CN201349516Y - 一种多层材料制备装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多层材料制备装置，它包括至少两个枝状模块，该些个枝状模块以多级树枝状连接组合在一起；该每一个枝状模块都包括至少两个分枝模块和一个作为结点连接汇合该至少两个分枝模块的供料头；该最上游的分枝模块包括一进料器；该些个分枝模块中至少有一个分枝模块包括一个层倍增部，该层倍增部由一个或者多个相同或者不相同的层倍增器在三维空间上排列组合而成。它可以随意组合、操作方便，能够对复合材料，特别是多层复合材料的层数、层厚度、层厚度比以及其他结构进行多样化调控。

Description

一种多层材料制备装置

技术领域

本实用新型涉及一种复合材料加工技术，更具体地说，是涉及一种通过分割层叠材料方法制备多层复合材料的装置。

背景技术

现实当中许多材料或者物体具有多层结构，它是由许多层堆叠起来形成。具有多层结构的材料或者物体包括功能性材料、动物的骨头、食品等多种。该食品，例如多层蛋糕、饼干等，采用多层结构可增加美观、口味，减少成本等。该功能性材料，例如多层聚合物材料、含金属或者半导体等组分的电子材料，尤其是聚合物复合材料，研究发现多层复合结构能使得材料在力学性能、光学性能、阻隔性能、导电性能等方面具有独特的优点，它已经在光学薄膜、装饰材料、阻隔材料等方面取得了商业化应用。因此，多层材料制备技术以及装置在许多国家得到越来越多的重视。目前制备多层材料的技术主要包括多层共挤出、层压成型、旋涂、喷涂、逐层组装等多种。不同技术的侧重点不同，所适用的材料也不尽相同，例如：一般情况下层压成型、旋涂、喷涂、逐层组装等能够对多层结构，特别是不同层、不同材料时，进行多样性调节；一般情况下多层共挤出技术适合大规模的工业化生产。当然，一些材料也可以采用多种方法进行制备，但同样的材料产品用不同的方法加工，性能也会有不同。

早期的多层共挤出，一般采用供料头技术，一个供料头含有许多个料流通道，一个通道控制一层物料，将几种材料共挤出形成多层复合材料。该技术存在有如下的不足：1、挤出材料的层数有限；2、挤出装置结构复杂，挤出工艺不易掌控。

针对上述不足，有人提出了一些特殊共挤出装置的解决方案，如美国专利US3051453、US3565985、US3645837、US6905324等、中国专利CN1511694等。该解决方案虽然能使制备多层结构材料更加简单可行，但是现有的装置也存在有如下的不足：结构单一，不容易对层数以及层厚度进行多样化、简易化调控。

实用新型内容

本实用新型提供一种多层材料制备装置，其克服了背景技术的共挤出装置所存在的不容易对层数、层厚度进行多样化、简易化调控的不足。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种多层材料制备装置，它包括至少两个枝状模块，该些个枝状模块以多级树枝状连接组合在一起；该每一个枝状模块都包括至少两个分枝模块和一个作为结点连接汇合该至少两个分枝模块的供料头；该最上游的分枝模块包括一进料器；该些个分枝模块中至少有一个分枝模块包括一个层倍增部，该层倍增部由一个或者多个相同或者不相同的层倍增器在三维空间上排列组合而成。

本实用新型的一较佳实施例中，该层倍增器包括至少两个分支料流通道，该分支料流通道具有分流入口和分流出口，该些分流入口沿料流层宽度方向排布，该些分流出口沿料流层高度方向排布，该每相邻的两分流入口之间都设有分割片。

本实用新型的一较佳实施例中，该些层倍增器还包括一在分支料流通道汇合的同时开始进行对称连续的横截面调整并结束于层倍增器内的汇合主料流通道。

本实用新型的一较佳实施例中，该些层倍增器还包括一在分支料流通道汇合的同时开始进行对称连续的横截面调整至层倍增器出口结束的汇合主料流通道。

本实用新型的一较佳实施例中，该些层倍增器还包括重新堆叠后同时进行对称连续的横截面调整并汇合于层倍增器内的分支料流通道，以及一不再进行横截面调整的汇合主料流通道。

本实用新型的一较佳实施例中，该些层倍增器还包括重新堆叠后同时进行对称连续的横截面调整并汇合于层倍增器出口的分支料流通道。

本实用新型的一较佳实施例中，该分支料流通道的横斜面从分流入口至分流出口逐渐调整，其中，该些分流道中任意一处的横截面面积与其分流入口相比在50％-200％。

本实用新型的一较佳实施例中，该供料头中分支料流通道汇合前其数量不少于进料料流数量，即该供料头可以是简单的分支料流通道数量与进料料流数量相等的装置或者是具有分流分支料流通道而具有增层能力的装置。

本实用新型的一较佳实施例中，该供料头具有固定的料流通道。

本实用新型的一较佳实施例中，该供料头具有大小可调的料流通道。

本技术方案与背景技术相比：它可以随意组合、操作方便，能够对复合材料，特别是多层复合材料的层数、层厚度、层厚度比以及其他结构进行多样化调控。它可以简单地进行模块化组合，适用于任何适合挤出加工的材料，通过调整或者选择进料的种类和数量，各进料料流的流速，供料头的进料通道的数量和大小，层倍增部中层倍增器的种类、数量以及放置方式，模块组合的级数、挤出头口模的大小和形状等，可以生产制备不同层数、不同层厚度、不同层厚度比、不同结构的多层复合材料或者其他类层状材料。它能够连接多种进料器，能够复合多个材料层。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的一个典型树枝状装置结构示意图。

