WO2013082795A1

WO2013082795A1 - 动态微通道塑料挤出成型装置及方法

Info

Publication number: WO2013082795A1
Application number: PCT/CN2011/083734
Authority: WO
Inventors: 许忠斌; 曹佳培; 傅新; 阮晓东; 郑素霞
Original assignee: 浙江大学
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2013-06-13
Also published as: US20140225301A1; CN102514173A; CN102514173B; US9586356B2

Abstract

公开了一种动态微通道塑料挤出成型装置及方法，该装置主要由单螺杆挤出机、动态挤出机头（9）、流体源（12）、水槽（13）、牵引机（17）、收卷装置（8）、数据采集和控制系统组成，在机头口模（27）出口附近，注射器芯体注射针头（24）端部位置不同时，塑料挤出成型微通道内径也不同，当动态挤出机头（9）内中空注射器芯体（37）沿挤出方向高频短程振动时，导致挤出的塑料内微通道内径动态变化。该装置结构新颖、变化规律多样、加工设备简单、自动化程度高、成型制品挤出稳定、尺寸精度高。

Description

动态微通道塑料挤出成型装置及方法

技术领域

本发明涉及一种塑料制品的挤出成型技术，尤其涉及一种动态微通道塑料挤出成型装置及方法。

背景技术

挤出成型主要用于相同横截面的塑料制品的挤出成型，如纤维、薄膜、管材、棒材、板材、异型材，而不说能成型变化横截面的塑料制品。医用微管、中空纤维等含有中空小通道塑料制品的加工，也都采用挤出成型。常见的塑料挤出成型小直径中空通道的方法一般是通过在挤出机头口模内安装中空芯体，中空芯体内通注射流体，一般是大气或压缩气体，如剑桥大学 Mackley等设计的书

内含多个平行毛细管的微通道薄膜的成型方法 (WO 2005/056272),吴大鸣等设计的用于挤出塑料制品小内孔的成型方法（CN 200310101653.0) 。但是，这些中空通道成型方法的内径恒定不变，难以成型中空通道直径动态变化的结构。

塑料波紋管成型方法能够实现中空通道的动态变化，但这类方法存在以下不足之处：（1 ) 通道内径尺寸一般较大，难以加工到微米尺度；（2) 通道变化通过机械成型装置后续成型，内径变化规律类型少；（3 ) 外径也动态变化；（4) 只适用于单通道管材。

本发明动态微通道塑料挤出成型装置及方法能够弥补以上方法的缺点：一步挤出成型内径动态变化的微通道，产品外径基本不变；能将大量动态微通道集成在一起；动态微通道的变化规律方便可调。

发明内容

本发明目的是针对现有技术的不足，提供一种动态微通道塑料挤出成型装置及方法。本发明用于一步挤出成型变化横截面的塑料制品。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种动态微通道塑料挤出成型装置，它包括：单螺杆挤出机、法兰、收卷装置、动态挤出机头、阀门、压力调节器、流体源、水槽、滑轮、牵引机、数据采集和控制系统等；其中，所述单螺杆挤出机包括：料斗、电机、螺杆、机筒、第一加热圈和加热控制器等；所述电机的转轴与机筒内的螺杆通过联轴器联接，机筒外包覆三段第一加热圈，三段第一加热圈均与加热控制器相连，机筒与动态挤出机头通过法兰相连，法兰之间含有滤网；动态挤出机头外包覆第二加热圈，流体源、压力调节器、阀门和动态挤出机头依次通过管路连接，动态挤出机头下方安放水槽，水槽内固定有滑轮，水槽后面依次安放牵引机和收卷装置。

进一步地，所述数据采集和控制系统包括：压力传感器 P1和 P2、温度传感器 Tl-T4、接近开关、带数据卡的计算机和加热控制器等；其中，所述温度传感器 Τ1~Τ3分别安装在机筒外包覆三段第一加热圈处，温度传感器 Τ1~Τ3均与加热控制器相连，温度传感器 Τ4安装在动态挤出机头外包覆第二加热圈处，温度传感器 Τ4也与加热控制器相连，压力传感器 P1安装在动态挤出机头内，压力传感器 Ρ2安装于阀门出口处，接近开关接近牵引机，接近开关、温度传感器和压力传感器均与带数据卡的计算机相连。

