专利名称：一种用于聚合物与复合材料光化学反应的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及聚合物及其复合材料在双螺杆挤出机的挤出过程中发生光化学反应的装置，特别涉及一种聚合物及其复合材料在挤出机的挤出过程中、处于熔融状态下、在紫外光照射作用下发生交联、接枝、降解以及增容的专用装置。
背景技术：
迄今为止，以辐照的方式作为引发源引发聚合物及其复合材料发生化学反应的引发源有如下几种电子束辐照、Y-射线辐照、紫外辐照以及微波辐照等。电子束辐照和 Y -射线辐照都属于高能辐照方式，其优点在于能量高，穿透力强，在处理较厚聚合物及其复合材料材料的情况下具有明显的优势；而微波辐照的能量低，对于引发聚合物及其复合材料发生化学反应的效率低，常用来对聚合物及其复合材料进行加热作用。在实际聚合物及其复合材料改性应用中多采用Y-辐射和加速电子束作为辐照源来最为聚合物及其复合材料的改性手段，但这两种方法成本昂贵，危险程度高，故而在生产实际中的用途有限。 紫外光作为一种能量较高的辐照手段，能量介于上述二者之间，可以引发聚合物及其复合材料发生化学反应，成本低，只需简单的紫外光发生设备就可以获得；且穿透能力弱，在简单的防护措施下就可以避免对人和环境的危害，具有较好的实用性。紫外光属于一种能量较高的射线，聚合物及其复合材料在紫外光辐照作用下可以发生分子链的断裂，生成活性的大分子自由基。该大分子自由基可以在一定的条件下引发聚合物及其复合材料进行接枝、交联、降解或增容等反应。由于紫外光的穿透能力弱，目前的紫外光引发的聚合物及其复合材料光化学反应均只能使反应发生在聚合物及其复合材料的表面。且用途仅限于表面接枝反应用于改善聚合物及其复合材料表面的性能。采用紫外光辐照技术进行聚合物及其复合材料本体改性的应用主要见于纤维、薄膜等易于穿透的场合，较厚制品中的应用很少见。EP490854公开了聚乙烯光交联在氮气环境下进行并使用新型光引发剂的专利。申请号为91103158. 8和 91208158. 9的中国发明专利也公开了光交联聚乙烯电线电缆在氮气环境下的生产方法； 申请号91208158. 9的中国专利公开了一种紫外光交联聚乙烯电线电缆的生产设备；专利号为200320107970. 9的中国专利提出一种聚烯烃管材紫外光交联专用设备。上述光化学反应的方法及设备都没有避免聚合物及其复合材料在紫外光辐照下在厚度方向上的不均匀问题，而实际中紫外光的穿透力是随着深度而递减，表面一层受到光辐照的作用强，基体内部受到光辐照的作用弱。中国发明专利200710027396. 9采用透明料筒挤出机作为反应装置，使聚合物及其复合材料在熔融状态下接受紫外光辐照，由于加热熔融破坏了聚合物材料的结晶结构，同时提高了聚合物分子的分子运动活性，从而大大提高了熔融聚合物在紫外辐照下的反应活性，提高了紫外辐照的利用率；但该装置中由于采用玻璃料筒作为主要的功能部件，在使用中易碎，因此只能应用于剪切力和搅拌能力相对较弱的单螺杆挤出机，生产效率较低，对于混合程度要求较高的反应体系，难于达到使用要求；且玻璃料筒制造、加工与安装过程的难度高，使用成本较高。
单螺杆挤出机可以采用全透明料筒来进行紫外辐照的反应，但是对于混合效果要求较高的场合，单螺杆挤出机的混合效果就难于达到要求。对于工业生产上所采用的双螺杆挤出机，目前的材料和生产工艺还无法制造全透明料筒来完成紫外辐照引发的光化学反应；另外，双螺杆挤出机虽然有真空排气孔，但排气孔一般都设计的很小，也难以应用于紫外辐照引发聚合物的反应过程。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种生产效率高、制造成本低、混合效果好的反应装置，满足双螺杆挤出机中熔融状态下的聚合物在紫外光照射作用下发生光化学反应的要求同时，彻底解决采用玻璃料筒造成简体易碎，无法应用于双螺杆挤出机的问题的用于聚合物与复合材料光化学反应的装置。