非極性聚合物的塑化方法及設(shè)備和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及非極性聚合物的塑化技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種非極性聚合物的塑化方法及設(shè)備和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]塑料已廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域中，成為四大基礎(chǔ)材料之一。塑料產(chǎn)業(yè)是輕工業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)之一，塑料加工成型機(jī)械是輕工裝備的重要組成部分。隨著輕工業(yè)的生產(chǎn)方式向“綠色”轉(zhuǎn)變，低耗、高效、環(huán)保型的加工成型技術(shù)正成為塑料加工行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，每一次技術(shù)創(chuàng)新性研宄都會(huì)推動(dòng)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。
[0003]目前的塑料加工成型是物料在熱機(jī)械作用下的形變過(guò)程，普遍來(lái)說(shuō)，是采用的擠出或注射成型都是剪切力場(chǎng)起主導(dǎo)作用的塑化輸運(yùn)過(guò)程作業(yè)。該加工方法普遍存在物料塑化輸運(yùn)所經(jīng)歷的能耗高、對(duì)物料特性依賴性強(qiáng)等缺陷，并造成聚合物和添加劑的降解而降低制品的性能和回收性。
[0004]因此，在高分子成型加工領(lǐng)域遭遇到了這樣一個(gè)基本的科學(xué)問(wèn)題，即高分子材料能否在成型過(guò)程中保持事先優(yōu)化設(shè)計(jì)的材料微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)。解決這些問(wèn)題的有效辦法是縮短聚合物塑化輸運(yùn)所經(jīng)歷的熱機(jī)械歷程和降低加工溫度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]基于此，有必要針對(duì)上述問(wèn)題，提供一種非極性聚合物的塑化方法及設(shè)備和系統(tǒng)。采用該塑化方法及設(shè)備或系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)非極性聚合物的低溫成型加工。
[0006]一種非極性聚合物的塑化方法，包括以下步驟:
[0007]對(duì)非極性聚合物施加正應(yīng)力，使該非極性聚合物局部產(chǎn)生變形、裂痕，出現(xiàn)微界面，該微界面上非極性聚合物的分子鏈被扭曲、變形、錯(cuò)位或斷裂而呈電極性；
[0008]同時(shí)，對(duì)所述非極性聚合物施加高頻電場(chǎng)，使所述呈電極性的聚合物分子在高頻電場(chǎng)中發(fā)生振動(dòng)，分子間相互碰撞、磨擦而產(chǎn)生熱能，致使所述非極性聚合物被加熱而熔融軟化，進(jìn)而產(chǎn)生塑化流動(dòng)，進(jìn)行塑化。
[0009]在常規(guī)技術(shù)中，如何使聚合物在較低溫度下實(shí)現(xiàn)塑化流動(dòng)進(jìn)而成型一直是聚合物加工領(lǐng)域的重點(diǎn)問(wèn)題，可能的研宄方向集中在聚合物擠脹成型加工、壓塑性聚合物壓力加工、聚合物高頻電場(chǎng)焊接加工等領(lǐng)域。
[0010]本發(fā)明人經(jīng)過(guò)大量考察研宄后總結(jié)發(fā)現(xiàn)，擠脹成型加工中，擠脹成型是一種塑性成型方法，預(yù)成型的管坯在組合外力的作用下沿徑向向外擴(kuò)張，通過(guò)塑性變形形成與模具型腔相一致的制品具有成型設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，被加工物料不產(chǎn)生相變，能耗少等優(yōu)點(diǎn)。塑料擠脹成型只是一種塑料二次成型方法，是對(duì)塑料管坯施加內(nèi)壓，使其在脹形壓力作用下沿徑向向外擴(kuò)張，在固相下產(chǎn)生塑性變形，即在結(jié)晶態(tài)或玻璃態(tài)下的塑性成型，主要適用于成型管類零件，無(wú)法廣泛應(yīng)用于其它塑料制品。
