一種可用于原位成型的微量聚合物復合材料循環(huán)混煉裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種可用于原位成型的微量聚合物復合材料循環(huán)混煉裝置，由循環(huán)混煉模塊和原位成型模塊組成；所述循環(huán)混煉模塊包括料筒、轉子、滑片、彈簧、隔板底板、端蓋、軸和活塞板，構成兩組位于兩層且連通的密閉混煉腔，通過轉子轉動改變各混煉腔的容積來達到循環(huán)混煉目的；所述原位成型模塊包含儲料腔蓋板、活塞板、活塞底板和軸，調整軸的移動速度可實現(xiàn)原位注塑、擠出效果。本發(fā)明的特點是結構上實現(xiàn)了聚合物復合材料不限次數(shù)循環(huán)混煉過程和原位成型過程。本發(fā)明還具備以下優(yōu)勢：1)裝置尺寸小，適用于微量聚合物復合材料的混煉及原位成型過程；2)循環(huán)混煉過程主要基于正壓力作用的拉伸流場，更有利于保留聚合物復合材料中填料的形態(tài)。
【專利說明】一種可用于原位成型的微量聚合物復合材料循環(huán)混煉裝置

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種聚合物復合材料混煉裝置，具體涉及一種可用于原位成型的微量聚合物復合材料循環(huán)混煉裝置。

【背景技術】
[0002]隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)的迅速發(fā)展，作為微納制造領域重要組成部分的聚合物微納成型技術的作用變得日益重要。憑借成本低、生產率高以及生物兼容性好等諸多優(yōu)勢，近年來聚合物微納成型技術已被廣泛用于生產制造眾多種類的聚合物微納器件。產品微型化趨勢的日益增強，不僅對聚合物微納制品的尺寸精度提出了更為嚴格的要求，而且對其各項性能指標也提出了更高的要求。因此，微尺度下如何從材料復合的角度進行深入研究是個值得探討的新課題。通過材料復合，可借鑒納米復合材料發(fā)展中積累的相關經驗，實現(xiàn)多種材料在性能上互相取長補短，產生協(xié)同效應，使聚合物復合材料微制品產生優(yōu)良且可調控的綜合性能，以滿足國內外市場對高性能聚合物微納制品的巨大需求。
[0003]然而，聚合物復合材料微納成型過程存在諸多不同于傳統(tǒng)聚合物成型過程中的新問題。譬如，隨著尺寸的不斷減小，微尺度效應越來越明顯，其中一個重要表現(xiàn)是微納米填料的比表面積顯著增大，致使其表面吸附力明顯增強，最后導致顆粒間嚴重的團聚現(xiàn)象。如果不能解決微納米填料顆粒的在聚合物基體中的團聚問題，就不能形成填料分散均勻的聚合物復合材料，也就不能很好地發(fā)揮微納米填料的增強增韌效果，從而影響加工過程及微納產品的使用性能。目前，用于聚合物復合材料混煉的傳統(tǒng)設備有密煉機、雙螺桿擠出機以及雙轉子連續(xù)混煉機等。上述傳統(tǒng)設備用于聚合物微納成型領域具有如下明顯缺陷:(I)這些設備的工作特點是利用其產生的高剪切效應來實現(xiàn)微納米填料的分散，如果剪切力不足則無法使團聚的微納米填料均勻分散，而剪切力過大則會破環(huán)微納米填料形態(tài)，尤其是具有大長徑比的纖維狀微納米填料，進而影響其優(yōu)異性能的發(fā)揮；(2)更為關鍵的是，傳統(tǒng)設備涉及的尺度較大，對混煉的聚合物復合材料的投料量有一定的要求，無法滿足微量條件下聚合物復合材料的混煉要求；(3)傳統(tǒng)混煉方法制備的聚合物復合材料往往需要進行干燥造粒，然后再進行后續(xù)的注塑或擠出等成型，這種混煉與成型相分離的方法勢必造成后續(xù)成型過程中聚合物復合材料形態(tài)的變化。綜上所述，為滿足聚合物微納成型技術的日益發(fā)展要求，目前該領域急需一種以非剪切效應為主導且可用于原位成型的微量聚合物復合材料的有效混煉裝置。


