专利名称：物理发泡剂注入塑料挤出微通道成型装置及方法
技术领域：
本发明涉及采用塑料挤出成型加工技术，尤其涉及一种物理发泡剂注入塑料挤出 微通道成型装置及方法。
背景技术：
在现有技术中，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 内安装芯体，或者通过中空芯体向塑料挤出物内部通入压缩气体，并且对挤出物进一步拉 伸使得通道内径变小，最终成型小直径通道。如医用微管、中空纤维等中空塑料制品的加 工，这些塑料制品能达到的最小内径一般为几百微米。传统的方法难以将中空通道直径进 一步大幅度地减小。这是由于这类方法存在以下不足之处(1)中空通道内径首先由芯体 端部的外径决定，芯体端部一般由机械加工得到，外径通常最小为几百微米。这就限制了中 空通道塑料制品内径的缩小；(2)中空通道塑料制品挤出后主要采用拉伸手段，达到使其 内径进一步缩小的目的。这就受塑料熔体拉伸长度的限制，其作用十分有限；并且，对于非 轴对称的中空通道塑料而言，拉伸率过大，中空通道内径变得扁平，圆度下降明显。因此，传 统的加工工艺在保证中空通道圆度质量的前提下，难以实现中空通道内径缩小至微米甚至 纳米级。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种物理发泡剂注入塑料挤出微通道 成型装置及方法。本发明新颖、操作简单、产品质量高、易于维护。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的一种物理发泡剂注入塑料挤出微通道成型装置，它包括以下部件电机、挤出机、 齿轮泵、加热圈、机头及口模、加热器、压缩空气供应系统、冷却气体喷嘴、冷却辊、慢速降压 定型模、发泡剂供应系统、压力传感器Pl 4、温度传感器Tl 7、电动阀Ml 4。其中，电 机的转轴与挤出机内的螺杆通过联轴器联接；挤出机、齿轮泵、机头及口模和慢速降压定型 模依次通过法兰联接；两个冷却气体喷嘴上下布置在塑料挤出件与慢速降压定型模的连接 处，挤出件上下安装一对冷却辊，发泡剂供应系统通过管路与机头及口模相连。进一步地，所述机头及口模包括机头连接体、芯体、流道过渡体、口模、外模环； 其中，所述机头连接体和流道过渡体联接；口模安放入流道过渡体的开口内，通过开口内的 螺纹旋入外模环将口模固定，芯体在机头连接体上定位，芯体上的芯体针头与口模出口面 相平。进一步地，芯体与发泡剂供应系统通过管路相连，管路上有压力传感器Pl和电 动阀Ml ；慢速降压定型模内安装压力及温度传感器，通过气流接管与压缩空气供应管路连 接，供应管路上安装有加热器、温度传感器T5和T6、压力传感器P2、电动阀M2和M4 ；两个 冷却气体喷嘴与压缩空气供应系统通过管路连接，管路上有压力传感器P3和电动阀M3。进一步地，所述慢速降压定型模包括气流接管、压力及温度传感器、定型模体。其中，所述气流接管和压力及温度传感器布置在定型模体上。一种应用上述装置进行物理发泡剂注入塑料挤出微通道成型方法，包括以下步 骤(1)聚合物原料塑化和稳定挤出电机1驱动挤出机2内螺杆，原料在挤出机2内 融化形成塑料熔体27，再通过齿轮泵4输送到机头及口模6 ；(2)机头及口模6内熔体截面初步成型塑料熔体27进入机头的机头连接体18， 在芯体19处逐渐分流，在芯体19外壁、流道过渡体20和口模21构成的流道内逐渐初步成 型挤出制品横截面；(3)物理发泡剂注入挤出熔体，初步成型小通道塑料熔体27离开口模21后，进 入慢速降压定型模15，发泡剂29通过连接在芯体19上的针头注入中空通道，从而初步成型 小通道界面；(4)部分发泡剂溶解在塑料熔体内；(5)发泡剂发泡；(6)挤出件定型，成型微通道；(7)塑料挤出件的收卷或裁切。