超声振动与均匀拉伸应力协同作用的挤出口模的制作方法

本实用新型涉及一种高分子材料挤出成型，特别是涉及一种超声振动与均匀拉伸应力协同作用的高分子材料挤出制品成型加工方法及口模。

背景技术：

挤出制品约占塑料制品总量的一半以上，所有的挤出制品都需要通过挤出口模来成型加工，实现高分子材料的成型成性。挤出口模不仅是挤出生产线的重要组成部分，同时也会对挤出制品的性能产生重要影响。目前在大部分挤出口模中熔体主要受到剪切应力作用，或者由于流道截面的局部收敛/发散而受到瞬态变化的拉伸应力作用，剪切形变作用易造成局部高温使得高分子材料分子链断裂而降低制品宏观力学性能与表面质量，瞬态变化的拉伸应力作用易造成挤出不稳定而使得挤出制品表面出现凹凸不平等缺陷。

拉伸形变支配及振动剪切应力辅助挤出成型加工方法对成型加工过程及制品性能将产生重要的影响，已受到国内外学者及相关研究机构的普遍关注。大量理论及实验研究表明，振动力场的引入具有降低熔体表观粘度、减少加工能耗、改善分散性能、提高塑化效率及塑化质量等优点，同时会通过影响制品凝聚态结构而提高制品性能。超声波是频率20KHz以上的弹性机械振动波，在平行或垂直于流动方向上叠加高频超声波，有助于在聚合物熔体内部产生剧烈振动，从而影响聚合物成型加工过程及制品性能。在挤出机口模处引入超声振动是在成型加工过程中引入振动剪切力场最简单而直接的方法之一。除此之外，超声波作为一种检测手段在线测量熔体的密度、在注射喷嘴及模具内叠加超声波用以改善熔体的流动性及充填效率等方面得到应用；中国专利201210052745.3、201310121160.7公开了一种利用超声波产生的振动能量直接用于高分子材料塑化的注射成型方法及装置，这些都取得了一定的效果。

A.I.Isayev(Ultrasound assisted twin screw extrusion of polymer–nanocomposites containing carbon nanotubes,Polymer,50,(2009)250–260.)等人通过将超声装置安装在双螺杆挤出机的狭缝形口模上制备PEI/CNTs复合材料。实验结果表明：通过施加超声振动，复合材料的流变性能如储能模量、损耗模量以及复数粘度以及拉伸强度和杨氏模量都有一定程度提高，其主要原因是超声振动使熔体中的CNTs团聚体破碎，使得CNTs在基体PEI中分散得更加均匀，从而提高材料的性能。但由于上述缝隙口模中熔体以剪切层流为主，界面更新慢，降低了复合材料熔体与超声波接触的机会，从而使得超声波空化作用的范围变小，制约了超声振动的影响效果，同时由于受到超声波作用与未收超声波作用的熔体在流变性能、混合状态等方面不同，影响了熔体的均匀性，因而未能实现挤出过程中两者的有效协同。

现有的超声波辅助聚合物复合材料挤出主要是通过超声波振动与熔体剪切层流的垂直叠加，在局部空间内实现了超声振动与剪切形变的协同作用。但由于相同形变速率作用下剪切层流混合效率低、混合效果差，影响了超声振动辅助作用后共混物熔体的均匀性，制约了超声波振动作用效果的进一步提高。

若能通过将超声波辅助振动与拉伸形变起主导作用的流动过程相互叠加，提高界面更新速率，将有效提高超声波振动的作用范围，改善超声振动作用后熔体的均匀性，从而提高超声振动与拉伸应力协同作用的效率与效果。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对基于剪切形变的挤出口模所存在的问题，提供一种超声振动与均匀拉伸应力协同作用的挤出口模，有效降低加工过程中聚合物熔体的表观粘度、提高聚合物共混体系的相容性与混合质量、改善物料在流道中流动不均匀性，从而使挤出制品的综合性能得到提高。

通过实用新型均匀拉伸形变支配的口模流道并耦合超声振动在高分子材料成型加工中的优势，形成超声振动与均匀拉伸应力协同作用的挤出成型加工方法，将会对高分子材料挤出制品的性能提高产生重要的影响。

本实用新型的目的通过如下技术方案实现：

一种超声振动与均匀拉伸应力协同作用的挤出口模，包括口模、第一超声振动装置和第二超声振动装置；第一超声振动装置和第二超声振动装置对称设置在口模两侧；第一超声振动装置和第二超声振动装置都主要由变幅杆、传振杆、换能器、信号线和超声波发生器组成；传振杆一端与变幅杆的大端连接，传振杆的另一端与换能器焊接连接，换能器通过信号线与超声波发生器连接；口模上对称设有通孔；第一超声振动装置和第二超声振动装置的变幅杆的小端通过通孔与口模流道连通；变幅杆垂直于法兰伸入挤出口模的通孔内；所述口模的流道的断面为圆形，其母线为抛物线型；或者是所述口模的流道断面为矩形，其母线为双曲线型。

