专利名称：热塑性聚合物喷绘法制备层状复合板材的方法及喷头装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热聚合物层状复合材料高精度制备的工艺方法，具体说是一种热塑性聚合物喷绘法制备层状复合板材的方法及喷头装置，它适用于在常压条件下工业化制备异形层状聚合物复合板材，并能够与数控技术良好结合，实现精密、特形材料的高效流水线加工。
二、技术背景在现有技术中，层状复合板材制备都采用单层预制，再多层粘合的方法。其单层预制工艺有注塑、压延、流延、拉伸、喷涂、浸涂等，其粘合的工艺有热压、冷压、喷涂、溶剂、粘合剂等。这些工业化工艺方法只适合于大面积板材加工，对具有异形几何形态的多层平板功能性复合材料所要求的精细加工，至今没有一种理想的、可工业化的方法。特别是缺少在低温和无压条件下多层复合材料的成型方法，以适应二次热成型加工要求，在后续加工中不会产生由于材料内应力作用导致的不规则变形，同时各层间粘合紧密；精细层状功能性复合材料加工要求无气泡和不含水气孔，这是常规大面积、大体积制备工业化加工方法的工艺难点。随着功能性复合材料的发展，需要有高定位精度、高制备精度、高一致性、可满足二次热成型的层状复合材料制备方法。
发明内容
为满足对具有异形几何形态的多层平板功能性复合材料所要求的精细加工，本发明的目的提供一种制备精度高、具有二次热成型特征的热塑性聚合物喷绘法制备层状复合板材的方法及喷头装置。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为热塑性聚合物喷绘法制备层状复合板材的方法，其制备层状复合板材的工艺方法的步骤如下经粉碎、搅拌的热塑性聚合物被加热温度至热熔温度以上进行熔化，其熔体在压力下进入喷头容腔，并导入喷孔，在组合电控石英晶体阀的加振作用下，使流经喷孔的连续溶体分割成微小珠粒，并同时赋予动压，驱使微珠喷出喷孔。喷出喷孔的物料微珠在负压系统作用下排除气体，在最佳粘合温度下附着在被物料面上，许多物料微珠堆积成层，形成具有特定几何形状、低内应力、均匀厚度的层面。
上述的最佳粘合温度为材料的结晶温度。
上述的热塑性聚合物被加热温度至热熔温度以上30-50℃进行熔化。
热塑性聚合物喷绘法制备层状复合板材的方法采用的喷头装置，其特殊之处在于所述的喷头装置11由多个喷孔1、喷腔2、压电晶体3，泄压阀4、正极引线5、负极引线6构成，所述的直喷喷头为带多个喷孔的喷腔体，喷腔体上设置泄压阀4；所述的压电晶体3设置在喷孔1的内壁，压电晶体3与正极引线5和负极引线6连接。
上述的喷头装置的喷孔1在喷孔面板8成菱形阵列排布。
上述的喷头装置的喷腔2内设置内加热板7。
本发明相对于现有技术，其优点如下1、本发明采用低压直喷工艺，不需要挤压成型模具和后期粘合，制备的材料内应力小而均匀、无气泡，可用于二次热成型，制备的层状复合板材可以是任意精确的几何形状，各分层的几何形状和物料可以不同。
2、本发明制备的复合材料的层面光滑、平整、均匀，在保证与下层良好附着的条件下又不会对下层造成喷射变形，该方法适应于加工有特殊平面几何形状，各涂层有不同几何形状和色彩变化的复合板材，有利于节约资源和实现个性化加工的现代工业化生产。
3、本发明的层状复合材料制备方法可适用于大面积、大体积制备复合材料，并具有定位精度高、制备精度高、材料一致性高和二次热成型的等特性。
四
图1为一个直喷喷头剖面结构示意图；图2为喷头装置的喷孔的布置示意图；图3为喷头装置和负压、恒温装置剖面结构示意图；
