一种温致相交变面剪切塑化方法与流程

本发明涉及一种温致相交变面剪切塑化方法，具体是针对至少二组分不同熔点或软化点的物料进行混合塑化，利用温度起伏交变使物料在固态和液态之间交替变化，配合面剪切的机械研磨作用，使不同熔点混合物料中的固体粒子和熔体碎片交替发生破裂、碎化、摩擦等作用而被细化、均化和塑化，属高分子材料成型加工技术领域。

背景技术：

塑化质量良好是所有高分子材料成型加工的必要前提。针对至少二组分不同熔点或软化点的物料进行混合塑化时，传统的塑化方法有两辊开炼、密炼、单螺杆或双螺杆混炼，其基本的塑化原理是迫使物料形成空间变化，对物料产生剪切、捏合、拖拽、位置交换的混合作用。也即拖拽剪切和挤压变形捏合，其塑化剪切方式不是面剪切，普遍存在的问题是：塑化压力低，剪切作用弱，混合分散不良。

中国专利CN105801009A公开了《一种自调温金属相变沥青混合料及其制备方法》，它是在沥青熔体中添加金属相变材料，组成一种多组分混合物，其中一种组分是金属，利用金属的相变吸热作用来调节体系的温度，该方法本质是利用某一组分的相态变化产生的吸热效应来获得一种温度调节功能；中国专利CN201610226151.8公开了《一种含有固-固相变材料的轮胎胶料及其制备方法》，它是利用相变吸热作用来平衡轮胎使用时的温度，降低轮胎橡胶材料高温下的力学损耗。这种方法同样是利用某一组分的相态变化产生的吸热效应来获得一种平衡轮胎使用时温度的的功能。中国专利CN201510324357.X公开了《一种强剪切力化学反应器的螺杆与料筒结构》，其原理是在螺杆的尾部再增加一段多头的强剪切螺杆和带反向螺纹的料筒，利用多头螺棱的相互作用使物料被混合和剪切，属于一种改进的螺杆塑化。该专利说明了强剪切作用可以提高混合效果，缺点是剪切面积小，剪切缝隙大，剪切效果不太大；中国专利CN200910038024公开了《一种双转子差动塑化挤出方法和装置》，其原理是螺杆内部套装另外一根螺杆，两根螺杆螺旋方向和旋转方向相反，旋转利用内外螺杆的差动运动，产生容积变化，进而进行塑化，其缺点是剪切面积不大。

技术实现要素：

本发明目的是针对背景技术所述问题，设计一种温致相交变面剪切塑化方法，采用带环形梳齿的内外套筒对接方式形成面剪切研磨装置，对多组分不同熔点或软化点的物料进行混合塑化，使多组分中的低熔点或低软化点的物料始终处于熔融状态，而高熔点或高软化点的物料通过快速温度调控，使其相态在固态、半固态、熔融态之间交替发生相交变，配合纯平面剪切的机械研磨作用，物料的固体粒子和熔体碎片反复交替发生破裂、碎化、摩擦等作用而被细化、均化、微纤化和塑化，可大幅度提高塑化效果，使混合物料达到最大程度的分散。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种温致相交变面剪切塑化方法，是采用面剪切塑化装置，结合对物料的快速加热及快速制冷装置，对至少二组分不同熔点或软化点的物料进行混合塑化方法；所述面剪切塑化装置包括：外套筒（1）、内套筒（2）、输送料筒（3）、输送螺杆（4）、旋转马达（6）、移动丝杆（9）、循环冷却盘管（10）、加热圈（13）；所述旋转马达（6）用于驱动输送螺杆（4）螺旋输送物料；所述外套筒（1）及内套筒（2）均呈杯状，杯内有至少一圈与杯壳同心的环形梳齿，每一圈环形梳齿中有至少二个均匀分布的齿缝，该环形梳齿即构成外圆磨盘（1.2）及内圆磨盘（2.1）；内套筒（2）套装在外套筒（1）内部，内套筒（2）中的内圆磨盘（2.1）与外套筒（1）中外圆磨盘（1.2）相向嵌套，但互不接触；内套筒（2）相对外套筒（1）旋转，内、外圆磨盘之间的各层圆磨盘相互之间构成曲折的磨盘缝隙，用于对物料的面剪切，内、外圆磨盘中的齿缝，构成物料的层间通道，所述外套筒（1）中梳齿面的一侧是带锥度的斜面，所述内套筒（2）梳齿也有与外套筒（1）斜面平行的带锥度斜面；所述移动丝杆（9）用于调节内圆盘磨（2.1）与外圆盘磨（1.2）之间轴向距离；工作中，相互嵌套的内圆磨盘（2.1）与外圆磨盘（1.2）中各相邻梳齿面间缝隙值为恒定值，或者是周期性震荡变化值，缝隙值的周期性震荡变化用于实现对物料的振动塑化；其特征在于：

