CN113021725B - 一种取向可控的超高分子量聚合物异型制件成型设备 - Google Patents

一种取向可控的超高分子量聚合物异型制件成型设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种取向可控的超高分子量聚合物异型制件成型设备，包括动模模块和定模模块；动模模块包括振动驱动机构和动模；动模固定连接于振动驱动机构的底端；定模模块包括定模、若干个定模驱动机构和若干个成型机构；定模的上端设置有开口向上的成型槽，且其外侧壁上设置有与成型机构相匹配的通孔；定模位于动模的下方。本发明通过控制熔体所受动模振动压力的基准载荷、幅值、频率等参数或滑块移动方向及距离，可以调控超高分子量聚合物分子链的取向方向及取向程度，有效提高聚合物异型制件的综合性能，同时，通过控制温控流道内流体温度，准确控制成型槽内温度，保证超高分子量聚合物异型制件成型过程的稳定性，提升制件成型质量。

Description

一种取向可控的超高分子量聚合物异型制件成型设备
技术领域
本发明涉及超高分子量聚合物成型技术领域，更具体地说是涉及一种取向可控的超高分子量聚合物异型制件成型设备。
背景技术
超高分子量聚合物是指分子量超过百万以上的聚合物，例如超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、超高分子量聚四氟乙烯(PTFE)，UHMWPE的分子量通常超过150万g/mol，PTFE的分子量通常为500-1000万g/mol。超高分子量聚合物综合性能优异，作为异型制件在生物医疗、航空航天、工业运输等领域有着广泛应用。例如，目前每年全世界UHMWPE人工关节的植入手术超过300万例，并随着人类平均寿命延长，对其耐磨、抗疲劳、抗冲击等性能提出更高要求；PTFE作为耐腐蚀管、密封件等异型制件在化工、国防军工等领域有着广泛应用。然而，由于超高分子量聚合物的熔体粘度极大，如UHMWPE粘度为108Pa·s，PTFE的粘度更高达1010-1012Pa·s，使其无法进行熔融加工成型，通过添加改性剂降低粘度可以进行传统注塑成型，但成型过程中存在的界面结合问题，会严重弱化制品性能。
目前，超高分子量聚合物异型制件主要采用模压、粉末烧结等静态成型方式，存在成型周期长、无法形成取向增强结构等问题，而高速冲击成型(HVC)虽可大大降低成型周期，但制件仍存在存在断裂韧性差、无法形成取向增强结构等问题。其中，取向增强结构可以使制件在取向方向上的强度增加，能够极大地提升制件性能。显然，现有超高分子量聚合物异型制件的性能仍存在提升空间。随着社会的进步和发展，人们已经对超高分子量聚合物异型制件的性能有了更高的追求，而现有的超高分子量聚合物异型制件成型方式显然已无法满足人们对高端产品的需求。
因此，如何提供一种能够形成取向增强结构，提升制件性能的取向可控的超高分子量聚合物异型制件成型设备是本领域亟需解决的技术问题之一。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种取向可控的超高分子量聚合物异型制件成型设备，目的就是为了解决上述之不足。
为解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案：
一种取向可控的超高分子量聚合物异型制件成型设备，包括：动模模块和定模模块；所述动模模块包括振动驱动机构和动模；所述动模固定连接于所述振动驱动机构的底端；所述定模模块包括定模、若干个定模驱动机构和若干个成型机构；所述定模的上端设置有开口向上的成型槽，且其外侧壁上设置有与所述成型机构相匹配的通孔；所述定模位于所述动模的下方；所述成型机构的数量与所述定模驱动机构数量相对应。
优选地，所述成型机构为一个模芯；每个所述模芯均对应的设置于一个所述通孔内，且其远离所述成型槽的一端均固定连接于一个所述定模驱动机构的输出端。
