CN204658869U - 非极性聚合物的塑化设备和系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种非极性聚合物的塑化设备和系统，属于聚合物的塑化技术领域。该塑化设备包括：至少两个辊筒、传动机构、电机、机架、进料斗和出料部，所述电机输出轴通过传动机构传动至辊筒，所述至少两个辊筒平行放置且异向旋转，所述进料斗的出口设于辊筒上方；所述出料部的入口设于辊筒下方；该塑化设备还包括陶瓷轴承、滑环和用于连接高频电场发生器的电刷，所述辊筒通过陶瓷轴承安装固定于机架上，所述滑环包覆于辊筒上，所述电刷与所述滑环相接触。该塑化设备实现了在低温条件下实现非极性聚合物的成型加工，并且，该低温塑化设备能够在成型过程中保持事先优化设计的材料微观结构状态。

Description

非极性聚合物的塑化设备和系统

技术领域

本实用新型涉及非极性聚合物的塑化技术领域，特别是涉及一种非极性聚合物的塑化设备和系统。

背景技术

塑料已广泛应用于国民经济各领域中，成为四大基础材料之一。塑料产业是轻工业支柱产业之一，塑料加工成型机械是轻工装备的重要组成部分。随着轻工业的生产方式向“绿色”转变，低耗、高效、环保型的加工成型技术正成为塑料加工行业的发展趋势，每一次技术创新性研究都会推动行业的技术进步。

目前的塑料加工成型是物料在热机械作用下的形变过程，普遍来说，是采用的挤出或注射成型都是剪切力场起主导作用的塑化输运过程作业。该加工方法普遍存在物料塑化输运所经历的能耗高、对物料特性依赖性强等缺陷，并造成聚合物和添加剂的降解而降低制品的性能和回收性。

因此，在高分子成型加工领域遭遇到了这样一个基本的科学问题，即高分子材料能否在成型过程中保持事先优化设计的材料微观结构状态。解决这些问题的有效办法是缩短聚合物塑化输运所经历的热机械历程和降低加工温度。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种非极性聚合物的塑化设备和系统。采用该塑化设备或系统，能够实现非极性聚合物的低温成型加工。

本实用新型还公开了一种非极性聚合物的塑化方法的设备，包括：至少两个辊筒、传动机构、电机、机架、进料斗和出料部，所述电机输出轴通过传动机构传动至辊筒，所述至少两个辊筒平行放置且异向旋转，所述进料斗的出口设于辊筒上方；所述出料部的入口设于辊筒下方；

该设备还包括陶瓷轴承、滑环和用于连接高频电场发生器的电刷，所述辊筒通过陶瓷轴承安装固定于机架上，所述滑环包覆于辊筒上，所述电刷与所述滑环相接触。

在常规技术中，如何使聚合物在较低温度下实现塑化流动进而成型一直是聚合物加工领域的重点问题，可能的研究方向集中在聚合物挤胀成型加工、压塑性聚合物压力加工、聚合物高频电场焊接加工等领域。

本发明人经过大量考察研究后总结发现，挤胀成型加工中，挤胀成型是一种塑性成型方法，预成型的管坯在组合外力的作用下沿径向向外扩张，通过塑性变形形成与模具型腔相一致的制品具有成型设备结构简单，被加工物料不产生相变，能耗少等优点。塑料挤胀成型只是一种塑料二次成型方法，是对塑料管坯施加内压，使其在胀形压力作用下沿径向向外扩张，在固相下产生塑性变形，即在结晶态或玻璃态下的塑性成型，主要适用于成型管类零件，无法广泛应用于其它塑料制品。

压塑性聚合物压力加工中，压力可使聚苯乙烯嵌段聚丙烯酸正丁酯(PS-b-PBMA)产生熔体式的流动行为。这种行为已经在其他一系列嵌段共聚物体系中相继发现，这些聚合物被称为压塑性塑料。美国MIT的Mayes教授在Nature杂志上报道了某些压塑性塑料在室温下表现出熔体式的流动行为，这一体系的两种成份分别是纳米相尺度的高-Tg和低-Tg聚合物。虽然这类嵌段共聚物取代今天的通用塑料有潜在的弊端，一方面，其合成工艺较为复杂，成本较高，另一方面，可合成的嵌段共聚物有限。但是作为塑料加工的一个新范例，压塑性塑料的半固态加工为塑料低温成型带来了希望。

