一种用于制备微纳结构的变截面微分化活字式口模的制作方法

本发明涉及一种塑料制品挤出成型技术，尤其涉及一种用于制备微纳结构的变截面微分化活字式口模。

背景技术：

变截面跨尺度微纳结构塑料制品是指在一维方向上具有宏观尺度，而同时在另外两维方向上具有微纳尺度的截面形状可变的特殊结构。尽管如今已存在多种普通微纳结构的成型方法，但是可以制备跨尺度微纳结构塑料制品并达到商业化应用规模的高效智能加工技术瓶颈却仍未突破。微纳结构加工技术中，微注塑、微热压和LIGA技术已实现一般微纳结构的精密加工。但由于其间歇性的加工流程而使其加工效率和能力受到限制。微挤出方法虽然具有高效的连续加工能力以及可以实现跨尺度微纳通道加工等优点，但通常使用同一口模挤出成型的塑料制品具有相同的截面形状，不能满足日益复杂的功能化微纳结构的加工要求。

口模是塑料挤出加工成型的关键零部件，决定了挤出成型塑料制品的截面形状。传统挤出成型中，改变塑料制品截面形状需要更换口模，耗费人力物力资源、降低生产效率且不能实现塑料制品截面形状连续变化。

技术实现要素：

本发明目的是针对现有技术的不足，提供一种用于制备微纳结构的变截面微分化活字式口模，用于一步挤出成型变截面跨尺度微纳结构塑料制品。具体技术方案如下：

一种用于制备微纳结构的变截面微分化活字式口模，其特征在于，该口模包括一面开口的口模体、条形金属块、弹性部件、支撑板、直线移动装置、金属块驱动系统，多个所述的条形金属块紧密排布在所述的口模体的开口处，多个所述的条形金属块与所述的口模体组成完整的口模；所述的支撑板的两端固定在所述的直线移动装置上，所述的弹性部件的一端固接在所述的支撑板上，所述的弹性部件的另一端固接在所述的条形金属块上，每个所述的条形金属块的一端均与一个所述的金属块驱动系统相连。

进一步地，所述的金属块驱动系统包括驱动丝、驱动轮，所述的驱动丝一端与所述的条形金属块的上端相连，另一端与所述的驱动轮相连，所述的驱动轮转动，带动所述的驱动丝牵引所述的条形金属块上下移动。

进一步地，所述的直线移动装置包括丝杠、丝杠电机，所述的支撑板的两端各设置一个所述的直线移动装置，所述的支撑板的两端与所述的丝杠固定连接，所述的丝杠均由所述的丝杠电机驱动，实现竖直方向的直线移动。

进一步地，还包括控制器、压力传感器；

所述的压力传感器设置在所述的口模内，用于检测所述的口模内的塑料熔体的压力，并将信号发送给所述的控制器；

所述的控制器与所述的驱动轮、丝杠电机电连接，将所述的压力传感器的信息处理后控制所述的驱动轮、丝杠电机的运动，进而控制每个所述的条形金属块的上下位移，实现口模型腔截面形状的动态变化。

进一步地，所述的弹性部件为弹簧。

进一步地，还包括芯模，所述的芯模为中空毛细管结构，用于在挤出塑料熔体中形成微通道。

进一步地，所述的条形金属块沿所述的口模体横截面方向的宽度为2—4mm。

进一步地，所述的口模体的开口有多个，每个开口均设置多个紧密排布的条形金属块，每个开口处的条形金属块设置有对应的弹性部件、支撑板、直线移动装置、金属块驱动系统。

进一步地，所述的条形金属块与塑料熔体接触的一端截面形状为矩形、三角形、梯形或半圆形。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

相对于传统的固定截面形状的口模，本发明的口模体一面或多面由多个条形金属块组成，条形金属块与口模体共同组成可变截面的口模型腔，可一步挤出截面形状动态变化的含微纳结构的塑料制品，且截面形状方便可调；挤出的塑料制品质量稳定。