图2是本实用新型的另一个典型树枝状装置结构示意图

图3是本实用新型的第三个典型树枝状装置结构示意图

图4-1是本实用新型的一种具有三个分支料流通道的供料头的一种结构的剖面俯视示意图。

图4-2是本实用新型的一种具有三个分支料流通道的供料头的一种结构的剖面侧视示意图。

图5-1是本实用新型的另一种具有三个分支料流通道的供料头的一种结构的剖面俯视示意图。

图5-2是本实用新型的另一种具有三个分支料流通道的供料头的一种结构的剖面侧视示意图。

图6是本实用新型的层倍增器的不同分支料流通道在调向时在高度方向重新堆叠的两种不同顺序示意图。

图7是本实用新型的一种双重层倍增器的一种结构的示意图。

图8是本实用新型的一种三重层倍增器的一种结构的示意图。

图9是本实用新型的一种由一个双重和一个三重层倍增器组合成的层倍增器组合的示意图。

图10是本实用新型的一股二元料流在被用图9所示的层倍增器组进行加工时料流横截面结构在不同步骤的示意图。

图11-1是本实用新型的第一种层倍增器的连接排列组合方式示意图。

图11-2是本实用新型的第二种层倍增器的连接排列组合方式示意图。

图11-3是本实用新型的第三种层倍增器的连接排列组合方式示意图。

图11-4是本实用新型的第四种层倍增器的连接排列组合方式示意图。

图11-5是本实用新型的第五种层倍增器的连接排列组合方式示意图。

具体实施方式

本实用新型提供的用于生产制备多层复合材料的一种多层材料制备装置，它包括至少两个枝状模块，该些个枝状模块以多级树枝状连接组合在一起。该每一个枝状模块都包括至少两个分枝模块和一个作为结点连接汇合该至少两个分枝模块的供料头。该最上游的分枝模块包括一进料器；该些个分枝模块中至少有一个分枝模块包括一个层倍增部。该供料头用于层叠、汇合两股或者两股以上相同或者不相同的料流，并在一定条件下进行料流横截面调整，一般情况下向下游模块输送层状料流。其中，一级分枝模块连接汇合于一级供料头，二级分枝模块连接汇合于二级供料头，……同理n级分枝模块连接汇合于n级供料头。除了层倍增部外，其他模块还包括但不仅限于进料器模块、计量泵模块、供料头模块、分流器模块、挤出头模块等其中的一种或者多种。各个模块都可随意拆卸更换等。各个模块分管不同的功能。例如：进料器用于对下游模块提供物料，并且一般具有对物料进行推进和混合的功能；计量泵用于计量进料，连接进料器以及下游模块；分流器用于在一定条件下将料流分割成两个或者两个以上分支料流，以便进入下游模块如计量泵、供料头、层倍增部(器)或者挤出头等的特定入口；该层倍增部由一个或者多个相同或者不相同的层倍增器在三维空间上排列组合而成，用于对物料料流进行层倍增操作。

图1为本实用新型的一个典型的多层材料制备装置，它包括三个一级枝状模块111、112、113，一个二级枝状模块121和一个挤出头26。该一级枝状模块包括三个一级分枝模块和一个连接该三个一级分枝模块的一级供料头，该一级分枝模块包括一个进料器和一个计量泵。图中的九台进料器1、2、3、9、10、11、17、18、19分别与九台计量泵4、5、6、12、13、14、20、21、22相连构成九个一级分枝模块，图中的三个供料头7、15、23构成三个一级供料头。该计量泵4、5、6与下游的一级供料头7相连，该计量泵12、13、14与下游的一级供料头15相连，该计量泵20、21、22与下游的一级供料头23相连。该二级枝状模块包括三个二级分枝模块和一个连接该三个二级分枝模块的二级供料头25。该二级分枝模块为层倍增部8、16、24及其分别与其相连的三个上游一级枝状模块111、112和113。该层倍增部8上游连接一级供料头7，该层倍增部16上游连接一级供料头15，该层倍增部24上游连接一级供料头23，该层倍增部8下游、层倍增部16下游和层倍增部24下游连接在二级供料头25。该挤出头26连接二级供料头25下游。

图2为本实用新型的另一个典型的多层材料制备装置，它包括一个一级枝状模块211、一个二级枝状模块221和一个挤出头40。该一级枝状模块211包括三个一级分枝模块和一个连接该三个一级分枝模块的一级供料头33。该一级分枝模块包括一个进料器和一个计量泵。图中的三台进料器27、28、29分别与三台计量泵30、31、32相连构成三个一级分枝模块。该计量泵30、31、32与下游的一级供料头33相连。该二级枝状模块包括三个二级分枝模块和一个连接该三个二级分枝模块的二级供料头39。该第一个二级分枝模块为层倍增部34及其与其相连的上游一级枝状模块211，该第二个二级分枝模块包括一个进料器35和一个计量泵36，该第三个二级分枝模块包括一个进料器37和一个计量泵38。该层倍增部34上游连接一级供料头33，该层倍增部34下游、计量泵36下游、计量泵38下游连接二级供料头39。该挤出头40连接二级供料头39。

图3是本实用新型的第三个典型的多层材料制备装置，其与第二个实例不同之处在于：该二级供料头39下游连接了一个层倍增部54，该层倍增部54再与下游的挤出头55相连。

由上述的三个实例可以看出，进料器就是树枝状装置的树梢，层倍增部是主树干或者分支树干，而树根一般就是挤出头。进行挤出操作时，料流由树梢流向树根。

除了以上所描述的三个典型例子外，对于模块连接组合方式还有许多种选择。例如，如果有必要而且条件允许，可以不断增加分枝(枝状模块)的级数；可以调整各级分枝的数量；可以调整不同分枝特别是高级分枝中的模块组合，特别是种类、数量以及连接方式等；可以调整各分枝之间的异同以及空间放置方式等等。除了以上列出的模块类别外，还可以选择引入分流器等模块。在该领域的技术人员可以很容易地理解本实用新型的精神并根据实际情况进行合理的模块选择和装置组合，搭建最佳的多层材料挤出装置。

各个模块可以直接相连也可以通过连接器等相连，各模块都可随意拆卸更换等。各个模块分管不同的功能。上游模块的出口轮廓、大小以及取向较优选地是与与之最近相连的下游模块相应的入口相同，当不相同时可以采用连接器等连接。

