适于定向控制微流体的挤出机料筒、分段式挤出机的制作方法

1.本实用新型涉及高分子材料可控加工技术领域，具体涉及适于定向控制微流体的挤出机料筒、分段式挤出机。


背景技术：

2.在高分子材料加工设备中，螺杆挤出机具备巨大的优势。挤出机一般由电机、螺杆、筒体、料斗及减速器等关键部件组成。挤出机对原材料混合塑化能力强、加料生产比较稳定，能够实现不同加工温度的控制，得到越来越大量的应用。
3.在纳米高分子材料加工过程中，为了增加高分子材料的力学性能，会在原料混合塑化过程中加入特定形状尺寸的增强体材料。但是现有的螺杆挤出机在生产过程中，在螺杆的旋转剪切应力下。熔融的流体会进行无序化混合，因此不能实现增强体材料的有序化排列，不能满足材料精细可控的生产加工要求，产品性能也会大大降低，造成资源的浪费。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种适于定向控制微流体的挤出机料筒、分段式挤出机，原料依次通过混料段、流道段、体积膨胀段，使原料中的增强体材料从杂乱状态到横向排列，最后转变为竖直排列，解决了高分子材料在熔融挤出加工过程中内部增强体材料的有序排列问题。
5.为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种适于定向控制微流体的挤出机料筒，包括：依次连通的混料段、流道段、体积膨胀段；其中混料段适于原料混合熔融；流道段适于原料中的增强体材料呈横向排列；体积膨胀段适于原料中的增强体材料转变为竖直排列。
6.进一步，所述混料段包括：混料筒，位于混料筒内的螺杆，分别设置在混料筒上的原料入口、助剂入口；原料适于从原料入口进入混料筒内并在螺杆带动下前行至流道段；所述助剂入口内适于通入高压助剂，以助推原料前行。
7.进一步，所述流道段包括：流道筒、位于流道筒内部的若干平板；各平板适于间隔层叠设置，将流道筒分割成若干扁平通道，即原料在通过扁平通道时，其内部的增强体材料排列呈横向排列。
8.进一步，所述流道筒呈锥形，其扩口端与混料筒连通，且扩口端的内径与混料筒的内径一致；以及流道筒的长度远小于混料筒的长度。
9.进一步，所述体积膨胀段包括：与流道筒相连的体积膨胀筒；所述体积膨胀筒的内径大于流道筒的缩口端内径，以使原料通过时，其内部的增强体材料转变为竖直排列。
10.进一步，所述体积膨胀筒的内径为流道筒的缩口端内径的1～2倍；所述体积膨胀筒的长度远小于混料筒的长度。
11.又一方面，本实用新型还提供了一种分段式挤出机，包括：模具、若干个层叠设置且如前项所述的适于定向控制微流体的挤出机料筒；各挤出机料筒的出料口适于汇集并连
通模具。。
12.进一步，所述分段式挤出机还包括：螺杆电机；所述螺杆电机适于带动如前所述的螺杆转动，以使原料在混料筒内前行。
13.进一步，所述分段式挤出机还包括：位于适于定向控制微流体的挤出机料筒外侧的加热模块。
14.进一步，所述分段式挤出机还包括：连通原料入口的原料计量泵、连通助剂入口的高压计量泵；原料适于通过原料计量泵从原料入口进入混料筒内；以及高压助剂适于通过高压计量泵从助剂入口进入混料筒内。
15.本实用新型的有益效果是，本实用新型的适于定向控制微流体的挤出机料筒、分段式挤出机通过依次连通的混料段、流道段、体积膨胀段，使原料中的增强体材料从杂乱状态到横向排列，最后转变为竖直排列，然后挤出成型，在原料熔融挤出过程中实现了增强体材料在原料中的有序化排列，尤其是竖直排列会大大增加增强体材料对于基体材料的增强作用，实现材料性能的最大化。
16.本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
17.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
18.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是本实用新型的适于定向控制微流体的挤出机料筒的主视图；
