑化加热、波导管预制结构的成型与同步拉伸，拉伸后直接进行收丝，解决了现有采用预制棒结合拉伸技术制备负曲率空芯聚合物薄壁管子时存在的波导管损耗大，以及采用3D打印的方式制备负曲率空芯聚合物太赫兹薄壁管材时无法满足实际所需长度要求的问题。采用上述步骤连续生产制备的负曲率空芯太赫兹聚合物波导管损耗低，长度理论上可以无限，从而有利于太赫兹波导器件质量的稳定性、批量化生产，为太赫兹波导通信系统的大规模应用提供低价格高品质薄壁波导管器件。
2、本发明采用的截面结构与波导管预制结构的截面结构互补的预制成型模具，省去了现有技术中需要降温脱模取出预制棒后再在拉丝塔进行拉伸的繁琐劳动工序，省电节能，节约材料，是材料少受二次加热带来的老化，实现了高品质负曲率空芯聚合物薄壁管材料的规模化制造，提高了原料利用率、大大节省了能源消耗和人力成本。
附图说明
图1为实施例的结构原理图。
图2为实施例中波导管预制结构的截面示意图。
图3为实施例中预成型模具的水平截面示意图。
图4为实施例中预成型模具的竖直截面示意图。
图5为上部固定盖板的结构图。
附图标记如下：
1-干燥机、2-竖式单螺杆挤出机、3-预成型模具、4-牵引机、5-激光测径仪、6-收卷机、7-加热装置、8-波导管预制结构、9-薄壁管、10-镂空结构、11-上部固定盖板、111-外环板、112-内圆盘、113-连接筋板、114-流体通道、12-模具内管、13-棒针、14-芯体、15-出口盖板、16-外固定管。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在有没做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供了一种负曲率空芯太赫兹聚合物波导管的制备方法，具体实现过程为：
步骤1：干燥
将颗粒光学聚合物原料进行充分干燥；
步骤2：塑化过程
将干燥后的颗粒料，送入竖式单螺杆挤出机，并在竖式单螺杆挤出机的搅拌、推动下充分加热和塑化，形成流体料；
步骤3：波导管预制结构的成型与同步拉伸；
在螺杆推动下将充分塑化后的流体料挤入预成型模具中，随着波导管预制结构的逐渐成型，波导管预制结构的头部逐渐暴露到空气中，并被空气降温；预成型模具的截面结构与波导管预制结构的截面结构为互补关系；波导管预制结构实际就是整体结构放大的空芯负曲率太赫兹聚合物波导管结构；
利用牵引机的夹具夹住波导管预制结构头部，在牵引力的作用下波导管预制结构被逐步拉伸形成目标尺寸的空芯负曲率太赫兹聚合物波导管；
步骤4：对空芯负曲率太赫兹聚合物波导管进行绕制收卷。
为了实现上述方法，本发明提供了一种空芯负曲率太赫兹聚合物波导管制备装置的具体实施结构，如图1所示，包括自上而下依次布置干燥机1、竖式单螺杆挤出机2、预成型模具3、牵引机4、激光测径仪5以及收卷机6；
干燥机1的出料口与竖式单螺杆挤出机2入口连通，竖式单螺杆挤出机2出口与预成型模具3连通；竖式单螺杆挤出机2上设置有加热装置7；本实施例中加热装置7自竖式单螺杆挤出机2入口至出口，依次分为三个加热区，第一加热区的加热温度为135℃，第二加热区的加热温度为150℃，第三加热区的加热温度为170℃；
预成型模具3的截面结构与波导管预制结构8的截面结构互补，用于将竖式单螺杆挤出机塑化加热后形成的流体料制成波导管预制结构8；参见图2，波导管预制结构8包括薄壁管9以及设置在薄壁管9中的镂空结构10；
参见图3-图5，由于预成型模具3的截面结构与波导管预制结构8的截面结构互补，因此，预成型模具3包括上部固定盖板11、外固定管16、模具内管12、4-6个棒针13(本实施例中设置了四个棒针)、芯体14(由于本实施例设置了四个棒针，因此本实施例中芯体截面呈十字型；若采用五个棒针，则芯体14截面呈梅花形)以及出口盖板15；
上部固定盖板11包括外环板111、内圆盘112以及至少两个连接筋板113(本实施例为4个)；内圆盘112同轴设置于外环板111内部，并通过连接筋板113固连；外环板111、内圆盘112之间具有多个流体通道114；