此技术方案的有益效果是：通过振动驱动机构驱动动模将超高分子量聚合物初生粉体粒子在动模振动作用下变为熔体，振动压力导致成型槽内出现压力差，压力差驱使熔体沿模芯在成型槽内流动，熔体流动诱导超高分子量聚合物分子链沿流动方向取向，通过控制振动压力的基准载荷、频率等参数可以控制超高分子量聚合物的取向方向和程度，提高超高分子量聚合物异型制件的性能。
优选地，或，所述成型机构为一个限位块和一个滑块组成的机构；所述限位块和所述滑块均可滑动地设置于所述通孔内；所述滑块相对于所述限位块更加靠近所述成型槽；所述限位块远离所述成型槽的一端固定连接于所述定模驱动机构的输出端。
此技术方案的有益效果是：通过振动驱动机构驱动动模将超高分子量聚合物初生粉体粒子在动模振动作用下变为熔体，振动压力推动滑块沿通孔内壁向外滑动，诱导超高分子量聚合物分子链获得一定程度的取向，同时，通过定模驱动机构控制限位块移动，从而限制滑块移动距离，进而调控熔体流动方向和距离。
优选地，所述振动驱动机构包括振动驱动装置、支撑板、固定板和四个导向杆；四个所述导向杆均布于所述定模的顶端；每个所述导向杆的顶端均固定连接于所述支撑板的底端；所述振动驱动装置固定连接于所述支撑板的顶端；所述固定板的顶端固定连接于所述振动驱动装置的输出端，且其底端与所述定模的顶端固定连接；所述固定板套设于四个所述导向杆上。
此技术方案的有益效果是：通过导向杆限定动模移动方向，防止定模移动过程出现偏移，提高设备运行的稳定性。
优选地，所述定模驱动机构包括驱动装置和支架；所述支架固定连接于所述定模的外侧壁上，且其与所述通孔相对应；所述驱动装置固定连接于所述支架的顶端，且其输出端与所述模芯或所述限位块的一端固定连接。
优选地，当所述成型机构为一个模芯时，所述模芯的数量为两个；两个所述模芯对称设置在所述定模两侧的所述通孔内；两个所述模芯靠近成型槽的一端的端部相适配。
优选地，当所述成型机构为一个限位块和一个滑块组成的机构时，所述限位块和所述滑块的数量均为两个；两个所述限位块和两个所述滑块均对称设置于所述定模两侧的所述通孔内。
优选地，所述定模、所述动模和每个所述模芯内均设置有温控流道。
此技术方案的有益效果是：通过控制温控流道内流体温度，能够准确控制成型槽内温度，保证超高分子量聚合物异型制件成型过程的稳定性，提升制件成型质量。
优选地，所述振动驱动装置的振动驱动功能实现形式包含并不仅限于液压式、机械式、电磁式中的一种或几种。
优选地，所述驱动装置的驱动功能实现形式包含并不仅限于液压式、机械式、电磁式中的一种或几种。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：通过振动驱动装置驱动动模将超高分子量聚合物初生粉体粒子在动模振动作用下变为熔体，振动压力导致成型槽内出现压力差，压力差驱使熔体在成型槽内沿特定方向流动，熔体流动诱导超高分子量聚合物分子链的取向，形成取向自增强结构，提高超高分子量聚合物异型制件的综合性能，同时，通过控制熔体所受动模振动压力的基准载荷、幅值、频率等参数，可以调控超高分子量聚合物分子链的取向程度，进一步改善超高分子量聚合物异型制件的性能，还通过控制温控流道内流体温度，准确控制成型槽内温度，保证超高分子量聚合物异型制件成型过程的稳定性，提升制件成型质量。
附图说明
图1为本发明实施例一的主视图的剖面图；
图2为本发明实施例一的左视图的剖面图；
图3为本发明实施例二的主视图的剖面图；
图中：1、动模模块；11、振动驱动机构；111、振动驱动装置；112、支撑板；113、固定板；114、导向杆；12、动模；121、预设槽；2、定模模块；21、定模；211、成型槽；212、通孔；22、定模驱动机构；221、驱动装置；222、支架；23、成型机构；231、模芯；231′、限位块；232′、滑块；3、温控流道。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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没有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。
