CN115503207A - 一种产生多层复合薄膜的成型方法及模具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种产生多层复合薄膜的成型方法及模具，来自多层共挤的多层熔体，由层状管胚吹膜模头形成环形多层管胚，经吹胀、冷却后制备多层薄膜制品：层状管胚吹膜模头包括转向板、过渡板、壳体、芯棒、阻流块、柔性调节环及高压气体通道，多层片状熔体在转向板内流动方向由水平向竖直转向，进入过渡板内向上输送时逐渐包络为多层环形熔体，经阻流块与柔性调节环分流后在层状管胚吹膜模头出口处形成多层管胚；多层管胚经吹胀与冷却后制备多层薄膜。本发明原理简单，多层管胚在模内复合，有效地减少设备体积及成本，同时，可制备层数高达成百上千层的复合薄膜，提升多层薄膜制品的力学、阻隔及光学性能。

Description

一种产生多层复合薄膜的成型方法及模具
技术领域
本发明涉及高分子材料成型技术领域，特别涉及一种产生层数高达成百上千的多层复合薄膜的成型方法及模具。
背景技术
多层复合薄膜可充分发挥各层的性能与功能，且可根据性能需要设计各层含量，具有结构灵活、性能与功能全面等特点，应用前景广泛。多层复合薄膜主要通过共挤流延和共挤吹膜两种成型工艺制备。其中，共挤吹膜不需要切边处理，生产工艺较为简单，机器所需占地面积小，具有高效、经济与成本低等优势。因此，共挤吹膜已成为多层薄膜的重要成型方式。从已公开专利看(US 5,762,971、CN 109693367B)，现有共挤吹膜大都采用多流道式设计，即流道数量与层数相同。随着层数的增加，共挤吹膜机头内部流道数量增加，机头制造成本及设备占地面积等迅速增加，且熔体路径变长，挤出压力变大，挤出困难，因而现有共挤吹膜技术最高只能制备27层的多层复合薄膜。
高层数的多层复合薄膜通过将成百上千层的材料在微观上叠加，在力学、光学及阻隔方面具有独特的优势，因此，克服现有共挤吹膜技术只能制备低层数多层复合薄膜的不足，开发可实现层数高达成百上千的新型共挤吹膜技术，急需新的解决方案。
微纳层叠共挤技术是一种基于喂料块式的共挤技术，可在挤出过程实现成百上千层的多层复合材料的制备。从已公开的美国专利US 3,557,265，中国专利CN200610022348.6、CN 200920271878.3等来看，微纳层叠共挤技术通过对熔体重复施加“分割-展宽/减薄-叠合”过程实现层数的倍增。该过程决定了微纳层叠技术只能产生层状片材。陶氏化学于2016年公开的专利US 9,481,143 B2，描述了一种基于微纳层叠共挤的吹膜技术，该技术利用十字直角式管胚机头将片状层状材料转化为环状层状管胚，然后经高压气体吹胀后制备多层复合薄膜。该技术在使用保护层的情况下，最高可实现 32层吹膜样品的制备，芯层的层状结构占比最高为25％。陶氏化学的专利虽将多层薄膜的层数提高至32层，但仍未实现层数高达成百上千的多层复合薄膜的制备。
因此，开发将微纳层叠共挤技术产生的片状多层流转换为环状多层流的层状管胚吹膜模头，形成可实现层数高达成百上千的多层共挤吹膜技术，亟待更加有效的解决方案。
发明内容
基于微纳层叠共挤技术特征，开发与之配合使用的层状管胚吹膜模头，获得可实现层数高达成百上千的共挤吹膜方法及模具。
可以实现上述目的技术方案如下：
本发明公开了一种产生多层复合薄膜的成型方法及模具，其特征在于：主要包括多套塑化装置、汇流器、层倍增器、层状管胚吹膜模头；塑化装置、汇流器、层倍增器、层状管胚吹膜模头前后依次相接，彼此依靠止口定位；汇流器设有多个入口和一个出口，多个入口分别与不同塑化装置相连，出口与层倍增器相连；层状管胚吹膜模头包括转向板、过渡板、壳体、芯棒、阻流块、柔性调节环与高压气体通道；转向板设有入口与出口，入口和出口通过贯通的矩形流道，所述流道以圆弧状路径由水平向竖直方向转向；过渡板的入口与转向板的出口连通，过渡板内流道截面形状由入口处的矩形向出口端的圆环形平滑过渡；芯棒与壳体、柔性调节环同轴装配，彼此之间的间隙形成圆环形流道；来自多套塑化装置熔体，经汇流器及层倍增器产生多层熔体流，进入转向板后熔体流动方向由水平向竖直转变，进入过渡板内向上输送时逐渐包络为多层环形熔体，经阻流块与柔性调节环分流后在层状管胚吹膜模头出口端形成壁厚均一的多层管胚，经吹胀、牵引、冷区收卷后制备多层薄膜。