以下通过对各模块进行说明，以便令本实用新型的结构和功能更加清晰明了。

进料器用于对下游模块提供物料，即为喂料装置。一般情况下，进料器可以对物料提供部分或者全部推进力，当没有其他提供推力的装置存在的情况下进料器必须提供足够的推力将物料输送到并顺利通过层倍增部等下游模块。当整套挤出装置比较长，特别是当层倍增部中有许多层倍增器单元并且层倍增器单元结构比较复杂的时候，可能挤出装置内的压力会非常高，需要合适的推进力才能顺利挤出。进料器与其他装置模块的连接可以通过合适的连接器、管道等进行。进料器可以是有混合功能也可以是没有混合功能的，比如多螺杆挤出机、双螺杆挤出机和单螺杆挤出机都具有混合和提供推力的功能，多螺杆和双螺杆挤出机的混合效果比单螺杆相对较好；注射机可以提供推力，但一般不能进行混合操作；如果仅仅是带搅拌器的料筒或者是普通料斗，那么其所能提供的最大推力就是物料本身的重力，所以必须与流体泵组合使用。其他合适的装置设备也可以被采用，在该领域经验丰富的技术人员可以很容易地进行选择使用。每一台进料器输送一个物料组成，该组成中可包含一种或者多种材料。当具有两台或者两台以上进料器时，各进料器可以是相同的或者是不相同的，取决于物料组成的性质以及操作方便的需要；各进料器中的物料组成可以是相同的也可以是不相同的；例如当有三台进料器时，可以是一台单螺杆挤出机、一台双螺杆挤出机、一台注射机，三台中的物料组成可以都相同也可以都不相同也可以任意两台中的相同。

计量泵是可选模块，较优选地是选用此装置。计量泵一般是具有提供推进力功能并具有调整料流流速功能的流体泵。计量泵一般用于将一台或者多台进料器，与下游装置例如供料头、分流器或者层倍增部连接起来，提供控制料流流速和流动均匀性的作用。

供料头用于将两股或者两股以上相同或者不相同的物料料流以分开的或者汇合的层状料流输送到下游装置模块，特别是层倍增部，进行层倍增操作。供料头可以是简单的能连接汇合上游模块并向下游模块提供层状料流的装置，这种供料头一般是每一个分支料流通道用于接受并输送一股进料料流，即入口数量与进料料流数量相等；也可以是比较复杂的能够将进料料流处理成层数比进料料流数量更多的层状料流的多层共挤出供料头或者多歧道模头，这种供料头一般类似于简单供料头与连接在其上游的分流器的组合。供料头中的料流通道，包括分支料流通道和主料流通道(用于通过汇合后的料流的通道)，可以是固定的或者可以调整的。固定的料流通道不能人为调整通道数量、走向、大小以及横截面轮廓；可调整的料流通道可以调整其数量、走向、大小以及横截面轮廓。固定的料流通道具有挤出稳定的优点，可调整的料流通道具有多样性的优点。这些不同的供料头或者多歧道模头已经比较常见，例如参见美国专利US37738882、US3884606、US4144011，US3743459、US4533308、US4152387、US6767492、US6783349，以及欧洲专利EP0299736和中国专利CN1292746A和CN1511694A等。不管供料头内的通道是否可以调整，供料头作为一个模块可以随意更换。在构建本实用新型的多层挤出装置时，可以根据需要选择、改进已有供料头或者重新设计最佳的供料头，而且不同位置的供料头可以不相同。为了便于理解供料头的作用，以下对供料头的一般结构进行说明。一般情况下供料头中各分支料流通道出口的横截面轮廓是平行四边形，一般为矩形或者正方形，较优选地是长边(宽度方向)是底边、短边(高度方向/厚度方向)是侧边的矩形，底边定义为与料流层平面或者层与层之间界面平行，也即侧边在料流层的高度方向上。当供料头不用于接受层状进料料流时，其各分支料流通道在其出口上游的横截面可以是任意形状，较优选地是圆形或者平行四边形，更优选地是矩形或者正方形，特殊情况下可以有环形通道。供料头中的各分支料流通道在任何一处的横截面面积与该分支通道出口相比一般没有太大改变，一般在50％-200％之间，最好相同。分支料流通道的横截面的轮廓可以平滑地或者不平滑地从分支通道入口处连续或者不连续地过渡到分支通道出口处。各个分支料流通道的出口横截面面积可以设计成相同、不相同或者可以调整，因为宽度一般相同，所以是高度或者厚度是相同、不相同或者可以调整，以便制备多样性层厚度比的多层材料。一般情况下各分支料流通道在供料头内进行方向和位置以及横截面调整，使各分支料流通道出口的底边平行相邻，并且各分支通道的底边宽度相同，所以侧边也得到对齐。各分支料流通道的底面或者在料流流向上某位置上的底边平行相邻时，可以被定义为各分支料流通道进行了层叠，层叠后的各分支料流通道发生合并变为一个主通道时才定义为汇合，即分支料流通道汇合发生后各分支料流才以层叠方式汇合并有物理接触而成为一股整体的层状料流，待进入下游模块，进行层倍增操作或者其他成型加工。主料流通道也可以是固定的或者是可以调整的。供料头中的各分支料流通道可以在供料头出口或者供料头内距离供料头出口一定距离处汇合，也可以在供料头出口处还没有汇合发生。根据上述情况，供料头的出口可以是一个单一的通道出口也可以是一个包含两个或者两个以上分支料流通道出口的复合通道出口，单一通道出口出来的料流为一股已经在供料头内层叠汇合的整体料流，这里称为主料流；复合通道出口出来的是在供料头出口处发生层叠汇合的或者是仍然分开着的分支料流。供料头出口的轮廓一般是平行四边形，较优选地是底边与层平面或者层与层界面平行的矩形或者正方形。当两个或者两个以上分支料流的物料组成相同，分支料流通道层叠汇合后，理论上来自于不同的分支料流通道的分支料流构成主料流中的不同层，但最后相邻的具有相同物料组成的层之间的界面可能消失而融合成一个层，这里考虑的是层界面未消失的情况。所以理论上从供料头出来的可以是一股经过层叠汇合但具有单一组成的的层状料流，也可以是一股经过层叠汇合后具有两个或者两个以上物料组成的层状料流，也可以是没有汇合的多股料流，这些没有汇合的料流在出口处可马上发生汇合或者在下游装置模块中发生汇合。较优选地是供料头中的各分支料流通道在供料头内或者供料头出口处汇合，一般进入下游模块入口的是汇合的层状料流。一个供料头的例子如图4所述，此供料头的三个分支料流通道均为由入口段的圆形截面逐渐过渡到出口段的矩形截面。三个分支料流通道入口在不同方向上错位设置，三个具有矩形出口分支料流通道在供料头内汇合，将分支料流汇合成一股具有矩形截面的主料流。这种供料头只适合于汇合非层状进料料流，比如作为一级供料头使用。另一个典型的供料头如图5所示，此供料头的三个分支料流通道均为矩形截面。三个分支料流通道入口在不同方向上错位设置，三个分支料流通道在供料头内汇合，将分支料流汇合成一股具有矩形截面的主料流。该供料头更加通用。需要明白的是，许多其他结构的供料头，例如通道可调的以及具有增层能力的，没有在这里给予详细说明，但技术人员可以根据需要而选用、改进或者重新设计。一般而言，当进料具有层状结构时，所对应的供料头的分支通道最好在任意一点具有矩形或者正方形截面。所以二级以上的高级供料头中至少有一个分支通道是矩形或者正方形的通道。