图4为喷头装置的组合工作流程示意图说明；图5本发明热塑性聚合物喷绘法制备层状复合板材的方法的流程图。
五具体实施例方式热塑性聚合物喷绘法制备层状复合板材，其主要在于采用压电微化直喷技术，结合高精度定位、温度、压力控制装置，实现在常压下高精度喷绘、一次性制备层状复合板材，满足无气泡、无水分、层间结合紧密、常压下内应力均匀的精细加工技术要求。其还能够与计算机控制结合，实现异形材料的工业化制备。
压电微化直喷技术是复合板材成形的关键技术，其工作流程主要有对原料混合、加热、加压挤出后，原料熔体进入喷头装置的保温、保压储料腔，并进入与储料腔连通的喷孔中。喷孔中的压电晶体组在电控下短促施压的作用下使熔体珠化并喷出喷孔。实现该工艺方法的喷头装置是由一个阵列电控喷孔构成，各喷孔成菱形排布，分别控制，以便实现程控喷绘。当需要停机、换料等作业时，通过喷头装置上的泄料阀和各喷孔将余料排除。
参见图1，图1为一个直喷喷头剖面结构示意图；其直喷喷头的内壁上设有压电晶体3，压电晶体3与正极引线5和负极引线6连接。当物料由喷腔2在压力作用进入喷孔1后，压电晶体3在电流作用下堵住喷孔1，阻塞物料流出。当要求物料喷出时，在正极引线5和负极引线6的连续正负脉冲作用于压电晶体3，使压电晶体完成一次往复冲击，从喷孔1压出微量物料，形成珠粒喷出。其横向冲击力应可以克服熔体的粘性力，并有足够的动能喷出。但其动能也不能对加热的喷面造成过量冲击，造成变形和穿层破坏。这也是限制喷嘴压力的指标之一。
参见图2，图2为喷头装置的喷孔的布置示意图；喷头装置的喷孔1成菱形阵列排布。喷孔1与喷头的横向和纵向行动方向成一定角度阵列排布，通过喷头相对托板的纵横运动，以实现对托板平面的完全覆盖，从而可以均匀喷绘。在纵向上，每一条直线上应该有相同的喷孔重复排列。图4中为2×8×28排列，纵向2次重复，7列、每列8个喷嘴，与纵向夹角45°。当然喷孔其重复次数和喷孔大小均可变化，可按使用要求另行设计。
参见图3、为喷头装置和负压、恒温装置剖面结构示意图；其喷绘部分由阵列喷头装置、负压恒温装置和托板组成。所述的喷头装置由多个喷孔1、喷腔2、压电晶体3，泄压阀4、正极引线5、负极引线6构成，所述的直喷喷头为带多个喷孔的喷腔体，喷腔体上设置泄压阀4；所述的压电晶体3设置在喷孔1的内壁，与正极引线5和负极引线6连接。
聚合物物料通过搅拌、加温、熔融、加压后变成熔体由入料口进入喷腔体，由内加热板7保持温度。进入喷孔的物料在压电晶体3的推动下变成微型珠粒喷出，附着到制备材料9的表面，在最佳粘合温度下与下层和本层材料良好粘合。其最佳粘合温度取两种材料的结晶温度较高的一个。许多珠粒堆积形成厚度，阵列喷孔工作形成横向层面，随着托板纵向连续运动形成纵向层面。通过对喷孔的分别控制，用物料精确绘出要求形状。由于熔体固有的粘度，在微珠化的同时消除了气泡。珠粒喷出的同时有动态负压系统排除湿气，以保证粘合力和材料面的温度均匀。恒温装置内由加热板、喷头面散热和排风系统联合控制喷头周边恒温在最佳粘和温度范围内。当加工完成，需要清理或更换物料时，通过喷孔1和泄料阀4排除余料。新料进入时，由泄料阀4和喷孔1排除空气，当喷腔体内的压力超限时，泄料阀4还可通过泄压起到保护作用。
参见图4、喷头的组合工作流程示意图说明喷绘制备时一般由多个喷头组合作业。各喷头依次加入的物料对应着多层复合板材由下向上的层序关系。在喷头中间按设计要求加入平面状增强材料材料，并通过粘结或热压接方式与托板上材料粘合，后续喷头再在其上喷覆聚合物材料。无论采用哪种粘结方法，其最佳粘合温度控制是关键。