【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種可用于原位成型的微量聚合物復合材料循環(huán)混煉裝置，以滿足目前聚合物微納成型制造技術的發(fā)展要求。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術解決方案:
[0005]本發(fā)明提供的一種可用于原位成型的微量聚合物復合材料循環(huán)混煉裝置包含循環(huán)混煉模塊，所述循環(huán)混煉模塊包括料筒、轉子、滑片、彈簧、隔板底板、端蓋、軸和活塞板；所述料筒由第一半筒和第二半筒組成，所述第一半筒和第二半筒各自兩端均設有兩個等徑半圓柱形孔，兩個半圓柱形孔之間分別由半環(huán)形第一半隔板和第二半隔板隔開；所述第一半隔板和第二半隔板同軸裝配后組成隔板，且分別設有循環(huán)口 ；所述第一半筒和第二半筒各自兩端的內壁中央分別設有導槽，且所述第二半筒外壁沿徑向設有第一投料口和第二投料口 ；所述轉子由凸輪軸上反向布置且軸向錯開的第一凸輪和第二凸輪組成，所述凸輪軸通過鍵安裝于軸上；所述隔板底板由第一半底板和第二半底板組成，所述第一半底板和第二半底板上分別設有一個循環(huán)口調控孔；所述滑片通過所述彈簧安裝于導槽內，且可隨彈簧的伸縮在導槽內來回滑動；所述活塞板通過軸承安裝于軸上，所述軸通過鍵可帶動轉子轉動，同時可沿鍵長度方向作直線運動。
[0006]所述料筒、轉子、活塞板和端蓋同軸安裝后，在彈簧作用下滑片一端緊貼在第一凸輪和第二凸輪外壁上，此時第一凸輪的外壁、料筒內壁、端蓋內壁、隔板底板外壁和滑片側壁構成第一層第一混煉腔和第一層第二混煉腔，第二凸輪的外壁、料筒內壁、活塞板外壁、隔板外壁和滑片側壁構成第二層第一混煉腔和第二層第二混煉腔；所述第一層第一混煉腔與第一投料口連通，且與第二層第二混煉腔通過循環(huán)口連通，所述第二層第一混煉腔與第二投料口連通，且與第一層第二混煉腔通過循環(huán)口連通；所述軸帶動轉子轉動時，由于凸輪外壁輪廓變化，各混煉腔的容積發(fā)生周期性的變化，其中同層的兩個混煉腔容積變化相反，不同層的由循環(huán)口相連通的兩個混煉腔容積變化也相反。
[0007]所述一種可用于原位成型的微量聚合物復合材料循環(huán)混煉裝置還包括原位成型模塊，所述原位成型模塊包含儲料腔蓋板、活塞板、活塞底板和軸；所述活塞底板緊貼活塞板，且以間隙配合裝配在軸上，其端部由圓螺母實現(xiàn)軸向固定；所述儲料腔蓋板一端設有圓柱形空腔，另一端設有階梯形出口 ；所述活塞板連同活塞底板可動地套入儲料腔蓋板的圓柱形空腔內構成儲料腔，所述儲料腔與出口連通；在軸的推動下，活塞板和活塞底板可沿儲料腔蓋板的圓柱形空腔內壁滑動，從而改變儲料腔的容積。
[0008]所述隔板和隔板底板貼緊安裝后，沿撥槽撥動撥桿可調整循環(huán)口和循環(huán)口調控孔之間的相對位置，從而依次實現(xiàn)“全開”、“開-關”和“全關”三種不同工作狀態(tài)。
[0009]所述活塞板和活塞底板貼緊安裝后，沿撥槽撥動撥桿可調整出料口和出料口調控孔之間的相對位置，從而依次實現(xiàn)“全關”、“關-開”和“開-關”三種不同工作狀態(tài)。