为进一步实现本实用新型目的，优选地，所述变幅杆节点外端设有法兰，法兰通过螺钉固定在口模上；变幅杆大端的外端设有过渡板；变幅杆与法兰之间设有下密封圈；变幅杆与过渡板之间设有上密封圈。

优选地，所述变幅杆与法兰和过渡板之间留有0.3-0.7mm的间隙，变幅杆小端与收敛口模上的通孔之间留有间隙。

优选地，所述过渡板与法兰通过螺钉连接。

优选地，所述传振杆上开有冷却水入口和冷却水出口。

优选地，所述法兰用螺钉固定在口模上。

优选地，所述传振杆一端与变幅杆的大端通过螺纹连接。

优选地，所述超声波发生器的超声振动频率为20-40KHZ，超声波发生器功率为300-1200W。

应用所述挤出口模的超声振动与均匀拉伸应力协同作用的高分子材料挤出成型加工方法：物料在口模流动过程中，在垂直于物料流动方向受到超声振动作用，对物料产生周期性变化的压缩与膨胀作用，促进物料多相共混体系中分散相的分散混合及聚合物分子链的解缠结；同时物料在口模中作加速度恒定的收敛流动，受到与流动方向一致的均匀拉伸形变作用，促进共混物界面的更新速率，增加了物料与超声波接触，强化了超声波对物料的作用与共混体系的分布混合物料的分布混合，实现超声振动与均匀拉伸应力协同作用的挤出。

本实用新型主要由超声振动装置及具有不同截面形状收敛流道的口模组成。根据加工制品截面形状的不同，挤出口模流道结构形式不同。对于棒材制品的挤出成型，加工圆形截面制品时，挤出口模流道的断面为圆形，流道的进、出料口均为圆形，其母线为抛物线型，具有抛物线型收敛流道。加工方形截面制品(片材、板材)时，挤出口模流道的断面为矩形，其母线为双曲线型。从挤出机中出来的熔体进入挤出口模后由于口模流道截面面积的变化，使得熔体的流动速度均匀变化，因而熔体受到均匀变化的形变作用；由于熔体在口模中作收敛流动，因而熔体主要受到拉伸应力作用，实现均匀拉伸形变支配的流动过程；沿熔体的流动方向布置超声振动装置，通过聚合物熔体将振动变化的应力垂直叠加到制品的成型过程中，实现超声振动与均匀变化的正应力相互协同作用的高分子材料制品成型成性。本实用新型通过螺钉将具有抛物线收敛流道的口模与挤出机料筒法兰连接，用螺钉将超声振动装置和超声振动装置垂直固定在口模的收敛段上。

本实用新型与现有挤出成型方法及装置相比，具有如下优点：

1、本实用新型挤出过程中，垂直于流动方向物料受到超声振动作用，在超声振动作用下聚合物分子链及多相体系受到周期性变化的压缩与膨胀作用，有利于促进分散相在基体中的分散混合及分子链的解缠结，同时提高分子链的运动能力，降低粘度；与此同时，沿流动方向上物料在口模中作加速度恒定的收敛流动，受到与流动方向一致的均匀拉伸形变作用，拉伸形变作用促进了共混物界面的更新速率，增加了物料与超声波接触的机会，强化了超声波对物料的作用与共混体系的分布混合，从而实现了超声振动与均匀拉伸应力协同作用的挤出过程。因此，本实用新型将超声振动与均匀变化的拉伸应力相互协同的复合应力作用于高分子材料制品的挤出成型过程，超声振动与均匀拉伸应力协同作用的挤出成型加工减少了塑料熔体在挤出时的压力波动、降低了熔体的表观粘度、提高了聚合物共混物的相容性以及改善了物料的流动均匀性，从而使制品的综合性能得到提高。

2、本实用新型通过在熔体流动方向叠加超声振动，降低了熔体的流动阻力，比能耗降低，有利于实现高分子材料制品的绿色成型加工。

3、本实用新型实现了振动剪切形变与均匀拉伸形变协同作用的成型成性过程，设备结构简单，操作方便。

4、针对聚合物基复合材料线材、棒材及片材产品，通过设计抛物线型或双曲线型流道的口模，实现物料在挤出过程中受到均匀稳定的正应力作用。

附图说明

图1为本实用新型超声振动与均匀拉伸应力协同作用的挤出口模(抛物线型收敛)结构示意图；

图2为本实用新型超声振动装置结构示意图；

图3为本实用新型抛物线型收敛口模的结构示意图；

图4为本实用新型抛物线型收敛口模的A-A面剖视图；

图5为本实用新型抛物线型收敛流道结构示意图；

图6为本实用新型超声振动与均匀拉伸应力协同作用的挤出口模(双曲线型收敛)结构示意图；

图7为本发双曲线型收敛口模的结构示意图；

图8为本实用新型双曲线型收敛口模的A-A面剖视图；

图9为本实用新型双曲线型收敛流道结构示意图；

图10普通挤出方法制备得到的HDPE/MMT共混物的透射电镜图；

图11新方法制备得到的HDPE/MMT共混物的透射电镜图。

具体实施方式

为更好地理解本实用新型，下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明，但本实用新型要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