而在聚合物高频电场焊接加工中，前人采用高频电场技术对聚合物材料进行焊接等加工，节约了能源，提高了效率。但是他们只能对环氧树脂等介电损失系数大的聚合物进行加工，然而一般聚合物的介电损耗都非常小(tanδ＝10^{－ 3}～10^－4)，换言之，大多数热塑性聚合物都不具备高频介质加热的条件。

因此，对于聚合物低温塑化加工，塑料挤胀成型加工方法可使聚合物材料在固相下产生塑性变形，即实现在结晶态或玻璃态下的低温塑性成型；一些嵌段共聚物由于自身特别的结构而能够在低温条件下在一定压力诱导作用下可以实现流动而成型；而一些具有较高介电常数和介电损耗的极性聚合物也可以实现高频电场加热熔融塑化。但上述加工方法或者依赖于热成型前处理且局限于加工管类制品，或者局限于加工某一类特定的聚合物材料，而对于一些通用的既不属于嵌段共聚物，且大多数为非极性的聚烯烃材料(如聚乙烯、聚丙烯)，不论是压力诱导还是高频电场加热均难以实现低温塑化成型加工。

但是，本发明人经过大量的基础研究和实验摸索后发现，给聚合物固体施加正应力(辊压应力)后，聚合物固体会产生裂纹，而聚合物固体的裂纹扩展力GI(t)一旦达到极限平衡条件，裂纹就将失稳扩展，且裂纹扩展力与辊压应力的4次方成正比，与辊压扭矩N的4次方成正比，随着聚合物的黏度和弹性模量E的增大而减小。因此，将固态聚烯烃类材料(非极性聚合物)施加足够大的正应力(辊压应力)后，在该正应力作用下该非极性聚合物将不可避免地在某些局部产生变形、裂痕、缺陷等，出现许多微界面，这些界面上由于分子链被扭曲、变形甚至错位、断裂而呈电极性，便可能使这些微界面上介电损耗系数tanδ大幅提高而具备高频介质加热的条件。

也就是可利用正应力使普通聚烯烃类高分子材料(非极性聚合物)在微观层面的某些局部介电损耗系数tanδ≥0.01，从而被高频介质加热熔融塑化，其他部分仍然处于固态，实现了类似于压塑性塑料的低温半固态加工的效果。

因此，本发明人在上述基础上，提出了将高频电场与正应力协同作用于普通非极性聚烯烃类高分子材料(非极性聚合物)，使其半熔融成型，由于半熔融成型过程中，将高分子材料加热至半熔融状态所需时间较短，固液共存体系比固体的流动阻力小，固相粒子不易变形，固相与液相的微观结构不同，所以，高分子材料原始粉末粒子的初始的微相分散状态在受热、受力和流动作用下，仅会发生很小程度的变化，这将能够使成型制品的凝聚态结构与原始粒子初始的微相分散状态相近，从而实现了在低温条件下实现非极性聚合物的成型加工，并且，该低温塑化方法具有在成型过程中能够保持事先优化设计的材料微观结构状态的优点。

上述非极性聚合物塑化设备的原理如下：

对非极性聚合物施加正应力，使该非极性聚合物局部产生变形、裂痕，出现微界面，该微界面上非极性聚合物的分子链被扭曲、变形、错位或断裂而呈电极性；

同时，对所述非极性聚合物施加高频电场，使所述呈电极性的聚合物分子在高频电场中发生振动，分子间相互碰撞、磨擦而产生热能，致使所述非极性聚合物被加热而熔融软化，进而产生塑化流动，进行塑化。

上述非极性聚合物塑化方法的设备，通过在辊筒部分施加高频电场，从而实现将高频电场与正应力协同作用的目的。并且，为了解决将高频电场引入设备所带来的困难和产生的新问题，本发明人首先选取了相互配合的滑环和电刷，通过滑环和电刷的相互配合将高频电场引入；更为重要的是，为了避免引入的高频电场对设备的其它部件造成影响，本发明人采用陶瓷轴承作为连接辊筒和机架的介质设施，从而既确保了辊筒的正常运转，又将辊筒与机架等其它设备绝缘绝热，避免对其它部件造成影响。

在其中一个实施例中，所述传动机构包括依次传动的摆线针齿轮减速器、驱动轴、第一同步带轮、同步带和第二同步带轮，所述电机输出轴连接摆线针齿轮减速器，所述第二同步带轮带动辊筒转动，所述第二同步带轮由绝缘绝热材料制成。所述绝缘绝热材料可以为聚四氟乙烯等。通过上述传动机构的作用，能够很好的利用电机带动辊筒转动，其中，电机可以采用异步交流电机。