本发明的有益效果是1、本发明的物理发泡剂注入塑料挤出微通道成型装置能够挤出成型微米级 (0. 1-100 μ m)内通道的塑料制品，并且，由于发泡剂围绕通道中心轴均勻向塑料熔体扩散， 发泡区域均勻分布，最终成型的微通道圆度高；2、定型模能够方便调控物理发泡剂的部分溶解和发泡成型，从而控制所需要微通 道的直径大小；3、挤出压力控制系统、定型模温度场和压力场调控系统、发泡剂供应系统都通过 反馈控制其压力、流量和温度，稳定性高，易于操作，劳动强度小。
图1是物理发泡剂注入塑料挤出微通道成型系统总装配示意图；图2是物理发泡剂注入塑料挤出微通道成型机头结构示意图；图3是物理发泡剂注入塑料挤出微通道成型方法原理图；图4是挤出压力反馈控制环路结构框图。图中电机1、挤出机2、挤出压力反馈控制3、齿轮泵4、加热圈5、机头及口模6、定 型模温度反馈控制7、定型模压力反馈控制8、加热器9、压缩空气供应系统10、冷却气体压 力反馈控制11、冷却气体喷嘴12、挤出件13、冷却辊14、慢速降压定型模15、发泡剂压力反 馈控制16、发泡剂供应系统17、机头连接体18、芯体19、流道过渡体20、口模21、外模环22、 芯体针头23、气流接管24、压力及温度传感器25、定型模体26、塑料熔体27、发泡剂-塑料 熔体混合区域28、发泡剂29、发泡塑料区域30、压力传感器Pl 4、温度传感器Tl 7、电 动阀Ml 4。
具体实施例方式本发明的原理是首先利用所选塑料物理发泡剂(如氯氟烃类物理发泡剂、超临界CO2等)能够溶解于塑料熔体的特性，通道内部的物理发泡剂在成型模内压作用下快速 溶解，使得未完全成型的通道逐渐缩小；其次，利用溶解的物理发泡剂在压力、温度快速变 化时，成核析出微小泡孔，形成一定的膨胀，挤压中空通道进一步缩小，最终实现微通道的 成型。通过控制注入的物理发泡剂流量及压力、成型模内的压力场和温度场、定型模出口冷 却气流的流量，调节所需要的塑料内微通道的直径。本发明适用于生产内部需要微小圆形中空通道的塑料挤出制品，例如，中空纤维、 微型医用导管、多微通道异型材，实现中空通道微米级甚至纳米级。本发明提供的方法加工 得到的微通道塑料制品还能够应用于微型反应器、微型混合器、微型换热器等微型机械产 品中。微通道的成型原理是将微孔泡沫塑料成型方法与一般塑料挤出内通道成型方法 结合。具体过程是将塑料原料经螺杆塑化、均勻挤出后，发泡剂供应系统供应物理发泡剂通 过中空芯体上的针头注入塑料熔体，初步成型毫米级中空通道。在慢速降压定型模内物理 发泡剂逐渐溶解于塑料熔体，内径逐渐缩小；离开定型模时，在压力突降、外部低温压缩气 体的快速冷却作用下，已溶解的发泡剂迅速成核发泡，进一步挤压缩小通道壁面。在挤出的 过程中，同时受到牵引拉伸装置的拉伸作用。与现有的小通道成型方法不同的是(1)挤出 过程结合了微孔泡沫塑料发泡成型原理，它与一般芯体法挤出成型不同；(2)成型的通道 直径更小，可达微米级(0. 1-100 μ m)，并且微通道截面的圆度高；(3)采用特殊设计的定型 模，控制定型模内温度和压力场，调控发泡剂的溶解程度和发泡过程。本发明实现了挤出成 型微小、高圆度塑料通道的新方法，适用范围广，自动化程度高，操作简单，塑料微通道成型 质量闻。