一种复合光学材料的前处理工艺 |
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| 申请号 | CN201610860345.3 | 申请日 | 2016-09-28 | 公开(公告)号 | CN106426626A | 公开(公告)日 | 2017-02-22 |
| 申请人 | 赵其斌; | 发明人 | 赵其斌; 克里斯蒂安·杰哈德·西弗; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种复合光学材料的前处理工艺，包括以下步骤：将复合光学材料干燥后混合采用干法搅拌混合均匀；将复合光学材料投入生产设备进行材料生产和处理，复合光学材料首先被混合后，再经过外 力 施压，最后挤出得到密实无气泡的适合下一步复合光学材料生产的形状，以实现材料的密实无气泡，本发明适用于大规模生产处理（大于1公斤），处理方法简便，效率高，提高了下一工序的进料以及产品生产的均匀性和 稳定性 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种复合光学材料的前处理工艺，在形成夹层结构之前进行，其特征在于，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种复合光学材料的前处理工艺技术领域[0001] 本发明涉及材料制备技术领域，具体涉及一种复合光学材料的前处理工艺。 背景技术[0002] 高分子蛋白石是一种新型复合光学材料，可应用于可穿戴设备外观、服饰、建筑材料、机电表面材料、防伪等方面，CN103534079 A中公布了以芯-壳结构聚合物微球制备高分子蛋白石的一种制备技术，通过夹层结构产生的剪切力使微球在层状薄膜中排列成规则的结构，进而产生类似自然蛋白石的光学结构色。Qibin Zhao等人在“Large-scale ordering of nanoparticles using viscoelastic shear processing”(Nature Communications 2016，7：11661)中对这种制备工艺进行了进一步阐述，对剪切力的作用原理及效果进行了详细研究。 [0003] 作为原材料的芯-壳结构聚合物微球为粉体、块状或者粒状，呈乳白色，没有明显的蛋白石结构色，需要经过一系列的加工处理形成最终应用的高分子蛋白石复合光学材料产品。高分子蛋白石复合光学材料的实际生产中在经历上述文献公布的夹层结构剪切工艺之前必须经过将干燥的原料挤出成型工艺以实现材料的密实无气泡，并形成适用于后续压膜处理工艺的形状，这个过程称为复合光学材料的前处理工艺。 [0004] 目前现有技术中，均简单提及在形成夹层结构之前需对材料进行一定的前处理，例如挤出、涂覆等，但是均未提出明确解决方案，未对这一工艺过程进行具体技术说明。如果缺少这一预处理步骤，材料将得不到密实，容易产生气孔等缺陷，或者材料形状不规则容易对下一工序的进料以及产品生产的均匀性和稳定性产生破坏作用。 [0005] 现有技术中，对复合光学材料的前处理过程没有进行具体规定，在少数文献中提及的处理过程并不是采用工业通用设备来实现的，例如在Qibin Zhao等人Nature Communication文章中对此过程的处理是直接通过HAAKE微型挤出机将5-10g原料块体或者粉体挤出为1-2mm厚，3-4mm宽的薄条带，不具备工业大规模生产的能力。 