上部固定盖板11安装于外固定管16上端，出口盖板15安装于外固定管16下端(优选地，出口盖板15嵌合安装于外固定管上)；
模具内管12上端与上部固定盖板11的内圆盘固连，下端与出口盖板15相接触；
多个棒针13以及芯体14均位于模具内管12中，且多个棒针13上端以及芯体14上端均与上部固定盖板11的内圆盘固连，多个棒针13下端以及芯体14下端均与出口盖板15相接触；
多个棒针13、芯体14与模具内管12之间构成用于形成波导管预制结构薄壁管9以及内镂空结构10；
外固定管16采用外部的支撑结构固定连接，用于将整个预成型模具3固定在设定位置，以此保证出口盖板脱落时，芯体14、棒针13以及模具内管12均处于原始位置不同；
竖式单螺杆挤出机2将流体料从外环板111、内圆盘112之间具有的多个流体通道114流入多个棒针13、芯体14与模具内管12之间的缝隙内，从而形成波导管预制结构8，当波导管预制结构8挤压到一定压力时，出口盖板15会自动脱落；
牵引机4的夹具设置在预成型模具3的出口，用于夹持住波导管预制结构8的头部，从而直接拉制所需直径的负曲率空芯太赫兹聚合物波导管；
激光测径仪5位于牵引机4的下方，用于对拉制成的负曲率空芯太赫兹聚合物波导管进行检测；
收卷机6设置在激光测径仪5的下方，用于将负曲率空芯太赫兹聚合物波导管进行绕制成盘。
现通过一个具体制备示例，对该制备装置的具体使用过程进行详细的说明：
步骤1：干燥
将颗粒光学聚合物原料进行充分干燥(干燥温度为120℃，干燥时间为1小时)；本实施例中颗粒光学聚合物原料采用环烯烃类共聚物TopasCOC或环烯烃聚合物COP，聚甲基丙烯酸甲酯PMMA；
步骤2：塑化过程
将干燥后的颗粒料，送入竖式单螺杆挤出机进行加热，并在竖式单螺杆挤出机的搅拌、推动下充分塑化，形成流体料；此处的加热分为三个阶段，第一阶段加热温度为135℃、第二阶段加热温度为150℃、第三阶段加热温度为170℃；
步骤3：波导管预制结构的成型与同步拉伸；
在螺杆推动下将充分塑化后的流体料挤入内径3.5厘米预成型模具中，当波导管预制结构长度达到15厘米时，预成型模具的出口盖板在一定压力的作用下自动脱落，波导管预制结构的头部逐渐暴露到空气中，并被空气降温后冷却变硬；
采用利用牵引机的夹具夹住波导管预制结构的头部，在牵引力的作用下波导管预制结构被逐步拉伸形成目标尺寸的负曲率空芯太赫兹聚合物波导管；
步骤4：激光测径仪对制备的负曲率空芯太赫兹聚合物波导管的直径进行检测，检测合格后利用收卷机对负曲率空芯太赫兹聚合物波导管进行绕制收卷。
Claims (10)
1.一种负曲率空芯太赫兹聚合物波导管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：干燥
将颗粒光学聚合物原料进行充分干燥；
步骤2：塑化过程
将干燥后的颗粒料，送入竖式单螺杆挤出机，并在竖式单螺杆挤出机的搅拌、推动下充分加热和塑化，形成流体料；
步骤3：波导管预制结构的成型与同步拉伸；
充分塑化后的流体料流入预成型模具中，随着波导管预制结构的逐渐成型，波导管预制结构的头部逐渐暴露到空气中，并被空气降温；预成型模具的截面结构与波导管预制结构的截面结构为互补关系；
利用牵引机的夹具夹住波导管预制结构头部，在牵引力的作用下波导管预制结构被逐步拉伸形成目标尺寸的负曲率空芯太赫兹聚合物波导管；
步骤4：对负曲率空芯太赫兹聚合物波导管进行绕制收卷。
2.根据权利要求1所述的负曲率空芯太赫兹聚合物波导管的制备方法，其特征在于：所述预成型模具(3)包括上部固定盖板(11)、外固定管(16)、模具内管(12)、多个棒针(13)、芯体(14)以及出口盖板(15)；
上部固定盖板(11)包括外环板(111)、内圆盘(112)以及至少两个连接筋板(113)；内圆盘(112)同轴设置于外环板(111)内部，并通过连接筋板(113)固连；外环板(111)、内圆盘(112)之间具有多个流体通道(114)；