进一步地，所述动态挤出机头包括：机头连接头、机头流道入口段、定位螺钉、口模压板、机头口模、机头体、机头盖板、注射器芯体和直线音圈电机: 其中，所述机头盖板固定在机头体上；机头连接头固定在机头体上；机头口模位于机头体出口处，由口模压板压紧；定位螺钉旋入机头体，调节机头口模径向位置；机头连接头、机头口模、机头体和机头盖板共同形成一个流道，该流道包括流道入口段、流道收敛段、流道成型段和流道出口；注射器芯体由注射器体与注射针头构成，注射器体一端与直线音圈电机相连，另一端穿过机头盖板进入机头体内，并与注射针头钎焊在一起；注射器体和注射针头的内部通道相通，形成注射器流道；注射器流道与阀门相通。

一种上述装置的动态微通道塑料挤出成型方法，该方法包括以下步骤：

( 1 ) 电机驱动单螺杆挤出机内螺杆，塑料原料由料斗加入机筒，在螺杆旋转输送和第一加热圈的电加热作用下，逐渐塑化形成塑料熔体；塑料熔体在螺杆的旋转推动下通过法兰进入动态挤出机头，法兰之间的滤网阻拦未完全塑化的固体和半固体。

(2) 塑料熔体从机头连接体进入由机头连接头、机头口模、机头体和机头盖板组成的流道内，并包覆在注射器芯体外；塑料熔体在流道收敛段压力逐步上升到 2-5MPa，然后进入流道成型段。

(3 )注射器芯体在直线音圈电机驱动下沿挤出方向振动，注射针头端面与机头口模端面之间距离 y的运动规律如图 8所示（振动方式可以是各种规则或不规则的振动，如图 10-15所示）；流体源供应的注射流体由注射器流道进入塑料熔体，在塑料熔体的压力和注射流体的压力作用下，形成微通道，微通道界面周期性地变化，从而成型挤出件微通道，塑料熔体也逐步开始冷却固化成为挤出件塑料基体。 (4) 带有挤出件微通道的挤出件塑料基体从流道出口挤出，在牵引机的牵拉作用下，通过滑轮进入水槽，循环冷却水对挤出件快速冷却定型，最终成型为动态微通道塑料挤出件。

本发明的有益效果是：

1、本发明能够挤出成型含有内径动态变化的微米级通道的塑料制品；

2、动态微通道的内径、振幅、周期、是否连续贯通等结构参数可以随意改变，装置适应性强；

3、动态微通道塑料制品内部微通道动态变化，外部尺寸基本不变；

4、通过集成，可以将大量动态微通道集合在多动态微通道塑料内；

5、自动化程度高，质量稳定，易于操作，劳动强度小。数据采集和控制系统便于记录分析数据、设定操作参数、编程和自动控制。

附图说明

图 1是动态微通道塑料挤出成型装置总装配示意图；

图 2是芯体高频振动的动态挤出机头 9结构示意图；

图 3-6是稳态实验条件下不同注射针头 24端部位置时恒定内径微通道塑料挤出成型示意图，其中注射器芯体针头端部与机头口模的距离分别为 _yi〜₄，相应的微通道内径为（1^4， y₁和d₃均为零；

图 7是稳态实验条件下，注射器芯体端部位置 y与挤出成型的微通道内径 d 的关系曲线，其中， y_max表示微通道内径 d开始最大时对应的 y值， y_mm表示微通道内径开始为零时对应的 y值；