在其中一个实施例中，该设备还包括扭矩传感器，所述扭矩传感器检测经摆线针齿轮减速器放大的扭矩。通过检测扭矩的大小，感知在辊筒挤压的非极性聚合物的半熔融状态，从而评估其状态，并根据该扭矩的大小调节温度或电场频率或正应力，使该非极性聚合物处于最佳的塑化条件。

在其中一个实施例中，该设备还包括手轮、调距螺母、压盖、调距螺杆、张紧轮和张紧轮座，所述压盖固定于机架上，所述调距螺母受压盖的位置限制而在该调距螺母轴向上固定，所述调距螺杆一端套装于调距螺母的螺孔内，另一端固定于辊筒轴承座上，带动辊筒平动；所述手轮与调距螺母固定安装；所述张紧轮座固定于机架上，并可沿调距螺杆轴向调节其固定位置，所述张紧轮固定于该张紧轮座上，并且该张紧轮与第一同步带轮和第二同步带轮共同套设于同步带，通过调节张紧轮座的位置调节同步带的张紧程度。

通过转动手轮带动调距螺母旋转，由于调距螺母转动而调距螺杆直动，进而带动前辊的平动而产生调节辊筒间隙的作用。

在其中一个实施例中，该设备还包括用于加热辊筒的电热棒和用于测量辊筒温度的红外传感器，所述电热棒设于辊筒内，所述红外传感器与辊筒保持预定距离。通过上述设置，将辊面的温度稳定控制在160mm工作面上的温差不超过5℃。为了避免高频电场的影响，所述红外传感器优选美国雷泰红外测温仪。

本实用新型还公开了一种非极性聚合物的塑化系统，包括：高频电场发生器，数据采集系统，电控柜，和上述的实现非极性聚合物的塑化方法的设备；所述高频电场发生器与所述电刷电连接，所述数据采集系统与所述扭矩传感器电连接，所述高频电场发生器、电机和数据采集系统均与所述电控柜电连接。

上述塑化系统，采用了将高频电场与正应力协同作用的设备，并且利用高频电场发生器提供高频电场，利用数据采集系统采集扭矩传感器的扭矩，并利用电控柜控制整个系统的运行，具有自动化控制的优点。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型的非极性聚合物的塑化设备，通过使高频电场与正应力协同作用于普通非极性聚烯烃类高分子材料，实现高频电场与正应力协同作用下非极性聚合物低温塑化的目的。

将聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)等非极性聚合物用于该塑化设备，具有特别好的效果，如常规塑化成型需要160℃左右的聚丙烯，采用本实用新型的塑化设备，仅需80℃左右就可实现成型加工；常规塑化成型需要120-130℃左右的低密度聚乙烯，采用本实用新型的塑化设备，仅需60℃左右就可实现成型加工；常规塑化成型需要140-150℃左右的高密度聚乙烯，采用本实用新型的塑化设备，仅需70℃左右就可实现成型加工。

且上述塑化设备还具有以下几个优点：(1)高频电场产生的热效应是在被加热材料内部产生的，可避免传统聚合物加工常见的受热不均，导致物料烧焦而影响制品性能。(2)传统塑化加工温度往往在物料的熔点以上，导致聚合物的热降解，降低了制品性能；而高频电场与辊压应力场协同作用下的低温加工过程中，在合适的工艺下，大约60℃-90℃即可实现塑化成型，大大的避免了物料的降解，提高了制品性能。(3)高频电场与辊压应力场协同加工聚合物没有环境污染，实现全绿色加工。

附图说明

图1为本实用新型实施例1中塑化设备结构示意图一；

图2为本实用新型实施例1中塑化设备结构示意图二；

图3为本实用新型实施例1中塑化设备结构示意图三；

图4为本实用新型实施例1中塑化设备正视图；

图5为本实用新型实施例1中塑化设备俯视图；

图6为本实用新型实施例1中塑化设备仰视图；

图7为本实用新型实施例1中塑化设备左视图；

图8为本实用新型实施例1中塑化设备右视图；

图9为本实用新型实施例1中滑环单体结构示意图；

图10为本实用新型实施例1中滑环单体座结构示意图；

图11为本实用新型实施例1中滑环单体组结构示意图；

图12为本实用新型实施例1中滑环组结构示意图；

图13为本实用新型实施例2中塑化系统示意图。

其中：100.辊筒；210.摆线针齿轮减速器；220.驱动轴；230.第一同步带轮；240.同步带；250.第二同步带轮；300.电机；410.机架；420.进料斗；430.出料部；500.陶瓷轴承；610.滑环；620.电刷；700.扭矩传感器；810.手轮；820.调距螺母；830.压盖；840.调距螺杆；850.张紧轮；860.张紧轮座；910.高频电场发生器；920.数据采集系统；930.电控柜。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的说明，但并不对本实用新型造成任何限制。