[0010]所述一種可用于原位成型的微量聚合物復合材料循環(huán)混煉裝置的工作原理如下:先調整轉子及撥桿至初始位置，此時第一層第一混煉腔和第二層第一混煉腔的容積為最大值，循環(huán)口處于“全開”位置，出料口處于“全關”位置；接著將聚合物復合材料分別通過第一投料口和第二投料口投入第一層第一混煉腔和第二層第一混煉腔內，然后將兩個投料口用螺塞堵?。辉谳S帶動下，轉子作勻速轉動，在轉子轉動的前半周，第一層第一混煉腔的容積逐漸減小，同時與之連通的第二層第二混煉腔容積逐漸增大，在料筒外壁電加熱輔助作用下，第一層第一混煉腔內的聚合物復合材料不斷融化，并在容積變化產生的正壓力作用下通過循環(huán)口流入第二層第二混煉腔，同理第二層第一混煉腔內的聚合物復合材料則通過循環(huán)口流入第一層第二混煉腔；在轉子轉動的后半周，第二層第二混煉腔容積逐漸減小，同時與之連通的第一層第一混煉腔的容積逐漸增大，在容積變化產生的正壓力作用下聚合物復合材料通過循環(huán)口又流回第一層第一混煉腔，同理第一層第二混煉腔內的聚合物復合材料則通過循環(huán)口流回第二層第一混煉腔；可見，轉子每轉動一周，原先位于第一層第一混煉腔和第二層第一混煉腔內的聚合物復合材料便各自完成一個來回的混煉過程；因此，只需連續(xù)轉動轉子便可實現(xiàn)聚合物復合材料不限次數(shù)的循環(huán)混煉過程，直至達到預定的混煉效果O
[0011]循環(huán)混煉結束后，撥動所述一種可用于原位成型的微量聚合物復合材料循環(huán)混煉裝置的撥桿，使連接第一層第一混煉腔與第二層第二混煉腔的循環(huán)口處于打開位置，連接第一層第二混煉腔與第二層第一混煉腔的循環(huán)口處于關閉位置，與第二層第二混煉腔連通的出料口處于關閉位置，與第二層第一混煉腔連通的出料口處于打開位置；轉動轉子半周，此時第二層第一混煉腔的容積逐漸減小，腔內的聚合物復合材料通過出料口流入儲料腔內，同時第一層第一混煉腔的容積也逐漸減小，腔內的聚合物復合材料通過循環(huán)口流入第二層第二混煉腔；再次撥動撥桿，使循環(huán)口處于“全關”位置，與第二層第二混煉腔連通的出料口處于打開位置，與第二層第一混煉腔連通的出料口處于關閉位置；再轉動轉子半周，此時第二層第二混煉腔的容積逐漸減小，腔內的聚合物復合材料通過出料口流入儲料腔內；至此，所述循環(huán)混煉模塊四個混煉腔內的聚合物復合材料均已匯入儲料腔內，撥動撥桿使出料口復位至“全關”位置，為原位成型做好準備。
[0012]所述儲料腔儲料完成后，推動軸沿鍵向儲料腔一端作直線運動，此時軸向固定在軸上的活塞板和活塞底板一起在儲料腔蓋板的圓柱形空腔內壁作活塞運動，推動儲料腔內的聚合物復合材料從出口射出；只需在出口處連接注塑或擠出等聚合物材料成型模具，并調整軸的直線運動速度，便可實現(xiàn)微量聚合物復合材料的原位成型過程。
[0013]本發(fā)明具有實質新穎性，主要特色在于:結構上實現(xiàn)了聚合物復合材料的不限次數(shù)循環(huán)混煉過程，顯著降低了對混煉元件長度的要求；同時，可實現(xiàn)聚合物復合材料的原位成型過程，相比于傳統(tǒng)的“混煉-造粒-成型”分離式成型過程，能最大限度地保留復合材料成型前的混煉形態(tài)。
[0014]本發(fā)明還具有如下優(yōu)點:1、裝置尺寸小，適用于微量聚合物復合材料的混煉及原位成型過程；2、循環(huán)混煉過程主要基于正壓力作用的拉伸流場，相比于傳統(tǒng)的剪切流場，更有利于保留聚合物復合材料中填料的形態(tài)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明裝置三維結構的裝配爆炸圖。
