非极性聚合物的塑化方法及设备和系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及非极性聚合物的塑化技术领域，特别是涉及一种非极性聚合物的塑化方法及设备和系统。
【背景技术】
[0002]塑料已广泛应用于国民经济各领域中，成为四大基础材料之一。塑料产业是轻工业支柱产业之一，塑料加工成型机械是轻工装备的重要组成部分。随着轻工业的生产方式向“绿色”转变，低耗、高效、环保型的加工成型技术正成为塑料加工行业的发展趋势，每一次技术创新性研宄都会推动行业的技术进步。
[0003]目前的塑料加工成型是物料在热机械作用下的形变过程，普遍来说，是采用的挤出或注射成型都是剪切力场起主导作用的塑化输运过程作业。该加工方法普遍存在物料塑化输运所经历的能耗高、对物料特性依赖性强等缺陷，并造成聚合物和添加剂的降解而降低制品的性能和回收性。
[0004]因此，在高分子成型加工领域遭遇到了这样一个基本的科学问题，即高分子材料能否在成型过程中保持事先优化设计的材料微观结构状态。解决这些问题的有效办法是缩短聚合物塑化输运所经历的热机械历程和降低加工温度。
【发明内容】
[0005]基于此，有必要针对上述问题，提供一种非极性聚合物的塑化方法及设备和系统。采用该塑化方法及设备或系统，能够实现非极性聚合物的低温成型加工。
[0006]一种非极性聚合物的塑化方法，包括以下步骤:
[0007]对非极性聚合物施加正应力，使该非极性聚合物局部产生变形、裂痕，出现微界面，该微界面上非极性聚合物的分子链被扭曲、变形、错位或断裂而呈电极性；
[0008]同时，对所述非极性聚合物施加高频电场，使所述呈电极性的聚合物分子在高频电场中发生振动，分子间相互碰撞、磨擦而产生热能，致使所述非极性聚合物被加热而熔融软化，进而产生塑化流动，进行塑化。
[0009]在常规技术中，如何使聚合物在较低温度下实现塑化流动进而成型一直是聚合物加工领域的重点问题，可能的研宄方向集中在聚合物挤胀成型加工、压塑性聚合物压力加工、聚合物高频电场焊接加工等领域。
[0010]本发明人经过大量考察研宄后总结发现，挤胀成型加工中，挤胀成型是一种塑性成型方法，预成型的管坯在组合外力的作用下沿径向向外扩张，通过塑性变形形成与模具型腔相一致的制品具有成型设备结构简单，被加工物料不产生相变，能耗少等优点。塑料挤胀成型只是一种塑料二次成型方法，是对塑料管坯施加内压，使其在胀形压力作用下沿径向向外扩张，在固相下产生塑性变形，即在结晶态或玻璃态下的塑性成型，主要适用于成型管类零件，无法广泛应用于其它塑料制品。
[0011]压塑性聚合物压力加工中，压力可使聚苯乙烯嵌段聚丙烯酸正丁酯(PS-b-PBMA)产生熔体式的流动行为。这种行为已经在其他一系列嵌段共聚物体系中相继发现，这些聚合物被称为压塑性塑料。美国MIT的Mayes教授在Nature杂志上报道了某些压塑性塑料在室温下表现出熔体式的流动行为，这一体系的两种成份分别是纳米相尺度的高-Tg和低-Tg聚合物。虽然这类嵌段共聚物取代今天的通用塑料有潜在的弊端，一方面，其合成工艺较为复杂，成本较高，另一方面，可合成的嵌段共聚物有限。但是作为塑料加工的一个新范例，压塑性塑料的半固态加工为塑料低温成型带来了希望。
[0012]而在聚合物高频电场焊接加工中，前人采用高频电场技术对聚合物材料进行焊接等加工，节约了能源，提高了效率。但是他们只能对环氧树脂等介电损失系数大的聚合物进行加工，然而一般聚合物的介电损耗都非常小(tanS = 10_3?10_4)，换言之，大多数热塑性聚合物都不具备高频介质加热的条件。
[0013]因此，对于聚合物低温塑化加工，塑料挤胀成型加工方法可使聚合物材料在固相下产生塑性变形，即实现在结晶态或玻璃态下的低温塑性成型；一些嵌段共聚物由于自身特别的结构而能够在低温条件下在一定压力诱导作用下可以实现流动而成型；而一些具有较高介电常数和介电损耗的极性聚合物也可以实现高频电场加热熔融塑化。但上述加工方法或者依赖于热成型前处理且局限于加工管类制品，或者局限于加工某一类特定的聚合物材料，而对于一些通用的既不属于嵌段共聚物，且大多数为非极性的聚烯烃材料(如聚乙烯、聚丙烯)，不论是压力诱导还是高频电场加热均难以实现低温塑化成型加工。