在喷头组与传送托板外是恒温、恒压装置，它通过喷头和加热板放热，负压风散热，形成温度平衡系统10。由于喷头与被喷覆物料面距离很近，所以要注意喷头的总体结构有利于负压风的均匀排出和喷头面下的温度和压力均匀、稳定。不同物料的喷头面下的温度控制不同，其温度值应在该喷头喷覆材料与被喷覆面材料之间的最佳粘合强度要求的温度范围内。
托板的传动系统应保证托板运动稳定、连续，不得中间停止、变速或振动，造成喷头定位失准或物料与喷头粘结。托板的散热能力不能太强，应于加工物料的散热能力基本一致，如差异较大，可以采用温控托板，以保持一致的散热能力。该温度应低于结晶温度，其目的是要保证加工材料不会快速冷却，以及喷覆面设计粘合温度的稳定。托板表面应平整(可以允许制作喷沙、皱纹等效果)，且与第一层被喷材料可顺利分离。如采用不同的热缩系数材料或在喷绘高温、负压下不失效的脱模剂等。
参见图5、热塑性聚合物喷绘法制备层状复合板材的方法流程图；所述的制备层状复合板材的工艺方法的步骤如下经常规的粉碎和搅拌的热塑性聚合物被加热至热熔温度以上进行熔化，其熔体在压力下进入喷头容腔，并导入喷孔，在组合电控石英晶体阀的加振作用下，使流经喷孔的连续熔体分割成微小珠粒，并同时赋予动压，驱使微珠喷出喷孔。喷出喷孔的物料微珠在负压系统作用下排除气体，并附着在被物料面上，许多物料微珠堆积成层，形成具有特定几何形状、低内应力、均匀厚度的层面。
复合板材的每一个物理点可以由同一喷孔或不同喷孔喷出的许多珠粒融合堆积形成。一个层面可以由多个喷头喷出不同或相同材料形成。复合材料的不同材料的不同形状的层面由多组喷头一次流水加工、逐层覆合成型。
具有温度和压力控制的负压系统是为了保证材料达到无气泡、无水气孔、层间结合紧密、常压下内应力均匀的技术要求的配套装置。通过吸风在喷头面形成均匀的动态负压区，当微小的熔体珠粒喷出前，喷嘴以由定位系统准确定位，喷出后即自行解压，并消除了气泡，在负压和高温作用下排除珠粒上附着的水分蒸汽，随即落在制定位置。由于被喷表面保持在最佳粘合温度，落下的珠粒与面紧密耦合。其最佳粘合温度是在材料固化过程中，能够通过聚合物熔体粘性使被喷材料与喷面材料间良好粘合、不产生颗粒化和层化分离的温度范围。负压的风压应设定在不使珠粒飘飞超出允许范围为宜。
不同材料有不同的热熔温度，变形温度，维卡软化温度，如下1、ABS属于苯乙烯塑料类，其热熔温度为255-258℃，变形温度为90-115℃，维卡软化温度为90-120℃。
2、聚氯乙烯其热熔温度为170-185℃，变形温度为90-115℃，维卡软化温度为100-115℃。
3、聚丙烯属于聚烯烃塑料类，其热熔温度为158-168℃，变形温度为90-120℃，维卡软化温度为140-150℃。
变形温度、维卡软化温度影响材料的二次成型加工特性，保证变形均匀；热熔温度影响材料的层间附着和加工性能，保证加工时不会垂直传层，层间均匀隔离；使用温度范围内的线膨胀率影响材料使用中的结构和形态稳定，保证不发生内应力不均匀的变形。材料在一次成型加工和二次成型加工过程中都要考虑复合材料各层的导热率差异，均匀加热和冷却。对于透明材料，在二次成型中如果加工温度要大于玻璃化温度时，冷却要均匀，速度要适当。
材料在高于热熔温度30-50℃进行熔化，并使喷头温度稳定在一个高于热熔温度的温度点上，使得材料熔体有稳定的流动速度和粘度，在喷头压电晶体稳定冲击力作用下均匀地喷出。喷头腔体的内压应保证熔体压入喷嘴，能及时给各喷嘴供料。及要求喷头腔体压力值略小于喷嘴外空间的负压值，加上喷嘴道的阻力(与喷嘴道长度、直径和形态有关)，再加上在一定熔体流动速度下的喷嘴壁的附着力，在压电晶体不使压时不会从喷嘴中自动流出。压电晶体的力量应能够克服喷嘴孔径截面条件下熔体的粘度。喷出力要适当，不能使在加热状态的基料变形，避免破坏加工板材的层状结构，发生穿层现象。