分流器可以将上游装置模块中(进料器、供料头或者层倍增部)出来的料流，不管是汇合的或者是没汇合的，单一组成的或者多元组成的，进行分割并调整流向，分配输送到下游模块中特定的入口。有时分流器可以与其上游或者下游装置模块，比如供料头或者层倍增部，整合成一个模块。分流器对于减少进料器的数量，以及当层倍增部具有复杂的结构时特别重要。这在以下描述中可以清楚地看出。

层倍增部是整套装置的核心部分。层倍增部中可以含有一个或者多个相同或者不相同的层倍增器，层倍增器之间可以以任意合适的方式和顺序利用任意合适的方法积木化组合连接。理论上任何一股料流通过某一个层倍增器后其层数都得到倍增，但最后相邻的具有相同物料组成的层之间的界面可能消失而融合成一个层。除非特别指出，这里一般描述的是层与层之间界面未消失融合的情况。双重层倍增器一次可以将物料料流的层数增加到原来的两倍，而且一般情况下个体层厚度缩小到其原厚度的一半。三重层倍增器一次可以将料流的层数增加到三倍，四重层倍增器一次可以将料流的层数增加到4倍，相应地n重倍增器一次可以将料流的层数增加到n倍。以下对层倍增器的结构和功能进行具体描述。

层倍增器的入口和出口的轮廓、大小和取向可以设计为相同或者不相同。轮廓一般为矩形或者正方形，较优选地是入口和出口都是长边(料流/料流通道宽度方向)平行于料流层平面或者层与层界面的矩形。高度可以为1nm-100m，较优选地是1mm-1000mm；宽度可以为1nm-100m，较优选地是1mm-10000mm。较优选地是，入口和出口的宽度和高度分别相等。入口和出口的取向这里包括其所在的平面方向以及其中的层平面或者层与层界面(出入口截面与层平面或者层与层界面的交线)的方向。入口和出口一般在相同的平面方向，即入口截面和出口截面平行；也可以在任意不同的平面方向，例如一个在水平面上，一个在竖直平面上。当出口相对于入口发生以料流流向为轴的旋转时，入口与出口处的层平面或者层与层界面(出入口截面与层平面或者层与层界面的交线)可以有不同取向，较优选地是旋转90度或者180度或者没有旋转角度差。一个层倍增器的出口可以同另一个相同的或者不相同的层倍增器直接或者通过其他元件连接，而且较优选地是上游出口与下游入口的取向相同，即两截面平行而且层与层界面在两处不存在旋转夹角。直接连接可以通过螺丝、插槽、插销、夹具等常用的固定装置或者方法实现。

一个层倍增器设计为具有对料流进行包括分割、调向、横截面调整以及重新层叠汇合等操作的装置，该装置中不同的操作具有不同的功能，各操作可以分开进行也可以交叉重叠进行。分割是锋口与层倍增器入口侧边相平行的分割片将初始主料流(被分割前的料流)沿着层与层界面方向(即料流宽度方向)分割成两股或者多股宽度变小的分支料流；调向是各分支料流通道在不同空间方向上分开，再逐渐靠近并以底面相邻堆叠或者合并起来；横截面调整是调整分支料流通道或者汇合后的主料流通道的横截面轮廓和大小，即形状、宽度和高度；重新层叠汇合时，两股或者两股以上的分支料流从各分支料流通道中流出以层叠方式重新汇合成一股层倍增的主料流。一般情况下，横截面调整完成后以及重新层叠汇合后的主料流横截面大小以及轮廓与层倍增器出口大小以及轮廓相同。

层倍增器的分割片锋口可以放置在层倍增器入口处，或者放置在与层倍增器入口有一定距离处，较优选地是放置在入口处。分割片可以均匀或者不均匀地放置，可将主料流平均或者不平均地分割成至少两股宽度变小的分支料流。分割片的不均匀放置能更有利于制备具有多样性层厚度以及厚度比的物品，但一般情况下选择均匀放置。

