一种可用于原位成型的微量聚合物复合材料循环混炼装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种可用于原位成型的微量聚合物复合材料循环混炼装置，由循环混炼模块和原位成型模块组成；所述循环混炼模块包括料筒、转子、滑片、弹簧、隔板底板、端盖、轴和活塞板，构成两组位于两层且连通的密闭混炼腔，通过转子转动改变各混炼腔的容积来达到循环混炼目的；所述原位成型模块包含储料腔盖板、活塞板、活塞底板和轴，调整轴的移动速度可实现原位注塑、挤出效果。本发明的特点是结构上实现了聚合物复合材料不限次数循环混炼过程和原位成型过程。本发明还具备以下优势：1)装置尺寸小，适用于微量聚合物复合材料的混炼及原位成型过程；2)循环混炼过程主要基于正压力作用的拉伸流场，更有利于保留聚合物复合材料中填料的形态。
【专利说明】一种可用于原位成型的微量聚合物复合材料循环混炼装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种聚合物复合材料混炼装置，具体涉及一种可用于原位成型的微量聚合物复合材料循环混炼装置。
【背景技术】
[0002]随着微机电系统(MEMS)的迅速发展，作为微纳制造领域重要组成部分的聚合物微纳成型技术的作用变得日益重要。凭借成本低、生产率高以及生物兼容性好等诸多优势，近年来聚合物微纳成型技术已被广泛用于生产制造众多种类的聚合物微纳器件。产品微型化趋势的日益增强，不仅对聚合物微纳制品的尺寸精度提出了更为严格的要求，而且对其各项性能指标也提出了更高的要求。因此，微尺度下如何从材料复合的角度进行深入研究是个值得探讨的新课题。通过材料复合，可借鉴纳米复合材料发展中积累的相关经验，实现多种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使聚合物复合材料微制品产生优良且可调控的综合性能，以满足国内外市场对高性能聚合物微纳制品的巨大需求。
[0003]然而，聚合物复合材料微纳成型过程存在诸多不同于传统聚合物成型过程中的新问题。譬如，随着尺寸的不断减小，微尺度效应越来越明显，其中一个重要表现是微纳米填料的比表面积显著增大，致使其表面吸附力明显增强，最后导致颗粒间严重的团聚现象。如果不能解决微纳米填料颗粒的在聚合物基体中的团聚问题，就不能形成填料分散均匀的聚合物复合材料，也就不能很好地发挥微纳米填料的增强增韧效果，从而影响加工过程及微纳产品的使用性能。目前，用于聚合物复合材料混炼的传统设备有密炼机、双螺杆挤出机以及双转子连续混炼机等。上述传统设备用于聚合物微纳成型领域具有如下明显缺陷:(I)这些设备的工作特点是利用其产生的高剪切效应来实现微纳米填料的分散，如果剪切力不足则无法使团聚的微纳米填料均匀分散，而剪切力过大则会破环微纳米填料形态，尤其是具有大长径比的纤维状微纳米填料，进而影响其优异性能的发挥；(2)更为关键的是，传统设备涉及的尺度较大，对混炼的聚合物复合材料的投料量有一定的要求，无法满足微量条件下聚合物复合材料的混炼要求；(3)传统混炼方法制备的聚合物复合材料往往需要进行干燥造粒，然后再进行后续的注塑或挤出等成型，这种混炼与成型相分离的方法势必造成后续成型过程中聚合物复合材料形态的变化。综上所述，为满足聚合物微纳成型技术的日益发展要求，目前该领域急需一种以非剪切效应为主导且可用于原位成型的微量聚合物复合材料的有效混炼装置。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种可用于原位成型的微量聚合物复合材料循环混炼装置，以满足目前聚合物微纳成型制造技术的发展要求。