实施例一
参照图1-2所示，本发明公开了一种取向可控的超高分子量聚合物异型制件成型设备，包括：动模模块1和定模模块2；动模模块1包括振动驱动机构11和动模12；动模12固定连接于振动驱动机构11的底端；定模模块2包括定模21、2个定模驱动机构22和2个成型机构23；定模21的上端设置有开口向上的成型槽211，且其外侧壁上设置有与成型机构23相匹配的通孔212；定模21位于动模12的下方；成型机构23的数量与定模驱动机构22数量相对应。
成型机构23为1个模芯231；每个模芯231均对应的设置于1个通孔212内，且其远离成型槽211的一端均固定连接于1个定模驱动机构22的输出端。
振动驱动机构11包括振动驱动装置111、支撑板112、固定板113和4个导向杆114；4个导向杆114均布于定模21的顶端；每个导向杆114的顶端均固定连接于支撑板112的底端；振动驱动装置111固定连接于支撑板112的顶端；固定板113的顶端固定连接于振动驱动装置111的输出端，且其底端与定模21的顶端固定连接；固定板113套设于4个导向杆114上。
定模驱动机构22包括驱动装置221和支架222；支架222固定连接于定模21的外侧壁上，且其与通孔212相对应；驱动装置221固定连接于支架222的顶端，且其输出端与模芯231的一端固定连接。
在本实施例中，模芯231的数量为2个；2个模芯231对称设置在定模21两侧的通孔212内；2个模芯231靠近成型槽211的一端的端部相适配。
在本实施例中，定模21、动模12和每个模芯231内均设置有温控流道3。
在本实施例中，振动驱动装置111的振动驱动功能实现形式为液压式。
在本实施例中，驱动装置221的驱动功能实现形式为液压式。
在本实施例中，动模12的下端还设置有与成型槽211相配合的预设槽121。
在另外一些实施例中，定模驱动机构22和成型机构23的数量可根据实际需求进行设计。
在另外一些实施例中，振动驱动装置111和驱动装置221的实现形式可根据实际需求进行设计。
成型方法：a.驱动装置221驱动模芯231向定模21的成型槽211内部中心移动，直至2个模芯231的端部相互贴合在一起，同时，将初生粉体粒子倒入成型槽211内；b.向所有的温控流道3内通入温控流体，并维持定模21、动模12和每个模芯231的温度至初生粉体粒子的熔点以上，且不超过该熔点以上50℃；c.振动驱动装置111驱动动模12向下移动，直至动模12压在所述初生粉体粒子上，然后，振动驱动装置111带动动模12振动，初生粉体粒子在振动作用下转变为熔体；d.振动驱动装置111继续驱动动模12向下移动使动模12和成型槽211之间包围形成的型腔内产生预设熔体压力且维持该压力不变，动模12提供的振动压力导致型腔内产生压力差，驱使熔体在型腔内流动，熔体的流动诱导超高分子量聚合物的分子链沿流动方向取向；e.振动驱动装置111持续振动并调整成型槽211内的压力至预设值，温控流道3内通入温控流体以维持定模21、动模12和每个模芯231的温度至初生粉体粒子熔体的结晶温度以下，熔体开始冷却收缩，振动压力可有效驱使熔体补缩，直至所述熔体冷却成型，形成超高分子量聚合物异型制件。
实施例二
参照图3所示，本发明公开了另一种取向可控的超高分子量聚合物异型制件成型设备。
在本实施例中，成型机构23为一个限位块231′和一个滑块232′组成的机构；限位块231′和滑块232′均可滑动地设置于通孔212内；滑块232′相对于限位块231′更加靠近成型槽211；限位块231′远离成型槽211的一端固定连接于定模驱动机构22的输出端；限位块231′和滑块232′的数量均为2个；2个限位块231′和两个滑块232′均对称设置于定模21两侧的通孔212内，其余结构均与实施例一相同。