[0014]但是，本发明人经过大量的基础研宄和实验摸索后发现，给聚合物固体施加正应力(辊压应力)后，聚合物固体会产生裂纹，而聚合物固体的裂纹扩展力GI (t) —旦达到极限平衡条件，裂纹就将失稳扩展，且裂纹扩展力与辊压应力的4次方成正比，与辊压扭矩N的4次方成正比，随着聚合物的黏度和弹性模量E的增大而减小。因此，将固态聚烯烃类材料(非极性聚合物)施加足够大的正应力(辊压应力)后，在该正应力作用下该非极性聚合物将不可避免地在某些局部产生变形、裂痕、缺陷等，出现许多微界面，这些界面上由于分子链被扭曲、变形甚至错位、断裂而呈电极性，便可能使这些微界面上介电损耗系数tan δ大幅提尚而具备尚频介质加热的条件。
[0015]也就是可利用正应力使普通聚烯烃类高分子材料(非极性聚合物)在微观层面的某些局部介电损耗系数tan δ ^ 0.01，从而被高频介质加热熔融塑化，其他部分仍然处于固态，实现了类似于压塑性塑料的低温半固态加工的效果。
[0016]因此，本发明人在上述基础上，提出了将高频电场与正应力协同作用于普通非极性聚烯烃类高分子材料(非极性聚合物)，使其半熔融成型，由于半熔融成型过程中，将高分子材料加热至半熔融状态所需时间较短，固液共存体系比固体的流动阻力小，固相粒子不易变形，固相与液相的微观结构不同，所以，高分子材料原始粉末粒子的初始的微相分散状态在受热、受力和流动作用下，仅会发生很小程度的变化，这将能够使成型制品的凝聚态结构与原始粒子初始的微相分散状态相近，从而实现了在低温条件下实现非极性聚合物的成型加工，并且，该低温塑化方法具有在成型过程中能够保持事先优化设计的材料微观结构状态的优点。
[0017]在其中一个实施例中，所述非极性聚合物为聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)中的至少一种。将上述材料用于本发明的塑化方法，具有特别好的效果，如常规塑化成型需要160°C左右的聚丙烯，采用本发明的塑化方法，仅需80°C左右就可实现成型加工；常规塑化成型需要120-130°C左右的低密度聚乙烯，采用本发明的塑化方法，仅需60°C左右就可实现成型加工；常规塑化成型需要140-150°C左右的高密度聚乙烯，采用本发明的塑化方法，仅需70°C左右就可实现成型加工。
[0018]在其中一个实施例中，所述高频电场的频率至少为6MHz。采用6MHz以上的电场频率，具有较好的加热效果。在实践中，常用频率为6.78MHz、13.56MHz、27.12MHz三种，综合考虑成本和效果后，最佳的频率为6.78MHzο
[0019]在其中一个实施例中，所述正应力由相对回转的辊筒的辊压力产生，且所述辊筒辊压时的扭矩为15-80N.m，如加工PP时，最佳的辊筒扭矩为20N.m，加工LDPE时，最佳的辊筒扭矩为60N.m，加工HDPE时，最佳的辊筒扭矩为22N.m。上述条件能够很好的使非极性聚合物产生微界面，从而使非极性聚合物的分子链被扭曲、变形甚至错位、断裂而呈电极性。
[0020]本发明还公开了一种实现上述非极性聚合物的塑化方法的设备，包括:至少两个辊筒、传动机构、电机、机架、进料斗和出料部，所述电机输出轴通过传动机构传动至辊筒，所述至少两个辊筒平行放置且异向旋转，所述进料斗的出口设于辊筒上方；所述出料部的入口设于辊筒下方；
[0021]该设备还包括陶瓷轴承、滑环和用于连接高频电场发生器的电刷，所述辊筒通过陶瓷轴承安装固定于机架上，所述滑环包覆于辊筒上，所述电刷与所述滑环相接触。
[0022]上述实现非极性聚合物塑化方法的设备，通过在辊筒部分施加高频电场，从而实现将高频电场与正应力协同作用的目的。并且，为了解决将高频电场引入设备所带来的困难和产生的新问题，本发明人首先选取了相互配合的滑环和电刷，通过