[0011]壓塑性聚合物壓力加工中，壓力可使聚苯乙烯嵌段聚丙烯酸正丁酯(PS-b-PBMA)產(chǎn)生熔體式的流動(dòng)行為。這種行為已經(jīng)在其他一系列嵌段共聚物體系中相繼發(fā)現(xiàn)，這些聚合物被稱為壓塑性塑料。美國(guó)MIT的Mayes教授在Nature雜志上報(bào)道了某些壓塑性塑料在室溫下表現(xiàn)出熔體式的流動(dòng)行為，這一體系的兩種成份分別是納米相尺度的高-Tg和低-Tg聚合物。雖然這類嵌段共聚物取代今天的通用塑料有潛在的弊端，一方面，其合成工藝較為復(fù)雜，成本較高，另一方面，可合成的嵌段共聚物有限。但是作為塑料加工的一個(gè)新范例，壓塑性塑料的半固態(tài)加工為塑料低溫成型帶來(lái)了希望。
[0012]而在聚合物高頻電場(chǎng)焊接加工中，前人采用高頻電場(chǎng)技術(shù)對(duì)聚合物材料進(jìn)行焊接等加工，節(jié)約了能源，提高了效率。但是他們只能對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂等介電損失系數(shù)大的聚合物進(jìn)行加工，然而一般聚合物的介電損耗都非常小(tanS = 10_3?10_4)，換言之，大多數(shù)熱塑性聚合物都不具備高頻介質(zhì)加熱的條件。
[0013]因此，對(duì)于聚合物低溫塑化加工，塑料擠脹成型加工方法可使聚合物材料在固相下產(chǎn)生塑性變形，即實(shí)現(xiàn)在結(jié)晶態(tài)或玻璃態(tài)下的低溫塑性成型；一些嵌段共聚物由于自身特別的結(jié)構(gòu)而能夠在低溫條件下在一定壓力誘導(dǎo)作用下可以實(shí)現(xiàn)流動(dòng)而成型；而一些具有較高介電常數(shù)和介電損耗的極性聚合物也可以實(shí)現(xiàn)高頻電場(chǎng)加熱熔融塑化。但上述加工方法或者依賴于熱成型前處理且局限于加工管類制品，或者局限于加工某一類特定的聚合物材料，而對(duì)于一些通用的既不屬于嵌段共聚物，且大多數(shù)為非極性的聚烯烴材料(如聚乙烯、聚丙烯)，不論是壓力誘導(dǎo)還是高頻電場(chǎng)加熱均難以實(shí)現(xiàn)低溫塑化成型加工。
[0014]但是，本發(fā)明人經(jīng)過(guò)大量的基礎(chǔ)研宄和實(shí)驗(yàn)摸索后發(fā)現(xiàn)，給聚合物固體施加正應(yīng)力(輥壓應(yīng)力)后，聚合物固體會(huì)產(chǎn)生裂紋，而聚合物固體的裂紋擴(kuò)展力GI (t) —旦達(dá)到極限平衡條件，裂紋就將失穩(wěn)擴(kuò)展，且裂紋擴(kuò)展力與輥壓應(yīng)力的4次方成正比，與輥壓扭矩N的4次方成正比，隨著聚合物的黏度和彈性模量E的增大而減小。因此，將固態(tài)聚烯烴類材料(非極性聚合物)施加足夠大的正應(yīng)力(輥壓應(yīng)力)后，在該正應(yīng)力作用下該非極性聚合物將不可避免地在某些局部產(chǎn)生變形、裂痕、缺陷等，出現(xiàn)許多微界面，這些界面上由于分子鏈被扭曲、變形甚至錯(cuò)位、斷裂而呈電極性，便可能使這些微界面上介電損耗系數(shù)tan δ大幅提尚而具備尚頻介質(zhì)加熱的條件。
[0015]也就是可利用正應(yīng)力使普通聚烯烴類高分子材料(非極性聚合物)在微觀層面的某些局部介電損耗系數(shù)tan δ ^ 0.01，從而被高頻介質(zhì)加熱熔融塑化，其他部分仍然處于固態(tài)，實(shí)現(xiàn)了類似于壓塑性塑料的低溫半固態(tài)加工的效果。