发明内容[0006] 为了克服以上现有技术中存在的问题，本发明公开一种复合光学材料的前处理工艺，在形成夹层结构之前进行，本发明主要对原材料从芯‐壳结构聚合物微球粉体或块粒状态原始状态到进行辊压成膜或者压制成型之前的这一工艺过程进行说明，这一过程是辊压成膜或压制成型工艺进行的必备步骤，以实现材料的密实无气泡，本发明适用于大规模生产处理(大于1公斤)，处理工艺包括以下步骤： [0007] 步骤(1)、将复合光学材料干燥后混合采用干法搅拌混合均匀； [0008] 步骤(2)、将复合光学材料投入生产设备进行材料生产和处理，复合光学材料首先被混合后，再经过外力施压，最后挤出得到密实无气泡的适合下一步复合光学材料生产的形状。 [0009] 上述任一方案优选的是，所述步骤(2)中的生产设备包括挤出设备、成型设备，挤出设备直接连接成型设备。 [0010] 上述任一方案优选的是，所述步骤(2)中的生产设备还包括增压设备，增压设备连接挤出设备和成型设备。 [0011] 上述任一方案优选的是，按照原料的投入和产出的方向顺序，挤出设备作为设备线的最前端，挤出设备的筒体最前端出料口通过法兰和连接管连接至增压设备，增压设备通过法兰和连接管连接至成型设备。 [0012] 上述任一方案优选的是，挤出设备、增压设备和成型设备的轴向中轴线应该沿着材料流动方向保持为一条直线。 [0013] 上述任一方案优选的是，所述挤出设备、增压设备、成型设备通过控制系统的控制均能够实现温度在20-200℃范围内的准确分区控制。 [0014] 上述任一方案优选的是，所述挤出设备、增压设备和成型设备的工作设置最高温度不超过140℃。 [0015] 上述任一方案优选的是，所述挤出设备、增压设备和成型设备的工作设置温度为80-130℃。 [0016] 上述任一方案优选的是，材料的处理过程为：材料投入到挤出设备，从挤出设备进入增压设备后，由增压设备提供高压推入成型设备，材料经过成型设备挤出得到适合下一步复合光学材料生产的形状。 [0017] 上述任一方案优选的是，所述材料投入挤出设备之前，需要粉碎为小粒径的颗粒和碎片。 [0018] 上述任一方案优选的是，所述小粒径的颗粒和碎片的直径应不大于5mm。 [0019] 上述任一方案优选的是，所述挤出设备为挤出机。 [0021] 上述任一方案优选的是，所述挤出机具备低转速大扭矩动力和传动组合，组合螺杆直径在25mm以上。 [0022] 上述任一方案优选的是，所述挤出机的工作转速为20-200转/分钟。 [0023] 上述任一方案优选的是，所述挤出机的工作转速为60-100转/分钟。 [0025] 上述任一方案优选的是，所述成型设备为模头。 [0026] 上述任一方案优选的是，所述模头为片材模头、线材模头或管材模头中的任意一种。 [0027] 上述任一方案优选的是，具体操作过程包括以下步骤： [0028] 步骤(1)、首先打开生产设备总开关通电，通过控制系统对生产设备加热，温度设置为120℃，开启冷却水循环系统以及真空泵；材料的最佳加工温度为80‐130℃区间，温度越高材料的流动性越好因此对设备的负担越小，在相同的负荷下较高的温度会使材料的产量得到提高，因此在材料的耐受范围内应该尽可能采用较高的温度；但是由于双螺杆挤出机在螺杆高速转动的时候与材料摩擦会产生额外的热量，而设备一般不能直接检测材料本身的温度，而只能控制筒体的温度，所以在实际加工的过程中材料本身的温度会与设定的温度有一定偏差，同时由于温度控制的滞后性，设备的控温精度未必能保证完全精确，会有一定的上下波动，较好的设备能够实现控温的温度与筒体实际的加热温度误差在1℃范围内。在考虑到这些因素的时候应该在设定温度的时候留有一定的余量，因此一般设置为120℃，在保证材料的流动性较好的条件下能够同时保证材料在加工过程中的实际温度不会高于耐受温度。 [0029] 步骤(2)、待生产设备各部分达到设定温度并且温度稳定后，将准备好的复合光学材料投入挤出机喂料斗，此步骤可在步骤(1)之前进行； [0030] 步骤(3)、依次开启齿轮泵、主机电机，设置主机电机转速和齿轮泵转速；先开启齿轮泵的原因是如果设备中原来有余料，那么先开始主机电机螺杆转动的时候挤出机筒体中的料将会向齿轮泵中输送，而此时齿轮泵尚未开始，则导致挤出机内部原料积压产生较大的内压力，容易超出内压力极限值而导致事故。 [0031] 步骤(4)、开启喂料机，材料在喂料机的带动下进入筒体，并被螺杆组合挤压剪切向前输送； [0032] 步骤(5)、材料被输送进入模头，最后被挤出成为连续的片材； [0033] 步骤(6)、将挤出的片材收卷并妥善放置。 [0034] 上述任一方案优选的是，所述步骤(3)中主机电机转速设置为80转/分钟，齿轮泵转速设置为30转/分钟。 [0035] 上述任一方案优选的是，所述步骤(4)中的喂料机转速设置为8Hz。 [0036] 上述任一方案优选的是，所述步骤(5)能够通过调整模头的调节机构来控制模唇开口狭缝的缝隙宽度，产生所需厚度的片材。 [0037] 上述任一方案优选的是，所述复合光学材料的原料成分包括聚苯乙烯、聚丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸甲酯、交联剂和添加剂。 [0039] 上述任一方案优选的是，所述颜料粉体的添加量为纳米微球重量的0.1％‐5％。复合光学材料的原料为经过干燥的聚合物芯‐壳结构纳米微球粉体或块状材料，主要成分为聚苯乙烯、聚丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸甲酯等以及少量交联剂和其他添加剂，芯壳结构的纳米微球尺寸直径在150‐500纳米范围内。其他添加剂包括可以改变材料塑性的增塑剂、蜡、以及对材料的光学性能调制起一定作用的碳粉、各种颜料粉体、荧光粉、珠光粉，作为材料光学性能调制添料的各种色粉的添加量一般为纳米微球重量的0.1％‐5％，根据需要添加或不添加，并调整比例。芯壳结构聚合物微球作为主料，各种色粉及其他添加为作为添料，经过干法搅拌混合均匀后一起投入生产设备进行材料生产和处理。 [0040] 本发明提供一种复合光学材料的前处理工艺，包括以下步骤：将复合光学材料干燥后混合采用干法搅拌混合均匀；将复合光学材料投入生产设备进行材料生产和处理，复合光学材料首先被混合后，再经过外力施压，最后挤出得到密实无气泡的适合下一步复合光学材料生产的形状，以实现材料的密实无气泡，本发明适用于大规模生产处理(大于1公斤)，处理方法简便，效率高，提高了下一工序的进料以及产品生产的均匀性和稳定性。附图说明 [0041] 图1为复合光学材料前处理设备结构俯视图； [0042] 图2为图1的侧视图； 具体实施方式[0043] 为了更好理解本发明的技术方案和优点，以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明做进一步说明。 [0044] 本发明提供一种复合光学材料的前处理工艺，处理工艺包括以下步骤： [0045] 步骤(1)、将复合光学材料的原料干燥后混合，采用干法搅拌混合均匀；干燥方法为复合光学材料的原料放置于烘箱中60℃干燥24小时；干法搅拌，即不添加任何溶剂，将干燥的复合光学材料和其他粉体添加剂混合在一起通过搅拌或者震荡达到混合的目的。 [0046] 步骤(2)、将复合光学材料投入生产设备进行材料生产和处理，复合光学材料首先被混合后，再经过外力施压，最后挤出得到密实无气泡的适合下一步复合光学材料生产的形状。 [0047] 步骤(1)中的复合光学材料的原料为经过干燥的聚合物芯‐壳结构纳米微球粉体或块状材料，主要成分为聚苯乙烯、聚丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸甲酯等以及少量交联剂和其他添加剂，芯壳结构的纳米微球尺寸直径在150‐500纳米范围内。