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一种用于聚合物纳米 复合材料的循环拉伸混炼方法及设备

阅读：988发布：2023-01-25

专利汇可以提供一种用于聚合物纳米复合材料的循环拉伸混炼方法及设备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种用于聚合物纳米复合材料的循环拉伸混炼方法及设备，其方法为利用调整机筒与转子之间的偏心距产生可控的拉伸力场，随着转子的旋转，转子上的叶片在弹簧作用下始终紧密贴合在机筒内壁，对聚合物纳米复合材料强制熔融塑化、分散混合。其设备包括底板、转子、机筒、弹簧、叶片、耐高温可视玻璃、加热圈、加热板、电机、控制系统。其中，机筒可在底板上沿直线方向移动，以调整机筒与转子之间的偏心距；叶片可通过弹簧调整伸缩距离，保证在转子旋转过程中叶片外缘始终紧密贴合在机筒内壁；转子轴通过传动机构与电机连接。本发明的特点是采用可移动机筒与转子偏心配合产生拉伸力场，通过转子带动叶片产生的强制推进作用，在结构上实现聚合物纳米复合材料在拉伸力场中的循环混炼过程。本发明具备以下优势：（1）改变机筒与转子之间的偏心距即可调整拉伸力场强度；（2）可伸缩的叶片强制推进熔融聚合物纳米复合材料在拉伸力场中循环混炼，避免熔体产生紊流；（3）可以有效地破碎聚合物纳米复合材料中的团聚体，以及高效地分散聚合物纳米复合材料中的粒子；（4）可以透过耐高温可视玻璃直接观察聚合物纳米复合材料的混炼情况。，下面是一种用于聚合物纳米复合材料的循环拉伸混炼方法及设备专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于熔融混炼聚合物纳米复合材料的循环拉伸加工方法，其特征在于：该方法是采用循环拉伸加工设备对聚合物纳米复合材料进行熔融混炼，该方法通过调整设备中机筒与转子之间的偏心距产生可控的拉伸力场，随着转子的旋转，转子上的叶片在弹簧作用下始终紧密贴合在机筒内壁，从而推动聚合物纳米复合材料在体积循环变化的混炼腔中强制熔融塑化、分散混合；该方法具体包括以下步骤：
(1)滑动机筒至与转子呈一定偏心距后在底板上固定机筒，将设备加热至聚合物加工温度，聚合物纳米复合材料从机筒上端面进入混炼腔后，密封机筒上端面，转子旋转带动叶片旋转，推动聚合物纳米复合材料沿着转子旋转方向运动；
(2)当转子外壁与机筒内壁之间距离逐渐减小的过程中，转子上的叶片受到机筒内壁的挤压作用向转子槽内收缩，与转子槽内弹簧向外的扩张力平衡，叶片在运动的过程中内缘始终嵌入转子槽，外缘始终贴合在机筒内壁，保证物料始终受到叶片的推进作用，不会滞留在转子外壁上或者机筒内壁上；
(3)当转子外壁与机筒内壁之间距离逐渐增大的过程中，转子外壁的叶片主要受到转子槽内弹簧向外的扩张力作用，在运动的过程中内缘始终嵌入转子槽，外缘始终贴合在机筒内壁，保证物料始终受到叶片的推进作用，不会滞留在转子外壁上或者机筒内壁上；
(4)转子旋转带动叶片旋转，二者转速相同；聚合物纳米复合材料受到叶片的持续推进，在机筒、转子、叶片配合而产生的拉伸力场中熔融塑化、分散混合，可通过耐高温可视玻璃观察聚合物纳米复合材料的加工情况，混炼结束后从机筒内取出；
步骤(1)所述滑动机筒至与转子呈一定偏心距并在底板上固定机筒具体为：机筒上下端面开口，机筒内壁为空心圆柱，机筒下端面在与底板上的两块限位块形成的槽内滑动并受到它们的限位，滑动方向为垂直并经过转子轴的某直线方向，并且可以拆卸；转子为固定于底板上某一位置的带轴实心圆柱，移动机筒至与转子存在一定的偏心距，通过垫块、压块和限位螺钉配合固定机筒；
步骤(2)-(3)中的转子槽垂直开设于转子上下端面之间，转子槽顶面与转子外壁某一部分圆弧面重合，转子槽底面与转子轴平行；转子槽底面均布两个圆孔，圆孔内放置弹簧，以限制弹簧运动方向，当转子槽底面与机筒内壁处于最大距离时在弹簧的作用下叶片仍需与机筒内壁保持贴合状态。
2.根据权利要求1所述的用于熔融混炼聚合物纳米复合材料的循环拉伸加工方法，其特征在于：转子与电机之间采用同步带轮的传动方式；转子与机筒上端面的密封包括耐高温可视玻璃、端盖、卡扣压板，进料后，依次在机筒上端面覆盖耐高温可视玻璃、端盖、卡扣压板，用螺母将卡扣压板固定在底板上的两根固定柱上；转子下端面与底板之间采用机械密封；机筒下端面与底板之间采用高精度加工平面压紧密封，底板上表面为混炼腔底部；所述设备的加热包括机筒外壁加热圈加热以及机筒在底板滑动区域的底部加热板加热。
3.根据权利要求2所述的用于熔融混炼聚合物纳米复合材料的循环拉伸加工方法，其特征在于：可通过耐高温可视玻璃随时观察聚合物纳米复合材料的熔融混炼过程。
4.根据权利要求2所述的用于熔融混炼聚合物纳米复合材料的循环拉伸加工方法，其特征在于：混炼腔的下端面由底板上表面组成，转子下端面和机筒下端面为混炼腔下端面的边界，机筒在底板上表面滑动区域内任意位置固定后熔融聚合物不会从底板与机筒的缝隙中漏出。
5.根据权利要求2所述的用于熔融混炼聚合物纳米复合材料的循环拉伸加工方法，其特征在于：转子和叶片转速相同，转子只沿一个方向转动，混炼过程中聚合物熔体不会从转子和叶片的间隙中进入转子槽。
6.根据权利要求5所述的用于熔融混炼聚合物纳米复合材料的循环拉伸加工方法，其特征在于：叶片外缘的曲率半径和机筒内壁的半径相等，以使物料在混炼过程中能够受到叶片最大程度相同的正应力作用。