20.图2是本实用新型的适于定向控制微流体的挤出机料筒的俯视图；
21.图3是本实用新型的流道段的横截面示意图；
22.图4是增强体材料形态转变的过程示意图；
23.图5是增强体材料在隔膜中的排列示意图；
24.图6是本实用新型的分段式挤出机的结构示意图；
25.图1中：适于定向控制微流体的挤出机料筒1，混料段11，混料筒111，螺杆112，原料入口113，原料阀门1131，助剂入口114，原料阀门 1141，进料通道115，总阀门1151，流道段12，流道筒121，平板122，体积膨胀段13，体积膨胀筒131，模具2，螺杆电机3，隔膜4，增强体材料41。
具体实施方式
26.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出
创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
27.实施例1
28.如图1所示，本实施例1提供了一种适于定向控制微流体的挤出机料筒1，包括：依次连通的混料段11、流道段12、体积膨胀段13；其中混料段11适于原料混合熔融；流道段12适于原料中的增强体材料呈横向排列；体积膨胀段适于原料中的增强体材料转变为竖直排列。
29.可选的，所述原料例如但不限于poe，eva等热熔胶膜原料等，其中的增强体材料例如但不限于纳米级微胶囊、无机纳米粒子等，其熔点高于原料。在本案中，定义增强体材料处于横向排列时，其水平方向的轮廓尺寸为长度，竖直方向的轮廓尺寸为厚度。
30.可选的，混料段11、流道段12、体积膨胀段13的各筒体之间通过螺栓紧密相连，且在连接处可以设置密封装置，以保证筒体的整体密封效果。
31.为了使高分子材料生产的管材、板材、薄膜等具有更加优异的机械性能，通常会在原材中加入填料来改善材料的性能。填料又称为增强体，尺寸一般在微米级别，均匀分散在基体中，一般表现为各向同性，无论这个方向是否为最终承受应力的方向，均会使材料在不同方向上的机械性能得到增强。
32.本实施例1的适于定向控制微流体的挤出机料筒通过依次连通的混料段、流道段、体积膨胀段，使原料中的增强体材料从杂乱状态到横向排列，最后转变为竖直排列，然后挤出成型，在熔融挤出过程中实现了增强体材料在原料中的有序化排列。可以实现定向的可控加工，在产品承受应力的方向上实现应力的定向增加，尤其是可控地实现薄膜产品的抗冲击强度的增加，在薄膜产品的厚度上实现机械性能的增加，适于管材、线材、板材以及薄膜等材料的加工成型。
33.作为混料段的一种可选的实施方式。
34.见图1，所述混料段11包括：混料筒111，位于混料筒111内的螺杆112，分别设置在混料筒111上的原料入口113、助剂入口114；原料适于从原料入口 113进入混料筒111内并在螺杆112带动下前行至流道段12；所述助剂入口114 内适于通入高压助剂，以助推原料前行。
35.可选的，所述高压助剂一般为具有极强稀释能力的材料，例如但不限于超临界二氧化碳，既可以助推原料前行，又可以在原料通过扁平通道时提供动力，迫使增强体材料转变为横向排列(或水平形态)，还可以在流道筒的缩口处被压缩，用来增大原料熔体表面的压强，还可以在体积膨胀筒内快速降压。
36.本实施方式的混料段通过螺杆带动原料在混料筒前行，以将原料中的各组分在熔融状态下混合均匀，然后通过高压助剂助推原料前行，可以使原料中的增强体材料呈杂乱弥散分布，提高原料的混合均匀度。
37.作为流道段的一种可选的实施方式。
38.见图1，所述流道段12包括：流道筒121、位于流道筒121内部的若干平板122；各平板122适于间隔层叠设置，各平板的层间高度应该小于增强体材料的长度且大于增强体材料的厚度，将流道筒分割成若干扁平通道，即原料在通过扁平通道时，其内部的增强体材料呈横向排列。
39.见图3，平板122由多个子板拼接形成，各子板之间留有一定的拼接缝隙(一般小于