其他添加剂包括可以改变材料塑性的增塑剂、蜡、以及对材料的光学性能调制起一定作用的碳粉、各种颜料粉体、荧光粉、珠光粉，作为材料光学性能调制添料的各种色粉的添加量一般为纳米微球重量的0.1％‐5％，根据需要添加或不添加，并调整比例。芯壳结构聚合物微球作为主料，各种色粉及其他添加剂作为添料，经过干法搅拌混合均匀后一起投入生产设备进行材料生产和处理。 [0048] 整个处理工艺的生产设备包括挤出机1、增压设备2、成型设备3(如图1和图2所示)，按照材料的投入和产出的方向顺序，挤出机1作为设备线的最前端，挤出机1的筒体最前端出料口通过法兰和连接管连接至增压设备2，增压设备2通过法兰和连接管连接至成型设备3，挤出机1包括喂料斗11和筒体12，喂料斗11设置在上部，挤出机1的一端还和主电机4连接，因此复合光学材料的处理过程沿着以下设备线进行： [0049] 挤出机喂料斗11‐>挤出机筒体12‐>连接‐>增压设备2‐>连接‐>成型设备3[0050] 上述设备线沿着材料流动方向的轴向中轴线应该保持为一条直线，各种控制设备及水箱、真空泵、控制电箱等按照设备的要求安放在适当的位置。 [0051] 在上述设备线中，挤出机1作为压紧密实及混合装置,增压设备2负责连接挤出机1和成型设备3，材料从挤出机1进入增压设备2后，由增压设备2提供高压推入成型设备3，在此增压设备2包括高压泵及齿轮泵；材料经过成型设备3后最终挤出得到适合下一步复合光学材料生产的形状，在此成型设备为模头。由于芯壳结构的聚合物纳米微球复合光学材料的高粘弹性，在常温到140℃范围内的流动性较差，因此在成型的时候需要较大的压力，压力的数值根据成型模头的大小和模头的设计会有变化，较好的设计会使得材料在较小的压力下易于成型挤出。 [0052] 芯壳结构的聚合物纳米微球作为主料，辅料根据最终产品的要求添加，辅料所占重量百分比(0％‐5％)，在混合均匀的情况下进行生产处理。原料为粉体的情况下可直接投入挤出机料斗，在块体情况下应经过粉碎为较小粒径的颗粒和碎片后进入料斗，颗粒和碎片的直径应不大于5mm，不同的喂料机和挤出机型号对粒径的大小要求不同，较大型的机械(大于30型挤出机)对粒径要求尺寸较为宽松。挤出设备主要有两类，一类为双螺杆挤出机，另外一类为单螺杆挤出机。双螺杆挤出机适合主料添料混合的原料，双螺杆转动提供的剪切作用可以将不同组分的原料混合更均匀，同时能够提供较大的挤出内压；单螺杆挤出机成本较低，适合单一原料的挤出。 [0053] 一般情况下对于蛋白石光学材料采用双螺杆挤出机。由于双螺杆挤出机的双螺杆在转动时与材料剪切摩擦会产生一定的热量，转速越高材料的实际温度可能更高，造成贴近螺杆的材料实际温度与设定的挤出机筒体温度不符，导致材料在高于耐受温度下(140℃左右)产生破坏，同时由于材料的流动性较差，在工作温度下(80‐130℃)粘弹性较高，螺杆转动会需要较大的扭矩，因此挤出机选择低转速大扭矩动力和传动组合设计，正常工作转速为20‐200转/分钟，最优为60‐100转/分钟，组合螺杆直径应在25mm以上，螺杆直径直接决定了挤出机的型号大小，例如25mm直径的螺杆组合组成的挤出机一般称为25型挤出机，螺杆直径过小的话造成挤出机1的产量不足，一般用于大规模工业生产的挤出机为满足产量需求均应选用大于等于25型。 [0054] 增压设备2主要为增压泵/齿轮泵，一般情况下挤出机1的内压不足以使挤出的材料直接经过成型设备成型，因此采用增压设备作为中间连接提供压力；如果挤出机内压1可以满足成型设备材料挤出需要的压力，则增压设备2可以省略，由挤出机1直接连接成型设备。所需的压力直接取决于成型设备3，即模头所需要的成型内压力，同时受生产速度的要求影响，以挤出450毫米宽，0.5mm厚的薄带蛋白石复合光学材料为例，采用衣架式导流设计的模头所需的内压力在模头设置温度为120℃的情况下为20‐40兆帕。