本发明公开了一种产生多层复合薄膜的成型方法及模具，转向板内流道矩形截面面积不变，以四分之一圆弧路径向上转向，转向板将多层熔体的流动方向由水平向竖直方向转向，且避免层结构的破坏。
本发明公开了一种产生多层复合薄膜的成型方法及模具，过渡板内流道截面形状由入口处的矩形向出口端的圆环形平滑过渡，且保持截面面积不变，过渡板将片状多层熔体流逐渐包络成环状多层管胚流。
本发明公开了一种产生多层复合薄膜的成型方法及模具，柔性调节环由支撑外筒、柔性调节内筒与调节螺丝组成；支撑外筒与柔性调节内筒同轴装配，底部法兰配合，出口端留有狭缝间隙；柔性调节内筒靠近出口处有数条环形狭缝。
本发明公开了一种产生多层复合薄膜的成型方法及模具，芯棒上设有阻流块，可调节多层熔体环向流量与流速的分布。
本发明公开了一种产生多层复合薄膜的成型方法及模具，柔性调节环与芯棒同轴装配，通过调节螺丝改变柔性调节内筒形状，进而改变柔性调节内筒与芯棒之间的间距，达到调控多层管胚壁厚的目的。
本发明公开了一种产生多层复合薄膜的成型方法及模具，冷却风环将风机输入的高速气流转换成向上的环形气流，达到冷却层状薄膜的目的。
本发明公开了一种产生多层复合薄膜的成型方法及模具，塑化装置可为挤出机、熔体泵及注塑机，塑化装置加工的物料为高分子基复合材料、陶瓷基复合材料、金属基复合材料。
本发明公开了一种产生多层复合薄膜的成型方法及模具，可用于制备各层为单一或复合组分的，层数高达成百上千层的多层复合薄膜。
附图说明
图1一种产生多层复合薄膜的成型方法及模具(无保护层)的外观结构示意图。
图2微纳层叠共挤过程中两种熔体在层倍增器中实现层数倍增的过程。
图3(a)层状管胚吹膜模头流道示意图,(b)层状管胚吹膜模头三维示意图。
图4层状管胚吹膜模头剖面图。
图5柔性调节环三维模型(左)及剖面图(右)。
图6多层复合薄膜的实际吹膜成型过程(a)及所制备的不同尺度下的128层PP/PE交替多层薄膜(b)、(c)。
图7具有保护层的层状管胚吹膜模头流道示意图。
图中，1、2、8、9为塑化装置；3汇流器；4层倍增器；5层状管胚吹膜模头，5-1转向板，5-2过渡板，5-3壳体，5-4阻流块，5-5芯棒，5-6高压气体通道，5-7柔性调节环， 5-7-1调节螺丝，5-7-2支撑外筒，5-7-3柔性调节内筒，5-7-4芯棒出口端，5-7-5高压气体通道出口端，5-7-6圆环形狭缝流道出口端；6冷却风环；7多层薄膜(无保护层)； 10多层管胚(有保护层)。
具体实施方式
下来结合附图及实施例对本发明进一步说明
实施例1
本实施例公开的一种产生多层复合薄膜的成型方法及模具，整体结构外形如附图1所示，包括塑化装置1、2，汇流器3，层倍增器4，层状管胚吹膜模头5，冷却风环6，它们前后依次串联，彼此依靠止口定位。汇流器3将来自塑化供料装置的高分子熔体汇集为2层高分子熔体；层倍增器4中，经“分割-展宽/减薄-叠合”后得到截面形状为矩形的多层熔体；层状管胚吹膜模头5将多层熔体的流动方向由水平向竖直方向转变，同时将截面形状为矩形的多层熔体平滑过渡为截面形状为环形的多层管胚；多层管胚经吹胀、牵引、冷却及收卷后制备多层薄膜。
实施例2
本实施例公开的一种产生具有保护层特征的多层复合薄膜的成型方法及模具，其内部流道示意图如附图7所示，包括塑化装置1、2、8、9，来自塑化装置1、2的高分熔体A 与B首先经汇流器3、层倍增器4形成A/B交替多层熔体，然后再与来自塑化装置8、 9的高分熔体C与D复合，形成与C为表层，A/B交替多层为芯层，D为内层的的 C-A/B/A…B/A/B-D的复合多层熔体，经层状管胚吹膜模头5形成C-A/B/A…B/A/B-D 复合管胚，经吹胀、牵引、冷却、收卷后形成C-A/B/A…B/A/B-D复合多层薄膜。以下是用本发明制备多层复合薄膜的几个具体实例。
实施例1
制备层结构均一的PP/PE多层复合薄膜。串联6个层倍器，层倍器入口与汇流器相接，出口与层状管胚吹膜模头相接；设置好塑化供料装置及模具温度，达到指定温度塑化供料装置稳定输送物料，通过汇流器与6个串联的层倍器产生128层的PP/PE交替多层熔体，PP/PE交替多层熔体经层状管胚吹膜模头产生128层的PP/PE层状管胚，经吹胀、牵引、冷却、收卷后形成128层的PP/PE多层复合薄膜，如图6所示。