说明书全文

一种用于聚合物纳米 复合材料的循环拉伸混炼方法及设备

技术领域

[0001] 本发明涉及聚合物纳米复合材料加工领域，具体为一种用于聚合物纳米复合材料的循环拉伸混炼方法及设备。

背景技术

[0002] 随着科技的发展和现代化的要求，聚合物复合材料的应用越来越广泛，但现有的聚合物复合材料越来越无法满足人们对产品功能多样化、精细化、以及复合化等日益增长的需求。聚合物复合材料的品质取决于混炼加工后无机粒子、有机粒子与聚合物基体之间的分散混合效果，一般聚合物基材料在混炼中主要受剪切、拉伸等多种力场的共同作用，然而常规的加工混炼设备无法细致研究单一力场的特性对分散混合效果的影响、并且对纳米级功能填料的分散混合往往效果不佳。因此，深入研究单一力场下纳米粒子与聚合物之间的分散混合特性，是十分有必要的。通过研究单一力场下纳米粒子与聚合物的分散混合特性，同时借鉴聚合物纳米复合材料在发展中积累的经验，使多种材料不同性能真正的互补，从而制备出品质优良、且性能可调控的聚合物纳米复合材料，以满足国内外市场对高性能聚合物纳米复合材料的需求。

[0003] 纳米粒子由于具有量子尺寸效应、表面效应等，增加了其与聚合物的接触面积和界面张力，能够提升聚合物的光学、热力学、量子力学等性能。聚合物纳米复合材料的功能性的优劣取决于纳米粒子在聚合物中的分散混合效果。然而，由于纳米粒子存在很高的化学活性、范德华力和氢键作用力等，极易产生团聚体，增加了纳米粒子在混炼加工中分散混合的难度；同时，聚合物纳米复合材料多采用常规的螺杆式挤出机和注塑机等进行混炼加工，上述设备在加工聚合物纳米复合材料时存在以下几点缺陷：（1）螺杆式加工设备在加工时主要依赖于剪切力场对纳米粒子进行分散，剪切力场过小易导致纳米粒子分散效果不佳，剪切力场过大易破坏大长径比的纳米粒子形态，并且剪切力场对纳米粒子的分散效率较低，分散效果不佳；（2）纳米粒子在与聚合物混炼时由于在剪切力场中的多次碰撞容易产生二次、多次团聚，且粒子的分散均匀性也较难保证；（3）剪切力场在破碎粒子团聚体、提升粒子分散性等方面的效果与拉伸力场相比差距较大。综上，为满足聚合物纳米复合材料成型技术的发展要求，目前急需一种以拉伸力场为主导且拉伸力场特性可控的聚合物纳米复合材料的混炼方法及设备。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种以单一拉伸力场为主导且拉伸力场特性可控的聚合物纳米复合材料的混炼方法及设备，以满足聚合物纳米复合材料成型技术的发展要求。为实现上述目的，本发明采取以下技术解决方案：