图 8注射器芯体针头端面与机头口模的距离 y简谐振动曲线示意图；图 9是图 8所示的注射器芯体高频振动条件下动态微通道塑料挤出成型示意图；

图 10-12 是举例说明三种注射器芯体高频振动条件下连续动态微通道挤出纵截面；

图 13-15 是举例说明的三种注射器芯体高频振动条件下不连续动态微通道挤出纵截面；

图中：塑料原料 1、料斗 2、电机 3、螺杆 4、机筒 5、第一加热圈 6、法兰 7、收卷装置 8、动态挤出机头 9、阀门 10、压力调节器 11、流体源 12、水槽 13、滑轮 14、冷却水 15、接近开关 16、牵引机 17、动态微通道塑料挤出件 18、机头连接头 19、流道入口段 20、连接头固定螺钉 21、定位螺钉 22、流道收敛段 23、注射针头 24、铜钎焊焊接接头 25、口模压板 26、机头口模 27、流道出口 28、流道成型段 29、机头体 30、机头盖板 31、盖板固定螺钉 32、注射器体 33、供气管 34、供气管流道 35、注射器流道 36、注射器芯体 37、直线音圈电机 38、挤出件塑料基体 39、挤出件微通道 40、塑料熔体 41、带数据卡的计算机 42、第二加热圈 43、加热控制器 44

具体实施方式

动态微通道结构指这种结构材料中微通道横截面沿着塑料制品挤出方向动态变化，微通道可以连续贯通，也可以非连续独立封闭（如图 10-15所示），中空通道横截面可以是圆形、三角形、矩形、多边形等结构。多条动态微通道结构能够集成应用于薄膜、管材、片材、板材、异型材等挤出加工塑料得到多动态微通道结构塑料。微通道横截面尺寸主要为 50-500微米，也能扩展到毫米和亚微米等小尺度，动态变化周期长度 100微米 -5毫米。本发明的动态微通道结构新颖、变化规律多样、加工设备简单、自动化程度高、成型制品挤出稳定、尺寸精度高。

本发明提供了一种动态微通道塑料挤出成型装置及方法。一般的中空通道内径稳定，一般采用对塑料熔体内注入压缩空气等流体的方法，挤出过程中保持流体压力和流量、挤出压力、机头结构不变，得到稳定的挤出塑料横截面。

本发明利用了以下原理：稳态挤出条件下，通过中空注射器芯体对塑料熔体注入稳定压力、流量的流体（注射流体可以是空气、压缩气体、硅油等在加工条件下化学、物理稳定的流体，也可以是需要封装的流体状态的药物等），不同注射器芯体端部位置时，塑料挤出成型微通道内径也不同。图 3-6展示了注射器芯体针头端部与机头口模的距离分别为 _yi〜₄时，相应的微通道内径为 d 图 7是稳态实验条件下注射器芯体端部位置 y与挤出成型的微通道内径 d关系曲线（y以挤出方向为正向），从中可见，微通道内径 d与注射器芯体端部位置 y呈近似线性关系。另外，动态条件下，注射器芯体的高频短程纵向振动能够导致挤出的塑料内微通道内径纵向动态变化。图 8显示了注射器芯体针头端面与机头口模的距离 y简谐振动曲线示意图，图 9是图 8所示的注射器芯体高频振动条件下动态微通道塑料挤出成型示意图。通过改变注射器芯体的振动规律，实现挤出微通道内径沿挤出方向的动态变化，图 10-12是举例说明三种注射器芯体高频振动条件下连续动态微通道挤出纵截面，图 13-15是举例说明的三种注射器芯体高频振动条件下不连续动态微通道挤出纵截面。本发明不仅可以挤出单条动态微通道结构塑料制品，也可以很方便集成为多动态微通道，仅需要在动态挤出机头上增加注射针头的数量，得到含有多条动态微通道结构的薄膜、管材、片材、板材、异型材等挤出加工塑料。本发明适用于生产内部需要动态变化的微小中空通道的塑料挤出制品，例如：内径动态变化的微混合器、导管、中空纤维、异型材等，中空通道横截面可以是圆形、三角形、矩形、多边形等结构，动态中空通道尺度微米级甚至纳米级。