调向的目的是使得各分支料流最后能在高度方向上层叠汇合，实现层数的增加。层倍增器的分支料流通道的调向可以与分割同时发生，也可以在分割发生后一定距离上开始，并在所有分支料流重新层叠汇合之前任意地方结束。各个分支料流通道的调向不必同时发生或者同时结束。调向时，分支通道先沿相对于原方向的上下左右等不同方向分开，再逐渐靠近并使各分支通道在高度方向上堆叠，这时各分支通道横截面的高度方向上的中线在一个平面内。堆叠时，各分支通道的相邻顺序可以是任意的，只要是合适的。如图6所示，当一个层倍增器有四个分支通道a、b、c、d时，这些分支通道调向开始前在主料流宽度方向的顺序依次abcd，调向并在高度方向上堆叠时的顺序可以是bdac或者badc或者其他。较优选地是采取有利于调向，有利于减少分支通道路径长度，有利于调整各分支通道路径长度比以及调整旋转扭曲程度等的堆叠顺序。调向过程中分支通道发生的旋转，有时有利于调向，有时有利于设计特定功能的层倍增器结构。例如当有相邻两个分支通道的旋转角度差是180度时，有对叠情况发生，即两个分支料流的原来在同一主料流底面上的两个底面将层叠汇合。这样就使得分支通道的一个底边可以与另一个分支通道的任何一个底边相邻堆叠，即可以使得料流被分割调向后发生按原来的层与层顺序堆叠或者发生分支料流面对面堆叠。在这种情况下，当利用具有两个不同的物料组成的初始料流进行层倍增操作时，复合料流的边界层将永远是同一个物料组成。对叠情况有利于某些特定结构的复合材料的制备。调向过程中可以发生部分分支料流通道的层叠汇合，合并为更大的分支料流通道，例如当有四个分支料流通道时，其中的任意两个或者三个可以先发生层叠汇合，然后继续与剩下的两个或者一个再层叠汇合。当所有分支通道完成了汇合，或者这些分支通道的横截面中心在空间上的位置不再发生变化时，定义为调向完成。

层倍增器的各个分支料流通道可以设计为入口与出口大小相同或者不相同，较优选地是大小相等，但宽度和高度不一定分别相等。分支料流通道内入口与出口之间任意一点上的横截面轮廓可以是任意形状，较优选地是平行四边形，最优选地是矩形或者正方形。入口大小取决于分割片的放置方式，出口大小和长宽比例取决于分支通道何时汇合以及层倍增器出口大小和轮廓。一般情况下分支通道内任意一点处的横截面面积与该分支通道出口截面面积相比没有太大改变，较优选地是在50％-200％之间。

层倍增器的主料流通道以及分支料流通道中的任何一面通道壁为曲面，可以是连续或者不连续的平滑曲面或者不平滑曲面，即可以包括多个平面和/或者弧面连接而成，较优选地是连续的平滑曲面。这样易以保证上述对分支料流通道中横截面轮廓和大小的要求，满足分支料流在流动过程当中平稳流动，并不被过渡压缩或者扭曲等。同时保证各分支料流通道在空间上分开，不互相干扰，最好做到不过分扭曲旋转或者变形。各分支料流通道一般不相互平行，而且最多只可能有部分平行，例如在调向开始前或者结束后，或者调向中间有一些小段相互平行。

层倍增器的各个分支料流通道的长度可以设计为相同或者不相同。相同的分支料流通道长度可以令料流在层倍增器当中流过的路径相同，有利于制备规则、稳定的多层结构。不相同的分支料流通道长度可以令各分支料流到达出口的时间不同，产生各种特殊的多层结构。

层倍增器中各分支料流通道以及主料流通道的横截面调整包括轮廓的改变、宽度或者高度的扩展、宽度或者高度的收缩等，最重要的是宽度的扩展和高度的收缩，因为层倍增后层状料流中的个体层厚度与层倍增前相比一般变小。分支通道横截面的调整是为了调向的顺利，以及为了在各分支通道汇合时有相同的宽度以及合适的高度。主料流通道的横截面调整是为了层倍增器有合适的出口轮廓和大小。分支通道横截面的调整一般伴随调向进行，为了调向的顺利横截面可以任意调整，例如可以先高度扩展和宽度收缩，然后再宽度扩展和高度收缩，但以不被过度扩展、压缩或者扭曲为前提。各分支通道横截面的调整可以同时或者不同时发生，可以在各分支料流通道重新层叠汇合成一个主料流通道之前任意处开始，并可以在各分支料流重新层叠汇合之前或者同时完成。主料流通道的横截面可以不发生调整，或者其调整可以在各分支料流通道汇合的同时或者之后开始，并在层倍增器出口处或者出口上游完成。因此为了达到合适的层倍增器出口轮廓和大小，一般是与层倍增器入口宽度和高度分别相等的矩形或者正方形，料流通道的宽度扩展和高度收缩可以部分或者全部发生在分支料流通道内，或者部分或者全部发生在汇合后的主料流通道内，即部分发生在分支通道内部分发生在主通道内或者全部发生在分支通道或主通道内。较优选地是在各分支通道被调向并在高度方向上堆叠起来后开始宽度扩展和高度收缩，而且较优选地是宽度扩展和高度收缩同时进行，并且在所有分支料流汇合之前完成或者之后开始，即全部发生在分支通道或主通道内。分支料流通道的重新层叠汇合与初始料流在供料头中的层叠汇合类似，各分支料流通道的底面或者在料流流向上某位置上的底边平行相邻，可以被定义为各分支料流通道进行了层叠，层叠后的各分支料流通道发生合并变为一个主通道时才定义为汇合，即分支料流通道汇合发生后各分支料流才以层叠方式汇合并有物理接触。各分支料流通道可以在层倍增器出口或者层倍增器内或者距离层倍增器出口外一定距离处汇合。当各分支料流通道在层倍增器出口处或者出口外汇合时，实际上层倍增器出口流出的是分开的层状料流。宽度扩展和厚度收缩可以是对称的或者不对称的，可以是均匀的或者不均匀的，可以是连续的或者不连续的，较优选地是对称均匀连续的，有利于保持层结构的稳定性。

根据上述情况，层倍增器的出口与供料头出口相类似，可以是一个主料流通道出口也可以是一个包含两个或者两个以上分支料流通道出口的复合通道出口，主料流通道出口出来的料流为一股整体的料流，复合通道出口出来的是分开的多股料流。所以理论上从层倍增器出来的可以是一股经过分割再重新层叠汇合但仍然具有单一组成的的料流，也可以是一股经过分割再重新层叠汇合具有两个或者两个以上组成的层状料流，也可以是没有汇合的但经过宽度扩展和高度收缩的多股料流，这些没有汇合的料流在出口处可以马上发生汇合或者在下游装置模块中发生汇合。较优选地是层倍增器中的各分支料流通道在层倍增器内或者层倍增器出口处汇合，一般进入下游装置入口的是汇合的层状料流。上游层倍增器出口出来的料流将成为下游最近相连的层倍增器入口的初始料流。一般情况下，每一个入口处的料流层平面或者层与层界面都与入口的底边平行，即与分割片锋口正交，可以被分割成至少两股宽度变小的分支料流。