如图1所示，本发明物理发泡剂注入塑料挤出微通道成型装置包括以下部件电 机1、挤出机2、齿轮泵4、加热圈5、机头及口模6、加热器9、冷却气体喷嘴12、冷却辊14、慢 速降压定型模15、发泡剂供应系统17、压力传感器Pl 4、温度传感器Tl 7、电动阀Ml 4。物理发泡剂注入塑料挤出微通道成型装置各个部件的连接关系和位置关系如下 电机1的转轴与挤出机2内的螺杆通过联轴器联接；芯体19在机头连接体18上定位，芯 体19上的芯体针头23与口模21出口面相平，定位后再将流道过渡体20通过螺栓联接，口 模21放入流道过渡体20的开口内，旋入外模环22将口模21固定，完成机头及口模6的安 装；芯体19上有芯体针头23外径0. 4mm,内径0. 2mm，通过电火花加工的孔定位后，再通过 铜钎焊将针头与芯体主体连接，针头的端部与口模端部相平；挤出机2、齿轮泵4、机头及口 模6和慢速降压定型模15依次通过法兰联接；芯体19与外界供应发泡剂的管路相连，管路 上有压力传感器Pl和电动阀Ml ；慢速降压定型模15内安装压力及温度传感器25，通过气 流接管24与一定温度和压力的压缩空气供应管路连接，供应管路上安装有加热器9、温度 传感器T5和T6、压力传感器P2、电动阀M2和M4 ；两个冷却气体喷嘴12上下布置在塑料挤 出件13离开慢速降压定型模15的出口处，与压缩空气供应系统10通过管路连接，管路上 有压力传感器P3和电动阀M3 ；对应塑料挤出件13出口的一段距离的位置上，安装一对冷 却辊14 ；冷却辊14之后根据挤出件的特性，确定牵引装置，如对于薄膜挤出件，安装牵引机 卷取。挤出机2的机筒、齿轮泵4出口接管和口模21的外面包覆加热圈用于加热，同时加 热圈外安装温度传感器Tl 4。
如图2所示，机头及口模6包括部件机头连接体18、芯体19、流道过渡体20、口 模21、外模环22。各个部件的连接关系为机头连接体18和流道过渡体20通过法兰螺栓 联接、平垫密封；口模21安放入流道过渡体20的开口内，通过开口内的螺纹旋入外模环22 将口模21固定。如图2所示，慢速降压定型模15包括部件气流接管24、压力及温度传感器25、定 型模体26。各个部件的连接关系为定型模体26圆周等分开四个孔，孔加工内螺纹，气流 接管24通过螺纹联接将定型模体26内与压缩气体源相通，压力及温度传感器25在如图所 示的不同位置通过螺纹联接固定。如图1所示，物理发泡剂注入塑料挤出微通道成型装置的控制环路包括挤出压 力反馈控制3、定型模温度反馈控制7、定型模压力反馈控制8、冷却气体压力反馈控制11、 发泡剂压力反馈控制16。控制环路都通过反馈控制，控制原理相同，下文以挤出压力反馈控 制3为例说明控制环路组成部件和工作原理。如图4所示，挤出压力反馈控制3的组成包括控制器PLC、执行器电机1、被控对 象挤出聚合物熔体、压力传感器P4、测量和变送环节。各个部件按照如图4所示的结构顺序 连接线路，压力传感器P4位于齿轮泵4的入口位置，控制器PLC用于控制电机1。挤出压力 反馈控制3的控制原理为控制器PLC送出控制信号，控制电机1以一定转速转动，带动螺 杆旋转，源源不断的向前输送聚合物物料。熔融物料在挤出机出口聚集，压力传感器P4用 来测量该处的压力值大小，测量和变送环节进行信号的采集、放大滤波、A/D转换变后将信 号送入PLC，PLC对压力反馈值和设定值进行处理，从而得出新的控制信号，如此反复控制 熔体的挤出压力。