成型方法：a.驱动装置221驱动限位块231′向成型槽211内部移动，从而带动滑块232′移动，直至滑块232′内侧壁与成型槽211的内侧壁平齐，将初生粉体粒子倒入成型槽211内；b.向所有的温控流道3内通入温控流体，并维持定模21和动模12的温度至初生粉体粒子的熔点以上，且不超过该熔点以上50℃；c.振动驱动装置111驱动动模12向下移动，直至动模12压在所述初生粉体粒子上，然后，振动驱动装置111带动动模12振动，初生粉体粒子在振动作用下转变为熔体；d.驱动装置221驱动限位块231′向定模21外侧移动至预设位置，振动驱动装置111继续驱动动模12向下移动使动模12和成型槽211之间包围形成的型腔内产生预设熔体压力，动模12提供的振动压力导致型腔内产生压力差；e.在压力差驱使下，熔体推动滑块232′沿通孔212内壁向外移动，诱导超高量分子聚合物分子链获得一定程度的取向，直至滑块232′与限位块231′接触；f.振动驱动装置111持续振动并调整成型槽211内的压力至预设值，温控流道3内通入温控流体以维持定模21和动模12的温度至初生粉体粒子熔体的结晶温度以下，熔体开始冷却收缩，振动压力可有效驱使熔体补缩，直至所述熔体冷却成型，形成超高分子量聚合物异型制件。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种取向可控的超高分子量聚合物异型制件成型设备，其特征在于，包括：动模模块(1)和定模模块(2)；所述动模模块(1)包括振动驱动机构(11)和动模(12)；所述动模(12)固定连接于所述振动驱动机构(11)的底端；所述定模模块(2)包括定模(21)、若干个定模驱动机构(22)和若干个成型机构(23)；所述定模(21)的上端设置有开口向上的成型槽(211)，且其外侧壁上设置有与所述成型机构(23)相匹配的通孔(212)；所述定模(21)位于所述动模(12)的下方；所述成型机构(23)的数量与所述定模驱动机构(22)数量相对应；
所述振动驱动机构(11)包括振动驱动装置(111)、支撑板(112)、固定板(113)和四个导向杆(114)；四个所述导向杆(114)均布于所述定模(21)的顶端；每个所述导向杆(114)的顶端均固定连接于所述支撑板(112)的底端；所述振动驱动装置(111)固定连接于所述支撑板(112)的顶端；所述固定板(113)的顶端固定连接于所述振动驱动装置(111)的输出端，且其底端与所述定模(21)的顶端固定连接；所述固定板(113)套设于四个所述导向杆(114)上；
所述成型机构(23)为一个模芯(231)；每个所述模芯(231)均对应的设置于一个所述通孔(212)内，且其远离所述成型槽(211)的一端均固定连接于一个所述定模驱动机构(22)的输出端；
所述定模(21)、所述动模(12)和每个所述模芯(231)内均设置有温控流道(3)；
当所述成型机构(23)为一个模芯(231)时，所述模芯(231)的数量为两个；两个所述模芯(231)对称设置在所述定模(21)两侧的所述通孔(212)内；两个所述模芯(231)靠近成型槽(211)的一端的端部相适配；
成型方法：a.驱动装置(221)驱动模芯(231)向定模(21)的成型槽(211)内部中心移动，直至2个模芯(231)的端部相互贴合在一起，同时，将初生粉体粒子倒入成型槽(211)内；b.向所有的温控流道(3)内通入温控流体，并维持定模(21)、动模(12)和每个模芯(231)的温度至初生粉体粒子的熔点以上，且不超过该熔点以上50℃；c.振动驱动装置(111)驱动动模(12)向下移动，直至动模(12)压在所述初生粉体粒子上，然后，振动驱动装置(111)带动动模(12)振动，初生粉体粒子在振动作用下转变为熔体；d.