所述温致相交变面剪切塑化方法，是通过快速温度控制器使其中低熔点或低软化点组分始终处于熔融流动状态，而高熔点或软化点组分则在固相态、半固相态、熔融相态之间交替变化，然后在圆筒状磨盘的薄层剪切作用下，实现物料的细化、均化、微纤化和塑化；

具体塑化方法如下：

设定：物料主体材料由两种或两种以上不同熔点的颗粒状物料组成；其中：低熔点物料为熔剂、高熔点物料为熔质，施加的塑化温度为T；内圆盘磨（2.1）与外圆盘磨（1.2）之间缝隙为0.5~3mm，优选1mm；内圆盘磨（2.1）处于旋转状态；

塑化时控制温度T的变化步骤为：

⑴启动加热圈（13），快速升温至低熔点物料完全处于熔融流动状态，且高熔点物料也处于熔化或半熔化状态，此时低熔点物料与高熔点物料在内、外圆盘磨的剪切作用下，实现流动剪切、分散及细化；

⑵启动循环冷却盘管（10），快速降温至高熔点物料处于凝固或半凝固状态，此时高熔点物料成为熔质，起到磨粒的作用，实现固态粒子的研磨、分散；当高熔点物料颗粒处于半凝固状态时，高熔点物料不断延展微纤细化，并逐步断裂成超离散的细颗粒；

⑶重复上述步骤⑴和步骤⑵，使所述溶质不断被细化和分散，最终在内、外圆盘磨的机械剪切力作用下，各组份物料通过内摩擦、质量交换、细化和分散，达到充分混合和塑化要求。

如上所述一种温致相交变面剪切塑化方法，其特征在于：针对不同种类以及不同组份物料的塑化，是通过调节物料温升控制阀值以及，适应性的选择所述面剪切塑化装置中不同规格的内套筒（2）和外套筒（1）、还包括不同规格的输送螺杆（4）来实现。

如上所述一种温致相交变面剪切塑化方法，其特征在于：塑化过程中，所述内套筒（2）和外套筒（1）之间的磨盘缝隙值是恒定值，或者是：

在外力驱动下呈周期性增大及缩短往复变化，实现对各组份物料的振动塑化。

如上所述一种温致相交变面剪切塑化方法，其特征在于：所述加热圈（13）对物料进行快速加热的方式为电磁感应加热，所述循环冷却盘管（10）对物料进行快速冷却方式为，采用冷媒通过循环制冷方式冷却。

本发明有益效果是：当高熔点或高软化点的物料处于固态时，就相当于混合物中加入了磨粒，该磨粒在薄层高剪切机械混合装置作用下，对混合物起到摩擦剪切、分散重组、研磨细化等作用，且磨粒本身也会发生破裂、碎化；当高熔点或软化点的物料处于半固态状的高弹态时，在薄层高剪切机械混合装置作用下被拉长、拉细，形成微纤，从而产生细化和分散；当高熔点或软化点的物料处于熔融态时，在薄层高剪切机械混合装置作用下与低熔点或软化点的物料一起流动、分散、重新组合；高熔点或软化点的物料其相态在固态、半固态、熔融态之间交替发生相交变，配合纯平面剪切的机械研磨作用，物料的固体粒子和熔体碎片反复交替发生破裂、碎化、摩擦等作用而被细化、均化、微纤化和塑化，可大幅度提高塑化效果，使混合物料达到最大程度的分散。

本发明采用带环形梳齿的内外套筒对接方式形成面剪切研磨装置，物料在对接的圆筒形磨盘套筒之间的缝隙中通过，同时还可以通过梳状豁口轮流地穿过各层套筒磨盘，解决了磨盘缝隙阻力大的问题，也使物料的流动路线不停地变换，大大提高了物料的混合程度。环形梳齿齿面为锥面，通过改变对接套筒轴向距离可以调节磨盘缝隙大小。内套筒（2）和外套筒（1）之间构成的多层磨盘缝隙是圆筒面的，属于典型的面剪切，其剪切间隙小，剪切面积大，对物料的分散作用大，剪切塑化效果好，剪切面积大。