本实用新型当中，最好将分割片的锋口放置于层倍增器入口处，分割的同时调向开始发生，对称、均匀、连续的宽度扩展以及高度收缩在调向开始后合适的地方开始，并在层倍增器出口处结束，即重新层叠汇合也发生在层倍增器出口处。这样可以缩短层倍增器的长度，有利于缩短物料在装置中停留时间，尽可能减少不必要的麻烦。

图7、图8分别给出一个双重和一个三重层倍增器的结构示意图。在图7所示的双重结构中，分割片的锋口在层倍增器入口处，调向与分割同时进行，两个分支通道被调整走向，先上下错开，再沿着上下左右方向重新靠近并在高度方向上没有旋转角度差地堆叠，然后合并成一个主通道，并开始同时进行对称连续的宽度扩展和高度收缩直至完成于层倍增器出口。在图8所示的三重结构中，分割片的锋口也在层倍增器入口处，调向在分割后一定距离处开始，三个分支通道被调整走向，先上下错开，再沿着上下左右方向重新靠近并在高度方向上没有角度差地堆叠，再过一定距离后合并成一个主通道，并开始同时进行对称连续的宽度扩展和高度收缩直至完成于层倍增器出口。这里的双重结构中，分支通道的通道壁为光滑连续的弧面，只是在分支通道与主通道结合处有些突兀。三重结构中，分支通道的通道壁均为分段平面构成，平面与平面结合的地方有突兀，所以这里的通道壁为不光滑的曲面。图9给出这两个层倍增器首尾相连的情况，可以看出上游双重层倍增器的出口和与之相连的下游层倍增器入口轮廓和大小都相同。图10给出一股二元层状料流(含两个物料组成的初始料流)通过一个双重和一个三重层倍增器组合时层倍增操作的情况示意图。如图10所示，初始二元双层主料流在第一个双重层倍增器入口处被分割成平均的两股宽度为原来一半的分支料流，分支料流被调向、重新层叠汇合后，宽度扩展和高度收缩成为层倍增到四层的主料流；该四层的主料流作为下游三重层倍增器的初始料流，在三重层倍增器入口处被平均分割成宽度为原来三分之一的三股分支料流，被调向、重新层叠汇合后，宽度扩展和高度收缩成为层倍增到12层的主料流；该主料流可以被继续层倍增下去，如果有必要。其他的层倍增器的具体结构没有在本说明书中画出，在该领域经验丰富的技术人员可以很容易地从说明书的描述中理解各种结构，并有效地实现对装置的加工制造。

以上描述的是本实用新型中的层倍增器的通常情况，层倍增器可以具有不同的层倍增能力，即一个层倍增器可以有两个或者两个以上分支料流通道，相同层倍增能力的层倍增器也可以有不同的长度，不同的通道结构，不同的出入口轮廓和大小，以及不同的层倍增方式，这些层倍增器可以任意排列组合在空间上以合适的方式连接放置，用于制备加工不同层数，层厚度以及层厚度比和层结构的材料。这里列出几种常见情况以说明不同因素对层倍增器组合(层倍增部)的层倍增能力和效果的影响。

层倍增器在空间上可以采取任何合适的方式放置，一般可以采取并联连接(包括两种：1、左右(侧边相邻)，2、上下(底边相邻))、串联连接(首尾相邻(上游的出口与下游的入口相连))三种方式中的一种或者多种在一维或者多维空间上进行排列组合放置，各个层倍增器之间可以有相互取向和位移，即可以排成直线或者一定的曲线，并可以在空间上错开。当只有直线排列时，左右相邻排列组合成行(如图11-1所示)，上下相邻排列组合成列(如图11-2所示)，首尾相连排成串(如图11-3所示)。一般首尾连接都排列成直线，左右上下除了排成直线外还可以排列成闭合或者不闭合的曲线，闭合的曲线可以称为一圈(如图11-4所示)，不闭合的曲线称为一条(如图11-5所示)。所以可以把层倍增器组合看成一个阵列中，在串方向上(料流挤出方向)可以有一层或者许多层层倍增器组合，每一层含有一行、一列、许多行，许多列，许多行列、一圈、许多圈或者许多条或者仅仅是许多个排列组成。那么一种特殊的情况是一个阵列中只有一串、一行、一列、一圈或者一条层倍增器组合。最特殊的情况是一个阵列中只有一个层倍增器。这些排列组合而成的层倍增器的阵列可以作为一个层倍增部，该模块可进而与其他相同或者不相同的层倍增部继续排列组合成更大的阵列层倍增部，并可继续排列组合下去，只要有必要并且条件允许。所以层倍增部是含有至少一个层倍增器的模块。层倍增器在空间上以任何一种方式进行连接或者相邻放置时，不同的层倍增器之间的顺序和位置可以是任意的，例如当一个上下、左右或者首尾直线连接组合有一个双重、一个三重、一个4重、一个5重共四个层倍增器时，可以有24种排列方式，对首尾连接方式这24种排列方式是等效的，但对上下以及左右连接方式这24种排列方式则可能不等效。各个层倍增器的长度还可以不一样，这样排列组合以及空间放置的方式等又可以更加多样性。所以层倍增部的层倍增能力不仅与层倍增器的种类和数量有关，还与空间上的连接或者相邻放置方式以及层倍增器的结构有关。这种多样性正是本实用新型的优势所在。