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原位成型的微量聚合物复合材料循环混炼装置包含循环混炼模块，所述循环混炼模块包括料筒、转子、滑片、弹簧、隔板底板、端盖、轴和活塞板；所述料筒由第一半筒和第二半筒组成，所述第一半筒和第二半筒各自两端均设有两个等径半圆柱形孔，两个半圆柱形孔之间分别由半环形第一半隔板和第二半隔板隔开；所述第一半隔板和第二半隔板同轴装配后组成隔板，且分别设有循环口 ；所述第一半筒和第二半筒各自两端的内壁中央分别设有导槽，且所述第二半筒外壁沿径向设有第一投料口和第二投料口 ；所述转子由凸轮轴上反向布置且轴向错开的第一凸轮和第二凸轮组成，所述凸轮轴通过键安装于轴上；所述隔板底板由第一半底板和第二半底板组成，所述第一半底板和第二半底板上分别设有一个循环口调控孔；所述滑片通过所述弹簧安装于导槽内，且可随弹簧的伸缩在导槽内来回滑动；所述活塞板通过轴承安装于轴上，所述轴通过键可带动转子转动，同时可沿键长度方向作直线运动。
[0006]所述料筒、转子、活塞板和端盖同轴安装后，在弹簧作用下滑片一端紧贴在第一凸轮和第二凸轮外壁上，此时第一凸轮的外壁、料筒内壁、端盖内壁、隔板底板外壁和滑片侧壁构成第一层第一混炼腔和第一层第二混炼腔，第二凸轮的外壁、料筒内壁、活塞板外壁、隔板外壁和滑片侧壁构成第二层第一混炼腔和第二层第二混炼腔；所述第一层第一混炼腔与第一投料口连通，且与第二层第二混炼腔通过循环口连通，所述第二层第一混炼腔与第二投料口连通，且与第一层第二混炼腔通过循环口连通；所述轴带动转子转动时，由于凸轮外壁轮廓变化，各混炼腔的容积发生周期性的变化，其中同层的两个混炼腔容积变化相反，不同层的由循环口相连通的两个混炼腔容积变化也相反。
[0007]所述一种可用于原位成型的微量聚合物复合材料循环混炼装置还包括原位成型模块，所述原位成型模块包含储料腔盖板、活塞板、活塞底板和轴；所述活塞底板紧贴活塞板，且以间隙配合装配在轴上，其端部由圆螺母实现轴向固定；所述储料腔盖板一端设有圆柱形空腔，另一端设有阶梯形出口 ；所述活塞板连同活塞底板可动地套入储料腔盖板的圆柱形空腔内构成储料腔，所述储料腔与出口连通；在轴的推动下，活塞板和活塞底板可沿储料腔盖板的圆柱形空腔内壁滑动，从而改变储料腔的容积。
[0008]所述隔板和隔板底板贴紧安装后，沿拨槽拨动拨杆可调整循环口和循环口调控孔之间的相对位置，从而依次实现“全开”、“开-关”和“全关”三种不同工作状态。
[0009]所述活塞板和活塞底板贴紧安装后，沿拨槽拨动拨杆可调整出料口和出料口调控孔之间的相对位置，从而依次实现“全关”、“关-开”和“开-关”三种不同工作状态。
[0010]所述一种可用于原位成型的微量聚合物复合材料循环混炼装置的工作原理如下:先调整转子及拨杆至初始位置，此时第一层第一混炼腔和第二层第一混炼腔的容积为最大值，循环口处于“全开”位置，出料口处于“全关”位置；接着将聚合物复合材料分别通过第一投料口和第二投料口投入第一层第一混炼腔和第二层第一混炼腔内，然后将两个投料口用螺塞堵住；在轴带动下，转子作匀速转动，在转子转动的前半周，第一层第一混炼腔的容积逐渐减小，同时与之连通的第二层第二混炼腔容积逐渐增大，在料筒外壁电加热辅助作用下，第一层第一混炼腔内的聚合物复合材料不断融化，并在容积变化产生的正压力作用下通过循环口流入第二层第二混炼腔，同理第二层第一混炼腔内的聚合物复合材料则通过循环口流入第一层第二混炼腔；在转子转动的后半周，第二层第二混炼腔容积逐渐减小，同时与之连通的第一层第一混炼腔的容积逐渐增大，在容积变化产生的正压力作用下聚合物复合材料通过循环口又流回第一层第一混炼腔，同理第一层第二混炼腔内的聚合物复合材料则通过循环口流回第二层第一混炼腔；可见，转子每转动一周，原先位于第一层第一混炼腔和第二层第一混炼腔内的聚合物复合材料便各自完成一个来回的混炼过程；因此，只需连续转动转子便可实现聚合物复合材料不限次数的循环混炼过程，直至达到预定的混炼效果O