上部固定盖板(11)安装于外固定管(16)上端，出口盖板(15)安装于外固定管(16)下端；
模具内管(12)同轴安装于外固定管(16)内，模具内管(12)上端与上部固定盖板(11)的内圆盘(112)固连，模具内管(12)下端与出口盖板(15)相接触；
多个棒针(13)以及芯体(14)均位于模具内管(12)中，且多个棒针(13)上端以及芯体(14)上端均与上部固定盖板(11)的内圆盘(111)固连，多个棒针(13)下端以及芯体(14)下端均与出口盖板(15)相接触；
多个棒针(13)、芯体(14)与模具内管(12)之间构成用于形成波导管预制结构(8)的镂空缝隙。
3.根据权利要求2所述的负曲率空芯太赫兹聚合物波导管的制备方法，其特征在于：所述步骤2中的加热过程分为三个阶段，第一阶段为135℃、第二阶段为150℃、第三阶段为170℃。
4.根据权利要求2所述的负曲率空芯太赫兹聚合物波导管的制备方法，其特征在于：所述步骤3中还包括对负曲率空芯太赫兹聚合物波导管的直径进行检测。
5.根据权利要求4所述的负曲率空芯太赫兹聚合物波导管的制备方法，其特征在于：所述颗粒光学聚合物原料为环烯烃类共聚物TopasCOC或环烯烃聚合物COP或聚甲基丙烯酸甲酯PMMA。
6.一种负曲率空芯太赫兹聚合物波导管的制备装置，其特征在于：包括自上而下依次布置的干燥机(1)、竖式单螺杆挤出机(2)、预成型模具(3)、牵引机(4)以及收卷机(6)；
干燥机(1)的出料口与竖式单螺杆挤出机(2)入口连通，竖式单螺杆挤出机(2)出口与预成型模具(3)连通；
竖式单螺杆挤出机(2)上设置有加热装置(7)；
预成型模具(3)的截面结构与波导管预制结构(8)的截面结构互补；
牵引机(4)的夹具设置在预成型模具(3)的出口，用于将波导管预制结构(8)直接拉制成所需直径的负曲率空芯太赫兹聚合物波导管；
收卷机(6)用于将负曲率空芯太赫兹聚合物波导管绕制成盘。
7.根据权利要求6所述的负曲率空芯太赫兹聚合物波导管的制备装置，其特征在于：所述预成型模具(3)包括上部固定盖板(11)、外固定管(16)、模具内管(12)、多个棒针(13)、芯体(14)以及出口盖板(15)；
上部固定盖板(11)包括外环板(111)、内圆盘(112)以及至少两个连接筋板(113)；内圆盘(112)同轴设置于外环板(111)内部，并通过连接筋板(113)固连；外环板(111)、内圆盘(112)之间具有多个流体通道(114)；
上部固定盖板(11)安装于外固定管(16)上端，出口盖板(15)安装于外固定管(16)下端；
模具内管(12)同轴安装于外固定管(16)内，模具内管(12)上端与上部固定盖板(11)的内圆盘(112)固连，模具内管(12)下端与出口盖板(15)相接触；
多个棒针(13)以及芯体(14)均位于模具内管(12)中，且多个棒针(13)上端以及芯体(14)上端均与上部固定盖板(11)的内圆盘(111)固连，多个棒针(13)下端以及芯体(14)下端均与出口盖板(15)相接触；
多个棒针(13)、芯体(14)与模具内管(12)之间构成用于形成波导管预制结构(8)的镂空缝隙。
8.根据权利要求7所述的负曲率空芯太赫兹聚合物波导管的制备装置，其特征在于：所述加热装置(7)自竖式单螺杆挤出机(2)入口至出口，依次分为三个加热区，第一加热区的加热温度为135℃，第二加热区的加热温度为150℃，第三加热区的加热温度为170℃。
9.根据权利要求8所述的负曲率空芯太赫兹聚合物波导管的制备装置，其特征在于：所述系统还包括对负曲率空芯太赫兹聚合物波导管的直径进行检测的激光测径仪(5)；所述激光测径仪(5)位于牵引机(4)与收卷机(6)之间。
10.根据权利要求9所述的负曲率空芯太赫兹聚合物波导管的制备装置，其特征在于：所述颗粒光学聚合物原料为环烯烃类共聚物TopasCOC或环烯烃聚合物COP或聚甲基丙烯酸甲酯PMMA。
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