不同的模具头设计会导致所需要的压力不同，例如生产直径为10mm棒料蛋白石复合光学材料的模具头所需的压力就远远低于片材模头，较大型的挤出机例如65机则可以直接满足成型的压力需求。 [0055] 成型设备一般称为模头，模头设计的种类有片材模头、线材模头、管材模头等，根据模头挤出成型材料的形状决定，本处主要以蛋白石复合光学材料最常用的片材模头为例。片材模头的设计模唇间隙可在0‐3mm范围内可调节，最优片材挤出厚度为0.1‐1.0mm。挤出设备、增压设备2、成型设备3均应能够实现温度20‐200℃准确分区控制，控制主要通过控制电路控制各区的加热装置和冷却装置来进行，模头的加热可以从模头的一侧到另一侧通过三组或者五组甚至更多组的加热棒分别控制不同区域的温度，通过机械或者电子控制的线路实现温度的稳定控制；挤出机1的不同部位一般也进行分区控制，这些都是工业通用设备的标准配置。工作设置最高温度不超过140℃，最优为80‐130℃，在设备耐压情况较好的情况下可以采用较低温度，反之可以采用较高的温度以降低材料处理所需的压力。经模具挤出的连续片材可直接进入下一步处理工艺如辊压，也可以收卷进行单独处理。 [0056] 实施例1 [0057] 以5公斤聚苯乙烯‐聚甲基丙烯酸甲酯‐聚丙烯酸乙酯“芯‐壳”结构聚合物纳米微球(直径250nm)粉体为原料，不添加任何其他添料，原料呈粉状乳白色。 [0058] 使用常州经纬化工成套设备公司生产的30型挤出机作为挤出设备，设备具体参数如下表： [0059] 表1.挤出机的主机具体参数 [0060] 双螺杆挤出机主机 [0061]螺杆外径 Φ30mm 螺杆槽深 5mm 螺杆内外径比Do/Di 1.55 机筒内径 Φ30.6mm 双螺杆中心距 26mm 主机长径比 L/D＝40 螺杆转速 Max 400rpm 螺杆机扭矩等级 T/A3＝5.0N.m/cm3 主电机功率 7.5KW 主机加热总功率 25KW 主机中心高 1000mm [0062] 表2.挤出机的主电机和主机传动箱具体参数 [0063] 主电机 [0065] 主机传动箱 [0066]传动箱类型 常规扭矩、中速 传动箱速比 i＝2.5 传动箱输出转速 Max 400rpm 传动箱关键轴承 NSK，SKF 齿轮精度等级 6级 齿轮、轴材质 20CrMnTi&40CrNtMoA 传动箱承受扭矩 2*89N.m 换热器面积 0.5m2 润滑油加入量 10L 润滑油种类 中负荷齿轮油220# [0067] 表3.挤出机的主机螺杆和芯轴、主机简体和简体水冷单元的具体参数[0068] 主机螺杆和芯轴 [0070] 主机筒体 [0072] 筒体水冷单元 [0074] 使用IKV齿轮泵作为增加设备，具体参数如下： [0075] 表4.IKV齿轮泵的相关信息 [0076] 齿轮泵系统 [0077]品牌 埃克威尔(上海)实业有限公司 溶体泵型号 IKV SP28/13 2.78CC [0078] 使用上海杰伟模具公司制造的450毫米宽幅片材模头为成型设备，具体参数如下： [0079] 表5.450毫米宽幅片材模头的具体参数 [0080] 片材模具 [0081] [0082] 使用如下中央控制系统控制设备线上挤出机、加压设备、成型设备的各项参数，具体配置如下： [0083] 表6.中央控制系统的具体参数 [0084] 控制系统 [0085]控制方式 PLC触摸屏控制系统 主电机变频器 ABB 温控模块 日本欧姆龙 按钮、信号灯和中间继电器 施耐德 接触器和断路器 施耐德 测温元件 K型热电偶量程0-400℃ 压力传感器 先达 连锁要求 标准 [0086] 挤出机、齿轮泵、片材模头中间均以法兰以及连接管连接，并确保连接处的温度均能通过加热和冷却设备在中央控制系统中进行控制。设备的排列顺序为挤出机‐>齿轮泵‐>片材模头。 [0087] 具体操作过程如下： [0088] 步骤(1)、首先打开设备总开关通过中央控制电箱开机，将各设备通电，通过控制系统对设备各部分加热，机筒、连接区、齿轮泵、模头温度设置为120℃，开启冷却水循环系统以及真空泵。 [0089] 步骤(2)、待设备各部分达到设定温度并且温度稳定后，将准备好的粉料投入挤出机喂料斗，投料亦可在第一步之前进行，因为材料投入料斗后如果不开动喂料机的话材料不会进入挤出机筒体。 [0090] 步骤(3)、依次开启齿轮泵、主机电机，主机转速80转/分钟，齿轮泵转速30转/分钟。一般情况下主机转速越高则生产效率越高，选定80转的主机转速是保证在能够以较高的效率和较合理的主机负载条件下生产的情况下一方面材料与螺杆摩擦的产生的热量较小，不会出现材料局部温度超高耐受温度的情况，另一方面与齿轮泵的材料输送能力相匹配；齿轮泵的转速采用上述设定值的原因是一般情况下转速越快材料通过齿轮泵向模头输送的单位时间输送量越大，模具头产生的反向压力也越大，本例中选用的齿轮泵的耐受压力最高为35兆帕，在采用上述参数的时候最高压力会达到32兆帕左右，已经逼近极限。 [0091] 步骤(4)、开启喂料机，设定喂料转速8Hz，原料在喂料机的带动下进入筒体，并被螺杆组合挤压剪切并向前输送。喂料机转速越高则材料从料斗进入挤出机筒体的单位流量越大，对主机产生的负荷越大，因此合理选定上述设定值保证在允许范围内安全生产。 [0092] 步骤(5)、在完成上述操作后随时观察齿轮泵前后的两个压力值，对主机转速、齿轮泵转速、喂料速度以及设备各部分的温度随时调整，保证材料进出齿轮泵的压力值均在安全范围以内。材料被输送进入模头后，在模头内部衣架式导流设计的腔体中流动并从模唇狭缝处挤出成为连续的片材，可以通过调整模头模唇上下的调节机构来控制模唇开口狭缝的缝隙宽度，产生所需要的厚度的片材，一般情况下间隙越小模具的内压力会越大，因此会产生较大的材料反向压力由齿轮泵承受，因此对间隙的调节应同时考虑齿轮泵的压力耐受范围。本例中挤出片材厚度为0.5mm左右的时候采用上述的主机和齿轮泵、喂料机以及温度设定值所产生的齿轮泵输出压力为32兆帕左右。 [0093] 为了方便进行后续的辊压成膜处理，片材的厚度不宜过厚，因为过厚的片材(大于3mm)会使得片材在进行辊压成膜处理之前很难得到充分的预热，同时由于厚度过大会在辊压的间隙产生过量堆积，造成辊压加工不顺利等不利因素。 [0094] 步骤(6)、挤出的片材通过人工或者自动收卷机来收卷后妥善放置或进行棍压。由于模头的内表面经过抛光和镀铬处理，表面为光滑镜面，在挤出后片材表面会产生一定肉眼可见的结构色，并且颜色随角度不同变化，与原来状态下的乳白色截然不同。同时片材厚度均匀，结构致密，在进行辊压成膜等工序的时候会有较好的成膜效果。 [0095] 实施例2 [0096] 与实施例1不同的是，原料为块体，因此需要将块体粉碎为较小粒径的颗粒和碎片后进入料斗，颗粒和碎片的直径应不大于5mm，使用高速搅拌设备打碎块体，保证粒径在5mm以下，以利于向设备填料，结块太大的话容易造成喂料机的空转和喂料效率的降低，喂料持续性和稳定性受影响。 [0097] 实施例3 [0098] 与实施例1不同的是，具体操作过程如下： [0099] 步骤(1)、将准备好的粉料投入挤出机喂料斗； [0100] 步骤(2)、打开设备总开关通过中央控制电箱开机，将各设备通电，通过控制系统对设备各部分加热，机筒、连接区、齿轮泵、模头温度设置为120℃，开启冷却水循环系统以及真空泵，其他步骤与实施例相同。 [0101] 需要说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。 |
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