[0011]循环混炼结束后，拨动所述一种可用于原位成型的微量聚合物复合材料循环混炼装置的拨杆，使连接第一层第一混炼腔与第二层第二混炼腔的循环口处于打开位置，连接第一层第二混炼腔与第二层第一混炼腔的循环口处于关闭位置，与第二层第二混炼腔连通的出料口处于关闭位置，与第二层第一混炼腔连通的出料口处于打开位置；转动转子半周，此时第二层第一混炼腔的容积逐渐减小，腔内的聚合物复合材料通过出料口流入储料腔内，同时第一层第一混炼腔的容积也逐渐减小，腔内的聚合物复合材料通过循环口流入第二层第二混炼腔；再次拨动拨杆，使循环口处于“全关”位置，与第二层第二混炼腔连通的出料口处于打开位置，与第二层第一混炼腔连通的出料口处于关闭位置；再转动转子半周，此时第二层第二混炼腔的容积逐渐减小，腔内的聚合物复合材料通过出料口流入储料腔内；至此，所述循环混炼模块四个混炼腔内的聚合物复合材料均已汇入储料腔内，拨动拨杆使出料口复位至“全关”位置，为原位成型做好准备。
[0012]所述储料腔储料完成后，推动轴沿键向储料腔一端作直线运动，此时轴向固定在轴上的活塞板和活塞底板一起在储料腔盖板的圆柱形空腔内壁作活塞运动，推动储料腔内的聚合物复合材料从出口射出；只需在出口处连接注塑或挤出等聚合物材料成型模具，并调整轴的直线运动速度，便可实现微量聚合物复合材料的原位成型过程。
[0013]本发明具有实质新颖性，主要特色在于:结构上实现了聚合物复合材料的不限次数循环混炼过程，显著降低了对混炼元件长度的要求；同时，可实现聚合物复合材料的原位成型过程，相比于传统的“混炼-造粒-成型”分离式成型过程，能最大限度地保留复合材料成型前的混炼形态。
[0014]本发明还具有如下优点:1、装置尺寸小，适用于微量聚合物复合材料的混炼及原位成型过程；2、循环混炼过程主要基于正压力作用的拉伸流场，相比于传统的剪切流场，更有利于保留聚合物复合材料中填料的形态。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明装置三维结构的装配爆炸图。
[0016]图2是本发明装置结构初始位置剖视图。
[0017]图3是图2中的D-D剖视图。
[0018]图4是图2中的E-E剖视图。
[0019]图5是图2中的F-F剖视图。
[0020]图6是图4中的G向视图。
[0021]图7是隔板和隔板底板的初始相对位置图。
[0022]图8是活塞板和活塞底板的初始相对位置图。
[0023]图中:10_端盖；20_凸轮轴；30_滑片；40_弹簧；50_第一半筒；60_第二半筒；70-活塞板；80_活塞底板；90_圆螺母；100-轴承；110-储料腔盖板；120-第一半底板；130-第二半底板；140_轴；150_键；201-第一凸轮；202_第二凸轮；501_第一半隔板；601-第二半隔板;502、602_导槽;603_第一投料口 ;604_第二投料口 ;503、1101_拨槽；1102-出口 ；801、1201-拨杆；A1_第一层第一混炼腔；A2_第一层第二混炼腔；B1_第二层第一混炼腔；B2-第二层第二混炼腔；C-储料腔；K11、K12-循环口 ；L11、L12-循环口调控孔；K21、K22-出料口 ；L21、L22-出料口调控孔。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
[0025]参照图1?图8，本发明提供的一种可用于原位成型的微量聚合物复合材料循环混炼装置包含循环混炼模块，所述循环混炼模块包括料筒、转子、滑片30、弹簧40、隔板底板、端盖10、轴140和活塞板70 ;所述料筒由第一半筒50和第二半筒60组成，所述第一半筒50和第二半筒60各自两端均设有两个等径半圆柱形孔，两个半圆柱形孔之间分别由半环形第一半隔板501和第二半隔板601隔开；所述第一半隔板501和第二半隔板601同轴装配后组成隔板，且分别设有循环口 K12和Kll ;所述第一半筒50和第二半筒60各自两端的内壁中央分别设有导槽502和602，且所述第二半筒60外壁沿径向设有第一投料口 