在聚合物表面包覆纳米碳黑层的设备及其使用方法与流程

1.本发明属于增材制造聚合物材料技术领域，尤其涉及在聚合物表面包覆纳米碳黑层的设备及其使用方法。


背景技术：

2.增材制造(additive manufacturing)是一门先进的制造工艺，不需要昂贵的模具并且免去模具制造过程的时间耗费，能够实现数字化制造的优点，非常具有前瞻性。其中，以聚合物粉末作为粉床法增材制造的方式已经成为许多设备制造商的主要商业运营模式。然而大部分的聚合物粉末是透明或是浅色系，因此众多聚合物粉末聚集成堆大多呈现白色，从而容易反射来自增材制造设备的加热源，尤其是非接触的热幅射加热源，进而导致在聚合物粉末的表面必须设法加入易吸收热辐射的碳黑粉末，以解决聚合物粉末吸热效率低的问题。
3.在现有技术中，聚合物粉末和碳黑粉末通过搅拌桶搅拌混合，从而使碳黑颗粒附着在聚合物颗粒的表面。但上述方法的碳黑颗粒的附着率低，且无法保证碳黑颗粒均匀地附着在聚合物颗粒的表面。
4.因此，亟需一种碳黑颗粒在聚合物颗粒表面附着率高以及附着均匀的技术方案。


技术实现要素：

5.本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，本发明提供一种在聚合物表面包覆纳米碳黑层的设备，以解决现有技术中碳黑颗粒在聚合物颗粒表面的附着率低以及无法保证碳黑颗粒均匀地附着在聚合物颗粒的表面的问题。
6.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.在聚合物表面包覆纳米碳黑层的设备，包括混炼腔体和加压机构，所述混炼腔体内部设置有用于搅拌的螺旋搅拌机构，所述混炼腔体内部设置有加热装置，所述混炼腔体在上面设置有混炼腔口，所述加压机构包括加压块和加压驱动装置，所述加压块设置在所述混炼腔口上方且与所述混炼腔口对应设置，所述加压驱动装置与所述加压块驱动连接，所述加压驱动装置能够带动所述加压块在所述混炼腔口处做上下往复运动。
8.作为本发明所述的在聚合物表面包覆纳米碳黑层的设备的优选方案，所述螺旋搅拌机构包括两个主螺旋转子和一个副螺旋转子，所述主螺旋转子的直径大于所述副螺旋转子的直径，两个所述主螺旋转子并排设置，两个所述主螺旋转子的转动方向相反，所述副螺旋转子设置在两个所述主螺旋转子之间的下方。
9.作为本发明所述的在聚合物表面包覆纳米碳黑层的设备的优选方案，所述加热装置为加热管，所述混炼腔体的腔壁内部设置有所述加热管。
10.作为本发明所述的在聚合物表面包覆纳米碳黑层的设备的优选方案，所述加压块的底面具有向内呈弧度凹陷的内凹部。
11.作为本发明所述的在聚合物表面包覆纳米碳黑层的设备的优选方案，所述加压块
的外侧周面与所述混炼腔口的内侧周面之间具有排气间隙。
12.作为本发明所述的在聚合物表面包覆纳米碳黑层的设备的优选方案，所述混炼腔体在上下方向的截面形状为开口朝上且底部下凹的u形。
13.本发明目的之一具有的有益效果为：本发明通过在混炼腔体内部设置螺旋搅拌机构，使聚合物粉末、表面活性剂和纳米碳黑粉末能在混炼腔体内充分搅拌；同时，本发明还设置了加压机构，加压块在加压驱动装置的带动下，聚合物粉末、表面活性剂和纳米碳黑粉末能在混炼腔体内被加压块揉捏挤压；再者，本发明在混炼腔体内部还设置有加热装置，使混炼腔体的内部温度能够得到提高；最终，本发明在螺旋搅拌机构、加压驱动装置和加热装置的共同作用下，使纳米碳黑粉末颗粒有效且均匀地附着包裹在聚合物粉末颗粒上形成纳米碳黑层，提高了纳米碳黑粉末颗粒在聚合物粉末颗粒表面的附着率。
14.本发明的目的之二在于：针对现有技术的不足，本发明提供一种在聚合物表面包覆纳米碳黑层的设备的使用方法。
15.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
16.在聚合物表面包覆纳米碳黑层的设备的使用方法，使用上述本发明目的之一中任一项所述的在聚合物表面包覆纳米碳黑层的设备，包括：
17.s100，将聚合物粉末加入混炼腔体内部，启动螺旋搅拌机构，对所述聚合物粉末进行搅拌；同时，启动加热装置，将所述混炼腔体内部的温度加热保持至100～105℃；其中，时间为10～20分钟，所述螺旋搅拌机构的搅拌速率为5～8rpm；