当层倍增器组合阵列中的层倍增器只以首尾相邻排成一串时，料流通过层倍增器组合后，不管最后的层倍增器出口取向如何，层数被增加到原来的倍数为2^m2×3^m3×4^m4×...×n^mn，其中指数m2，m3，m4，...，mn分别是在料流挤出方向上所采用的双重、三重、四重、...，n重层倍增器的数量。当阵列中的层倍增器只有一列而且最后出口与初始入口取向相同时，料流通过层倍增器组合后，层数被增加到原来的倍数为2×m2+3×m3+4×m4+...+n×mn，其中m2，m3，m4，...，mn分别是在料流挤出方向上所采用的双重、三重、四重、...，n重层倍增器的数量；最后出口与初始入口平行且没有位移但旋转正交时，不同区域被层倍增的倍数不同，各个区域只被层倍增到其相应的单个层倍增器的层倍增倍数，即2、3、4或者n；当最后出口与初始入口取向即不相同也不正交时，情况比较复杂，但仍然可以根据实际情况进行计算分析。当阵列中的层倍增器只有一行而且最后出口与初始入口取向相同时，不同区域被层倍增的倍数不同，各个区域只被层倍增到其相应的单个层倍增器的层倍增倍数，即2、3、4或者n；当最后出口与初始入口平行且没有位移但旋转正交时，层数被增加到原来的倍数为2×m2+3×m3+4×m4+...+n×mn，其中m2，m3，m4，...，mn分别是在料流挤出方向上所采用的双重、三重、四重、...，n重层倍增器的数量；当最后出口与初始入口取向既不相同也不正交时，情况比较复杂，但也仍然可以根据实际情况进行计算分析。当阵列含有许多行、许多列以及许多串或者许多圈、许多条以及许多串时，并且有多种取向时，一般也可相应地进行计算分析。利用双重以上的层倍增器，达到同样的材料层数可以用更少的层倍增器数量，一般会减少物料在制备装置中的停留时间，还可能使多层材料更顺利的成功挤出。例如要制备层数增加512倍的材料，需要9个双重层倍增器，而只需要4个四重层倍增器加一个双重层倍增器，更只需要3个八重层倍增器。利用多种不同的层倍增器组合在空间上以不同方式放置还可以更加灵活有效地设计制备更加多样性的层数和结构。这是本实用新型的创新和优势所在。

本实用新型当中，层倍增部中至少含一个层倍增器，一般情况下，当层倍增部含有两个或者两个以上层倍增器单元时，层倍增器单元以首尾连接的方式串联使用，或者首尾串联后再将两个或者两个以上的串以上下、左右方式放置排列组合使用。因为层倍增部可以由层倍增器按多种方式组合而成，一个层倍增部可以有多于一个的入口或者出口。这些入口和出口的数量、轮廓和大小可以相同也可以不相同，需要根据具体情况确定，但较优选地是入口和出口都是矩形或者正方形。而且层倍增部的入口不一定就是某个或者某些层倍增器的入口，层倍增部的出口也不一定是某个或者某些层倍增器的出口。

挤出头也是可选模块。挤出头可以是任意在材料挤出工业上合适的，包括固定出口以及可调出口的具有各种出口形状的装置。

除进料器模块、层倍增部、供料头模块外，其他的模块，例如计量泵、分流器、挤出头、连接器等，可以根据需要选用，以达到最优效果为佳。例如当层倍增部中的层倍增器排列多于一串时，一般需要在一级供料头下游连接分流器，向不同的层倍增器入口喂料；连接这种层倍增部出口的其他模块，如高级供料头或者挤出头，也需要有相应的入口结构。有时可以在进料器或者其他模块下游连接分流器，使一台进料器能够向多级供料头或者其他在不同枝状模块上的模块供料。有时这些分流器、连接器、供料头等可以整合到层倍增部上；有时高级供料头可以整合到挤出头上。除了图1、图2、图3所示的三种装置结构外，还有许多种可能，但一般情况下供料头模块不超过三级，层倍增部不超过两级，否则会因压力过大造成挤出困难，而且由于级数的增加容易造成层结构的不稳定。另外需要强调的是，除了以上描述的之外，还可以有其他的替代方案，比如可以省略供料头，而直接利用连接器将分枝模块(组合)连接与下游模块，这种情况下这些连接器可视为等同于供料头，因此也在本实用新型的保护范围之内。而当一个供料头所连接的两个或者多个进料器输送的物料组成相同时，则实际上可以减少进料器的数量并可同时省略供料头。这些由层倍增器参与组合的多级树枝状多层材料制备装置可以用于生产、制备、加工许多多层材料或者对材料进行混合复合等。

本实用新型当中的多层材料制备装置的各模块本身可以采用多种材料来制造。这些制造多层制备装置的材料可以是金属材料、高分子聚合物材料、有机材料、无机材料非金属材料等其中一种或多种。所采用制造材料不同，所制造的多层材料制备装置可适用于不同材料的制备加工。例如利用金属材料制造，则工艺成熟，加工简单，所制造的装置能广泛用于对多种材料进行加工；采用陶瓷材料制造，则工艺会比较复杂，但做得装置可以用来制备原料具有腐蚀性的产品。

本实用新型提出的制备多层材料的含有层倍增器或者其组合的制备装置可用于多种材料进行加工制备。这些材料包括高分子材料、有机材料、金属材料、无机非金属材料等及其一种或者多种复合物或者混合物。各种添加剂以及助剂等在需要的情况下，也可以按需要的量加入。

本实用新型当中，可以将一种或者多种材料或者材料的复合物或者混合物由进料器，如挤出机等，经计量泵输送到供料头的料流通道中。当供料头具有多个料流通道时，各通道中的材料可以是相同的或者是不相同的，取决于所要生产制备的材料产品。当供料头中料流通道出口面积不相同是，可以通过调节物料输送部分，例如挤出机和计量泵，进行准确控制，从而制备不同材料层厚度比的产品。

本实用新型当中，一般情况下，层倍增器种类以及数量依据需要加工的材料的物理化学性质，例如熔点、粘度、稳定性、反应性、外形、尺寸等，进行选择。当对颗粒样品进行加工时，以层的厚度不小于颗粒的某个方向上的最大尺寸为宜。材料经过层倍增或者层叠混合、复合后，可以直接从层倍增部出口出料，收集起来；也可以通过另外连接的口模或者其他装置采用常用的材料加工方法进行成型加工；制备成各种薄膜以及片状、板状或者其他形状的材料以及通过切割、造粒、研磨手段制成的块料、粒料、粉料等。这些产品可以是功能性材料、结构材料、消耗性材料和装饰性材料，也可以是其他材料的原材料等等。