603和第二投料口 604 ;所述转子由凸轮轴20上反向布置且轴向错开的第一凸轮201和第二凸轮202组成，所述凸轮轴20通过键150安装于轴140上；所述隔板底板由第一半底板120和第二半底板130组成，所述第一半底板120和第二半底板130上分别设有一个循环口调控孔L12和LI I ;所述滑片30通过所述弹簧40安装于导槽502和602内，且可随弹簧40的伸缩在导槽502和602内来回滑动；所述活塞板70通过轴承100安装于轴140上，所述轴140通过键150可带动转子转动，同时可沿键150长度方向作直线运动。
[0026]所述料筒、转子、活塞板70和端盖10同轴安装后，在弹簧40作用下滑片30 —端紧贴在第一凸轮201和第二凸轮202外壁上，此时第一凸轮201的外壁、料筒内壁、端盖10内壁、隔板底板外壁和滑片30侧壁构成第一层第一混炼腔Al和第一层第二混炼腔A2，第二凸轮202的外壁、料筒内壁、活塞板70外壁、隔板外壁和滑片30侧壁构成第二层第一混炼腔BI和第二层第二混炼腔B2 ;所述第一层第一混炼腔Al与第一投料口 603连通，且与第二层第二混炼腔B2通过循环口 Kll连通，所述第二层第一混炼腔BI与第二投料口 604连通，且与第一层第二混炼腔A2通过循环口 K12连通；所述轴140带动转子转动时，由于凸轮外壁轮廓变化，各混炼腔的容积发生周期性的变化，其中同层的两个混炼腔容积变化相反，不同层的由循环口相连通的两个混炼腔容积变化也相反。
[0027]所述一种可用于原位成型的微量聚合物复合材料循环混炼装置还包括原位成型模块，所述原位成型模块包含储料腔盖板110、活塞板70、活塞底板80和轴140 ;所述活塞底板80紧贴活塞板70，且以间隙配合装配在轴140上，其端部由圆螺母90实现轴向固定；所述储料腔盖板110 —端设有圆柱形空腔，另一端设有阶梯形出口 1102 ;所述活塞板70连同活塞底板80可动地套入储料腔盖板110的圆柱形空腔内构成储料腔C，所述储料腔C与出口 1102连通；在轴140的推动下，活塞板70和活塞底板80可沿储料腔盖板110的圆柱形空腔内壁滑动，从而改变储料腔C的容积。
[0028]所述隔板和隔板底板贴紧安装后，沿拨槽503拨动拨杆1201可调整循环口 K11、K12和循环口调控孔LU、L12之间的相对位置，从而依次实现“全开”、“开-关”和“全关”三种不同工作状态。
[0029]所述活塞板70和活塞底板80贴紧安装后，沿拨槽1101拨动拨杆801可调整出料口 K21、K22和出料口调控孔L21、L22之间的相对位置，从而依次实现“全关”、“关-开”和“开-关”三种不同工作状态。
[0030]所述一种可用于原位成型的微量聚合物复合材料循环混炼装置工作时，先调整转子及拨杆801、1201至图中所示初始位置，此时第一层第一混炼腔Al和第二层第一混炼腔BI的容积为最大值，循环口处于“全开”位置，出料口处于“全关”位置；接着将聚合物复合材料分别通过第一投料口 603和第二投料口 604投入第一层第一混炼腔Al和第二层第一混炼腔BI内，然后将两个投料口用螺塞堵住；在轴140带动下，转子作匀速转动，在转子转动的前半周，第一层第一混炼腔Al的容积逐渐减小，同时与之连通的第二层第二混炼腔B2容积逐渐增大，在料筒外壁电加热辅助作用下，第一层第一混炼腔Al内的聚合物复合材料不断融化，并在容积变化产生的正压力作用下通过循环口 Kll流入第二层第二混炼腔B2，同理第二层第一混炼腔BI内的聚合物复合材料则通过循环口 K12流入第一层第二混炼腔A2 ;在转子转动的后半周，第二层第二混炼腔B2容积逐渐减小，同时与之连通的第一层第一混炼腔Al的容积逐渐增大，在容积变化产生的正压力作用下聚合物复合材料通过循环口 Kll又流回第一层第一混炼腔Al，同理第一层第二混炼腔A2内的聚合物复合材料则通过循环口 K12流回第二层第一混炼腔BI ;可见，转子每转动一周，原先位于第一层第一混炼腔Al和第二层第一混炼腔BI内的聚合物复合材料便各自完成一个来回的混炼过程；因此，只需连续转动转子便可实现聚合物复合材料不限次数的循环混炼过程，直至达到预定的混炼效果。