[0005] 本发明提供的一种可用于熔融混炼聚合物纳米复合材料的循环拉伸方法及设备，通过以下技术方案实现：利用可移动机筒与转子之间的偏心距可调、以及转子的旋转产生可控的拉伸力场，转子上的可伸缩叶片贴紧机筒内腔，推动聚合物纳米复合材料在体积循环变化的混炼腔中强制熔融塑化、分散混合。具体包括以下步骤：

[0006] （1）滑动机筒至与转子呈一定偏心距后在底板上固定机筒，将设备加热至聚合物加工温度，聚合物纳米复合材料从机筒上端面进入混炼腔后，密封机筒上端面，转子旋转带动叶片旋转，推动聚合物纳米复合材料沿着转子旋转方向运动；

[0007] （2）在转子外壁与机筒内壁之间距离逐渐减小的过程中，转子上的叶片受到机筒内壁的挤压作用向转子槽内收缩，与转子槽内弹簧向外的扩张力平衡，叶片在运动的过程中内缘始终嵌入转子槽，外缘始终贴合在机筒内壁，保证物料始终受到叶片的推进作用，不会滞留在转子外壁上或者机筒内壁上；

[0008] （3）在转子外壁与机筒内壁之间距离逐渐增大的过程中，转子外壁的叶片主要受到转子槽内弹簧向外的扩张力作用，在运动的过程中内缘始终嵌入转子槽，外缘始终贴合在机筒内壁，保证物料始终受到叶片的推进作用，不会滞留在转子外壁上或者机筒内壁上；

[0009] （4）转子旋转带动叶片旋转，二者转速相同。聚合物纳米复合材料受到叶片的持续推进，在机筒、转子、叶片配合而产生的拉伸力场中熔融塑化、分散混合，可通过耐高温可视玻璃观察聚合物纳米复合材料的混炼情况，混炼结束后从机筒内取出。

[0010] 步骤（1）所述滑动机筒至与转子呈一定偏心距并在底板上固定机筒具体为：机筒上下端面开口，机筒内壁为空心圆柱，机筒下端面在与底板上的两块限位块形成的滑槽内滑动并受到它们的限位，滑动方向为垂直并经过转子轴的某直线方向，并且可以拆卸；转子为固定于底板上某一位置的带轴实心圆柱，移动机筒至与转子存在一定的偏心距，通过垫块、压块和限位螺钉配合固定机筒。

[0011] 步骤（2）、（3）所述的转子槽垂直开设于转子上下端面之间，转子槽顶面与转子外壁某一部分圆弧面重合，转子槽底面与转子轴平行；转子槽底面均布两个圆孔，圆孔内放置弹簧，以限制弹簧运动方向，当转子槽底面与机筒内壁处于最大距离时在弹簧的作用下叶片仍需与机筒内壁保持贴合状态。

[0012] 所述转子与电机之间采用同步带轮的传动方式；转子与机筒上端面的密封包括耐高温可视玻璃、端盖、卡扣压板，进料后，依次在机筒上端面覆盖耐高温可视玻璃、端盖、卡扣压板，用螺母将卡扣压板固定在底板上的两根固定柱上；转子下端面与底板之间采用机械密封；机筒下端面与底板之间采用高精度加工平面压紧密封，底板上表面为混炼腔底部；所述设备的加热包括机筒外壁加热圈加热以及机筒在底板滑动区域的底部加热板加热。

