一种新型聚合物的超声波辅助塑化及混炼装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种新型聚合物的超声波辅助塑化及混炼装置，包括超声波发生器(1)、加压杆(2)、腔体(3)、动力系统(4)、底座(5)、转子(6)、加料斗(7)和控制系统，通过加压杆引入超声波振动力场，将能量传递给腔体中的高分子材料等成分，通过腔体传热、剪切和超声波振动力场的作用来完成塑化和混炼过程。控制系统是基于数模转换基础上的计算机控制系统，包括温度控制系统、转速调节控制系统、超声波控制系统、输出显示系统等，通过计算机软件实现超声波强度和频率控制，温度、转速和扭矩的测量、控制，测试数据的记录和输出等。所述超声波辅助塑化及混炼装置具有塑化速度快、混合效果好、分散性能优异等优点。
【专利说明】
-种新型聚合物的超声波辅助塑化及混炼装置
技术领域
[0001] 本实用新型设及高分子材料加工设备技术领域，特别设及一种采用超声波振动力 场改善高分子材料塑化效率和混炼效果的设备。
【背景技术】
[0002] 塑化和混炼是高分子材料成型加工的重要过程，可W采用双螺杆挤出机、单螺杆 挤出机、密炼机和转矩流变仪进行。其中，转矩流变仪是用于高分子材料成型加工与流变性 能测试的基本实验设备，可用于高分子材料的配方设计、工艺研究和流变性能测试。然而， 转矩流变仪的塑化烙融主要靠外加热和剪切热，由于转子的剪切作用力比晒合的双螺杆挤 出机要弱，在实际应用过程中存在物料塑化效率低、塑化不均匀和混炼效果较差等不足。
[0003] 在高分子材料加工过程中引入振动力场，可提高高分子材料在挤出和注塑过程中 的塑化效率，降低烙体的粘性和弹性，提高烙体输送效率，增强混合分散效果，从而改善挤 出和注塑成型制品的质量和产量。崔金平等人在挤出机螺杆的轴向方向叠加振动力场，实 现塑化和加工性能的改善，降低能耗，改善制品品质，在聚合物的共混改性和成型加工领域 应用广泛。蒋炳炎等人将超声波引入毛细管流变仪，在流动方向引入超声波，运用超声波对 塑料进行塑化，克服传统加热和剪切塑化效率低、塑化不均匀等问题，具有塑化效率高等优 点，可克服现有塑化技术存在的塑料烙体充填困难、易出现充填不足的挑战，在微注塑领域 具有广泛的应用前景。
[0004] 超声波是频率高於20kHz的一种弹性机械波，其工作原理是基于W下四个方面： (1)线性的交变振动作用，利用超声波在媒体中传播时，使媒体粒子作交变振动，引起媒体 中的应力或声压周期性变化，从而引起一系列次级反应；（2)大振幅振动在媒体中传播时会 形成银齿形波面的周期性激波，在波面上造成很大的压强梯度，因而产生局部高溫高压等 一系列特殊效应；（3)振动的非线性会引起相互靠近的柏努力，由粘度的周期性变化引起的 直流平均粘滞力等，从而产生定向作用和凝聚作用等力学效应；（4)空化作用，为液体和烙 体的混合均匀产生有利的影响。
[0005] 将超声波应用于聚合物塑化和混炼，在改善聚合物的结晶形态、降低烙体的表观 粘度、减小混合粒子尺寸、提高均匀性和节约能源等方面具有明显优势。
[0006] 因此，将超声波运种振动力场引入转子型混炼设备中，可提高塑化效率、改善混炼 效果、解决高填充和高粘度体系的加工。 【实用新型内容】
[0007] 本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种新型聚合物的超声 波辅助塑化及混炼装置，在通过加压杆引入超声波振动力场，产生动态加工效果场，实现快 速塑化、提高混炼效果和模拟动态条件下的烙体流变行为。
[000引本实用新型的目的通过下述技术方案实现：
[0009] -种新型聚合物的超声波辅助塑化及混炼装置，包括超声波发生器1、加压杆2、腔 体3、动力系统4、底座5、转子6、加料斗7和控制系统，其中所述超声波发生器I产生的振动能 量传递到所述加压杆2，通过所述加压杆2引入超声波振动力场，将能量传递给所述腔体3中 的高分子物料，通过所述腔体3传热、剪切和超声波振动力场的作用来完成塑化和混炼过 程。
[0010] 进一步地，所述腔体3是由连通的两个圆柱形孔桐组成，所述腔体3的上面有一个 孔桐，腔体外面配备有加热系统和热电偶，用于对所述腔体3进行加热和控溫。
[0011] 进一步地，所述转子6是表面设计有棱槽结构的混炼单元，所述转子6通过传动轴 与所述动力系统4进行连接，并通过所述控制系统调节所述转子6转动的快慢，物料加入所 述腔体3后通过所述转子6的转动实现剪切、流动和混合。
[0012] 进一步地，所述加压杆2是装载在所述腔体3的孔桐上面的一个具有加压、密封效 果的金属杆，起到连接所述超声波发生器1与所述腔体3的作用。
[0013] 进一步地，所述加料斗7是一个内部为空屯、的圆柱体，所述加料斗7与所述加压杆2 之间为过渡配合，起到引导和固定所述加压杆2的作用。