18.s200，所述螺旋搅拌机构搅拌所述聚合物粉末；同时，所述加热装置将所述混炼腔体内部的温度加热至所述聚合物粉末的85～95％玻璃转化温度；其中，所述螺旋搅拌机构的搅拌速率为5～8rpm；
19.s300，将表面活化剂和纳米碳黑粉末加入所述混炼腔体内部并通过所述螺旋搅拌机构与所述聚合物粉末一起搅拌形成混合粉末；同时，保持所述混炼腔体内部的温度为所述聚合物粉末的85～95％玻璃转化温度；其中，时间为10～20分钟，所述螺旋搅拌机构的搅拌速率为5～8rpm；
20.s400，启动加压驱动装置，加压块在所述混炼腔口处做上下往复运动以使所述加压块挤压所述混合粉末；同时，所述螺旋搅拌机构搅拌所述混合粉末；并且，保持所述混炼腔体内部的温度为所述聚合物粉末的85～95％玻璃转化温度；其中，时间为40～60分钟，所述螺旋搅拌机构的搅拌速率为10～15rpm，所述加压块的加压压力为1.5～2mpa，所述加压块的往复频率为1～3spm；
21.s500，关闭所述加热装置和所述加压驱动装置；同时，所述螺旋搅拌机构搅拌所述混合粉末，直至所述混炼腔体内部的温度冷却至60℃或60℃以下后，关闭所述螺旋搅拌机构停止搅拌；其中，所述螺旋搅拌机构的搅拌速率为8～12rpm；
22.s600，将所述混合粉末从所述混炼腔体内部取出，得到表面包覆有纳米碳黑层的聚合物粉末。
23.作为本发明所述的在聚合物表面包覆纳米碳黑层的设备的使用方法的优选方案，s400，启动加压驱动装置，加压块在所述混炼腔口处做上下往复运动以使所述加压块挤压所述混合粉末；同时，所述螺旋搅拌机构搅拌所述混合粉末；并且，保持所述混炼腔体内部的温度为所述聚合物粉末的85～95％玻璃转化温度；其中，时间为40～60分钟，所述螺旋搅
拌机构的搅拌速率为10～15rpm，所述加压块的加压压力为1.5～2mpa，所述加压块的往复频率为1～3spm，包括：
24.s410，启动加压驱动装置，加压块在所述混炼腔口处做上下往复运动以使所述加压块挤压所述混合粉末；同时，所述螺旋搅拌机构搅拌所述混合粉末；并且，保持所述混炼腔体内部的温度为所述聚合物粉末的85～95％玻璃转化温度；其中，时间为15～25分钟，所述螺旋搅拌机构的搅拌速率为10～15rpm，所述加压块的加压压力为1.5～2mpa，所述加压块的往复频率为1spm；
25.s420，所述加压块在所述混炼腔口处做上下往复运动以使所述加压块挤压所述混合粉末；同时，所述螺旋搅拌机构搅拌所述混合粉末；并且，保持所述混炼腔体内部的温度为所述聚合物粉末的85～95％玻璃转化温度；其中，时间为25～35分钟，所述螺旋搅拌机构的搅拌速率为10～15rpm，所述加压块的加压压力为1.5～2mpa，所述加压块的往复频率为2～3spm。
26.作为本发明所述的在聚合物表面包覆纳米碳黑层的设备的使用方法的优选方案，所述聚合物粉末为tpu粉末、tpr粉末、abs粉末、pom粉末、pa11粉末和/或pa12粉末。
27.作为本发明所述的在聚合物表面包覆纳米碳黑层的设备的使用方法的优选方案，所述表面活化剂为硬脂酸和/或乙二醇。
28.本发明目的之二具有的有益效果为：本发明通过在混炼腔体内部设置螺旋搅拌机构，使聚合物粉末、表面活性剂和纳米碳黑粉末能在混炼腔体内充分搅拌；同时，本发明还设置了加压机构，加压块在加压驱动装置的带动下，聚合物粉末、表面活性剂和纳米碳黑粉末能在混炼腔体内被加压块揉捏挤压；再者，本发明在混炼腔体内部还设置有加热装置，使混炼腔体的内部温度能够得到提高；最终，本发明在螺旋搅拌机构、加压驱动装置和加热装置的共同作用下，使纳米碳黑粉末颗粒有效且均匀地附着包裹在聚合物粉末颗粒上形成纳米碳黑层，提高了纳米碳黑粉末颗粒在聚合物粉末颗粒表面的附着率。
附图说明
29.图1为本发明中的设备结构示意图。
30.图2为聚合物粉末颗粒状态结构图。
31.图3为扫描电镜(sem)下显示的包裹有纳米碳黑层的聚合物(pa12)粉末颗粒的图像。
32.图中：1-混炼腔体；11-螺旋搅拌机构；111-主螺旋转子；112-副螺旋转子；12-加热装置；2-加压机构；21-加压块；211-内凹部；22-加压驱动装置；3-排气间隙。