同理，如图1所示定型模温度反馈控制7由温度传感器T7、测量和变送环节、控 制器PLC和电动阀M4依次连接组成，温度传感器T7位于慢速降压定型模15内，用于测量 模内温度，电动阀M4的安装位置如图1所示；定型模压力反馈控制8由压力传感器P2、测 量和变送环节、控制器PLC和电动阀M2依次连接组成，压力传感器P2和电动阀M2的安装 位置如图1所示；冷却气体压力反馈控制11由压力传感器P3、测量和变送环节、控制器PLC 和电动阀M3依次连接组成，压力传感器P3和电动阀M3的安装位置如图1所示；发泡剂压 力反馈控制16由压力传感器P1、测量和变送环节、控制器PLC和电动阀Ml依次连接组成， 压力传感器Pl和电动阀Ml的安装位置如图1所示。物理发泡剂注入塑料挤出微通道成型装置工作过程为(以线型低密度聚乙烯 (LLDPE)作为聚合物原料挤出成型为例):1.开启所有加热圈和齿轮泵外的油浴器，设定加热温度为180°C ；2.打开压缩空气供应系统10，压缩气体开始通入慢速降压定型模15，开启加热器 9，温度设定为20(TC，定型模温度反馈控制7的温度设定为160°C、定型模压力反馈控制8 的压力设定为1. 6MPa。①.慢速降压定型模15原理。慢速降压定型模15用于保证物理发泡剂注入塑料 挤出微通道成型方法中发泡剂的部分溶解。该装置慢速降压原理是由于定型模通道横截 面逐渐缩小，空气流速增大，根据伯努利方程，压力逐渐减小。温度和压力传感器25用于监 测定型模内的温度和压力分布。该定型模避免了塑料熔体离开口模时外界压力和温度的骤 降，维持了塑料熔体27挤出后内外一定程度的压力平衡。同时，维持压力和温度保证发泡剂29在塑料熔体27内的溶解；②.温度场和压力场调控系统如图1所示，由定型模温度反馈控制7、定型模压力 反馈控制8、加热器9、压缩空气供应系统10、温度传感器T6、T7和T8、压力传感器P2、电 动阀门M2和M4、相应的管路组成。该调控系统控制慢速降压定型模内的温度场和压力场， 通过定型模的气流接管24 (图中只标出了一个，实际环绕定型模均勻分布4个)将一定温 度和压力的压缩气体通入定型模内腔。典型实例中该系统设定温度、压力分别是160°C和 1. 6MPa的压缩气体通过气流接管24通入定型模15内。由压缩空气供应系统10供应的压 缩气体一部分经过加热器加热到200°C，通过电动阀M4调节流量与另一股常温压缩空气混 合；压力传感器P2反馈控制电动阀M2调节混合气体的流量；温度传感器T8反馈控制电动 阀M4调节热气流流量，从而控制定型模内的气体温度。通过冷热气流混合调节温度的方法 能够实现对温度的快速调节。这两个反馈控制循环实现压缩气体压力、流量和温度的快速 调控。3.待加热圈和齿轮泵外的油浴器加热至180°C维持稳定，并且，慢速降压定型模 15内温度和压力基本维持在160°C和1. 6MPa。启动电机1，挤出压力反馈控制3的挤出压 力值设为2MPa ；4.启动齿轮泵，用于提高塑料熔体的均勻挤出和压力稳定；5.打开电动阀M3，冷却气体压力反馈控制11设定压力为0. 4MPa。塑料挤出件离 开定型模后，为实现对挤出件的快速冷却定型，如图1所示，利用压缩空气对出口处冷却， 气流压力和流量通过冷却气体压力反馈控制11调控；6.将LLDPE原料倒入挤出机2的料筒中；7.待塑料挤出件稳定挤出后，打开电动阀M1，通入发泡剂供应系统17供应的发泡 剂29，发泡剂压力反馈控制16设定压力为1. 6MPa。管路上发泡剂压力反馈控制16根据压 力传感器Pl调节电动阀Ml调节发泡剂压力和流量；8.待塑料挤出稳定后，收卷或裁切得到最终挤出产品。