[0014] 进一步地，所述超声波发生器1包括压电陶瓷晶片、换能器和冷却风扇，其中，所述 换能器连接有变幅杆，所述变幅杆与所述加压杆2进行连接，通过所述压电陶瓷晶片发生 超声波，然后通过所述换能器将振动能量传递到所述加压杆2。
[0015] 进一步地，所述动力系统4包括电机、变速箱和传动轴，所述动力系统4的作用是为 所述转子6的旋转提供动力，通过所述控制系统实现所述转子6的转速的无级调速。
[0016] 进一步地，所述控制系统包括溫度控制系统、转速调节控制系统、超声波控制系 统、输出显示控制系统，
[0017] 进一步地，所述控制系统是基于数模转换基础上的计算机控制系统，通过计算机 软件实现超声波强度和频率控制，溫度、转速和扭矩的测量、控制，测试数据的记录和输出。
[0018] 进一步地，所述溫度控制系统用于测量和调节溫度，为所述腔体3内部的物料提供 一部分热量来源，所述输出显示控制系统用于记录溫度、转矩随时间的变化关系，并W数值 和曲线的方式显示出来。
[0019] 与传统的转子型混炼设备相比，本实用新型通过引入超声波振动力场，具有W下 有益效果及优点：
[0020] 1、将瞬间发热、强度可控的超声波引入混炼过程，加快烙融塑化过程，提供烙融塑 化的均匀性，节约能源，提高效率。
[0021] 2、利用超声波对烙体和液体类媒介的空化作用机理，在较低剪切条件下对部分相 容体系的烙融分散具有良好的促进效果，分散相尺寸降低，尺寸分布更加均匀效。
[0022] 3、超声波辅助烙融和分散效应可降低烙融共混过程中的剪切力、缩短受热历史， 可克服传统方法因受热时间长、剪切力大造成的分子量降低、变色等副反应的发生。
【附图说明】
[0023] 图1是本实用新型中公开的一种新型聚合物的超声波辅助塑化及混炼装置的侧视 图；
[0024] 图2是本实用新型中公开的一种新型聚合物的超声波辅助塑化及混炼装置的主视 图；
[0025] 图3是本实用新型中控制系统结构组成示意图。
【具体实施方式】
[0026] 为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，W下 参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例 仅仅用W解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0027] 实施例
[002引参见图1至图3,其中1为超声波发生器，2为加压杆，3为腔体，4为动力系统，5为底 座，6为转子，7为加料斗。控制系统包括超声波控制系统、溫度控制系统、转速调节控制系统 和输出显示控制系统组成。其中所述超声波发生器产生的振动能量传递到所述加压杆，通 过所述加压杆引入超声波振动力场，将能量传递给所述腔体中的高分子物料，通过所述腔 体传热、剪切和超声波振动力场的作用来完成塑化和混炼过程。
[0029] 其中，所述腔体是由连通的两个圆柱形孔桐组成，所述腔体的上面有一个孔桐，腔 体外面配备有加热系统和热电偶，用于对所述腔体进行加热和控溫。
[0030] 其中，所述转子是表面设计有棱槽结构的混炼单元，所述转子通过传动轴与所述 动力系统进行连接，并通过所述控制系统调节所述转子转动的快慢，物料加入所述腔体后 通过所述转子的转动实现剪切、流动和混合。
[0031] 其中，所述加压杆是装载在所述腔体的孔桐上面的一个具有加压、密封效果的金 属杆，起到连接所述超声波发生器与所述腔体的作用。
[0032] 其中，所述加料斗是一个内部为空屯、的圆柱体，所述加料斗与所述加压杆之间为 过渡配合，起到引导和固定所述加压杆的作用。
[0033] 其中，所述超声波发生器1包括压电陶瓷晶片、换能器和冷却风扇，其中，所述换能 器连接有变幅杆，所述变幅杆与所述加压杆进行连接，通过所述压电陶瓷晶片发生超声波， 然后通过所述换能器将振动能量传递到所述加压杆。
[0034] 其中，所述动力系统包括电机、变速箱和传动轴，所述动力系统的作用是为所述转 子的旋转提供动力，通过所述控制系统实现所述转子的转速的无级调速。
[0035] 超声波发生器通过压电陶瓷晶片发生超声波，通过换能器将振动能量传递到加压 杆，加压杆通过腔体上部的孔桐压入腔体内部，与腔体内的物料直接接触，从而将振动能 传递到腔体内的物料。动力系统由电机、传动轴和减速器组成，转子与传动轴连接，动力由 电机通过传动轴驱动转子产生旋转，转速调节控制系统可调节电机的转速，从而实现转子 的无极调速。腔体内部设置有热电偶和加热丝，溫度控制系统可测量和调节溫度，为腔体内 部的物料提供一部分热量来源。输出显示控制系统可记录溫度、转矩随时间的变化关系，并 W数值和曲线的方式显示出来。