[0013] 所述耐高温可视玻璃可随时观察聚合物纳米复合材料的熔融混炼过程。

[0014] 所述混炼腔的下端面由底板上表面组成，转子下端面和机筒下端面为混炼腔下端面的边界，机筒在底板上表面滑动区域内任意位置固定后熔融聚合物不会从底板与机筒的缝隙中漏出。

[0015] 所述转子和叶片转速相同，转子只沿一个方向转动，混炼过程中聚合物熔体不会从转子和叶片的间隙中进入转子槽。

[0016] 所述叶片外缘的曲率半径和机筒内壁的半径相等，以使物料在混炼过程中能够受到叶片最大程度相同的正压力作用。

[0017] 以上用于熔融混炼聚合物纳米复合材料的循环拉伸方法及设备，其工作原理为：滑动机筒至与转子呈一定偏心距后固定机筒，加热设备至所需温度，在机筒上端面开口处加入纳米粒子与聚合物，密封机筒上端面。启动设备，转子与转子上的叶片带动聚合物纳米复合材料向旋转方向混炼。当转子外壁与机筒内壁之间距离逐渐增大时，叶片主要受到转子槽底面圆孔内弹簧向外的扩张力作用，叶片外缘贴紧机筒内壁，内缘嵌入转子槽，物料主要受到叶片的推进作用；当转子外壁与机筒内壁之间距离逐渐减小时，叶片受到机筒内壁的挤压作用向转子槽内收缩，与转子槽底面圆孔内弹簧向外的扩张力平衡，叶片外缘贴紧机筒内壁，内缘嵌入转子槽，物料在体积剧烈缩小的过程中受到压缩作用，聚合物出现固熔转变，纳米粒子的团聚体开始破碎，并且在聚合物熔体中开始分散分布。如此循环往复，纳米粒子在完全熔融的聚合物中充分分散混合。可通过耐高温可视玻璃观察聚合物纳米复合材料的混炼加工情况，混炼结束后拆卸机筒，物料从机筒和转子上取出。

[0018] 与现有技术相比，本发明的主要特色在于：

[0019] 1. 本发明在结构上实现了聚合物纳米复合材料在单一拉伸力场中的熔融混炼。

[0020] 2. 本发明采用了可滑动的机筒，能实现机筒与转子间的偏心距可调，可以通过空间收缩的剧烈程度控制拉伸力场的强度。

[0021] 3. 本发明采用了内嵌式可伸缩的叶片，能通过转子带动叶片产生正压力持续推进聚合物纳米复合材料在拉伸力场中的熔融混炼，避免产生紊乱力场。

[0022] 4. 本发明在结构上实现了聚合物纳米复合材料的不限次数循环混炼过程，能够根据需要任意调整物料在拉伸力场中的混炼时间。

[0023] 5. 本发明强化了混合混炼强度和效果，具有优秀的分散混合特性，特别适用于聚合物纳米复合材料的混炼加工。附图说明

[0024] 图1为本发明三维结构的装配爆炸图。

[0025] 图2为偏心距为零时混炼区主视图全剖视图。

[0026] 图3为图2中的A—A视向剖视图。

[0027] 图4为偏心距最大时叶片在极限位置1的混炼区主视图全剖视图。

[0028] 图5为图4中的B—B视向剖视图。

[0029] 图6为偏心距最大时叶片在极限位置2的混炼区主视图全剖视图。

[0030] 图7为图6中的C—C视向剖视图。

[0031] 图8为任意偏心距时叶片在任意位置的混炼区俯视图。

[0032] 图9为图8中的D—D视向剖视图。

[0033] 图中：1—底板；2—皮带轮；3—限位块；4—转子；5—转子槽；6—圆孔；7—圆孔；8—限位块；9—固定柱；10—螺钉；11—压块；12—叶片；13—弹簧；14—圆柱压块；15—弹簧；16—圆柱压块；17—加热板；18—螺钉；19—固定块；20—垫块；21—机筒；22—耐高温可视玻璃；23—卡扣压板；24—端盖；25—加热圈；26—固定柱；27—螺钉；28—压块；29—限位块；30—电机；31—混炼腔。

具体实施方式

[0034] 下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

[0035] 实施例1

[0036] 参照图1 图9，本发明提供一种用于聚合物纳米复合材料的循环拉伸混炼方法及~设备，利用调整机筒与转子之间的偏心距产生可控的拉伸力场，随着转子的旋转，转子上的叶片在弹簧作用下始终紧密贴合在机筒内壁，对聚合物纳米复合材料强制熔融塑化、分散混合，具体包括以下步骤：