附图说明

图1是本发明的用于制备微纳结构的变截面微分化活字式口模的结构示意图；

图2是本发明的用于制备微纳结构的变截面微分化活字式口模的部分三维结构图；

图3是对金属块进行位置补偿从而精确控制金属块位置的示意图；

图4是由本发明的口模结构成型的两种不同截面塑料制品的截面示意图；

图5是塑料制品挤出加工装置的结构示意图；

图6是条形金属块端部形状示意图；

图中：口模体1、条形金属块2、弹簧3、支撑板4、驱动丝5、驱动轮6、丝杠7、丝杠电机8、芯模9、螺杆挤出机机头10、料斗11、机筒12、螺杆13、控制器14、压力传感器15、塑料熔体16。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-2所示，为一种用于制备微纳结构的变截面微分化活字式口模，包括一面开口的口模体1、条形金属块2、弹性部件3、支撑板4、直线移动装置、金属块驱动系统；多个条形金属块2紧密排布在口模体1的开口处，条形金属块2与口模体1组成完整的口模；支撑板4的两端固定在直线移动装置上，弹性部件3的一端固接在支撑板4上，另一端固接在条形金属块2上，每个条形金属块的一端均与一个金属块驱动系统相连。金属块驱动系统包括驱动丝5、驱动轮6，驱动丝5一端与条形金属块2的一端相连，另一端与驱动轮6相连，驱动轮6转动，带动驱动丝5牵引条形金属块2上下移动。直线移动装置包括丝杠7、丝杠电机8，支撑板4的两端各设置一个直线移动装置，支撑板4的两端与丝杠7固定连接，丝杠7均由丝杠电机8驱动，实现竖直方向的直线移动。

为了精确控制挤出塑料制品的截面形状，在口模型腔中设置压力传感器15，同时设置控制器14，压力传感器15用于检测口模内塑料熔体16的压力，并将信号发送给控制器14；控制器14与驱动轮6、丝杠电机8电连接，将压力传感器15的信息处理后控制驱动轮6、丝杠电机8的运动，进而控制每个条形金属块2的上下位移，实现口模型腔截面形状的动态变化。

作为其中一种实施方式，弹性部件3为弹簧。

其中，本发明的活字式口模，通过多个条形金属块2紧密排列替代传统的口模的一个固定面，为了实现挤出塑料制品的截面的动态变化，将条形金属块2沿口模体1横截面方向的宽度限定为2—4mm，沿流体流动方向的长度为10—50mm，高度方向尺寸10—50mm。

本发明的活字式口模的工作过程如下：

如图3所示，初始状态时，口模内没有熔体16，根据控制器14设定好的参数实现条形金属块2在高度方向的位置控制，条形金属块2在弹簧3向下作用力和驱动丝5向上作用力的共同作用下处于平衡状态(因条形金属块2的体积很小，忽略重力)。当塑料熔体16流过时，塑料熔体16本身压强作用于条形金属块2下表面，对金属块2产生向上作用力，导致金属块2上移，弹簧3发生微量压缩变形，驱动丝5变形忽略不计，条形金属块2在弹簧向下作用力、驱动丝向上作用力和熔体向上作用力的共同作用下处于平衡状态。压力传感器15将口模型腔内的熔体压强P反馈至控制器14，控制器14控制丝杠电机8转动，带动支撑板4向下移动特定的距离，从而对金属块高度方向位置进行补偿，达到通入熔体前的设定位置，即实际生产所需要的位置。

当挤出具有中空微通道或者带有封装流体的塑料制品时，需要在口模型腔中内置芯模9，芯模9为中空毛细管结构。适用的芯模内注射的流体可以是在加工条件下各种物理、化学性质稳定的流体，如空气、CO2、N2、水蒸气、甘油、硅油等，也可以是需要封装的流体状态的药物等。图4a与4b分别是由本发明的活字式口模成型的两种不同截面塑料制品的截面示意图。

如图5所示，为本发明的口模安装在挤出机机头时的工作状态，塑料原料由料斗11加入机筒12，在螺杆13旋转输送和加热圈加热作用下，逐渐塑化形成塑料熔体16，塑料熔体16在螺杆13的旋转推动下进入机头10内的流道，在流道内压力逐步上升，压力传感器15检测口模内的塑料熔体16的压力，并将信号发送给控制器14；通过控制器14预设程序设定的操作参数控制条形金属块2在高度方向上的位置，塑料熔体16通过口模挤出，经牵引、冷却定型、收集等工艺实现跨尺度变截面微纳结构塑料制品的工业化生产。适用的塑料原料包括聚乙烯(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的热塑性聚合物。

如图6所示，作为一种或多种实施方式，条形金属块2与塑料熔体16接触的一端截面形状可设计为矩形、三角形、梯形、半圆形等形状。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。