一般聚合物塑料本身都是绝缘材料，可以直接用来作为绝缘的介电层使用。他们也都可以采用复合方式改性，制备成导电材料。及适量掺入碳粉、金属粉末等，使得材料的热学性质和力学性质变化不大，用来作正极和负极层，喷绘制作层状复合材料，由于其热熔温度、变形温度、维卡软化温度、使用温度范围内的线膨胀率等物理指标差异极小，是成本最低、技术难度最小的制备途径。另外如在聚乙炔中加入碘的结构方式改变电性，聚环氧乙烷与碱金属盐形成的电解质离子导电聚合物可以反复充电，虽然其成本较高，也是良好的制备方式。
在不同聚合物塑料交叉制备时，要求各材料的热熔温度、变形温度、维卡软化温度、使用温度范围内的线膨胀率等物理指标相近，这些可查材料手册得到。
权利要求
1.热塑性聚合物喷绘法制备层状复合板材的方法，其特征在于所述的制备层状复合板材的工艺方法的步骤如下经粉碎、搅拌的热塑性聚合物被加热温度至热熔温度以上进行熔化，其熔体在压力下进入喷头容腔，并导入喷孔，在组合电控石英晶体阀的加振作用下，使流经喷孔的连续溶体分割成微小珠粒，并同时赋予动压，驱使微珠喷出喷孔。喷出喷孔的物料微珠在负压系统作用下排除气体，在最佳粘合温度下附着在被物料面上，许多物料微珠堆积成层，形成具有特定几何形状、低内应力、均匀厚度的层面。
2.根据权利要求1所述的热塑性聚合物喷绘法制备层状复合板材的方法，其特征在于所述的热塑性聚合物被加热温度至热熔温度以上30-50℃进行熔化。
3.根据权利要求1或2所述的热塑性聚合物喷绘法制备层状复合板材的方法，其特征在于所述的最佳粘合温度为材料的结晶温度。
4.热塑性聚合物喷绘法制备层状复合板材的方法采用的喷头装置，其特征在于所述的喷头装置(11)由多个喷孔(1)、喷腔体(2)、压电晶体(3)，泄压阀(4)、正极引线(5)、负极引线(6)构成，所述的喷头装置为带多个喷孔的喷腔体，喷腔体(2)上设置泄压阀(4)；所述的压电晶体(3)设置在喷孔(1)的内壁，压电晶体(3)与正极引线(5)和负极引线(6)连接。
5.根据权利要求4中所述的热塑性聚合物喷绘法制备层状复合板材的方法采用的喷头装置，其特征在于所述的喷头装置的喷孔(1)在喷孔面板(8)成菱形阵列排布。
6.根据权利要求4或5中所述的热塑性聚合物喷绘法制备层状复合板材的方法采用的喷头装置，其特征在于所述的喷头装置的喷腔体(2)内设置内加热板(7)。
全文摘要
本发明涉及一种热塑性聚合物喷绘法制备层状复合板材的方法及喷头装置，在现有技术中，层状复合板材制备都采用单层预制，再多层粘合的方法。这些工艺方法对具有异形几何形态的多层平板功能性复合材料所要求的精细加工，没有一种可工业化的方法。本发明热塑性聚合物喷绘法制备层状复合板材的方法，采用低压直喷工艺，不需要挤压成型模具和后期粘合，制备的材料内应力小而均匀、无气泡，可用于二次热成型，而且制备层状复合板材可以是任意精确的几何形状，各分层的几何形状和物料可以不同。复合材料的层面光滑、平整、均匀，本发明有利于节约资源和实现个性化加工的现代工业化生产。
文档编号B05D1/02GK1513610SQ0214557
公开日2004年7月21日 申请日期2002年12月31日 优先权日2002年12月31日
发明者冯宏, 冯 宏 申请人:冯宏, 冯 宏