具体实施方式
33.为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施方式和说明书附图，对本发明及其有益效果作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
34.实施例1
35.如图1至图3所示，在聚合物表面包覆纳米碳黑层的设备，包括混炼腔体1和加压机构2，混炼腔体1内部设置有用于搅拌的螺旋搅拌机构11，混炼腔体1内部设置有加热装置12，混炼腔体1在上面设置有混炼腔口，加压机构2包括加压块21和加压驱动装置22，加压块
21设置在混炼腔口上方且与混炼腔口对应设置，加压驱动装置22与加压块21驱动连接，加压驱动装置22能够带动加压块21在混炼腔口处做上下往复运动，加压驱动装置22为伺服气缸。
36.本实施例具有的有益效果为：本实施例通过在混炼腔体1内部设置螺旋搅拌机构11，使聚合物粉末、表面活性剂和纳米碳黑粉末能在混炼腔体1内充分搅拌；同时，本实施例还设置了加压机构2，加压块21在加压驱动装置22的带动下，聚合物粉末、表面活性剂和纳米碳黑粉末能在混炼腔体1内被加压块21揉捏挤压；再者，本实施例在混炼腔体1内部还设置有加热装置12，使混炼腔体1的内部温度能够得到提高；最终，本实施例在螺旋搅拌机构11、加压驱动装置22和加热装置12的共同作用下，使纳米碳黑粉末颗粒有效且均匀地附着包裹在聚合物粉末颗粒上形成纳米碳黑层，提高了纳米碳黑粉末颗粒在聚合物粉末颗粒表面的附着率。
37.优选地，螺旋搅拌机构11包括两个主螺旋转子111和一个副螺旋转子112，主螺旋转子111的直径大于副螺旋转子112的直径，两个主螺旋转子111并排设置，两个主螺旋转子111的转动方向相反，两个主螺旋转子111均具有搅拌叶片且两者的搅拌叶片具有相位差，两个主螺旋转子111在同时转动时不会互相干涉与撞击，副螺旋转子112设置在两个主螺旋转子111之间的下方。通过上述设置，两个主螺旋转子111用于搅拌混炼腔体1内部的大部分物料粉末(聚合物粉末、表面活性剂和/或纳米碳黑粉末)；副螺旋转子112实际位于两个主螺旋转子111的死点位置处，副螺旋转子112的转动能防止部分物料粉末堆积在两个主螺旋转子111的死点位置，提高了物料粉末在混炼腔体1内部的搅拌效率，有利于提高纳米碳黑粉末颗粒在聚合物粉末颗粒表面的附着率。
38.优选地，加热装置12为加热管，混炼腔体1的腔壁内部设置有加热管。根据实际情况，选择合适的设置形式。
39.优选地，加压块21的底面具有向内呈弧度凹陷的内凹部211。通过上述设置，加压块21在下降至混炼腔口出挤压时，混炼腔体1内部的物料粉末能够流畅通过内凹部211，进而避免加压块21堵塞阻碍物料粉末在混炼腔体1内部搅拌，提高了物料粉末在混炼腔体1内部的搅拌效率，有利于提高纳米碳黑粉末颗粒在聚合物粉末颗粒表面的附着率。
40.优选地，加压块21的外侧周面与混炼腔口的内侧周面之间具有排气间隙3。通过上述设置，使混炼腔体1内部的气体能够通过排气间隙3排出，避免混炼腔体1内部的聚合物粉末突然气化导致扬尘。
41.优选地，混炼腔体1在上下方向的截面形状为开口朝上且底部下凹的u形。根据实际情况，选择合适的混炼腔体1。
42.实施例2
43.如图1至图3所示，在聚合物表面包覆纳米碳黑层的设备的使用方法，使用上述实施例1中任一项的在聚合物表面包覆纳米碳黑层的设备，包括：
44.s100，将聚合物粉末加入混炼腔体1内部，启动螺旋搅拌机构11，对聚合物粉末进行搅拌；同时，启动加热装置12，将混炼腔体1内部的温度加热保持至100～105℃，更优选为105℃；其中，时间为10～20分钟，更优选为15分钟，螺旋搅拌机构11的搅拌速率为5～8rpm。通过上述设置，聚合物粉末通过预加热除去聚合物粉末中的水分。
45.s200，螺旋搅拌机构11搅拌聚合物粉末；同时，加热装置12将混炼腔体1内部的温
度加热至聚合物粉末的85～95％玻璃转化温度，更优选为90％玻璃转化温度；其中，螺旋搅拌机构11的搅拌速率为5～8rpm。当聚合物在玻璃转化温度点以下的温度时，聚合物粉末会保持粉末状态。