本发明提供的方法加工得到的动态微通道塑料制品能够应用于微型反应器、微型混合器、微型换热器、微传感器、微流控芯片、毛细管电泳、 DNA和蛋白质监测分析、防伪、药物封装材料、药物缓释、光学元件、组织工程支架、泡沬结构材料和医用导管等生物医药应用。

如图 1 所示，本发明动态微通道塑料挤出成型装置包括以下部件：单螺杆挤出机、法兰 7、收卷装置 8、动态挤出机头 9、阀门 10、压力调节器 11、流体源 12、水槽 13、滑轮 14、牵引机 17、数据采集和控制系统。其中，单螺杆挤出机包括：料斗 2、电机 3、螺杆 4、机筒 5、第一加热圈 6和加热控制器 44。电机 3的转轴与机筒 5内的螺杆 4通过联轴器联接，机筒 5外包覆三段第一加热圈 6，三段加热圈 6均与加热控制器 44相连，机筒 5与动态挤出机头 9通过法兰 7相连，法兰 7之间含有滤网；动态挤出机头 9外包覆第二加热圈 43，流体源 12、压力调节器 11、阀门 10和动态挤出机头 9依次通过管路连接，动态挤出机头 9下方安放水槽 13，水槽 13内固定有滑轮 14，水槽 13后面依次安放牵引机 17和收卷装置 8。

数据采集和控制系统包括：压力传感器 P1和 P2、温度传感器 Tl-T4、接近开关 16、带数据卡的计算机 42、加热控制器 44。其中，温度传感器 Τ1~Τ3分别安装在机筒 5外包覆三段第一加热圈 6处，温度传感器 Τ1~Τ3均与加热控制器 44相连，加热控制器 44根据温度传感器 Τ1~Τ3测量的温度信息控制流入三段第一加热圈 6上电流的通断和大小。温度传感器 Τ4安装在动态挤出机头 9外包覆第二加热圈 43处，温度传感器 Τ4也与加热控制器 44相连，加热控制器 44 根据温度传感器 Τ4测量的温度信息控制流入第二加热圈 43上电流的通断和大小。压力传感器 P1安装在动态挤出机头 9内，压力传感器 Ρ2安装于阀门 10出口处，接近开关 16接近牵引机 17，接近开关 16、温度传感器 Τ4和压力传感器 P1均与带数据卡的计算机 42相连。

如图 2所示，动态挤出机头 9包括：机头连接头 19、定位螺钉 22、口模压板 26、机头口模 27、机头体 30、机头盖板 31、注射器芯体 37和直线音圈电机 38：机头盖板 31通过盖板固定螺钉 32固定在机头体 30上；机头连接头 19通过连接头固定螺钉 21固定在机头体 30上；机头口模 27位于机头体 30出口处，由口模压板 26压紧；定位螺钉 22旋入机头体 30，调节机头口模 27径向位置；机头连接头 19、机头口模 27、机头体 30和机头盖板 31共同形成一个流道，该流道包括流道入口段 20、流道收敛段 23、流道成型段 29和流道出口 28; 注射器芯体 37由注射器体 33与注射针头 24构成，注射器体 33—端与直线音圈电机 38相连，另一端穿过机头盖板 31进入机头体 30内，并与注射针头 24钎焊在一起，钎焊处形成铜钎焊焊接接头 25; 注射器体 33和注射针头 24的内部通道相通，形成注射器流道 36; 注射器流道 36通过供气管 34内的供气管流道 35 与阀门 10相通。

注射针头 24外径较小，一般在 0.2-2mm范围内，更小的外径由于加工技术较难实现，优选采用外径 0.4mm，内径 0.2mm_; 直线音圈电机 38带动注射器芯体 37高频短程振动；定位螺钉 22旋入机头体 30，调节机头口模 27径向位置，从而调节流道出口 28。流体源 12可以根据需要，提供各种注射流体，如可以是装有化学、物理稳定的流体的气罐，也可以是液体泵，提供的注射流体可以为空气、 C02、 N2、水蒸气、甘油、硅油等。