[0037] （1）沿着限位块3和限位块29间的滑槽滑动机筒21至与转子4呈一定偏心距后在底板1上固定机筒21，将设备加热至聚合物加工温度，将聚合物纳米复合材料从机筒21上端面进入混炼腔后，密封机筒21上端面，转子4转动、带动聚合物纳米复合材料沿着转子4旋转方向运动；

[0038] （2）在转子4外壁与机筒21内壁之间距离逐渐减小的过程中，转子4外壁的叶片12受到机筒21内壁的挤压作用向转子槽5内收缩，与转子槽5内弹簧13 、15向外的扩张力平衡，叶片12在运动的过程中内缘始终嵌入转子槽5，外缘始终贴合在机筒21内壁，保证物料始终受到叶片12的推进作用，不会滞留在转子4外壁上或者机筒21内壁上；

[0039] （3）在转子4外壁与机筒21内壁之间距离逐渐增大的过程中，转子4外壁的叶片12主要受到转子槽5内弹簧13、15向外的扩张力作用，在运动的过程中内缘始终嵌入转子槽5，外缘始终贴合在机筒21内壁，保证物料始终受到叶片12的推进作用，不会滞留在转子4外壁上或者机筒21内壁上；

[0040] （4）转子4旋转带动叶片12旋转，二者转速相同。聚合物纳米复合材料受到叶片12的正压力持续推进，在机筒21、转子4、叶片12配合而产生的拉伸力场中熔融塑化、分散混合，可通过耐高温可视玻璃22观察聚合物纳米复合材料的混炼情况，混炼结束后从机筒21内取出。

[0041] 以上方法中，机筒21上下端面开口，机筒21内壁为空心圆柱，机筒21下端面在与底板1上的限位块8、限位块29形成的滑槽内滑动并受到它们的限位，滑动方向为垂直并经过转子4轴的某直线方向，并且可以拆卸；转子4为固定于底板1上某一位置的带轴实心圆柱，移动机筒21至与转子4存在一定的偏心距，通过压块11、压块28和螺钉18配合固定机筒21。

[0042] 以上转子槽5垂直开设于转子4上下端面之间，转子槽5顶面与转子4外壁某一部分圆弧面重合，转子槽5底面与转子4轴平行；转子槽5底面均布两个圆孔6、7，圆孔内放置弹簧13，弹簧15，并限制它们的运动方向，当转子槽5底面与机筒21内壁处于最大距离时在弹簧
13、15的作用下叶片12仍需与机筒21内壁保持贴合状态。

[0043] 以上转子4与电机30之间采用同步带轮的传动方式；转子4与机筒21上端面的密封包括耐高温可视玻璃22、端盖24、卡扣压板23，进料后，依次在机筒21上端面依次覆盖耐高温可视玻璃22、端盖24、卡扣压板23，用螺钉10、27，压块11、29将卡扣压板23固定在底板1上的固定柱9、固定柱26上；转子4下端面与底板1之间采用机械密封；机筒21下端面与底板1之间采用高精度加工平面压紧密封，底板1上表面为混炼腔31底部；所述设备的加热包括机筒外壁加热圈25加热以及机筒在底板滑动区域的底部加热板17加热。

[0044] 实施例2

[0045] 本实施例为一种用于聚合物纳米复合材料的循环拉伸混炼方法与设备。与实施例1不同之处在于，机筒21与转子4之间偏心距的大小，决定了拉伸力场的强度大小，机筒21与转子4之间偏心距的大小可以在熔融混炼之前调节，熔融混炼过程中无法调整；转子4的转速大小，决定了拉伸力场的频率高低，转子4的转速大小可以在混炼过程中调节；混炼时间的长短，决定了拉伸力场持续时间的长短，混炼时间的长短也可在混炼过程中调节；机筒21与转子4之间偏心距、转子4的转速、以及混炼时间三种拉伸力场特性之间不同的配合方式可以获取不同的粒子分散特性，并从中获取拉伸力场特性与混炼效果的关系。其工作原理与实施例1相同。

[0046] 如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的实施例描述，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求保护的范围所涵盖。

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