本发明物理发泡剂注入塑料挤出微通道成型方法包括以下步骤(1)聚合物原料塑化和稳定挤出电机1驱动挤出机2内螺杆，由料斗加入的 LLDPE原料在螺杆旋转和电加热作用下，融化形成熔体。带式加热圈安装在挤出机1各区 段、齿轮泵4出口管路外壁上，用于控制各个部位的温度，并通过油浴加热齿轮泵至180°C。 再通过齿轮泵4稳定输送到机头及口模6，由挤出机2出口的压力传感器P4反馈控制电机 转速维持挤出压力的稳定，挤出压力值设为2MPa ；(2)机头及口模6内熔体截面初步成型塑料熔体首先进入图2所示机头的机头 连接体18，在芯体19处逐渐分流，在芯体19外壁、流道过渡体20和口模21构成的流道内 逐渐初步成型挤出制品横截面；(3)物理发泡剂注入挤出熔体，初步成型小通道图3是物理发泡剂注入塑料挤出 微通道成型方法原理图。适用的发泡剂包括惰性气体发泡剂、氯氟烃类发泡剂、氢氟烃类发 泡剂、烷烃类发泡剂、超临界CO2、水等流体状态的物理发泡剂。本实例选用于聚乙烯发泡的 氯氟烃类物理发泡剂二氯四氟乙烷。发泡剂供应系统17提供微通道导入所需的发泡剂29 的供应，压力设定为1.6MPa。塑料熔体27离开口模21后，进入慢速降压定型模15。芯体 19内部中空，通过接管与外界发泡剂供应系统17相连，发泡剂29通过连接在芯体19上的针头注入中空通道，从而初步成型小通道界面；(4)部分发泡剂溶解在塑料熔体内慢速降压定型模15在温度场和压力场调控系 统的调控下，维持了定型模内一定的压力和温度。一定的温度保证了挤出塑料的缓慢固化 和发泡剂29逐渐溶于塑料熔体27形成发泡剂-塑料熔体混合区域28。同时由于发泡剂 29的逐渐溶解，通道内径减少。定型模内一定的压力维持了微通道内和挤出件13外表面的 压力平衡；(5)发泡剂发泡发泡剂29部分溶解，中空通道逐渐缩小，同时，塑料挤出件在后 续的拉伸装置拉伸作用下，内径和外部尺寸也不断缩小。当到达所需要的内径时，塑料挤出 件在拉伸装置拉伸作用下离开慢速降压定型模15，压力迅速下降。同时，定型模出口有如 图4所示的低温压缩气体的冷却，温度也快速下降，已溶于塑料熔体的发泡剂所形成的发 泡剂_塑料熔体混合区域28发泡生成微孔，形成发泡塑料区域30，进一步挤压中空通道壁 面而缩小；(6)挤出件定型，成型微通道慢速降压定型模15出口处冷却气体喷嘴12对挤出 件13的冷却作用下，挤出件13的温度快速下降，塑料熔体快速固化，能够承受内部压力。接 着，冷却辊14对挤出件13进一步地冷却定型，最终塑料挤出件13成型；(7)塑料挤出件的收卷或裁切对于不同的挤出件13的结构特性，确定牵引装置， 如对于薄膜挤出件，安装牵引机卷取；而对于一般的异型材，安装裁切装置对挤出件13按 照产品要求裁切。本发明物理发泡剂注入塑料挤出微通道成型装置及方法适用于生产塑料微管、中 空纤维、微型机械塑料制品等所有需要微米级内径通道，以及对通道截面圆度要求较高的 的中空塑料挤出制品。适用的原料包括聚乙烯(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管材、异型材等挤出制品 的热塑性聚合物。这些热塑性聚合物同时要求能够溶解一种或某几种流体态的物理发泡 剂，并且有一定范围内的溶解速率和溶解度。适用的发泡剂包括惰性气体发泡剂、氯氟烃类 发泡剂、氢氟烃类发泡剂、烷烃类发泡剂、超临界CO2、水等流体状态的物理发泡剂。
权利要求