附图说明

图1是本发明实施例“一种温致相交变面剪切塑化方法”物料的转化过程示意图；

图2是本发明所采用面剪切塑化装置的内部结构示意图；

图3是图2中外套筒（1）和内套筒（2）相互对接局部放大图，图中箭头标明了物料流动方向；

图4是图3中内套筒（2）的三维结构示意图；

图5是图3中外套筒（1）的三维结构示意图；

图6是塑化过程中处于内外套筒中的物料流向示意图。

附图中的标记说明：

1—外套筒，1.1—出料口，1.2—外圆磨盘， 2—内套筒，2.1—内圆磨盘，2.2—内圆磨盘齿缝，3—输送料筒，4—输送螺杆，5—减速机，6—旋转马达，9—移动丝杆，10—循环冷却盘管，11—加料斗，13—加热圈。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内，本技术方案中未详细述及的，均为公知技术。

参见图2～图6，本发明所采用的面剪切塑化装置，包括：外套筒1，出料口1.1，外圆磨盘1.2，内套筒2，内圆磨盘2.1，输送料筒3，输送螺杆4，减速机5，旋转马达6，移动丝杆9，循环冷却盘管10，加料斗11，加热圈13。所述旋转马达6用于通过减速机5驱动输送螺杆4螺旋输送物料；所述加热圈13用于快速加热物料，所述循环冷却盘管10用于快速冷却物料。

如图2、图3和图4所示，述外套筒1及外套筒2均是呈杯状，杯内有三圈与杯壳同心的环形梳齿，每一圈环形梳齿上均匀分布有六个齿缝，构成圆磨盘；外套筒1的轴线上还有一根实心圆锥体，内套筒1的杯底中部有出料口1.1，外套筒2的杯底与输送螺杆4左端固连。内套筒2套装在外套筒1内部，内套筒2中的内圆磨盘2.1与外套筒1中外圆磨盘1.2相向嵌套，但互不接触；外套筒1固定，外套筒随着输送螺杆4一起旋转，内、外圆磨盘之间的各层圆磨盘相互之间构成曲折的磨盘缝隙，用于对物料的面剪切，内、外圆磨盘中的齿缝，构成物料的层间通道。本发明实施例中，设定：内圆磨盘2.1与外圆磨盘1.2中相邻梳齿面之间的缝隙值为1.0~1.5mm，利用内圆磨盘2.1与外圆磨盘1.2中各相邻梳齿面构成的缝隙，形成圆柱剪切面对物料进行多重研磨塑化。

由于外套筒1中各同心的梳齿中，有一侧齿面是带锥度的斜面，内套筒2同心圆环中，与外套筒1斜面相对应的齿面，也是带锥度的斜面，两个斜面之间是平行，由图3可知，内套筒2和外套筒1之间构成的多层磨盘缝隙是圆筒面，属于典型的面剪切，其剪切间隙小，剪切面积大，对物料的分散作用大，剪切塑化效果好，剪切面积大。

图6表明，物料的流动路径是曲径，如果磨盘缝隙小，则剪切作用大，但是，物料由于流程长且缝隙小，则流动阻力很大。为此，内套筒2和外套筒1的每一层圆筒磨盘上都开设了由齿缝构成的层间物料通道。