[0031]循环混炼结束后，拨动所述一种可用于原位成型的微量聚合物复合材料循环混炼装置的拨杆801和1201，使连接第一层第一混炼腔Al与第二层第二混炼腔B2的循环口 Kll处于打开位置，连接第一层第二混炼腔A2与第二层第一混炼腔BI的循环口 K12处于关闭位置，与第二层第二混炼腔B2连通的出料口 K21处于关闭位置，与第二层第一混炼腔BI连通的出料口 K22处于打开位置；转动转子半周，此时第二层第一混炼腔BI的容积逐渐减小，腔内的聚合物复合材料通过出料口 K22流入储料腔C内，同时第一层第一混炼腔Al的容积也逐渐减小，腔内的聚合物复合材料通过循环口 Kll流入第二层第二混炼腔B2 ;再次拨动拨杆801和1201，使循环口处于“全关”位置，与第二层第二混炼腔B2连通的出料口 K21处于打开位置，与第二层第一混炼腔BI连通的出料口 K22处于关闭位置；再转动转子半周，此时第二层第二混炼腔B2的容积逐渐减小，腔内的聚合物复合材料通过出料口 K21流入储料腔C内；至此，所述循环混炼模块四个混炼腔内的聚合物复合材料均已汇入储料腔C内，拨动拨杆801使出料口复位至“全关”位置，为原位成型做好准备。
[0032]所述储料腔C储料完成后，推动轴140沿键150向储料腔C 一端作直线运动，此时轴向固定在轴140上的活塞板70和活塞底板80 —起在储料腔盖板110的圆柱形空腔内壁作活塞运动，推动储料腔C内的聚合物复合材料从出口 1102射出；只需在出口 1102处连接注塑或挤出等聚合物材料成型模具，并调整轴140的直线运动速度，便可实现微量聚合物复合材料的原位成型过程。
【权利要求】
1.一种可用于原位成型的微量聚合物复合材料循环混炼装置，其特征在于:包含循环混炼模块，所述循环混炼模块包括料筒、转子、滑片、弹簧、隔板底板、端盖、轴和活塞板；所述料筒由第一、第二半筒组成，所述第一、第二半筒各自两端均设有两个等径半圆柱形孔，两个半圆柱形孔之间分别由半环形第一、第二半隔板隔开；所述第一、第二半隔板同轴装配后组成隔板，且分别设有循环口 ；所述第一、第二半筒各自两端的内壁中央分别设有导槽，且所述第二半筒外壁沿径向设有第一、第二投料口 ；所述转子由凸轮轴上反向布置且轴向错开的第一、第二凸轮组成，所述凸轮轴通过键安装于轴上；所述隔板底板由第一、第二半底板组成，所述第一、第二半底板上分别设有一个循环口调控孔；所述滑片通过所述弹簧安装于导槽内，且可随弹簧的伸缩在导槽内来回滑动；所述活塞板通过轴承安装于轴上，所述轴通过键可带动转子转动，同时可沿键长度方向作直线运动。
2.根据权利要求1所述的一种可用于原位成型的微量聚合物复合材料循环混炼装置，其特征在于:所述料筒、转子、活塞板和端盖同轴安装后，在弹簧作用下滑片一端紧贴第一、第二凸轮外壁，第一凸轮外壁、料筒内壁、端盖内壁、隔板底板外壁和滑片侧壁构成第一层第一、第二混炼腔，第二凸轮外壁、料筒内壁、活塞板外壁、隔板外壁和滑片侧壁构成第二层第一、第二混炼腔；所述第一层第一混炼腔与第一投料口连通，且与第二层第二混炼腔通过循环口连通，所述第二层第一混炼腔与第二投料口连通，且与第一层第二混炼腔通过循环口连通；所述轴带动转子转动时，由于凸轮外壁轮廓变化，各混炼腔的容积发生周期性的变化。
【文档编号】B29B7/74GK104400928SQ201410669258
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月11日 优先权日:2014年11月11日
【发明者】杨灿, 尹晓红, 阚君武, 李熹平, 程光明 申请人:浙江师范大学