一种物理发泡剂注入塑料挤出微通道成型装置，其特征在于，它包括以下部件电机(1)、挤出机(2)、齿轮泵(4)、加热圈(5)、机头及口模(6)、加热器(9)、压缩空气供应系统(10)、冷却气体喷嘴(12)、冷却辊(14)、慢速降压定型模(15)、发泡剂供应系统(17)、压力传感器P1～4、温度传感器T1～7、电动阀M1～4。其中，所述电机(1)的转轴与挤出机(2)内的螺杆通过联轴器联接；挤出机(2)、齿轮泵(4)、机头及口模(6)和慢速降压定型模(15)依次通过法兰联接；两个冷却气体喷嘴(12)上下布置在塑料挤出件(13)与慢速降压定型模(15)的连接处，挤出件(13)上下安装一对冷却辊(14)，发泡剂供应系统(17)通过管路与机头及口模(6)相连。
2.根据权利要求1所述物理发泡剂注入塑料挤出微通道成型装置，其特征在于，所述 机头及口模(6)包括机头连接体(18)、芯体(19)、流道过渡体(20)、口模(21)、外模环 (22)；其中，所述机头连接体(18)和流道过渡体(20)联接；口模(21)安放入流道过渡体 (20)的开口内，通过开口内的螺纹旋入外模环(22)将口模(21)固定，芯体(19)在机头连 接体(18)上定位，芯体(19)上的芯体针头(23)与口模(21)出口面相平。
3.根据权利要求2所述物理发泡剂注入塑料挤出微通道成型装置，其特征在于，芯体 (19)与发泡剂供应系统(17)通过管路相连，管路上有压力传感器Pl和电动阀Ml ；慢速降 压定型模(15)内安装压力及温度传感器(25)，通过气流接管(24)与压缩空气供应管路连 接，供应管路上安装有加热器(9)、温度传感器T5和T6、压力传感器P2、电动阀M2和M4 ；两 个冷却气体喷嘴(12)与压缩空气供应系统(10)通过管路连接，管路上有压力传感器P3和 电动阀M3。
4.根据权利要求2所述物理发泡剂注入塑料挤出微通道成型装置，其特征在于，所述 慢速降压定型模(15)包括气流接管(24)、压力及温度传感器(25)、定型模体(26)。其中， 所述气流接管(24)和压力及温度传感器(25)布置在定型模体(26)上。
5. 一种应用权利要求1所述装置进行物理发泡剂注入塑料挤出微通道成型方法，其特 征在于，包括以下步骤(1)聚合物原料塑化和稳定挤出电机1驱动挤出机2内螺杆，原料在挤出机2内融化 形成塑料熔体27，再通过齿轮泵4输送到机头及口模6。(2)机头及口模6内熔体截面初步成型塑料熔体27进入机头的机头连接体18，在芯 体19处逐渐分流，在芯体19外壁、流道过渡体20和口模21构成的流道内逐渐初步成型挤 出制品横截面。(3)物理发泡剂注入挤出熔体，初步成型小通道塑料熔体27离开口模21后，进入慢 速降压定型模15，发泡剂29通过连接在芯体19上的针头注入中空通道，从而初步成型小通道界面。(4)部分发泡剂溶解在塑料熔体内。(5)发泡剂发泡。(6)挤出件定型，成型微通道。(7)塑料挤出件的收卷或裁切。
全文摘要
本发明公开了一种物理发泡剂注入塑料挤出微通道成型装置及方法，装置包括电机、挤出机、齿轮泵、加热圈、机头及口模、加热器、压缩空气供应系统、冷却气体喷嘴、冷却辊、慢速降压定型模、发泡剂供应系统、压力传感器、温度传感器、电动阀。本发明实现了挤出成型微小、高圆度塑料通道的新方法，适用范围广，自动化程度高，操作简单，塑料微通道成型质量高。
文档编号B29C44/36GK101905535SQ20101023171
公开日2010年12月8日 申请日期2010年7月20日 优先权日2010年7月20日
发明者彭懋, 曹佳培, 蔡娥, 许忠斌, 贺世正 申请人:浙江大学;浙江华泰塑胶股份有限公司