内套筒2和外套筒1之间的轴向距离，可通过外部驱动调节，也就磨盘缝隙值可调。

内外套筒中的每一圈梳齿的齿缝可以在2~20个之间调节，优选6个。

内套筒2和外套筒1之间的各相邻磨盘之间的缝隙值可在外力驱动下往复变化，使磨盘缝隙大小呈现周期性变化，从而实现振动塑化。

参见附图1，本发明一种温致相交变面剪切塑化方法，是通过快速温度控制器使其中低熔点或低软化点组分始终处于熔融流动状态，而高熔点或软化点组分则在固相态、半固相态、熔融相态之间交替变化，然后在圆筒状磨盘的薄层剪切作用下，实现物料的细化、均化、微纤化和塑化。设定：物料主体材料由两种或两种以上不同熔点的颗粒状物料组成，其中：低熔点物料为熔剂、高熔点物料为熔质，施加的塑化温度为T；内圆盘磨2.1与外圆盘磨1.2之间缝隙为0.5~3mm，优选1mm；内圆盘磨2.1处于旋转状态。附图1中，当温度T大于溶剂而小于溶质时，溶质处于大尺寸的固态，见图中的大尺寸圆圈。此时，溶质作为大尺寸的固态颗粒在剪切的作用下，起到了粗磨粒的作用，并且在面剪切的磨缝研磨下，其中一些颗粒发生碎化，尺寸变小，混合均匀性变好。接着，当温度T开始上升并且接近于溶质的熔点时，溶质软化，并且在剪切作用下被延伸拉长拉细，形成微纤，其中一些被拉断，使尺寸变短，这些变细变短的半固态溶质起到一种细磨粒的作用，使物料进一步分散、细化、均化、塑化。当温度进一步升高，超过了溶质的熔点时，溶质也被全部融化，溶质颗粒消失，此时的混合过程变成熔融态的混合过程，熔融态的物料在剪切作用下被混合、分散、塑化。这些混入溶质中的溶质被充分分散，尺寸变小。最后，温度开始下降，当温度再次小于溶质的熔点时，这些尺寸变小的溶质重新回到固态，形成细小的分散的固态颗粒，并且在剪切作用下，起到一种分散更好的细磨粒的研磨作用。此时，一个温致相变的过程结束，物料得到了均化、细化、分散化、塑化。上述温致相变过程反复进行，实现相交变，使溶质的颗粒尺寸越来越小，越来越分散，达到良好的混合、均化、塑化效果。

需要说明的是：如果物料没有确定的熔点，则取软化点。

塑化时控制温度T的变化步骤为：

⑴启动加热圈13，快速升温至低熔点物料完全处于熔融流动状态，且高熔点物料也处于熔化或半熔化状态，此时低熔点物料与高熔点物料在内、外圆盘磨的剪切作用下，实现流动剪切、分散及细化；

⑵启动循环冷却盘管10，快速降温至高熔点物料处于凝固或半凝固状态，此时高熔点物料成为熔质，起到磨粒的作用，实现固态粒子的研磨、分散；当高熔点物料颗粒处于半凝固状态时，高熔点物料不断延展微纤细化，并逐步断裂成超离散的细颗粒；

⑶重复上述步骤⑴和步骤⑵，使所述溶质不断被细化和分散，最终在内、外圆盘磨的机械剪切力作用下，各组份物料通过内摩擦、质量交换、细化和分散，达到充分混合和塑化要求。

所述加热圈13对物料进行快速加热的方式为电磁感应加热，所述循环冷却盘管10对物料进行快速冷却方式为，采用冷媒通过循环制冷方式冷却。

为进一步对本发明技术方案进行描述，针对不同种类以及不同组份物料的塑化，可通过调节物料温升控制阀值以及，适应性的选择所述面剪切塑化装置中不同规格的内套筒（2）和外套筒（1）、还包括不同规格的输送螺杆（4）来实现，实际操作过程中，还需相应的调整内外套筒磨盘之间缝隙值，以下分六个不同方案具体实施，详细说明如下：

实施例一

选定双组分物料为：α型聚丙烯和高密度聚乙烯，熔点分别是150℃和130℃。

电磁感应快速加热圈13和循环冷却盘管10的控制温度分别是160℃和140℃，也即实际温度在160℃和140℃之间交变，交变周期120秒。

内套筒2直径210mm，四层圆筒磨盘，层厚10mm，斜度2°，磨盘长度170mm。外套筒1直径260mm，含外壁四层圆筒磨盘，层厚10mm，斜度2°，磨盘长度170mm。

磨盘缝隙1mm。

输送螺杆4的外径230mm，长度420，螺距20mm，螺槽深度6mm。转速150rpm。

实施例二

选定双组分物料为：尼龙6和γ型聚丙烯，熔点分别是210℃和180℃。

电磁感应快速加热圈13和循环冷却盘管10的控制温度分别是220℃和190℃，也即实际温度在220℃和190℃之间交变，交变周期150秒。

内套筒2直径150mm，三层圆筒磨盘，层厚10mm，斜度3°，磨盘长度120mm。外套筒1直径200mm，含外壁三层圆筒磨盘，层厚10mm，斜度3°，磨盘长度120mm。