[0016]因此，本發(fā)明人在上述基礎(chǔ)上，提出了將高頻電場(chǎng)與正應(yīng)力協(xié)同作用于普通非極性聚烯烴類高分子材料(非極性聚合物)，使其半熔融成型，由于半熔融成型過(guò)程中，將高分子材料加熱至半熔融狀態(tài)所需時(shí)間較短，固液共存體系比固體的流動(dòng)阻力小，固相粒子不易變形，固相與液相的微觀結(jié)構(gòu)不同，所以，高分子材料原始粉末粒子的初始的微相分散狀態(tài)在受熱、受力和流動(dòng)作用下，僅會(huì)發(fā)生很小程度的變化，這將能夠使成型制品的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)與原始粒子初始的微相分散狀態(tài)相近，從而實(shí)現(xiàn)了在低溫條件下實(shí)現(xiàn)非極性聚合物的成型加工，并且，該低溫塑化方法具有在成型過(guò)程中能夠保持事先優(yōu)化設(shè)計(jì)的材料微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn)。
[0017]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述非極性聚合物為聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)中的至少一種。將上述材料用于本發(fā)明的塑化方法，具有特別好的效果，如常規(guī)塑化成型需要160°C左右的聚丙烯，采用本發(fā)明的塑化方法，僅需80°C左右就可實(shí)現(xiàn)成型加工；常規(guī)塑化成型需要120-130°C左右的低密度聚乙烯，采用本發(fā)明的塑化方法，僅需60°C左右就可實(shí)現(xiàn)成型加工；常規(guī)塑化成型需要140-150°C左右的高密度聚乙烯，采用本發(fā)明的塑化方法，僅需70°C左右就可實(shí)現(xiàn)成型加工。
[0018]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述高頻電場(chǎng)的頻率至少為6MHz。采用6MHz以上的電場(chǎng)頻率，具有較好的加熱效果。在實(shí)踐中，常用頻率為6.78MHz、13.56MHz、27.12MHz三種，綜合考慮成本和效果后，最佳的頻率為6.78MHzο
[0019]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述正應(yīng)力由相對(duì)回轉(zhuǎn)的輥筒的輥壓力產(chǎn)生，且所述輥筒輥壓時(shí)的扭矩為15-80N.m，如加工PP時(shí)，最佳的輥筒扭矩為20N.m，加工LDPE時(shí)，最佳的輥筒扭矩為60N.m，加工HDPE時(shí)，最佳的輥筒扭矩為22N.m。上述條件能夠很好的使非極性聚合物產(chǎn)生微界面，從而使非極性聚合物的分子鏈被扭曲、變形甚至錯(cuò)位、斷裂而呈電極性。
[0020]本發(fā)明還公開(kāi)了一種實(shí)現(xiàn)上述非極性聚合物的塑化方法的設(shè)備，包括:至少兩個(gè)輥筒、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電機(jī)、機(jī)架、進(jìn)料斗和出料部，所述電機(jī)輸出軸通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)至輥筒，所述至少兩個(gè)輥筒平行放置且異向旋轉(zhuǎn)，所述進(jìn)料斗的出口設(shè)于輥筒上方；所述出料部的入口設(shè)于輥筒下方；
[0021]該設(shè)備還包括陶瓷軸承、滑環(huán)和用于連接高頻電場(chǎng)發(fā)生器的電刷，所述輥筒通過(guò)陶瓷軸承安裝固定于機(jī)架上，所述滑環(huán)包覆于輥筒上，所述電刷與所述滑環(huán)相接觸。
[0022]上述實(shí)現(xiàn)非極性聚合物塑化方法的設(shè)備，通過(guò)在輥筒部分施加高頻電場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)將高頻電場(chǎng)與正應(yīng)力協(xié)同作用的目的。并且，為了解決將高頻電場(chǎng)引入設(shè)備所帶來(lái)的困難和產(chǎn)生的新問(wèn)題，本發(fā)明人首先選取了相互配合的滑環(huán)和電刷，通過(guò)