[0016]圖2是本發(fā)明裝置結構初始位置剖視圖。
[0017]圖3是圖2中的D-D剖視圖。
[0018]圖4是圖2中的E-E剖視圖。
[0019]圖5是圖2中的F-F剖視圖。
[0020]圖6是圖4中的G向視圖。
[0021]圖7是隔板和隔板底板的初始相對位置圖。
[0022]圖8是活塞板和活塞底板的初始相對位置圖。
[0023]圖中:10_端蓋；20_凸輪軸；30_滑片；40_彈簧；50_第一半筒；60_第二半筒；70-活塞板；80_活塞底板；90_圓螺母；100-軸承；110-儲料腔蓋板；120-第一半底板；130-第二半底板；140_軸；150_鍵；201-第一凸輪；202_第二凸輪；501_第一半隔板；601-第二半隔板;502、602_導槽;603_第一投料口 ;604_第二投料口 ;503、1101_撥槽；1102-出口 ；801、1201-撥桿；A1_第一層第一混煉腔；A2_第一層第二混煉腔；B1_第二層第一混煉腔；B2-第二層第二混煉腔；C-儲料腔；K11、K12-循環(huán)口 ；L11、L12-循環(huán)口調控孔；K21、K22-出料口 ；L21、L22-出料口調控孔。

【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明要求保護的范圍并不局限于實施例表述的范圍。
[0025]參照圖1?圖8，本發(fā)明提供的一種可用于原位成型的微量聚合物復合材料循環(huán)混煉裝置包含循環(huán)混煉模塊，所述循環(huán)混煉模塊包括料筒、轉子、滑片30、彈簧40、隔板底板、端蓋10、軸140和活塞板70 ;所述料筒由第一半筒50和第二半筒60組成，所述第一半筒50和第二半筒60各自兩端均設有兩個等徑半圓柱形孔，兩個半圓柱形孔之間分別由半環(huán)形第一半隔板501和第二半隔板601隔開；所述第一半隔板501和第二半隔板601同軸裝配后組成隔板，且分別設有循環(huán)口 K12和Kll ;所述第一半筒50和第二半筒60各自兩端的內壁中央分別設有導槽502和602，且所述第二半筒60外壁沿徑向設有第一投料口 603和第二投料口 604 ;所述轉子由凸輪軸20上反向布置且軸向錯開的第一凸輪201和第二凸輪202組成，所述凸輪軸20通過鍵150安裝于軸140上；所述隔板底板由第一半底板120和第二半底板130組成，所述第一半底板120和第二半底板130上分別設有一個循環(huán)口調控孔L12和LI I ;所述滑片30通過所述彈簧40安裝于導槽502和602內，且可隨彈簧40的伸縮在導槽502和602內來回滑動；所述活塞板70通過軸承100安裝于軸140上，所述軸140通過鍵150可帶動轉子轉動，同時可沿鍵150長度方向作直線運動。
[0026]所述料筒、轉子、活塞板70和端蓋10同軸安裝后，在彈簧40作用下滑片30 —端緊貼在第一凸輪201和第二凸輪202外壁上，此時第一凸輪201的外壁、料筒內壁、端蓋10內壁、隔板底板外壁和滑片30側壁構成第一層第一混煉腔Al和第一層第二混煉腔A2，第二凸輪202的外壁、料筒內壁、活塞板70外壁、隔板外壁和滑片30側壁構成第二層第一混煉腔BI和第二層第二混煉腔B2 ;所述第一層第一混煉腔Al與第一投料口 603連通，且與第二層第二混煉腔B2通過循環(huán)口 Kll連通，所述第二層第一混煉腔BI與第二投料口 604連通，且與第一層第二混煉腔A2通過循環(huán)口 K12連通；所述軸140帶動轉子轉動時，由于凸輪外壁輪廓變化，各混煉腔的容積發(fā)生周期性的變化，其中同層的兩個混煉腔容積變化相反，不同層的由循環(huán)口相連通的兩個混煉腔容積變化也相反。