本发明目的通过如下技术方案实现一种用于聚合物与复合材料光化学反应的装置，包括双螺杆挤出机和紫外光发生装置；双螺杆挤出机的料筒由十段料筒组成，在距离进料口的第七截料筒上和第八截料筒位置分别设置两个矩形进光孔；进光孔长度为2-4个螺杆直径，宽为1-2个螺杆直径，矩形进光孔上采用石英玻璃进行密封覆盖；紫外光发生装置为发射波长处于190nm 400nm波长紫外光的高压汞灯、碘镓灯或齒素灯；紫外光发生装置安放在进光孔的上方，紫外光发生装置的功率为500瓦 5000瓦之间，安装高度不超过进光孔上表面20-50cm。进一步地，所述进光孔的横向宽度优选为I. 5个螺杆直径。所述进光孔纵向长度优选为3个螺杆直径。所述双螺杆挤出机的螺杆长径比优选为40 I.所述双螺杆挤出机的每截料筒长度优选为4个螺杆直径。所述双螺杆挤出机优选为平行同向旋转双螺杆挤出机。本发明挤出机的料筒上具有两个进光孔，用于熔融后的聚合物及其复合材料材料在挤出过程的同时接受紫外光辐照；挤出机的作用是加热、挤压、混合、输送用于发生光化学反应的聚合物及其复合材料并使之熔融；紫外光发生装置的作用是用来产生光化学反应所需要的紫外光，紫外光发生装置安装在挤出机外部的进光口位置，紫外光通过进光孔照射在聚合物及其复合材料熔体上。固体聚合物及其复合材料从挤出机的加料口进入，此时的聚合物及其复合材料尚处于固体状态，通过螺杆的旋转以及料筒外部加热器的加热作用，固体聚合物及其复合材料被输送至加料口下游，同时聚合物及其复合材料开始熔融变软。挤出机料筒的进光口位于挤出机加料口下游的第七以及第八截料筒上，此时的聚合物及其复合材料已经处于熔融态。进光口形状为矩形，进光孔长度为3个螺杆直径、宽为I. 5个螺杆直径。紫外光是一种高能射线，其波长比可见光短，能量也比可见光高。聚合物及其复合材料分子在紫外光的照射下，可以吸收紫外光的能量并分解产生大分子自由基。紫外光发生装置在实际中以高压汞灯为多，其价格低且发射的紫外光能量高，其他类型的紫外灯如碘镓灯或其它类型的卤素灯也可以产生充足的紫外光，其更容易控制产生发射一些特定波长的紫外光，多用于对一些特定波长的紫外光要求较丰富的场合。本发明中所用的紫外光发生装置可以是发射波长处于190nm 400nm波长紫外光的高压汞灯、碘镓灯或其它卤素灯。本发明中所述紫外光发生装置安装在挤出机外部的料筒进光孔位置，产生的紫外光从料筒的进光孔照射在料筒内已经熔融的聚合物及其复合材料上，聚合物及其复合材料分子吸收紫外光的能量产生自由基，从而开始发生化学反应。料筒内由于两条螺杆的旋转， 使得聚合物及其复合材料熔体不停的翻转混合，接受紫外光辐照的聚合物及其复合材料熔体表面可以持续更新，提高了紫外光的能量利用率；同时由于螺杆的混合，使得聚合物及其复合材料辐照表面的自由基可以进入到熔体内部，提高了化学反应的均匀程度。本发明中所述紫外光发生装置产生与挤出机内螺杆之间要留出一定的距离，这样一方面便于安装，同时还可以起到保护紫外灯作用，紫外灯与挤出机内螺杆之间的距离为 20cm-50cm,以提高紫外光的利用率。与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果(I)本发明在距离进料口的第七截料筒上和第八截料筒位置分别设置两个矩形进光孔；进光孔长度为2-4个螺杆直径，宽为1-2个螺杆直径，紫外光发生装置安放在进光孔的上方，紫外光发生装置的功率为500瓦 5000瓦之间，安装高度不超过进光孔上表面 20-50cm;该技术的满足双螺杆中熔融状态下的聚合物在紫外光照射作用下发生光化学反应的要求同时，彻底解决采用玻璃料筒造成简体易碎，无法应用于双螺杆挤出机的问题。(2)紫外光从挤出机料筒上的进光口辐照在聚合物及其复合材料熔体表面引发产生大分子自由基，可以实现紫外光辐照引发聚合物及其复合材料发生光化学反应的连续生产；紫外光引发聚合物及其复合材料在熔融状态发生光化学反应，与固体状态下相比，所有的聚合物及其复合材料分子都处于均匀的高温状态，熔融状态下的聚合物及其复合材料更容易在紫外光作用达到激发态，可以提高光化学反应的反应活性和均匀程度；(3)通过双螺杆的混合作用，可以使受光辐照的表面连续翻新，将光化学反应引入到基体内部，提高了聚合物及其复合材料在熔融状态下光化学反应的均匀程度。