实施例1

一种非极性聚合物的塑化设备，如图1-图9所示，包括：两个辊筒100、传动机构、电机300、机架410、进料斗420、出料部430、陶瓷轴承500、滑环610和用于连接高频电场发生器的电刷620。

如图1所示，所述电机300输出轴通过传动机构传动至辊筒100，所述两个辊筒100平行放置且异向旋转，所述进料斗420的出口设于辊筒100上方；所述出料部430的入口设于辊筒100下方；用于使物料由进料斗420出口下落至辊筒100进行加工，可以理解的，为了对物料进行辊压加工，异向旋转的辊筒100为向两个辊筒的内侧相向转动，从而实现对物料的挤压，加工完成后，又进入辊筒100下方的出料部430，从而完成出料。

如图2、图3所示，所述辊筒100通过陶瓷轴承500安装固定于机架410上，所述滑环610包覆于辊筒100上，所述电刷620与所述滑环610相接触，所述滑环610优选铜质滑环。通过相互配合的滑环610和电刷620将高频电场引入，并采用陶瓷轴承500作为连接辊筒100和机架410的介质设施，将辊筒100与其它设备绝缘绝热。

在本实施例中，如图1、图2，图4所示，所述传动机构包括依次传动的摆线针齿轮减速器210、驱动轴220、第一同步带轮230、同步带240和第二同步带轮250，所述电机300输出轴连接摆线针齿轮减速器210，所述第二同步带轮250带动辊筒100转动。为了达到绝缘绝热的效果，该第二同步带轮250均由聚四氟乙烯制成，并且，该第二同步带轮250是通过键和挡圈结构来带动辊筒100转动的。可以理解的，也可以采用其它的链条传动或齿轮传动等方式实现将电机输出轴的转动传动至辊筒，或采取其他方式来带动辊筒旋转。

在本实施例中，如图4所示，该设备还包括扭矩传感器700，所述扭矩传感器700检测经摆线针齿轮减速器210放大的扭矩。可以理解的，该扭矩传感器700是通过检测扭矩的大小从而评估非极性聚合物的半熔融状态，最终能够得到最佳的塑化条件。

在本实施例中，如图1所示，该设备还包括手轮810、调距螺母820、压盖830、调距螺杆840、张紧轮850和张紧轮座860，所述压盖830固定于机架410上，所述调距螺母820受压盖830的位置限制而在该调距螺母820轴向上固定，所述调距螺杆840一端套装于调距螺母820的螺孔内，另一端固定于辊筒轴承座上，带动辊筒100平动；所述手轮810与调距螺母820固定安装；所述张紧轮座860固定于机架410的一可前后移动的双U型孔上，并可沿U型孔前后移动调节其固定位置，所述张紧轮850固定于该张紧轮座860上，并且该张紧轮850与第一同步带轮230和第二同步带轮250共同套设于同步带240，通过沿U型孔前后调节张紧轮座860的位置调节同步带240的张紧程度。

可以通过转动手轮810带动调距螺母820旋转，由于调距螺母820转动而调距螺杆840直动，进而带动前辊的平动而产生调节辊筒间隙的作用。

在本实施例中，该设备还包括用于加热辊筒的电热棒和用于测量辊筒温度的红外传感器，所述电热棒设于辊筒内，所述红外传感器与辊筒保持预定距离。辊面的温度稳定控制在160mm工作面上的温差不超过5℃。为了避免高频电场的影响，所述红外传感器为美国雷泰红外测温仪。

在本实施例中，电热棒安装于辊筒内，因此，既需要给位于辊筒内的电热棒供电，又需要给辊筒部分施加高频电场，在此基础上，本发明人通过将图9所示的滑环单体套装在图10所示的滑环单体座上，构成图11所示滑环单体组，再通过将三个这个样的滑环单体组配合在一起组装成为图12所示的滑环组，同时实现了对电热棒供热及施加高频电场的目的。

上述非极性聚合物的塑化设备的工作原理如下：

首先，将非极性聚合物材料置于进料斗420内，让材料由进料斗420的出口下落至辊筒100，而辊筒100在电机300和传动机构的带动下做相对回转运动，挤压辊筒间隙的材料，使该非极性聚合物在辊筒100对其产生的正应力作用下，在某些局部产生变形、裂痕、缺陷等，出现许多微界面，这些界面上由于分子链被扭曲、变形甚至错位、断裂而呈电极性。