[0027]所述一種可用于原位成型的微量聚合物復合材料循環(huán)混煉裝置還包括原位成型模塊，所述原位成型模塊包含儲料腔蓋板110、活塞板70、活塞底板80和軸140 ;所述活塞底板80緊貼活塞板70，且以間隙配合裝配在軸140上，其端部由圓螺母90實現(xiàn)軸向固定；所述儲料腔蓋板110 —端設有圓柱形空腔，另一端設有階梯形出口 1102 ;所述活塞板70連同活塞底板80可動地套入儲料腔蓋板110的圓柱形空腔內構成儲料腔C，所述儲料腔C與出口 1102連通；在軸140的推動下，活塞板70和活塞底板80可沿儲料腔蓋板110的圓柱形空腔內壁滑動，從而改變儲料腔C的容積。
[0028]所述隔板和隔板底板貼緊安裝后，沿撥槽503撥動撥桿1201可調整循環(huán)口 K11、K12和循環(huán)口調控孔LU、L12之間的相對位置，從而依次實現(xiàn)“全開”、“開-關”和“全關”三種不同工作狀態(tài)。
[0029]所述活塞板70和活塞底板80貼緊安裝后，沿撥槽1101撥動撥桿801可調整出料口 K21、K22和出料口調控孔L21、L22之間的相對位置，從而依次實現(xiàn)“全關”、“關-開”和“開-關”三種不同工作狀態(tài)。
[0030]所述一種可用于原位成型的微量聚合物復合材料循環(huán)混煉裝置工作時，先調整轉子及撥桿801、1201至圖中所示初始位置，此時第一層第一混煉腔Al和第二層第一混煉腔BI的容積為最大值，循環(huán)口處于“全開”位置，出料口處于“全關”位置；接著將聚合物復合材料分別通過第一投料口 603和第二投料口 604投入第一層第一混煉腔Al和第二層第一混煉腔BI內，然后將兩個投料口用螺塞堵?。辉谳S140帶動下，轉子作勻速轉動，在轉子轉動的前半周，第一層第一混煉腔Al的容積逐漸減小，同時與之連通的第二層第二混煉腔B2容積逐漸增大，在料筒外壁電加熱輔助作用下，第一層第一混煉腔Al內的聚合物復合材料不斷融化，并在容積變化產生的正壓力作用下通過循環(huán)口 Kll流入第二層第二混煉腔B2，同理第二層第一混煉腔BI內的聚合物復合材料則通過循環(huán)口 K12流入第一層第二混煉腔A2 ;在轉子轉動的后半周，第二層第二混煉腔B2容積逐漸減小，同時與之連通的第一層第一混煉腔Al的容積逐漸增大，在容積變化產生的正壓力作用下聚合物復合材料通過循環(huán)口 Kll又流回第一層第一混煉腔Al，同理第一層第二混煉腔A2內的聚合物復合材料則通過循環(huán)口 K12流回第二層第一混煉腔BI ;可見，轉子每轉動一周，原先位于第一層第一混煉腔Al和第二層第一混煉腔BI內的聚合物復合材料便各自完成一個來回的混煉過程；因此，只需連續(xù)轉動轉子便可實現(xiàn)聚合物復合材料不限次數(shù)的循環(huán)混煉過程，直至達到預定的混煉效果。