磨盘缝隙1.5mm。

输送螺杆4的外径170mm，长度320，螺距20mm，螺槽深度6mm。转速150rpm。

实施例三：

选定三组分物料分别为：尼龙6、γ型聚丙烯、低密度聚乙烯，熔点分别是210℃和180℃和135℃。

电磁感应快速加热圈13和循环冷却盘管10的控制温度分别是220℃和160℃，也即实际温度在220℃和160℃之间交变，交变周期150秒。

内套筒2直径90mm，二层圆筒磨盘，层厚10mm，斜度2°，磨盘长度100mm。外套筒1直径140mm，含外壁三层圆筒磨盘，层厚10mm，斜度2°，磨盘长度100mm。

磨盘缝隙1.5mm。层间物料通道的个数3个，通道宽度10mm。

输送螺杆4的外径110mm，长度320，螺距20mm，螺槽深度6mm。转速100rpm。

实施例四

选定双组分物料为：α型聚丙烯和超高分子量聚乙烯，熔点分别是150℃和130℃。

电磁感应快速加热圈13和循环冷却盘管10的控制温度分别是160℃和140℃，也即实际温度在160℃和140℃之间交变，交变周期120秒。

内套筒2直径210mm，四层圆筒磨盘，层厚10mm，斜度2°，磨盘长度170mm。外套筒1直径260mm，含外壁四层圆筒磨盘，层厚10mm，斜度2°，磨盘长度170mm。

磨盘缝隙2mm。

输送螺杆4的外径230mm，长度420，螺距20mm，螺槽深度6mm。转速150rpm。

实施例五

选定双组分物料为：γ型聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二酯，熔点分别是170℃和260℃。

电磁感应快速加热圈13和循环冷却盘管10的控制温度分别是270℃和190℃，也即实际温度在270℃和190℃之间交变，交变周期120秒。

内套筒2直径150mm，三层圆筒磨盘，层厚10mm，斜度3°，磨盘长度120mm。外套筒1直径200mm，含外壁三层圆筒磨盘，层厚10mm，斜度3°，磨盘长度120mm。

磨盘缝隙2.5mm。

输送螺杆4的外径170mm，长度320，螺距20mm，螺槽深度6mm。转速150rpm。

实施例六

选定双组分物料为：PA6和聚对苯二甲酸乙二酯，熔点分别是210℃和260℃。

电磁感应快速加热圈13和循环冷却盘管10的控制温度分别是270℃和230℃，也即实际温度在270℃和230℃之间交变，交变周期120秒。

内套筒2直径90mm，二层圆筒磨盘，层厚10mm，斜度2°，磨盘长度100mm。外套筒1直径140mm，含外壁三层圆筒磨盘，层厚10mm，斜度2°，磨盘长度100mm。

磨盘缝隙3mm。层间物料通道的个数3个，通道宽度10mm。

输送螺杆4的外径110mm，长度320，螺距20mm，螺槽深度6mm。转速100rpm。

本发明一种温致相交变面剪切塑化方法，当高熔点或高软化点的物料处于固态时，就相当于混合物中加入了磨粒，该磨粒在薄层高剪切机械混合装置作用下，对混合物起到摩擦剪切、分散重组、研磨细化等作用，且磨粒本身也会发生破裂、碎化；当高熔点或软化点的物料处于半固态状的高弹态时，在薄层高剪切机械混合装置作用下被拉长、拉细，形成微纤，从而产生细化和分散；当高熔点或软化点的物料处于熔融态时，在薄层高剪切机械混合装置作用下与低熔点或软化点的物料一起流动、分散、重新组合；高熔点或软化点的物料其相态在固态、半固态、熔融态之间交替发生相交变，配合纯平面剪切的机械研磨作用，物料的固体粒子和熔体碎片反复交替发生破裂、碎化、摩擦等作用而被细化、均化、微纤化和塑化，可大幅度提高塑化效果，使混合物料达到最大程度的分散。

本发明采用带环形梳齿的内外套筒对接方式形成面剪切研磨装置，物料在对接的圆筒形磨盘套筒之间的缝隙中通过，同时还可以通过梳状豁口轮流地穿过各层套筒磨盘，解决了磨盘缝隙阻力大的问题，也使物料的流动路线不停地变换，大大提高了物料的混合程度。环形梳齿齿面为锥面，通过改变对接套筒轴向距离可以调节磨盘缝隙大小。内套筒（2）和外套筒（1）之间构成的多层磨盘缝隙是圆筒面的，属于典型的面剪切，其剪切间隙小，剪切面积大，对物料的分散作用大，剪切塑化效果好，剪切面积大。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“固连”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。