[0036] 本发明的一种超声波辅助塑化混炼装置的工作原理如下:进行共混、塑化或测试 时，预先设定腔体溫度、转速和超声波发生器的参数，当溫度达到预设溫度并稳定20分钟 后，启动转子，通过腔体上部的加料口将物料加入到腔体内部，装上压杆，同时启动超声波 发生器，转子的转动提供剪切力和混合动力，实现物料在腔体内部的流动和混合;物料的热 量来源有=个方面:一是热量通过腔体壁直接将热量传递给物料，二是转子转动产生的剪 切作用力产生热量，=是超声波发生器产生的转动能通过压杆传递给物料。
[0037] 与没有超声波辅助塑化的混炼装置相比，本发明的塑化情况和混合效果对比如表 1至表3所示。
[0038] 表1单一塑料的烙融塑化时间比较
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[0045]从表1至表3的对比数据可知，采用超声波辅助塑化装置进行塑化、烙融混炼时，最 大扭矩和平衡扭矩相对较小，混炼时间能缩短2~5S，分散相的最大尺寸也相对较小，说明 超声波辅助塑化装置在塑化、烙融混炼和分散方面都具有一定优势。
[0046]上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述 实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替 代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种新型聚合物的超声波辅助塑化及混炼装置，其特征在于，包括超声波发生器 (1) 、加压杆(2)、腔体(3)、动力系统(4)、底座(5)、转子(6)、加料斗(7)和控制系统，其中所 述超声波发生器（1)产生的振动能量传递到与其连接的所述加压杆(2)，通过所述加压杆 (2) 引入超声波振动力场，将能量传递给所述腔体(3)中的高分子物料，通过所述腔体(3)传 热、剪切和超声波振动力场的作用来完成塑化和混炼过程； 所述转子(6)是表面设计有棱槽结构的混炼单元，所述转子(6)位于所述腔体(3)内部， 然后通过传动轴与所述动力系统(4)进行连接，并通过所述控制系统调节所述转子(6)转动 的快慢，物料加入所述腔体(3)后通过所述转子(6)的转动实现剪切、流动和混合； 所述动力系统(4)固定于所述底座(5)上； 所述加料斗（7)位于所述超声波发生器（1)以及所述腔体(3)之间，用于与所述加压杆 (2)之间为过渡配合，起到引导和固定所述加压杆(2)的作用。2. 根据权利要求1所述的一种新型聚合物的超声波辅助塑化及混炼装置，其特征在于， 所述腔体(3)是由连通的两个圆柱形孔洞组成，所述腔体(3)的上面有一个孔洞，腔体 外面配备有加热系统和热电偶，用于对所述腔体(3)进行加热和控温。3. 根据权利要求1所述的一种新型聚合物的超声波辅助塑化及混炼装置，其特征在于， 所述加压杆（2)是装载在所述腔体（3)的孔洞上面的一个具有加压、密封效果的金属 杆，起到连接所述超声波发生器(1)与所述腔体(3)的作用。4. 根据权利要求1所述的一种新型聚合物的超声波辅助塑化及混炼装置，其特征在于， 所述加料斗（7)是一个内部为空心的圆柱体，所述加料斗（7)与所述加压杆(2)之间为 过渡配合，起到引导和固定所述加压杆(2)的作用。5. 根据权利要求1所述的一种新型聚合物的超声波辅助塑化及混炼装置，其特征在于， 所述超声波发生器（1)包括压电陶瓷晶片、换能器和冷却风扇，其中，所述换能器连接 有变幅杆，所述变幅杆与所述加压杆(2)进行连接，通过所述压电陶瓷晶片发生超声波，然 后通过所述换能器将振动能量传递到所述加压杆(2)。6. 根据权利要求1所述的一种新型聚合物的超声波辅助塑化及混炼装置，其特征在于， 所述动力系统(4)包括电机、变速箱和传动轴，所述动力系统(4)的作用是为所述转子 (6)的旋转提供动力，通过所述控制系统实现所述转子(6)的转速的无级调速。7. 根据权利要求1所述的一种新型聚合物的超声波辅助塑化及混炼装置，其特征在于， 所述控制系统包括温度控制系统、转速调节控制系统、超声波控制系统、输出显示控制 系统。8. 根据权利要求7所述的一种新型聚合物的超声波辅助塑化及混炼装置，其特征在于， 所述控制系统是基于数模转换基础上的计算机控制系统，通过计算机软件实现超声波 强度和频率控制，温度、转速和扭矩的测量、控制，测试数据的记录和输出。9. 根据权利要求8所述的一种新型聚合物的超声波辅助塑化及混炼装置，其特征在于， 所述温度控制系统用于测量和调节温度，为所述腔体(3)内部的物料提供一部分热量 来源，所述输出显示控制系统用于记录温度、转矩随时间的变化关系，并以数值和曲线的方 式显示出来。
【文档编号】B29B7/80GK205522064SQ201520827820
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2015年10月21日
【发明人】阳范文, 陈晓明, 田秀梅, 朱继翔, 冼彩虹, 杨婉琼, 刘婉培, 杨雄
【申请人】广州医科大学