本发明动态微通道塑料挤出成型方法包括以下步骤：

1、电机 3驱动单螺杆挤出机内螺杆 4，塑料原料 1 由料斗 2加入机筒 5，在螺杆 4旋转输送和第一加热圈 6的电加热作用下，逐渐塑化形成塑料熔体 41 ; 塑料熔体 41在螺杆 4的旋转推动下通过法兰 7进入动态挤出机头 9，法兰 7之间的滤网阻拦未完全塑化的固体和半固体。

2、塑料熔体 41从机头连接体 19进入由机头连接头 19、机头口模 27、机头体 30和机头盖板 31组成的流道内，并包覆在注射器芯体 37外；塑料熔体 41在流道收敛段 23压力逐步上升到 2-5MPa，然后进入流道成型段 29。

3、注射器芯体 37在直线音圈电机 38驱动下沿挤出方向振动，注射针头 24端面与机头口模 27端面之间距离 y的运动规律如图 8所示（振动方式可以是各种规则或不规则的振动，如图 10-15所示）；流体源 12供应的注射流体由注射器流道 36进入塑料熔体 41，在塑料熔体 41的压力和注射流体的压力作用下，形成微通道，微通道界面周期性地变化，从而成型挤出件微通道 40，塑料熔体 41也逐步开始冷却固化成为挤出件塑料基体 39。

4、带有挤出件微通道 40的挤出件塑料基体 39从流道出口 28挤出，在牵引机 17的牵拉作用下，通过滑轮 14进入水槽 13，循环的冷却水 15对挤出件快速冷却定型，最终成型为动态微通道塑料挤出件 18。

5、塑料挤出件的收卷或裁切：对于不同的动态微通道塑料挤出件 18 的结构特性，如对于纤维、小导管、薄膜、片材挤出件，安装收卷装置 8; 而对于一般的管材、板材、异型材，安装裁切装置对动态微通道塑料挤出件 18按照产品要求裁切。

本发明动态微通道塑料挤出成型装置及方法适用于生产塑料微管、中空纤维、微型反应器、微型混合器、微型换热器、医用微管等所有需要动态变化微米级内径通道的微结构塑料制品；含有大量动态微通道的多动态微通道塑料，可以作为泡沬材料使用，并且可以方便设计空隙度、开闭孔。适用的塑料原料包括聚乙烯（PE)、聚氯乙烯（PVC) 、聚丙烯（PP)、聚苯乙烯（PS)、聚氨酯 (PU)、聚酰胺（PA)、聚烯烃弹性体等能够挤出加工的热塑性聚合物。适用的注射流体可以是在加工条件下各种化学、物理稳定的流体，如空气、 C02、 N2、水蒸气、甘油、硅油等，也可以是需要封装的流体状态的药物等。

Claims

权利要求书

1、一种动态微通道塑料挤出成型装置，其特征在于，它包括：单螺杆挤出机、法兰（7)、收卷装置（8) 、动态挤出机头（9)、阀门（10)、压力调节器

(11)、流体源（12)、水槽（13)、滑轮（14)、牵引机（17)、数据采集和控制系统；其中，所述单螺杆挤出机包括：料斗（2)、电机（3)、螺杆（4)、机筒

(5)、第一加热圈 (6) 和加热控制器 (44)；所述电机 (3) 的转轴与机筒 (5) 内的螺杆（4) 通过联轴器联接，机筒（5) 外包覆三段第一加热圈（6)，三段第一加热圈（6) 均与加热控制器（44) 相连，机筒（5) 与动态挤出机头（9) 通过法兰（7) 相连，法兰（7) 之间含有滤网；动态挤出机头（9) 外包覆第二加热圈（43)，流体源（12)、压力调节器（11)、阀门（10)和动态挤出机头（9) 依次通过管路连接，动态挤出机头（9) 下方安放水槽（13)，水槽（13) 内固定有滑轮（14)，水槽（13) 后面依次安放牵引机（17) 和收卷装置（8) 。