实施例2
制备PLA层厚与PBAT层厚比为4:1的PLA/PBAT多层复合薄膜。串联不同数量的层倍器，层倍器入口与汇流器相接，出口与层状管胚吹膜模头相接；设置好塑化供料装置及模具温度，达到指定温度塑化供料装置稳定输送物料，调控塑化装置输送物料的速率，使得PLA与PBAT的供料速率为4:1，通过汇流器与不同数量的层倍器分别产生4、16、 64、256、1024层的PLA/PBAT多层熔体，PLA/PBAT多层熔体经层状管胚吹膜模头产生PLA/PBAT多层管胚，经吹胀、牵引、冷却、收卷后形成层数为4、16、64、256、 1024层的PLA/PBAT多层复合薄膜。
实施例3
制备PA层厚与PE层厚比为1:5的PA/PE多层复合薄膜。串联不同数量的层倍器，层倍器入口与汇流器相接，出口与层状管胚吹膜模头；设置好塑化供料装置及模具温度，达到指定温度塑化供料装置稳定输送物料，调控塑化装置输送物料的速率，通过汇流器与不同数量的层倍器分别产生4、16、64、256、1024层的PA/PE多层熔体，PA/PE多层熔体经层状管胚吹膜模头产生PA/PE多层管胚，经吹胀、牵引、冷却、收卷后形成层数为4、16、64、256、1024层的PA/PE多层复合薄膜。
实施例4
制备PE为皮层、中间层为EVA/PP交替多层、PA为内层的PE-EVA/PP…EVA/PP-PA的多层复合薄膜。如图7所示，塑化装置1、2的高分熔体EVA与PP首先经汇流器3、层倍增器4形成EVA/PP交替多层熔体，然后再与来自塑化装置8、9的高分熔体PE与 PA复合，形成与PE为表层，EVA/PP交替多层为芯层，PA为内层的PE-EVA/PP… EVA/PP-PA的多层复合管胚，经吹胀、牵引、冷却、收卷后形成PE-EVA/PP…EVA/PP-PA 复合多层薄膜。

Claims (6)

1.一种产生多层复合薄膜的成型方法及模具，其特征在于：主要包括x套塑化装置、汇流器、层倍增器、层状管胚吹膜模头；塑化装置、汇流器、层倍增器、层状管胚吹膜模头前后依次相接，彼此依靠止口定位；汇流器设有多个入口和一个出口，多个入口分别与不同塑化装置相连，出口与层倍增器相连；层状管胚吹膜模头包括转向板、过渡板、壳体、芯棒、阻流块、柔性调节环与高压气体通道；转向板设有入口与出口，入口和出口设有贯通的矩形流道，所述流道以圆弧状路径由水平向竖直方向转向；过渡板的入口与转向板的出口连通，过渡板内流道截面形状由入口处的矩形向出口端的圆环形平滑过渡；芯棒与壳体、柔性调节环同轴装配，彼此之间的间隙形成圆环形流道；塑化装置由挤出机、熔体泵组成。
2.权利要求1所述的一种产生多层复合薄膜的成型方法及模具，其特征在于层状管胚吹膜模头将多层熔体定型为多层管胚，经吹胀、牵引、冷区收卷后制备多层薄膜。
3.权利要求1所述的一种产生多层复合薄膜的成型方法及模具，其特征在于芯棒上设有阻流块，调节多层熔体沿环向方向流量与流速的分布。
4.权利要求1所述的一种产生多层复合薄膜的成型方法及模具，其特征在于柔性调节环由支撑外筒、柔性调节内筒与调节螺丝组成；支撑外筒与柔性调节内筒同轴装配，底部法兰配合，柔性调节内筒出口处有数条环形凹槽，调节螺丝可调节柔性调节内筒的形状。
5.权利要求1所述的一种产生多层复合薄膜的成型方法及模具，其特征在于柔性调节环与芯棒同轴装配，通过调节螺丝改变柔性调节内筒形状，调控柔性调节内筒与芯棒间隙大小。
6.权利要求1所述的一种产生多层复合薄膜的成型方法及模具，其特征在于：汇流器将来自x套塑化装置的熔体复合为x层熔体；复合熔体离开汇流器进入层倍增器时在宽度方向平均分割为y股熔体，每股熔体在层倍增器中向前输送时宽度增加y倍，厚度降至1/y，并在层倍增器出口处合流形成x×y层熔体；串联z个层倍增器可获得x×yz层熔体，x与y为大于等于2的整数，z为大于等于1的整数；经串联z个层倍增器得到的x×yz层熔体，由层状管胚吹膜模头定型为壁厚均一，层结构优良的多层环形管胚，经吹胀、牵引、冷区收卷后制备多层薄膜。
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