在上述过程中，相对回转的辊筒辊压时的扭矩常为15-80N·m，如加工PP时，最佳的辊筒扭矩为20N·m，加工LDPE时，最佳的辊筒扭矩为60N·m，加工HDPE时，最佳的辊筒扭矩为22N·m。

与此同时，还利用电刷620和滑环610将高频电场引入辊筒100，对上述非极性聚合物施加高频电场，使所述呈电极性的聚合物分子在高频电场中发生振动，分子间相互碰撞、磨擦而产生热能，从而使该部分材料被高频介质加热熔融塑化，其他部分仍然处于固态，对该非极性聚合物进行类似于压塑性塑料的低温半固态加工。

所述高频电场的频率至少为6MHz。采用6MHz以上的电场频率，具有较好的加热效果。在实践中，常用频率为6.78MHz、13.56MHz、27.12MHz三种，综合考虑成本和效果后，最佳的频率为6.78MHz。

并且，还通过扭矩传感器700检测扭矩的大小，实时检测该非极性聚合物的半熔融状态，根据扭矩的大小调节温度，正应力或电场频率，保证能够得到最佳的塑化效果。

随后，经过低温塑化加工的材料进入辊筒下方的出料部430，完成出料。

实施例2

一种非极性聚合物的塑化系统，如图13所示，包括：高频电场发生器910，数据采集系统920，电控柜930，和上述的实现非极性聚合物的塑化方法的设备；所述高频电场发生器910与所述电刷620电连接，所述数据采集系统920与所述扭矩传感器700电连接，所述高频电场发生器910、电机300和数据采集系统920均与所述电控柜930电连接。

上述塑化系统，采用了将高频电场与正应力协同作用的设备，并且利用高频电场发生器提供高频电场，利用数据采集系统采集扭矩传感器的扭矩，并利用电控柜控制整个系统的运行，具有自动化控制的优点。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种非极性聚合物的塑化设备，包括：至少两个辊筒、传动机构、电机、机架、进料斗和出料部，所述电机输出轴通过传动机构传动至辊筒，所述至少两个辊筒平行放置且异向旋转，所述进料斗的出口设于辊筒上方；所述出料部的入口设于辊筒下方；

其特征在于，还包括陶瓷轴承、滑环和用于连接高频电场发生器的电刷，所述辊筒通过陶瓷轴承安装固定于机架上，所述滑环包覆于辊筒上，所述电刷与所述滑环相接触。

2.根据权利要求1所述的非极性聚合物的塑化设备，其特征在于，所述传动机构包括依次传动的摆线针齿轮减速器、驱动轴、第一同步带轮、同步带和第二同步带轮，所述电机输出轴连接摆线针齿轮减速器，所述第二同步带轮带动辊筒转动，第二同步带轮由绝缘绝热材料制成。

3.根据权利要求2所述的非极性聚合物的塑化设备，其特征在于，还包括扭矩传感器，所述扭矩传感器检测经摆线针齿轮减速器放大的扭矩。

4.根据权利要求2所述的非极性聚合物的塑化设备，其特征在于，还包括手轮、调距螺母、压盖、调距螺杆、张紧轮和张紧轮座，所述压盖固定于机架上，所述调距螺母受压盖的位置限制而在该调距螺母轴向上固定，所述调距螺杆一端套装于调距螺母的螺孔内，另一端固定于辊筒轴承座上，带动辊筒平动；所述手轮与螺母固定安装；所述张紧轮座固定于机架上，并可沿调距螺杆轴向调节其固定位置，所述张紧轮固定于该张紧轮座上，并且该张紧轮与第一同步带轮和第二同步带轮共同套设于同步带，通过调节张紧轮座的位置调节同步带的张紧程度。

5.根据权利要求1所述的非极性聚合物的塑化设备，其特征在于，还包括用于加热辊筒的电热棒和用于测量辊筒温度的红外传感器，所述电热棒设于辊筒内，所述红外传感器与辊筒保持预定距离。

6.一种非极性聚合物的塑化系统，其特征在于，包括：高频电场发生器，数据采集系统，电控柜，和上述权利要求3所述的非极性聚合物的塑化设备；所述高频电场发生器与所述电刷电连接，所述数据采集系统与所述扭矩传感器电连接，所述高频电场发生器、电机和数据采集系统均与所述电控柜电连接。