振动驱动装置(111)继续驱动动模(12)向下移动使动模(12)和成型槽(211)之间包围形成的型腔内产生预设熔体压力且维持该压力不变，动模(12)提供的振动压力导致型腔内产生压力差，驱使熔体在型腔内流动，熔体的流动诱导超高分子量聚合物的分子链沿流动方向取向；e.振动驱动装置(111)持续振动并调整成型槽(211)内的压力至预设值，温控流道(3)内通入温控流体以维持定模(21)、动模(12)和每个模芯(231)的温度至初生粉体粒子熔体的结晶温度以下，熔体开始冷却收缩，振动压力可有效驱使熔体补缩，直至所述熔体冷却成型，形成超高分子量聚合物异型制件；
或，所述成型机构(23)为一个限位块(231′)和一个滑块(232′)组成的机构；所述限位块(231′)和所述滑块(232′)均可滑动地设置于所述通孔(212)内；所述滑块(232′)相对于所述限位块(231′)更加靠近所述成型槽(211)；所述限位块(231′)远离所述成型槽(211)的一端固定连接于所述定模驱动机构(22)的输出端；
当所述成型机构(23)为一个限位块(231′)和一个滑块(232′)组成的机构时，所述限位块(231′)和所述滑块(232′)的数量均为两个；两个所述限位块(231′)和两个所述滑块(232′)均对称设置于所述定模(21)两侧的所述通孔(212)内；
成型方法：a.驱动装置(221)驱动限位块(231′)向成型槽(211)内部移动，从而带动滑块(232′)移动，直至滑块(232′)内侧壁与成型槽(211)的内侧壁平齐，将初生粉体粒子倒入成型槽(211)内；b.向所有的温控流道(3)内通入温控流体，并维持定模(21)和动模(12)的温度至初生粉体粒子的熔点以上，且不超过该熔点以上50℃；c.振动驱动装置(111)驱动动模(12)向下移动，直至动模(12)压在所述初生粉体粒子上，然后，振动驱动装置(111)带动动模(12)振动，初生粉体粒子在振动作用下转变为熔体；d.驱动装置(221)驱动限位块(231′)向定模(21)外侧移动至预设位置，振动驱动装置(111)继续驱动动模(12)向下移动使动模(12)和成型槽(211)之间包围形成的型腔内产生预设熔体压力，动模(12)提供的振动压力导致型腔内产生压力差；e.在压力差驱使下，熔体推动滑块(232′)沿通孔(212)内壁向外移动，诱导超高量分子聚合物分子链获得一定程度的取向，直至滑块(232′)与限位块(231′)接触；f.振动驱动装置(111)持续振动并调整成型槽(211)内的压力至预设值，温控流道(3)内通入温控流体以维持定模(21)和动模(12)的温度至初生粉体粒子熔体的结晶温度以下，熔体开始冷却收缩，振动压力可有效驱使熔体补缩，直至所述熔体冷却成型，形成超高分子量聚合物异型制件。
2.根据权利要求1所述的一种取向可控的超高分子量聚合物异型制件成型设备，其特征在于，所述定模驱动机构(22)包括驱动装置(221)和支架(222)；所述支架(222)固定连接于所述定模(21)的外侧壁上，且其与所述通孔(212)相对应；所述驱动装置(221)固定连接于所述支架(222)的顶端，且其输出端与所述模芯(231)或所述限位块(231′)的一端固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种取向可控的超高分子量聚合物异型制件成型设备，其特征在于，所述振动驱动装置(111)的振动驱动功能实现形式包含并不仅限于液压式、机械式、电磁式中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种取向可控的超高分子量聚合物异型制件成型设备，其特征在于，所述驱动装置(221)的驱动功能实现形式包含并不仅限于液压式、机械式、电磁式中的一种或几种。
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