46.s300，将表面活化剂和纳米碳黑粉末加入混炼腔体1内部并通过螺旋搅拌机构11与聚合物粉末一起搅拌形成混合粉末；同时，保持混炼腔体1内部的温度为聚合物粉末的85～95％玻璃转化温度，更优选为90％玻璃转化温度；其中，时间为10～20分钟，更优选为10分钟，螺旋搅拌机构11的搅拌速率为5～8rpm。当表面活化剂在85～95％玻璃转化温度时，融化点低于聚合物的表面活化剂会均匀地散布在聚合物粉末颗粒的表面，表面活化剂会以非常薄的厚度填补聚合物表面不平整的凹陷处，并形成连续的薄膜状物质，从而在后续加压与搅拌中，纳米碳黑粉末颗粒便能附着包裹在聚合物粉末颗粒的表面。
47.s400，启动加压驱动装置22，加压块21在混炼腔口处做上下往复运动以使加压块21挤压混合粉末；同时，螺旋搅拌机构11搅拌混合粉末；并且，保持混炼腔体1内部的温度为聚合物粉末的85～95％玻璃转化温度，更优选为90％玻璃转化温度；其中，时间为40～60分钟，螺旋搅拌机构11的搅拌速率为10～15rpm，加压块21的加压压力为1.5～2mpa，加压块21的往复频率为1～3spm。随着加压与搅拌，聚合物粉末颗粒之间会持续滚动与摩擦，从而使纳米碳黑粉末颗粒仅以一层的形式附着包裹在聚合物粉末颗粒的表面。
48.s500，关闭加热装置12和加压驱动装置22；同时，螺旋搅拌机构11搅拌混合粉末，直至混炼腔体1内部的温度冷却至60℃或60℃以下后，关闭螺旋搅拌机构11停止搅拌；其中，螺旋搅拌机构11的搅拌速率为8～12rpm。
49.s600，将混合粉末从混炼腔体1内部取出，得到表面包覆有纳米碳黑层的聚合物粉末。
50.本实施例具有的有益效果为：本实施例通过在混炼腔体1内部设置螺旋搅拌机构11，使聚合物粉末、表面活性剂和纳米碳黑粉末能在混炼腔体1内充分搅拌；同时，本实施例还设置了加压机构2，加压块21在加压驱动装置22的带动下，聚合物粉末、表面活性剂和纳米碳黑粉末能在混炼腔体1内被加压块21揉捏挤压；再者，本实施例在混炼腔体1内部还设置有加热装置12，使混炼腔体1的内部温度能够得到提高；最终，本实施例在螺旋搅拌机构11、加压驱动装置22和加热装置12的共同作用下，使纳米碳黑粉末颗粒有效且均匀地附着包裹在聚合物粉末颗粒上形成纳米碳黑层，提高了纳米碳黑粉末颗粒在聚合物粉末颗粒表面的附着率。
51.优选地，s400，启动加压驱动装置22，加压块21在混炼腔口处做上下往复运动以使加压块21挤压混合粉末；同时，螺旋搅拌机构11搅拌混合粉末；并且，保持混炼腔体1内部的温度为聚合物粉末的85～95％玻璃转化温度，更优选为90％玻璃转化温度；其中，时间为40～60分钟，螺旋搅拌机构11的搅拌速率为10～15rpm，加压块21的加压压力为1.5～2mpa，加压块21的往复频率为1～3spm，包括：
52.s410，启动加压驱动装置22，加压块21在混炼腔口处做上下往复运动以使加压块21挤压混合粉末；同时，螺旋搅拌机构11搅拌混合粉末；并且，保持混炼腔体1内部的温度为聚合物粉末的85～95％玻璃转化温度，更优选为90％玻璃转化温度；其中，时间为15～25分钟，更优选为20分钟，螺旋搅拌机构11的搅拌速率为10～15rpm，加压块21的加压压力为1.5～2mpa，加压块21的往复频率为1spm。
53.s420，加压块21在混炼腔口处做上下往复运动以使加压块21挤压混合粉末；同时，螺旋搅拌机构11搅拌混合粉末；并且，保持混炼腔体1内部的温度为聚合物粉末的85～95％玻璃转化温度，更优选为90％玻璃转化温度；其中，时间为25～35分钟，更优选为30分钟，螺旋搅拌机构11的搅拌速率为10～15rpm，加压块21的加压压力为1.5～2mpa，加压块21的往复频率为2～3spm，更优选为3spm。
54.优选地，聚合物粉末为tpu粉末、tpr粉末、abs粉末、pom粉末、pa11粉末和/或pa12粉末，聚合物粉末的尺寸为13～55μm。根据实际情况，选择合适的聚合物粉末。
55.优选地，表面活化剂为硬脂酸和/或乙二醇。根据实际情况，选择合适的表面活化剂。
56.根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。