图I是本发明用于聚合物与复合材料光化学反应的装置的结构示意图；图2是图I中进光孔的横向截面示意图；图3是图I中进光孔的纵向截面示意图；图4是图I中进光孔采用石英玻璃密封后的示意图；图5为实施例I紫外光引发聚乙烯交联的凝胶含量随螺杆转速的变化曲线。图6为实施例2紫外光引发聚乙烯交联的凝胶含量随螺杆转速的变化曲线。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的描述，但本发明要求保护的范围并不局限于具体实施方式
的表述范围。如图1-4所示，一种用于聚合物与复合材料光化学反应的装置，包括双螺杆挤出机I和紫外光发生装置2 ;双螺杆挤出机I的料筒4由十段料筒组成，在距离进料口的第七截料筒上和第八截料筒位置分别设置两个矩形进光孔3 ;进光孔长度为2-4个螺杆直径，宽为1-2个螺杆直径，矩形进光孔上采用石英玻璃5进行密封覆盖，紫外光发生装置可以是发射波长处于190nm 400nm波长紫外光的高压汞灯、碘镓灯或其它卤素灯；紫外光发生装置 2安放在进光孔3的上方，紫外光发生装置的功率为500瓦 5000瓦之间，安装高度不超过进光孔上表面20-50cm。双螺杆挤出机的螺杆长径比为40 I ;进光孔的横向宽度优选为
I.5个螺杆直径；进光孔的纵向长度优选为3个螺杆直径，普通双螺杆挤出机的每截料筒长度优选为4个螺杆直径。聚合物及其复合材料在挤出机加料口进入到料筒4中后，通过螺杆的旋转以及外部加热使得聚合物及其复合材料在向前输送的同时发生熔融，在到达进光孔3时聚合物及其复合材料已经处于熔融状态。紫外光发生装置2产生的紫外光引发聚合物及其复合材料熔体发生光化学反应，螺杆挤出机I螺杆的连续转动，可以把聚合物及其复合材料表面受紫外光辐照发生光化学反应的熔体不断翻滚更新，并与未受到紫外光辐照的部分聚合物及其复合材料熔体充分混合。目前的双螺杆挤出机的排气口主要用于去除聚合物中少量挥发气体，开孔都非常小，难以应用到紫外光引发聚合物及其复合材料的反应过程。本发明采用设置进光孔的方式提高了紫外辐照作用于聚合物及其复合材料熔体上的辐照面积，进光孔长度为2-4个螺杆直径，宽度为1-2个螺杆直径。该形状既保证了不破坏现有的料筒结构，又可以满足辐照反应的需要。进光孔的位置设置在料筒的第七和第八截料筒上，此时的聚合物及其复合材料已经处于均与的熔融状态，可以有较高的反应活性。聚合物熔体的辐照反应在进光孔发生后，继续在挤出机的第九和第十截料筒内完成进一步的混合，然后通过挤出机的模头挤出。实施例I :紫外光引发熔融聚乙烯本体交联反应所需材料聚乙烯、光敏剂、交联助剂采用平行同向旋转双螺杆挤出机的直径50mm，长径比40 I。从进料到出料， 料筒分为 10 段，10 段料筒的温度设置100 V、150 V、170 V、170 V、170 V、170 V、170 V、 170°C、170°C、17(rC，采用铸铝加热器进行加热，循环水冷却控温。在距离进料口的第七截料筒上和第八截料筒位置分别设置两个矩形进光孔3 ;进光孔长度为2个螺杆直径，宽为2 个螺杆直径，矩形进光孔上采用石英玻璃5进行密封覆盖。紫外光发生装置微发射波长处于190nm 400nm波长紫外光的高压汞灯；紫外光发生装置2安放在进光孔3的上方，紫外光发生装置的功率为500瓦 5000瓦之间，安装高度位于进光孔上表面20cm处。试验步骤I、选择好实验物料后，称取干燥后的聚乙烯、光敏剂二苯甲酮和交联助剂，光敏剂二苯甲酮用量为聚己烯用量的0. 1% (质量百分含量)，交联助剂为二乙烯苯，用量为聚丙烯用量的0.5% (质量百分含量)，混合均匀后加入到双螺杆挤出机料斗中；2、按双螺杆挤出机设置的温度对挤出机进行预热30分钟；3、开启紫外光辐照装置用2个高压汞灯，功率为1000瓦，波长范围为350nm-450nm 以365nm为中心，高压汞灯通过安装在机座上与螺杆的距离为25cm，此条件下紫外光到达螺杆表面的光能量为2. 5J/cm2,待紫外光发光稳定后,开动挤出机即可挤出、切粒；4、调整挤出机转速在50到200rpm之间进行聚乙烯本体交联，如图5所示，可以得到不同凝胶含量的交联聚乙烯。从图5中可以看出，当转速为50rpm时,聚乙烯的凝胶含量39%;当转速为200rpm时，聚乙烯的凝胶含量为15%。该工艺路线简单，通过改变螺杆转速得到不同交联程度的聚乙烯。