实施例1

参考图1、图2、图3，一种超声振动与均匀拉伸应力协同作用的挤出口模，包括具有抛物线型收敛流道的口模1、第一超声振动装置I和第二超声振动装置II；第一超声振动装置和第二超声振动装置对称设置在口模两侧。对于棒材制品的挤出成型，流道的进、出料口均为圆形，而其母线为抛物线，通过抛物线收敛到圆形出口。通过螺钉将具有抛物线收敛流道的口模1与挤出机料筒法兰连接，用螺钉将超声振动装置I和超声振动装置II垂直固定在口模1的收敛段上。第一超声振动装置I和第二超声振动装置II都主要由变幅杆5、法兰6、下密封圈7、上密封圈8、过渡板9、传振杆10、冷却水入口11、冷却水出口12、换能器13、信号线14和超声波发生器15组成；传振杆10一端与变幅杆5的大端通过螺纹连接，传振杆10的另一端与换能器13焊接连接，换能器13通过信号线14与超声波发生器15连接，通过设定超声波发生器15上的参数从而对振动频率及振幅进行调节。口模1上对称设有通孔4；第一超声振动装置I和第二超声振动装置II的变幅杆5的小端通过通孔4与口模1流道连通。

变幅杆5垂直于法兰6伸入挤出口模的通孔4内；变幅杆5节点外端设有法兰6，法兰6通过螺钉固定在口模1上；变幅杆5大端的外端设有过渡板9；变幅杆5与法兰6之间设有下密封圈7；变幅杆5与过渡板9之间设有上密封圈8；变幅杆5与法兰6和过渡板9之间留有0.3-0.7mm的间隙，变幅杆5小端与收敛口模上的通孔4之间留有间隙。优选过渡板9与法兰6通过螺钉连接；优选传振杆10上开有冷却水入口11和冷却水出口12，工作时通冷却水防止热量传递到换能器13上。

第一超声振动装置I在口模1上的安装固定方法如下：先将法兰6用螺钉固定在口模1上，再将变幅杆5垂直于法兰6伸入挤出口模的通孔4内(图3)，将下密封圈7和上密封圈8套在变幅杆5节点处以及变幅杆5的大端；安装法兰6和过渡板9；通过螺钉连接过渡板9与法兰6；使变幅杆5固定的同时有效防止漏料。安装时，控制变幅杆5与法兰6和过渡板9之间留有0.5mm的间隙，且变幅杆5小端与收敛口模上的通孔4之间留有间隙，从而避免变幅杆5与金属直接接触，从而保护变幅杆5，并确保超声波装置正常工作。当挤出机工作时变幅杆5小端与口模流道2中的熔体接触，将换能器产生的超声振动通过振幅杆垂直叠加到聚合物熔体上；第二超声振动装置II在口模1上的安装固定方法与第一超声振动装置I在口模1上的安装固定方法一样。

挤出过程中，垂直于流动方向物料受到超声振动作用，在超声振动作用下聚合物分子链及多相体系受到周期性变化的压缩与膨胀作用，有利于促进分散相在基体中的分散混合及分子链的解缠结，同时提高分子链的运动能力，降低粘度；沿流动方向上物料在口模中作加速度恒定的收敛流动，受到与流动方向一致的均匀拉伸形变作用，拉伸形变作用促进了共混物界面的更新速率，增加了物料与超声波接触的机会，强化了超声波对物料的作用与共混体系的分布混合，从而实现了超声振动与均匀拉伸应力协同作用的挤出过程。

本实用新型可应用于聚合物改性挤出，如聚合物/无机填料共混挤出，聚合物/聚合物的二元共混挤出或三元共混挤出或多元共混挤出。

参考图3、图4、图5，口模流道为抛物线型，挤出制品具有圆形断面。与常规平直流道口模不同的是，熔体在平直口模中以剪切流动为主，主要受到剪切形变作用，而熔体流过具有收敛流道的口模时，由于口模呈抛物线型收敛，因流通面积减小而使得熔体被加速，熔体受到拉伸形变作用，提高了挤出过程中的混合效率与混合效果，提高制品质量；熔体在与锥形流道中不同的是，熔体在母线为抛物线的收敛流道中流动时其加速度保持恒定，熔体的速度方向与其加速度方向基本平行，熔体受到均匀拉伸应力作用；将超声振动垂直叠加到熔体的挤出过程中，使熔体受到脉动变化的压力作用，从而对熔体的流变行为产生重要影响。均匀拉伸形变作用一方面促进了熔体界面层的更新，增加了熔体与超声波接触的机会，提高了熔体温度、压力、组分等的均匀性；另一方面由于熔体受到均匀的拉伸应力作用，避免了由于剪切作用及非均匀拉伸形变作用所造成的温度、压力分布不均匀等造成的材料降解等缺陷，从而实现超声振动与均匀拉伸流场协同作用的圆形截面制品(棒材、线材等)的挤出成型加工。