本实用新型当中，各模块的温度可控制在-200摄氏度至3000摄氏度之间，较优选地是在-50度至500度之间。以保证装置的构造材料不发生明显变形或者结构变化以及所需要加工的材料不发生变质并且有利于加工为宜。

本实用新型当中的装置制造技术简单，所涉及的其他设备常见易得，所能加工的材料丰富多样且一般容易获得。实用新型的多层材料加工方法加工过程操作简单，效率高，成本低。所制备的产品功能多样，用途非常广泛。

以下通过一些实施例对本实用新型进行进一步的具体描述。这些实施例可以说明实用新型的装置和方法的良好效果。

实施例1

根据本实用新型的一个实施例，制备多层材料的装置整体外形如图1所示，包括9台挤出机1、2、3、9、10、11、17、18、19和与之相连接的计量泵4，、5、6、12、13、14、20、21、22；三个一级供料头7、15、23分别连接三个挤出机-计量泵组合，三个一级供料头7、15、23均采用图5所示的通道结构；三个层倍增部8、16、24均含有4个以首尾串联连接的层倍增器，其中双重层倍增器一个，三重层倍增器两个，四重层倍增器1个，各层倍增器中的分割片采用均匀方式放置；层倍增部8、16、24由一个具有图5所示结构的二级供料头25连接汇合，通往下游的挤出头26。往9台挤出机1、2、3、9、10、11、17、18、19中分别投入PC(聚碳酸酯)、PMMA(聚甲基丙烯酸酯)、PS(聚苯乙烯)、HDPE(高密度聚乙烯)、PP(聚丙烯)、LLDPE(线性低密度聚乙烯)、PA6(尼龙6)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PA66(尼龙66)，设置好各部分的温度，条件挤出机转速和计量泵泵速，待温度到达后，开始挤出操作，通过挤出头获得3×3×(2×3×3×4)＝648层的多层薄膜材料。

实施例2

本实施例用于说明利用本实用新型的多层挤出装置制备带边界层的多层复合材料。装置整体外形如图2所示，这里的一级供料头33也采用图5所示的通道结构，这里的层倍增部34由4个四重层倍增器首尾串联组合而成，二级供料头39具有类似与图5所示的矩形通道但是其通道大小可调。往三台一级分枝挤出机27、28、29中分别投入PP、PP和炭黑、PP，再往两台二级分枝上挤出机35、37中分别投入HDPE，设置好各部分的温度，条件挤出机转速和计量泵泵速，调整二级供料头39中连接两个没有分枝的二级分枝的通道高度至第三个通道高度的十分之一，待温度到达后，开始挤出操作，通过挤出头获得1+3×45+1＝770层的具有两个HDPE边界层的多层材料。

实施例3

本实施例用于说明利用两级层倍增部的效果。装置整体外形如图3所示，这里的一级47和二级供料头53均采用图5所示的通道结构，而且所以通道出口大小相同。一级供料头47下游连接的层倍增部48含有2个双重层倍增器，二级供料头53下游连接的层倍增部54含有3个双重层倍增器。往挤出机41、42、43、49、51中分别投入EVOH(乙烯-乙烯醇共聚物)、LLDPE、LLDPE、PET、PET，设置好各部分的温度，条件挤出机转速和计量泵泵速，待温度到达后，开始挤出操作，通过挤出头最后实际得到41层的层状薄膜材料。

虽然上面为了说明本实用新型的各个方面而详细描述了本实用新型的具体实例，但应当理解，这不旨在于将本实用新型限制于所给出的具体内容。相反，本实用新型保护落入本实用新型所附权利要求书中所限定的所有本实用新型的精神以及其涵盖范围内的所有修改形式、实施例和替代方案。

Claims (10)

1.一种多层材料制备装置，其特征在于：它包括至少两个枝状模块，该些个枝状模块以多级树枝状连接组合在一起；该每一个枝状模块都包括至少两个分枝模块和一个作为结点连接汇合该至少两个分枝模块的供料头；该最上游的分枝模块包括一进料器；该些个分枝模块中至少有一个分枝模块包括一个层倍增部，该层倍增部由一个或者多个相同或者不相同的层倍增器在三维空间上排列组合而成。

2.根据权利要求1所述的一种多层材料制备装置，其特征在于：该层倍增器包括至少两个分支料流通道，该分支料流通道具有分流入口和分流出口，该些分流入口沿料流层宽度方向排布，该些分流出口沿料流层高度方向排布，该每相邻的两分流入口之间都设有分割片。

3.根据权利要求2所述的一种多层材料制备装置，其特征是：该些层倍增器还包括一在分支料流通道汇合的同时开始进行对称连续的横截面调整并结束于层倍增器内的汇合主料流通道。

4.根据权利要求2所述的一种多层材料制备装置，其特征是：该些层倍增器还包括一在分支料流通道汇合的同时开始进行对称连续的横截面调整至层倍增器出口结束的汇合主料流通道。

5.根据权利要求2所述的一种多层材料制备装置，其特征是：该些层倍增器还包括重新堆叠后同时进行对称连续的横截面调整并汇合于层倍增器内的分支料流通道，以及一不再进行横截面调整的汇合主料流通道。

6.根据权利要求2所述的一种多层材料制备装置，其特征是：该些层倍增器还包括重新堆叠后同时进行对称连续的横截面调整并汇合于层倍增器出口的分支料流通道。

7.根据权利要求2所述的一种多层材料制备装置，其特征在于：该分支料流通道的横斜面从分流入口至分流出口逐渐调整，其中，该些分流道中任意一处的横截面面积与其分流入口相比在50％-200％。

8.根据权利要求1所述的一种多层材料制备装置，其特征在于：该供料头中分支料流通道汇合前其数量不少于进料料流数量。

9.根据权利要求1所述的一种多层材料制备装置，其特征是：该供料头具有固定的料流通道。

10.根据权利要求1所述的一种多层材料制备装置，其特征是：该供料头具有大小可调的料流通道。

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