实施例2 :紫外光辐照进行聚丙烯降解制备可控流变行为的聚丙烯所需材料聚丙烯(熔融指数为3. 5g/10min)，光敏剂安息香烷基醚采用异相平行双螺杆挤出机作为挤出装置，螺杆直径30mm，长径比40 1，从进料到出料，料筒分为10段，10段料筒的温度设置依次为120°C、150°C、180°C、190°C、190°C、 1900C、1900C、1900C、1900C、190°C，采用铸铝加热器进行加热，循环水冷却控温。在距离进料口的第七截料筒上和第八截料筒位置分别设置两个矩形进光孔3 ;进光孔长度为4个螺杆直径，宽为I个螺杆直径，矩形进光孔上采用石英玻璃5进行密封覆盖。紫外光发生装置微发射波长处于190nm 400nm波长紫外光的碘镓灯；紫外光发生装置2安放在进光孔3 的上方，紫外光发生装置的功率为500瓦 5000瓦之间，安装高度位于进光孔上表面50cm 处。I、选择好实验物料后，称取干燥后的聚丙烯、光敏剂安息香烷基醚；光敏剂安息香烷基醚用量为聚丙烯用量的0. 1% (质量百分含量)，混合均匀后加入到双螺杆挤出机料斗中；2、按双螺杆挤出机设置的温度对挤出机进行预热30分钟；3、开启紫外光辐照装置，采用高压汞灯的功率为1500瓦，波长范围为 350nm-450nm以365nm为中心，高压萊灯通过安装在机座上，与挤出机螺杆的距离为25cm, 此条件下紫外光到达石英玻璃的光能量为5J/cm2，待紫外光发光稳定后，开动挤出机即可挤出、切粒；4、调整挤出机转速在50到200rpm之间对聚丙烯进行降解控制，可以得到不同降解程度的聚丙烯。原料聚丙烯的熔融指数为3. 5g/10min。从图6中可以看出，当转速为50rpm时,聚丙烯的熔融指数65g/10min ;当转速为在200rpm时,聚丙烯的熔融指数为12g/10min,相较于未处理的聚丙烯已经明显提高。该方法工艺简单、灵活，可以很方便的制备不同流动级别的聚丙烯树脂，从而克服了反应器内调整的困难。
权利要求
1.一种用于聚合物与复合材料光化学反应的装置，其特征在于包括双螺杆挤出机和紫外光发生装置；双螺杆挤出机的料筒由十段料筒组成，在距离进料口的第七截料筒上和第八截料筒位置分别设置两个矩形进光孔；进光孔长度为2-4个螺杆直径，宽为1-2个螺杆直径，矩形进光孔上采用石英玻璃进行密封覆盖；紫外光发生装置为发射波长处于 190nm 400nm波长紫外光的高压汞灯、碘镓灯或卤素灯；紫外光发生装置安放在进光孔的上方，紫外光发生装置的功率为500瓦 5000瓦之间，安装高度不超过进光孔上表面 20_50cm。
2.根据权利要求I所述的用于聚合物与复合材料光化学反应的装置，其特征在于所述进光孔的横向宽度为I. 5个螺杆直径。
3.根据权利要求I所述的用于聚合物与复合材料光化学反应的装置，其特征在于所述进光孔纵向长度为3个螺杆直径。
4.根据权利要求I所述的用于聚合物与复合材料光化学反应的装置，其特征在于所述双螺杆挤出机的螺杆长径比为40 I.
5.根据权利要求I所述的用于聚合物与复合材料光化学反应的装置，其特征在于所述双螺杆挤出机的每截料筒长度为4个螺杆直径。
6.根据权利要求I所述的用于聚合物与复合材料光化学反应的装置，其特征在于所述双螺杆挤出机为平行同向旋转双螺杆挤出机。
全文摘要
本发明公开了一种用于聚合物与复合材料光化学反应的装置，包括双螺杆挤出机和紫外光发生装置；双螺杆挤出机的料筒由十段料筒组成，在距离进料口的第七截料筒上和第八截料筒位置分别设置两个矩形进光孔；进光孔长度为2-4个螺杆直径，宽为1-2个螺杆直径；紫外光发生装置为发射波长处于190nm～400nm波长紫外光的高压汞灯、碘镓灯或卤素灯；紫外光发生装置安放在进光孔的上方，安装高度不超过进光孔上表面20-50cm。本发明装置满足双螺杆挤出机中熔融状态下的聚合物在紫外光照射作用下发生光化学反应的要求同时，彻底解决采用玻璃料筒造成简体易碎，无法应用于双螺杆挤出机的问题。
文档编号B29C47/00GK102529057SQ20121001253
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月13日 优先权日2012年1月13日
发明者何光建, 曹贤武, 殷小春 申请人:华南理工大学