2、根据权利要求 1所述动态微通道塑料挤出成型装置，其特征在于，所述数据采集和控制系统包括：压力传感器 P1和 P2、温度传感器 Tl-T4、接近开关

(16)、带数据卡的计算机（42) 和加热控制器（44); 其中，所述温度传感器 Τ1~Τ3分别安装在机筒（5)外包覆三段第一加热圈（6)处，温度传感器 Τ1~Τ3 均与加热控制器（44) 相连，温度传感器 Τ4安装在动态挤出机头（9) 外包覆第二加热圈（43) 处，温度传感器 Τ4也与加热控制器（44)相连，压力传感器 P1安装在动态挤出机头（9) 内，压力传感器 Ρ2安装于阀门（10) 出口处，接近开关（16)接近牵引机（17)，接近开关（16)、温度传感器 Τ4和压力传感器 P1均与带数据卡的计算机（42) 相连。

3、根据权利要求 1所述动态微通道塑料挤出成型装置，其特征在于，所述动态挤出机头（9) 包括：机头连接头（19)、定位螺钉（22)、口模压板（26)、机头口模（27)、机头体（30)、机头盖板（31)、注射器芯体（37) 和直线音圈电机（38): 其中，所述机头盖板（31)固定在机头体（30)上；机头连接头（19) 固定在机头体（30) 上；机头口模（27) 位于机头体（30) 出口处，由口模压板（26) 压紧；定位螺钉（22) 旋入机头体（30)，调节机头口模（27) 径向位置；机头连接头（19)、机头口模（27)、机头体（30) 和机头盖板（31) 共同形成一个流道，该流道包括流道入口段（20)、流道收敛段（23)、流道成型段

(29)和流道出口（28); 注射器芯体（37) 由注射器体（33)与注射针头（24) 构成，注射器体（33) —端与直线音圈电机（38) 相连，另一端穿过机头盖板 (31) 进入机头体（30) 内，并与注射针头（24) 钎焊在一起；注射器体（33) 和注射针头（24) 的内部通道相通，形成注射器流道（36); 注射器流道（36) 与阀门 (10) 相通。

4、一种应用权利要求 1所述装置的动态微通道塑料挤出成型方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)、电机（3) 驱动单螺杆挤出机内螺杆（4)，塑料原料（1) 由料斗（2) 加入机筒（5)，在螺杆（4) 旋转输送和第一加热圈（6) 的电加热作用下，逐渐塑化形成塑料熔体（41); 塑料熔体（41) 在螺杆（4) 的旋转推动下通过法兰（7) 进入动态挤出机头（9)，法兰（7) 之间的滤网阻拦未完全塑化的固体和半固体；

2)、塑料熔体（41) 从机头连接体（19) 进入由机头连接头（19)、机头口模（27)、机头体（30) 和机头盖板（31) 组成的流道内，并包覆在注射器芯体

(37) 外；塑料熔体（41) 在流道收敛段（23) 压力逐步上升到 2-5MPa，然后进入流道成型段（29);

3)、注射器芯体（37) 在直线音圈电机（38) 驱动下沿挤出方向振动，注射针头（24)端面与机头口模（27)端面之间距离 y的运动规律如图 8所示（振动方式可以是各种规则或不规则的振动，如图 10-15所示）；流体源（12) 供应的注射流体由注射器流道（36) 进入塑料熔体（41)，在塑料熔体（41) 的压力和注射流体的压力作用下，形成微通道，微通道界面周期性地变化，从而成型挤出件微通道（40)，塑料熔体（41) 也逐步开始冷却固化成为挤出件塑料基体

(39)；

4)、带有挤出件微通道（40) 的挤出件塑料基体（39) 从流道出口（28) 挤出，在牵引机（17) 的牵拉作用下，通过滑轮（14) 进入水槽（13)，循环的冷却水（15)对挤出件快速冷却定型，最终成型为动态微通道塑料挤出件（18)。