[0031]循環(huán)混煉結束后，撥動所述一種可用于原位成型的微量聚合物復合材料循環(huán)混煉裝置的撥桿801和1201，使連接第一層第一混煉腔Al與第二層第二混煉腔B2的循環(huán)口 Kll處于打開位置，連接第一層第二混煉腔A2與第二層第一混煉腔BI的循環(huán)口 K12處于關閉位置，與第二層第二混煉腔B2連通的出料口 K21處于關閉位置，與第二層第一混煉腔BI連通的出料口 K22處于打開位置；轉動轉子半周，此時第二層第一混煉腔BI的容積逐漸減小，腔內的聚合物復合材料通過出料口 K22流入儲料腔C內，同時第一層第一混煉腔Al的容積也逐漸減小，腔內的聚合物復合材料通過循環(huán)口 Kll流入第二層第二混煉腔B2 ;再次撥動撥桿801和1201，使循環(huán)口處于“全關”位置，與第二層第二混煉腔B2連通的出料口 K21處于打開位置，與第二層第一混煉腔BI連通的出料口 K22處于關閉位置；再轉動轉子半周，此時第二層第二混煉腔B2的容積逐漸減小，腔內的聚合物復合材料通過出料口 K21流入儲料腔C內；至此，所述循環(huán)混煉模塊四個混煉腔內的聚合物復合材料均已匯入儲料腔C內，撥動撥桿801使出料口復位至“全關”位置，為原位成型做好準備。
[0032]所述儲料腔C儲料完成后，推動軸140沿鍵150向儲料腔C 一端作直線運動，此時軸向固定在軸140上的活塞板70和活塞底板80 —起在儲料腔蓋板110的圓柱形空腔內壁作活塞運動，推動儲料腔C內的聚合物復合材料從出口 1102射出；只需在出口 1102處連接注塑或擠出等聚合物材料成型模具，并調整軸140的直線運動速度，便可實現(xiàn)微量聚合物復合材料的原位成型過程。
【權利要求】
1.一種可用于原位成型的微量聚合物復合材料循環(huán)混煉裝置，其特征在于:包含循環(huán)混煉模塊，所述循環(huán)混煉模塊包括料筒、轉子、滑片、彈簧、隔板底板、端蓋、軸和活塞板；所述料筒由第一、第二半筒組成，所述第一、第二半筒各自兩端均設有兩個等徑半圓柱形孔，兩個半圓柱形孔之間分別由半環(huán)形第一、第二半隔板隔開；所述第一、第二半隔板同軸裝配后組成隔板，且分別設有循環(huán)口 ；所述第一、第二半筒各自兩端的內壁中央分別設有導槽，且所述第二半筒外壁沿徑向設有第一、第二投料口 ；所述轉子由凸輪軸上反向布置且軸向錯開的第一、第二凸輪組成，所述凸輪軸通過鍵安裝于軸上；所述隔板底板由第一、第二半底板組成，所述第一、第二半底板上分別設有一個循環(huán)口調控孔；所述滑片通過所述彈簧安裝于導槽內，且可隨彈簧的伸縮在導槽內來回滑動；所述活塞板通過軸承安裝于軸上，所述軸通過鍵可帶動轉子轉動，同時可沿鍵長度方向作直線運動。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種可用于原位成型的微量聚合物復合材料循環(huán)混煉裝置，其特征在于:所述料筒、轉子、活塞板和端蓋同軸安裝后，在彈簧作用下滑片一端緊貼第一、第二凸輪外壁，第一凸輪外壁、料筒內壁、端蓋內壁、隔板底板外壁和滑片側壁構成第一層第一、第二混煉腔，第二凸輪外壁、料筒內壁、活塞板外壁、隔板外壁和滑片側壁構成第二層第一、第二混煉腔；所述第一層第一混煉腔與第一投料口連通，且與第二層第二混煉腔通過循環(huán)口連通，所述第二層第一混煉腔與第二投料口連通，且與第一層第二混煉腔通過循環(huán)口連通；所述軸帶動轉子轉動時，由于凸輪外壁輪廓變化，各混煉腔的容積發(fā)生周期性的變化。
【文檔編號】B29B7/74GK104400928SQ201410669258
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月11日 優(yōu)先權日:2014年11月11日
【發(fā)明者】楊燦, 尹曉紅, 闞君武, 李熹平, 程光明 申請人:浙江師范大學