增强体材料的长度)，每个扁平通道就相当于一个微通道，在原料熔体流经这些微通道时，微通道的道壁会给原料熔体一个各向异性的剪切应力，使原料熔体内的增强体材料呈水平状态的整齐排列，这些剪切应力的分布是平坦的，所以这些增强体材料的排列也是规律的，如图3所示。
40.见图1，所述流道筒121呈锥形，其扩口端与混料筒111连通，且扩口端的内径与混料筒111的内径一致；以及流道筒121的长度远小于混料筒111 的长度，混料筒的长度一般为m级，而流道筒的长度为mm级别，比较短(一般为20～100
㎜
)。呈锥形的流道筒121可以控制流道段的高度是慢慢降低，剪切力慢慢增大，从而使原料内部的增强体材料在流动过程中慢慢呈横向排列。
41.本实施方式的流道段通过间隔层叠设置的平板将流道筒分割成若干扁平通道，当原料通过扁平通道时，原料熔体表面处于高压强作用下，其内部的增强体材料呈横向排列，为后续的竖直排列做准备。
42.作为体积膨胀段的一种可选的实施方式。
43.见图1，所述体积膨胀段13包括：与流道筒121相连的体积膨胀筒131；所述体积膨胀筒131的内径大于流道筒121的缩口端内径，以使原料通过时，其内部的增强体材料转变为竖直排列，如图4所示。
44.可选的，所述体积膨胀筒131的内径为流道筒121的缩口端内径的1
‑
2倍；体积膨胀筒的内径要大于增强体材料的一倍长度，使得横向排列的增强体材料有一个充分排列转向的空间，但是要小于增强体材料的两倍长度，不然容易形成多层增强体材料的薄膜；所述体积膨胀筒的长度远小于混料筒的长度，混料筒的长度一般为m级，而流道筒的长度为mm级别，比较短(一般为20～100
ꢀ㎜
)。体积膨胀筒长度太长，温度降低，导致粘度增大，熔体冷却，容易堵塞；同时增强体材料在排列转向后，有序程度降低，只能维持较短的时间，所以需要快速成型成薄膜。
45.在本案中，如图2和图4所示，为了适应熔体或隔膜的流出，流道筒121 和体积膨胀筒131均可以设计为扁平状；体积膨胀筒131的内径和流道筒121 的缩口端内径也可以理解为适应熔体或隔膜流出的扁平出口，扁平出口的高度 (竖直方向)即为体积膨胀筒131的内径和流道筒121的缩口端内径。
46.本实施方式的体积膨胀段与流道段连通，原料熔体在通过流道筒的缩口端时，本身流量会减小，再加上高压助剂的压缩作用，使原料熔体表面处于压缩状态，进入体积膨胀段后，筒体的内径突然变大，原料熔体表面的压强突然减小，原料熔体快速膨胀，原料熔体内原来处于横向排列的增强体材料在泻力后，同时体积膨胀筒截面的突然膨胀导致扩展通道截面入口处有很强的扩展速率，增强体材料在扭力和原料熔体膨胀冲力的作用下转变为竖直排列，随即挤出定型，使增强体材料呈竖直排列存在于形成的隔膜中。
47.如图4所示，在本案中，原料内部的增强体材料也会随着挤出过程的进行逐步发生状态变化，即依次经历杂乱状态、横向排列、竖直排列。为了提高原料的挤出效果和连续生产的需求，一般采用原料与高压助剂交替注入的方式，同时为了便于向混料筒内输入原料，高压助剂和原料采用相同的进料通道115 进入混料筒111内。见图1，具体如下：(1)加料动作，即先打开总阀门1151 和原料阀门1131，使混合均匀的原料从原料入口1131投入混料筒111，原料会在螺杆112带动下前进；然后关闭原料阀门1131，再打开助剂阀门1141，使高压
助剂从助剂入口114注入混料筒内，助推原料沿混料筒111前行并逐渐进入流道筒121，此时原料内部的增强体材料处于杂乱状态；(2)挤出动作，关闭总阀门1151，保证挤出机料筒内的压强(如图1中自左至右压强是逐渐降低的)，促使原料熔融并通过扁平通道，原料内部的增强体材料规则呈横向排列，同时在穿过流道筒121的缩口端时，高压助剂会进一步压缩，使原料熔体表面的压强增大，使增强体材料继续维持横向排列；在进入体积膨胀段后，由于体积膨胀筒131的内径为流道筒的缩口端内径的1
‑