为了验证本实用新型的效果，进行了以下实验对比：采用相同的塑化系统，螺杆转速60rpm，口模温度为200℃，通过实施例1所示口模挤出HDPE/MMT(蒙脱土)共混物，其中MMT的质量分数为5％。采用常规锥形口模及本实施例新型口模叠加超声波进行对比试验，口模入口及出口、口模长度尺寸一致，超声振动频率为20KHz，超声功率在500-800w变化。普通方法挤出和超声振动协同均匀拉伸应力挤出制备的HDPE/MMT共混物利用透射电镜(TEM，JEOL1011)对蒙脱土在HDPE聚合物基体中的分散情况进行表征，透射电镜照片如图10、图11所示。对比图10及图11可以看出，新方法挤出制备的共混物中MMT在基体HDPE中分散均匀，MMT层间距增大，说明超声振动协同均匀拉伸应力作用有利于MMT的剥离，从而提高了共混物HDPE/MMT的综合性能。分散均匀性提高及MMT层间距增大主要归咎于以下两个方面：在垂直于物料流动方向上，物料在超声振动作用下被周期性的压缩与膨胀，周期性的压缩与膨胀提高促进了多相体系中分散相的分散混合及基体分子链的解缠结；沿流动方向物料在口模中作加速度恒定的收敛流动，受到与流动方向一致的均匀拉伸形变作用，拉伸形变作用促进了多相体系的界面更新速率，增加了共混物与超声波接触的机会及多相体系的分布混合效率，强化了超声振动对物料的作用，从而实现了超声振动与均匀拉伸应力协同作用的挤出过程。

实施例2

对于断面为矩形的制品其口模流道出入口均为矩形，宽度方向保持不变，厚度方向沿母线为双曲线逐渐减少到制品厚度。参考图2、图3、图6、图7，一种超声振动与均匀拉伸应力协同作用的挤出口模，包括具有抛物线型收敛流道的口模1、第一超声振动装置I和第二超声振动装置II。通过螺钉将具有双曲线收敛流道的口模1与挤出机料筒法兰连接，用螺钉将超声振动装置I和超声振动装置II垂直固定在口模1的收敛段上。

第一超声振动装置I和第二超声振动装置II都主要由变幅杆5、法兰6、下密封圈7、上密封圈8、过渡板9、传振杆10、冷却水入口11、冷却水出口12、换能器13、信号线14和超声波发生器15组成；传振杆10一端与变幅杆5的大端通过螺纹连接，传振杆10的另一端与换能器13焊接连接，换能器13通过信号线14与超声波发生器15连接，通过设定超声波发生器15上的参数从而对振动频率及振幅进行调节。口模1上对称设有通孔4；第一超声振动装置I和第二超声振动装置II的变幅杆5的小端通过通孔4与口模1流道连通；

变幅杆5垂直于法兰6伸入挤出口模的通孔4内；变幅杆5节点外端设有法兰6，法兰6通过螺钉固定在口模1上；变幅杆5大端的外端设有过渡板9；变幅杆5与法兰6之间设有下密封圈7；变幅杆5与过渡板9之间设有上密封圈8；变幅杆5与法兰6和过渡板9之间留有0.3-0.7mm的间隙，变幅杆5小端与收敛口模上的通孔4之间留有间隙。优选过渡板9与法兰6通过螺钉连接；优选传振杆10上开有冷却水入口11和冷却水出口12，工作时通冷却水防止热量传递到换能器13上。超声振动装置I及超声振动装置II在口模I上的固定方法与实施例1相类似。

参考图7、图8、图9，所述口模流道2为双曲线型时，其进、出料口均为矩形。当熔体流过具有收敛流道的口模时，沿流动方向厚度逐渐变小，因而熔体被加速。由于口模呈双曲线型收敛，横截面积减小的速度恒定致使熔体的加速度恒定，熔体受到均匀变化的拉伸形变作用，熔体的流动主要由拉伸形变支配；通过将超声振动垂直叠加到熔体的挤出过程中，使熔体受到脉动变化的压力作用，从而实现超声振动与均匀拉伸应力协同作用的板材制品挤出成型加工。