2倍，高压助剂的压强突然释放，原料熔体表面的压强骤然降低，原料熔体产生快速膨胀，同时体积膨胀筒截面的突然膨胀导致扩展通道截面入口处有很强的扩展速率，增强体材料在原料熔体膨胀冲力的作用下，从横向排列转变为竖直排列状态，随即从模具2 挤出形成隔膜，使增强体材料在隔膜中保持竖直排列状态。当部分原料完成挤出时，混料筒内的压强降低，此时打开总阀门1151，可以进行第二次加料动作，然后再关闭总阀门1151，这样反复动作，以保证隔膜连续生产。因此，两次加料的时间间隔，即打开总阀门1151的时间间隔尤为重要。由于加料速度快，原料流经流道筒、体积膨胀筒的速度较慢，因此可以控制该时间间隔满足以下时间要求：原料部分进入流道筒121和体积膨胀筒131内并实现增强体材料的竖直排列；原料并未全部进入流道筒121内，以便于后续添加原料与前段原料接触混合。一般情况下，该时间间隔可以根据原料加入量、高压助剂的注入量、模具的挤出速度进行调整，在此不再详细列举。
48.实施例2
49.在实施例1的基础上，见图1和图6，本实施例2提供了一种分段式挤出机，包括：模具2、若干个层叠设置且如前项所述的适于定向控制微流体的挤出机料筒1；各挤出机料筒1的出料口适于汇集并连通模具2。具体的，原料沿各挤出机料筒1依次通过混料段11、流道段12、体积膨胀段13，形成薄膜状(薄膜的厚度一般为0.1
‑
0.7mm)，然后在模具2处层叠并热压形成隔膜4，此时隔膜4中的增强体材料41依然保持竖直排列，如图5所示。
50.可选的，所述挤出机料筒的数量可以根据隔膜层数设置，一般的，一个挤出机料筒对应挤出隔膜的一层结构(即所述薄膜状)。例如，将挤出机料筒的数量设置为1个，如图6所示，分段式挤出机制备的隔膜中含有一层竖直排列的增强体材料。再如，3个挤出机料筒竖直叠放，可以保证各挤出机料筒1的出料口流出的隔膜会在模具内层叠在一起（采用三个模具的组合叠加模具），然后热压成型，分段式挤出机制备的隔膜中含有三层竖直排列的增强体材料。
51.关于适于定向控制微流体的挤出机料筒的具体结构及实施过程参见实施例 1的相关论述，此处不再赘述。
52.见图1和图6，所述分段式挤出机还包括：螺杆电机3；所述螺杆电机3适于带动如前所述的螺杆112转动，以使原料在混料筒111内前行。
53.可选的，所述分段式挤出机还包括：位于适于定向控制微流体的挤出机料筒外侧的加热模块；所述加热模块包括但不限于环绕在适于定向控制微流体的挤出机料筒外围的电磁加热线圈和热电偶，以对适于定向控制微流体的挤出机料筒内的原料加热，并控制适于定向控制微流体的挤出机料筒的温度，将混料筒内的原料加热至熔融状态，并在混料段、流道段、体积膨胀段使原料保持熔融状态，最后挤出。加热模块为挤出机的常规技术，因此在图2中未显示。
54.可选的，所述分段式挤出机还包括：连通原料入口的原料计量泵、连通助剂入口的
高压计量泵；原料适于通过原料计量泵从原料入口进入混料筒内；以及高压助剂适于通过高压计量泵从助剂入口进入混料筒内。
55.通过原料计量泵和高压计量泵可以分别计量控制原料、高压助剂的通入量。
56.综上所述，本案的适于定向控制微流体的挤出机料筒、分段式挤出机，通过超临界二氧化碳助推原料依次通过混料段、流道段、体积膨胀段，使原料熔体中的增强体材料从杂乱状态到横向排列，最后转变为竖直排列，解决了现有挤出设备在熔融挤出加工过程中无法实现高分子材料内部添加的增强体材料呈现有序竖直排列的问题。
57.在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
58.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
59.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
60.以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。